Кислород. Молекула, изменившая мир - [13]
Однако первым источником кислорода в атмосфере был не биологический процесс фотосинтеза, а его химический эквивалент. Лучшей иллюстрацией значения скорости реакции являются биологические процессы. Солнечная энергия, особенно в виде ультрафиолетовых лучей, может расщеплять воду на водород и кислород без участия биологических катализаторов. Газообразный водород очень легкий и преодолевает земное притяжение. Кислород гораздо тяжелее и поэтому удерживается в атмосфере. Бóльшая часть кислорода, образовавшегося на первозданной Земле, реагировала с железом в горных породах и океанской воде, постепенно включаясь в состав коры. В результате стала исчезать вода, поскольку после ее расщепления водород утекал в космическое пространство, а кислород не накапливался в воздухе, а поглощался земной корой.
Считается, что расщепление воды под действием ультрафиолетового излучения стало причиной исчезновения океанов на Марсе и Венере[11]. Сегодня обе планеты безводны и безжизненны; их кора окислена, а атмосфера наполнена углекислым газом. Обе планеты медленно окисляются, и в их атмосфере всегда содержится лишь следовое количество свободного кислорода. Почему это случилось на Марсе и на Венере, но не случилось на Земле? Возможно, критическим параметром была скорость образования кислорода. Если кислород образуется медленно — не быстрее, чем горы, минералы и газы подвергаются выветриванию и воздействию продуктов вулканической активности, — он полностью связывается корой. Кора постепенно окисляется, но в воздухе кислород не накапливается. И только если кислород образуется быстрее, чем взаимодействует с новыми горами и минералами, он может накапливаться в атмосфере.
Сама жизнь спасла Землю от участи Марса и Венеры. Вливание кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза, позволило превзойти потребность реагирующих с кислородом веществ в океанах и земной коре, так что оставшийся кислород стал накапливаться в атмосфере. А в присутствии свободного кислорода прекратилась потеря воды. Дело в том, что кислород взаимодействует с большей частью водорода, выделяющегося при расщеплении воды, в результате чего вновь образуется вода, пополняющая океаны. Крупнейший ученый и автор гипотезы Геи Джеймс Лавлок считает, что сегодня скорость выделения водорода в космос составляет около 300 тыс. тонн в год. Это эквивалентно потере 3 млн тонн воды. Возможно, цифра жутковатая, но из расчетов Лавлока следует, что при такой скорости испарения за 4,5 млрд лет Земля потеряет всего 1% океанской воды. Этой защитой мы обязаны фотосинтезу. Даже если на Марсе или Венере когда-то существовала жизнь, можно однозначно утверждать, что эта жизнь не изобрела фотосинтез. Без преувеличения можно сказать, что своим существованием на Земле мы полностью обязаны раннему изобретению фотосинтеза и быстрому вливанию кислорода в атмосферу за счет действия биологических катализаторов.
И этой книге я не буду рассказывать о том, как на Земле зародилась жизнь. Те, кому это интересно, могут прочесть труды Пола Дэвиса, Грэхэма Кернс-Смита и Фримана Дайсона, перечисленные в разделе «Дополнительная литература». Мы будем исходить из предположения, что жизнь зародилась в океанах Земли, окруженной атмосферой азота и углекислого газа, но лишь со следами кислорода. Вероятно, фотосинтез был изобретен рано. О том, как и почему это произошло, мы поговорим в главе 7. Теперь давайте посмотрим, как жизнь отреагировала на рост концентрации кислорода в воздухе. Стало ли загрязнение атмосферы кислородом причиной массового исчезновения живых организмов, как считали Линн Маргулис и другие ученые, или стимулировало внедрение эволюционных инноваций? Остались ли какие-то следы тех древнейших событий, которые позволили бы нам поддержать ту или иную версию?
Первый шаг в этом направлении исследований в 1960-х гг. сделал Престон Клауд, один из пионеров в области геохимии. Даже несмотря на значительный прогресс в этой области науки, его труды и взгляды до сих пор оказывают значительное влияние на последователей. Клауд утверждал, что важнейшие события в ранней эволюции были связаны с изменениями содержания кислорода в атмосфере. Каждый раз, когда концентрация кислорода повышалась, жизнь расцветала по-новому. Клауд предложил три критерия для доказательства этой гипотезы: нужно точно знать, как и когда изменился уровень кислорода; нужно показать, что в это же время произошли адаптационные изменения; нужно найти реальные биологические связи между изменением концентрации кислорода и эволюционной адаптацией.
В трех следующих главах мы посмотрим, насколько справедлива гипотеза Клауда в свете современных данных.
Для упрощения задачи мы разделим историю Земли на три неравные части (рис. 1). Первая часть — докембрий, долгий период затишья до появления каких-либо видимых палеонтологических доказательств существования жизни, за исключением самых ранних многоклеточных форм жизни уже в самом конце этого периода. Потом произошел кембрийский взрыв, когда множество многоклеточных существ возникло неожиданно, как Афина из головы Зевса; от этого осталось множество свидетельств в виде окаменелостей уже полностью оформленных и покрытых броней (раковинами) существ. Наконец, пришла «современная» эпоха фанерозоя, характеризующаяся появлением наземных растений, животных и грибов, когда друг за другом стали возникать трилобиты, аммониты, динозавры и млекопитающие. Все условия, необходимые для активной эволюции многоклеточных форм жизни, сформировались уже в докембрийском периоде. Таким образом, глава 3 будет посвящена анализу докембрия, а главы 4 и 5 — соответственно кембрийскому взрыву и фанерозойскому эону.
