Наличие жизни на поверхности Земли зависит от фотосинтеза. Его возникновение было самой значимой биологической революцией на планете, уступая, возможно, лишь самому факту появления жизни. Фотосинтез является (прямо или косвенно) основой питания почти всей жизни на Земле, к тому же он коренным образом изменил атмосферу. Принцип работы фотосинтеза все еще активно изучается, и, хотя я постараюсь максимально упростить описание этого явления, это реакция весьма сложная и состоящая из нескольких этапов. Обычно фотоны солнечного света улавливаются клеткой с помощью белков, содержащих пигменты, такие как хлорофилл, а затем энергия фотонов используется для расщепления молекулы воды и отделения электрона, в результате чего остается ядро водорода (протон) и кислород, который выделяется как побочный продукт. Высвобожденный электрон – это, прежде всего, носитель энергии, который используется для синтеза переносчиков энергии в клетке, например АТФ. Часть накопленной энергии используется для ассимиляции атмосферного углекислого газа, чтобы заменить в нем один атом кислорода на два атома водорода и получить конечный продукт – сахар (и еще больше кислорода). Производство сахара превращает углекислый газ в органические вещества, позволяя им захватывать больше электронов, не делясь с «жадным» до электронов кислородом. Чем больше кислорода удалено таким образом, тем более восстановленным становится углерод (подробнее об этом позже) и тем больше энергии заключено в его электронных связях.
Одной из первых заметных доминирующих форм, обитавших на поверхности, были фотосинтезирующие бактерии, весьма похожие на цианобактерии, которые часто неправильно называют сине‑зелеными водорослями. Эти бактерии образуют цианобактериальные маты – слоистые покровы микробов. Открытые воздействию Солнца, они постепенно затвердевали и кальцинировались, и в итоге формировались строматолиты – старейшие достоверно известные окаменелости. Обладая способностью к фотосинтезу, эти микробы превращают углекислый газ и воду в сахар и выпускают свободный кислород в качестве побочного продукта. Кислород химически очень активен, он стремится присоединить «чужие» электроны и, как правило, связывается практически с любым доступным элементом, за исключением еще более химически активных, «жадных до электронов», например хлора или фтора. Для многих форм жизни кислород является едким и ядовитым, это можно сравнить с воздействием хлора, одного из первых ядовитых газов, использовавшихся во время Первой мировой войны.
Поначалу фотосинтезированный побочный кислород не накапливался в атмосфере, а связывался с железом и другими элементами, а также с богатыми железом минералами на поверхности Земли и в океане, образуя окись железа – основу ржавчины. В течение примерно 2 млрд лет все доступное железо было окислено, оставив множество древних геологических отложений оксида железа (так называемые полосчатые железистые формации, которые образовали используемые сейчас месторождения железной руды). После этого, исчерпав минералы и металлы для реакций, кислород стал накапливаться в атмосфере до той концентрации, которую мы наблюдаем сейчас, – около 20 % от массы атмосферы.
Стабилизацию концентрации кислорода можно объяснить тем, что он достиг равновесия со всеми полученными органическими материалами (сахарами, жирами, метаном и т. д.), которые вступают в реакцию с кислородом, чтобы в конце концов вновь образовать углекислый газ и воду. В химии это означает, что реакция достигла стационарного состояния, т. е. производство кислорода в процессе фотосинтеза уравновешено его потреблением в ходе обратной реакции. Как уже отмечалось ранее, один из способов осуществить такую обратную фотосинтезу реакцию и достичь этого баланса – горение, когда накопленная солнечная энергия испускается в виде тепла и света. Другой способ заключается в жизнедеятельности аэробных организмов (например, людей), потребляющих сахара и жиры, которые вступают в реакцию с кислородом, используют высвобожденную солнечную энергию и выделяют углекислый газ и воду. Предки аэробных организмов были похожи на бактерии и эволюционировали таким образом, что могли в качестве запасного варианта использовать кислород для потребления собственных сахарных источников энергии, когда им не хватало солнечной энергии. Этот навык пригодился им позже (подробнее об этом ниже). В конце концов баланс между фотосинтезом и аэробным потреблением привел к тому, что уровень кислорода стал постоянным.
Количество атмосферного кислорода огромно – 20 % от массы атмосферы Земли, или примерно 1 квадрлн т (1018 кг). Следовательно, существует огромный резервуар органического вещества, который дополняет весь этот свободный кислород. Это другой продукт реакции фотосинтеза, а именно сахар, хотя обычно его называют органическим углеродом. (Углерод, путем выветривания вошедший в горные породы в виде карбонатов, называют неорганическим углеродом.) Бóльшая часть этого органического вещества изолирована от атмосферы, иначе оно в конце концов вступило бы в реакцию со свободным кислородом. На Земле органический углерод легко укрыть, например, на дне океанов или под осадочными породами, которые беспрестанно производятся эрозией постоянно образующихся вулканов и гор. Этого накопленного органического углерода сегодня в несколько тысяч раз больше (в единицах массы углерода), чем в биосфере, которая сама по себе является относительно крошечной системой, непрерывно производящей и потребляющей кислород.
Заслуживает упоминания то, как аэробные организмы используют сахар, чтобы получить энергию в процессе дыхания. Когда сахар (или углеводород) просто сгорает при взаимодействии с кислородом, запас органического углерода из обладающих запасом энергии электронов, возникших в результате фотосинтеза, захватывается кислородом и переходит на более низкий уровень энергии в кислородной атомной структуре или «валентном электронном слое», высвобождая энергию в виде тепла и света. Если же сахар используется аэробным организмом, реакции метаболизма приводят к тому, что электроны органического углерода медленно просачиваются назад к «жадному до электронов» кислороду и создают электрическое напряжение. Его энергия используется для создания АТФ, что поддерживает механизмы жизнедеятельности клетки. Часть накопленной энергии сахара выделяется в виде тепла, что позволяет теплокровным существам оставаться теплыми. И при сгорании сахара, и при его аэробном потреблении, как только к кислороду присоединяется электрон, он уходит с побочным углекислым газом и водой.
Как отмечалось в главе 5, азот составляет большую часть оставшихся 80 % массы атмосферы, представляющей собой резервуар биологических строительных блоков. При этом азот относительно инертен, не так легко вступает в химические реакции. Требуется долгая работа бактерий и архей в океанах и почве, чтобы образовался, например, аммиак, который более крупные организмы, например растения, используют для создания аминокислот. Напрямую мы атмосферный азот не используем. (Хотя производство удобрений, обеспечивающих необходимые для населения Земли урожаи, стало возможным благодаря процессу синтетического связывания атмосферного азота. Открывший его более 100 лет назад немецкий ученый Фриц Габер был удостоен Нобелевской премии по химии.)
На протяжении первых миллиардов лет существования биосферы Земли в ней по большей части преобладали простые одноклеточные прокариоты – бактерии и археи. Сложные клетки, из которых состоят животные, растения и такие сложные одноклеточные организмы, как грибы, амебы и инфузории, возникли около 2 млрд лет назад. Они называются эукариотическими и сильно отличаются от прокариотических клеток. Типичная эукариотическая клетка имеет мембрану, поддерживаемую цитоскелетом, а ее ядро удерживает в себе ДНК, не позволяя ей свободно плавать, и имеет так называемые органеллы – компоненты клетки, необходимые для ее существования. Помимо этого клетки эукариоты могут изменять свою форму и имеют мембраны, чтобы поглощать и есть другие организмы. Но как же эукариоты возникли?
