Загадка кислорода
Считается (и это подкреплено некоторыми фактами), что жизнь на Земле возникла уже 3.8 млрд дет назад, в виде простейших бактерий. Примерно миллиард лет потребовался эволюции, чтобы создать (2.7-2.8 млрд лет назад) первые цианобактерии, способные производить кислород путем разложения воды с помощью фотосинтеза (т.е. используя энергию Солнца). Казалось бы, это открывало дорогу ко все большему усложнению живых существ – дыши и усложняйся! – но в действительности первые многоклеточные организмы появились лишь 2 миллиарда лет спустя! Всего 600 млн лет назад в океане появились первые амебы и губки, а первые вышедшие на сушу многоножки и того позже – 470 млн лет назад.
Вот этот перерыв в эволюции как раз и представляет собой загадку кислорода. Ведь исследования говорят нам, что с момента появления цианобактерий выработка ими кислорода только возрастала со временем. А рабочая мощность этих крохотных созданий огромна. Сегодня, как считается, они производят 45% всего кислорода, который ежесуточно поступает в земную атмосферу. И тем не менее палеогеологические данные показывают, что на самом деле содержание кислорода в древней атмосфере даже после возникновения цианобактерий оставалось практически на нуле. Кто ж его так жадно пожирал?
Частичную разгадку ученые нашли довольно давно. Ее подсказали им исчерченные красными полосами слои древних отложений. В основном их находят на дне океанов, но подвижки континентов иногда выносят такие скалы и наружу – например, в Австралии. Химический анализ этих полос показал, что они представляют собой окислы железа (гематиты и магнетиты). А радиоактивные данные говорят, что эти слои начали появляться уже 3.7 млрд лет назад. Тогда на Земле еще не было бактерий, которые вырабатывали бы кислород – вся жизнь в океанах была анаэробной, - так что железистые слои складывались, видимо, за счет того небольшого количества кислорода, которое было на Земле с момента ее образования.
Но те же геологические данные показывают, что примерно 2.4 млрд лет назад, т.е. через пару сот миллионов лет после появления первых цианобактерий, образование таких слоев пошло намного энергичней. Это означает, что кислород, который вырабатывали эти бактерии, тут же в океане уходил на окисление растворенного в воде железа (которое затем оседало на дно в виде упомянутых окислов). Таким образом, для усложнения жизни ничего не оставалось.
Но вот в чем, однако, неувязка: те же геологические исследования показывают, что примерно 1.8 млрд лет назад эти железистые полосы перестают возникать. Всё растворенное в воде железо вроде бы уже насыщено, но хотя бактерии продолжают вырабатывать кислород, его количество в атмосфере не увеличивается. И так на протяжении еще миллиарда лет, - судя по тому, что сложная, многоклеточная жизнь все это время не может появиться. Между тем, заметьте, что вся жизнь в океанах к тому времени стала аэробной и потому нуждалась именно в кислороде. (Анаэробная жизнь практически исчезла почти сразу после возникновения цианобактерий и выделения ими первого кислорода – эта гибель анаэробов называется в науке Великой Кислородной Катастрофой).
И цианобактерии старались вовсю. Специалисты подсчитали, что эти бактерии могли всего за 2000 лет создать в атмосфере такой уровень кислорода, какой мы наблюдаем сегодня, т.е. 21%. А его в это время было «от силы» 1-2%! Куда же он уходил - вот загадка!
Возможное решение этой загадки предложили недавно английские ученые Лентон и Дэйнз из университета в городе Экзетер. В статье, опубликованной в февральском выпуске журнала Nature Communications, они утверждают, что после насыщения железа кислород не мог накапливаться в атмосфере, потому что нашелся другой жадный его пожиратель. По их мнению, этим хищником были органические (богатые углеродом) остатки, накопившиеся в почве за счет умерших за миллиарды лет живых микроорганизмов – бактерий и архей.
До поры до времени эти остатки оседали на дно океана, образуя нараставшие друг на друга слои. Затем, однако, остывшая кора Земли растрескалась на отдельные плиты, которые, под воздействием внутри-земного тепла и других причин, начали двигаться относительно друг друга по слою нижележащей «мантии». Примерно 2 млрд лет назад (как сегодня считается) эти плиты в очередной раз собрались в «супер-континент», объединявший практически всю тогдашнюю земную сушу; в геологии его называют Нуна, или еще Колумбия.
В истории Земли такие суперконтиненты появлялись и раньше, и всякий раз их образование влекло за собой выдавливание со дна океана огромных массивов вещества. Так было и при образовании Нуны. Но с одной разницей – этот континент образовался как раз в то время, 1.8 млрд лет назад, когда в воздухе уже появилось, как мы только что видели, немного свободного кислорода, выделенного бактериями, и органические остатки, выйдя из недр наверх, «на волю», и придя, таким образом, в соприкосновение с этим кислородом, начали бурно его поглощать. Постепенно сложилось динамическое равновесие: сколько кислорода выделяли бактерии, столько же его поглощали органические остатки, так что для появления более сложных форм жизни опять ничего не оставалось.
Предположение Дентона-Джэйнза практически решает загадку кислорода, остается «всего-ничего» - объяснить еще, как же был все-таки разорван этот порочный круг. Авторы, честь им и хвала, объясняют и это. По их мнению (изложенному в другой статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences), новый - и могучий – толчок к дальнейшей эволюции живого дали ... растения.
Дело было так, - объясняют они. На первых порах весь свободный кислород уходил, как уже сказано, на окисление органических остатков. Но если раньше эти остатки оседали на дно океана, то теперь, после образования гигантской суши, они стали постепенно покрывать также ее поверхность – сначала тончайшим, а потом все более толстым слоем. (Для наглядности напомню, что сегодня такие осадочные породы покрывают 70% всей поверхности Земли). И на этой богатой минералами и углеродом почве со временем возникли первые, самые простейшие растения - мхи и лишайники (симбиоз первых грибковых с сине-зелеными водорослями), способные производить кислород из углекислого газа с помощью фотосинтеза.
По расчетам авторов, такое «растительное» производство кислорода стало дополнять его «бактериальное» производство уже 700-600 млн лет назад. Появление этого дополнительного источника кислорода авторы называют «второй кислородной катастрофой», потому что она покончила с господством бактериальных остатков, которые раньше поглощали весь свободный кислород. Отныне, благодаря растениям, кислорода стало производиться больше, чем поглощаться, и атмосфера стала быстро им обогащаться. Расчеты Лентона и Джэйнза показали, что уже 445 млн лет назад растения производили 30% всего нынешнего производства кислорода на Земле, а 420-400 млн лет назад благодаря совместной работе растений и бактерий содержание свободного кислорода в земной атмосфере достигло нынешнего уровня и с тех пор лишь немного колебалось около него. Единственный «выброс» произошел в т.н. каменноугольный период (360-300 млн лет назад), когда по непонятным причинам содержание кислорода в атмосфере скачком поднялось до 35%; некоторые ученые полагают, что этим объясняются относительно большие размеры тогдашних животных, однако большинство специалистов остаются при мнении, что повышенное содержание кислорода способствует лишь росту и усложнению биологического многообразия.
Впрочем, «загадка кислорода» не кончается и на этом. Нетрудно заметить очередную «неувязку»: по расчетам Лентона, растения стали заметно пополнять атмосферу кислородом лишь 500-450 млн лет назад, а между тем т.н. «Кембрийский взрыв» (период бурного видообразования первых животных) произошел 600-550 млн лет назад. В чем причина такого «опережения»?
Ответ на этот въедливый вопрос тоже уже предложен. В декабре минувшего года американские ученые Рейнхарт и Планавский выдвинули гипотезу, согласно которой в истории эволюции существовал еще один (кроме недостатка кислорода) «сдерживающий» фактор - недостаток фосфора. Фосфор входит в состав всех живых организмов (хотя бы в составе их ДНК и РНК) и потому необходим для развития жизни. Но подобно кислороду, он тоже жадно соединяется с железом и потому на первых порах земной истории разделял судьбу оседавшего на дно кислорода.
Проведя многочисленные исследования образцов морского дна, начиная с древнейших времен, Рейнхарт и Планавский убедились, что в истории фосфора, как и в истории кислорода, был свой поворотный пункт: примерно 800 млн. лет назад он стал во все возрастающем количестве появляться в придонных слоях у берегов крупных и мелких водоемов – как раз там, где еще через 200 млн лет произошел Кембрийский эволюционный взрыв.
Но мало этого – как предполагают авторы, такое появление значительных количеств свободного фосфора отразилось на «поголовье» производителей кислорода, т.н. цианобактерий. У них появилось больше «фосфорной пищи», они стали активней размножаться, а это послужило первым толчком к нарастанию свободного кислорода в атмосфере – что, в результате, привело к Кембрийскому взрыву (вторым, куда более мощным толчком стало, как мы уже видели, появление растений).
Если все эти увлекательные гипотезы будут надежно подтверждены, мы с вами должны будем трижды благодарить судьбу за три уникальных события – появление цианобактерий, появление свободного фосфора и появление растений. Когда бы не они, не было бы сегодня сложной аэробной жизни на нашей планете.
*****************************************************************************************
Что вызвало величайшее извержение в истории?
Подобно континентам и суперконтинентам, геологи различают просто извержения и суперизвержения. За те 200 тысяч лет, в течение которых развертывалась наша человеческая история, такое суперизвержение случилось только один раз, - но оно чуть не прервало нашу историю. Это было извержение вулкана Тоба, произошедшее 73 тысячи лет назад в Индонезии, когда в воздух разом взлетело 2800 кубических километров пепла и лавы, покрывших затем толстым слоем всю Индонезию и Индию. Похолодание, вызванное отражением солнечных лучей от пепла в атмосфере, было глобальным и резко сократило численность живых существ на Земле, в т.ч. и людей.
Чем было вызвано такое мощное извержение? Ответ на этот вопрос предложили недавно шведские ученые из университета в Упсале. Они изучили состав кварцевых кристалликов в концентрических слоях вокруг кальдеры в Тобе (впадины на месте вулкана). Состав этих кристалликов отражает изменения магмы в жерле будущего вулкана, подобно тому, как древесные кольца отражают условия роста дерева. Эти крохотные кристаллики крайне трудно анализировать, но труды шведских ученых окупились – в кристалликах из самого внешнего кольца они нашли такие отличия в изотопах кислорода, которые указывали, что магма перед самым извержением расплавила и поглотила огромное количество вышележащих скал (для которых как раз характерно такое различие изотопов). Но эти скалы, как показало исследование, содержали также большое количество воды. По мнению авторов, быстрое превращение этой воды в пар столь же быстро привело к колоссальному скачку давления внутри магмы, что и вызвало такой сверхмощный взрыв.
Возможно ли повторение Тобы в обозримом будущем? «Разумеется, - ответил один из авторов, д-р Франсез Диган, на такой вопрос. – Это вполне возможно, но в следующий раз мы будем лучше подготовлены».
Интересно, что он имел в виду?
Рафаил Нудельман
"Окна", 30.3.2017