В 1920-х гг. Дж. Б. С. Холдейн в Англии и Александр Опарин в России независимым образом начали размышлять о возможном составе атмосферы первозданной Земли, основываясь на данных о составе современной атмосферы Юпитера (который определяют по оптическому спектру). Холдейн и Опарин утверждали, что, если Земля возникла в результате конденсации облака газа и пыли, как Юпитер и другие планеты, исходная атмосфера Земли должна была состоять из такой же ядовитой смеси водорода, метана и аммиака. Их идеи укоренились надолго и легли в основу знаменитой серии экспериментов Стенли Миллера и Гарольда Юри, выполненных в США в 1950-х гг. Миллер и Юри пропускали электрические искры (имитируя разряды молнии) через газовую смесь, содержащую три газа из атмосферы Юпитера, и собирали продукты реакции. Они обнаружили сложную смесь органических соединений, включая аминокислоты, из которых все живые существа синтезируют белки. Ученые утверждали, что подобные реакции могли превратить первичный океан в органический бульон, содержащий все исходные элементы для возникновения жизни. Для зарождения жизни в этой смеси требовались только благоприятный случай и время, а их было предостаточно: нашей планете 4,5 млрд лет, а самые древние окаменелости крупных животных имеют возраст не более полумиллиарда лет. За 4 млрд лет многое может произойти.
Выбор состава газовой смеси в экспериментах Миллера и Юри был оправдан как с практической, так и с теоретической точки зрения. Водород, метан и аммиак не могут долго существовать в присутствии кислорода и света — смесь окисляется, и после этого выход органических продуктов быстро снижается. На химическом языке окислeнue — это удаление электронов из атома или молекулы. Обратный процесс присоединения электронов называют восстановлением.
Слово «окисление» происходит от слова «кислород». Кислород активно отбирает электроны у других молекул. Чтобы легче было запомнить, воспринимайте кислород как едкое и разрушающее вещество, что-то вроде средства для отмывания краски. Окисление можно сравнить со снятием оболочки «электронной краски», а восстановление — с воссозданием красочного покрытия
[7]. Важно, что кислород способен «нападать» на молекулы и отнимать у них электроны. Современные клетки защищаются от этого нападения с помощью антиоксидантов, но сначала никаких антиоксидантов не было. Свободный кислород в первичной атмосфере оказался бы страшным бедствием, поскольку мог разрушать любые органические молекулы и первые клетки.Тот факт, что жизнь все-таки зародилась, говорит о том, что кислорода в заметном количестве в первичной атмосфере не было.
Таким образом, по-видимому, первые клетки возникли в бескислородной атмосфере и должны были производить энергию без помощи кислорода. Это кажется разумным предположением. Вспомним, что в конце XIX в. Луи Пастер называл брожение «бескислородной жизнью» и дальнейшие исследования подтвердили его правоту. Поскольку дрожжи и многие другие одноклеточные организмы используют брожение для получения энергии и имеют простую структуру, легко предположить, что они являются реликтами древнейшей жизни. Эти одноклеточные существа должны были жить за счет сбраживания растворенных в океане органических соединений, пока их не вытеснили первые фотосинтезирующие бактерии — цианобактерии (которые раньше поэтично, но неграмотно называли сине-зелеными водорослями).
Цианобактерии научились использовать для своих целей энергию Солнца. Это крошечные существа, но за миллиарды лет несчетное множество цианобактерий (в капле воды содержится несколько миллиардов таких клеток) незаметно наполнило воздух ядовитым кислородом. Сначала кислород взаимодействовал с растворенными в океане минеральными солями или продуктами эрозии наземных гор. На протяжении сотен миллионов лет этот гигантский природный ресурс служил буфером, поглощавшим свободный кислород.Однако в конечном итоге емкость буфера была исчерпана. И тогда внезапно (по геологической временной шкале) атмосфера и океан заполнились кислородом. Результат оказался ужасным — «кислородный холокост». Вот что писала в 1986 г. профессор Линн Маргулис из Университета Массачусетса:
«Это величайший из всех пережитых Землей кризисов. Многие виды микробов мгновенно исчезли. Микробы не имели защиты от такого бедствия, кроме стандартного способов репарации и удвоения ДНК, переноса генов и мутаций. В результате множества смертей и усиления половой активности, характерной для бактерий в токсичной среде, произошла перестройка сверхорганизма, который мы называем микрокосмом. Стали появляться новые устойчивые бактерии, которые быстро заняли место чувствительных к кислороду бактерий на поверхности Земли, а выжившие переселились в анаэробные слои ила и почвы. Этот „холокост“, сравнимый с ядерной катастрофой, которая пугает нас сегодня, перерос в самую невероятную и важную революцию в истории жизни».
В соответствии с данной точкой зрения успешность нового мира объясняется не только способностью микроорганизмов противостоять токсичности кислорода, но и удивительной модификацией, в результате которой клетки стали зависеть от того самого вещества, служившего для них смертельным ядом. Обитатели этого славного нового мира стали получать энергию с помощью кислорода.
Далее, как утверждает старая теория, из-за нашей зависимости от кислорода мы забываем, что этот газ токсичен и напрямую связан со старением и смертью, не говоря уже о том, что представляет серьезную пожарную опасность. По ходу эволюции реакционная способность кислорода влияла на его накопление в атмосфере. Нам говорят, что ко времени расцвета многоклеточных форм жизни, примерно 550 млн лет назад, уровень кислорода в атмосфере достиг 21%; установилось природное равновесие. Если концентрация кислорода повышается слишком сильно, его токсичное действие начинает подавлять развитие растений. В результате снижается объем кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза. Нам говорят, что при содержании кислорода выше 25% даже в дождевых лесах могут возникать обширные пожары. Напротив, если уровень кислорода опускается ниже 15%, животные начинают задыхаться и не горят даже сухие веточки. Судя по анализу ископаемого древесного угля в осадочных породах, на протяжении 350 млн лет на Земле непрерывно бушевали свирепые пожары. Это означает, что уровень кислорода никогда не опускался ниже 15%. Таким образом, со времен возникновения современных растений и животных биосфера сама регулирует уровень кислорода в атмосфере.
Именно такой истории учили меня, и многие из этих идей до сих пор популярны, во всяком случае не подвергаются сомнению. И хотя доказательств их справедливости не так уж много, звучат он более ли менее убедительно. Суммируем сказанное: жизнь возникла в первичном бульоне в результате химической реакции между атмосферными газами — метаном, аммиаком и водородом. Первые клетки сбраживали этот бульон, пока их место не заняли цианобактерии, использовавшие солнечную энергию и осуществлявшие фотосинтез, в результате которого в атмосферу выделялся ядовитый кислород. Этот активный газ окислял горы и океаны и в конечном итоге стал накапливаться в атмосфере, вызывая массовую гибель организмов — «кислородный холокост». Из золы возник новый мировой порядок, зависевший от того самого газа, который уничтожил бóльшую часть клеток-предшественников. Обитатели этого нового мира получали энергию с помощью кислорода. Токсичность и реакционная способность кислорода заставляют биосферу поддерживать его содержание на уровне 21%.
