В начале 1990-х годов микробиолог Пенни Бостон смотрела передачу на телеканале National Geographic, в которой упоминалась Лечугилья. Бостон пришла в восторг от мысли том, что она сможет увидеть нетронутую подземную страну чудес. Одна из исследовательниц в передаче, Ким Каннингем, нашла первые доказательства существования микроорганизмов в пещере. Бостон интересовало, возможна ли жизнь за пределами Земли, поэтому она рассматривала Лечугилью как аналог потенциальных подземных мест обитания на других планетах. Она позвонила Каннингем и договорилась посетить пещеру с группой ученых и спелеологов.
Бостон и другие ученые, не имевшие большого опыта в спелеологии, несколько часов тренировались на скалах в Боулдере штата Колорадо, прежде чем погрузиться в Лечугилью. Эта короткая тренировка оказалась практически бесполезной. Лечугилья – это не ряд соединенных между собой комнат, по которым можно пройти, а запутанные хрустальные лабиринты, переплетенные в извилистых каменных джунглях. Чтобы пройти по ним, Бостон и ее коллегам пришлось спускаться по отвесным скалам, карабкаться по скользким гипсовым башням, преодолевать узкие уступы и пробираться через каменные соты – и все это с громоздким снаряжением за плечами. «Мы оказались в настолько чуждой нам среде, что у нас не было выбора, кроме как пытаться совладать с ней», – вспоминает Бостон. Про себя она все время думала: «Я просто должна перетерпеть это до тех пор, пока я не выберусь отсюда».
Они выжили, но без травм не обошлось. В какой-то момент Бостон вывихнула лодыжку. Перебираясь через расщелину, она поранила голень, отчего нога и ступня распухли. Но она продолжала идти. Незадолго до выхода из пещеры она заметила интересный пушок ржавого цвета, покрывающий нависающую над ней часть потолка пещеры. Она уже собиралась соскрести этот пух в мешок, как вдруг его капелька попала ей в глаз, который вскоре распух, как будто от инфекции. Возможно, подумала она, коричневый пух создали микробы, а возможно, он и вовсе состоял из микробов. Лабораторные исследования в конце концов подтвердили ее догадку. Пещера была полна микроорганизмов, которые разъедали горную породу, извлекая железо и марганец для получения энергии и оставляя после себя мягкий минеральный осадок. Микробы превращали камень в почву на глубине более 300 метров под землей.
В конце концов, в результате многолетних исследований Бостон и другие ученые, в том числе Диана Нортап, Кэрол Хилл и Дженнифер Макаледи, выяснили, что результаты деятельности микробов в Лечугилье гораздо более масштабны и не ограничиваются производством небольшого количества грязи. Лечугилья покрыта толстым слоем известняка – окаменевшими останками рифа, которому 250 миллионов лет. Многочисленные камеры в таких пещерах обычно образуются благодаря дождевой воде, которая просачивается в землю и постепенно растворяет известняк. Однако в Лечугилье скульпторами становятся микробы: нефтепоедающие бактерии выделяют сероводород, который вступает в реакцию с кислородом в подземных водах, производя серную кислоту, разрушающую известняк. Параллельно различные микробы потребляют сероводород и производят ту же серную кислоту в качестве побочного продукта жизнедеятельности. Подобные процессы происходят в 5-10 % известняковых пещер по всему миру. Хотя такие пещеры могут образовываться в результате чисто геологических процессов выделения кислот и газов, микробы ускоряют этот процесс, позволяя пещерам разрастаться гораздо быстрее.
Со времени первого спуска Бостон в Лечугилью ученые по всему миру обнаружили, что микроорганизмы преобразуют земную кору, где бы они ни обитали – то есть практически везде. Алексис Темплтон, геомикробиолог из Университета Колорадо в Боулдере, регулярно посещает бесплодную горную долину в Омане, где в результате тектонической активности участки мантии – слоя Земли, находящегося под корой, – оказались гораздо ближе к поверхности. Она и ее коллеги бурят там скважину глубиной 400 метров и извлекают длинные цилиндры породы, которой 80 миллионов лет, некоторые образцы ярко окрашены в оттенки бордового и зеленого. В лабораторных исследованиях Темплтон продемонстрировала, что эти образцы полны бактерий, изменяющих состав земной коры. Они питаются водородом и «дышат» сульфатами, содержащимися в породе, а выделяют сероводород, создавая новые залежи сульфидных минералов, подобных пириту, известному также как «золото дураков»[21].
Благодаря похожим процессам микробы помогли сформировать некоторые из месторождений золота, серебра, железа, меди, свинца, цинка и других металлов. Когда подземные микробы разрушают породу, они зачастую высвобождают имеющиеся в ней металлы. Некоторые из выделяемых микробами химических веществ, например сероводород, соединяются с металлами, содержащимися в породе в свободном виде, образуя новые твердые соединения. Другие молекулы, выделяемые микробами, захватывают ионы металлов из растворов и связывают их вместе. Некоторые микробы накапливают металл внутри своих клеток или выращивают корку из микроскопических металлических хлопьев, которая притягивает все больше металла, аккумулируя в течение длительного времени значительные его запасы.
Микробная жизнь сформировала большинство минералов Земли, представляющих собой природные неорганические твердые вещества с высокоорганизованной атомной структурой, или, говоря проще, драгоценные и полудрагоценные камни. Подобно живым организмам, минералы подразделяются на семейства и виды. Сегодня на Земле насчитывается не менее 5000 видов минералов, большинство из которых представляют собой кристаллы, такие как алмаз, кварц, топаз, графит и кальцит. Однако поначалу Земля не отличалась большим разнообразием минералов. Лишь со временем в результате непрерывного дробления, плавления и повторного затвердевания земной коры произошли перемещение и концентрация редких элементов. Жизнь начала разрушать породу и перерабатывать элементы, порождая совершенно новые химические процессы минерализации. Более половины всех минералов на планете могут возникнуть лишь в высококислородной среде, которой не существовало до того, как микробы, водоросли и растения насытили кислородом океан и атмосферу.
В результате тектонической активности и непрекращающейся жизнедеятельности организмов Земля создала набор минералов, не имеющий аналогов ни на одном другом известном нам космическом теле. По сравнению с ней Луна, Меркурий и Марс не так уж и богаты полезными ископаемыми: там насчитывается не более нескольких сотен видов минералов. Разнообразие минералов на Земле зависит не только от существования жизни, но и от ее особенностей.
Роберт Хейзен, ученый-почвовед из Института Карнеги, и статистик Грета Хистад подсчитали, что вероятность того, что на двух планетах окажется одинаковый набор минералов, составляет 1 к 10322. Учитывая, что в космосе насчитывается всего 1025 похожих на Землю планет, вряд ли существует другая планета с таким же набором минералов, как у нас. «Понимание того, что эволюция минералов на Земле так непосредственно зависит от биологической эволюции, несколько ошеломляет», – пишет Хейзен. Эта точка зрения – значительный прогресс по сравнению с тем, что было несколько десятилетий назад, когда научный руководитель Хейзен по минералогии сказал ей: «Не берите курс биологии. Он вам никогда не пригодится!»
Микробы изменяют земную кору не только на суше, но и на морском дне и под ним. В некоторых регионах микробы в океанической коре превращают серу в сульфат. Поскольку сульфат растворим в воде, он растворяется в море и становится доступным питательным веществом для других существ. Морские отложения содержат один из крупнейших на планете резервуаров метана, 80 % которого вырабатывается микробами. Если бы весь этот метан поднялся в атмосферу, он уплотнил бы невидимый слой парниковых газов и значительно ускорил бы глобальное потепление. Однако другая группа микробов перерабатывает 90 % метана, поднимающегося через осадочные породы на морском дне, еще до того, как он достигнет поверхности. По словам экспертов по глубоководной океанической микробиологии, это «один из важнейших механизмов контроля парниковых газов и регуляции климата на Земле».
Сами континенты также могут отчасти являться продуктом микробиального терраформирования[22] – никто точно не знает, как они появились. Континенты состоят из гранита, который, насколько нам известно, распространен только на Земле – он редко встречается где-либо еще во Вселенной. Океаническая кора, напротив, состоит из базальта – породы, которая часто встречается и на других космических объектах. Базальт – темный, плотный минерал, богатый магнием, железом и особенно тяжелыми металлами. Более четырех миллиардов лет назад по мере созревания и остывания самая ранняя океаническая кора Земли в конце концов стала тяжелее мантии, на которой покоилась, и начала опускаться. Этот процесс называется субдукцией. Во время погружения в мантию океаническая кора и ее осадочный слой высвободили находящуюся в них воду, что понизило температуру плавления окружающей мантии. Некоторые ее компоненты начали плавиться, превращаясь в более легкую магму, которая в итоге извергалась из вулканов и остывала, порождая новые породы.
Этот процесс продолжается и сегодня, но в начале существования Земли мантия была значительно горячее, чем сейчас. Помимо того, что она высвобождала воду из опускающейся океанической коры, мантия плавила и саму кору. Когда эта гибридная магма поднималась на поверхность, она остывала, превращаясь в новый вид горной породы – гранитоид. В гранитоидах не так много магния и железа, а поэтому они имеют гораздо меньшую плотность, чем базальт. Со временем гранитоидная порода подверглась субдукции и превратилась в гранит. Поскольку гранит менее плотный, чем базальт, он накапливался поверх океанической коры, образуя толстые участки ранней континентальной коры, которые постепенно поднялись над поверхностью воды. Позже, с возникновением тектонических плит, протоконтиненты превратились в микроконтиненты и даже образовали огромные участки суши высоко над уровнем моря. Примерно 2,5 миллиарда лет назад почти треть поверхности планеты занимала суша, и эта величина изменялась на протяжении всей истории Земли в зависимости от подъема и опускания морей.