Самым распространенным изотопом углерода на Земле является 12С (на его долю приходится 98,89% всего углерода), и именно по отношению к нему измеряется относительная атомная масса всех остальных химических элементов. Ядро 12С стабильно и не подвержено радиоактивному распаду. Напротив, 14С постоянно образуется в небольшом количестве (примерно 1:1012) в верхних слоях атмосферы под действием космического излучения. Нестабильное ядро этого изотопа распадается с постоянной скоростью. Время полураспада (необходимое для распада половины массы) составляет 5570 лет. Это малое (в геологических рамках) время полураспада делает данный изотоп удобным инструментом для определения возраста и аутентичности доисторических артефактов или исторических документов, таких как свитки Мертвого моря или Туринская плащаница
[12].
Но каким бы замечательным ни был этот инструмент датирования, к нашему рассказу он не имеет никакого отношения. Для нас важен другой изотоп — 13C. В отличие от 14С, 13С имеет стабильное ядро и не подвергается распаду. В этом отношении он похож на 12С. Поскольку он стабилен, его общее количество на Земле и в атмосфере постоянно (1,1% общего содержания углерода). Таким образом, соотношение количества изотопов 12С и 13С на Земле тоже является постоянной величиной (98,89:1,11). Другими словами, если мы сложим весь углерод, содержащийся в растениях, животных, грибах и бактериях, в каменном угле, нефти и газе, присутствующий в виде углекислого газа в атмосфере и растворенный в океанах и болотах в виде карбонатов, а также застывший в виде извести в карбонатных горных породах, мы увидим, что соотношение стабильных изотопов углерода составляет 98,89:1,11.
Однако несмотря на постоянство этой величины в целом, в горных породах иногда встречаются отклонения от стандартного соотношения. Насколько нам известно, эти отклонения связаны исключительно с деятельностью живых организмов
[13]. Дело в том, что фотосинтезирующие клетки, использующие для синтеза органических веществ углекислый газ из воздуха или воды, предпочитают изотоп 12С. Более легкий изотоп 12С имеет чуть более высокое значение колебательной энергии, так что для осуществления реакций с его участием требуется затратить чуть меньше энергии (более низкая энергия активации). Поэтому ферменты охот-нее катализируют реакции с участием 12С, чем с участием 13С. Более высокая скорость образования связей с участием 12С означает, что органические соединения обогащаются этим изотопом по сравнению с 13С. Обычно соотношение 12С и 13С в живой материи примерно на 2 — 3% отличается от стандартного соотношения.
Когда останки растений, водорослей или цианобактерий превращаются в осадочные породы, они забирают с собой весь избыток изотопа 12С. Поскольку органическое вещество в земле обогащено 12С, в нем соответственно меньше 13C, что означает: больше 13С остается в составе карбонатов в океанах и горных породах, а также в углекислом газе в воздухе. Это отражение принципа массового баланса: то, что зарыто под землей, не может находиться над ее поверхностью. Приложения этого простого принципа распространяются удивительно далеко. Изотопы 12С и 13С включаются в карбонатные горные породы (такие как известняк) в соответствии с соотношением, которое отражает их относительное содержание в океанах. Поскольку в земле захоронено больше 12С, в океане остается больше 13С, так что карбонатные горы оказываются обогащенными 13С. Таким образом, наличие биологической активности можно зафиксировать по двум параметрам — по обогащению находящегося в земле органического материала, такого как уголь, изотопом 12С или по обогащению карбонатных горных пород, таких как известняк, изотопом 13С.
Геологические эпохи, сопровождавшиеся активным отложением углерода, такие как каменноугольный период (около 300 млн лет назад) с гигантскими низко залегающими болотами и массивными пластами угля, оставили заметные подписи изотопа 12С в органических включениях, таких как уголь в минеральных породах. Но чем дальше в прошлое мы углубляемся, тем сложнее читать изотопные подписи, хотя бы по той причине, что сохранилось меньше органического материала. В какой-то момент образцы становятся размером с семечко, и для их анализа требуется специальное сложное оборудование. Зная это, Стивен Мойжис и его коллеги принялись изучать древние горы Гренландии. Их подход быстро принес плоды: они обнаружили мельчайшие фрагменты угля, заключенные в гранулы апатита — минерала, состоящего из фосфата кальция. Апатит может секретироваться микроорганизмами, но также кристаллизуется неорганическим путем из океанской воды, так что само по себе сочетание угля и апатита лишь указывает на потенциальную возможность существования жизни. Но когда исследователи проанализировали соотношение изотопов углерода в образцах, они получили поразительный результат. Вкрапления углерода содержали на 3% больше изотопа 12C, чем обычно. По этому поводу геохимик Генрих Холланд в статье в журнале Science заметил следующее:
«Самым разумным объяснением этих данных является то, что жизнь существовала на Земле уже более 3,85 млрд лет назад».
Кроме того, жизнь, вероятно, уже изобрела фотосинтез, который является главным источником изотопных подписей углерода.
Можно ли верить этим данным? Есть и другие доказательства, подтверждающие такой ход событий. Примерно через 300 млн лет (то есть 3,5 млрд лет назад) на западе Австралии возникла горная формация Варравуна, в которой сейчас находят микроскопические окаменелости, напоминающие современных цианобактерий. На протяжении докембрийского периода цианобактерии в основном жили в виде колоний, называемых строматолитами. Эти купола живых камней достигают в высоту нескольких метров. Живые строматолиты изредка встречаются до сих пор, например в Акульей бухте на западе Австралии. А в соседних скалах сохранились отпечатки аналогичных структур возрастом 3,5 млрд лет. В этой местности геотермальной активности никогда не было, так что, по-видимому, микробы в древних строматолитах получали энергию с помощью фотосинтеза, как и сегодня. Хотя ни одно из этих доказательств само по себе не является окончательным, в целом изотопные подписи углерода, микроокаменелости и ископаемые строматолиты позволяют предположить, что фотосинтезирующие бактерии расселились по Земле как минимум 3,5 млрд лет назад.
