Станислав Дробышевский - Палеонтология антрополога. Книга 1. Докембрий и палеозой

• Название: Палеонтология антрополога. Книга 1. Докембрий и палеозой
• Автор: Станислав Дробышевский
• Жанр: Биология
• Год: 2020
• ISBN: 978-5-04-102429-1

Кажется, что в вихре тысячелетий кружатся в безумном хороводе причудливые чудища, рвут друг друга на части, хаотично сменяют одно другого. Но нет, не так работает эволюция! Чудищ хватает, но во всём есть определённая логика, и её постижение – суть палеонтологии. В первой части трилогии популярного российского учёного Станислава Дробышевского вас ждёт история Земли в докембрии и палеозое: атмосферные особенности, древнейшие виды, зарождение жизни и ужасные катаклизмы.

---

Свойства уже образовавшейся жизни тоже не предопределены. Генетический код мог оказаться иным, чисто химически он ничем не обусловлен, это результат случайности. Число нуклеотидов и аминокислот потенциально гораздо больше, чем есть в наших организмах. Жизнь могла возникнуть и не один раз на одной планете, и конкурирующие варианты с разными нуклеотидами, аминокислотными составами и генетическими кодами могли развиваться параллельно.

С другой стороны, при иных исходных условиях жизнь могла бы зародиться на основе совсем других химических элементов – кремния или азота. В недрах гигантских газовых планет типа Юпитера и Сатурна при огромном давлении и температуре азот потенциально может образовывать огромное количество соединений, вероятно, даже большее, чем углерод на Земле. Такая газовая жизнь принципиально отличалась бы от нашей; даже не факт, можно ли называть ее жизнью. Проблема в том, что чисто физико-химически жители газовых гигантов не могут существовать даже в верхних слоях своей планеты, они ограничены потолком своего мира. Они не могут подняться над облаками и увидеть звезды. Как им узнать, что они живут на планете, одной из миллиардов во Вселенной? И мы не можем опуститься в их обиталище – у нас нет материалов, способных выдержать такие условия и передать оттуда сигнал. Как нам узнать о существовании друг друга, как наладить контакт?

Архей

4,0 – 2,5 миллиарда лет назад: Заря жизни

МЕЖДУНАРОДНАЯ ШКАЛА

4 млрд л. н.: эоархей (3,6) – палеоархей (3,2) – мезоархей (2,8) – неоархей (2,5)

РОССИЙСКАЯ ШКАЛА

раннеархейский эон (3,2) – позднеархейский эон: нижнелопийская эра (3,0) – среднелопийская эра (2,8) – верхнелопийская эра (2,5)

Архей – огромные полтора миллиарда лет, про которые мы очень мало знаем. В это время уже однозначно была одноклеточная жизнь, но только на уровне безъядерных организмов – архей и бактерий. Они оставили немного следов. Наша задача – по микроскопическим пятнышкам и полоскам на камнях понять, что творилось в древних морях.

* * *

Планета продолжала меняться. Предполагают, что на границе катархея и архея Земля была бомбардирована массой астероидов; по крайней мере в лунных кратерах застывшие породы имеют возраст 4,1-3,8 млрд л. н., наиболее вероятно – 3,85 млрд л. н. Возможно, именно из-за этого катаклизма сейчас на планете почти не осталось образцов катархейской коры. Есть даже версия, что первая жизнь была уничтожена «поздней тяжелой бомбардировкой», а в архее зародилась новая; все же более вероятно, что Лука и его потомки просто пережили катастрофу в нетронутых убежищах.

Как выглядела планета в архее, трудно представить. Палеогеографы предполагают, что примерно 3,6 – 3,1 млрд л. н. существовал единый суперконтинент Археогея, или Ваальбара, который развалился и 3 – 2,8 млрд л. н. пересобрался в континент Ур. Впрочем, эти построения крайне гипотетичны; не исключено, что Ваальбара и Ур – одно и то же, а может, одновременно с ними существовали и другие земли.

Погружавшееся в недра Земли железо образовало жидкое ядро, и в силу вращения 3,2 – 3,6 млрд л. н. возникло магнитное поле, уберегающее нас от губительной космической радиации. Без сомнения, это стало неплохим гарантом развития жизни, так как слишком частые нарушения структуры РНК и ДНК не позволяют формироваться устойчивым биохимическим комплексам. До этого жизнь была возможна лишь в хорошо защищенных местах, теперь могла выходить ближе к поверхности, так что в качестве типа питания стал возможен фотосинтез.

Это, кстати, великая проблема: какой вариант потребления вещества и энергии был первичным?

С одной стороны, гетеротрофный тип питания – использование готовой органики – биохимически проще, но откуда тогда бралась бы органика в таких количествах? Впрочем, она могла синтезироваться в достаточных объемах сама собой из неорганики, как это происходило еще даже до появления планеты, например, абиогенным фотосинтезом на сульфиде цинка.

Во-вторых, первыми могли быть хемоавтотрофы, существа типа современных архей, которые из неорганических веществ могут создавать органику, причем первичного ресурса хватало бы, чтобы существовать в таком режиме почти неограниченное время в полной изоляции. Показательно, что одни из самых архаичных современных существ – именно хемоавтотрофы, хотя они все равно используют более сложные биохимические реакции, чем гетеротрофы.

В-третьих, изначальным типом питания мог быть и фотосинтез, подобный тому, что применяют современные цианобактерии. Этот вариант – самый сложный, непонятно, как бы он возник первым, однако древнейшие известные нам живые существа были, видимо, именно фотоавтотрофами.

А в архее мы знаем, собственно, первых живых существ. Древнейшие осадочные породы и древнейшие следы жизни найдены в разных местах: Нуввуагиттук (Канада, 3,77 – 4,3 млрд л. н.), Джек Хилл (Австралия, 4,1 – 4,4 млрд л. н.), Исуа (Гренландия, 3,7 – 3,8 млрд л. н.), Кунтеруна (Австралия, 3,515 – 3,52 млрд л. н.). В столь древних слоях обнаружены даже не отпечатки самих организмов, а следы их жизнедеятельности в виде изменения химии пород. Например, в Нуввуагиттуке это – легкий изотоп углерода в карбонатах, а также гематитовые микроволокна и трубочки, подобные тем, что образуются в результате жизни бактерий.

Дрессер. Строматолиты из западной Австралии

Древнейшие бесспорные прокариоты – безъядерные организмы – заметно моложе: Онвервахт (Южная Африка, 3,5 млрд л.н.), Дрессер, Норт Поул (Австралия, Пилбара, Варравуна, 3,47 3,496 млрд л.н.), Тауэрс и Маунт Ада (Австралия, Пилбара, Варравуна, 3,47 млрд л.н.). Кем были организмы, чьи отпечатки палеонтологи находят в камнях – точно неизвестно. Вроде бы они похожи на бактерий, но для столь малых и примитивных существ внешнее сходство ненадежно – все они выглядят как цепочки из шариков. Часто предполагают, что это – отпечатки цианобактерий, но с большей вероятностью они могли быть анаэробными аноксигенными фотосинтетиками типа современных зеленых нитчатых бактерий Chloroflexus aurantiacus и зеленых серных бактерий Chlorobium limicola. Эти бактерии не затрачивают и не выделяют кислород, а именно это было важно в архее, когда свободного кислорода не было ни в воде, ни в воздухе, а у самих бактерий, соответственно, не существовало защиты от него. Кстати, такие бактерии снабжены не обычным хлорофиллом, а бактериохлорофиллом. Он может улавливать не только солнечный свет, но и гораздо более тусклое длинноволновое излучение гидротермальных источников, чем занимается, например, серобактерия GSB1 из темных глубин около Коста-Рики.

Впрочем, и цианобактерии возникли в том же архее, только, видимо, чуть попозже, ближе к 3 млрд л.н. или даже еще ближе к современности – 2,7 – 2,5 млрд л. н. В любом случае древнейшие химические следы хлорофилла из серии Фиг Три в горах Барбертон в Южной Африке имеют возраст 3,2 млрд л. н. С этого момента началась новая жизнь. Первые цианобактерии, судя по различию генов и ферментов в разных современных классах, были анаэробами и не умели фотосинтезировать, но все же научились – да еще как! Самое важное, что цианобактерии изобрели оксигенный фотосинтез, то есть такой, при котором выделяется кислород. В последующем это стало залогом нашего появления.

Маленькая тонкость

Почему растения зеленые? Одним из первых назначений пигментов в клетках могла быть просто защита от губительного ультрафиолета. Но в последующем энергия поглощаемого света стала использоваться для синтеза углеводов. А свет бывает разный. Синие фотоны (физики возмутятся такой формулировкой, но что поделать – так короче и нагляднее) высокозаряженные, несут много энергии, но хорошего много не бывает, Солнце-то у нас желтое. Так что они вкусные, но их мало. Красные фотоны – низкозаряженные, зато их навалом, как всегда бывает с халтурой; их тоже хорошо использовать. Зеленые же фотоны и не сильно полезные, и не так уж их много, так что их можно не поглощать, а отражать. Отраженный свет попадает нам в глаз – и мы видим зеленое растение.

Важно, что даже самые первые известные живые существа уже жили сообществами. В палеонтологическом виде их находят в виде строматолитов – «слоистых камней». Сейчас строматолиты тоже существуют, они известны, например, у берегов Австралии и в Карибском море. Правда в зависимости от конкретных условий местности бактерии в строматолите могут быть разными, но принципиальная суть у них одна.

Стандартный строматолит выглядит как круглый камень на ножке, стоящий неглубоко в воде и покрытый невнятной слизью. Слизь же состоит из трех слоев. Самый наружный составлен бактериями-фотосинтетиками, которые используют свет для получения энергии, из окружающей воды берут, что им надо для жизни, перерабатывают это и гадят под себя. Во втором слое сидят бактерии, часто тоже фотосинтетики, так как сквозь первый слой какое-то количество света проходит; они используют то, что упало им на «головы», перехимичивают еще разок и получают еще немного энергии, а потом, ясно, гадят дальше. Третий слой самый несчастный, он сидит в темноте, а в том, что достается ему сверху, энергии уже совсем мало. Поэтому на выходе от бактерий третьего слоя получается совсем уж безыдейный осадок, который смешивается со всякой бесполезной грязью, оседающей из воды, и превращается в минеральный слой. После тысяч лет такой карусели получается слоистый булыжник, который, если его распилить, выглядит очень красиво.