Обогащенная кислородом атмосфера Земли неразрывно связана с важнейшим эволюционным новшеством в истории нашей живой планеты – фотосинтезом. Как писал Оливер Мортон, фотосинтез – это «свет, ставший жизнью», процесс, в ходе которого «свет солнца становится веществом земли». Осуществляя фотосинтез, организмы улавливают энергию света и накапливают ее в удобных химических формах. В отличие от солнечной магии, которая происходит в знакомых нам сегодня растениях с листьями, самые ранние формы фотосинтеза, вероятно, не требовали воды и не вырабатывали кислород.
Некоторые ученые предполагают, что первыми автотрофными организмами были глубоководные микробы, жившие вблизи горячих гидротермальных источников 3,4 миллиарда лет назад. Вместо солнечного света они полагались на тусклое свечение магмы и перегретой воды, дышали сероводородом и выделяли серу. В какой-то момент в промежутке между 3,4 и 2,5 миллиардами лет назад сине-зеленые микробы, известные как цианобактерии, выработали совершенно новую версию автотрофного питания – фотосинтез, которая воспользовалась преимуществом богатства ресурсов, перерабатывая солнечный свет, воду и углекислый газ в сахар и выделяя кислород в качестве побочного продукта.
Атомы кислорода химически активны и охотно образуют связи с другими элементами. Часть кислорода, выделяемого ранними цианобактериями, вступала в реакцию с вулканическими газами, а также с железом, содержащимся в морской воде и горных породах, образуя новые соединения и минералы. Однако часть их выделений стала накапливаться в виде свободного кислорода в непостоянных и очень ограниченных по местоположению оазисах первобытного океана и воздуха.
Несмотря на свою живучесть, цианобактерии не сразу стали процветать. Поначалу их численность была значительно меньше, чем других видов микробов, и, скорее всего, они обитали только в мелководных, освещенных солнцем и богатых питательными веществами местах, где им удалось превзойти по численности своих предшественников. Со временем, однако, они стали распространяться. Примерно 2,4 миллиарда лет назад, ближе к центральной точке истории нашей планеты, содержание кислорода на поверхности океана и в атмосфере в целом начало подниматься до ощутимого уровня, хотя все еще было гораздо ниже, чем сегодня. Примерно в это же время некогда оранжевое небо, вероятно, начало становиться все более и более голубым. Хотя эта планетарная веха известна как «Кислородная революция» или «Кислородная катастрофа», это было не столько отдельное событие, сколько длительный переход, продолжавшийся более 200 миллионов лет.
За этот перманентный сдвиг в земной системе отвечали, вероятно, многочисленные геологические и биологические процессы, включая изменения в составе вулканических выбросов и химические реакции, которые позволили атмосферному водороду улетучиться в космос, оставив после себя избыток O2. Каким бы ни было точное сочетание механизмов, цианобактерии, несомненно, стали важнейшим источником накопления кислорода. Возможно, тектоническая активность изменила круговорот и распределение фосфора и других питательных веществ, необходимых цианобактериям, что дало им решающее преимущество перед конкурентными организмами, увеличило их популяции и резко повысило общее производство кислорода.
В конечном счете эти солнцелюбивые микробы невольно довели планету до новой крайности. Некоторые ученые предполагают, что ранние выбросы кислорода цианобактериями спровоцировали одно из самых страшных массовых вымираний в истории Земли, хотя прямых доказательств этому нет. В то время большинство микроорганизмов предположительно избегали кислорода, поскольку его химически активная молекула могла начать опасные химические реакции, разрушающие клеточные структуры организмов. Новая кислородная среда могла оказаться смертельной для подавляющего большинства протерозойских микробов, которые не обладали набором антиоксидантных защитных механизмов, присущих современным организмам.
Параллельно с этим цианобактерии, вероятно, спровоцировали один из самых ранних климатических кризисов на Земле – похолодание на всей планете. В начале существования Земли обилие парниковых газов поддерживало тепло, заставляя его оставаться в нижних слоях атмосферы. Однако в три этапа в период между 2,4 и 2,1 миллиардами лет назад температура на планете резко упала и огромные ледяные щиты расползлись по всей планете, возможно, покрыв сушу и моря от полюса до полюса, за исключением тонкого пояса вблизи экватора – по крайней мере, согласно гипотетическому сценарию, известному как «Земля-снежок».
Причины этого кризиса до конца не известны, но кислород, который вырабатывали цианобактерии, мог вступать в реакцию с метаном, преобразуя его в углекислый газ, который задерживал гораздо меньше тепла. В то же время цианобактерии избавлялись от большого количества углекислого газа в атмосфере посредством фотосинтеза. Без газового одеяла Земля замерзла. Все живое, что выжило, скорее всего, пряталось в немногих сохранившихся теплых убежищах возле вулканов, горячих источников и морских жерл. Во время первого оледенения, вероятно, сработал термостат Земли: планета в конце концов потеплела, цианобактерии возродились, и кислород продолжил поступать в атмосферу. Этот цикл мог повторяться несколько раз в период между 750 и 580 миллионами лет назад.
В течение примерно миллиарда лет после «Кислородной катастрофы» уровень кислорода в атмосфере и океане Земли оставался на низком уровне – это была лишь малая толика того, что есть сегодня. Однако даже этого небольшого количества кислорода могло быть достаточно, чтобы начать несколько эволюционных процессов. Хотя свободный кислород, вероятно, был смертельно опасен для многих самых ранних форм жизни на планете, его накопление также давало беспрецедентную возможность для роста и изменений. Свободный кислород, состоящий из двух связанных между собой атомов кислорода, не только легко образует связи с другими молекулами, но и выделяет большое количество энергии при разрыве и восстановлении собственных связей. Приспособившись дышать кислородом, организмы увеличили эффективность метаболизма почти в 18 раз, что, возможно, способствовало развитию более сложных, требующих энергии клеток, крупных тел и всевозможных телесных метаморфоз.
На начальных этапах насыщения Земли кислородом, возможно, в период между 2 и 1,8 миллиардами лет назад, произошел ряд уникальных биологических симбиозов, навсегда изменивших эволюцию жизни на нашей планете. Сначала, согласно одной из ведущих теорий, крупный океанический микроб поглотил более мелкую бактерию, дышащую кислородом. По неизвестной причине, вместо того чтобы перевариться, как обычно, бактерия выжила. Каждый микроб извлекал выгоду из этого симбиоза: меньший получал кров и пищу, а больший – способность дышать кислородом, когда это было необходимо. По мере того как микробы поддерживали свой симбиоз на протяжении многих поколений, меньший все больше жертвовал собственной автономией и в конце концов превратился в постоянную клеточную структуру: первую митохондрию, так называемый «энергетический центр» клетки. Сегодня бобовидные митохондрии, вырабатывающие энергию, есть в клетках всех сложных многоклеточных существ.
Согласно этой теории, в какой-то момент после появления клеток с митохондриями некоторые из них ассимилировали цианобактерии, которые постепенно превратились в хлоропласты – крошечные зеленые органеллы, осуществляющие фотосинтез в клетках растений и водорослей. Все животные, растения и грибы в конечном итоге произошли от этих древних слияний микроскопических существ. Линн Маргулис была одним из первых ученых, официально разработавших теорию о том, что митохондрии и хлоропласты когда-то были самостоятельными микробами, возникшими на ранних этапах эволюции многоклеточной жизни. Поначалу ее идеи вызывали много споров и даже насмешек, но в итоге их подтвердили многочисленные генетические и микробиологические доказательства.
Ученые продолжают спорить о том, было ли повышение уровня кислорода в океане и атмосфере предпосылкой для возникновения сложной жизни, катализатором или какой-то другой формой влияния. Но многие согласны с тем, что отсутствие свободного кислорода, вероятно, сдерживало эволюцию сложных клеток и крупных тел и что повышение или колебание уровня кислорода, по всей видимости, способствовало резкому увеличению разнообразия форм животных, например кембрийскому взрыву в промежутке между 540 и 500 миллионами лет назад. К тому времени кислород мог составлять до 10,5 % атмосферы, что примерно вдвое меньше, чем сегодня.
Исторически сложилось так, что эволюция изображается линейно в виде ветвящегося дерева или сетчато, в виде паутины. Хотя эти метафоры точно отражают многие эволюционные процессы, другие гораздо более извилисты, даже цикличны. Снова и снова жизнь и окружающая среда меняют друг друга. Своим поведением и продуктами жизнедеятельности живые существа вносят долгосрочные изменения в окружающую среду, которые отчасти определяют судьбу их потомков и других видов. Микробы могут засеять облака. Леса на одном континенте могут вызвать дождь на другом. Дыхание может менять планету.
Перед тем как забраться на высокую башню в обсерватории, я так долго представлял себе путешествие на вершину, что не смог предвидеть трудности на обратном пути. После нескольких часов, проведенных на башне, мы с моими спутниками были измотаны и обезвожены. Когда мы начали спускаться, мои ноги непроизвольно дрожали от пронизывающей усталости, знакомой по долгим горным походам. Приходилось двигаться еще осторожнее, чем при подъеме, напрягаясь при каждом шаге.
Над нами на утреннем небе висело плотное белое одеяло. По иронии судьбы то самое явление, ради изучения которого многие ученые посещают башню, часто мешает их работе. В сильный ливень, а особенно во время грозы башня становится еще более непредсказуемой, чем обычно. Меня предупредили, что если во время подъема начнется дождь, то нам, скорее всего, придется повернуть назад, так и не добравшись до вершины. Этого не произошло, и теперь я надеялся избежать опасностей, связанных с перемещением по скользкой лестнице. Гравитация и чувство долга помогали мне идти, и я наконец достиг основания башни, весь обливаясь потом и испытывая огромное облегчение от того, что снова ощутил под ногами землю.