Проблемы Эволюции

Проблемы Эволюции

До и после динозавров. Глава I. В глубоком архее, или что остаётся, когда ничего не остаётся (3900—2500 миллионов лет назад).

Журавлев А. Ю.

Главы о происхождении жизни и древнейших этапах ее эволюции. Из неопубликованной книги. © А.Ю.Журавлев, 2003.

Оглавление

 

А.Ю.Журавлев

До и после динозавров

Популярная книга об эволюции жизни на Земле

 

Глава I. В глубоком архее, или что остаётся, когда ничего не остаётся (3900—2500 миллионов лет назад)

“Чудеса случаются не против Природы, а против того, что мы знаем о Природе”.

Блаженный Августин

Что было раньше и курицы, и яйца? Первые существа и первые созданные ими вещества. Можно ли прожить без сообщества? Кто и что написал на каменных страницах? Создатели озонового щита родины.

Ввод

Чтобы рассказать о том, что было задолго до всего прочего, мне пришлось бы завести читателя в такие научные дебри, откуда не каждый способен выбраться. Что же мне тогда останется без читателей делать? Поэтому для особо любопытных в конце книге прилагается дополнительная глава, в которой повествуется о самых далёких от нас временах. Всем же прочим предлагается начать с этой главы или сразу обратиться к “Краткому содержанию”, завершающему сей опус. А для тех, кто будет засыпать над книгой, в конце глав дописаны “сказки старого палеонтолога”, чтобы лучше спалось. Значение самых неясных терминов на всякий случай ещё раз объясняется в “Словаре”, чтобы не перелистывать книжку по нескольку раз, если что забудется. Почти в каждой главе есть рисунок, где изображены наиболее примечательные из действующих в ней персонажей.

Сейчас речь сразу пойдёт о геологически достоверных временах, которым в истории Земли предшествовал довольно длительный период. Тогда на Земле и вне её существовало столько возможностей для зарождения жизни, что она не могла ни появиться. Нужен был ускоритель для сборки сложных химических соединений и отбраковщик излишков. Эту роль могли сыграть минералы. Участие минеральных кристаллов могло убыстрить возникновение жизни, и весь путь от неживых организмов до живых носителей информации — генов — мог оказаться весьма коротким (в геологическом масштабе времени, конечно), то есть осуществимым на Земле. Даже если предположить, что живые организмы возникли на Земле около четырёх миллиардов лет назад, оставшихся полмиллиарда лет для “кристаллизации” неживых организмов вполне достаточно. Если невероятное всё же случилось, не лучше ли считать его неизбежным?

Во всяком случае, жизнь на Земле существует, потому что на Земле существует жизнь. Это не парадокс. Это реальность. Не будь на Земле живых существ, планете была бы уготовлена участь ядовитой парилки, как Венере, или остывшего пустынного тела, как Марсу. Не сразу биологические процессы взяли верх над геологическими в созидании планетных оболочек — газовой (атмосферы), жидкой (гидросферы) и, отчасти, твёрдой (земной коры). Новые и новые поколения организмов сменяли друг друга, пользуясь тем, что произвели предшественники и, в свою очередь, преобразуя Землю для потомков. Вот как это было.

Самые первые

Древнейший период земной летописи так и называется — “древнейший” (по-гречески, архей). Он начался около 4 миллиардов лет назад и закончился 2,5 миллиарда лет назад. Нижний временной рубеж архея установлен по возрасту первых осадочных пород (переотложенные минералы бывают и старше). Кстати, эти минералы (крошечные зёрна циркона) подсказали, что 4,4 миллиарда лет назад Землю уже покрывала водная оболочка, а температура воздуха над ней не превышала 2000 С.

Вплоть до середины XX века любые открытия остатков жизни в архейских породах не воспринимались всерьёз. Считалось, что если хороши ископаемые, то неправильно определён их возраст. Если же возраст верен, то сами ископаемые сомнительны. Но если совсем всё сходится, то, значит, дело обстоит гораздо хуже, и ископаемые просочились из более молодых, неархейских пород.

На деле, чуть ли не первые сохранившиеся горные породы (возрастом 3,86 миллиарда лет) несут в себе следы признаков жизни (или признаки следов), то есть те самые “особые” изотопы. Так в древнейшем графите (породе, сложенной углеродом) соотношение устойчивых изотопов углерода (13С/12С) сильно сдвинуто в пользу лёгкой разновидности этого элемента. Наоборот, вмещающие породы сохранили изрядное число тяжёлых изотопов. Так раскидать изотопы могли только какие-то фотосинтезирующие бактерии.

А теперь о фотосинтезе. Фотосинтезом называют преобразование (гр. “синтезис”) бактериями и растениями энергии света (гр. “фотос”) в органические вещества. Благодаря этому явлению процветают все растительные организмы и поглощающие их вегетарианцы, а также гурманы, предпочитающие есть тех, кто отобедал другими.

Одним из признаков живой материи — от бактерий до человека — служит поиск лёгкой жизни. И при фотосинтезе из обращения изымается более лёгкий изотоп углерода. Он скапливается в органическом веществе (которое со временем может стать графитом). Среда, наоборот, обогащается более тяжёлым изотопом, что практически навечно запечатлевается в осадке. Заметив такую изотопную разницу, можно не сомневаться, что во время накопления осадка водная среда кишела существами, способными к фотосинтезу. Даже основательный нагрев (до температуры 5000 С при давлении в 5000 атмосфер) не в силах изменить первичное соотношение изотопов.

Столь древние находки фотосинтезирующих бактерий не вполне отвечают общепринятым взглядам на древнейшую историю организмов. (Впрочем, “общепринятыми” и принято называть взгляды, менее всего соответствующие фактам). Согласно таким взглядам, сначала объявились бактерии, способные не дышать кислородом (или дышать некислородом) и при этом питаться чем угодно, но в готовом виде. Затем возникли микробы, которые, подобно нам, потребляют кислород. Наконец подключились фотосинтетики. На роль первых вроде бы неплохо подходят архебактерии.

Название архебактерии (древние бактерии) призвано подчеркнуть, что они существуют очень давно и столь же отличаются от настоящих бактерий (эубактерий), сколь бактерии от эукариот. К последним относимся и мы с Вами. Слово “эукариоты” (гр.) означает настоящие ядерные организмы, поскольку у них в клетках есть ядро — сосредоточие хромосом, несущих гены. У прокариот (архебактерий и эубактерий) ядра нет, и гены находятся в кольцевой хромосоме, лишённой собственной оболочки.

Архебактерии способны выживать при сильной солёности, повышенной кислотности, высоких температурах (до 1130 С) и в отсутствии кислорода. Например, в кипящей серной кислоте. По своей выносливости они идеально подходят на роль пионеров, осваивавших безжизненную планету.

Есть только одно “НО”: архебактериям требуется органическое вещество. Однако это “НО” перевешивает всё остальное. Ведь надо, чтобы это органическое вещество кто-то производил, поскольку каннибализм у них исключён. (Это черта более продвинутых форм жизни). И какую группу бактерий ни возьми, им нужны другие бактерии, которые готовили бы для них обед, завтрак и ужин. Замкнутый круг какой-то получается. Это и есть замкнутый круг, то есть круговорот. Круговорот хотя бы основных, насущных элементов и обеспечивает существования жизни в виде устойчивого сообщества. Очевидно, что курица не может появиться раньше яйца. Они могут возникнуть только одновременно. Сходным образом, любую ветвь бактерий трудно вообразить без всех прочих.

Сообщество, где все организмы выполняют одну работу, только производят или только потребляют — невозможно. Прасообщество должно было состоять по крайней мере из производителей и разрушителей.

Работа распределяется между членами бактериального сообщества примерно таким образом. Цианобактерии непосредственно из атмосферы усваивают углерод (на свету) и азот (в тёмное время дня). Используя солнечную энергию, они создают органическое вещество. Попутно выделяется кислород. Конечный объём органического вещества не может превышать объём разложенного. Иначе все ресурсы быстро исчерпаются. Поэтому в дело вступают другие бактерии — гидролитики (гр. “растворяющие водой”). Они растворяют и разлагают отмершую органику до состояния простых соединений (углеводов; газов, включая водород, углекислый газ, метан, сероводород; уксусную кислоту и других). Эти соединения нужны сероводородобразующим бактериям, которые восстанавливают сульфаты (соли серной кислоты) и серу. Попутно они возвращают фотосинтетикам исходные вещества. Серный круговорот замыкают другие серные эубактерии. Из-за продуктов бескислородного разложения (водород и уксусную кислоту) соперничают сероводородобразователи и метанообразующие архебактерии. Производимый последними метан требуется метанокисляющим эубактериям.

Следы бактериального сообщества встречаются уже в нижнеархейских отложениях на северо-западе Австралии, в Пилбаре. Откуда мы можем это знать? С помощью биомаркеров, которые показывают, кто на самом деле жил в далёком архее. Органические породы из Пилбары, которым 2,7 миллиарда лет, сохранили биомаркеры цианобактерий и предков эукариот. Прослои железной руды, возможно, отложили железобактерии. В отсутствии сероводородобразующих бактерий (свидетельства их деятельности проявились только в протерозое) главными потребителями цианобактериальной продукции могли стать метанообразующие архебактерии, привычные к отсутствию кислорода. Они не только производили пищу для своих метанокисляющих противников, но и наполняли этим газом атмосферу.

По тем временам метан был для Земли куда как важнее кислорода. Ведь солнце раскочегарилось от силы на треть. И атмосфера должна была быть достаточно теплоёмкой, чтобы не дать планете раз и навсегда замёрзнуть. Основным теплоизолятором мог стать углекислый газ или метан. Метан даже лучше, чем углекислый газ, держит тепло, и вполне годился на роль первичной теплоизолирующей оболочки.

Не будь её не нашли бы в архейских отложениях остатки древнейших существ. И искать бы было некому. Обнаружить в архейских слоях возрастом 3,5—3,3 миллиарда лет можно исключительно микроскопические и простые шарики да ниточки. А поскольку мода на простое никогда не проходила, одни бактерии по форме совершенно не отличимы от других. Лишь характерное соотношение изотопов углерода проясняет цианобактериальную природу некоторых окаменелостей. Подобные шаровидные и нитчатые ископаемые просматриваются на прозрачных срезах кремнистых слойков.

Некоторые нитчатые разновидности (0,008—0,011 миллиметра в поперечнике) состоят из дисковидных клеток. Такие длинные узкие бактерии и сейчас сине-зелёной плёнкой затягивают поверхность стоячих водоёмов. Нити всегда немножко колеблются (отсюда и их название осцилляториевые от лат. — “качающиеся”). Покрытые единой оболочкой скопления шариков, каждый из которых всего несколько сотых миллиметра в поперечнике, похожи на колонии других цианобактерий.

Трудно даже вообразить, каково приходилось в архейское время этим шарикам и ниточкам. Ну, совершенно невозможно. Мы почти ничего не знаем об атмосферных газах, температуре воды на архейских курортах, составе этой воды, сколько её вообще было (море, океан или очень большая лужа?). Иногда удаётся выяснить, что находилось в той или иной части планеты. Но можно ли распространять частные сведения на всю планету?

Предположим, что на Землю сейчас опускается инопланетный автоматический зонд. (Не спешите к окну — это, как водится, воображаемые инопланетяне). Ответственные за противовоздушную оборону генералы различных стран выясняют между собой, чей это зонд, и кому принадлежит право сбить его первым. Промахиваются. Зонд благополучно падает и погружается в Чёрное море. На глубине 200 метров срабатывают датчики и анализируется состав окружающего вещества. На другом краю Вселенной инопланетяне, прождавшие несколько тысяч световых лет в ожидании этого торжества науки, покрываются от горя синими пятнами в зелёную крапинку. На Земле — нет никаких форм жизни, кроме бактерий, а сама планета покрыта слоем непригодной для питья воды с высоким содержание сероводорода и без кислорода. Но если бы тот же зонд упал на Красной площади, то до того как обрадованные москвичи уволокли бы его в приёмный пункт цветных металлов, инопланетяне успели бы покрыться зелёными пятнами в синюю крапинку от радостных известий, что на Земле есть не только кислородная атмосфера, но и формы жизни, несколько более продвинутые, чем бактерии.

Раннюю историю Земли тоже можно представить очень по-разному.

Можно предполагать, что потеряв первичные водород (Н2) и гелий (Не), атмосфера наполнилась углекислым газом (СО2), азотом (N2), сернистым газом (SО2), парами воды (Н2О) и даже свободным кислородом (О2). Или, что первичная атмосфера не содержала кислорода и состояла в основном из водорода, азота, метана (CН4), аммиака (NН3), сероводорода (Н2S), угарного газа (СО) и других ядовитых и дурно пахнущих веществ. Нечто подобное наблюдается на Титане (спутнике Сатурна) с азотной атмосферой, чуть разбавленной метаном, этаном (C2Н6), этиленом (C2Н4), ацетиленом (C2Н2), водородом и угарным газом. Она очень похожа на газовую смесь, из которой в колбах получают органические вещества.

В нижнеархейских (3,55—3,2 миллиарда лет возрастом) породах Пилбары встречаются прослои сульфатов. Для их образования необходимы углекислый газ, вода и некоторое количество кислорода. В отложениях того же возраста в Северной Америке и на юге Африки присутствуют железные и урановые руды с сульфидами (солями сероводородной кислоты). Их наличие наоборот свидетельствует о бескислородной атмосфере.

Эти различия означают, что в разных частях планеты уже в раннем архее существовали водоёмы с непохожими условиями. В них и жизнь была разной. Посреди водоёмов торчали небольшие вулканические острова (немного похожие на сегодняшнюю Исландию). Одним из таких островов была австралийская Пилбара. Поверхность Пилбары лишь чуть-чуть приподнималась над уровнем воды и затоплялась во время лунных приливов. Приливы были гораздо выше, чем сейчас, поскольку Луна была ближе. Земля вращалась быстрее, и дни были короче. В такой — то осушаемой, то изрядно увлажняемой обстановке, среди потоков лавы — существовали первые земные сообщества. Это были сообщества бактерий.

В сообществе бактерий, как и в людском обществе, есть определённые слои. Такое “расслоение” запечатлелось в архейских породах Австралии и Африки в виде строматолитов.

Листая каменные страницы

Правый берег реки Юдомы, что течёт от Охотского моря в реку Маю и, влившись в неё, далее в Алдан, обрывается розовыми и серыми скалами. Если удастся превозмочь собственную лень, убаюкивающую в нагретой солнцем резиновой лодке, плавно покачивающейся на голубовато-зелёной стремнине, можно подгрести поближе. Чтобы высадиться среди серовато-рыжих от лишайников угловатых глыб, нужно в несколько хороших взмахов вёсел преодолеть отбойное течение. Перескакивая с одного валуна на другой можно подобраться к одной из промоин в скале. Промоина выбирается неслучайно. В ней восходящий ветерок сдувает назойливых кусачих тварей, а вода за тысячи лет очистила поверхность горной породы до ослепительной белизны. На белом от времени каменном полотне, снизу до самой вершины, откуда с пятьсотметровой высоты свисают витые стволы кедрового стланика, проступают тончайшие полосы. Иногда они плавно выгибаются, иногда морщатся мелкой складочкой или распрямляются в ровные линии. Не только на сибирской речке Юдоме, но и во многих уголках планеты так выглядят отложения позднеархейского и протерозойского возраста.

Более всего архейские и протерозойские главы ископаемой летописи Земли напоминают пачки гигантских, как бы покоробившихся от времени страниц. Этими каменными страницами являются строматолиты. Строматолиты, что по-гречески означает ковровые камни, это — бугристые, полосатые (но не вдоль, как матрасы, а в толщину) породы, которые могут состоять из карбонатных, фосфатных или кремнистых минералов. Даже в середине XX века в органическое происхождение строматолитов мало кто верил. Лишь в шестидесятые годы в австралийском заливе Шарк-Бее были открыты современные строматолиты. Последовали и другие описания, но всё равно ныне строматолитов осталось ничтожно мало.

Определяющий признак строматолитов — тонкая слоистость — итог попеременной деятельности различных бактерий, если строматолиты озёрные и лагунные, или водорослей и бактерий, если строматолиты морские. Последние имеют более грубую слоистость и вырисовались сравнительно недавно, в кайнозойскую эру. В кислой среде горячих источников и гейзеров среди образователей кремнистых строматолитов замечены грибы (конечно, микроскопические).

Самые тонкие слойки — не толще отдельной нити в тысячную долю миллиметра. В каждом слое преобладает свой газовый режим и пигмент. Пигменты (лат. “краски”) — окрашенные вещества. В зависимости от своего цвета они воспринимают световые волны определённой длины.

Например, пигмент-хлорофилл (гр. “зелёный лист”) придаёт листьям, а также некоторым водорослям и бактериям зелёную окраску. Хлорофилл особенно чувствителен к световым волнам средней длины, которые беспрепятственно проходят сквозь земную атмосферу и верхние метры водной толщи. Поэтому все наземные растения и большинство мелководных — зелёные. Коротковолновой голубой свет проникает до глубины в 200 метров (в чистой воде). Водоросли, которые живут на таких глубинах, должны обзаводиться восприимчивыми к нему красными пигментами.

Согласно законам разложения белого света бактерии распределяются в своём сообществе, и его полосатость становится цветной — зелень цианобактерий сменяется пурпуром серных эубактерий, ниже следует полоса изумрудно-зелёных несерных эубактерий и всё это отчёркивается чёрным слоем сероводородобразующих архебактерий. Расцветка строматолитовой поверхности может меняться даже в течение суток, поскольку обитатели нижнего этажа в тёмное время выползают наружу и наоборот. Скользят бактерии вверх и вниз, преодолевая почти 20 миллиметров в час. По ночам зелёные несерные эубактерии пробираются наверх сквозь слой цианобактерий. Иногда наоборот живые цианобактерии сползают вниз, чтобы укрыться под пустыми чехлами от слишком сильного излучения.

В строительных наклонностях бактерий нет ничего необычного. Достаточно вспомнить, что всем “камням за пазухой”, таким как зубной и почечный камни мы тоже обязаны бактериям. Сами строматолиты — это не только мёртворожденная архитектура бактерий. Плотно сплетаясь, бактерии защищали себя от испепелявшего ультрафиолетового излучения, а, образуя кремнистую корочку, чувствовали себя в полной безопасности. Ведь прозрачный кремнёвый слоёк всего в 0,15 мм толщиной полностью нейтрализует ультрафиолет. Так за несколько миллиардов лет до человека бактерии “додумались” до оконных стёкол — и светло, и спокойно.

Быстро растущие современные рифостроящие животные и водоросли вытеснили микробных строматолитобразователей в лагуны, где они способны создавать лишь незамысловатые корки. Современный плачевный образ жизни строматолитов, часто неоправданно служил для восстановления обстановок прошлого. Получалось, что в архее и протерозое вместо морей и океанов были сплошные лагуны и болота. Однако, когда микробам никто не мешал, они делали всё, на что были способны. Так они отгрохали в протерозое рифы, в сотни метров мощностью (как на реке Юдоме) и сотни километров протяжённостью. В таких рифах глубоководные строматолиты возвышались огромными конусами до 75 метров высотой. (Это высота затонувшего 30-этажного дома). В более мелкой части моря строматолиты ветвились кустиками и нарастали столбиками. На самом мелководье, как и ныне, откладывались незамысловатые корки. (Именно ритмичное строение строматолитов и зависимость их формы от освещённости позволили рассчитать длину дня, а, следовательно, и скорость вращения Земли в архее и протерозое).

Ещё несколько раз (в конце кембрийского и девонского периодов и в начале триасового), после массовых вымираний строматолитовые рифы ненадолго занимали освобождённое пространство морского дна.

Многие сомневаются в органической природе древнейших (3,5 - 3,2 миллиарда лет) тонкослоистых пород, но 3 миллиарда лет назад уже несомненно отлагались настоящие строматолиты. В архее и самом начале протерозоя, когда океан был пересыщен растворённым карбонатом, доля бактериальных отложений была незначительной. Карбонаты в основном оседали без участия организмов. Постепенно, начиная с середины раннего протерозоя, бактериальные сообщества, вошли в роль главных карбонатообразователей, отняв её у геологических процессов.

Именно такие сообщества начали преобразование воздушной, жидкой и твёрдой оболочек планеты. Осаждая плохо растворимые карбонаты, кремнезём или другие минералы из подвижных растворов, они создали новые слои земной коры. Да и определённому составу атмосферы, кроме благородных газов, мы обязаны бактериям. Накопление бактериальной массы привело к тому, что вулканические источники восстановленных газов (сероводород, метан и другие) сменились биологическим за счёт разложения органических веществ без доступа кислорода. Из произведённого за сутки объёма кислорода бактериальное сообщество ночью потребляло три четверти, но одна четверть его уходила вовне. Поэтому, нагромождая строматолитовые этажи, бактериальные сообщества насыщали атмосферу кислородом.

Под газом

Для выработки органического вещества из углекислого газа фотосинтетикам нужен свободный электрон. Вода, конечно, наиболее распространённый поставщик необходимого электрона, но для разрыва водородно-кислородной связки требуется мощный источник энергии. Бактериальный фотосинтез с использованием энергии распада сероводорода был, видимо, наиболее ранним. Этот газ расщеплять легче, чем разлагать воду. К счастью для нас, поступления сероводорода из земных глубин намного уступает объёмам воды. В итоге основными фотосинтетиками стали те, кто перешёл на воду (цианобактерии, водоросли, высшие растения). Молекулы воды расщепляются, а ионы водорода, подгоняемые солнечной энергией, пополняют вместе с углекислым газом запас углеводов.

Операция с захватом молекулы углекислого газа позволила цианобактериальному сообществу добраться до практически неисчерпаемого источника углерода в атмосфере. Бульшую часть органических веществ перерабатывалась и возвращалась обратно в виде всё того же газа бактериями-разрушителями. Ничтожная часть органики захоранивалась, но всё равно объём углекислого газа в атмосфере постепенно убывал. Это, во-первых, уберегло планету от “теплового удара”, которому подверглась Венера, не избавившаяся вовремя от парникового газа. Во-вторых, атмосфера стала наполняться кислородом.

Образоваться за счёт воздействия света на водяной пар кислород в достаточном объёме не мог. Как только его уровень в атмосфере превысил одну десятую часть от современного содержания, образовался озоновый (O3) щит. Щит отражал ультрафиолетовые лучи, и распад водяного пара прекратился. А щит этот позволил организмам освоить мелководье, а затем и сушу.

Цианобактериальные сообщества, которые поставили себе памятник в виде строматолитов, предопределили дальнейшее развитие земной жизни. Они выделяли самый главный для всех последующих существ газ — кислород. Конечно, кислород не задержался бы в атмосфере, если бы бактерии не освободили его от прямых обязанностей – от окисления водорода и органического вещества. Вряд ли какая-то старая (ей стукнуло шесть часов), но мудрая бактерия сказала: “Давайте захоранивать органику поглубже, а водорода выделять побольше”. Но бактериальные сообщества поступили именно так. Водород достаточно лёгок, чтобы улетучиваться с Земли, а органическое вещество хранится в осадке до наших дней. Изъятие этих элементов из оборота и привело к накоплению кислорода.

С помощью столь ядовитого для других бактерий (а в больших дозах — и для всех прочих существ) газа, как кислород, цианобактерии вскоре потеснили своих соперников. Уже к концу архея они стали самой распространённой на планете группой организмов. И остаются такой поныне.

Впрочем этот чрезмерно активный газ больше годится для разрушения — медленного (гниения) или бурного (горения). Он легко образует перекись водорода и другие ядовитые для живых существ соединения. Немногие бактерии способны направить разрушительную силу кислорода себе на пользу. Это светящиеся бактерии, благодаря которым во тьме мигают светлячки и переливаются огнями глубоководные рыбы. Некоторые круглые черви — нематоды (гр. “нема” — нить) — даже приспособили этих бактерий для подачи световых сигналов птицам. Чтобы попасть в желудки последних, где эти паразитические черви и живут, нематоды проникают в гусениц. Засветившиеся гусеницы становятся лёгкой добычей птиц, а им, паразитам, только этого и надо.

Возможно, что именно укротившие кислород древние родственники светящихся бактерий заставили дышать всех эукариот этим газом. Но об этом несколько позже.

Магнитная карта

Но почему мы так уверены, что свободный (несвязанный в минералах) кислород уже был? Об этом можно судить по остаткам некоторых бактерий из архейских отложений.

В породах возрастом 2,9 миллиарда лет встречаются очень мелкие кристаллики магнетита. Они имеют необычную для этого железосодержащего минерала шестигранную форму. Неорганический магнитный железняк бывает четырёх- и восьмигранный, но шестигранным быть не может. Только магниточувствительные эубактерии способны вырастить в себе подобные странные кристаллы. Самим бактериям они нужны для того же, для чего нам нужен магнитный компас. Бактерии проживают на дне водоёма и очень не любят, когда кто-нибудь большой и настырный ворошит ил, всплывающий облаком мути. Вращаясь в этом облаке бактерия не знает, где родное дно, а где — жутко опасное открытое пространство. Однако поскольку магнитные поля проходят по касательной, взяв по ним направление, можно живо уйти на дно. Поэтому бактерии, обитающее в Северном полушарии, всегда плывут на север и наоборот.

Спустя миллионы лет многие животные воспользовались магнитными свойствами этого минерала. У пчёл кристаллики магнетита спрятаны в передней части брюшка, у голубей, китов и человека — в оболочке мозга под крышей черепа. (Хотя у человека на 1 грамм оболочки мозга приходится до 100 миллионов кристаллов магнетита, без дополнительных приборов он в лесу всё равно заблудится). Как раз карту естественных магнитных полей передают пчёлы в своём диковинном танце.

Чтобы вовремя определить, куда спасаться, бактерии вырабатывают магнетит. Поскольку для его образования требуется кислород, мы можем утверждать, что в архейских атмосфере и гидросфере его было достаточно, а магнитосфера надёжно прикрывала Землю от солнечного ветра. Но если кислород вырабатывался, тогда почему так медленно совершенствовалась земная жизнь?

Теперь неокисленное железо запрятано глубоко в ядре Земли, но архейский океан изобиловал растворённым железом и марганцем и тонкой взвесью этих элементов. Неокисленные заряженные частицы железа и марганца поступали из недр Земли вместе с базальтовой лавой и в растворах, извергаемых подводными вулканами. Они также сносились с поверхности суши. Эти вещества соединялись со свободным кислородом, еле успевавшим вырабатываться фотосинтезирующими бактериями. Навеки вместе сводили кислород и металлосодержащие соединения тоже бактерии. Причём одни бактерии “ковали железо” в условиях настоящего металлургического цеха — при температуре 70 °С. Всего 10 граммов таких бактерий могут произвести целый килограмм магнетита. Другие бактерии окисляли железо, создавая магнетит или гематит (красный железняк) при нормальной (для нас) температуре.

Получившиеся нерастворимые хлопья железистых соединений (или просто ржавчина) ложились на дно тонкими слойками и перекрывались выносимыми с суши мельчайшими кварцевыми зёрнами, что отражало сезонность процесса. Они оседали там, где глубокие бескислородные воды граничат с поверхностными, обогащёнными кислородом. Затвердевая, осадок превращался в полосчатые железистые кварциты. Названы эти породы так из-за тонкого (миллиметрового) переслаивания кварца и железосодержащих минералов. Огромные залежи железа накопились в обширных архейских и раннепротерозойских бассейнах, занимавших 100 тысяч и более квадратных километров. Курская магнитная аномалия, мощностью в несколько сотен метров, и другие крупнейшие месторождения железа в значительной степени является плодом бактериальной деятельности. Так будущие поколениях животных получили исходный материал для производства танков, базук, колючей проволоки и прочих предметов первой необходимости в нашем мире.

В одном из таких местонахождений (Ганфлинт в Канаде), которому 2 миллиарда лет, прозрачные кварцевые слойки запечатлели странные звёздчатые микроокаменелости — эоастрион (гр. “ранняя звёздочка”). Эоастрион очень похож на современных бактерий, образующих железные и марганцевые окислы.

Поскольку кислород уходил на окисление железа (а также марганца и некоторых других металлов), его содержание в воздушной и водной средах долго оставалось неизменно низким. Только с выводом из круговорота основных масс неокисленного железа и марганца уровень кислорода стал повышаться. Это свершилось примерно 2,7 миллиарда лет назад.

Итак, сразу после тяжёлых ковровых метеоритных бомбардировок, отгремевших 4,0—3,8 миллиарда лет назад, в условиях непрекращавшихся бурных извержений вулканов и горячих источников, которые исторгали всяческие газы (углекислый, гелий, водород и метан), и высоких давлений Земля наполнилась жизнью. Бактериальные сообщества заселили мелководные океаны (архейские океаны могли на два - три километра быть мельче современных), окружавшие небольшие праматерики. Солёность и другие химические особенности вод к концу архея, видимо, не отличались от нынешних. Все живые клетки накапливают ионы калия и освобождаются от ионов натрия. Так в морских водах со временем стал преобладать этот металл. Магнитосфера уже существовала, защищая Землю от солнечного ветра. Продолжительность суток была короче (около 15 часов), а средняя высота прилива была выше (примерно в полтора раза, поскольку Луна обращалась ближе к Земле). Средне-земные температуры не сильно отличались от нынешних, поскольку более низкая светимость молодого солнца уравновешивалась высоким содержанием в атмосфере метана (совершенно незначительного для современной атмосферы) и водяного пара, создававших теплоизолирующую оболочку.

В конце архея (2,9—2,7 миллиарда лет назад), благодаря способности бактериальных сообществ выделять свободный кислород, как побочный продукт своей жизнедеятельности, уровень содержания этого газа в атмосфере повысился. Это событие повлекло за собой появление озона и образование озонового щита. Щит предохранил Землю от чрезмерного солнечного излучения и обеспечил распространение жизни в прибрежные мелководья, поверхностные воды открытого океана и, возможно, на сушу. В истории Земли практически не было времени, когда бы живые организмы не оказывали определяющего влияния на развитие воздушной, жидкой и твёрдой её оболочек.

Читать дальше

 

Рекламные ссылки

Usb радиоприемник.