Глава 5. Суперзаряд двигателей

Кислород присутствует только в земной атмосфере. Этот газ не был найден в достаточно высоких концентрациях ни на одной другой планете нашей Солнечной системы; не обнаружен он до сих пор и в окрестностях других звезд, имеющих планеты. И хотя весьма велика вероятность того, что будут обнаружены и другие планеты с кислородной атмосферой, судя по всему, это не самый распространенный газ на планетах земного типа.

Накопление кислорода было одним из наиболее значимых переходных моментов в истории нашей планеты – это случилось намного позже, чем на ней зародилась жизнь, однако история того, как Земля получила кислородную атмосферу, достаточно сложна. Одну главу в этой истории составляет эволюция микробиологических наномеханизмов, производящих кислород. Однако хотя эволюция этих наномеханизмов и была необходимой для выработки кислорода, самой по себе ее было недостаточно для того, чтобы этот газ стал главной составляющей земной атмосферы. Ее насыщение кислородом во многом зависело от случайностей и совпадений. Как мы вскоре увидим, кислород стал преобладающим газом на Земле благодаря тектонике и погребению останков мертвых микроорганизмов в горных породах. Появившись в атмосфере, кислород стал оказывать определяющее влияние на эволюцию самих этих микроорганизмов и циклы элементов, ответственные за увековечение жизни.

История того, как был открыт кислород, раскрывает важнейшее свойство этого газа: он поддерживает горение. Уже давно было известно, что в воздухе содержится некий компонент, позволяющий гореть пламени. В XVII и XIX столетиях это свойство воздуха было использовано для того, чтобы обнаружить кислород. Впервые этот газ был открыт немецко-шведским аптекарем Карлом Шееле в 1772 году. С позиций сегодняшнего дня это открытие представляется результатом поразительного сочетания удачи и вдохновения. Нагревая окись марганца под стеклянным колпаком, Шееле заметил, что один из продуктов реакции способствует очень быстрому сгоранию угольной пыли. Он повторил опыт с окисью ртути и получил сходный результат. Шееле не имел представления о том, что такое оксид марганца или ртути, – для него это были всего лишь минералы зеленого и красного цвета. Однако невидимое вещество, выходившее из этих минералов при нагревании и способствовавшее горению угля, показалось ему поистине любопытным. Шееле назвал его «огненным воздухом» и написал несколько писем о его необычных свойствах. Однако формально он не был ученым и собрался описать свое открытие в научной статье лишь три года спустя. Из-за этого его эксперименты не получили широкой известности.

В 1774 году Джозеф Пристли в Англии, работая независимо от Шееле, произвел несколько подобных же экспериментов: при помощи увеличительного стекла он фокусировал солнечный свет на окиси ртути. В точности не известно, знал ли Пристли об экспериментах Шееле, но результаты были сходными. Разница была лишь в том, что вместо угля он ставил под колпак свечу. Эта свеча горела ярче и дольше, чем та, что находилась под стеклянным колпаком с обычным воздухом. Более того, с некоторым драматизмом Пристли объявил, что и мышь живет дольше, если ее поместить в этот газ. (Стоит ли говорить о том, что читателям лучше не пытаться повторить эксперимент Пристли, поскольку пары ртути токсичны.) Как и Шееле, Пристли не имел представления о том, что это за газ; однако он знал, что растения могут производить некое невидимое вещество, которому он дал название «дефлогистированный воздух», опираясь на ныне устаревшую теорию о том, что все вещества, способные гореть, содержат невидимое вещество «флогистон». Пристли поместил под стеклянный колпак росток мяты, поставил его на подоконник и показал, что по прошествии некоторого времени может вновь зажечь свечу в закрытом пространстве колпака (при помощи увеличительного стекла, фокусирующего солнечный свет), в то время как без ростка мяты свеча не загорается. Однако чем же было это невидимое, лишенное запаха вещество?

В конце 1774 года Пристли нанес визит Антуану Лавуазье, французскому дворянину, химику и откупщику, имевшему в Париже грандиозную лабораторию. За обедом Пристли описал произведенные им эксперименты, скорее всего подогрев свое красноречие изрядным количеством вина. Лавуазье был заинтригован и повторил эксперименты Пристли по получению «дыхательного» воздуха посредством нагревания окиси ртути. Судя по всему, он был третьим человеком в истории, получившим кислород из минерала, однако он применил другой, более своеобразный и радикальный подход.

Лавуазье, обладавший более утонченным пониманием природных явлений, нежели Пристли, подумал, что если что-то может быть создано посредством химической реакции, то при этом что-то должно быть и потеряно. Эта мысль была простой, но глубокой; впоследствии она легла в основу метода, который мы называем количественным химическим анализом. Нельзя сказать, чтобы она положила начало современной химии, однако именно с нее начался такой подход к исследуемому предмету, который позволял тщательно проверять гипотезы. Будучи чрезвычайно богатым, Лавуазье мог себе позволить платить лучшим французским инструментальным мастерам, чтобы они изготавливали для него точнейшую аппаратуру, какая только была доступна в то время. В число этих инструментов входили необычайно точные весы, сделанные со скрупулезным вниманием ко всем деталям, как если бы это было ювелирное изделие. Они могли регистрировать изменения массы до 1/400 000 доли. Такая точность была исключительной для того времени, и Лавуазье пользовался этими весами с немалым успехом. Тщательно взвесив окись ртути до и после нагревания, он смог определить, сколько вещества было потеряно в процессе. Затем он приступил к обратному действию: нагрел металлическую ртуть в присутствии воздуха, чтобы получить окись ртути, которая весила больше, чем изначальный металл, и показал, что воздух в испытательной камере потерял некоторую долю объема. Он повторил этот опыт с фосфором, получив фосфорную кислоту. Лавуазье также показал, что газ, получаемый при нагревании окиси ртути, является одной из составляющих воды и что атмосфера Земли состоит главным образом из азота и этого нового компонента, которому он дал название oxygène – «рождающий кислоту». Лавуазье был интеллектуальным отцом аналитической химии; он продолжал свои опыты и успел открыть еще несколько новых элементов, прежде чем его обезглавили во время Французской революции в возрасте пятидесяти лет за то, что он собирал налоги для короля.

Лавуазье не понимал, как кислород мог появиться в атмосфере. Он мог происходить от нагрева солнечными лучами горных пород, содержащих окись ртути или другие подобные минералы, но это казалось маловероятным, поскольку не было заметно, чтобы горные породы разлагались под воздействием Солнца. Кроме того, если поместить окись ртути под колпак и попросту выставить его на свет, ничего не произойдет: необходимо нагреть минерал до достаточно высокой температуры, чтобы получить из него кислород.

Частично эта загадка разрешилась в 1779 году, когда голландский физик Ян Ингенхауз, работая в Англии в той же лаборатории, в которой пятью годами раньше работал Пристли, заметил, что на зеленых листьях водных растений образуются пузырьки, если они выставлены на солнце, но этого не происходит, если держать их в темноте. И разумеется, когда газ из пузырьков был с немалым трудом собран, в его присутствии тлеющая свеча вспыхнула ярким пламенем. Ингенхауз обнаружил, что растения производят кислород, но ни он, ни Лавуазье не понимали, что этот кислород берется из воды.

В детстве нам всем довелось узнать, что растения производят кислород, которым мы дышим, и большинство из нас продолжают жить, больше об этом не задумываясь. Однако каменная летопись показывает, что наземные растения появились на этой планете всего лишь около 450 млн лет тому назад. Если возраст Земли составляет по меньшей мере 4,55 млрд лет, означает ли это, что до 450-миллионной отметки кислорода на ней не было?

Как я уже рассказывал, у микроорганизмов выработался сложный наномеханизм, позволяющий им расщеплять воду при помощи солнечной энергии, за миллиарды лет до возникновения наземных растений. Однако хотя это и может показаться удивительным, мы до сих пор имеем очень неясное представление о том, когда появился первый микроорганизм, обладающий таким свойством. До нашего времени сохранилась лишь одна прокариотическая группа фотосинтезирующих микроорганизмов, способных производить кислород, – цианобактерии.

Эволюция цианобактерий до сих пор остается загадкой. Все они генетически тесно связаны между собой и являются единственными среди прокариотов производящими зеленый пигмент, хлорофилл а, используемый всеми образующими кислород организмами для расщепления воды. Однако что, наверное, наиболее интересно, так это то, что они являются единственными фотосинтезирующими прокариотами, имеющими два различных типа фотосинтетических реакционных центров. Один из них очень напоминает реакционный центр, найденный у фотосинтезирующих пурпурных несерных бактерий, но последние не способны расщеплять воду при помощи солнечной энергии и, следовательно, не вырабатывают кислород. Они используют световую энергию, чтобы расщеплять газообразный водород на протоны и электроны и впоследствии производить сахара. Другой тип реакционных центров унаследован от фотосинтезирующих зеленых серных бактерий, наподобие тех, которых я изучал в глубинной части верхнего слоя водной толщи Черного моря. Эти организмы также не расщепляют воду и не вырабатывают кислород; они расщепляют сероводород, используя световую энергию. Как пурпурные несерные, так и зеленые серные бактерии чрезвычайно чувствительны к присутствию кислорода – при контакте с этим газом они теряют свои фотосинтетические способности. Представляется, реакционные центры двух этих очень различных организмов каким-то образом сумели соединиться в одном организме. Как это случилось, остается неясным, однако, скорее всего, это стало следствием многократного обмена генами между различными видами микроорганизмов.

Получившаяся в результате химера, где в зарождающуюся цианобактерию оказались генетически встроены два различных типа реакционных центров, подверглась ряду дальнейших эволюционных преобразований. К реакционному центру, полученному от пурпурных бактерий, был добавлен белок, содержащий четверку атомов марганца, – впоследствии эта конструкция превратится в реакционный центр, где будет расщепляться вода. Взятую у бактерий пигментную систему новая клетка со временем модифицировала, чтобы производить хлорофилл, что позволило реакционному центру использовать свет на более высоких энергетических уровнях для расщепления воды. Второй реакционный центр, унаследованный от зеленых серных бактерий, также претерпел изменения, и модифицированный наномеханизм позволил ему функционировать в присутствии кислорода. Явившаяся в результате новая конструкция, составленная из подобранных где попало наномеханизмов, отличается чрезвычайной сложностью: она состоит из более чем 100 белков и других компонентов, разделенных на два реакционных центра, которые работают по очереди.

Давайте снова обратимся к уже использовавшемуся сравнению электронов с пассажирами в метро. В первом реакционном центре свет в конечном счете забирает электроны у водорода в воде и везет их через ряд промежуточных станций. Электроны прибывают ко второму реакционному центру, где их, снова при помощи энергии света, с большим усилием запихивают в набитый битком поезд, который отправляется через другой ряд промежуточных станций, после чего электроны, наконец, достигают пункта своего назначения. Этим пунктом назначения является маленькая древняя молекула, называемая ферредоксин, состоящая из комплекса железа и серы, идентичного тому, что содержится в минерале пирите, или «золоте дураков». Здесь с помощью специального фермента электрон, наконец, встречает своего партнера – протон, и они образуют НАДФН. Вспомним, что НАДФН является транспортировщиком водорода, и прикрепленный к НАДФН водород может быть использован для превращения углекислого газа в органическое вещество. Весь этот механизм по преобразованию энергии требует участия около 150 генов. Это наисложнейший механизм такого рода, существующий в природе.

Судя по всему, этот механизм, иногда называемый кислородным фотосинтетическим аппаратом, возник в истории Земли лишь единожды. Ввиду того что производство кислорода столь коренным образом изменило весь мир, мой друг и коллега Джо Киршвинк из Калифорнийского технологического института в шутку называл цианобактерии «микробами-большевиками» – и действительно, эти организмы революционизировали планету, но намного раньше и гораздо более радикально, нежели русская революция.

Эти микроскопические большевики бывают самых разнообразных форм и размеров, от крохотнейшего пикопланктона – клеток диаметром всего лишь около 500 нанометров (они настолько малы, что практически невидимы при использовании обычного оптического микроскопа) – до относительно крупных клеток, соединенных друг с другом в цепочки и легко различимых невооруженным глазом. В современном океане в любой момент присутствует более 1 000 000 000 000 000 000 000 000 (1024) клеток цианобактерий. Однако несмотря на такую их численность, было бы бесполезно ожидать, что настолько миниатюрные клетки сохранятся среди ископаемых останков. Даже самые крупные цианобактерии имеют простые клеточные стенки, которые легко разлагаются. Поэтому нет ничего удивительного в том, что в древнейших геологических разрезах присутствие этих организмов прискорбно малочисленно и противоречиво.

В 1950-х годах Стэнли Тайлер из Висконсинского университета и Элсо Баргхорн из Гарвардского университета заинтересовались микроископаемыми в древних породах. В ходе изысканий ученые обнаружили их присутствие в формации Ганфлинт на западе канадской провинции Онтарио. Вместе с несколькими своими учениками, среди которых были Уильям Шопф, Эндрю Нолл и Стэнли Аврамик, Баргхорн принялся исследовать окаменелости из древнейших разрезов Южной Африки и Западной Австралии. Баргхорн поручил Шопфу, тогда еще студенту, работу с образцами из Западной Австралии, и тот обнаружил в них богатый материал, который никогда не был описан. В 1990-х годах Шопф, к тому времени ставший профессором Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, сообщил о том, что в породах северо-запада Австралии сохранились следы ископаемых организмов, напоминающих нити цианобактерий. Эти породы сформировались около 3,5 млрд лет тому назад. Если эти сведения верны, это означает, что микроорганизмы, обладающие способностью вырабатывать кислород, на самом деле чрезвычайно древние. Однако свидетельства появления животной жизни обнаружены в каменной летописи намного позже – в породах возрастом около 580 млн лет. Неужели между возникновением производящих кислород микроорганизмов – цианобактерий – и выходом на сцену животных действительно был интервал продолжительностью почти в три миллиарда лет? И если это так, то в чем причина?

Работа Шопфа получила широкое признание, и он опубликовал несколько других статей с поразительными изображениями ископаемых организмов, напоминающих структуры цианобактерий, обнаруживаемых в современных озерах. Однако уже в начале нынешнего столетия Мартин Брейзер, палеонтолог из Оксфордского университета в Англии, заново изучил образцы горных пород, которые Шопф отправил в архив при Музее естественной истории в Лондоне, и заключил, что описанные Шопфом ископаемые являются артефактами. То, что Шопф принял за цепочки клеток, по утверждению Брейзера, вообще не являлось останками микроорганизмов, а представляло собой минеральные отложения подводных горячих источников, сформировавших микроскопические структуры, напоминающие внешним видом клетки. Дебаты, разразившиеся между двумя лагерями, не утихают до сих пор, ввиду чего так и не достигнуто согласие относительно датировки древнейших ископаемых останков цианобактерий – впрочем, эти организмы наверняка уже существовали до Кислородной катастрофы (см. ниже), произошедшей приблизительно 2,4 млрд лет тому назад.

В попытке обойти проблему физической сохранности структур микроорганизмов в горных породах ученые, работающие в области химии горных пород (геохимики), предприняли другой подход. Часто случается так, что организмы погибают, однако следы их тел сохраняются в горных породах в качестве своеобразной химической подписи. Собственно, мы уже интуитивно это знаем, поскольку нефть и уголь представляют собой сохранившиеся останки давно погибших организмов. Доказательство того, что ископаемое топливо образовалось из отмерших организмов, было предоставлено в 1936 году немецким химиком Альфредом Трейбсом, показавшим, что нефть содержит молекулы, которые могли произойти только из растительного пигмента хлорофилла. На самом деле, многие ученые, работающие над химическими сигнатурами организмов в геологических разрезах, начинали свою научную деятельность с описания органических компонентов нефти для нефтяных компаний.

Хотя в осадочных породах сохраняются и следы других молекул, большая часть химических сигнатур представляет собой липиды (жиры и масла) – молекулы, не очень хорошо растворимые в воде. Так, например, когда погибают животные, включая и нас с вами, то одним из сигнатурных химических соединений является холестерин – молекула, заключающаяся в мембранах клеток животных, но не обнаруженная ни у растений, ни у прокариотических микроорганизмов, таких как цианобактерии. Однако прокариотические микроорганизмы производят ряд молекул, связанных с холестерином, которые называются гопаноидами и содержатся в их мембранах. После гибели таких микроорганизмов гопаноиды в их мембранах сохраняются в горных породах порой на миллиарды лет. Бытует даже мнение, что гопаноиды – наиболее распространенный вид естественно встречающихся органических молекул на Земле.

Цианобактерии производят относительно специфический вид гопаноидов, и продукты распада этих молекул могут сохраняться в горных породах, если они не подвергаются чересчур сильному нагреву и сжатию. Эти молекулы не были найдены в горных породах формации Исуа на юго-западе Гренландии, однако в 1999 году Роджер Саммонс, австралийский геохимик, работавший в Массачусетском технологическом институте, и его коллеги сообщили о присутствии продуктов распада определенной молекулы, найденной у современных цианобактерий, в кратоне Пилбара в Западной Австралии (близко к тому месту, где работал Шопф). Эти породы датируются возрастом от 2,7 млрд лет до настоящего времени. Соответственно, хотя до сих пор существуют противоречивые мнения относительно происхождения цианобактерий, молекулярные данные, по-видимому, свидетельствуют о том, что эти организмы возникли самое позднее 2,7 млрд лет тому назад, а возможно, и раньше. Однако результаты липидного анализа также подвергаются сомнению. Некоторые из биомаркеров могут в действительности быть веществами, привнесенными из масел, использовавшихся при бурении скважины для отбора образцов. Собственно, в этой области мнение ученых постоянно колеблется. Свидетельства о существовании микроорганизмов около 3,5 млрд лет тому назад все чаще принимаются с опасением; неясно, действительно ли это были цианобактерии. Ясно лишь одно: на начальном этапе истории Земли на протяжении приблизительно четырех миллиардов лет какие-либо признаки животной жизни отсутствуют. Если животным для существования требуется кислород, а присутствие кислорода требует существования цианобактерий, то когда же цианобактерии смогли выработать достаточно кислорода, чтобы это оказало воздействие на земную атмосферу? На настоящий момент известно с достаточной достоверностью, что это случилось в пределах 2,3–2,4 млрд лет тому назад. Тем не менее свидетельства в пользу этой датировки несколько туманны.

В природе существует четыре стабильных изотопа серы, и именно на основании их распределения в геологической летописи за последние 3,5 млрд лет мы можем судить о том, когда атмосфера Земли стала кислородной. Более легкие изотопы серы, содержащие меньше нейтронов, вибрируют с большей частотой, нежели более тяжелые. Вследствие более высокой частоты вибрации они чаще сталкиваются с соседними атомами и, следовательно, по сравнению с тяжелыми изотопами имеют больше шансов образовать химические связи с другими элементами. При помощи масс-спектрометра – прибора, способного с высокой точностью определять распространенность того или иного изотопа, – трое ученых, Джеймс Фаркухар, Хуймин Бо и Марк Тименс, в 2000 году показали, что изотопы серы в осадочных породах имеют очень необычное распределение. В слоях, образованных более 2,4 млрд лет тому назад (включая упомянутые австралийские породы, содержащие гопаноидные биомаркеры цианобактерий), изотопный состав серы достаточно случаен; нельзя выделить какую-либо закономерность распределения изотопов в соответствии с их массой. Однако в период начиная с 2,4 млрд лет тому назад и до настоящего времени изотопный состав, несомненно, зависит от числа нейтронов в элементе, то есть поведение элементов определяется их массой: более тяжелые изотопы серы, имеющие больше нейтронов, встречаются в составе минералов горных пород реже, чем более легкие изотопы. Таким образом, можно сделать вывод о том, что приблизительно 2,4 млрд лет тому назад произошло некое событие, изменившее способ образования изотопами серы химических связей. Однако какое отношение все это имеет к кислороду?

Значительная часть серы, находящейся в горных породах, изначально образовалась в вулканах в виде газа сероводорода (SO2). Сероводород – бесцветный газ с резким запахом, который можно почувствовать за несколько километров вокруг целлюлозно-бумажных комбинатов, поскольку для размягчения древесины при производстве целлюлозы часто используются содержащие серу вещества. Химические связи в молекулах сероводорода могут быть разрушены высокоэнергетическим ультрафиолетовым излучением Солнца. Разрушая молекулярные связи, ультрафиолетовое излучение не отличает один изотоп от другого. В результате изотопный состав пород получается таким же, каким был в изначальном материале.

Ультрафиолетовое излучение невидимо для человеческого глаза, однако вызывает ожоги кожи и, если мы подвергаемся облучению слишком долго, может вызывать мутации клеток нашей кожи, приводящие к раковым заболеваниям. Хотя в современном мире некоторая часть ультрафиолетового излучения Солнца доходит до земной поверхности, большая его часть задерживается – поглощается в верхних слоях атмосферы – стратосфере – другим газом, состоящим из трех атомов кислорода. Этот газ называется озоном. Единственный известный механизм, способный привести к образованию озона в стратосфере планеты, требует присутствия в атмосфере свободного кислорода.

Следовательно, изменение закономерностей распределения изотопов серы в горных породах можно интерпретировать как появление около 2,4 млрд лет тому назад в стратосфере нашей планеты озонового слоя. Такое объяснение предполагает, что кислородный фотосинтез цианобактерий в конечном счете привел к увеличению содержания кислорода в атмосфере. Летопись, запечатленная в изотопах серы, недвусмысленно показывает, что мир прошел через некую ключевую переходную точку: ранее временной отметки 2,4 млрд лет тому назад в атмосфере практически не было свободного кислорода, а потом он появился. Геологи поэтически (и даже несколько драматически) назвали этот переход «Кислородной катастрофой». На самом деле эта временная точка «размазана» по периоду длительностью сто миллионов лет или больше. Судя по всему, в истории Земли это событие было исключительным – в том смысле, что больше оно не повторялось. Мы можем сделать такое заключение, поскольку изотопы серы в геологическом разрезе от 2,4 млрд лет тому назад до настоящего времени тщательно разделены на фракции в соответствии с массами изотопов, однако до временной отметки 2,4 млрд лет тому назад фракционирование изотопов серы никак не зависит от их массы. Такая интерпретация изотопов серы предполагает, что на протяжении последних 2,4 млрд лет кислород входил в состав атмосферы нашей планеты. Концентрация кислорода сразу после переходного момента была довольно низкой – вероятно, меньше 1 % от настоящего уровня, и этого было недостаточно для эволюции животных.

Однако для того чтобы обеспечить присутствие кислорода в планетарной атмосфере, необходимо нечто большее, чем эволюция фотосинтезирующего наномеханизма. Чтобы этот газ получил распространение, огромные количества микроорганизмов, наделенных фотосинтезирующим наномеханизмом, должны погибнуть и затем оказаться включенными в состав горных пород. Смерть фотосинтезирующих микроорганизмов на протяжении сотен миллионов лет в конечном счете вымостила дорогу нашему с вами существованию. Давайте рассмотрим этот кажущийся парадокс: почему смерть клеток, производящих кислород, необходима для того, чтобы кислород получил распространение в атмосфере?

Возьмем кислород, которым мы дышим в настоящий момент. Концентрация кислорода в земной атмосфере была неизменной на протяжении всей нашей жизни, а также жизней наших пра-пра-пра-пра-пра-пра– (и вы можете вставить на свое усмотрение еще множество «пра-») дедов. Она составляет 21 % общего объема воздуха Земли и оставалась в высшей степени постоянной в течение сотен тысяч, если не миллионов, лет. Откуда мы это знаем? Да просто мы можем измерить содержание кислорода в пузырьках воздуха в ледяных кернах, отобранных при бурении антарктических ледяных щитов, и с большой точностью и уверенностью определить, что содержание кислорода оставалось в целом неизменным последние 800 тысяч лет. На протяжении этого времени выработка кислорода всеми водорослями и растениями Земли уравновешивалась поглощением кислорода в процессе дыхания всех животных и микроорганизмов. Для того чтобы концентрация кислорода в земной атмосфере изменилась, что-то должно нарушить баланс между фотосинтезом и респирацией.

Однако 2,4 млрд лет тому назад еще не существовало ни растений, ни животных. Собственно, не существовало ничего, кроме микроорганизмов. Вся жизнь на Земле в целом ограничивалась океанами и другими водоемами. Фотосинтезирующие цианобактерии с их кислородобразующими наномеханизмами вырабатывали кислород не ради него самого; кислород был побочным продуктом фотосинтетического процесса. Организмы расщепляют воду, чтобы получить водород, а водород они используют для производства органических соединений. Кислород представляет собой окисленную воду, а органические соединения по существу есть восстановленный углекислый газ и газообразный азот. Органические соединения являются источником энергии, но также могут быть использованы и для производства сахаров, аминокислот, липидов и нуклеиновых кислот; коротко говоря, организмы используют органические соединения для строительства новых клеток. За неимением более простого термина я буду называть органические соединения, производимые клетками, «клеточным веществом». В результате процесса фотосинтеза водород, взятый из воды, перемещается к углекислому газу и азоту для производства клеточного вещества, которое клетки накапливают и которое в конечном счете позволяет им воспроизводиться. При дыхании же организмы используют органические соединения для выработки энергии при отсутствии солнечного света, а также для строительства новых клеток. Дыхание отнимает водород у углерода и прибавляет его к кислороду, высвобождая воду и углекислый газ в качестве отходов. Мы интуитивно понимаем это, когда дышим на холодное стекло – на нем конденсируется водяной пар. При дыхании водород из пищи, которую мы едим, добавляется к кислороду из воздуха, которым мы дышим, в результате чего образуется вода. По сути, вся наша планета существует за счет цикла расщепления воды при фотосинтезе для образования кислорода и производства воды при дыхании.

Для того чтобы кислород смог в больших количествах накопиться в атмосфере, некоторая часть клеточного вещества, производимого фотосинтезирующими микроорганизмами, должна быть спрятана от респирирующих микроорганизмов. Это примерно то же самое, что пытаться спрятать конфеты от детей: если вы хотите, чтобы дети до них не добрались, вам нужно найти для конфет какое-то надежное место. Например, их можно убрать подальше от глаз – на верхнюю полку в дальнем углу темного чулана. Для Земли такой дальней полкой в чулане являются горные породы. Микроорганизмам не так-то просто использовать для дыхания органические соединения, заключенные в камнях, хотя это и не означает, что они не пытаются.

Лишь очень небольшое количество фитопланктона, включая цианобактерии, достигает дна океана. Доля организмов, которым удается погрузиться до низа водной толщи, варьирует в зависимости от глубины океана: чем больше глубина океана, тем меньшая доля микроорганизмов достигает донного грунта. В современных океанах органический углерод практически не достигает дна, если глубина превышает 1000 метров, а это означает, что сейчас в океанических глубинах органический углерод не накапливается. Очевидно, что наиболее значительными областями его отложения являются мелкие моря и прибрежные зоны континентов. Однако даже и там в среднем менее 1 % произведенных фитопланктоном органических соединений достигает дна, и лишь около 1 % этого количества впоследствии оказывается погребенным в осадочных слоях. Это означает, что в действительности на дне отлагается менее 0,01 % произведенной органической материи, но за миллионы и миллионы лет в глобальном масштабе эта мельчайшая доля приобретает существенное значение. Клеточное вещество отмерших организмов смешивается с осадочными отложениями, и, по мере того как над более древними толщами накапливаются более молодые, разлагающиеся тела мертвых микроорганизмов подвергаются сжатию и нагреву. В конце концов они оказываются включены в состав осадочных пород – пород, образованных в процессе эрозии других, материковых формаций. Некоторые части осадочных толщ, содержащих органическое вещество, впоследствии испытывают поднятие и образуют горы в составе континентов. Если бы органическая материя не оказалась погребена, она бы подверглась респирации, и кислород практически не смог бы накопиться. Если бы органическая материя не была затем поднята и вынесена на сушу, она бы погрузилась в результате тектонических процессов в недра Земли, где была бы переплавлена и возвращена в атмосферу в виде углекислого газа из вулканов – и опять бы никакого накопления кислорода не случилось. Итак, по мере медленного накопления органических соединений в осадочных толщах и выноса их на сушу концентрация кислорода в атмосфере медленно увеличивалась. Этот процесс занял долгое время, но без этого мы бы сейчас не дышали кислородом.

Одно из противоречий наших представлений о Кислородной катастрофе состоит в том, что непонятно, действительно ли понадобилось так много времени, чтобы она произошла, или же этот период был менее длительным? Если невероятно сложные наномеханизмы, способные расщеплять воду, возникли у цианобактерий, появившихся где-то незадолго до отметки в 2,4 млрд лет тому назад, то планету они преобразили за период в пределах ста миллионов лет или даже меньше. Однако же, если они возникли гораздо раньше, как доказывает геологическая летопись, почему понадобились сотни миллионов лет, чтобы кислород стал играть значительную роль в земной атмосфере? Ответить на этот вопрос не так просто, и все объяснения, существующие на сегодняшний день, достаточно противоречивы.

Долгое время я считал, что причиной задержки в сотни миллионов лет между возникновением цианобактерий и распространением в атмосфере кислорода было взаимодействие кислорода с железом и сульфидами, содержавшимися в архейском океане более 2,5 млрд лет тому назад. Кислород – наиболее распространенный элемент в земной коре, но не в виде свободного газа. Кислород очень неразборчив в связях и не любит долго оставаться один. Эта чрезвычайно активная молекула химически сочетается со множеством металлов и других элементов. Если вы положите гвоздь на несколько дней в хорошо аэрируемую воду, на нем образуется ржавчина, которая есть не что иное, как железо в сочетании с кислородом – оксид железа. Три миллиарда лет тому назад в океанах содержалось большое количество растворенного железа, и после возникновения наномеханизмов, расщепляющих кислород, на протяжении последующих нескольких сотен миллионов лет во многих частях океана на дно выпадали оксиды железа (ржавчина). Реакция кислорода с железом продолжалась почти два миллиарда лет, не требуя никакого биологического вмешательства. Железо будет ржаветь вне зависимости от присутствия микроорганизмов: все, что для этого требуется, – кислород и вода. Однако хотя окисление железа и связывало кислород, самые приблизительные подсчеты показывают, что один этот процесс не мог задержать распространение этого газа в атмосфере на сотни миллионов лет. Его накоплению должно было препятствовать что-то другое.

Продукция кислорода создала благоприятные возможности для развития у микроорганизмов новых метаболических путей. Эти новые возможности привели к изменениям в распределении и распространенности нескольких других элементов, в первую очередь серы и азота. До массовой продукции кислорода большая часть серы в океанах содержалась в форме сероводорода, газа с запахом тухлых яиц, который в то время, как и сейчас, поставлялся в океаническую толщу из глубоководных вулканов – гидротермальных источников, называемых «черными курильщиками». Вода, вытекающая из этих подводных трещин, чрезвычайно горяча – температура ее составляет около 300 ℃ – и содержит большие количества сульфидов и железа; охлаждаясь, они образуют минеральные трубки, состоящие из «золота дураков», пирита. В присутствии кислорода некоторые микроорганизмы развили у себя набор новых наномеханизмов, позволивший им забирать водород у сероводорода и использовать его для связывания углекислого газа и создания органических молекул. Благодаря кислороду образовался электрический градиент между богатыми электронами потоками и газами, выходящими из подводных расщелин, и бедным электронами газообразным кислородом и другими молекулами, содержащимися в океанических водах вокруг «черных курильщиков». Этот электрический градиент обеспечил движущую силу для нового типа метаболизма. В отличие от фотосинтезирующих зеленых серных бактерий наподобие тех, что живут в Черном море, эти сульфидокисляющие микроорганизмы гидротермальных источников могут расщеплять сероводород, не используя непосредственно энергию Солнца. Их механизм связывания углерода практически идентичен тому, что найден у цианобактерий, однако метаболическая инновация, получившая название хемоавтотрофии (то есть способности питать себя химическим путем), позволяет связыванию углерода происходить в глубинных, темных слоях океана – но лишь потому, что цианобактерии производят кислород в освещенной солнцем части океана на сотни и тысячи метров выше.

Основная концепция заключается в том, что, если водород непосредственно связан с кислородом, как в случае воды, необходимо большое количество энергии, чтобы разрушить эту связь. Единственным источником энергии, используемым для того, чтобы извлечь водород из воды биологическим путем, является видимая часть спектра излучения Солнца. Водород же, связанный с серой, извлечь гораздо проще. Чтобы извлечь водород из сульфида, требуется лишь около 10 % энергии, необходимой для извлечения его из воды, однако в присутствии кислорода сера может быть трансформирована микроорганизмами с образованием оксид-сульфата, в котором атом серы связан с четырьмя атомами кислорода.

Является ли микробиологическое окисление сероводорода той ключевой реакцией, которая может объяснить задержку в распространении кислорода? Долгое время я считал, что это возможно. Однако, когда мы узнали немного больше о поступлении серы в древние океаны и провели некоторые простые расчеты, такое представление стало казаться все более и более невероятным. Увеличение содержания кислорода могло бы превратить в ржавчину все железо и окислить до сульфатов все сульфиды, однако никогда бы не потребовалось трехсот миллионов лет или более на то, чтобы кислород распространился в атмосфере. Что-то здесь было не так. И снова эксперименты в Черном море предоставили ключ к разгадке.

В водяном столбе Черного моря имеется место, где кислород исчезает, а содержание сероводорода начинает повышаться. У меня ушло несколько лет на то, чтобы понять, как этот переходный момент в химизме Черного моря отражает химизм Земли и распространение в атмосфере кислорода. Даже несмотря на то, что возраст глубин Черного моря составляет всего лишь 1500 лет, здесь имеется переход в микробиологическом метаболизме от верхних, насыщенных кислородом слоев воды к глубинным слоям. Я чувствовал, как будто возвращаюсь во времени к моменту Кислородной катастрофы.

Наиболее распространенный газ на Земле – азот, однако он присутствует в форме, отличающейся чрезвычайной химической стабильностью. Молекула газообразного азота в атмосфере нашей планеты состоит из двух атомов этого элемента, связанных друг с другом тремя химическими связями. В отличие от кислорода газообразный азот (N2) практически инертен. Если бы атмосфера Земли состояла исключительно из азота, газеты на наших тротуарах никогда бы не желтели и не разлагались, железо никогда бы не ржавело, а свечи не горели. Однако если бы водород не соединялся с азотом, жизни бы на Земле не существовало, поскольку без азота, связанного с водородом, микроорганизмы не смогли бы производить ни аминокислоты, ни нуклеиновые кислоты. По счастью, микроорганизмы могут прикреплять водород к азоту, хотя это и требует большого количества энергии.

Я понял, что азотный цикл, который полностью зависит от деятельности микроорганизмов, почти в точности повторяет цикл серы. Азот требуется для производства белков и других необходимых молекул, нужных клеткам. Однако, чтобы заполучить азот в свои клетки, организмы должны либо добывать его из окружающей среды в виде ионов, либо каким-то образом химически изменять атмосферный азот. Задолго до появления газообразного кислорода на Земле развились микроорганизмы, которые могли прикреплять водород к азоту, содержащемуся в атмосфере (или же растворенному в воде), при помощи сложного и чрезвычайно древнего наномеханизма – фермента, называемого нитрогеназой. Продуктом этой реакции является аммоний. Он представляет собой одиночный атом азота с прикрепленными к нему четырьмя атомами водорода (NH4+). В отсутствие кислорода аммоний весьма стабилен, однако, когда кислород стал доступен, микроорганизмы выработали другой набор механизмов, позволивших им отрывать водород от азота и использовать его для превращения углекислого газа в органические соединения, не используя энергию Солнца. Подобно своим собратьям из океанских глубин, эти микроорганизмы также являются хемоавтотрофами: они используют для жизни электрический градиент между насыщенной электронами молекулой аммония и обедненной электронами молекулой кислорода. Эти окисляющие аммоний микроорганизмы не могут добывать себе средства к существованию без присутствия в окружающей среде свободного кислорода. Продуктами их реакции являются азотные соединения, содержащие кислород, в первую очередь нитраты (NO3–), представляющие собой атом азота с тремя атомами кислорода, непосредственно связанными с ним. Так же как и в случае с серой, в отсутствие кислорода другие микроорганизмы могут использовать нитраты для респирации; однако, в отличие от случая с серой, анаэробная респирация нитратов не ведет к образованию молекулы с прикрепленным к ней водородом, наподобие аммония, – ее результатом является выработка газообразного азота.

Анализ химических соединений азота, содержащихся в водах Черного моря, показывает, что в верхних, насыщенных кислородом слоях широко распространены нитраты и нет аммония, в то время как в глубинных слоях, где кислород отсутствует, а воды насыщены сероводородом, аммоний становится единственной формой связанного азота. Однако более внимательное рассмотрение вертикального распределения кислорода и сероводорода в Черном море заставило меня задуматься. В той точке, где кислорода уже совсем мало, в то время как сероводорода тоже еще почти нет, и нитраты, и аммоний практически отсутствуют. Это место, где микроорганизмам очень трудно выживать. Цианобактерии, производившие кислород в древних океанах, по-видимому, помогали другим микроорганизмам использовать оксиды азота для респирации, однако в отличие от серного цикла, где продуктом респираторной реакции являлись сульфаты, то есть ионы, в случае с азотом это были два газа, которые возвращались обратно в атмосферу. Азотный цикл, полностью приводимый в действие микроорганизмами, и предотвращал на протяжении долгого времени появление кислорода на планете. В самом деле, мои исследования в Ратгерском университете, проведенные совместно с моими коллегами, и прежде всего с Линдой Годфри, показывают, что как минимум за 300 млн лет до Кислородной катастрофы цианобактерии уже производили кислород, который в конечном счете использовался другими микроорганизмами для превращения аммония в нитраты и затем высвобождения азота в виде газа. В результате этого процесса океаны теряли связанный азот. Без связанного азота фитопланктон не мог производить большое количество клеточного вещества, и образование органического углерода не происходило с такой легкостью. Если органический углерод почти не образуется, он и не откладывается в геологических пластах. Однако при отсутствии погребенного органического углерода в атмосфере не может накапливаться кислород. По сути, возникает ощущение, как будто вся система микроорганической жизни в древних океанах была настроена на такую цепь обратных реакций, чтобы оставаться бескислородной. Почти нет сомнений в том, что жизнь возникла в бескислородных условиях и микроорганический метаболизм поддерживал на планете бескислородную среду на протяжении первой половины истории Земли. В какой-то момент началась выработка N2 и N2O (закись азота, или веселящий газ). Оба газа покидали пределы океанов, однако около 2,4 млрд лет тому назад выработка цианобактериями кислорода наконец перевесила потребление этого газа другими микроорганизмами, и атмосфера начала насыщаться кислородом. Возможно, это покажется удивительным, но мы до сих пор не знаем наверняка, как это произошло.

Эволюция планеты, содержащей в своей атмосфере кислород, была кульминацией сотен миллионов лет эволюционных преобразований наномеханизмов, которые в конечном счете смогли приспособить солнечную энергию для расщепления воды. Однако распространение кислорода также оказало сильнейшее воздействие на эволюцию самих микроорганизмов.

Будучи чрезвычайно химически активным газом, кислород является замечательной, но в то же время и опасной средой для помещения в нее водорода при респирации. Замечательной – поскольку реакция водорода с кислородом позволяет извлечь большое количество энергии. В самом деле, если вы зажжете спичку в газовой смеси водорода и кислорода, вы вызовете мощный взрыв. Эти два газа вместе в буквальном смысле представляют собой ракетное топливо. Мир, богатый кислородом, – мир высоких энергий. Микроорганизмам, использовавшим кислород для дыхания, потребовалось проделать лишь относительно небольшие изменения в своем респираторном аппарате, чтобы при присоединении водорода в процессе респирации клеточного вещества он не вступал с кислородом в реакцию настолько бурную, чтобы буквально сжечь сами клетки. Для того чтобы взять эту реакцию под контроль, потребовалось возникновение другого наномеханизма – такого, который очень аккуратно присоединял бы к кислороду электроны и протоны. Энергия этой реакции была огромной: благодаря ей микроорганизмы смогли генерировать в восемнадцать раз больше АТФ на каждую респирированную ими молекулу сахара, чем получали при помощи древней анаэробной респираторной системы. Мы позаимствовали этот процесс, чтобы использовать в наших собственных внутриклеточных наномеханизмах для выработки энергии – митохондриях. Производство кислорода в буквальном смысле привело к суперзаряду двигателей жизни!

Эволюция наномеханизмов также сыграла критическую роль в развитии циклов элементов, по сей день способствующих продолжению жизни на Земле. Благодаря теплу, вырабатываемому при радиоактивном распаде элементов в недрах земной коры, происходит постоянное пополнение необходимых для жизни элементов посредством выбрасывания вулканами газов, выветривания горных пород и накопления отмерших микроорганизмов в осадочной толще. Этот процесс не останавливался начиная с момента формирования нашей планеты 4,55 млрд лет тому назад, и он будет продолжаться еще несколько миллиардов лет в будущем. Тем не менее эволюция микробиологических наномеханизмов и связанное с ней распространение кислорода изменили циклы обращения этих элементов в планетарном масштабе. А именно такая эволюция позволила организмам на всей планете наладить взаимосвязь через свои внутренние механизмы, образовав единый гигантский электронный контур. Этот контур в значительной степени опирается на перенос водорода туда и обратно между четырьмя из шести главных элементов – углеродом, азотом, кислородом и серой.

Для обеспечения связи между метаболизмом различных организмов требуется нечто наподобие «проводов», и двумя такими важнейшими «проводами» для Земли являются океан и атмосфера. Нам даже не надо вставать со своих кресел, чтобы увидеть, как это работает.

Сделайте глубокий вдох. Кислород, который вы только что вдохнули, не был произведен в той комнате, где вы находитесь. За окном не стоит великан с огромной лупой, через которую он фокусирует энергию Солнца на оксидах металлов, и мы не таскаем за спиной культуры водорослей. Мы дышим кислородом зимой, несмотря на то что в нашем непосредственном окружении нет фотосинтезирующих растений. Кислород, который мы вдыхаем, возможно, был произведен миллионы лет назад и любезно доставлен нам из дальних краев земной атмосферой. Давным-давно где-то на Земле неведомые для нас растения и фитопланктон выработали кислород, которым вы и я сейчас дышим. Мы живем благодаря милости незнакомцев. Впрочем, наше дыхание в свою очередь вырабатывает углекислый газ и воду – очень слабенькую газировку (которая, кстати, тоже была изобретена Пристли). Выдыхаемый нами углекислый газ используется фитопланктоном и растениями для выращивания новых растений и фитопланктона в других местах планеты.

Океан также служит проводником для планетарного метаболизма. Океанические течения выносят оксиды азота на поверхность, где фитопланктон поглощает их, чтобы производить новые клетки, некоторые из них погружаются в глубины, становясь источником питания и энергии для микроорганизмов и других форм жизни в глубинах океана. Поскольку океан является огромным взаимосвязанным жидким телом, циркулирующим в глобальном масштабе, воды в глубинных слоях океана получают кислород из атмосферы. В двух важнейших областях океана – Северной Атлантике за Гренландией и в Антарктическом океане – на протяжении зимнего периода образуются очень холодные водные массы. Холодные воды более плотные и поэтому стремятся погрузиться в глубину (наибольшую плотность вода имеет при температуре 4 ℃). Чем холоднее вода, тем больше кислорода она может поглощать. Холодные, плотные, насыщенные кислородом потоки разносят этот газ по всему океану медленным конвейерным течением из Атлантики в Индийский океан, затем через Тихий и обратно. Один оборот такого кольца занимает около тысячи лет. Благодаря этому конвейерному течению микроорганизмы придонных областей океана могут использовать сульфиды или аммоний для связывания углерода благодаря кислороду, выработанному миллионы лет назад в дальних краях. Когда кислород наконец стал доступен и замкнул биологические циклы серы, азота и углерода, он, вполне возможно, также вызвал глобальное изменение климата Земли и соответственно первое массовое вымирание видов на планете.

Существуют убедительные свидетельства того, что приблизительно через 200 млн лет после Кислородной катастрофы в нескольких областях земного шара сформировались массивные ледяные щиты, которые не таяли около 300 млн лет. Это было самое длительное и, может быть, одно из самых обширных оледенений в истории Земли – лед покрывал не только сушу, но также поверхность всех океанов, возможно, вплоть до экватора (так называемая Земля-снежок). Что же вызвало это глобальное изменение климата?

Одной из возможных причин этой климатической подвижки было накопление кислорода в атмосфере. В то время как недра Земли разогреваются радиоактивными процессами, ее поверхность нагревается Солнцем. Солнечное излучение в конечном счете отражается обратно в космос, однако некоторая его часть задерживается покрывалом из газов в атмосфере Земли. В настоящее время наиболее важную роль в захвате тепла играют водяной пар и углекислый газ. Фактически, если бы не присутствие в атмосфере этих так называемых парниковых газов, земные океаны и сейчас были бы покрыты льдом. Однако 2,4 млрд лет тому назад ситуация была еще более экстремальной. В то время Солнце светило приблизительно на 25 % менее ярко, чем сейчас, а это означает, что оно давало меньше тепла. Для того чтобы поверхность океанов оставалась жидкой, парниковые газы должны были быть очень распространены; при этом они должны были очень хорошо поглощать солнечную энергию, в особенности инфракрасное излучение (тип энергии, который мы не можем видеть, однако можем чувствовать кожей, поскольку инфракрасное излучение – это тепло). Одним из газов, наиболее эффективно поглощающих инфракрасное излучение, является метан.

В настоящее время метан занимает относительно скромное место среди парниковых газов, однако 2,4 млрд лет тому назад он почти наверняка был распространен гораздо больше. Метан – очень простой газ, он состоит из одного атома углерода, связанного с четырьмя атомами водорода (CH4). В присутствии кислорода он очень хорошо горит, что означает, что в связях этого газа запасено большое количество энергии. Метан образуется как продукт респирации некоторых микроорганизмов в строго анаэробных условиях: при отсутствии кислорода некоторые микроорганизмы могут при помощи специального наномеханизма извлекать водород из сахаров и других органических молекул и соединять его с углекислым газом, производя метан. Такие микроорганизмы называются археями – это вторая по величине группа прокариотов, открытая Вёзе и Фоксом. Наномеханизмы метанпродуцирующих бактерий чрезвычайно чувствительны к кислороду: даже небольшая концентрация кислорода тотчас останавливает выработку ими метана. В наши дни метаногенные микроорганизмы можно обнаружить в самых разных местах, включая желудки коров и других жвачных животных, а также приблизительно 40 % людей. Однако 2,4 млрд лет тому назад эти организмы, очевидно, имели чрезвычайно широкое распространение в прибрежных водах по всему миру.

Даже в присутствии кислорода некоторые виды бактерий могут использовать метан как источник энергии и для выращивания клеток. Поглощение метана микроорганизмами – один из наиболее быстрых и эффективных путей уничтожения этого газа. По мере развития у них этой способности аппарат разрушения метана, по-видимому, ощутимо уменьшил приток этого вещества из океанов в атмосферу, а газообразный кислород при помощи солнечного света довершил уничтожение метана в атмосфере. Важнейший из газов, поглощающих инфракрасное излучение, перестал существовать, и слабое молодое Солнце не могло предоставить достаточного количества тепла, чтобы уберечь океаны от замерзания. Последовавшее за этим образование ледяной корки, или шуги, на всей поверхности Мирового океана почти наверняка должно было сократить ареал роста фотосинтезирующих микроорганизмов и одновременно воспрепятствовать обмену газами между океаном и атмосферой. Геологическая летопись показывает, что за этим последовали несколько продолжительных периодов, на протяжении которых океаны были холодными и не были приспособлены для жизни. Киршвинк – тот самый, что окрестил цианобактерии микробами-большевиками, – также в порыве вдохновения придумал для состояния, когда ледяные щиты покрывали всю поверхность океанов, название «Земля-снежок». Если все действительно происходило по описанному сценарию, то это был первый случай в геологической истории Земли, когда микроорганизмы полностью нарушили планетарный климат.

Условия, превратившие планету в «снежок», судя по всему, возникали на ней не единожды. Последний раз это случилось около 750 млн лет тому назад. Невероятно, но во всех случаях небольшому числу выживших микроорганизмов были каким-то образом переданы инструкции по созданию всех основных наномеханизмов. Эти организмы были пионерами, пронесшими жизнь через долгие периоды планетарного опустошения.