Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Выживаемость при таких экстремальных давлениях вызывает вопросы. Как могут молекулы жизни с функциями, которые столь чувствительны к строгой молекулярной форме, его выдерживать? В некоторых случаях разгадка кроется в умной химии углерода. Клеточные мембраны при низком давлении образуются из массивов молекул с прямыми углеродными скелетами, которые легко выстраиваются бок о бок, подобно сухим спагетти в коробке. Они упаковываются эффективно, но с достаточно большими промежутками, чтобы основные пищевые молекулы могли проходить сквозь мембрану.

При экстремальном давлении такое взаиморасположение, должно быть, становится слишком плотным, и необходимые для жизни питательные вещества не могут проникать в клетку. Поэтому мембраны высокого давления «подстраиваются» под изогнувшиеся углеродные скелеты, в которых у каждой скрюченной молекулы несколько искривлений. Располагаясь рядышком, они адаптируются к высокому давлению, изгибаясь как пружинки и таким образом обеспечивая пути для питательных веществ, при этом не разрушаясь.

С температурой — другая история. Вы, возможно, думаете, что точка кипения воды (100 °C) — абсолютный предел для жизни. Но давление повышает стабильность воды в жидком состоянии; ее температура в глубочайших вулканических источниках на морском дне может превышать 288 °C. Более фундаментальный предел — когда разрушаются жизненно важные белки. Некоторые из них денатурируются при температуре около 127 °C. Это достаточно горячо, чтобы у вас остались волдыри от ожогов, но несколько выносливых микробных видов в состоянии выдерживать и подобную экстремальную жару. Сейчас 127 °C считается пределом той клеточной жизни, которую мы знаем.

Профили температуры и давления Земли связаны: чем глубже вы погружаетесь, тем горячее становится. В некоторые горячие точки вроде гидротермальных зон Йеллоустона или Исландии нужно опуститься всего на несколько метров, чтобы достичь температурного предела жизни. Но в более прохладных континентальных зонах, вдали от какой-либо вулканической активности, температура повышается менее чем на 7 °C с каждым километром земной коры. Следовательно, вполне можно допустить, что некоторые микробы живут более чем в 16 км под поверхностью, хотя отобрать каменный образец на такой глубине пока не позволяет ни одна из самых современных технологий бурения.

Третий стоящий перед глубинной микробной жизнью вызов заключается в том, чтобы найти надежный источник энергии. Многие глубинные микробы «приурочены» к мельчайшим карманам воды, порой изолированным в течение миллионов лет. Любая химическая энергия в минеральных зернах, выстилающих эти наполненные жидкостью полости, давно израсходовалась, но свежие исследования обнаружили другой, довольно неожиданный источник энергии — радиоактивность. В каждой горной породе есть следовые количества радиоактивного урана — возможно, один атом на миллион. Уран в природе распадается чрезвычайно медленно: его период полураспада (с испусканием разрушительных альфа-частиц) равен примерно 4,5 млрд лет. Но горные породы в целом содержат так много его атомов, что медленный и постоянный поток альфа-частиц буквально пропитывает подповерхностную область. Когда альфа-частица «плюхается» в воду, она может разделить H₂O на водород и кислород — отличную еду для микробов. Это не очень солидный источник энергии, но, видимо, его достаточно, чтобы поддерживать некоторые крошечные микробные сообщества в течение целых геологических эонов.

Как минералога меня привлекает идея, что история жизни неизбежно связана с минеральным царством. Горные породы и минералы действительно могли служить энергетической отправной точкой для жизни, но есть еще один привлекательный — и даже более многообещающий и надежный — энергетический источник. Вот потому-то жизнь и научилась жить за счет света Солнца.

Вариация 2. Для получения энергии жизнь учится использовать солнечный свет{180}

В течение как минимум миллиарда лет примитивная, связанная с водой микробная жизнь Земли — включая как те клетки, что живут на поверхности, так и те, что находятся глубже, — играла незначительную роль в циркулировании углерода. Общая биомасса Земли была скудна, она ограничивалась маленькими редкими микробными пленками, распространение которых обусловливалось в основном химической энергией свежих вулканических пород, контактирующих с водами океанов. Такое положение должно было измениться, когда жизнь поняла, как использовать гораздо более мощный источник энергии — свет Солнца.

Фотосинтез — потрясающая биологическая инновация. По своей сути фотосинтез, который мы знаем сегодня, с готовностью берет доступные составляющие — простые молекулы воды и углекислого газа плюс энергию солнечного света — и производит целый ряд молекулярных продуктов, необходимых для жизни (вместе с жизненно важным газом кислородом). Этот процесс представлял собой фундаментально новый и эффективный способ циркулирования углерода (сложные детали рассматривать не будем).

В основе фотосинтеза лежит фортуна: нам попросту повезло, что идущие от Солнца волны света, или фотоны, способны нести энергию. Чем короче длина волны, тем больше энергия. Мало того, эта энергия может быть передана атомам в процессе поглощения. Но, как и в истории Златовласки с тремя мисками каши, существует энергическая золотая середина, когда не слишком жарко и не слишком холодно. Для инициирования в биологии необходимой химической реакции нужно, чтобы поглотилось только требуемое для перемещения электронов между атомами количество энергии.

Атомы легко поглощают инфракрасные фотоны с длинами волн больше (и, таким образом, с меньшей энергией), чем у видимого света. Инфракрасные волны заставляют атомы колебаться немного быстрее — мы ощущаем это как тепловую энергию. Когда вы чувствуете тепло Солнца или пылающего костра, ваша кожа поглощает инфракрасное излучение, ее молекулы нагреваются. Воздействие усиливается, если объект черный, что вы, безусловно, испытывали на себе, гуляя босиком по битумному покрытию солнечным летним днем. Однако только самые энергичные из инфракрасных фотонов — с длиной волны, близкой к той, которую мы видим, как красный свет, — обладают достаточной энергией, чтобы перемещать электроны между атомами и таким образом запускать биологические реакции{181}.

Ультрафиолетовое излучение — с другого конца светового спектра — имеет более короткие длины волн, а следовательно, обладает большей энергией, чем видимый свет. У этих потенциально опасных фотонов достаточно энергии, чтобы полностью выбивать некоторые электроны из атомов. Этот процесс, называемый ионизацией, может разрушать атомные связи и фрагментировать важные молекулы. Если вы когда-нибудь обгорали на солнце — в данном случае из-за разрушения молекул погибают клетки кожи, — вы испытывали на себе ионизирующее ультрафиолетовое излучение. Вредные ультрафиолетовые фотоны обладают слишком большой энергией для большинства биологических потребностей.

Золотой серединой оказываются фотоны видимого света, особенно той его части, которая расположена ближе к менее «энергичному» красному концу спектра. Когда кластеры атомов хлорофилла — пигмента зеленых растений — поглощают фотоны красного света, их электроны переходят в возбужденное состояние. Эти электроны могут перескакивать с одного атома на другой, образуя новые химические связи. Фотосинтезирующие микробы пользуются этим удачным свойством фотонов световой и близкой к инфракрасной частей спектра, чтобы поддерживать биологию.

Зловонная жизнь

Самые древние версии фотосинтеза, появившиеся более 3 млрд лет назад, возможно, отличались от процесса, описанного в учебниках, — того, который создает насыщенную кислородом атмосферу Земли. Первые потреблявшие солнечную энергию клетки использовали для поддержания биологических процессов другие химические вещества, к примеру зловонный токсичный газ сероводород H₂S — распространенный продукт вулканов. Для поглощения красных длин волн Солнца и перемещения электронов эти зеленые серобактерии осуществляли светопоглощающий процесс, названный «фотосистема I».

На первом его этапе зеленый пигмент освобождает электрон, который затем движется к другим атомам. Пол Фальковски использует удачную метафору в своей увлекательной книге о микробной эволюции «Двигатели жизни»[48]. Перемещение электронов между атомами, замечает он, похоже на переезд пассажиров метро от станции к станции в час пик. Представьте себе, что вы отрицательно заряженная частица (электрон), ожидающая поезд на зеленом пигменте. Отрицательные электрические заряды отталкивают друг друга, поэтому вам не так-то легко будет перепрыгнуть с вашей уютной молекулярной платформы в вагон метро, полный других отрицательных частиц. Но если одетый в форму работник платформы подпихивает вас (как это бывает в некоторых странах!), то вы рискуете оказаться втиснутым в вагон по крайней мере на перегон или два, прежде чем сможете выйти на менее заполненную молекулярную платформу.

Подобным же образом и фотон красного света может обеспечить энергетический пинок, временно перемещающий электрон с пигмента на другие атомы. Когда электрон удаляется, пигмент оказывается положительно заряженным и ему нужен другой электрон. При фотосинтезе эта отрицательная частица может быть взята у атома металла, который, в свою очередь, способен украсть еще один электрон у сероводорода в каскаде химических реакций, расщепляющих сероводород на водород и серу. В итоге же эти продукты химических реакций обеспечивают потрясающее топливо для жизни.

Чтобы не остаться за бортом, другие микробы для извлечения выгоды из бесплатного солнечного ланча развили совершенно иной биохимический путь — фотосистему II. Эти другие микробы, в том числе так называемые пурпурные бактерии, поглощают немного больше энергетических фотонов, чтобы сдвигать и перемещать электроны, но окончательный результат примерно тот же. Электроны перемещаются в цепочке реакций, которые в конечном итоге расщепляют сероводород и вырабатывают топливо для жизни.

Появившись более 3 млрд лет назад, зеленые серные и пурпурные бактерии до сих пор живут в изолированных подводных сообществах. Ищите их в глубоких стоячих водах, в которых солнечный свет проникает в те зоны, где абсолютно нет кислорода — смертельного яда для этих первобытных микробов. Но самый значительный вклад упомянутых двух типов примитивных клеток заключается не в том, что они рассеянно распространены на Земле и сегодня, а в кардинальной эволюционной инновации, которая связала их две отдельные светопоглощающие стратегии в современную двухэтапную версию фотосинтеза.

Мощь воды

Адекватным химическим топливом для зеленых и пурпурных бактерий служат сульфиды. Появившись по крайней мере 3,5 млрд лет назад, эти настойчивые кланы микробов использовали сульфиды плюс одиночные фотоны красного света, чтобы поглощать энергию Солнца. Но сульфиды не особенно-то распространены на поверхности Земли, да и энергия серы и водорода не лучшее из того, что может предложить наша планета.

Вода намного лучший вариант. Этот оксид водорода не только гораздо более распространенное вещество, нежели сероводород, — вода также может обеспечить биологическое топливо в форме кислорода и водорода, которое дает куда больше энергии. H2O представляет собой основное топливо для жизни на Земле, но есть проблема: чтобы расщепить воду, необходимо намного больше энергии, чем для расщепления сероводорода. Одиночным фотонам это не под силу. Потребовался миллиард лет проб и ошибок, но в конечном счете какой-то везучий микроб обнаружил двухэтапный процесс кислородного фотосинтеза — координированного сочетания фотосистем I и II. Такая последовательность поглощений фотонов и обеспечивает ту дополнительную энергию, которая необходима для расщепления воды на водород и кислород.

В ходе цепочки химических реакций, следующих за расщеплением воды, живые клетки бурно разрастаются. Вот что здесь самое важное: молекулы водорода и углекислый газ вместе образуют один из видов сахара — глюкозу, а кислород остается в виде отходов. Молекулы глюкозы соединяются в прочные цепи целлюлозы — главной составляющей зеленой биомассы и, следовательно, самой распространенной биомолекулы на Земле. Стебли и листья, корни и ветви, трава и стволы деревьев — половина современной биомассы Земли — это целлюлоза. Неистовое образование этого вещества повлекло за собой серьезные последствия. Миллиарды лет назад, по мере того как фотосинтезирующие клетки впитывали солнечный свет, углекислый газ в атмосфере становился сырьем для живых клеток. Воздух и вода постепенно превратились в массы зеленых водорослей, которые заполонили мелкие прибрежные зоны. Богатая углеродом биомасса канула на дно, где продолжала накапливаться, при этом содержание кислорода в атмосфере и океанах постепенно росло.

Земля подошла к переломному рубежу чуть более 2 млрд лет назад — тогда произошло Великое кислородное событие, после которого ускоряющиеся, связанные между собой циклы углерода и кислорода наставили Землю на путь к современному миру. Находясь в зависимости от кислородной атмосферы, мы часто забываем, что образовавшийся в современной двухэтапной версии фотосинтеза кислород был просто побочным продуктом — формой химических отходов, которые очень долгое время не играли существенной роли в развивающейся истории жизни.

Великое кислородное событие, напротив, сыграло выдающуюся роль в эволюции геосферы. К тому моменту атмосфера стала побогаче кислородом — его уровень достиг 1 или 2% от современного. Многие горные породы начали вступать в химические реакции с агрессивным газом, результатом которых стал целый поток новых минеральных видов, ранее не встречавшихся на Земле (или вообще где-либо в нашей Солнечной системе, коли на то пошло){182}.

До Великого кислородного события атомы металлов в большинстве минералов находились в их наиболее восстановленном, богатом электронами состоянии. Относительно распространенные элементы, к примеру железо и марганец, вместе со множеством более редких металлов, таких как медь, никель, молибден и уран, были сконцентрированы не более чем в нескольких сотнях минеральных видов. Льющийся в атмосферу поток кислорода изменил этот сценарий: по мере того как газ захватывал любой свободный электрон, который только мог найти, появлялись тысячи новых минералов.

Мы с коллегами пришли к выводу, что два из каждых трех минеральных видов на Земле, включая многие самые ненаглядные цветные кристаллы, выставленные в музеях естественной истории по всему миру, являются прямыми следствиями кислородного фотосинтеза. Большинство минералов меди, в частности темно-зеленый малахит, ярко-синий азурит и полудрагоценная бирюза, появились уже после Великого кислородного события. Более 90% из почти 300 разных видов урановых минералов, многие из которых представлены ярко-желтыми и оранжевыми кристаллами, также являются косвенными последствиями фотосинтеза. Углеродсодержащие минералы тоже стали разнообразнее после этого эволюционного изменения близповерхностной химической среды Земли.

Осознание того, что эволюция земных минералов зависит напрямую от биологической эволюции, слегка шокирует. Это фундаментальное изменение точки зрения, которая существовала несколько десятилетий тому назад, когда научный руководитель моей диссертации по минералогии сказал мне: «Не трать время на биологию. Она тебе никогда не пригодится!»

Вариация 3. Появляется большая жизнь{183}

Закройте глаза и представьте себе «жизнь».

[48] Фальковски П. Двигатели жизни: Как бактерии сделали наш мир обитаемым. — СПб.: Питер, 2016. — Прим. ред.