Новая история происхождения жизни на Земле

Мы теперь уже не верим в то, что Земля — центр мироздания, центр Солнечной системы, единственное место во Вселенной, где есть жизнь и разумные существа, подобные Богу-творцу, как верили в это многие, даже самые просвещенные, умы Возрождения. Сейчас нам известно, что Земля — одна из многих подобных ей планет, и жизнь также может оказаться совершенно заурядным явлением. Самыми недавними подтверждениями этому являются исследования землеподобных планет, или ЗПП[21].

С 1990-х годов к настоящему моменту произошли два важных изменения, совершенно особенных и перестроивших всю систему знаний об истории жизни на планете. Во-первых, до недавнего времени геологи и палеонтологи почти не обращали внимания на тот факт, что наша планета — лишь одна из многих планет. А во-вторых, в соответствии с этим первым «модным» представлением, внимание не уделялось и тому, что жизнь также может быть не уникальна, а иметь аналоги в необъятном космосе. Открытие планет, вращающихся вокруг других звезд, полностью изменило такой порядок вещей как для науки, так и для всего человеческого общества[22]. Поменялись исследовательские приоритеты, и сейчас научный интерес, помимо Земли, направлен и на другие планеты, которые назвали экзопланетами. Перемены в научных взглядах затронули не только астрономию и специализированные отрасли геологии, но и биологию, и даже религию. Джефф Марси, один из первых исследователей экзопланет, вспоминает, что среди множества телефонных звонков, которые на него посыпались после тех памятных открытий, одним из первых был звонок из Ватикана. Католическая церковь, искушенная в астрономии, хотела знать, может ли существовать жизнь на недавно открытой планете и какие последствия для религии это будет иметь.

Самая первая экзопланета была обнаружена в 1992 году (вращается вокруг звезды-пульсара)[23], затем — в 1995 году — обнаружили планету, которая вращается вокруг звезды главной последовательности, то есть такой, которая скорее будет способствовать возникновению и поддержанию жизни, чем пульсары, поскольку у последних есть дурная привычка выбрасывать на соседние планеты большие потоки уничтожающей жизнь энергии. А всего лишь год спустя после обнаружения этой второй планеты было сделано еще одно астрономическое открытие, подстегнувшее дискуссии в науке, а также в политике и обществе: из NASA сообщили о метеорите с Марса[24], на котором нашли возможные признаки жизни (а может, и ископаемые останки микробов). Последовательность этих открытий положила начало новому научному направлению — астробиологии.

На исследования в области истории развития жизни были выделены огромные суммы, в том числе на изучение таких проблем, которые раньше очень скудно финансировались, например, происхождение и природа первой жизни на Земле. Все это произошло в конце 1990-х, и к началу нового века названные отрасли науки стали одними из самых быстро развивающихся. События эти трансформировали науку в целом и продолжают оказывать влияние на историю развития жизни на Земле, тему данной книги и на наше представление о возможной жизни на других планетах и об истории этой «другой» жизни.

Итак, то, что наша планета — лишь одна из многих возможно обитаемых, и что жизнь есть лишь один из возможных результатов химического процесса — все это на сегодня является известной всем данностью[25].

Что такое «землеподобная планета»?

Вероятно, это такой земной шовинизм, но вероятно также и то, что во Вселенной возможна только жизнь, подобная земной. Так или иначе, но приоритетом в исследованиях экзопланет является обнаружение планет, похожих на нашу. Возникает вопрос: а что такое планета, подобная Земле?

Есть множество определений. В самых обстоятельных указано, что такие планеты имеют скальную поверхность (не ледовую) и очень плотное ядро. В наиболее исчерпывающем варианте определения отмечается, что планета должна иметь необходимые условия для жизни, «какой мы ее знаем», включая умеренные температуры и атмосферу, которые бы позволяли образовываться жидкой воде на планетарной поверхности. Понятие «землеподобная» часто используется для обозначения планеты, похожей на нашу в ее современном состоянии, однако мы же знаем, что Земля очень изменилась за последние 4,567 млрд лет — с момента возникновения. В разные периоды своего бытия наша «землеподобная» планета не могла иметь вообще никакой жизни, и на протяжении более чем половины ее истории усложненная жизнь, вроде многоклеточных животных и высших растений, существовать не могла.

Влага же, скорее всего, была на Земле почти всегда. За 100 млн лет формирования Луны, когда в еще только образующуюся Землю врезалось небесное тело, похожее на Марс, на нашей планете точно была жидкая вода. В крошечных песчинках были найдены остатки циркона[26], возраст которого с помощью радиометрии датируется 4,4 млрд лет. В них есть изотопные признаки океанической воды, которую впитала мантия Земли в процессе плитотектонической активности. Хотя Солнце на ранних этапах земной истории было не таким активным, тем не менее присутствовало много газов, которые создавали парниковый эффект и согревали поверхность планеты. Еще более важной была вулканическая деятельность молодой Земли — в десятки раз более мощная, чем солнечная активность, и поэтому пары, вырывающееся из недр, согревали и океан, и сушу. Некоторые астробиологи считают, что жизнь не могла возникнуть на планете, пока та сильно не остыла за первый миллиард лет своей истории, а это является причиной полагать, что жизнь, возможно, зародилась на другой планете, такой как Марс. Но есть еще одна землеподобная планета в Солнечной системе — Венера.

Раньше Венера, скорее всего, находилась в обитаемом поясе Солнечной системы[27], хотя теперь температура ее поверхности равна около +500 °C из-за парникового эффекта, который, вероятно, уничтожил все живое на поверхности (некоторые думают, что в атмосфере Венеры возможно существование живых микробов, хотя мы считаем, что вряд ли). Геологические пласты Марса однозначно свидетельствуют о наличии в какой-то из периодов его истории жидкой воды, даже рек и ручьев, которые могли обкатывать камни и образовывать веерообразные дельты[28]. Сегодня вода на Марсе исчезла либо существует в виде льда или редкого пара в атмосфере, почти равной вакууму. Предположительно, меньшая масса Марса не позволила развиться плитотектоническим процессам, необходимым для перемещения планетарной коры, это ослабило температуру в его ядре, состоящем из металлов, что привело к невозможности сформировать магнитное поле, способное удерживать атмосферу, и из-за большей удаленности от Солнца. Красная планета легко превратилась в постоянную «планету-снежок». Если на Марсе и существовала когда-то жизнь, то теперь она сохранилась только под поверхностью, поддерживаемая слабой геохимической активностью радиоактивного распада.

Около 4,6 млрд лет назад[29] Земля образовалась слиянием нескольких планетных «кирпичиков», или малых тел, состоящих из твердых пород и застывших газов, конденсированных в плоскости эклиптики. 4,567 млрд лет назад (и датировать оказалось проще, и запомнить легче) в формирующуюся Землю, по всей вероятности, врезался небесный объект с Марс величиной, что привело к смешению никелево-железных ядер сплавленных в Протоземлю планет. Тогда же образовалась Луна — из кремниевых паров, возникших сразу после столкновения. Следующие несколько сотен миллионов лет планету безжалостно бомбардировали многочисленные метеориты.

Температуры, подходящие скорее для кипящей лавы, и энергетические выбросы от постоянной метеоритной бомбежки, естественно, создали невыносимые для существования жизни условия на поверхности Земли[30]. Энергия, возникающая от бесконечного потока астероидов и метеоритов, около 4,4 млрд лет назад порождала температуру, способную плавить скалы и держать их в таком расплавленном состоянии. Не было никаких шансов, чтобы на поверхности сохранялась жидкая вода.

Новая планета стала быстро изменяться после основного слияния исходных тел. Около 4,56 млрд лет назад у Земли начали образовываться различные слои. Внутри из железа и никеля сформировалось ядро, которое окружила мантия — менее плотный слой. Над мантией возник тонкий, быстро затвердевающий и еще менее плотный слой земной коры, состоящий из твердых горных пород, а над ним клубилась атмосфера — пар и углекислый газ. Несмотря на то что поверхность оставалась безводной, большие запасы воды оказались заперты внутри планеты и вырывались наружу в виде пара. Поскольку более легкие элементы поднимались наверх, а более тяжелые опускались, вода и другие летучие соединения были извергнуты из недр Земли и заполнили атмосферу[31].

Молодая Солнечная система насчитывала несколько планет, а также вокруг Солнца вращался космический мусор в большом количестве, который не участвовал в планетообразовании. Но не все орбиты этих небесных тел были устойчивыми эллипсами, как сегодня. Многие были очень искривлены, многие проходили между вращающимися планетами и Солнцем. Солнечную систему, таким образом, бороздили многочисленные объекты, и длилось это около 4,2–3,8 млрд лет назад. Если принять во внимание широко известную гипотезу о том, что эти космические «путешественники» содержали в себе воду, целые океаны воды, то становится понятно, какую чрезвычайно важную роль сыграли в последующей истории жизни на планете эти кометы и астероиды, непрерывным дождем падавшие на Землю, некоторые совсем крошечные, а некоторые — настоящие монстры до 500 км в диаметре. Кометы приносили с собой не только воду, но и другие важные для жизни элементы, включая соединения углерода. Земле не нужно было далеко ходить за необходимыми для жизни продуктами — она получила их доставкой на дом.

Но за все приходится платить, и жизни тоже пришлось. Ученые из NASA составили математические модели для таких «отчислений». Столкновение с Землей небесного тела в 500 км в диаметре привело почти к невообразимым последствиям. Огромные участки твердой земной поверхности превратились в пар, образовав облако страшно горячего — несколько тысяч градусов — «естественного» газа, испарений. Именно эти испарения в атмосфере привели к тому, что весь океан превратился в пар, улетев вверх и оставив дно, покрытое солью. В конце концов произошло охлаждение, но новый океан обрушился дождем на Землю не раньше чем по крайней мере через несколько тысяч лет. Такие большие астероиды и кометы размером со штат Техас могли выпарить океан глубиной три километра и уничтожить все живое на поверхности Земли[32].

Изменение во времени концентрации углекислого газа (в миллиардах лет) с приблизительными расчетами на будущее. Ноль обозначает настоящий момент времени.

Около 3,8 млрд лет назад самые ужасные метеоритные атаки остались позади, и все же в то время различные астрономические бедствия обрушивались на планету значительно чаще, чем в более близкие к нам периоды истории. Долгота дня тоже была не такая, как сегодня — не более 10 часов, потому что Земля тогда вращалась быстрее. Скорее всего, Солнце было не таким ярким — возможно, красным и не таким горячим, поскольку не только горело с меньшей энергией, но и его лучам приходилось пробиваться сквозь ядовитые, мутные клубы паров углекислого газа, сероводорода и метана, а кислорода ни в атмосфере, ни в океане не было. Небо, по всей вероятности, было оранжевым и красно-кирпичным, а моря, которые предположительно покрывали всю земную поверхность, были коричневой грязью. Тем не менее это был полный комплект газов, жидкой воды и твердой земной коры со множеством минералов, пород и сред, включая и те, которые необходимы для развития жизни в два этапа: добыть много «запчастей» и свалить их в одном месте для дальнейшей сборки.

Системы, необходимые для существования жизни, и их история

Одним из исключительно важных факторов возникновения жизни на Земле стало то, что атмосферные газы достаточно «поредели», что позволило сформироваться «первичному бульону» — добиологическим молекулам, строительному материалу живых организмов. (Здесь стоит вспомнить об окислительно-восстановительной реакции: возникают либо потери от окисления, либо добавление электронов при восстановлении.) Электроны — как деньги, их можно обменять на энергию, при окислении электроны теряются с приобретением энергии, при восстановлении приобретение энергии — это как если бы деньги попали в банк. Например, нефть и уголь «восстановлены», то есть в них накоплено много энергии, которую можно использовать-высвободить, если воздействовать на них окислением, что и происходит, когда мы их сжигаем и получаем энергию.

Состав древней атмосферы на Земле — противоречивая и бурно обсуждаемая область. Если количество азота, наверное, совпадает с сегодняшним, то кислорода либо не было, либо он присутствовал в очень малом объеме, и на это многое указывает. Углекислого газа, однако, было намного больше, чем теперь, и это создавало настоящую баню посредством парникового эффекта с углекислотой, в 10 000 раз превышающей сегодняшний уровень[33].

Наша сегодняшняя атмосфера на 78 % состоит из азота, на 21 % — из кислорода и менее чем на 1 % — из углекислого газа и метана, и этот состав относительно нов. Становится все более очевидным, что наша атмосфера может меняться весьма стремительно, особенно этот обманчиво небольшой 1 %, включающий два газа, ответственных за парниковый эффект (и еще водяные пары) — углекислый газ и метан, которые могут (и это важно) значительно превысить свои нынешние объемы.

Круговорот веществ и мировые температуры

Человеческое тело требует множества сложных процессов, чтобы поддерживать то загадочное состояние, которое мы называем жизнью. Многие из этих процессов включают в себя перемещение углерода. Аналогично круговорот углерода, кислорода и серы есть ключевое условие для поддержания подходящей для жизни среды на Земле. Углерод, конечно же, самый важный.

Углерод претерпевает активное преобразование твердого, жидкого и газообразного состояния. Перемещение этого элемента между океаном, атмосферой и жизненными формами называется «круговорот углерода», и именно это движение углерода и производит самое главное воздействие на изменение планетарной температуры за счет изменений в концентрации парниковых газов.

То, что мы называем «круговоротом углерода», на самом деле состоит из двух пересекающихся процессов: краткого цикла и долгого цикла[34]. Краткий цикл регулируется растениями. Углекислота включена в фотосинтез, и часть углерода остается в живых тканях растений — результат восстановительной реакции. Таким образом накапливается энергия, которая ждет своего высвобождения. Когда растение погибает или опадают листья, этот углерод переходит в почву и может быть преобразован в другие углеродные соединения в телах почвенных микроорганизмов, других растений или животных, и тогда происходит окисление восстановленного углерода с высвобождением энергии, которой пользуется организм, поглощающий (окисляющий) этот углерод. В то же время организмы также преобразуют другие молекулы углерода в восстановленное состояние, снова запасая энергию. Проходя по пищевой цепочке животных, этот самый углерод в восстановленном состоянии может быть окислен, и его выдыхают в виде углекислого газа — цикл возобновляется. Впрочем, случается, что заключенный в ткани растения или животного углерод — наполненный энергией, восстановленный — сжигают, и он, таким образом, не поглощается другим организмом и не попадает обратно в мировой запас углерода. Такой углерод больше не входит в краткий цикл круговорота.

Долгий цикл углеродного круговорота предполагает совершенно другие типы преобразований. Основное отличие в том, что долгий цикл обеспечивает перемещение углерода из горных пород в океан или атмосферу и обратно. Временные периоды этих перемещений в основном измеряются миллионами лет. Перемещения углерода из твердых пород и обратно могут привести к куда более серьезным изменениям в земной атмосфере, чем в кратком цикле, поскольку в породах содержится во много раз больше углерода, чем в океане, атмосфере и биосфере вместе взятых. Это может показаться странным, учитывая, что сам по себе объем одной только живой материи огромен. Однако Боб Бернер из Йельского университета подсчитал, что если все растения на нашей плане вдруг одновременно сгорят, то весь углерод, попавший из них в атмосферу, увеличит содержание углекислого газа за счет краткого цикла лишь на 25 %. Для сравнения: долгие циклы в прошлые периоды истории Земли приводили к изменениям в 1000 % — как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения.

Большое значение для углеродного круговорота Земли имеет карбонат кальция, или известняк. Этот распространенный на Земле материал составляет основу скелета для большинства беспозвоночных, у которых скелет есть. Его также обнаружили в растительном планктоне — кокколитофоридах (Coccolithophorids), которые формируют скелет, аккумулируя осадочную породу, известную как мел. Скелет кокколитов играет важную роль в поддержании жизни на Земле, поскольку помогает сохранять на приемлемом уровне долговременные температуры. Благодаря движению тектонических плит некоторая часть такого мела перемещается к тектоническим разломам в земной коре на дне океана и попадает внутрь планеты. И вот глубоко под поверхностью Земли жар и давление превращают известковые и кремниевые скелеты в другие вещества, например, в кремниевые минералы, а также в углекислый газ. Далее, с магмой эти минералы и горячий газ прокладывают себе путь наружу, и на поверхность минералы выливаются лавой, а углекислота попадает в атмосферу.

Вот так выглядит круговорот углерода. Углекислота преобразуется в живые ткани, которые потом разлагаются и помогают строить основу другим животным и растениям, а те в свою очередь становятся лавой и газом глубоко под землей — и цикл снова повторяется, как только они попадают на поверхность. Таким образом, долгий цикл углеродного круговорота оказывает серьезное воздействие на состав атмосферы, что, естественно, влияет на температурный режим на всей планете. Итак, процессы осадочных отложений и химическое выветривание являются главными компонентами, определяющими, сколько и как быстро углеродные и кремниевые скелеты формируются в морях, а объем минералов, поглощаемых жадными пастями тектонических разломов, диктует, сколько углекислого газа и метана извергнут обратно в атмосферу вулканы. Весь процесс, стало быть, и контролируется жизнью, и в то же время позволяет жизни существовать. Кроме того, что он отвечает за состав атмосферы, этот процесс произвел то, что мы можем назвать «планетарным термостатом», поскольку именно эффект отдачи и регулирует долговременный режим земных температур.

Термостат работает так: скажем, углекислого газа из вулканов стало больше, что привело к увеличению углекислого газа и метана в атмосфере. По пути к верхним слоям атмосферы многие из этих молекул уносят теплоту от поверхности Земли (теплота попала на поверхность благодаря солнечным лучам), а потом она отражается обратно на Землю. Это и есть парниковый эффект. Чем больше теплоты скапливается в атмосфере, тем выше температура всей планеты, что заставляет воду быстрее испаряться, а водяные пары — тоже парниковые газы. Такое потепление, однако, имеет интересные последствия. С увеличением температуры усиливается и химическое выветривание. Это особенно важно в отношении выветривания кремниевых пород. Как мы могли наблюдать, это выветривание ведет в конце концов к формированию углеродных и кремниевых минералов, но при этом из атмосферы высасывается углекислый газ.

Выветривание усиливается, и все больше и больше углекислого газа выходит из состава атмосферы, и создаются другие химические соединения, которые не имеют уже сильного влияния на мировой температурный режим. С падением уровня атмосферного углекислого газа снижается и температура, поскольку ослабляется парниковый эффект, ведь молекул парниковых газов стало меньше. В то же время выветривание снова ослабляется, так как становится холоднее и оседает меньшее количество скелетов, потому что становится меньше двууглекислых и кремниевых ионов, из которых они формируются. В конце концов в разломы попадает меньше скелетного материала, а в дальнейшем из вулканов вырывается меньше углекислого газа. И вот Земля быстро остывает. Но из-за этого многие экосистемы, например, коралловые рифы или планктонные области на поверхности, уменьшаются в размерах, и, таким образом, из атмосферы начинает поглощаться меньше углекислого газа. В таком случае количество углекислого газа, который выбрасывают вулканы, становится больше, чем могут переработать живые организмы, и цикл возобновляется.

Сильные выветривания зависят не только от температур. Быстрый подъем горной цепи может способствовать усилению эрозии кремниевых пород, и температура здесь роли не играет. Образование гор стимулирует быстрое выветривание таких элементов, а также уменьшение содержания углекислого газа в атмосфере — Земля быстро теряет тепло. Многие геологи уверены, что «скоростное» рождение таких массивных и неровных гор, как Гималаи, привело и к быстрому сокращению углекислоты, и в результате около 2,5 млн лет назад, в плейстоцене, начался ледниковый период[35].

Третий фактор, влияющий на уровень химической эрозии, это тип и количество растительной жизни. «Высшие» (многоклеточные) растения весьма энергичны в деле физической эрозии различных пород и тем самым освобождают пространства и для химического выветривания. Стремительное увеличение растительного покрова или развитие нового типа растений с более глубокими корнями, как, например, у многих деревьев, приводит к тому же результату, что и быстрое возникновение горных массивов: выветривание усиливается, и мировые температуры падают. И наоборот: исчезновение растений — либо из-за массового вымирания, либо по причине человеческой деятельности — приводит к быстрому увеличению тепла в атмосфере.

Даже континентальный дрейф может повлиять на выветривание в мировом масштабе, а значит, и на климат всей планеты. Поскольку выветривание идет быстрее при более высоких температурах, даже в середине очень холодного периода мир станет еще холоднее, если континенты перемещаются от экватора к более высоким широтам.

Химическое выветривание очень медленно проходит в Арктике и Антарктике, а на экваторе — быстро. Перемещение континентов к экватору окажет влияние и на мировой температурный режим. Также многое зависит и от расположения континентов относительно друг друга. Никакие объемы химического выветривания не окажут влияния на температуру планеты, если в океан не попадет достаточное количество минералов и пород, из которых создаются скелеты-основы. Чтобы они достигли моря, нужна текучая вода, но если все континенты сошлись воедино, как это было 300 млн лет назад во время формирования Пангеи, огромные территории суперконтинента будут лишены дождей и рек, которые впадают в океан. Сколько угодно двууглекислых соединений, растворенного кальция и кремниевых материалов может образовываться в центре гигантских материков, но большая их часть никогда не попадет в Мировой океан.

Рано или поздно без дождей выветривание замедлится даже при высоких температурах, и цикличность процессов не сработает так, как это было бы при разделенных континентах. Из-за слияния материков общая длина побережий будет намного меньше, а это коренным образом скажется на климате, ведь многие приморские области и прочие влажные места окажутся далеко от воды. Пустыни и арктические регионы демонстрируют низкий уровень выветривания и, таким образом, способствуют общемировому потеплению, поскольку атмосферный углекислый газ поглощается слабее.

Показатели углекислого газа и кислорода в фанерозое

Возможно, наибольшее по важности физическое влияние, помимо температурных режимов, на развитие жизни на Земле имели изменения в объемах углекислого газа (для растений) и кислорода (для животных организмов). Относительные количества и углекислоты и кислорода в земной атмосфере определялись и продолжают определяться широким спектром физических и биологических процессов, и для многих людей является большим откровением то, что уровень обоих газов значительно сместился буквально недавно (с точки зрения геологического времени). Но почему же соотношение этих газов вообще меняется? Основными причинами являются множественные химические реакции, в которых участвует все богатство элементов земной коры, включая углерод, серу и железо. Эти химические реакции бывают как окислительными, так и восстановительными. В каждом случае свободный кислород O₂ соединяется с молекулами, содержащими углерод, серу или железо, возникают новые химические соединения, и кислород уходит из атмосферы на «хранение» в форме новых веществ. Кислород высвобождается и попадает обратно в атмосферу посредством других — восстановительных — реакций. Это, например, то, что происходит при фотосинтезе, когда растения выделяют свободный кислород как побочный продукт восстановления углекислого газа в цепи промежуточных реакций.

Было уже много моделей, специально разработанных для того, чтобы показать, как менялся в прошлом уровень углекислого газа и кислорода, в том числе с помощью ряда уравнений, известных как модель GEOCARB — самая ранняя из всех и наиболее подробная[36]. Эта модель, используемая для вычисления уровня углерода, была выведена Робертом Бернером из Йельского университета. К модели GEOCARB Бернером и его учениками были дополнительно разработаны несколько других отдельных моделей — для вычислений уровня кислорода. Вместе эти модели показывают основные тенденции изменений уровней углекислого газа и кислорода во времени. Эти разработки являются одним из величайших триумфов научного метода познания. Понимание увеличения и уменьшения со временем уровней упомянутых газов есть одно из наиболее важных для изучения развития жизни на Земле открытий последнего времени.

Некоторые считают, что четыре миллиарда лет назад условия и состав элементов на планете были подходящими для возникновения жизни. Но быть подходящей для обитания не означает стать обитаемой. Формирование жизни из неживых элементов, что будет темой следующей главы, кажется нам самым сложным химическим экспериментом, который когда-либо проводился. Суждения астробиологов позволяют думать, будто жизнь на Земле получилась «легко», однако при более внимательном рассмотрении все получается совсем наоборот.