Владимир Печенкин – Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения (страница 9)
Первоначально бактериальные маты, вероятно, состояли из двух слоев, то есть это был еще не мат, а так – биопленка. Ее верхний этаж населяли аноксигенные фототрофы, которые к этому времени научились синтезировать органику из углекислого газа атмосферы. Но чтобы преобразовать энергию света в энергию электронов силенок им не хватало, и они отнимали электроны у того же железа, растворенного в водах первичного океана. Тут им на помощь приходили электробактерии. Современные исследования показывают, что эти последние могут объединяться в «нанопровода» длиной до нескольких сантиметров (вполне достаточно, при «стандартной» толщине пленки в 1—2 см) и переносить электрон по живой электроцепи34. Эдакий живой «электропровод», опускался в «подпол», нащупывал в мутной воде ион железа, забирал у него электрон и передавал в верхние слои мата собратьям для пропитания, с помощью которого они и превращали углерод углекислого газа в органические молекулы.
Нижний слой биопленки был представлен «падальщиками». Здесь обитали бродильщики, которые питались «чем бог послал» – отмершей органикой верхнего слоя и отжившими свой век (сгоревшими на работе, так сказать) электрическими бактериями. Этот этаж они делили с анаэробными хемолитотрофами: серными бактериями, железобактериями и другими, которые занимались переработкой и утилизацией горных пород.
Пытаясь защититься от жесткого ультрафиолетового излучения, бактерии верхнего слоя выделяли липкую субстанцию (выражаясь по-научному – внеклеточное полимерное вещество) на которую налипала мельчайшая муть, плавающая в океане. Процесс можно сравнить с накоплением пыли на мебели у нерадивой хозяйки. Кроме того, микробные сообщества научились изменять среду обитания: при наличии в воде большого количества взмученных частиц они стали синтезировать поверхностно-активные вещества – сурфактанты, в присутствии которых частицы оседали и слипались35. Жить под защитой тонкого полупрозрачного слоя осадка микроорганизмам было выгодно: все-таки это была какая-никакая дополнительная защита от ультрафиолета, да и необходимая микробам влага здесь дольше сохранялась. Но когда накапливался критический слой минеральной пыли, затемнявший свет, бактерии прорастали сквозь еще не схватившийся осадок этажом выше, образуя новую поверхность. И это продолжалось снова и снова. Так бактерии, утилизируя водную муть древних океанов слой за слоем, начали строить свои жилища. Нижележащие осадки постепенно минерализовались, образуя полосчатые волнообразные отложения – строматолиты36. Современные строматолиты прирастают со скоростью 0,3 мм в год, правда, они растут несколько по-другому. Двухэтажные маты архея – раннего докембрия только структурировали естественное осадконакопление, подчеркивая границы слойков отмершей органикой, – строматолиты не создавались бактериями. Полосчатость строматолитов объясняется изменением скорости образования осадка. Если налипание минеральной «пыли» было медленным, бактерии прорастали через рыхлый осадок, словно по расписанию и без проблем. При «лавинообразном» накоплении осадка микроорганизмы проползали сквозь накопившийся аномально толстый слой с трудом и не без потерь. На этой стадии сообщество было наиболее уязвимо и теряло по пути часть товарищей. Некоторым из «усопших» «повезло» сохраниться до наших дней в виде тончайших нитей окаменевшего органического вещества – керогена толщиной 2—7 мкм (человеческий волос имеет диаметр 80—110 мкм). Окаменевшие остатки недоползших до поверхности микробных цепочек идентифицированы учеными в строматолитах Онвервахта (ЮАР) и Варравуна (Западная Австралия) возрастом 3,5 млрд лет37. То есть слоистость древнейших строматолитов связана с чередованием периодов вольготной жизни бактерий и периодами «темных» веков, когда им приходилось бороться за существование.
Другое дело – цианобактериальные маты, которые появились позже. Они формировали осадок иначе: строматолиты росли уже не под матом, а непосредственно внутри него. К этому времени цианобактерии уже полностью освоили фотосинтез: днем они активно захватывали растворенный в воде углекислый газ, а ночью – нет. За счет этого в толще мата возникали суточные перепады кислотности среды, на которых гидрокарбонат кальция, растворенный в воде, – Ca (HCO3) 2 кристаллизовался мельчайшими корочками карбоната кальция – Ca (CO3), наращивая отложения строматолита38.
Микроорганизмы, возводя свои постройки, работали не только строителями, но и как фильтры и сорбенты разных элементов, четко отражая особенности окружающей среды во время роста. Строматолиты архейского возраста далеко не всегда сложены чистым карбонатом кальция (известняком), в отличие от более молодых – протерозойских, они часто представлены магниевым или железистым карбонатом – доломитом (CaMg (CO3) 2) или сидеритом (FeCO3). Весь архей происходило образование строматолитов, которые специализировались не только на карбонатах, но и на кремнистом веществе (SiO2), изредка они формировались на основе фосфатов (Ca3PO4) 2)39.
По сути, строматолиты – окаменевшие маркеры Жизни, обнаружив их, можно с уверенностью утверждать, что в это время биосфера уже вовсю преобразовывала каменную оболочку планеты. Древнейшие строматолиты найдены в кратоне Пилбара в Западной Австралии и в зеленокаменном поясе Барбетон в Южной Африке – их почтенный возраст составляет 3,5—3,3 миллиарда лет40; следы жизни в строматолитах Карелии и Приднепровья Украины ненамного моложе – 3,1—3,0 млрд лет41. Не первый год научное сообщество ломает копья о происхождении отложений формации Исуа в Гренландии. Регулярно появляются публикации об их биогенном происхождении. С такой же периодичностью печатаются опровержения. Противники и сторонники подтверждения или опровержения самых ранних следов жизни не могут прийти к консенсусу. Относительно недавно была опубликована статья австралийских геологов в содружестве с британским ученым из Оксфорда Кларком Френдом, утверждающая, что в отложениях формации Исуа в Гренландии сохранились строматолиты возрастом 3,8—3,7 млрд лет42.
Но в поисках наиболее ранних следов жизни этих исследователей обошли ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе. В микроскопических австралийских цирконах, тех самых, где геологи обнаружили следы урана, биологи рассмотрели зачатки жизни. Они утверждают, что выделенные ими из цирконов наночастицы углерода имеют смещенное изотопное соотношение, типичное для живых систем, то есть, по мнению исследователей, это несомненные следы жизни, существовавшей на Земле 4,1 миллиарда лет назад43. Правда, что это были за организмы и в каких условиях они жили – большой вопрос. Да и вообще, был ли мальчик? Вернее, микроб.
Вот, например, какую шутку с исследователями выкинули те же цирконы. Группа немецких и австралийских ученых под руководством Мартины Меннекен обнаружила в кристаллах циркона возрастом 4,3 миллиарда лет микроскопические вкрапления алмазов44 и начала делать далеко идущие выводы. Однако в 2013 году исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде установили, что пресловутые алмазы входили в полировальную пасту, которой обрабатывали цирконы при подготовке к исследованию45.
Геохимия и биохимия. Единство и борьба. Вторая минералогическая революция
⠀
Итак, микроорганизмы принялись преобразовывать планету.
Микробное сообщество, объединившееся в бактериальный мат, могло выжить только на границе трех сред: атмосферы, воды и горной породы. Отсутствие одной из составляющих означало гибель колонии. Но земной ландшафт архейского времени благоволил Жизни. В воздухе преобладали водяные пары и вулканические газы, а содержание CO2 было в сотню раз больше, чем сейчас. Знойный, правильнее сказать – горячий и влажный климат и обилие углекислоты в атмосфере способствовали разложению пород, и бактерии приняли участие в этом процессе со всем жаром своей души. Они расплодились настолько, что по образному выражению микробиолога Г. А. Заварзина в то время существовал «единый цианобактериальный мат от моря и до моря»46, покрывающий всю планету. Биологи из Флориды с помощью молекулярной биологии установили температуру воды в этом море, которая держалась на уровне 60—70 °С47.
Странное это было море – все побережье покрыто осклизлыми каменными столбами с нашлепками бактериальных матов. Да и берегов нормальных тогда не существовало – были безбрежные отмели, которые, не успев обнажиться и просохнуть после отлива, тут же заливались приливными водами. Сутки на планете были еще короткие, и отливы сменялись приливами каждые несколько часов. Такой ныне «вымерший» ландшафт получил название «ни суша, ни море» – это был сущий рай для содружеств микроорганизмов. Похожий островок такого ландшафта сохранился у берегов Австралии (Рис. 6).
Рис. 6. Современные строматолиты, растущие в геологическом заповеднике
Хамелин Пул, залив Шарк Бей, Западная Австралия.
Фото: Википедия / Пол Харрисон (CC BY-SA 3.0)
Местами эту панораму нарушали вздымающиеся громады зарождающихся протоматериков, которые обрывались в море черными лавовыми потоками. Вода в океане была мутной, вязкой от взвеси вулканического пепла, растворенного железа, карбонатов, да и морской бриз не отличался свежестью ароматов. Не видно было еще и белоснежных пляжей. Самый распространенный минерал наших дней – кварц – пока не появился, и песчаные морские побережья – дело будущего. Хотя нет, кое-где уже были намыты узкие полоски песков, пока, правда – черных. Такие пляжи, сложенные перемытым вулканическим песком, можно увидеть и сегодня в районе действующих вулканов – на Курилах или Камчатке, например. Дно океанов к этому времени оказалось полностью выстлано тонкой (относительно, конечно) корой базальтов, а из глубин планеты поступали все новые порции магмы.