Мы обычно думаем о жизни на Земле как об непрерывной цепи биологических успехов, начиная вскоре после формирования нашей планеты и продолжаясь без оспаривания на протяжении всего последующего времени. Часть этой истории верна: действительно, более 4,5 миллиардов лет назад планета Земля сформировалась, и действительно всего несколько сотен миллионов лет спустя, в лучшем случае, жизнь впервые появилась в нашем мире. Несмотря на огромное количество вызовов, с которыми жизнь столкнулась за все время с тех пор — от нехватки ресурсов до ледниковых периодов, астероидных ударов и различных событий массового вымирания — она смогла сохраниться, никогда не вымерев полностью: ни разу. Вместо этого жизнь процветала и эволюционировала, позволяя ей найти способ существования практически в каждой экологической нише, которую Земля обладала.
Но одно событие подошло ближе, чем любое другое, к прекращению жизни на Земле: катастрофа, известная как Великое окислительное событие или Великое кислородное событие. Кислород, одна из отличительных характеристик нашей живой Земли, был огромной разрушительной силой, когда он впервые появился в каком-то значимом изобилии примерно через 2 миллиарда лет после формирования Земли. Медленное изменение нашей атмосферы за счет постепенного добавления кислорода оказалось смертельным для наиболее распространенных типов организмов, которые были присутствуют на Земле в то время. На протяжении нескольких сотен миллионов лет Земля вступила в ужасный ледниковый период, который заморозил всю поверхность: сегодня известный как сценарий Земля-снежок. Эта катастрофа почти полностью закончила жизнь на Земле. Вот история почти смерти нашей планеты, завершающаяся в конечном итоге историей выживания жизни.
Один из первых экспериментов, которые обычно проводят учащиеся старших классов на уроке биологии, - это наблюдение и отслеживание поведения небольшой группы клеток, помещенных в питательный раствор, с одним классическим примером является добавление клеток дрожжей в раствор с смешанным в нем патокой. Наблюдение за первоначальным успехом, за которым следует конечный провал колонии дрожжей, несет в себе множество уроков не только для человечества, но и для понимания опасностей, которые организмы представляют для самих себя. В начале дрожжевые организмы изначально становятся очень успешными, так как еда обильна, конкурентов за ресурсы нет, и каждая отдельная клетка может легко выжить и размножиться. Если вы считаете количество живых организмов как функцию времени, вы увидите, что количество активных клеток дрожжей начнет расти экспоненциально, и популяция дрожжей взорвется.
Но вскоре все меняется.
Дрожжи потребляют пищу через химически простой процесс ферментации. Клетки питаются сахаром, превращая его в алкоголь, производя несколько молекул АТФ (которые могут использоваться, метаболически, для энергии), а также производя углекислый газ как побочный продукт. Поскольку дрожжи живут в водной (то есть на водной основе) среде, добавление углекислого газа к этой жидкой воде приводит к образованию угольной кислоты. В какой-то критический момент среда сама становится слишком кислой для выживания клеток дрожжей, и популяция резко сокращается. Если не предпринимать внешнего вмешательства, колония дрожжей вымрет: отравленная своим собственным побочным продуктом.
Это может быть простой биологический сценарий, но уроки, извлеченные из него, применимы практически универсально. В условиях практически полного отсутствия конкурентов или хищников и при наличии практически неограниченных ресурсов, живая популяция организмов изначально будет расти с экспоненциальной скоростью. Она будет: потреблять доступные ресурсы, производить любые метаболические продукты, возникающие в результате ее биологической активности, затем размножаться с числом, превышающим уровень замещения, и последующие поколения будут продолжать этот цикл с постоянно возрастающей скоростью. С каждым последующим поколением организма уровни потребления ресурсов повышаются, метаболические продукты продолжают увеличиваться как по числу, так и по концентрации, а общая популяция организмов продолжает расти и расти. Пока ресурсы свободно доступны и среда остается нетоксичной для присутствующей популяции организмов, этот процесс будет продолжаться.
Однако всегда есть предел, поскольку в любой данной среде всегда есть конечное количество ресурсов. В какой-то момент метаболические процессы, которые эти организмы используют для поддержания своих жизненных функций, будут производить достаточное количество "побочного продукта", которое накапливается до критического уровня: в конечном итоге создавая среду, токсичную для популяции организмов, которая ее производит. Если это звучит как то, что делают дрожжи сами с собой - или что современные люди делают, вырубая леса и сжигая ископаемое топливо - вы правильно собрали все части вместе. Организмы, если их не контролировать, всегда в конечном итоге отравляют свою среду обитания побочными продуктами своего собственного успеха.
Человеческие существа, и даже клетки дрожжей, к сожалению, не являются первыми организмами, столкнувшимися с этой самой проблемой. На самых ранних этапах нашей Солнечной системы, прямо здесь, на планете Земля, возникла простая форма прокариотической жизни: одноклеточные (одноклеточные) организмы. Хотя мы не знаем свойств предполагаемых протоклеток, которые теоретически породили первые одноклеточные организмы, есть четкие доказательства одноклеточных бактерий в течение первого миллиарда лет истории Земли, доказательства окаменелой жизни, датируемые на сотни миллионов лет ранее, и цирконы в древних породах, которые отодвигают доказательства жизни еще дальше: примерно на 4 миллиарда лет назад.
Одной из особенностей биологической эволюции, по крайней мере, как мы ее понимаем, является то, что жизнь будет мутировать, эволюционировать и диверсифицироваться, чтобы заполнить каждую доступную экологическую нишу, которая является вероятной. Из этих ранних форм жизни возникли археи, способные выживать в глубоком море вокруг гидротермальных источников. Плазмиды, несущие гены, ответственные за новые способности, возникли как независимые молекулы ДНК, не прикрепленные к бактериальной хромосоме самой по себе. Горизонтальный перенос генов и конъюгация предоставили способ для входа генетической информации в геном организма, даже без полового размножения. И в какой-то момент, через сотни миллионов лет после появления первых организмов, появились первые полностью фотосинтезирующие организмы.
К тому времени, когда мы перемотаем время вперед, чтобы прибыть на зрелую Землю, примерно 3,4 миллиарда лет назад, первые свидетельства фотосинтеза в живых организмах начинают появляться. Существует множество различных путей для фотосинтеза (и несколько типов молекул хлорофилла, которые обеспечивают процесс на молекулярном уровне), но все они включают очень похожий процесс. Что происходит так: попадающий солнечный свет определенной, конкретной длины волны, попадает на молекулу (такую как один из хлорофиллов), способную его поглотить, что возбуждает электрон в этой молекуле до состояния выше основного состояния, которое в конечном итоге деэксцитируется, высвобождая энергию в процессе, и где эта высвободившаяся энергия может затем использоваться в жизненных процессах.
Многие организмы, такие как зеленые и фиолетовые серные и несерные бактерии, используют различные молекулы для обеспечения электронов в своих реакциях, включая водород, серу и множество кислот. Но класс организмов также эволюционировал, использующих простую воду в качестве доноров электронов для этих реакций: цианобактерии, также известные как сине-зеленые водоросли. В отличие от других (в целом, но не всегда, считающихся более ранними) организмов, цианобактерии также производят молекулярный кислород в качестве побочного продукта. Первые появившиеся на Земле где-то между 2,7 и 3,5 миллиардами лет назад, цианобактерии стали особенно многочисленны примерно два миллиарда лет после первоначального формирования Земли.
Цианобактерии до сих пор выживают и крайне заметны как единственные фотосинтезирующие прокариотические организмы, производящие кислород. Они, кажется, более эволюционированы (с более длинными, более сложными геномами), чем другие, не производящие кислород фотосинтезирующие прокариоты, включая все другие типы фотосинтезирующих бактерий, упомянутые ранее. Эти организмы сине-зеленых водорослей обладают внутренними мембранами (в отличие от других), формируют микробные маты вдоль поверхности океана и были очень многочисленны на Земле не позднее 2,5 миллиардов лет назад. Хотя формирование ст romatolite, считающееся древними доказательствами цианобактерий, может датироваться миллиардом лет ранее, доказательства возникновения цианобактерий исходят из совершенно другого набора измерений.
Критическое доказательство? Содержание древней атмосферы Земли, которое сохраняется в различных форматах, таких как древние породы и ледяные керны. Атмосфера, где-то между 2,5 и 3,0 миллиардами лет назад, начала показывать доказательства наличия в ней свободного кислорода. Медленно, но верно, содержание кислорода начало расти, и организмы с, казалось бы, неограниченным ресурсом - солнечным светом - начали проходить тот же цикл, что и клетки дрожжей и люди: потребление ресурсов, создание метаболических продуктов, процветание и размножение, и добавление побочных продуктов в свою среду. К сожалению, побочный продукт кислорода, в этом контексте, привел к катастрофе. Кислород, видите ли, не только коррозийный, помогает горению и является химическим окислителем; это также причина самой большой климатической катастрофы в истории: гуронского оледенения.
Путь, которым произошла эта климатическая катастрофа, поучителен для всех, кто хочет избежать аналогичной катастрофы в настоящее время. Цианобактерии, испытывающие огромный успех, имея неограниченный источник питательных веществ, где бы ни попадал солнечный свет на поверхность океана, быстро эволюционировали в микробные маты. Как только они начали производить кислород, раннее присутствие этой молекулы систематически удаляло ранний метан из атмосферы Земли, поскольку кислород реагирует с метаном с образованием углекислого газа и воды. Потеря этого раннего метана - фантастически эффективной молекулы, улавливающей тепло, - значительно уменьшила парниковый эффект из ранней атмосферы Земли: вызывая начало падения глобальных температур.
В то же время кислород, произведенный цианобактериями, убил большинство других, не использующих кислород форм жизни, поскольку кислород, коррозийный агент, был токсичен для них. Единственная причина, по которой Земля в это время была умеренной планетой, покрытой жидкой водой, заключалась в этом раннем парниковом эффекте и гомеостазе жизни в те времена. Энергетический выход Солнца, как и у всех звезд, был гораздо ниже на ранних этапах его жизни, и поэтому большое количество атмосферного метана было единственным, что поддерживало Землю достаточно теплой для наличия жидкой воды на ее поверхности. С уничтожением кислородом этого мощного парникового газа планета не могла удерживать тепло почти так же хорошо. Это породило самый большой ледниковый период в истории, приведший к условиям Земли-снежка, которые длились примерно 300 миллионов лет.
Геологические доказательства подавляюще свидетельствуют о чрезвычайно холодных условиях, охватывающих всю планету в это время. Глациальные отложения по всей северной части Северной Америки (но также найденные так далеко, как Австралия) показывают множество осадочных слоев, которые свидетельствуют о том, что этот замороженный период продолжался долгие периоды времени, охватывающие возраста, соответствующие периоду между 2,5 и 2,0 миллиардами лет назад. Доказательства прошлых событий оледенения, когда глациальные отложения должны были быть сделаны даже в тогдашних тропических (то есть экваториальных) широтах, были очень сильными более полувека.
Эти условия Земли-снежка не просто опасны для жизни, но и являются предупреждающим знаком для всей разумной жизни, которая последует, поскольку условия, приводящие к Земле-снежку, очень легко воссоздать. Как только вы охлаждаете Землю и удаляете ее теплозахватывающие атмосферные слои, дальнейшее охлаждение, кажется, является неукротимым процессом. Если ледниковые щиты продвигаются достаточно далеко вниз от полярных регионов, это увеличивает общую отражательную способность планеты, что приводит к меньшему поглощению солнечной энергии Землей в целом. Дальнейшее охлаждение приводит к формированию еще большего количества льда, который в конечном итоге может покрыть всю поверхность планеты - как континенты, так и океаны - глобальным слоем льда. Вот как выглядят условия "Земли-снежка".
Несмотря на то, что это было катастрофическим для большинства организмов, живущих на планете Земля в то время, однако, цепь жизни не прекратилась в тот момент. Несмотря на отравление собственной среды, цианобактерии продолжали процветать по крайней мере в некоторых средах на Земле: возможно, там, где лед был наименее глубоким. Тем временем меньшие популяции других организмов, столкнувшиеся с огромными селективными давлениями и меняющейся средой, эволюционировали в разных направлениях. Горизонтальный перенос генов привел к более сложным существам, и те, кто накопил большое количество генов и новых способностей, имели лучшие шансы на выживание, становясь более устойчивыми к изменениям в своей среде.
Это была, однако, геология, а не биология, которая в конечном итоге привела к окончанию этих условий Земли-снежка. Даже когда планета оставалась замороженной, тектоника плит продолжалась, как континентальный дрейф, распространение морского дна, землетрясения и вулканические извержения все продолжались. В частности, вулканы продолжали извергаться подо льдом, выбрасывая вулканические газы вверх, где они приводили к трещинам и разломам в ледниковых щитах. Поскольку вулканы добавляли обильное количество углекислого газа в атмосферу, они начали снова увеличивать силу парникового эффекта планеты, в то время как одновременное производство пепла начало уменьшать отражательную способность Земли. В конце концов, примерно через 300 миллионов лет, наша планета наконец вышла из этой эры оледенения.
Хотя она длилась примерно 300 миллионов лет, конец Гуронского оледенения совпал с замечательным развитием в сложности жизни: первые свидетельства эукариотических клеток. Теперь существующие клетки имели закрытые, отделенные органеллы, которые могли выполнять жизненные функции независимо от остальной части организма. Эукариоты, обладающие четко определенными специализированными клеточными механизмами внутри, позже дали начало всем существующим сегодня протистам, растениям, грибам и животным. Хотя о процессе эволюции в этих условиях "снежного шара" Земли еще многое предстоит узнать, можно утверждать, что человекоподобная жизнь никогда бы не появилась, если бы кислород никогда не уничтожил нашу богатую метаном атмосферу и не дал жизни возможность развиваться в этом великолепном, уникальном направлении.
Период времени, соответствующий 2,5 миллиардам лет назад в естественной истории Земли, может еще представлять собой самое крупное массовое вымирание, с которым наша планета когда-либо сталкивалась. Однако даже на этой первобытной стадии жизнь оставалась повсеместной и устойчивой, с уничтожением преобладающих до этого видов, что позволило другим, новым организмам эволюционировать и подняться на вершину, заполнив теперь пустующие экологические ниши. Великое кислородное событие было трансформирующим моментом в истории Земли и, возможно, проложило путь для сложной и дифференцированной жизни на нашем мире. Без него жизнь, возможно, никогда бы не достигла того разнообразия, которым она теперь гордится, и древо жизни могло бы не быть способным дать начало разумным, продвинутым организмам, подобным нам.
