. В этой книге Лайель утверждал, что геологическая история Земли складывается на протяжении невероятно долгих интервалов времени в результате медленного и непрерывного воздействия ряда сил, работу которых можно увидеть и сегодня, если внимательно присмотреться. Молодой Чарльз Дарвин взял с собой первый том «Основных начал», когда в 1831 г. отправился в путешествие на корабле «Бигль» (второй том ему должны были доставить по почте), и подход Лайеля оставил глубокий отпечаток на его собственных научных взглядах. Получалось, что эволюция и геологическое развитие шли параллельно: геология описывала долгую историю Земли и предусматривала временны́е интервалы, за которые небольшие эволюционные изменения могут закрепиться в поколениях живых организмов и привести к тому биоразнообразию, которое существует на сегодняшний день.
Современная геология делит историю Земли на четыре основных эона: катархей (самый ранний), архей, протерозой и фанерозой (самый поздний). О тесной связи между геологической историей Земли и историей существования на ней жизни свидетельствует тот факт, что геологическое развитие нашей планеты подразделяется на этапы в соответствии с характеристиками (или отсутствием) органического мира, определяемым по горным породам каждого периода.
Катархейский эон охватывает самые ранние эпохи истории Земли. Древнейшие доступные нам геологические данные содержатся в крошечных кристаллах циркона, возраст которых, определенный с помощью радиометрических методов, составляет 4,4 млрд лет‹‹5››. Эти крошечные кристаллы, представляющие собой не что иное, как фрагменты поверхности ранней Земли, обычно встречаются в виде мелких вкраплений в других, также древних, но значительно более молодых горных породах. В катархей наша планета была молода: ее тонкая кора только-только начала затвердевать над расплавленными недрами. Изнутри поверхность Земли разрывала буйная вулканическая деятельность, а сверху поливал беспрерывный поток планетных обломков — астероидов и комет, согласно современной терминологии.
Следы этих древних бомбардировок были стерты с лица Земли за 4 млрд лет геологической активности (вулканизм, тектоника плит и старая добрая эрозия). Однако бурная история тех давних времен запечатлелась во всей своей красе на неровной поверхности Луны. Наибольшая плотность кратеров наблюдается на самых старых возвышенностях, возраст которых был установлен радиометрическим методом по горным породам, доставленным «Аполлоном-16 и 17», а наименьшая — на относительно более молодых участках лунных морей («Аполлон-11, 12, 14 и 15»). На основании этих данных мы можем сделать вывод, что бомбардировка прекратилась примерно 3,9 млрд лет назад, причем большинство столкновений произошло в последний, относительно короткий интервал времени. На этом завершился катархейский эон истории Земли — катастрофический, бурный и губительный для любой формы жизни.
Архей: отголоски древней жизни
Архейский эон начался 3,9 млрд лет назад: на смену тяжелой бомбардировке пришел период относительного спокойствия. Самые древние горные породы на Земле датируются чуть более ранним периодом и служат надежным подтверждением существования твердой коры. Самые ранние признаки жизни спрятаны в глубине архейских пород: в древних микрофоссилиях возрастом 3,5 млрд лет можно усмотреть отдаленное сходство с живыми клетками. Одиночные микрофоссилии неизменно находят в слоистых окаменелостях, замечательно именуемых также криптозоонами (т. е. «скрытоживыми»). Эти минерализованные колонии древних микроорганизмов удивительно похожи на современные строматолиты — примитивные сообщества архей и бактерий, образующие небольшие, размером с табуретку, каменные холмики на мелководье соленых лагун.
Такие микрофоссилии — единственное материальное подтверждение существования архейской жизни. Колонии простейших одноклеточных организмов были единственными живыми обитателями нашей планеты в то время. Эти клетки не обладали ядром, и молекула ДНК с их генетическим кодом свободно плавала внутри клеточной структуры.
Характерная и повсеместно распространенная особенность земной жизни позволяет нам провести остроумный геохимический эксперимент, с помощью которого мы можем удостовериться, что в ранние геологические эпохи на нашей планете уже присутствовали живые организмы. Вся современная жизнь зависит от проникновения углерода сквозь клеточную мембрану и реакций, в которые он вступает, находясь во внутриклеточной жидкости. В природе существует два стабильных изотопа углерода: углерод-12 (12C — содержащий 6 протонов и 6 нейтронов), который составляет приблизительно 99 % от всего встречающегося в природе углерода, и углерод-13 (13C — 6 протонов и 7 нейтронов)‹‹6››. Более тяжелый изотоп 13C не может проникнуть через клеточную мембрану так же легко, как 12C, и поэтому его содержание в живых организмах существенно ниже, чем в природе. Таким образом, живая материя служит хорошим фильтром для изотопов углерода, а умирая, древние живые существа откладывались на дне океана в виде осадочных пород. Следовательно, если сравнить процентное содержание изотопов углерода в различных осадочных породах, то можно определить, какие из них образовались в результате процессов жизнедеятельности, а какие состоят из минеральных отложений‹‹7››.
Изотопно-углеродная летопись складывается из отдельных фрагментов, поэтому нам нужны древние морские осадочные породы, которые сейчас выходят на поверхность Земли. Старейшие отложения подобного типа были обнаружены в провинции Исуа в Гренландии. Они датируются 3,8 млрд лет. Хотя эти геологические данные выглядят не так эффектно, как легко узнаваемые отпечатки древних окаменелостей, они подтверждают, что жизнь на Земле перерабатывала углерод на протяжении 4 млрд лет и что с определенными допущениями (обусловленными тем, что не так часто нам удается заполучить древние осадочные породы) такая жизнь существовала на Земле непрерывно с начала архея.
И стала Земля зеленой на триллионный день
Из обсуждения первых двух эонов вы уже, я полагаю, поняли, что в геологическом масштабе все события происходят очень медленно. Это в равной мере справедливо для протерозойского эона — эона примитивной жизни. Протерозой пришел на смену архею примерно 2,5 млрд лет назад. Окаменелости, датируемые этим периодом, сходны с архейскими: они также представляют собой клеточные микрофоссилии, объединенные в колонии наподобие строматолитов, однако их количество и разнообразие существенно возросло. Отчасти это объясняется изменениями в самих организмах, но отчасти и тем, что на протерозойские породы пришлось гораздо меньше разрушительных воздействий и они по-прежнему в больших количествах выступают из земли в ожидании молотка геолога. При ближайшем рассмотрении в отдельных окаменелых клетках можно разглядеть совершенно новую структуру — клеточное ядро. Сегодня все живые организмы, чьи клетки содержат ядро, называют эукариотами, и в эту группу попадают все формы земной жизни, кроме бактерий и архей, которые, как оказалось, совсем лишены эволюционных амбиций.
Однако на протяжении этого эона произошло значительно более важное событие: атмосфера начала пополняться кислородом. Кислород возник в результате фотосинтеза — процесса преобразования углекислого газа (CO2), присутствующего в атмосфере или растворенного в воде, в простые сахара, служащие энергией для клеточной жизни. Фотосинтез можно записать в виде относительно простой химической реакции, в которой углекислый газ, вода и энергия двух световых фотонов, взаимодействуя с молекулой хлорофилла, преобразуются в сахар (глюкозу) и молекулярный кислород‹‹8››. Хотя сам фотосинтез выглядит простой реакцией, молекула хлорофилла, которая в нем участвует, устроена отнюдь не просто. Таким образом, если рассматривать развитие жизни как процесс последовательного усложнения биохимических реакций, то возникновение фотосинтеза знаменует качественный переход, ставший результатом длительного эволюционного развития.
Так когда же возник фотосинтез? Эволюция протекает постепенно. Возможно, сначала появился аноксигенный фотосинтез, который не производит в качестве побочного продукта кислород. Аноксигенный фотосинтез присутствует у нескольких современных видов бактерий. В этом случае для реакции с углекислым газом бактерия использует закись железа, сульфиды или молекулярный водород и не производит кислород как побочный продукт. Был ли данный вариант метаболизма эволюционным предшественником оксигенного фотосинтеза? Трудно сказать наверняка. Но вполне можно допустить, что подобная стадия действительно имела место в эволюции оксигенного фотосинтеза.
Свидетельства присутствия кислорода в атмосфере Земли появились примерно 2,4 млрд лет назад, и на этот раз обнаружить их удалось геохимическими методами: с помощью радиометрического анализа содержания изотопов серы в протерозойских горных породах. Как ни странно, породы, отложенные за несколько сотен миллионов лет до повышения уровня кислорода в атмосфере, указывают, что наша планета буквально ржавела в планетарном масштабе, пока не разразилась «кислородная катастрофа». В этот период геологической истории откладывались главным образом полосчатые железорудные формации — толщи ржаво-красных железистых минералов. Эрозия смывала богатые железом минералы в океан точно так же, как это происходит сегодня. В воде они вступали в реакцию с растворенным кислородом, произведенным фотосинтезирующими бактериями, и осаждались на дно океанов, образуя характерные слои минералов оксида железа.
Другой возможный механизм создания полосчатых железорудных формаций — прямое окисление железа в результате аноксигенного фотосинтеза, осуществляемого определенным видом пурпурных бактерий. Хотя у нас нет достоверных сведений о том, какой из этих двух процессов был более распространенным, мы можем предположить, что по крайней мере часть растворенного в океанах Земли железа служила ловушкой или резервуаром для слабенькой струйки кис