Изотопно-углеродная летопись складывается из отдельных фрагментов, поэтому нам нужны древние морские осадочные породы, которые сейчас выходят на поверхность Земли. Старейшие отложения подобного типа были обнаружены в провинции Исуа в Гренландии. Они датируются 3,8 млрд лет. Хотя эти геологические данные выглядят не так эффектно, как легко узнаваемые отпечатки древних окаменелостей, они подтверждают, что жизнь на Земле перерабатывала углерод на протяжении 4 млрд лет и что с определенными допущениями (обусловленными тем, что не так часто нам удается заполучить древние осадочные породы) такая жизнь существовала на Земле непрерывно с начала архея.
И стала Земля зеленой на триллионный день
Из обсуждения первых двух эонов вы уже, я полагаю, поняли, что в геологическом масштабе все события происходят очень медленно. Это в равной мере справедливо для протерозойского эона — эона примитивной жизни. Протерозой пришел на смену архею примерно 2,5 млрд лет назад. Окаменелости, датируемые этим периодом, сходны с архейскими: они также представляют собой клеточные микрофоссилии, объединенные в колонии наподобие строматолитов, однако их количество и разнообразие существенно возросло. Отчасти это объясняется изменениями в самих организмах, но отчасти и тем, что на протерозойские породы пришлось гораздо меньше разрушительных воздействий и они по-прежнему в больших количествах выступают из земли в ожидании молотка геолога. При ближайшем рассмотрении в отдельных окаменелых клетках можно разглядеть совершенно новую структуру — клеточное ядро. Сегодня все живые организмы, чьи клетки содержат ядро, называют эукариотами, и в эту группу попадают все формы земной жизни, кроме бактерий и архей, которые, как оказалось, совсем лишены эволюционных амбиций.
Однако на протяжении этого эона произошло значительно более важное событие: атмосфера начала пополняться кислородом. Кислород возник в результате фотосинтеза — процесса преобразования углекислого газа (CO2), присутствующего в атмосфере или растворенного в воде, в простые сахара, служащие энергией для клеточной жизни. Фотосинтез можно записать в виде относительно простой химической реакции, в которой углекислый газ, вода и энергия двух световых фотонов, взаимодействуя с молекулой хлорофилла, преобразуются в сахар (глюкозу) и молекулярный кислород. Хотя сам фотосинтез выглядит простой реакцией, молекула хлорофилла, которая в нем участвует, устроена отнюдь не просто. Таким образом, если рассматривать развитие жизни как процесс последовательного усложнения биохимических реакций, то возникновение фотосинтеза знаменует качественный переход, ставший результатом длительного эволюционного развития.
Так когда же возник фотосинтез? Эволюция протекает постепенно. Возможно, сначала появился аноксигенный фотосинтез, который не производит в качестве побочного продукта кислород. Аноксигенный фотосинтез присутствует у нескольких современных видов бактерий. В этом случае для реакции с углекислым газом бактерия использует закись железа, сульфиды или молекулярный водород и не производит кислород как побочный продукт. Был ли данный вариант метаболизма эволюционным предшественником оксигенного фотосинтеза? Трудно сказать наверняка. Но вполне можно допустить, что подобная стадия действительно имела место в эволюции оксигенного фотосинтеза.
Свидетельства присутствия кислорода в атмосфере Земли появились примерно 2,4 млрд лет назад, и на этот раз обнаружить их удалось геохимическими методами: с помощью радиометрического анализа содержания изотопов серы в протерозойских горных породах. Как ни странно, породы, отложенные за несколько сотен миллионов лет до повышения уровня кислорода в атмосфере, указывают, что наша планета буквально ржавела в планетарном масштабе, пока не разразилась «кислородная катастрофа». В этот период геологической истории откладывались главным образом полосчатые железорудные формации — толщи ржаво-красных железистых минералов. Эрозия смывала богатые железом минералы в океан точно так же, как это происходит сегодня. В воде они вступали в реакцию с растворенным кислородом, произведенным фотосинтезирующими бактериями, и осаждались на дно океанов, образуя характерные слои минералов оксида железа.
Другой возможный механизм создания полосчатых железорудных формаций — прямое окисление железа в результате аноксигенного фотосинтеза, осуществляемого определенным видом пурпурных бактерий. Хотя у нас нет достоверных сведений о том, какой из этих двух процессов был более распространенным, мы можем предположить, что по крайней мере часть растворенного в океанах Земли железа служила ловушкой или резервуаром для слабенькой струйки кислорода, произведенного в результате оксигенного фотосинтеза. Как только все доступное железо прореагировало с кислородом, резервуар заполнился; лишний кислород стал выделяться из океанов и накапливаться в атмосфере.
Дополнительные сведения относительно обмена веществ первых форм жизни можно получить, изучая современные метаногены — примитивные археи, которые преобразуют CO2 в метан (CH4) как побочный продукт жизнедеятельности. Прямых методов определения уровня метана в древней атмосфере, подобных тем, что используются для определения уровней кислорода, не существует. Но метаногенная жизнь позволяет нам строить предположения о том, как могли осуществляться другие возможные сценарии развития. В результате бурной вулканической деятельности атмосфера древней Земли, вероятно, была насыщена углекислым газом. При этом стоит отметить, что в ней практически не было молекулярного кислорода. Современные метаногены — это исключительно археи, простейшие одноклеточные организмы, сходные по своему строению с ранними прокариотами, о строении которых можем судить по их окаменелым остаткам. Сегодня они могут существовать только в бескислородных средах, которые, по-видимому, были широко распространены на Земле до возникновения фотосинтеза.
Однако следует отметить, что «вероятно» — не совсем то же самое, что «достоверно установлено». Ископаемые архея не содержат никаких признаков того или иного типа обмена веществ. Нам точно известно только то, что современные метаногены не переносят контакта с кислородом. Как химический элемент кислород слишком активен. Он заявился в мир метаногенных архей с повадкой запоздалого пьяного гостя, пришедшего на вашу милую вечеринку, и всякая жизнедеятельность сразу же затихла. Если в начале архея жизнь состояла из метаногенных микробов, то возникновение фотосинтеза и дальнейшее появление на Земле кислорода стало причиной первого и, вероятно, величайшего вымирания в истории нашей планеты.
Но какое отношение это все имеет к астробиологии? Появление кислорода в земной атмосфере — отчетливое свидетельство того, что жизнь становится важным фактором, способным коренным образом изменить физические условия на планете, и проницательный инопланетный разум, наблюдающий за Солнечной системой, вполне способен распознать его влияние. В этом плане Земля сформировалась как интересный объект для астробиолога примерно 2,4 млрд лет назад. Справедливости ради надо отметить, что метаногенные археи могли настолько повысить уровень метана в атмосфере, что наш инопланетный астроном мог заинтересоваться происходящим на Земле на миллиард лет раньше. Но, поскольку у нас нет никаких геологических данных относительно присутствия в древней атмосфере метана, мы можем только строить догадки.
