лорода, 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‹‹9››.
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.
Приближаясь к окончанию протерозойского эона, не стоит упускать из виду, что фотосинтез возник главным образом в результате эволюции хлорофилла, который, как известно, имеет характерный голубовато-зеленый цвет. Следовательно, рост содержания кислорода в земной атмосфере сопровождался позеленением океанов. Поверхность суши была по-прежнему лишена какой-либо жизни. Но появление в атмосфере молекулярного кислорода сопровождалось дополнительным бонусом — озоном (O3). До тех пор океаны, вероятно, были единственным прибежищем жизни, поскольку вода поглощает ультрафиолетовое излучение, одновременно необходимое и губительное для всего живого. Следовательно, накапливаясь в атмосфере на протяжении всего протерозойского эона, озон со временем прикрыл нашу планету от разрушительного солнечного излучения. Если говорить о более тонких материях, то кислород обеспечил «биохимический турбонаддув» метаболизма глюкозы — по крайней мере у тех организмов, которые предусмотрительно выработали механизм, позволяющий его использовать. Таким образом, благодаря увеличению содержания кислорода в атмосфере в конце протерозоя открылись величайшие за всю историю Земли возможности освоения новых территорий как в географическом, так и в эволюционном плане.
Эволюционная вечеринка
Начало фанерозойского эона — один из ярко выраженных геологических переходных периодов. В горных породах, отложенных 540 млн лет назад — в относительно короткий геологический период, — наблюдалось резкое увеличение количества остатков разнообразных живых существ, получившее название кембрийского взрыва. Появление новых, более сложно организованных живых организмов, очевидно, зависело как от особенностей окружающей среды, к которым они приспосабливались, так и от различных случайных факторов, как, например, падение гигантского метеорита, которое произошло 65 млн лет назад и вызвало вымирание динозавров (расчистив таким образом место для эволюционно более совершенных млекопитающих). В связи с этим попытки выработать какие-то общие правила развития сложных форм жизни на примере эволюции организмов, которые населяли Землю сразу после кембрийского взрыва, не слишком подходят для наших поисков. Мне бы не хотелось принижать значение фанерозойского эона: нельзя со стопроцентной уверенностью утверждать, что подобное сочетание механизмов приспособления и случайных факторов влияло на формирование жизни на протяжении всей ее истории. Однако резонно предположить, что примитивная жизнь приспосабливалась к условиям существования, которые были одинаковы на всей планете, тогда как более сложные организмы вынуждены вырабатывать механизмы приспособления к широкому спектру местных условий, существующих на современной Земле.
Такова наша история развития жизни. В конечном итоге вы сидите и читаете эту книгу. Возможно, теперь вы прониклись еще большим уважением к прозорливости Дарвина, когда он мысленным взором рассмотрел в глубинах времен маленькую теплую лужицу, положившую начало истории жизни на Земле. Наше биохимическое строение несет в себе память об этом событии, и если мы хотим найти истоки жизни как таковой, то нам ничего не остается, кроме как отправиться в то время и на то место.
Под грузом чисел
После краткого экскурса в историю жизни на Земле я хотел бы на мгновение остановиться и задать себе простой вопрос: допустим, вы — занятый поисками жизни астробиолог-инопланетянин, которого занесло на Землю в какой-то случайный момент ее истории. Какого рода организмы вы тут обнаружите?
Скорее всего, вы наткнетесь на примитивную микробную жизнь. Ведь если задуматься, бактерии и археи существовали на Земле непрерывно с момента зарождения жизни. На самом деле они были единственной формой жизни почти 3 млрд лет. Нет, я ничего не имею против высших форм жизни, но микробы и сегодня остаются доминирующей формой жизни на Земле: даже если мы ограничимся одноклеточными организмами, обитающими в Мировом океане, биомасса микроорганизмов и архей в 3000 раз превысит общую биомассу человечества. Оглянитесь вокруг себя: на каждого человека приходится 3000 его микробных копий, незаметно управляющих экосистемами Земли. Вам может показаться, что я излишне драматизирую ситуацию, но именно бактерии победили пришельцев с Марса в «Войне миров», когда человечество оказалось бессильно.
Бактерии и археи способны быстро приспосабливаться к изменениям среды, это одни из самых жизнестойких организмов на Земле. Бактерии могут существовать в безводных горных породах на границе вечных льдов Антарктиды, они прекрасно себя чувствуют в жерлах подводных вулканов, где температура воды превышает точку кипения, они живут даже в земных недрах — их находили в большом количестве в образцах пород, взятых с больших глубин. Эти микробы, способные жить и размножаться в совершенно невыносимых для высших форм жизни условиях, получили название экстремофилов. Они подразделяются на классы в зависимости от их экологической ниши, отличающейся от комфортных для всей остальной жизни условий. Термофилы обитают в горячих источниках и жерлах подводных вулканов, галофилы и алкалифилы — в содовых озерах, психрофилы способны расти и размножаться при отрицательных температурах. Мой любимый микроорганизм — Deinococcus radiodurans — полиэкстремофил, который одинаково хорошо переносит низкую температуру, кислотную и безводную среды и даже вакуум‹‹10››. Мы еще вернемся к обсуждению экстремофилов в следующих главах главным образом потому, что я хочу поговорить о них в контексте неблагоприятных (но в принципе пригодных для жизни) условий окружающей среды в пределах Солнечной системы. Но, чувствую, вы уже поняли, к чему я клоню: какие бы биохимические процессы вы ни проводили, на свете существует микроб, у которого это получается лучше, чем у вас.
Искра жизни?
Итак, мы проследили историю нашей планеты от глубин архея — 3,8 млрд лет назад — до сегодняшнего дня. Теперь мы встали перед самой большой научной загадкой: как на Земле зародилась жизнь? Каким образом из безжизненных химических веществ возникла биологическая среда? Если мы сумеем найти удовлетворительный ответ на этот вопрос, тогда за ним логично последует другой: возникнет ли жизнь снова в аналогичных условиях на отдаленной планете или спутнике?
Как мы представляем себе Протоземлю, на которой зародилась жизнь? Какие у нас есть данные, позволяющие рассуждать о химическом составе окружающей среды в архее? Скорее всего, атмосфера формировалась из вулканических газов и испарившихся остатков ледяных комет. В таком случае, согласно современным представлениям о вулканах и кометах, земная атмосфера должна была состоять из углекислого газа, воды, азота и сероводорода (и прочих соединений).
История научных поисков возобновляется в 1924 г., когда через 50 с лишним лет после рассуждений Дарвина о небольшом теплом водоеме русский биолог Александр Опарин заинтересовался вопросом возникновения жизни. Он полагал, что основным источником кислорода в атмосфере древней Земли мог быть только фотосинтез. Поскольку фотосинтез — очень сложный процесс, он не мог возникнуть у самых ранних форм жизни. В таком случае зарождение жизни должно происходить в отсутствие молекулярного кислорода, реагирующего почти со всеми простыми веществами. Несколькими годами позже британский биолог Джон Холдейн независимо пришел к такому же заключению: в атмосфере древней Земли практически не было свободного кислорода, и в результате простые органические вещества, прореагировав друг с другом, породили множество более сложных молекул, ставших предшественниками живых организмов. Как Опарин, так и Холдейн считали, что энергия для осуществления таких реакций могла взяться только из природных источников — либо от удара молнии, либо от ультрафиолетового излучения Солнца, от которого Земля в то время была не защищена.