ВАРИАЦИИ — Эволюция жизни (Тема с вариациями)

Тема: Эволюция жизни

Если бы вы смогли вернуться на 4 млрд лет назад, во времена молодой Земли, то обнаружили бы планету, которая совершает свои первые несмелые шаги в качестве живого мира. Если бы вы совершили это путешествие сквозь «глубокое время» и прогулялись по немногим появляющимся участкам суши или поплавали в омывающих весь земной шар океанах, было бы простительно, если бы вы при этом не заметили едва различимые признаки жизни. Немногочисленная популяция самых первых на Земле микроскопических клеток находила себе убежище в темных глубинах океана, цепляясь за камни, в большинстве своем укрытые от беспощадного солнечного излучения.

На ранних стадиях химической эволюции Земли происходили последовательные шаги, ведущие к появлению жизни, пробовалось и отвергалось огромное количество молекулярных структур, пока одна исключительная группа молекул не начала копировать сама себя. С этого момента — по мере того как новые копии заполняли окружающую среду — и двинулась эволюция по дарвиновскому сценарию естественного отбора. В некоторых из этих копий с неизбежностью происходили какие-то изменения: атомы кислорода замещались атомами серы и наоборот; кластеры атомов углерода прикреплялись к основе подобно только что отросшим ветвям и кольцам; другие спонтанные вариации преобразовывали конфигурации атомов, их изгибы, спирали и петли. Большинство этих случайных изменений не оказывали особого влияния, другие же становились смертельными — буквально исполнялся дохлый номер. Но время от времени какая-нибудь молекулярная вариация срабатывала получше, способствуя более эффективному копированию или появлению цикла молекул, менее подверженных деградации, или же возникала молекула, способная «выживать» в более экстремальных условиях температуры или кислотности.

Основная тема — это эволюция, она осуществлялась посредством мощного процесса естественного отбора. Как понял Чарльз Дарвин более полутора веков назад, живые системы эволюционируют в силу трех неотъемлемых атрибутов, или признаков, жизни, которые мы все наблюдаем каждый день. Первое дарвиновское положение заключается в том, что индивидуумы каждого вида представляют собой отдельные вариации: нет двух абсолютно одинаковых дубов, или грибов, или человек. Сейчас мы знаем, что эти вариации не ограничиваются внешними размерами и формами больших и малых существ, они простираются вплоть до фундаментальных различий в тысячах белков — основных молекул жизни.

Второй атрибут всех жизненных форм Дарвин увидел в том, что всегда рождается больше особей, чем в конечном счете становится взрослыми. Это истина, хорошо иллюстрируемая расточительным образованием желудей каждую осень и пыльцы каждую весну, навсегда запечатлелась в моем мозгу во время памятного занятия «Покажи и расскажи» в третьем классе. Дело происходило в начальной школе Гарнетта в Фэрвью-парк, штат Огайо. Я обычно приносил с собой в школу странные окаменелости или минералы, подобранные в ближайшем парке Роки-ривер, но в этот раз нашел удивительный кокон, прилипший к ветке. Занятие «Покажи и расскажи» было ближе к полудню, так что я положил ветку с коконом в парту с откидывающейся крышкой и забыл о нем.

Когда я открыл крышку пару часов спустя, мне вначале показалось, что на мои книги пролилась какая-то темная жидкость. Присмотревшись, я обнаружил тьмы и тьмы крошечных ползающих младенцев-богомолов. Они были везде — суетящейся коричневой массой на моих книгах, карандашах и несъедобном теперь ланче. Увидев дневной свет, они поползли вверх, перелезая через металлические края парты и падая на пол и на штанину моих брюк. Я закричал. Тогда остальные подбежали посмотреть и тоже начали кричать; вскоре в классной комнате царил полнейший хаос. Нам на помощь пришел храбрый сторож с мощным пылесосом, но потребовалось некоторое время, чтобы класс успокоился. (Успокоившись, все единогласно заявили, что это было «самое лучшее “Покажи и расскажи”».) В любом случае нам довелось увидеть потрясающую иллюстрацию второго положения Дарвина: особей рождается больше, чем может выжить.

Третий отмеченный Дарвином ключевой признак эволюции жизни также очевиден: индивидуумы с полезными чертами, которые повышают шансы на выживание, скорее всего, передадут эти желательные черты следующему поколению. Если растение лучше других способно выдержать резкое похолодание или сквозняк, оно будет размножаться. Если животное обладает лучшей маскировкой или более развитым разумом, у него с большей вероятностью будут детеныши. Желательные черты в конечном счете побеждают.

Если три фундаментальных атрибута живого мира присутствуют, все, что вам нужно, — это много поколений (читай, много времени), чтобы жизнь эволюционировала до новых форм с улучшенными способностями к выживанию и воспроизводству. В этом суть эволюции посредством естественного отбора.

Как только первая клетка утвердилась и начала делиться, усложняющиеся петли обратной связи между клетками и их окружением привели к новым формам на суше, в море и в воздухе. Взаимодействие геологических условий и биологической новизны отразилось в шести отличающихся друг от друга вариациях эволюции жизни на Земле. Первые формы жизни — единичные клетки, настолько маленькие, что их можно увидеть только в самый мощный микроскоп, — были обязаны своим появлением почти исключительно химической энергии горных пород. Возможно, прошел миллиард лет, прежде чем появилась вторая вариация, когда более продвинутые клетки начали поглощать солнечный свет в качестве нового источника энергии. Третьей вариацией, появившейся примерно 575 млн лет назад, стала многоклеточная жизнь — новая стратегия выживания.

Вскоре после этого биологическая гонка вооружений представила следующую вариацию — четвертую, по мере того как камень зубов и когтей крошился в борьбе с броней раковин и костей. Пятая вариация появилась, когда растения и животные вышли на сушу, чтобы создать то, что — как сейчас считает большинство из нас — и есть характерный зеленый ландшафт Земли. И шестая вариация на тему эволюции, самая последняя, представляет людей, которые играют главную роль в меняющейся земной биосфере. Каждая вариация была переходом к новой стратегии использования питательных веществ и поддержания жизни. Каждая эволюционная вариация являлась, по сути, энергетическим опытом, и каждая меняла пути циркулирования углерода между резервуарами, расположенными вблизи непостоянной поверхности нашей планеты.

Вариация 1. Микробы едят минералы

В истории жизни углерод является центральным атомом — игроком драмы, но в действие ее приводит энергия. Мы уверены, что химия происхождения основана на углероде, потому что он входит в состав всех современных биомолекул, и полноценной альтернативы ему нет. Вопрос источника энергии для жизни гораздо туманнее, а ряд вероятных ответов более разнообразен. Бóльшая часть жизни на Земле сегодня в конечном счете получает энергию — либо напрямую, либо косвенно — от Солнца посредством фотосинтеза. Но сбор солнечного света и преобразование его в химические структуры — процесс замысловатый, соответственно, это более позднее достижение, требующее эволюции сложных уровней клеточных инноваций. Самые примитивные одноклеточные организмы на Земле сегодня используют гораздо более простое и, предположительно, более древнее энергетическое решение: они едят минералы.

Чтобы прийти к концепции минералов как пищи требуется довольно нетрадиционный взгляд на вещи, поэтому-то данная идея и приглянулась геобиологу Полу Фальковски. Дитя послевоенного демографического взрыва, выросший в Нью-Йорке, Фальковски вспоминает свое взросление «на окраине Гарлема» в 1950–60-х гг. Семья мальчика принадлежала к рабочему классу и жила небогато, пытаясь свести концы с концами. Родители Пола не особенно интересовались наукой, но они развили возникший у их сына интерес к миру природы, подарив ему микроскоп (дорогостоящий презент на день рождения, когда ему было девять) и регулярно водя его в прославленный Американский музей естественной истории (где столь многие из нас, ученых, впервые почувствовали тягу к науке). В результате общения с молодой четой биологов, выпускников Колумбийского университета, которые жили в том же доме, в Фальковски проснулась длящаяся всю его жизнь любовь к разведению и изучению тропических рыб и их сложных замкнутых экосистем. Даже сегодня офис Пола и его лаборатории в Ратгерском университете могут похвастаться эффектными аквариумами со всевозможными цветными рыбками и кораллами.

Фальковски учился неподалеку от дома — он ходил сначала в Бруклинскую техническую среднюю школу, а затем в Городской колледж Нью-Йорка. Ненадолго погрузившись в изучение философии и логики и блестяще овладев требуемыми физическими, математическими и химическими знаниями (их перечень очень длинен и зануден), он обнаружил свое истинное призвание — океанографию. Городской колледж запустил программу по забору образцов воды и микроорганизмов из реки Гудзон и гавани Нью-Йорка на 27-метровом катамаране Atlantic Twin, и Фальковски, в то время студент-старшекурсник, вызывался участвовать в этих акциях при любой возможности.

Формально Пол Фальковски — официальный член Общества океанографов со степенью PhD Университета Британской Колумбии, имеющий за плечами долгие месяцы морских путешествий, среди которых переходы в Западную Антарктиду и Саргассово море. В действительности же его профессиональный путь был очень своеобразным. Годами он совмещал работу в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде — знаменитом центре физических исследований — с постом профессора геологии Ратгерского университета в Нью-Джерси. Будучи ненасытным читателем, он видит те природные связи, которые другие упустили.

Одна из самых глубоких догадок Фальковски заключается в том, что Земля функционирует подобно огромной электрической цепи, а жизнь в ней играет такую же фундаментальную роль, как лампочка, которую вы (скорее всего) используете, чтобы читать эту книгу. Вот что он имеет в виду: каждая электрическая цепь имеет три основных компонента. Во-первых, должен быть надежный источник электронов, поскольку электричество — это не что иное, как поток электронов. Во-вторых, должен быть какой-то электрический проводник, по которому они проходят. И в-третьих, должно быть место для хранения всех этих электронов, когда они переместились. Обозревая планету в глобальном масштабе — океаны, атмосфера, горные породы и жизнь, — Фальковски понял, что там присутствуют все компоненты. Электроны выходят на поверхность Земли через вулканы — особенно те, что на океаническом дне, — которые выносят насыщенные ими атомы железа из глубоких недр. В этом смысле породы эквивалентны отрицательному полюсу батарейки.

Океаны в глобальной цепи Фальковски являются «проводами»: они отводят электроны от богатых ими пород. В конце пути эти электроны оказываются в насыщенной кислородом атмосфере, которая представляет собой аналог положительного полюса батарейки. Свежие, новые вулканические породы, которые изливаются на океаническом дне, «изображают» из себя источник электрической потенциальной энергии — энергии, которая только и ждет, чтобы ее использовали.

И тут на сцене появляются микробы, которые едят минералы. Точнее, эти микробы используют химический дисбаланс, который возникает, когда некоторые минералы имеют слишком много или слишком мало электронов по сравнению со своим окружением. Как и в батарейке, огромные количества электронов (например, от богатого железом оливина в породах, излившихся из недр Земли в поверхностную среду) готовы стать потоком. Микробы проникают внутрь пород, фактически подключаясь к этому потоку и вызывая вокруг себя «короткое замыкание». Для бактерий эта электрическая энергия вроде бесплатного ланча, в процессе которого постепенно потребляется оливин, а на его месте образуются новые минералы.

Самые первые живые организмы Земли существовали за счет минералов, которые находились в химическом дисбалансе со своими соседями. Микробы росли на минеральных поверхностях, действуя как катализаторы и ускоряя химические реакции, которые замещали старые минералы новыми видами — новыми минералами, которые, вероятно, сформировались бы в любом случае, но гораздо медленнее. На деле же все следы этих первых клеток исчезли из ископаемой летописи. Единственные зримые результаты древних микробных «банкетов» — это отдельные, как правило слоистые, залежи полезных ископаемых.

Секрет этих поддерживающих жизнь взаимодействий минералов и микробов кроется в способности многих элементов-металлов существовать в химических вариантах с разными количествами валентных электронов. Самым распространенным примером является железо. Большинство атомов этого металла, которые изливаются с вулканическими лавами, находятся в степени окисления +2, отдав два электрона окружающим атомам. Но при наличии кислорода или какого-то другого жаждущего электронов элемента железо +2 может отдать один электрон, выбросив немного энергии, и остаться вполне себе счастливым со степенью окисления +3.

Первобытные микробы, ищущие надежные источники энергии, научились катализировать переход железа от состояния +2 к +3 с отдачей электрона и по ходу дела осаждать слои рыжих оксидов железа на океаническое дно. И действительно, самые большие в мире месторождения руд железа, а также магния, урана и других ценных элементов формировались атом за атомом деятельностью бесчисленных потребляющих минералы микробов.

За последующие миллиарды лет жизнь расширила свой репертуар стратегий получения энергии, но этот — самый древний — процесс использования пород для получения энергии сохранился, став неотъемлемой частью глобальной электрической цепи, ускоряя и расширяя поток электронов планеты Земля.

О неожиданной распространенности глубинной подповерхностной жизни

Вот примечательный факт. Пробурите скважину на глубину чуть больше 1 км практически в любой точке Земли — в пустыне или лесу, на суше или в море, рядом с экватором или за Полярным кругом, — и почти со 100%-ной вероятностью вы найдете микробную жизнь. Там не будет крупных скоплений клеток, да и сами они не окажутся какими-то причудливыми — просто небольшие сферы или прутики, едва различимые в мощный микроскоп, — но вы найдете живые клетки. Эта скрытая биосфера, состоящая почти полностью из микробных потомков первых потребляющих минералы форм жизни, является убедительным доказательством самой древней стратегии потребления энергии Земли.

Ни в одной другой области коэволюция геосферы и биосферы не проявляется так очевидно, как в подповерхностной зоне, где единственные источники энергии и питательных веществ — это горные породы и глубоко циркулирующие воды. Исследование глубинной микробной биосферы окончательно оформилось за прошлое десятилетие в ходе «Переписи глубинной жизни» — центрального проекта Обсерватории глубинного углерода. Перепись документирует подповерхностные микробные сообщества по всему земному шару, главным образом в кернах скважин и глубоких шахтах.

Бурение в поисках микробов — нетипичный подход, но он стал страстью целой группы ученых по всему миру. Они отправляются в удаленные участки континентов — Оман, Центральный Китай, горы Скандинавии и пустыни Африки, чтобы изучать поднятые на поверхность километры цилиндриков породы. Ученые проникают в илистые отложения всех земных океанов, а также десятков озер — от экваториальных областей Африки и Южной Америки до Заполярья, чтобы извлечь и описать редкие популяции подземных клеток. Во избежание загрязнений поверхности следует быть очень осторожными, поскольку крошечная капля поверхностной воды может залить любой биологический сигнал из глубин.

Основная доля находок глубинных микробов приходится на океанографа Стивена Д’Ондта из Род-Айлендского университета. Своей копной непослушных волос и внезапной широкой улыбкой Д’Ондт производит впечатление человека, который занимается наукой с удовольствием. Как многие из нас, он заинтересовался ею рано. «Мой интерес к геологии и палеонтологии проснулся, когда родители подарили мне на седьмой день рождения минералогический набор компании Porter-Spear, — рассказывает Стивен. — В нем было руководство по горным породам и минералам, несколько диагностических инструментов — бисквит, увеличительное стекло, спиртовая горелка — и коллекция неизвестных минералов, которые нужно было определить». Спиртовая горелка, вероятно, не соответствовала бы правилам безопасности XXI столетия, смеется Стив: «Но мне удалось ничего не сжечь».

Однако интересы Д’Ондта в начальной школе поддерживались не всеми. «Следующие несколько лет мне пришлось украдкой таскать (а потом возвращать) учебники по геологии, биологии и астрономии из школьной библиотеки, поскольку библиотекарь считал, что они мне не по возрасту». Не испугавшись препятствий, он продолжал заниматься наукой со страстью, получив в итоге магистерскую степень в Стэнфорде и докторскую в Принстоне.

Профессиональные интересы Стива Д’Ондта были сосредоточены на сложном взаимодействии жизни и Земли на протяжении геологического времени. Изучая ископаемые и химические «летописи» прошедших 100 млн лет, он начал все сильнее осознавать, что океаны Земли постоянно изменяются за счет метаболической деятельности микробов, живущих в отложениях океанического дна. «Мне стало ясно, что исследование глубинной жизни представляет исключительную и при этом новую возможность понять границы жизни и влияние микробов на Землю», — вспоминает Стивен.

Предвосхитив DCO почти на десятилетие, Д’Ондт возглавил исследовательские работы на борту бурового судна JOIDES Resolution зимой 2002 г. Буровая экспедиция в восточную часть Тихого океана (первая, сфокусированная прежде всего на поиске подповерхностной жизни) убедительно доказала, что глубинная жизнь — разнообразный, распространенный и в целом недооцененный аспект биосферы Земли.

Последующие исследования — помимо поразительного осознания, что биосфера Земли распространяется глубоко под поверхность и на суше, и на море, — привели к важным открытиям. Сейчас мы понимаем, что подповерхностная жизнь играет ключевую роль в химической эволюции земной коры, участвуя в круговороте питательных веществ и разрушая горные породы по всей планете.

Глубинный микробный мир бросает вызов традиционным представлениям об экосистемах. Д’Ондт называет его глубинной зомби-сферой, потому что подповерхностные микробы почти ничего не делают, их и живыми-то трудно назвать — они редко двигаются, почти никогда не размножаются и существуют в невероятных пространственных и временны́х масштабах. Прежде всего, глубинная жизнь удивительно неторопливая. Клеточное размножение здесь происходит, возможно, раз в тысячу лет. Среднее микробное сообщество во многих подповерхностных экосистемах сохраняется миллионы лет, почти ничем не занимаясь и выживая на энергетических потоках, сила которых меньше, чем на поверхности. Плотность наиболее глубинной жизни (на глубине более 2 км) может составлять 1 микроб на 1 см3 (приблизительно соответствует кубику сахара). Если проводить аналогию с человеческим населением, то это как если бы отдельные люди жили на расстоянии примерно 640 км друг от друга.

Глубинную биосферу назвали новыми дарвиновскими Галапагосами, потому что глубоко изолированные микробные популяции подобно группе дарвиновых вьюрков на изолированных Галапагосских островах предоставляют нам природную лабораторию для изучения эволюции, многообразия и распределения микробов. Глубинная жизнь медленная и некомпактная, но общий объем подповерхностной биомассы, находящейся под всеми океанами и континентами Земли на глубине 1 км и глубже, ошеломляет.

Думая об этой скрытой, загадочной глубинной биосфере, вы можете задаться вопросом: сколько же жизни скрыто? Сколько углерода скопилось в подповерхностных клетках? И насколько глубоко простирается биосфера? «Перепись глубинной жизни» сейчас насчитывает более 1200 подповерхностных «локаций» — некоторые на глубине аж 3 км — с данными о разнообразии и образе жизни этих таинственных обитателей. В связи с этим наше понимание глубинной микробной биосферы расширилось и можно сделать несколько выводов. Прежде всего, глубинная биосфера необыкновенно обильна. Несколько лет назад, когда большинство подповерхностных образцов отбирались из богатых микробами океанических отложений у окраин континентов, казалось, что по своему объему подповерхностная биосфера может конкурировать с поверхностной жизнью — всеми деревьями, травой, муравьями и китами, вместе взятыми. Потому что даже на глубинах порядка 800 м и ниже прибрежные отложения содержат более 60 000 микробов на 1 см3. В пересчете на огромный объем всех прибрежных отложений Земли это очень много.

Проведенные недавно измерения в более удаленных местах — там, где океанические отложения находятся далеко от богатой питательными веществами береговой линии, — показывают, что в осадках глубоководной части океанов концентрация микробов намного ниже. Тем не менее даже пересмотренные оценки скрытой глубинной микробной популяции указывают на значение 6 × 1029 клеток, в которых содержится от 10 до 20% общей биомассы Земли, — небольшую, но бесконечно интересную часть углеродного цикла Земли.

Выживание жизни на такой глубине стоит перед по крайней мере тремя наводящими страх вызовами: давлением, температурой и энергией. Но оказывается, что давление не такое уж большое ограничивающее условие. Около 20 лет назад, просто чтобы увидеть, что произойдет, мы с коллегами сжали культуру всем известной кишечной палочки E. coli. Мы воспользовались той же ячейкой с алмазными наковальнями, которая используется в исследованиях минералогии глубинного углерода Земли, только заполнили ячейку водой, питательными веществами и живыми микробами. Мы собирались закрутить наш винт давления до 2000 атм, что приблизительно в два раза больше давления в самой глубокой океанической впадине. Но какой-то слишком «рьяный» поворот винта привел к тому, что давление подскочило выше 10 000 атм, эквивалентных сокрушительному давлению на глубине 50 км в земной коре (своего рода момент «упс!» в мире экспериментов высокого давления). Удивительно, но некоторые микробы выжили. Из этих и последующих (более контролируемых) экспериментов мы сделали вывод, что микробные экосистемы Земли давлением не ограничены.

Выживаемость при таких экстремальных давлениях вызывает вопросы. Как могут молекулы жизни с функциями, которые столь чувствительны к строгой молекулярной форме, его выдерживать? В некоторых случаях разгадка кроется в умной химии углерода. Клеточные мембраны при низком давлении образуются из массивов молекул с прямыми углеродными скелетами, которые легко выстраиваются бок о бок, подобно сухим спагетти в коробке. Они упаковываются эффективно, но с достаточно большими промежутками, чтобы основные пищевые молекулы могли проходить сквозь мембрану.

При экстремальном давлении такое взаиморасположение, должно быть, становится слишком плотным, и необходимые для жизни питательные вещества не могут проникать в клетку. Поэтому мембраны высокого давления «подстраиваются» под изогнувшиеся углеродные скелеты, в которых у каждой скрюченной молекулы несколько искривлений. Располагаясь рядышком, они адаптируются к высокому давлению, изгибаясь как пружинки и таким образом обеспечивая пути для питательных веществ, при этом не разрушаясь.

С температурой — другая история. Вы, возможно, думаете, что точка кипения воды (100 °C) — абсолютный предел для жизни. Но давление повышает стабильность воды в жидком состоянии; ее температура в глубочайших вулканических источниках на морском дне может превышать 288 °C. Более фундаментальный предел — когда разрушаются жизненно важные белки. Некоторые из них денатурируются при температуре около 127 °C. Это достаточно горячо, чтобы у вас остались волдыри от ожогов, но несколько выносливых микробных видов в состоянии выдерживать и подобную экстремальную жару. Сейчас 127 °C считается пределом той клеточной жизни, которую мы знаем.

Профили температуры и давления Земли связаны: чем глубже вы погружаетесь, тем горячее становится. В некоторые горячие точки вроде гидротермальных зон Йеллоустона или Исландии нужно опуститься всего на несколько метров, чтобы достичь температурного предела жизни. Но в более прохладных континентальных зонах, вдали от какой-либо вулканической активности, температура повышается менее чем на 7 °C с каждым километром земной коры. Следовательно, вполне можно допустить, что некоторые микробы живут более чем в 16 км под поверхностью, хотя отобрать каменный образец на такой глубине пока не позволяет ни одна из самых современных технологий бурения.

Третий стоящий перед глубинной микробной жизнью вызов заключается в том, чтобы найти надежный источник энергии. Многие глубинные микробы «приурочены» к мельчайшим карманам воды, порой изолированным в течение миллионов лет. Любая химическая энергия в минеральных зернах, выстилающих эти наполненные жидкостью полости, давно израсходовалась, но свежие исследования обнаружили другой, довольно неожиданный источник энергии — радиоактивность. В каждой горной породе есть следовые количества радиоактивного урана — возможно, один атом на миллион. Уран в природе распадается чрезвычайно медленно: его период полураспада (с испусканием разрушительных альфа-частиц) равен примерно 4,5 млрд лет. Но горные породы в целом содержат так много его атомов, что медленный и постоянный поток альфа-частиц буквально пропитывает подповерхностную область. Когда альфа-частица «плюхается» в воду, она может разделить H2O на водород и кислород — отличную еду для микробов. Это не очень солидный источник энергии, но, видимо, его достаточно, чтобы поддерживать некоторые крошечные микробные сообщества в течение целых геологических эонов.

Как минералога меня привлекает идея, что история жизни неизбежно связана с минеральным царством. Горные породы и минералы действительно могли служить энергетической отправной точкой для жизни, но есть еще один привлекательный — и даже более многообещающий и надежный — энергетический источник. Вот потому-то жизнь и научилась жить за счет света Солнца.

Вариация 2. Для получения энергии жизнь учится использовать солнечный свет

В течение как минимум миллиарда лет примитивная, связанная с водой микробная жизнь Земли — включая как те клетки, что живут на поверхности, так и те, что находятся глубже, — играла незначительную роль в циркулировании углерода. Общая биомасса Земли была скудна, она ограничивалась маленькими редкими микробными пленками, распространение которых обусловливалось в основном химической энергией свежих вулканических пород, контактирующих с водами океанов. Такое положение должно было измениться, когда жизнь поняла, как использовать гораздо более мощный источник энергии — свет Солнца.

Фотосинтез — потрясающая биологическая инновация. По своей сути фотосинтез, который мы знаем сегодня, с готовностью берет доступные составляющие — простые молекулы воды и углекислого газа плюс энергию солнечного света — и производит целый ряд молекулярных продуктов, необходимых для жизни (вместе с жизненно важным газом кислородом). Этот процесс представлял собой фундаментально новый и эффективный способ циркулирования углерода (сложные детали рассматривать не будем).

В основе фотосинтеза лежит фортуна: нам попросту повезло, что идущие от Солнца волны света, или фотоны, способны нести энергию. Чем короче длина волны, тем больше энергия. Мало того, эта энергия может быть передана атомам в процессе поглощения. Но, как и в истории Златовласки с тремя мисками каши, существует энергическая золотая середина, когда не слишком жарко и не слишком холодно. Для инициирования в биологии необходимой химической реакции нужно, чтобы поглотилось только требуемое для перемещения электронов между атомами количество энергии.

Атомы легко поглощают инфракрасные фотоны с длинами волн больше (и, таким образом, с меньшей энергией), чем у видимого света. Инфракрасные волны заставляют атомы колебаться немного быстрее — мы ощущаем это как тепловую энергию. Когда вы чувствуете тепло Солнца или пылающего костра, ваша кожа поглощает инфракрасное излучение, ее молекулы нагреваются. Воздействие усиливается, если объект черный, что вы, безусловно, испытывали на себе, гуляя босиком по битумному покрытию солнечным летним днем. Однако только самые энергичные из инфракрасных фотонов — с длиной волны, близкой к той, которую мы видим, как красный свет, — обладают достаточной энергией, чтобы перемещать электроны между атомами и таким образом запускать биологические реакции.

Ультрафиолетовое излучение — с другого конца светового спектра — имеет более короткие длины волн, а следовательно, обладает большей энергией, чем видимый свет. У этих потенциально опасных фотонов достаточно энергии, чтобы полностью выбивать некоторые электроны из атомов. Этот процесс, называемый ионизацией, может разрушать атомные связи и фрагментировать важные молекулы. Если вы когда-нибудь обгорали на солнце — в данном случае из-за разрушения молекул погибают клетки кожи, — вы испытывали на себе ионизирующее ультрафиолетовое излучение. Вредные ультрафиолетовые фотоны обладают слишком большой энергией для большинства биологических потребностей.

Золотой серединой оказываются фотоны видимого света, особенно той его части, которая расположена ближе к менее «энергичному» красному концу спектра. Когда кластеры атомов хлорофилла — пигмента зеленых растений — поглощают фотоны красного света, их электроны переходят в возбужденное состояние. Эти электроны могут перескакивать с одного атома на другой, образуя новые химические связи. Фотосинтезирующие микробы пользуются этим удачным свойством фотонов световой и близкой к инфракрасной частей спектра, чтобы поддерживать биологию.

Зловонная жизнь

Самые древние версии фотосинтеза, появившиеся более 3 млрд лет назад, возможно, отличались от процесса, описанного в учебниках, — того, который создает насыщенную кислородом атмосферу Земли. Первые потреблявшие солнечную энергию клетки использовали для поддержания биологических процессов другие химические вещества, к примеру зловонный токсичный газ сероводород H2S — распространенный продукт вулканов. Для поглощения красных длин волн Солнца и перемещения электронов эти зеленые серобактерии осуществляли светопоглощающий процесс, названный «фотосистема I».

На первом его этапе зеленый пигмент освобождает электрон, который затем движется к другим атомам. Пол Фальковски использует удачную метафору в своей увлекательной книге о микробной эволюции «Двигатели жизни». Перемещение электронов между атомами, замечает он, похоже на переезд пассажиров метро от станции к станции в час пик. Представьте себе, что вы отрицательно заряженная частица (электрон), ожидающая поезд на зеленом пигменте. Отрицательные электрические заряды отталкивают друг друга, поэтому вам не так-то легко будет перепрыгнуть с вашей уютной молекулярной платформы в вагон метро, полный других отрицательных частиц. Но если одетый в форму работник платформы подпихивает вас (как это бывает в некоторых странах!), то вы рискуете оказаться втиснутым в вагон по крайней мере на перегон или два, прежде чем сможете выйти на менее заполненную молекулярную платформу.

Подобным же образом и фотон красного света может обеспечить энергетический пинок, временно перемещающий электрон с пигмента на другие атомы. Когда электрон удаляется, пигмент оказывается положительно заряженным и ему нужен другой электрон. При фотосинтезе эта отрицательная частица может быть взята у атома металла, который, в свою очередь, способен украсть еще один электрон у сероводорода в каскаде химических реакций, расщепляющих сероводород на водород и серу. В итоге же эти продукты химических реакций обеспечивают потрясающее топливо для жизни.

Чтобы не остаться за бортом, другие микробы для извлечения выгоды из бесплатного солнечного ланча развили совершенно иной биохимический путь — фотосистему II. Эти другие микробы, в том числе так называемые пурпурные бактерии, поглощают немного больше энергетических фотонов, чтобы сдвигать и перемещать электроны, но окончательный результат примерно тот же. Электроны перемещаются в цепочке реакций, которые в конечном итоге расщепляют сероводород и вырабатывают топливо для жизни.

Появившись более 3 млрд лет назад, зеленые серные и пурпурные бактерии до сих пор живут в изолированных подводных сообществах. Ищите их в глубоких стоячих водах, в которых солнечный свет проникает в те зоны, где абсолютно нет кислорода — смертельного яда для этих первобытных микробов. Но самый значительный вклад упомянутых двух типов примитивных клеток заключается не в том, что они рассеянно распространены на Земле и сегодня, а в кардинальной эволюционной инновации, которая связала их две отдельные светопоглощающие стратегии в современную двухэтапную версию фотосинтеза.

Мощь воды

Адекватным химическим топливом для зеленых и пурпурных бактерий служат сульфиды. Появившись по крайней мере 3,5 млрд лет назад, эти настойчивые кланы микробов использовали сульфиды плюс одиночные фотоны красного света, чтобы поглощать энергию Солнца. Но сульфиды не особенно-то распространены на поверхности Земли, да и энергия серы и водорода не лучшее из того, что может предложить наша планета.

Вода намного лучший вариант. Этот оксид водорода не только гораздо более распространенное вещество, нежели сероводород, — вода также может обеспечить биологическое топливо в форме кислорода и водорода, которое дает куда больше энергии. H2O представляет собой основное топливо для жизни на Земле, но есть проблема: чтобы расщепить воду, необходимо намного больше энергии, чем для расщепления сероводорода. Одиночным фотонам это не под силу. Потребовался миллиард лет проб и ошибок, но в конечном счете какой-то везучий микроб обнаружил двухэтапный процесс кислородного фотосинтеза — координированного сочетания фотосистем I и II. Такая последовательность поглощений фотонов и обеспечивает ту дополнительную энергию, которая необходима для расщепления воды на водород и кислород.

В ходе цепочки химических реакций, следующих за расщеплением воды, живые клетки бурно разрастаются. Вот что здесь самое важное: молекулы водорода и углекислый газ вместе образуют один из видов сахара — глюкозу, а кислород остается в виде отходов. Молекулы глюкозы соединяются в прочные цепи целлюлозы — главной составляющей зеленой биомассы и, следовательно, самой распространенной биомолекулы на Земле. Стебли и листья, корни и ветви, трава и стволы деревьев — половина современной биомассы Земли — это целлюлоза. Неистовое образование этого вещества повлекло за собой серьезные последствия. Миллиарды лет назад, по мере того как фотосинтезирующие клетки впитывали солнечный свет, углекислый газ в атмосфере становился сырьем для живых клеток. Воздух и вода постепенно превратились в массы зеленых водорослей, которые заполонили мелкие прибрежные зоны. Богатая углеродом биомасса канула на дно, где продолжала накапливаться, при этом содержание кислорода в атмосфере и океанах постепенно росло.

Земля подошла к переломному рубежу чуть более 2 млрд лет назад — тогда произошло Великое кислородное событие, после которого ускоряющиеся, связанные между собой циклы углерода и кислорода наставили Землю на путь к современному миру. Находясь в зависимости от кислородной атмосферы, мы часто забываем, что образовавшийся в современной двухэтапной версии фотосинтеза кислород был просто побочным продуктом — формой химических отходов, которые очень долгое время не играли существенной роли в развивающейся истории жизни.

Великое кислородное событие, напротив, сыграло выдающуюся роль в эволюции геосферы. К тому моменту атмосфера стала побогаче кислородом — его уровень достиг 1 или 2% от современного. Многие горные породы начали вступать в химические реакции с агрессивным газом, результатом которых стал целый поток новых минеральных видов, ранее не встречавшихся на Земле (или вообще где-либо в нашей Солнечной системе, коли на то пошло).

До Великого кислородного события атомы металлов в большинстве минералов находились в их наиболее восстановленном, богатом электронами состоянии. Относительно распространенные элементы, к примеру железо и марганец, вместе со множеством более редких металлов, таких как медь, никель, молибден и уран, были сконцентрированы не более чем в нескольких сотнях минеральных видов. Льющийся в атмосферу поток кислорода изменил этот сценарий: по мере того как газ захватывал любой свободный электрон, который только мог найти, появлялись тысячи новых минералов.

Мы с коллегами пришли к выводу, что два из каждых трех минеральных видов на Земле, включая многие самые ненаглядные цветные кристаллы, выставленные в музеях естественной истории по всему миру, являются прямыми следствиями кислородного фотосинтеза. Большинство минералов меди, в частности темно-зеленый малахит, ярко-синий азурит и полудрагоценная бирюза, появились уже после Великого кислородного события. Более 90% из почти 300 разных видов урановых минералов, многие из которых представлены ярко-желтыми и оранжевыми кристаллами, также являются косвенными последствиями фотосинтеза. Углеродсодержащие минералы тоже стали разнообразнее после этого эволюционного изменения близповерхностной химической среды Земли.

Осознание того, что эволюция земных минералов зависит напрямую от биологической эволюции, слегка шокирует. Это фундаментальное изменение точки зрения, которая существовала несколько десятилетий тому назад, когда научный руководитель моей диссертации по минералогии сказал мне: «Не трать время на биологию. Она тебе никогда не пригодится!»

Вариация 3. Появляется большая жизнь

Закройте глаза и представьте себе «жизнь».

Готов поспорить, что вы подумали о чем-то большом — быть может, о вашем коте, или цветке, или воробье у кормушки. Могла прийти на ум даже еще более крупная форма жизни — любимое дерево, панда или, возможно, слон. Начиная со зверинца Ноева ковчега и до современных городских зоопарков, наибольшим вниманием пользуется харизматичная мегафауна. В контексте же истории Земли это сильно искаженный взгляд на жизнь.

По крайней мере три четверти истории Земли «жизнь» состояла исключительно из микроскопических клеток, в большинстве своем скрытых глубоко под землей и только время от времени показывающихся на поверхности в виде каменных строматолитовых построек или зловонных масс нитей зеленых водорослей. Вам бы потребовался мощный микроскоп, чтобы получить хоть какое-то представление о том древнем живом мире. Сегодняшняя биосфера, наполненная плавающими, ползающими и летающими существами, — относительно недавняя инновация, представляющая лишь последние 10% времени богатой событиями эволюционной истории Земли. И в связи с этим возникает вопрос: зачем после 3 млрд лет успешной жизни в одноклеточном виде клеткам нужно было начинать сотрудничать таким образом, чтобы стало возможным появление этих больших организмов?

Самый простой ответ заключается в том, что единичной клетке сложно делать все это: создавать основные молекулы жизни или питаться ими, защищаться от других голодных клеток и делать точные копии себя поколение за поколением. Вот почему самые простые одноклеточные организмы природы зачастую живут в сложных сообществах, называемых консорциумами, в которых разные виды клеток играют специализированные химические роли. Микробные консорциумы исполняют изящный электронный танец, постоянно передавая электроны от доноров к акцепторам. Некоторые микробы получают энергию от Солнца, другие — от химических веществ, вырабатываемых их фотосинтезирующими соседями. Многие члены консорциума развивают особые химические навыки, производя только часть основных биомолекул для других членов клуба. Следовательно, выживание клеток в консорциумах полностью зависит от их соседей.

Эти умные кластеры клеток похожи на нашу обусловленную энергией экономику. Некоторые бодрые, энергичные люди производят энергию, добывая уголь, выращивая продукты питания, собирая солнечный свет или обуздывая ветер. Другие специализируются на производстве полезных товаров — машин, одежды, домов, музыки — и обменивают эти продукты на энергию. Так же и клеточные консорциумы состоят из множества клеток, каждая из которых является независимым подрядчиком, играющим свою роль, что основана на ее отличной от других генетической идентичности и внутренней химии.

Преимущества совместной игры

Как минимум 1,5 млрд лет назад появился абсолютно новый и чрезвычайно важный вариант клеточного сотрудничества — когда у группы относительно крупных одноклеточных организмов, называемых эукариотами («полноядерными» в переводе с греческого), образовались внутренние структуры, окруженные собственными мембранами. Эти органеллы (что-то вроде жизненно важных органов людей) включают в себя ядро, содержащее ДНК клетки, митохондрии, которые действуют как клеточные энергетические станции, и хлоропласты, которые накапливают свет и преобразуют его в богатый энергией сахар. Некоторые биологи считают появление эукариотов самой важной инновацией в истории жизни, поскольку в результате этого события клетки получили источник внутренней энергии, позволивший им развиваться и кооперироваться как никогда раньше.

Как же возникла эта новая сложная клеточная архитектура эукариот? Основные подсказки нам дают митохондрии и хлоропласты. У них есть собственные мембраны и собственная ДНК, и они сами воспроизводятся, как если бы были независимыми клетками, живущими внутри более крупного эукариота. Сегодня общепризнано, что эукариотические клетки появились, когда бóльшая клетка проглотила одну или несколько меньших. Гости не были переварены более крупным организмом, вместо этого сложился новый вариант сотрудничества.

Этот концептуальный прорыв, который заметнее всех поддерживала блестящая и противоречивая исследовательница Линн Маргулис, стал теперь прописной истиной, пересказываемой с прекрасными иллюстрациями в каждом учебнике по введению в биологию. Но так было не всегда. В течение двух десятилетий биологическое сообщество резко критиковало гипотезу симбиогенеза. Статья Маргулис 1967 г., отстаивающая эту концепцию, отвергалась более десятка раз; заявки на грант также были отвергнуты, да еще и с едкими замечаниями.

Горячность критики отчасти была вызвана тем, что новая гипотеза воспринималась как угроза устоявшейся эволюционной теории. Дарвиновская парадигма эволюции посредством естественного отбора требовала изменений постепенных, происходящих благодаря бесчисленным, обычно небольшим мутациям, за которыми следовало выборочное отсеивание среди разных популяций более или менее подходящих индивидуумов. В версии дарвинизма XX столетия эти мутации возникали исключительно из-за генетических вариаций ДНК. Гипотеза же симбиогенеза утверждала, что новые формы жизни иногда появляются при взаимном слиянии двух совершенно разных видов. Какое-то время наука находилась в досадном тупике, пока не произошло открытие ДНК в митохондриях и хлоропластах и не стало ясно, что эти органеллы некогда были независимыми клетками.

И хотя бионаучное сообщество приняло симбиотическое происхождение эукариот, наградив Маргулис десятками призов, медалей и почетных степеней, все же оказалось, что исследовательница раздвинула границы дозволенного. Симбиоз, утверждала она, является главной движущей силой эволюции жизни. Генетические вариации происходят в первую очередь из-за перемещения ДНК между клетками, а не вследствие мутаций. Продвигая свои взгляды, она критиковала неодарвинистов, которые, по ее словам, «погрязли в своей зоологической, капиталистической интерпретации Дарвина, основанной на понятиях конкуренции и экономической выгоды».

Маргулис видела симбиотические эволюционные пути везде — в термитах, коровах, деревьях и людях. Подкрепляя свои страстные выступления массой анатомических и молекулярных данных, она утверждала, что буквально каждая клетка на Земле критическим образом зависит от какой-то другой группы сотрудничающих, а не конкурирующих клеток. Без специализированных органов, наполненных питающимися целлюлозой микробами, термиты и коровы умерли бы. Без обширных симбиотических сетей корневых грибов, не говоря уже о разнообразном зверинце микробов в почве, погибли бы деревья. На самом деле Маргулис представила в этом новом симбиотическом контексте всю природу — в виде так называемой гипотезы Геи, согласно которой Земля сама функционирует как единая саморегулирующаяся система.

В 2011 г., всего за несколько недель до ее преждевременной смерти от сердечного приступа, я встречался с Линн Маргулис у нее дома в Амхерсте — она преподавала науки о Земле в местном кампусе Массачусетского университета. Маргулис сама была силой природы — агрессивно-любознательной, всегда подвергавшей сомнению условности и творчески переосмысливавшей природу. Она получала искреннее удовольствие от своих исследований, и мне было ясно, что Линн просто хотела знать, как функционирует природа, и отказывалась принимать традиционные объяснения сложных проблем.

Дом Маргулис стоял по соседству с домом-музеем Эмили Дикинсон, и, пока мы гуляли и разговаривали, она иногда прерывалась и читала какие-нибудь «припасенные» стихи Дикинсон, указывая именно на ту узкую тропинку или тот ряд кустов, которые были упомянуты в строках. Маргулис пригласила меня в Амхерст, чтобы обсудить ее крепнущее убеждение, что эволюцию посредством симбиоза можно расширить до не рассматриваемых ранее аспектов геосферы Земли. Тот разговор в некотором смысле предвосхищал основные идеи минеральной эволюции, хотя я не осознавал этого в то время. Если бы я только мог поделиться с ней теми идеями…

Загадочные вариации

Без малого миллиард лет — бóльшую часть протерозойского эона Земли, который охватывал огромный интервал времени с 2,5 до немногим более 0,5 млрд лет назад, — эукариотические клетки вели уединенную жизнь. Между современной, полной сил биосферой и тем могучим миллиардолетним микробным царством имел место короткий загадочный этап «выпуска новинок» — эдиакарский период, когда появились первые сложные многоклеточные организмы. У мягкотелых животных гораздо меньше шансов сохраниться в виде фоссилий в каменной летописи Земли, нежели у их собратьев, обладавших твердыми раковинами. Тем не менее ископаемые остатки червей и медуз находят по всему миру в мелкозернистых горных породах с пониженным содержанием кислорода, где мертвые организмы, скорее всего, «мумифицировались».

Самые первые необычные отпечатки больших мягкотелых ископаемых, которые вы можете подержать в руках, появляются в породах, образовавшихся, согласно оценкам, примерно 575 млн лет назад — почти за 35 млн лет до широкого распространения животных с минерализованными раковинами. В диапазоне размеров от маленьких монеток до обеденных тарелок эти странные, округлые и напоминающие очертаниями листья пальмы существа, очевидно, жили в своего рода подводных садах на древнем океаническом дне. Споров относительно их биологической принадлежности много. Большинство исследователей считают, что они были животными, возможно типа губок или медуз, хотя столь же вероятно, что у них нет близких ныне существующих родственников, с которыми можно было бы установить их родство. Другие утверждают, что они представляли собой первые фотосинтезирующие растения или даже примитивные формы лишайников. Продолжающиеся дебаты добавляют очарования эдиакарской загадке.

Хорошо сохранившихся образцов эдиакарских ископаемых мало, и находят их на большом расстоянии друг от друга, часто в отдаленных и недоступных местах, таких как обожженные солнцем скалы Долины Смерти в Калифорнии, медвежьи углы в горах Маккензи на северо-западе Канады, далекие утесы арктической Норвегии и неспокойные с политической точки зрения местности в Иране и Сибири. Это не легкодоступные и распространенные раковины более поздних организмов или притягательные кости динозавров; чтобы свести воедино разрозненные ископаемые находки эдиакарского периода, нужен палеонтолог особого склада.

За эту работу взялся Майкл Мейер — в недавнем прошлом мой коллега по Институту Карнеги, а ныне сотрудник Гаррисбергского университета в Пенсильвании. На первый взгляд и не скажешь, что Мейер — отважный путешественник по миру. Он щеголяет в ярких гавайских рубашках, украшает свой кабинет постерами из «Звездных войн» и использует забавные фото своей маленькой дочки Сэм в качестве заставки на экране компьютера. Вас бы поняли, если бы вы приняли Мейера за обычного сотрудника, просиживающего штаны в будни с девяти до пяти. Но затем выясняется, что он работает в своем кабинете допоздна, монитор его компьютера заполнен таблицами и графиками, вокруг стоят коробки с образцами, помеченные надписями «Южная Африка» или «Хуанлин, Китай». Исследователь небрежно замечает, что у него было «запредельно много опасных для жизни столкновений с животными… ламантинами, аллигаторами, акулами, львами».

После защиты диссертации в Южно-Флоридском университете и полевых исследований в Южном Китае, Аргентине и на горном хребте Флиндерс в Австралии Мейер пришел в мою безопасную (в плане отсутствия хищников) лабораторию, чтобы изучать древнюю жизнь. Мы честолюбиво намеревались создать новые базы данных окаменелостей и расширить уже существующие. Палеонтологи были на шаг впереди в этой игре, потратив десятилетия на создание «Палеобиологической базы данных» — хранилища сотен тысяч записей по ископаемым остаткам со всего мира. Тем не менее база данных не была полной, особенно по образцам, относящимся ко времени до «кембрийского взрыва» — геологического события, которое имело место примерно 540 млн лет назад, когда начали повсеместно распространяться организмы с раковинами. Тесно работая со своими коллегами Дрю Масенте и Энди Кноллом из Гарвардского университета, Мейер взялся раздвинуть «Палеобиологическую базу данных», включив в нее всех эдиакарских ископаемых.

Через год их работы — штудирования публикаций и общения со специалистами по всему миру — на свет появился каталог 95 типов ископаемых организмов из почти 100 местонахождений по всему миру. Во всеоружии этой всеобъемлющей таблицы Мейер и Масенте смогли увидеть скрытые ранее закономерности. Эксперты выделяют в эдиакарском периоде три стадии. Самая ранняя — авалонская — началась около 575 млн лет назад, вскоре после оледенения Гаскье, когда, как предполагают некоторые специалисты, бóльшая часть поверхности Земли от полюсов до экватора была покрыта слоем льда и снега. В течение 15 млн лет после глобального ледникового периода на планете произошел значительный подъем температур и появились первые похожие на пальмовые листья существа в отложениях, которые, судя по всему, формировались в относительно глубокой океанической среде.

Животные следующей, беломорской стадии — промежутка времени в 10 млн лет, продолжавшегося с 560 до 550 млн лет назад, — отличались от авалонских. Их окаменелости характеризуются резким увеличением разнообразия, наличием десятков видов соревнующихся форм, напоминающих листья папоротника и ветвящиеся структуры, которые сосуществовали с разнообразными плоскими животными, ископаемые остатки которых выглядят как плиссированные блинчики или миниатюрные надувные матрасы.

Заметно, что в течение третьего и последнего эдиакарского отрезка времени — намского, продолжавшегося с 550 до 541 млн лет назад, — произошло смещение к прибрежным отложениям и появился целый ряд новых существ, включая более десятка животных, похожих на трубочки, а также напоминающих доисторический тако своей странно согнутой формой.

Вооружившись новыми результатами, Мейер и Масенте оказались готовы сделать поразительное открытие. Разместив все данные в виде сетевой структуры наподобие паутины, где точками были обозначены биологические виды, а те из них, которые существовали вместе, соединялись линиями, ученые изобразили всю эдиакарскую фауну в виде одной открытой «сетевой диаграммы». Получившаяся картинка представляла две отдельные группы организмов — все авалонские существа собрались в одном углу сети, а смесь беломорской и намской фаун — в более крупном центральном кластере. Только три вида эдиакарских ископаемых организмов присутствовали в обоих кластерах.

То, что увидели Мейер и Масенте, стало прямым свидетельством массовой смены фауны 560 млн лет назад, когда большинство авалонских животных исчезли, а их место заняли новые организмы. Специалисты до сих пор не определили, насколько сильным и внезапным могло быть это изменение. С одной стороны, породы, несущие в себе окаменелости авалонского возраста, характеризуют удаленную от берега обстановку континентального шельфа — в отличие от более мелководных, «потрепанных» волнами осадков, содержащих окаменелости беломорской и намской стадий. Так что изменение фауны можно просто объяснить незначительной переменой места жительства организмов, переехавших из глубоких вод в более мелкие. С другой стороны, не исключено, что резкий контраст между более древней авалонской фауной и более молодой беломорской указывает на драматичный эпизод массового вымирания — и это можно считать самой древней глобальной гибелью организмов, «записанной» в ископаемых находках. (Даже Мейер и Масенте не могут прийти к согласию по этому вопросу.) Эта эдиакарская история выявляет, безусловно, лишь одно — нам еще многое предстоит узнать об эволюции жизни за 4 млрд лет.

Самые древние эукариоты демонстрировали выдающееся усложнение клеточной жизни — они были более крупными, более разнообразными и владели бóльшим химическим репертуаром, чем любая предыдущая форма жизни, но все еще оставались одноклеточными. В многоклеточных же червях, или медузах, или похожих на папоротник существах должны сотрудничать и специализироваться на чем-то конкретном уже разные виды клеток. Некоторые из них находятся с внутренней стороны организма, другие — снаружи. Некоторые формируют верхнюю часть «пальмовых листьев», а другие прикрепляются к океаническому дну. Присмотритесь внимательнее, и вы обнаружите, что клетки играют также и разные химические роли — собирают пищу, переваривают питательные вещества, распределяют основные биомолекулы и удаляют отходы.

Фундаментальное правило жизненной игры заключается в том, что инновации должны быть выгодными. Так почему же после 2,5 млрд лет вроде бы стабильной одноклеточной жизни клетки начали склеиваться в консорциумы и играть специализированные роли? Такие формы жизни сталкиваются по крайней мере с тремя вызовами, которые не стоят перед одноклеточными. Во-первых, их клетки должны приклеиваться друг к другу упорядоченным, структурированным образом; большинству многоклеточных организмов нужны голова и хвост — или верх и низ. Во-вторых, эти клетки должны сотрудничать при использовании атомов и энергии. Специализированные клетки, которые собирают пищу, обязаны делиться своим богатством с остальными. И в-третьих, подобно всем формам жизни, клетки этого сообщества должны найти способ делать точные копии себя. Это значительные трудности — вызовы, которые не появились бы, если бы их преодоление не вело к каким-то преимуществам.

Еще одна проблема многоклеточности — энергия. Концентрированная масса клеток, особенно такая, где клетки выполняют специализированные функции, требует относительно концентрированной формы энергии. Каждая клетка — это крошечная электрическая цепь, которой нужен поток электрических зарядов. Поэтому почти все многоклеточные формы жизни на Земле зависят от концентрированной химической энергии кислорода. Для сравнения: водород или сера не могут обеспечить многоклеточную жизнь достаточной энергией. Каждая клетка животного требует стабильной поставки кислорода, так что клетки, находящиеся внутри, могли бы оказаться в проигрыше. Для решения этой проблемы появились по крайней мере две стратегии. У некоторых примитивных организмов клетки образуют сложенные в складки слои с промежутками между ними, которые позволяют кислороду из окружающей среды достигать каждой клетки. Тогда получается, что все клетки находятся как бы снаружи. Более совершенные организмы вроде нашего имеют сложную кровеносную систему, в которой кровь является тем самым высокоспециализированным агентом доставки кислорода.

Несмотря на все эти препятствия, многоклеточные организмы эволюционировали и распространялись с необыкновенной скоростью. Появились новые стратегии выживания, стимулируемые повышающейся конкуренцией за ресурсы — еду, территорию и защиту; животные научились есть растения и других животных. И при этом живые клетки играли еще более активные роли в динамичном углеродном цикле Земли.

Вариация 4. Жизнь учится создавать минералы

Жизнь всегда была историей выживания: найти пищу, произвести потомство, не дать себя съесть. За последние полмиллиарда лет биосфера переживала эскалацию этой конкурентной эволюционной саги, буквально гонку вооружений — разящего оружия и защитной брони. Все это началось, когда клетки научились создавать минералы.

Никто не знает, когда или где точно появилась первая раковина. Прародители ее — в глубокой древности. Более 3,5 млрд лет назад одноклеточные колонии, как говорилось выше, построили строматолиты — странные куполообразные холмики карбонатных минералов. Уже первые признаки многоклеточной жизни, появившиеся примерно 600 млн лет назад, сопровождались образованиями, подобными аляповатым минерализованным пластинкам и «бронированным» то там, то сям следам ползания. Но настоящий взрыв разнообразия организмов с изящно вылепленными твердыми частями — спиральными раковинами, ветвящимися кораллами, пиловидными зубами и сложного рисунка костями — произошел в «узком окне» начала кембрийского периода, примерно 540 млн лет назад. Первыми появились карбонатные минералы, хотя подробности этого поразительного минералогического трюка остаются загадкой. Сначала клетки должны были создать локальную химическую среду, в которой ионы кальция и углерода в растворе соединились бы, сформировав твердые кристаллы оболочки. Затем минеральные компоненты должны были выстроиться таким образом, чтобы создать функциональный защищающий животное дом. Как это случилось?

Изучение данной биохимической инновации является делом всей жизни Патриции Дав, заслуженного профессора факультета наук о Земле в Политехническом университете Вирджинии в Блэксбурге, штат Вирджиния. Дав получает удовольствие от занятий наукой. Чтобы продемонстрировать повседневные шедевры биоминерализации, она протянет вам разделенную на камеры и покрытую тонким орнаментом раковину наутилуса или вытащит из кармана яйцо. Исследовательница никогда не теряла ощущения чуда, испытываемого ею с детства, с тех пор как она росла на семейной ферме в Бедфорде, штат Вирджиния, в часе езды на машине к востоку от Блэксбурга. Это типичная история многих успешных ученых: родители и учителя, которые поддерживали увлечение наукой, любовь к природе и коллекционированию, призы, получаемые на научных олимпиадах, и стипендия в колледже — в случае Дав это был Политехнический университет Вирджинии. За получением степени PhD в Принстонском университете последовало недолгое пребывание в Стэнфорде и Политехническом университете Джорджии, а затем она снова вернулась в свою любимую Вирджинию.

Во всех своих исследованиях Патриция Дав подчеркивает, что раковины, зубы и кости — это гораздо больше, чем просто кристаллы минералов. Они всегда содержат в себе слои и волокна белков и других биомолекул, которые добавляют им прочности и гибкости — свойств, вдохновивших на разработку легкого стекловолокна и композиционных материалов из углеродных волокон. В некоторых раковинах материал, получающийся в результате соединения минералов и белков, оказывается в тысячу раз прочнее чистого минерала. Дав также напоминает вам, что биоминералы играют много ролей вне раковин, костей и зубов: они могут служить организмам в качестве линз, фильтров, сенсоров и даже крошечных внутренних компасов.

Энергичная исследовательская группа Дав много сил посвящает изучению механизмов образования карбонатов на атомном уровне — молекулярному танцу, основанному на тесном взаимодействии органической и неорганической углеродной химии. Эта команда исследователей обнаружила, что формирование биоминералов происходит, когда клетки создают специализированные отсеки с местными средами, где минералообразующие ингредиенты концентрируются и образуют зародыши, на которых вырастают идеально правильные кристаллы. В этих отсеках одни биомолекулы стимулируют образование кристаллов, а другие — тормозят рост.

Одно из самых удивительных открытий исследовательской группы Дав заключается в том, что многие организмы начинают биоминерализацию с той формы карбоната кальция, которая вовсе не кристаллическая. Они образуют и накапливают гелеобразное вещество — аморфный карбонат кальция (исследователи называют его АКК), который хранится про запас до нужного момента. В отличие от традиционного пути образования кристаллов, кристаллический рост в этом необыкновенном процессе запускается молекулярным спусковым крючком, триггером. Некоторые линяющие животные могут, видимо, хранить АКК неделями или месяцами, запуская быстрый рост раковины на критически уязвимой стадии, когда старый покров сбрасывается и вкусная мягкая ткань обнажается.

Возможно, сразу после появления первых животных с защитной оболочкой хищники переключились на более легкую, незащищенную добычу. Зачем прикладывать дополнительные усилия, чтобы разломать твердую раковину, когда прямо под рукой — сочные черви? Но, по мере того как все больше обитателей морского дна надевали броню, быстро возникали и контрстратегии: более крепкие челюсти, более острые зубы и более устрашающие клыки. Все это появилось именно тогда, когда жизнь научилась создавать защитные раковины. Этот затянувшийся «кембрийский взрыв» не был таким уж взрывным — он продолжался десятки миллионов лет, но зато бесповоротно направил биосферу Земли по новому курсу.

Появление прочных минеральных раковин добавило также новые нюансы в цикл углерода. С возникновением карбонатных кораллов, мшанок, брахиопод, моллюсков и другой фауны известняковые рифы достигли эпических размеров, распространились на сотни километров вдоль побережий и кое-где постепенно достигли высоты в несколько сотен метров. Ранее никогда не оказывалось возможным такое массовое накопление карбонатных биоминералов, которые заполнили прибрежное мелководье и внутренние моря небывалыми отложениями. Когда литосферные плиты в процессе своего перемещения неумолимо закрыли эти неглубокие бассейны и сжали их отложения, образовались увенчанные карбонатами зубчатые горные хребты, изменившие ландшафт Земли. Канадские Скалистые горы, североитальянские Доломитовые Альпы и даже высочайшие гималайские вершины, среди которых сам Эверест, сложены прочными карбонатами — живыми рифами, некогда украшавшими дно прибрежной зоны океанов.

Последние полмиллиарда лет карбонатная биоминерализация происходила практически исключительно в прибрежной зоне — в области коралловых рифов. Кораллы, улитки, двустворчатые моллюски и десятки других форм жизни пользовались преимуществами мелких, залитых солнцем и богатых питательными веществами вод вдоль берегов континентов.

Двести миллионов лет назад жизнь провернула еще один минералогический трюк. Микроскопические одноклеточные морские водоросли, называемые кокколитофоридами, которые и сегодня процветают в Мировом океане, зачастую вдали от какой бы то ни было земли, научились создавать крошечные прозрачные дискообразные защитные пластинки из карбоната кальция, называемые кокколитами. Кокколит напоминает микроскопическое ажурное колесико диаметром 20–30 мкм. Каждая клетка водоросли покрыта внахлест дюжиной таких пластинок, причем не совсем понятно для чего. Некоторые биологи полагают, что минеральные диски служат защитой, другие — что карбонат кальция является природным «кремом от загара», который оберегает плавающие клетки от вредного ультрафиолетового излучения. Согласно еще одной гипотезе, минеральные пластинки обеспечивают клеткам нейтральную плавучесть, позволяя микроорганизмам погружаться или всплывать, перемещаясь в более богатые питательными веществами слои океана.

Какова бы ни была функция кокколитов, они образуются в огромных количествах. Когда кокколитофориды погибают, их крошечные пластинки накапливаются на дне, образуя мощные залежи мела. Вооруженный микроскопом взгляд на знаменитые Белые скалы Дувра — сотни метров отложений мела, накопленные за миллионы лет, — осведомляет нас, что они сложены прекрасными резными кокколитами, присутствующими здесь в астрономических количествах. В отличие от первых геологических эонов, почти треть сегодняшнего океанического дна покрыта известковым илом, имеющим нередко мощность более 1 км и богатым на эти микроскопические диски.

Все вышеописанное имело серьезные последствия для углеродного цикла Земли. На протяжении большей части геологической истории глубинные отложения океанов практически не содержали карбонатных минералов. Субдукция перерабатывала океаническую кору, в которой преобладал базальт. Сегодня же главный компонент морского дна — углеродсодержащие минералы. Когда океаническое дно затягивается в зонах субдукции, некоторое количество этого новообразованного карбонатного ила уносится вниз, погружаясь глубоко в мантию Земли. Остается нерешенной загадка, фундаментально ли в наши дни меняется углеродный цикл Земли вследствие такого погружения углерода. Если большее количество атомов углерода погружается, нежели возвращается на поверхность, может ли биосфера Земли постепенно потерять свой углерод?

Поиск ответа на этот серьезный вопрос о глубинном углеродном цикле Земли неизбежно направляет наш взор на дополнительные петли обратной связи между биосферой и геосферой, так что нам пора переместить внимание в сторону появления жизни на суше.

Вариация 5. Жизнь укрепляет позиции на суше

По мере того как жизнь и горные породы совместно эволюционировали во все более сложных петлях обратной связи, усложнялся и цикл углерода. И нигде эти петли обратной связи не были так заметны, как в появлении жизни на суше.

На начальных его этапах центральную роль играл кислород. Большинство клеточных организмов не могут пережить прямого воздействия жесткого, ничем не ослабленного ультрафиолетового излучения Солнца. Самые основные биомолекулы распадаются. Клетки погибают. Появление в атмосфере кислорода также означало и появление озона — молекулы, состоящей из трех атомов кислорода, которая образуется, когда обычные молекулы O2 расщепляются и переупорядочиваются под действием ультрафиолетового излучения. После того как это происходит, некоторые атомы пересобираются в O3. Молекулы озона редки; когда они «концентрируются», формируя так называемый озоновый слой, расположенный в верхних слоях атмосферы на высоте около 30 км над землей, их содержание достигает несколько молекул на миллион. Однажды образовавшись, этот слой стал играть роль природного «средства от солнца», оберегающего Землю от непрестанного пагубного влияния солнечного ультрафиолета. Крепкий озоновый слой является необходимым условием существования устойчивой наземной экосистемы.

Самые первые шаги выходящей из моря жизни были осторожными, они практически не меняли земной ландшафт. Раньше всех — более 450 млн лет назад — на сцене появились крошечные, лишенные корней растения, которые добавили зеленый мазок болотистому оцеплению прибрежных бассейнов и неглубоких водных потоков. Примерно 430 млн лет назад дебютировали первые растения с малюсенькими корневыми системами, что дало возможность зеленым растениям основать новые экосообщества подальше от моря. Корни ускорили разрушение камней и образовали богатые глиной почвы, которые способствовали росту более длинных и эффективных корней, а те в свою очередь производили еще больше почвы. Буквально за одно геологическое мгновение кусты и деревья все бóльших высоты и обхвата покрыли собою сушу.

Изменение следовало за изменением. Наземные растения способствовали распространению животных. Самый древний известный обитатель суши, дышащий воздухом, — примитивная многоножка Pneumodesmus newmani, единственный ископаемый экземпляр которой (фрагмент длиной 1,27 см) был найден шотландским водителем автобуса и коллекционером-любителем ископаемых Майком Ньюманом в 2004 г. в отложениях возрастом 428 млн лет из Абердиншира, Шотландия. Ископаемые находки таких мягкотелых древних животных чрезвычайно редки, поскольку они плохо сохраняются, поэтому вполне вероятно, что первые насекомые появились даже раньше. Самые древние находки губоногих имеют возраст 420 млн лет, самому старому известному летающему насекомому — около 400 млн лет, а сколько еще редких и бесценных ископаемых свидетельств наверняка ожидают, пока мы их откроем.

И хотя окаменелости позвоночных сухопутных животных, казалось бы, должны были лучше сохраниться в каменной летописи, их находки малочисленны и рассредоточены. Скромное (но всевозрастающее) количество известных биологических видов палеозойской эры указывает на постепенный переход от морских организмов к наземным, от рыб — к амфибиям со все более специализированными структурами для жизни вдали от моря. Плавники превратились в конечности с пальцами, плечами, локтями и запястьями. В черепах постепенно образовались ноздри, чтобы дышать, и ушные отверстия, чтобы слышать. И — в отличие от большинства рыб — у первых обитателей суши была шея; они могли вертеть головой по сторонам, чтобы обозревать сухопутные окрестности. Переход на сушу не был внезапным, и вряд ли когда-либо можно будет указать на «самого первого» земного позвоночного, но есть серьезный кандидат на этот титул — Tiktaalik roseae, переходная форма между рыбами и амфибиями возрастом 375 млн лет, обнаруженная в 2004 г. на острове Элсмир за Северным полярным кругом в отдаленной канадской провинции Нунавут.

В форме увлекательного представления палеонтологического расследования Нил Шубин из Чикагского университета и Тед Дэшлер из Академии естественных наук в Филадельфии предсказали, что подобное существо можно обнаружить в Северной Канаде — холодной арктической местности, которая переехала на север вследствие перемещения тектонических плит, а 400 млн лет назад находилась рядом с экватором. Прогноз исследователей основывался на логическом методе исключения. Они поняли, что недостающее звено между рыбами и земноводными должно находиться в породах возрастом около 375 млн лет, предпочтительно образовавшихся в теплом экваториальном регионе и рядом с древней линией побережья. В районе для поисков должно быть много хороших скальных обнажений, так что лесистая местность не подходила. Исследователи прочесали геологические карты мира и остановились на острове Элсмир как идеальном месте для дальнейших изысканий.

Найти недостающее звено на удаленном арктическом острове оказалось нелегкой задачей. Местность практически недоступна, а периоды для сбора образцов короткие — всего несколько недель в году, приходящихся на середину лета, когда толстое одеяло снега уже растаяло, а первые осенние снега еще не выпали. Потребовалось пять безуспешных полевых сезонов — в ходе некоторых ученые, как оказалось, фокусировали поиски на непродуктивных слоях пород, другие же прерывались ужасной погодой, — прежде чем были сделаны первые поразительно целые находки переходного от рыбы к амфибии вида Tiktaalik в низком каменном уступе. Это оказалось крупное существо, некоторые особи вырастали в длину почти до 3 м. Увидев целое животное, Шубин и Дэшлер поняли, что его ископаемые остатки были довольно распространенными; несколько разрозненных и неопознанных фрагментов Tiktaalik уже находили в предыдущие сезоны сбора.

Эта ходячая рыба, название которой на языке инуитов — коренного населения региона — означает местную разновидность трески (хотя первооткрыватели Шубин и Дэшлер неформально назвали ее «рыбоногое»), стала сенсацией в СМИ, темой публичных лекций и телевизионных шоу. У нее даже появился собственный веб-сайт. Широко известный аккаунт Шубина, названный «Ваша внутренняя рыба», вырос до статуса научного бестселлера с собственными видеопроектами в медиапространстве. Эта палеонтологическая сага своей цельностью — от смелого прогноза к непростому открытию и возрастающему осознанию того, что многие анатомические инновации Tiktaalik сохраняются в структурах наших тел, — снова демонстрирует мощь дарвиновской теории эволюции посредством естественного отбора.

Tiktaalik лишь один представитель последовательности ископаемых животных, каждое из которых было более адаптированным к жизни на твердой земле, чем предыдущее. Скорость этого перехода с геологической точки зрения была быстрой, хотя первые однозначно сухопутные животные стали бродить по примитивным джунглям Земли только 10 млн лет спустя. Все это время, пока углерод накапливался в корнях, стеблях, листьях и стволах, его циркулирование между разными резервуарами — Землей, Воздухом, Огнем и Водой — усиливалось.

Погребенная биомасса

Леса эволюционировали, став новым и самым потрясающе многоликим резервуаром углерода после появления жизни на суше. Они добавили очередной нюанс углеродному циклу — ведь гигантские растения древних заболоченных лесов Земли, обширные заросли пышных папоротников, саговников и хвойных деревьев вытягивали углерод из воздуха, чтобы образовать древесину и кору. Когда одно из таких самых первых наземных растений погибало, его ствол, ветви, листья и корни вносили свой вклад в биомассу, из которой образовывались новые типы богатых углеродом отложений: слабо уплотняющийся торф приповерхностных болот, мягкий бурый уголь и твердое черное ископаемое топливо, известное как каменный уголь.

Львиная доля каменного угля Земли образовалась в течение непродолжительного интервала длиной в 60 млн лет (кстати, названного каменноугольным периодом), начавшегося приблизительно 360 млн лет назад. Когда дерево падает в сегодняшних лесах, оно обычно быстро разлагается, возвращая атомы углерода в почву, чтобы они использовались снова и снова. Триста же миллионов лет назад — пока в результате эволюции не появились разнообразные обитающие в древесине грибы, научившиеся способам разрушения ее жестких лигниновых волокон, — эффективной переработки деревьев еще не было. Перед тем как начать разлагаться, упавшие мертвые деревья накапливались слоями мощностью 30 м и больше. Остатки растений погружались все глубже и глубже, их ткани сдавливались и затвердевали. Эта биосмасса постепенно высыхала, а биомолекулы деполимеризовались, высвобождая летучие вещества и увеличивая содержание углерода до более чем 90% в самых востребованных разновидностях антрацита. Сегодня мы добываем это каменноугольное наследие огромными темпами, за считаные десятилетия возвратив в атмосферу углерод, изымавшийся оттуда в течение 60 млн лет.

Не успели накопиться слои угля, как растущий богатый почвенный покров Земли нашел еще один способ связывания углерода. Значительную роль в этом начали играть глинистые минералы — распространенные спутники пробивающихся корней с их неумолимым превращением горных пород в почву. Глины уникальны по своему физическому и химическому поведению. Их минералы формируются в виде тонких плоских чешуек, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть в обычный микроскоп. Эти крошечные листочки скользят друг по другу (насколько глина скользкая, особенно во влажном состоянии, каждый знает по собственному опыту).

Поверхность глины не имеет себе равных также в своей способности соединяться с небольшими богатыми углеродом молекулами, среди которых есть и продукты разложения органики. Когда корни и другой подповерхностный детрит сгнивают, их биомолекулы по большей части собираются на поверхностях глинистых минералов. В результате эрозии почвы реками и ветрами огромные количества глины перемещаются в океаны. В прибрежной зоне накапливаются тысячи метров глинистых отложений, и в них содержится много углерода — это еще один резервуар элемента №6 в сложном углеродном цикле Земли. А некоторая часть этих богатых углеродом отложений погружается глубоко в земную мантию вместе с бесчисленными карбонатными кокколитами. По этим потокам углерода и можно установить возраст жизни на суше независимо от предыдущих 4 млрд лет истории Земли.

Вариация 6. Мы вносим свою лепту

На Земле появились бесчисленные миллионы биологических видов, но подавляющее большинство этих форм жизни исчезло навсегда. Трилобиты, распространившиеся повсеместно харизматичные обитатели палеозойских морей, вышли на сцену более полумиллиарда лет назад. Их почитаемые окаменелые остатки, сегментированные и шипастые, кажется, смотрят на нас сквозь века выпуклыми фасеточными глазами. Трилобитов больше нет — они полностью вымерли в течение чуть более 250 млн лет. Господствуя величественно и сурово над мезозойским миром, дождались своей очереди и динозавры — на суше, в море и в воздухе. Массивные ископаемые фрагменты их скелетов служат молчаливым напоминанием о безжалостной естественности борьбы за выживание. Все вымерли, кроме птиц, радикально рассеявших доминировавшую некогда линию. Сейчас наша очередь.

Человеческая история гораздо более неизгладима, чем история других видов. Мы, люди, меняем окружающую среду такими способами, за которыми тянутся следствия. Мы возводим памятники, мы копаем уголь, мы зажигаем огни и оставляем после себя предметы. В этой многовековой истории углерод играет особую, удивительную роль, поскольку, пока мы проживаем свои жизни и создаем свою культуру, атомы углерода предоставляют нам часы, которые ведут хронику человеческой истории.

Углеродные часы

Чуть ли не каждый атом углерода — это неустаревающее наследие звезд, вечное, неизменное, используемое снова и снова. Но крошечная, крохотулечная доля атомов шестого элемента в воздухе и в наших телах лишь временно выступает на динамичной сцене Земли. Эти атомы появляются как будто по волшебству и показывают товар лицом только на короткий промежуток времени, чтобы исчезнуть потом в мгновение ока.

Мы уже встречались с двумя стабильными формами углерода: распространенный углерод-12 составляет более 99% атомов углерода вашего тела; его чуть более тяжелый собрат углерод-13 — оставшийся 1%. Эти изотопы — один с шестью нейтронами, другой с семью — образовались миллиарды лет назад, преимущественно в больших звездах.

Радиоактивный углерод-14 с восемью нейтронами не такой. Он нестабильный и относительно короткоживущий. Углерод-14 непрерывно образуется преимущественно поверх облаков в тех воздушных слоях, где космические лучи из глубин пространства бомбардируют насыщенную азотом атмосферу. Эти космические лучи, состоящие из бешено мчащихся протонов и других атомных ядер, действуют подобно боевым атомным пулям, которые сталкиваются с молекулами газов атмосферы, вызывая ядерный хаос. Образовавшиеся вторичные частицы градом разлетаются во все стороны; некоторые из них — это полные энергии нейтроны, часть которых затем сталкивается с атомами азота. От сильного удара быстродвижущегося нейтрона ядро азота-14 может «испортиться», потеряв один протон и приобретя один нейтрон, — в результате образуется углерод-14. Этот бурный созидательный процесс, происходящий уже миллиарды лет, обеспечивает небольшую, но постоянную поставку углерода-14 в атмосферу Земли.

Принципиальная разница между углеродом-14 и его более легкими и более стабильными углеродными кузенами заключается в радиоактивности. Углерод-14 балансирует на грани саморазрушения, потому что набрал слишком много нейтронов, чтобы чувствовать себя комфортно. Безо всякого предупреждения радиоактивный атом углерода-14 спонтанно превращается обратно в стабильный атом азота-14. Радиоактивный распад углерода-14 — надежный планомерный процесс. Исчезновение половины любой совокупности радиоактивных атомов углерода занимает порядка 5730 лет. Этот удачный период полураспада идеально подходит для изучения развивающихся человеческих технологий и культуры с помощью мощного метода радиоуглеродного анализа.

Эта революционная технология датирования по углероду-14 зависит от смерти, точнее — от времени смерти. А залогом успеха технологии является углеродный цикл. Пока растение живо, оно постоянно поглощает углекислый газ, воду и энергию солнечного излучения, чтобы синтезировать сахар. В этом суть фотосинтеза, который обеспечивает химической энергией почти всю жизнь на Земле. Животные питаются богатыми сахаром растениями или поедают других животных, пища которых — растения. Грибы и падальщики потребляют мертвые растения и животных. На каждом этапе сложной пищевой цепи атомы углерода переходят из одного резервуара в следующий.

Пока растение живет, оно потребляет около одной части на триллион углерода-14 наряду с другими атомами углерода — соотношение 12С, 13С и 14С зафиксировано изначально атмосферой. Пока вы едите растения или животных, которые съели эти растения, в вашем теле будет то же соотношение изотопов — примерно один на каждый триллион атомов углерода в вашем теле будет радиоактивным углеродом-14. И эта малюсенькая доля останется более или менее постоянной, пока растение не погибнет. Или пока вы не умрете. Вот тогда начнут тикать углеродные часы.

Углерод повествующий

Вдохновение использовать радиоактивный углерод для определения возраста органических остатков посетило химика Уилларда Либби из Чикагского университета вскоре после окончания Второй мировой войны. Участник Манхэттенского проекта, Либби был хорошо знаком с химическим поведением радиоактивных изотопов, поэтому он отчетливо осознал, что у углерода-14 особое предназначение в исследовании сравнительно недавней истории человеческой цивилизации. Как и очень многие его коллеги по атомной эре, после войны он перенаправил применение своих знаний на мирные цели.

Идея Либби весьма проста: возьмите старый пергамент, давно потухший уголек из костра, волосок или кусочек высохшей кожи, измерьте соотношение изотопов углерода и вычислите возраст. Если распалась половина атомов углерода-14, то объекту около 5730 лет. Если их осталась всего четверть, тогда возраст в два раза больше — приблизительно 11 500 лет. Радиоуглеродный анализ замечательно подходит для датировки фрагментов ушедшей жизни возрастом до 50 000 лет, по истечении которых выживает только порядка тысячной доли первоначальных атомов радиоактивного углерода.

На практике углеродное датирование немного сложнее. Начать с того, что точно измерить одну часть на триллион углерода-14 — нелегкая задача. При обычном подходе ученые учитывают каждое событие распада и определяют содержание углерода-14, исходя из степеней радиоактивности. Распад радиоуглерода медленный, так что этот метод требует больших образцов со множеством атомов углерода, а также много-много терпения. В более эффективных современных методах для того, чтобы измерять количества тяжелых изотопов углерода-14, пока они не распались, используют мощные масс-спектрометры. Это более быстрый подход, и его можно применять к гораздо меньшим образцам, не крупнее просяного зернышка или короткого волоска.

Радиоуглеродный анализ перевернул наше понимание человеческой истории. Вы можете видеть его плоды каждую неделю в новостях. Особое внимание было уделено артефактам христианства. Собрание десятков свитков, написанных на древнееврейском и арамейском языках, обнаруженное в 1947 г. в пещерах неподалеку от Мертвого моря, стало первым резонансным испытанием для новой технологи датирования Уилларда Либби. Метод показал, что этим свиткам около 2000 лет, таким образом они являются самыми ранними из известных текстов, имеющих под собой библейское основание. Тем не менее знаменитая Туринская плащаница, почитаемая некоторыми верующими как льняной саван Иисуса из Назарета, была исследована в 1988 г. тремя независимыми лабораториями и датирована XIV столетием. Происхождение этого прекрасного полотна с его призрачным образом человека по сей день остается предметом бурных споров.

Радиоуглеродный анализ играет существенную роль и в археологии, он обеспечил нас подробной хронологией египетских династий, показал последовательность африканских миграций, передачу технологии в Европе и заселение доисторической Британии. Углерод-14 помогает определить возраст бесчисленных древних памятников и объектов — от монолитов Стоунхенджа, самым старым частям которого 5100 лет, что установлено по остаткам древесины, до «ледяного человека» Этци, который умер 5200 лет назад и сохранился в альпийских льдах неподалеку от границы нынешних Австрии и Италии. Обнаружение и датирование артефактов также меняет евроцентричный взгляд на «открытие» и колонизацию Америк — четкие свидетельства некогда горевших костров в поселениях викингов показывают, что они здесь были уже к 1000 г. нашей эры, за пять столетий до первого путешествия Колумба.

Радиоуглеродный анализ оказался весьма важен и для определения границ в противоречивой хронологии миграции людей в Америку. В исследовании 2015 г., опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые из Техасского университета A&M описали древнюю стоянку с костями разделанных лошадей и верблюдов, обнаруженную рядом с нынешним Калгари в канадской провинции Альберта. Углеродный возраст этого лагеря оказался равным (с погрешностью всего 15 лет) 13 300 годам, что больше, нежели установленный возраст народа Кловис, который, как считается, прибыл из России через Берингов пролив не ранее 13 000 лет назад. Другие, менее убедительные доказательства в виде кострищ, обнаруженных рядом с примитивными каменными артефактами, побуждают некоторых исследователей называть даже более древний возраст миграции из Азии в Северную Америку — возможно, вплоть до 40 000 лет. Каким бы ни стал окончательный вывод, радиоуглеродный анализ сыграет главную роль.

А что насчет следующих поколений? Какие сведения о сегодняшних днях соберут будущие археологи по углеродным остаткам нашего века? Их ждут сюрпризы. Прошедшие два столетия отличает значительное поступление «мертвого» углерода — наследие сжигания огромных количеств ископаемого топлива, содержащего древние атомы углерода, которые были запертыми миллионы лет. Получающийся в результате поток «мертвого» углекислого газа разбавляет атмосферу молекулами CO2, полностью лишенными радиоактивного углерода-14.

Вторая, еще более драматическая аномалия — на этот раз «бомбового» углерода — маркирует стремительную яростную эру открытых испытаний ядерного оружия. Это 1950-е и начало 1960-х гг. — время до заключения Договора о запрещении испытаний ядерного оружия. За десять с небольшим лет ядерные взрывы привели к увеличению концентрации углерода-14 в атмосфере в два раза. Она постепенно снизилась за счет того, что углекислый газ измененного воздуха поменялся местами с молекулами в океанах, оказался связанным в горных породах или был поглощен растениями. С неизбежностью содержание углерода-14 в растениях за короткое время удвоилось, затем удвоилось в животных — а также в вас, если вы застали беспокойную эру холодной войны.

Мы в совокупности всё еще содержим немного того ядерного наследства в наших мышцах и костях, поскольку являемся частью человеческого углеродного цикла.

Отправить