Питер Уорд - Новая история происхождения жизни на Земле

• Название: Новая история происхождения жизни на Земле
• Автор: Питер Уорд
• Издательство: Питер
• Жанр: Биология
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-496-02014-5

Общепринятая история происхождения жизни на Земле устарела. Двое ученых, Питер Уорд и Джозеф Киршвинк, предлагают книгу, в которой собраны все выводы последних исследований. Авторы показывают, что многие наши прежние представления об истории происхождения жизни неверны. Во-первых, развитие жизни не было неторопливым, постепенным процессом: катаклизмы способствовали формированию жизни больше, чем все остальные силы вместе взятые. Во-вторых, основа жизни — углерод, но какие еще элементы определили ее эволюцию? В-третьих, со времен Дарвина мы мыслили в категориях эволюции видов. На самом деле имела место эволюция экосистем — от подводных вулканов до тропических лесов, — которые сформировали мир, каким мы его знаем. Опираясь на свой многолетний опыт в палеонтологии, биологии, химии, астробиологии, Уорд и Киршвинк рассказывают историю жизни на Земле, такую фантастическую, что ее трудно представить, и в то же время такую знакомую, что нельзя пройти мимо.

---

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

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

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

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

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

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

Показатели углекислого газа и кислорода в фанерозое

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

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

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

Глава 3 Жизнь, смерть и состояние, недавно между ними обнаруженное

В 2006 году пошел слушок, что проводится целая серия любопытных экспериментов, связанных с жизнью, смертью, а также странной и неустойчивой комбинацией этих двух состояний. Сначала все выглядело как досужие разговоры в кругу коллег, потом тема медленно дозрела до последовательных обсуждений на научных конференциях и, наконец, соответствующие открытия расцвели буйным цветом в многочисленных блестящих работах, опубликованных дотоле неизвестными биологами. Марку Роту не суждено было долго пребывать в безвестности, особенно после того как Фонд Макартуров вручил ему грант для гениев в 2010 году Марк Рот — первооткрыватель в своей области, исследователь неизведанной территории. Это человек, который многое может рассказать нам не только о том, что такое «жизнь», но и что такое «жить», а также о том, что одно вполне может существовать без другого, и если не сегодня, то уж точно в те давние времена, когда жизнь на Земле только появилась.

Рот открыл, что близкие к смертельным дозы сероводорода погружают млекопитающих в состояние, которое можно описать только как приостановленная подвижность[37], анабиоз. В массовой культуре словечко это весьма распространенное, особенно благодаря научной фантастике, однако именно это и происходит на самом деле с живыми организмами, обработанными таким газом. Подвижность останавливается не только в смысле наблюдаемости — подопытные животные больше не двигаются, сильно замедляются сердцебиение и дыхание, но движения нет и на более фундаментальных уровнях. Крайне замедляются нормальные функции тканей и клеток. И происходит даже нечто более удивительное: млекопитающие теряют свою способность к терморегуляции. Они перестают быть теплокровными и переходят в низший класс хордовых — в холоднокровные. При этом они ни мертвы, ни по-настоящему живы, поскольку по своему основополагающему признаку млекопитающих они вроде как мертвы, но смерть эта временная. Она «закончится», если действие газа прекратится через какое-то определенное время, и все нормальные функции восстановятся. Помимо очевидных медицинских перспектив, это новое понимание порядка вещей раскрывает, что именно есть жизнь, а что — нет.