почему отсутствие газообразного кислорода обязательное условие для возникновения жизни на земле
Условия, необходимые для возникновения жизни
В наше время большая часть ученых полагает, что жизнь возникла естественным путем из неживой материи, но в условиях, резко отличающихся от современных и на протяжении периода, длившегося сотни миллионов лет.
При каких условиях может возникнуть жизнь?
Есть, очевидно, четыре главных условия, а именно:
Из необходимых химических веществ вода имеется на Земле в изобилии, а прочие неорганические соединения присутствуют в горных породах, в газообразных продуктах извержений вулканов и в атмосфере.
Но прежде чем говорить о том, как из этих простых соединении могли бы за счет различных источников энергии образоваться органические молекулы, обсудим третье и четвертое условия.
Время. Известно, что если при наличии катализатора то или иное превращение данного количества вещества завершается за одну-две секунды, то в его отсутствие для того же превращения могли бы потребоваться миллионы лет.
После того как простые органические молекулы появились, они должны были бы еще объединяться во все более крупные и сложные структуры, а вероятность того, что это произойдет, да еще при надлежащих условиях, представляется крайне ничтожной.
Однако при наличии достаточного времени даже самые маловероятные события могут рано или поздно произойти.
По современным данным, Земля образовалась приблизительно 5 млрд лет назад, а первые известные нам остатки прокариотических клеток обнаружены в горных породах, сформировавшихся на 1,1 млрд лет позднее.
Проведенные в соответствии с математической теорией вероятностей оценки показывают, что сколько бы ни маловероятным представлялось появление живых систем, тем не менее, времени (около 1 млрд лет) для таких случайных процессов могло быть достаточно.
Отсутствие газообразного кислорода. Очевидно, что жизнь могла возникнуть лишь в то время, когда в земной атмосфере не было или почти не было кислорода О₂.
Кислород взаимодействует с органическими веществами и разрушает их или лишает их тех свойств, которые делали бы их полезными для предбиологических систем. Это происходит медленно, но все же гораздо быстрее, чем протекали реакции, в результате которых должно было происходить образование органических веществ на древней Земле до появления жизни.
Поэтому если бы органические молекулы на древней Земле соприкасались с кислородом, то они существовали бы недолго и не успевали бы образовать более сложные структуры.
Древнейшие породы образовались на Земле в то время, когда ее атмосфера еще не содержала кислорода. Атмосферы самых больших планет нашей Солнечной системы Юпитера и Сатурна состоят главным образом из газообразного водорода (Н₂), воды (Н₂О) и аммиака (NН₃).
Первичная земная атмосфера могла иметь такой же состав, но водород, будучи очень легким, вырывался, вероятно, из сферы притяжения Земли и рассеивался в космическом пространстве.
Солнечное излучение, гораздо более интенсивное на Земле, чем на внешних планетах, должно было вызывать разложение аммиака на газообразный водород (тоже ускользавший в космическое пространство) и газообразный азот.
В то время, когда на Земле зарождалась жизнь, земная атмосфера состояла, вероятно, главным образом из водяных паров, двуокиси углерода и азота с небольшой примесью других газов при почти полном отсутствии кислорода. Практически весь кислород, содержащийся в атмосфере в настоящее время, — это продукт фотосинтеза, происходящего в живых растениях.
Поиски истоков жизни
Миллер создал прибор, с помощью которого можно было в миниатюре воспроизвести условия, существовавшие на древней Земле. “Атмосферой” в этой модели служила смесь газообразного водорода, аммиака и метана, поскольку по существовавшим тогда представлениям первичная атмосфера состояла именно из этих газов.
В камеру с “атмосферой” были вмонтированы электроды для получения электрических разрядов, имитировавших молнии — возможный источник энергии для химических реакций на древней Земле.
Потребовалась всего неделя экспериментов, чтобы в камере было обнаружено много различных органических соединений. Особо важно, что в этой смеси присутствовали такие соединения, как аминокислоты.
Ведь аминокислоты — это строительные блоки белков, а ученые уже осознали, какую важную роль играют белки в различных видах активности живых клеток. При отсутствии кислорода во всех этих опытах удавалось получить широкий набор различных органических продуктов.
Эти соединения образуются в настоящее время в тех случаях, когда газообразные продукты извержения вулканов и лава вступают в реакцию с водой. Кроме того, различные органические соединения обнаруживаются также в метеоритах и в атмосфере других планет. Все это подтверждает, что органические вещества могли образоваться на древней Земле без участия живых организмов.
Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров. Для образования полимеров требовалась энергия. Требовалось также, чтобы воды при этом было не слишком много, потому что вода служит исходным соединением для гораздо более быстрой обратной реакции — расщепления полимеров на мономеры. Чтобы сохранять стабильность, смесь коротко цепочечных полимеров должна содержать как можно меньше воды.
При нагревании сухой смеси аминокислот таким образом — с помощью тепловой энергии — были получены цепи из аминокислот, которые были названы протеиноидами (т. е. белковоподобными веществами).
Некоторые протеиноиды способны, подобно ферментам, катализировать определенные химические реакции; возможно, именно эта способность была главной чертой, определившей их последующую эволюцию вплоть до возникновения настоящих ферментов.
Другие исследователи также получали полимеры посредством реакций, в которых катализаторами служили глины.
Дождь или прилив, уносившие такие длинноцепочечные полимеры в море, уже, вероятно, не могли разрушить их.
Действительно, если смешать в воде различные виды полимеров, то они могут объединиться и образовать более крупные структуры. Какими свойствами должен был обладать подобный агрегат, чтобы мог превратиться в клетку?
Мы знаем три главных свойства всех современных клеток, и ясно, что предшественники настоящих клеток должны были обладать хотя бы зачатками этих свойств.
Они должны были иметь:
Агрегаты действительно обнаруживают какие-то следы всех упомянутых признаков. В силу своих особых химических свойств присутствующие в смеси липиды образуют на поверхности агрегатов оболочки.
Агрегаты избирательно поглощают вещества из окружающей воды, так что многие малые молекулы накапливаются в них в весьма значительной концентрации. Некоторые агрегаты легко поглощают полимеры, состоящие из нуклеотидов (предшественников нуклеиновых кислот, которые являются носителями генетической информации в современных клетках).
Кроме того, агрегаты проявляют способность катализировать различные химические реакции, в том числе и объединение малых молекул в полимеры. Свои внутренние полимеры они стабилизируют, снижая их склонность к распаду на мономерные звенья.
В живых клетках осуществляется ряд сложных химических превращений, слагающихся из многих этапов. Совокупность всех химических реакций в живой клетке объединяют понятием “метаболизм”; сюда входят дыхание, высвобождающее энергию из питательных веществ; использование энергии для движения, для синтеза полимеров и для накопления веществ, поступающих в клетку из среды; превращение одних веществ в другие, после чего они используются, запасаются или выводятся из клетки.
Присутствие в агрегате молекул, катализирующих реакции, которые делали его более стабильным, обеспечивало ему более длительное существование.
Исходные вещества для таких реакций в первое время были, вероятно, в изобилии, поскольку агрегатов, которые в них нуждались, было еще мало.
Однако такие удачные, стабильные агрегаты росли и распадались на фрагменты; к ним добавлялись новые спонтанно возникшие агрегаты, и в конце концов необходимое сырье, очевидно, расходовалось быстрее, чем оно образовывалось под влиянием грозовых разрядов, в теплых лужах, остающихся после отлива, или в результате деятельности вулканов.
В этих условиях должен был начаться отбор, благоприятствующий системам, способным более эффективно конкурировать за сырье, которого уже не хватало, или же системам, способным превращать в сырье какие-нибудь другие вещества, в которых недостатка не ощущалось.
В конечном итоге конкуренция между системами, способными использовать эти другие вещества, должна была истощить и их запасы.
Преимуществом при отборе должны были пользоваться те системы, у которых катализаторы, осуществлявшие различные реакции, действовали быстрее всего: эти системы могли быстрее других накапливать необходимое им сырье, расти и размножаться.
Попробуем теперь представить себе, как в процессе эволюции могли образоваться такие метаболические системы, обеспечивающие клетки энергией. Биологам уже давно известно, что энергию для химических реакций в живых клетках поставляет аденозинтрифосфат.
Вначале было высказано предположение, что первые агрегаты получали энергию, поглощая АТФ из окружающего “бульона”, в котором он синтезировался из неорганических соединений.
Позже, однако, выяснилось, что все клетки обладают способностью запасать энергию, перекачивая ионы водорода Н+ с одной стороны мембраны на другую. Эта энергия может затем непосредственно расходоваться на перенос веществ через мембрану или использоваться для ресинтеза АТФ.
Возможно, что у первых агрегатов или у примитивных клеток были такие “насосы”, приводимые в движение энергией солнечного света; известно, что этот источник энергии используют и в настоящее время некоторые виды бактерий для своих простых “насосов”ионов Н +.
Эти “насосы”, вероятно, поставляли гораздо больше энергии и создавали также возможность для многократного использования одного и того же АТФ. В процессе эволюции таких “насосов” могли возникнуть более длинные и более сложные цепи переноса электронов, подобные тем, какие мы обнаруживаем теперь, исследуя фотосинтез и дыхание.
Хотя образовавшиеся путем самосборки агрегаты и имеют что-то общее с нынешними клетками, их все же нельзя считать “живыми”, поскольку они не обладали генетической информацией, которая позволяла бы им точно воспроизводить самих себя.
У современных организмов большая часть генетической информации закодирована в последовательности нуклеотидных мономеров ДНК.
ДНК содержит “инструкции” по изготовлению точных своих копий; поэтому при клеточном делении две дочерние клетки получают совершенно идентичную генетическую информацию. Кроме того, ДНК направляет образование молекул РНК, а РНК в свою очередь определяет, в какой последовательности объединятся разные аминокислоты при образовании тех или иных белков.
В белковом синтезе участвуют различные молекулы, и все они, для того чтобы реакции могли идти, должны быть очень точно “подогнаны” друг к другу. Сейчас представляется вероятным, что первым носителем генетической информации была РНК, а не ДНК, которая выполняет эту роль почти у всех ныне живущих организмов.
Недавние эксперименты приводят к выводу, что генетическая информация возникла в форме РНК-полимеров, способных удваиваться. Можно представить себе, что эти РНК-полимеры со временем приобрели способность направлять сборку белков, а белки в свою очередь стали катализировать синтез новых копий РНК с большей скоростью.
Между этими двумя классами веществ постепенно возникло “разделение труда”. Белки стали непосредственно осуществлять сборку новых молекул РНК и новых белков, а РНК — обеспечивать этот процесс необходимой информацией.
В процессе эволюции преимуществом должны были обладать агрегаты молекул, в которых взаимосвязи между протеиноидами и нуклеиновыми кислотами становились более четкими, потому что удачные комбинации могли давать удачное потомство и, следовательно, становились более многочисленными.
В конечном итоге сформировалась существующая ныне система, со специфической функцией у каждого вида молекул и с точным распознаванием молекул, которые должны взаимодействовать, чтобы воспроизводить ДНК и синтезировать белки в соответствии с генетическими “инструкциями”.
Дальнейшее развитие жизни
С появлением надежного механизма воспроизведения генетической информации процесс возникновения жизни завершился. Эра химической эволюции закончилась и наступила эра естественного отбора. Теперь уже недостаточно было просто выжить: отбор среди клеток велся по способности получать энергию более эффективным путем и обращать ее на создание потомства.
В течение долгого времени все организмы были гетеротрофами, так как пищей им служили органические молекулы из окружающего “бульона”.
Важным событием в эволюции жизни было развитие автотрофности, т. е. способности организмов синтезировать питательные вещества из неорганических соединений. После появления автотрофов живой мир перестал зависеть от органических веществ, которые медленно образовывались в среде; теперь Земля могла прокормить во много раз больше живых существ.
Есть бактерии, живущие за счет хемосинтеза, т. е. добывающие энергию путем окисления различных неорганических соединений и использующие ее для фиксации углекислого газа в форме органических веществ в отсутствие света.
Имеются также бактерии с неодинаково выраженной способностью улавливать световую энергию. Фотосинтезирующие бактерии для получения водородных атомов, которые требуются им при построении органических веществ, разлагают не воду, а некоторые другие соединения и не образуют такого побочного продукта, как кислород.
Изучая эти бактерии, мы можем составить себе представление о тех этапах, через которые могла идти эволюция фотосинтетического пути, имеющегося у современных высших растений.
Большая часть кислорода в нашей атмосфере представляет собой продукт фотосинтеза. Появление кислорода в атмосфере привело к серьезному кризису, коренным образом изменившему условия среды. Это разрушительное действие кислорода породило, вероятно, давление отбора, которое и обусловило следующий важный шаг в эволюции живого — возникновение дыхания.
С течением времени в процесс дыхания включались все новые и новые этапы. Это давало клеткам возможность лучше регулировать извлечение энергии из продуктов гликолиза (образования глюкозы) и обеспечило больший выход энергии.
Способность синтезировать при дыхании большое количество АТФ в расчете на одну расщепленную молекулу глюкозы позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также обзаводиться новыми ферментами и новыми структурами.
Кислород точно исчезнет: что будет с Землей без главного источника жизни
Моделирование климата Земли показывает, что более чем через миллиард лет количество кислорода в атмосфере нашей планеты уменьшится почти в 100 раз. Что ждет планету после?
Читайте «Хайтек» в
Атмосфера Земли
Атмосфера — газовая оболочка небесного тела, удерживаемая около него гравитацией. Поскольку не существует резкой границы между атмосферой и межпланетным пространством, то обычно атмосферой принято считать область вокруг небесного тела, в которой газовая среда вращается вместе с ним как единое целое. Толщина атмосферы некоторых планет, состоящих в основном из газов (газовые планеты), может быть очень большой.
Атмосфера Земли содержит кислород, используемый большинством живых организмов для дыхания, и диоксид углерода, потребляемый растениями и цианобактериями в процессе фотосинтеза. Атмосфера также является защитным слоем планеты, защищая ее обитателей от солнечного ультрафиолетового излучения и метеоритов.
Атмосфера есть у всех массивных тел — газовых гигантов и большинства планет земного типа в Солнечной системе, кроме Меркурия.
Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое. Она переходит в межпланетное пространство постепенно, в экзосфере, начинающейся на высоте 500–1000 км от поверхности Земли.
По определению, предложенному Международной авиационной федерацией, граница атмосферы и космоса проводится по линии Кармана, расположенной на высоте 100 км, выше которой авиационные полеты становятся полностью невозможными.
NASA использует в качестве границы атмосферы отметку в 122 км (400 000 футов), где «шаттлы» переключались с маневрирования с помощью двигателей на аэродинамическое маневрирование.
Атмосфера Земли возникла в результате двух процессов: испарения вещества космических тел при их падении на Землю и выделения газов при вулканических извержениях (дегазация земной мантии). С выделением океанов и появлением биосферы атмосфера изменялась за счет газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.
В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).
История образования атмосферы
Согласно наиболее распространенной теории, атмосфера Земли на протяжении истории последней перебыла в трех различных составах. Первоначально она состояла из легких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера.
На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера. Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:
Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим — азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).
Кислород в атмосфере
Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа.
Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений — аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и другом.
По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьезные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.
Почему кислород исчезает из атмосферы?
Оказалось, что в течение этого времени с Земли происходит довольно стабильная утечка кислорода со скоростью примерно 8,4 промилле за миллион лет. В частности за последние 800 тыс. лет в атмосфере стало примерно на 0,7% меньше кислорода.
Уменьшение количества кислорода в атмосфере происходит довольно медленно. Вероятно, в ближайшие миллионы лет оно не угрожает человеческой жизни. Но информация о природе таких циклов очень важна для науки.
Нужно знать, под влиянием каких факторов происходят изменения. Эту информацию можно использовать в том числе при терраформировании Марса, когда люди начнут заселение Красной планеты. Вероятно, нам придется повышать количество кислорода в марсианской атмосфере.
Почему кислород исчезает?
Ученые еще не пришли к единому мнению, почему атмосфера Земли медленно теряет кислород. Есть две гипотезы.
Кислород исчезнет полностью?
Да, по крайне мере к такому выводу пришли японский ученый из Университета Тохо Казуми Озаки и его американский коллега Кристофер Рейнхард из Технологического института Джорджии.
Специалисты смоделировали эволюцию атмосферы нашей планеты с учетом геологических, биологических и климатических факторов. В результате они выяснили, что земная атмосфера останется относительно стабильной еще около миллиарда лет, а после этого за несколько тысяч лет она превратится в практически бескислородную.
По мнению ученых, причина катастрофы будет заключаться в возросшей активности Солнца, из-за которой в атмосфере снизится содержание углекислого газа. Когда этот показатель дойдет до критической точки, на планете нарушится процесс фотосинтеза, и кислород перестанет поступать в атмосферу.
Биосфера не успеет адаптироваться к таким значительным изменениям среды. Мир примитивных анаэробных микробов, который сегодня скрывается в тени, снова возьмет верх.
Вывод авторов работы
Как Земля будет без кислорода?
Такое состояние уже было с нашей планетой до кислородной катастрофы.
Поскольку подавляющая часть организмов того времени была анаэробной, неспособной существовать при значимых концентрациях кислорода, произошла глобальная смена сообществ: анаэробные сообщества сменились аэробными, ограниченными ранее лишь «кислородными карманами». Анаэробные же сообщества, наоборот, оказались оттеснены в «анаэробные карманы» (образно говоря, «биосфера вывернулась наизнанку»).
В дальнейшем наличие молекулярного кислорода в атмосфере привело к формированию озонового экрана, существенно расширившего границы биосферы, и к распространению более энергетически выгодного (по сравнению с анаэробным) кислородного дыхания.
«Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием
Рис. 1. Архей — древнейшая (3,7–2,5 млрд лет) эпоха на нашей планете: тусклое солнце, густые тучи, мелкие моря, насыщенные сероводородом, бактериальные пленки с радужными разводами на их поверхности. Нужны новые исследования и новые подходы, чтобы узнать получше это время. Рисунок с сайта discoveryearth.ru
В 2002 году Генрих Холланд (Heinrich Holland) объединил целый ряд феноменов, связанных с рубежом архея и протерозоя, под именем «Великое кислородное событие» (Great Oxigenation Event). Имеющиеся данные позволяли представить этот рубеж таким образом: начало деятельности фотосинтетических организмов, накопление кислорода в связи с ней, и постепенное превращение планеты из восстановительной в окислительную. Последующие работы существенно скорректировали эту модель. Фотосинтетические организмы, выделяющие кислород, зародились на заре архейской жизни, но свободный кислород на рубеже архея и протерозоя появился благодаря изменениям характера земного вулканизма. 90% своей жизни планета имела практически бескислородную гидросферу и атмосферу, при этом в протерозое содержание кислорода оказывается существенно меньшим, чем предполагалось прежде, и исключительно непостоянным.
В 50-х годах XX века стали накапливаться данные о раннепротерозойском кислородном скачке (Кислородная катастрофа, или Great Oxigenation Event, «Великое кислородное событие»). Складывалось представление, что ранняя атмосфера планеты была восстановительной, а затем 2,6–2,2 млрд лет назад атмосфера и океан постепенно стали наращивать свободный кислород. Кислород образовывался как побочный продукт деятельности фотосинтетиков: для получения энергии они использовали самое легкодоступное вещество на планете — воду. Такая модель основывалась на геохимических данных. Основным из них считалось высокое содержание в архейских породах двухвалентного (недоокисленного) железа в виде пирита (FeS2), магнетита (Fe3O4), сидерита (FeCO3). Зерна пирита при этом могли быть хорошо обкатаны, а, следовательно, они подвергались активному воздействию поверхностных вод и атмосферы. Также показательным виделось присутствие в древнейших породах графита (неокисленного углерода), лазурита (Na2S — неокисленная сера), а также железо-марганцевых руд. Эти последние формируются преимущественно в низкокислородных условиях, так как в неокисленном состоянии железо и марганец мигрируют вместе, а при повышенном содержании кислорода железо теряет подвижность, и их пути расходятся. В конце 60-х годов было представлено еще одно важное доказательство в пользу восстановительной атмосферы на древней Земле: осадочные уранинитовые конгломераты. Они могли накапливаться только в отсутствии кислорода, поэтому их находят только в древнейших породах. В протерозойских породах стали преобладать минералы с высокой степенью окисления элементов, железо-марганцевые руды и ураниниты исчезли. Зато появились редкие элементы, которые включаются в осадочные минералы в присутствии кислорода.
Проверка и уточнение этой гипотезы заняли следующие четыре десятка лет. Что вызвало кислородную революцию? Каковы датировки этого события? Куда девался кислород до великой кислородной революции и был ли он вообще? Почему вброс кислорода на рубеже архея и протерозоя произошел относительно быстро, а накопление кислорода шло медленно? Какова роль живых организмов в этом процессе? На все эти вопросы следовало поискать ответы. На страницах Nature Тимоти Лайонз (Timothy Lyons) с коллегами из отделения наук о Земле Калифорнийского Университета в Риверсайде суммировали то, что за это время удалось узнать. Картина, как выясняется, и сложнее, и интереснее, чем первоначальная простая модель, схематично изображенная на рис. 2.
Рис. 2. Так в общих чертах суммировались данные о кислороде на Земле согласно принятой ранее модели. В архее появились фотосинтетики, которые выделяли кислород (это оксигенный фотосинтез). За счет их деятельности океан и атмосфера местами обогащались кислородом, но их деятельность была вторичной по отношению к доминирующим анаэробным процессам. На границе архея и протерозоя (2,4–2,3 млрд лет) происходит выброс кислорода в атмосферу, уровень кислорода быстро (в геологическом масштабе) устанавливается на уровне 0,01 от современного (PAL — Present Atmosphere Level) и остается таким на протяжении всего протерозоя. Считается, что кислород уходит на окисление металлов в коре, в основном железа. В позднем протерозое (800–600 млн лет назад) уровень кислорода повышается снова, так как все железо к этому времени уже окислилось. Повышение уровня кислорода дает толчок развитию многоклеточной жизни. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
В связи с обсуждениями этой модели прежде всего следует задать вопрос о датировках кислородного события: все же, когда это произошло? Обычно, отвечая на этот вопрос, ссылаются на данные по фракционированию серы. Из-за разной реакционной способности изотопы серы накапливаются в минералах в определенных соотношениях — в этом и суть фракционирования изотопов. По этим соотношениям судят о механизмах фракционирования: механических соответственно массе изотопов (это масс-зависимое фракционирование) или биологических (это масс-независимое фракционирование). Сигнал о смене масс-независимого фракционирования на масс-зависимое фракционирование легко читается в архейских и протерозойских породах. Считалось, что масс-независимое фракционирование обеспечивали бактерии сульфатредукторы: они предпочитали для своих нужд более легкие изотопы. Поэтому архейское время с масс-независимым сигналом считали анаэробным миром сульфатредукторов. А когда в наступившем кислородном изобилии их восстановительный мир, как предполагалось, съежился до крошечных анклавов, то и биологическое фракционирование серы в основном остановилось. И по этому сигналу датировалось наступление Великой кислородной революции. Однако удалось красиво доказать, что сдвиг от масс-независимого к масс-зависимому фракционированию изотопов серы объясняется вовсе не свержением сульфатредукторов с их господствующих позиций (об этом см. новость Древнейшие бактерии архея не были сульфатредукторами, «Элементы», 28.09.2012). Этот переход был связан с изменениями в архейской атмосфере (ее прозрачностью, плотностью, типами и объемом вулканических выбросов). Это не значит, что сульфатредукторов не было, это не значит, что не было биологического масс-независимого фракционирования серы. Это означает, что не следует связывать датировку событий фракционирования серы с кислородной революцией. Сульфатредукторы — своим чередом, а фракционирование серы — своим, и где тут помещается поступление кислорода — неизвестно. Более того, сигнал масс-независимого фракционирования может быть «размазан» во времени из-за постоянного геологического круговорота серы. Минералы, несущие тот или иной сигнал фракционирования, могли сформироваться в более древние времена, затем оказаться погребенными, затем вновь подняться к поверхности. Таким образом, древний сигнал может появиться и в более молодых образцах. Поэтому на сегодняшний день трудно, во-первых, связать сигнал о масс-независимом фракционировании с определенным временем, во-вторых, с определенным биологическим механизмом, в третьих, с кислородным событием.
Считалось также, что в рассуждениях об архейской жизни можно опираться на данные по биомаркерам — молекулам, специфически указывающих на тот или иной тип метаболизма и/или тип микроорганизмов. Такими, например, являются молекулы стеранов, присущих только эукариотам; для их синтеза необходим кислород. Стераны обнаружили в породах, возрастом 2,7 млрд лет. Пока ученые обсуждали, так ли уж необходим кислород для синтеза стеранов, а если необходим, то в каком количестве, оказалось, что взбудоражившие всех стераны являются позднейшим загрязнением (об этом читайте в новости Древнейшие следы эукариот и цианобактерий на Земле признаны поздним загрязнением, «Элементы», 29.10.2008). Кроме того, некоторые последние работы заставляют сомневаться в надежности данных по биомаркерам: из них многие могут оказаться позднейшим загрязнением. Но опять же, это не означает, что фотосинтетиков не было. Они были, и даже с большой вероятностью.
Чтобы подтвердить свои предположения, Лайонз с коллегами предлагает обратить внимание на график распределения органического вещества в осадочных породах архея (рис. 3).
Рис. 3. Распределение (по оси ординат откладывается кумулятивная частота, f) валового органического углерода TOC (Total Organic Carbon) в осадочных породах архея (красная пунктирная линия) по сравнению с неогеном (черная линия). Сходство между ними трудно не заметить. Вертикальными линиями отмечены усредненные показатели содержания углерода. График из обсуждаемой статьи в Nature
Рис. 4. Изотопные кривые углерода-13 (черная) и серы-33 (розовые и серые точки): эти кривые плохо соответствуют друг другу, их основные осцилляции приходятся на разные времена. На кривой изотопов серы хорошо виден переход от масс-независимого фракционирования к масс-зависимому. На изотопной кривой углерода хорошо видны резкие флуктуации в раннем и позднем протерозое. График из обсуждаемой статьи в Nature
Об изменениях в характере синтеза органики судили по резким скачкам на изотопной кривой δ 13 С (рис. 4). В раннем протерозое около 2,4 млрд лет назад на кривой появляется высокий положительный экскурс (то есть, происходило повышение доли захороненной биологической продукции углерода), а около 2,2–2,1 — отрицательный. Как выясняется, раннепротерозойский пик δ 13 С асинхронный, а значит, его нельзя просто истолковать как повсеместное увеличение органического производства. Скорее нужно рассматривать увеличение захороненной органики как результат дисбаланса между процессами накопления (захоронения) и разложения органики. Ясно, что если эти два процесса идут с одинаковой скоростью, то ничего не накапливается и не подвергается захоронению, а значит, и никакого сигнала мы, вероятно, не получим. Сдвиг на изотопной кривой трактуется как нарушение этого баланса в сторону накопления.
Как это ни удивительно, но вслед за кислородным событием на рубеже архея и протерозоя (уже ясно, что его не следует называть великим, так как собственно события и не было) не последовало постепенного нарастания кислорода, как можно было бы ожидать при наступлении эры фотосинтетиков. Количество кислорода то снижалось, то вновь увеличивалось, планетные оледенения то наступали, то заканчивались. Так, около 2,08–2,06 млрд лет назад количество кислорода резко снизилось. Соответственно упало и количество захороненной биоорганики. Причины этих скачков пока неизвестны. Также настораживает наличие неокисленных хрома и марганца в протерозойских палеопочвах: в присутствии кислорода эти металлы должны были бы окислиться чрезвычайно быстро.
Также оказалась несостоятельной гипотеза о существовании стратифицированного океана с насыщенными кислородом поверхностными водами и насыщенными сероводородом глубокими водами (модель Черного моря). Скорее всего, напротив, сероводородные слои размещались на мелководьях (рис. 5). И это как раз было следствием активной жизни и высокой органической продукции мелководий фотической зоны. Хотя, безусловно, кислородная стратификация океана так или иначе имела место.
Рис. 5. Примерно так представляется распределение в океане кислорода, двухвалентного железа и сероводорода в архее и протерозое. В архее (слева) было низкое содержание кислорода во всем океане, в фотической мелководной зоне развивалась жизнь, повышая содержание сероводорода и окисляя железо. В раннем протерозое (в центре) развитие жизни и повышение тем или иным способом содержания кислорода в поверхностных слоях привело к развитию мелководного сероводородного слоя, и к концентрации двухвалентного железа. В глубоких слоях океана ничего не изменилось. В позднем протерозое (справа) происходит оксигенизация глубоких вод, двухвалентное железо становится экзотикой во всех слоях океана. Схемы из обсуждаемой статьи в Nature
В результате суммирования всех этих данных и рассуждений получается, что содержание кислорода в атмосфере и океане на протяжении протерозоя было непостоянным. Оно немного повысилось по сравнению с археем, хотя оставалось сравнительно низким — ниже, чем предполагалось прежде. Стоит заметить, что никаких особых изменений в биоте с кислородными флуктуациями не связано.
Рис. 6. Современные представления об истории кислорода на Земле. См. пояснения в тексте. Схема из обсуждаемой статьи в Nature
Таким образом, история кислорода на планете предстает несколько иной, чем представлялось прежде (рис. 6). Кислородный фотосинтез и, соответственно, использующие его фотосинтетики существовали с самых ранних архейских времен. Свободный кислород — побочная продукция их метаболизма — мог накапливаться локально (голубые стрелки на схеме), однако масштаб раннего фотосинтеза на планете пока трудно оценить. Весь этот кислород уходил на окисление органики и других элементов, в частности, вулканических газов. Изменения в характере вулканизма на планете начались в позднем архее. Они были связаны с формированием и стабилизацией континентальных плит. В результате этих геологических процессов баланс поступления кислорода и его изъятия резко нарушился: в атмосферу стал поступать свободный кислород. Эти взаимосвязанные процессы заняли значительное время, а не случились в конце архея по мановению волшебной «фотосинтетической» палочки. В течение протерозоя уровень кислорода менялся, временами на порядок, но в среднем оставался низким. Глубокие слои океана оставались бескислородными. В конце протерозоя океан оказался насыщенным кислородом до самых глубин.
Остается загадкой второй кислородный скачок, который произошел в конце протерозоя. С ним связывается появление многоклеточной жизни. Как это ни парадоксально, при наличии большого числа отложений этого возраста и, соответственно, внушительного количества данных по этому критическому интервалу, сейчас трудно сформулировать сколько-нибудь законченную модель этого кислородного сдвига. Важно, что незадолго до него появилось очень большое количество отложений органики, обогащенной легкими изотопами, а затем последовало великое оледенение и планета превратилась в снежный шар. После оледенения захоранивалась органика с низким изотопным сигналом 13 С. Иными словами, череда глобальных событий напоминает ту, что относится к раннепротерозойской последовательности. Ясно, что и в этом случае мог нарушиться баланс между производством и стоком кислорода.
Обзор ясно показывает, что наши знания о древнейших временах нашей планеты не полны, или даже ужасающе бедны. Остается лишь надеяться на будущих исследователей, и что этот неподатливый материал все же откроет им свои тайны.
Источник: T. W. Lyons, C. T. Reinhard & N. J. Planavsky. The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere // Nature. 2014. V. 506. P. 307–315.