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

Никто не знает, когда или где точно появилась первая раковина. Прародители ее — в глубокой древности. Более 3,5 млрд лет назад одноклеточные колонии, как говорилось выше, построили строматолиты — странные куполообразные холмики карбонатных минералов. Уже первые признаки многоклеточной жизни, появившиеся примерно 600 млн лет назад, сопровождались образованиями, подобными аляповатым минерализованным пластинкам и «бронированным» то там, то сям следам ползания. Но настоящий взрыв разнообразия организмов с изящно вылепленными твердыми частями — спиральными раковинами, ветвящимися кораллами, пиловидными зубами и сложного рисунка костями — произошел в «узком окне» начала кембрийского периода, примерно 540 млн лет назад. Первыми появились карбонатные минералы, хотя подробности этого поразительного минералогического трюка остаются загадкой. Сначала клетки должны были создать локальную химическую среду, в которой ионы кальция и углерода в растворе соединились бы, сформировав твердые кристаллы оболочки. Затем минеральные компоненты должны были выстроиться таким образом, чтобы создать функциональный защищающий животное дом. Как это случилось?

Изучение данной биохимической инновации является делом всей жизни Патриции Дав, заслуженного профессора факультета наук о Земле в Политехническом университете Вирджинии в Блэксбурге, штат Вирджиния{194}. Дав получает удовольствие от занятий наукой. Чтобы продемонстрировать повседневные шедевры биоминерализации, она протянет вам разделенную на камеры и покрытую тонким орнаментом раковину наутилуса или вытащит из кармана яйцо. Исследовательница никогда не теряла ощущения чуда, испытываемого ею с детства, с тех пор как она росла на семейной ферме в Бедфорде, штат Вирджиния, в часе езды на машине к востоку от Блэксбурга. Это типичная история многих успешных ученых: родители и учителя, которые поддерживали увлечение наукой, любовь к природе и коллекционированию, призы, получаемые на научных олимпиадах, и стипендия в колледже — в случае Дав это был Политехнический университет Вирджинии. За получением степени PhD в Принстонском университете последовало недолгое пребывание в Стэнфорде и Политехническом университете Джорджии, а затем она снова вернулась в свою любимую Вирджинию.

Во всех своих исследованиях Патриция Дав подчеркивает, что раковины, зубы и кости — это гораздо больше, чем просто кристаллы минералов. Они всегда содержат в себе слои и волокна белков и других биомолекул, которые добавляют им прочности и гибкости — свойств, вдохновивших на разработку легкого стекловолокна и композиционных материалов из углеродных волокон. В некоторых раковинах материал, получающийся в результате соединения минералов и белков, оказывается в тысячу раз прочнее чистого минерала. Дав также напоминает вам, что биоминералы играют много ролей вне раковин, костей и зубов: они могут служить организмам в качестве линз, фильтров, сенсоров и даже крошечных внутренних компасов.

Энергичная исследовательская группа Дав много сил посвящает изучению механизмов образования карбонатов на атомном уровне — молекулярному танцу, основанному на тесном взаимодействии органической и неорганической углеродной химии. Эта команда исследователей обнаружила, что формирование биоминералов происходит, когда клетки создают специализированные отсеки с местными средами, где минералообразующие ингредиенты концентрируются и образуют зародыши, на которых вырастают идеально правильные кристаллы. В этих отсеках одни биомолекулы стимулируют образование кристаллов, а другие — тормозят рост.

Одно из самых удивительных открытий исследовательской группы Дав заключается в том, что многие организмы начинают биоминерализацию с той формы карбоната кальция, которая вовсе не кристаллическая. Они образуют и накапливают гелеобразное вещество — аморфный карбонат кальция (исследователи называют его АКК), который хранится про запас до нужного момента{195}. В отличие от традиционного пути образования кристаллов, кристаллический рост в этом необыкновенном процессе запускается молекулярным спусковым крючком, триггером. Некоторые линяющие[52] животные могут, видимо, хранить АКК неделями или месяцами, запуская быстрый рост раковины на критически уязвимой стадии, когда старый покров сбрасывается и вкусная мягкая ткань обнажается.

Возможно, сразу после появления первых животных с защитной оболочкой хищники переключились на более легкую, незащищенную добычу. Зачем прикладывать дополнительные усилия, чтобы разломать твердую раковину, когда прямо под рукой — сочные черви? Но, по мере того как все больше обитателей морского дна надевали броню, быстро возникали и контрстратегии: более крепкие челюсти, более острые зубы и более устрашающие клыки. Все это появилось именно тогда, когда жизнь научилась создавать защитные раковины. Этот затянувшийся «кембрийский взрыв» не был таким уж взрывным — он продолжался десятки миллионов лет, но зато бесповоротно направил биосферу Земли по новому курсу.

Появление прочных минеральных раковин добавило также новые нюансы в цикл углерода. С возникновением карбонатных кораллов, мшанок, брахиопод, моллюсков и другой фауны известняковые рифы достигли эпических размеров, распространились на сотни километров вдоль побережий и кое-где постепенно достигли высоты в несколько сотен метров. Ранее никогда не оказывалось возможным такое массовое накопление карбонатных биоминералов, которые заполнили прибрежное мелководье и внутренние моря небывалыми отложениями. Когда литосферные плиты в процессе своего перемещения неумолимо закрыли эти неглубокие бассейны и сжали их отложения, образовались увенчанные карбонатами зубчатые горные хребты, изменившие ландшафт Земли. Канадские Скалистые горы, североитальянские Доломитовые Альпы и даже высочайшие гималайские вершины, среди которых сам Эверест, сложены прочными карбонатами — живыми рифами, некогда украшавшими дно прибрежной зоны океанов.

Последние полмиллиарда лет карбонатная биоминерализация происходила практически исключительно в прибрежной зоне — в области коралловых рифов. Кораллы, улитки, двустворчатые моллюски и десятки других форм жизни пользовались преимуществами мелких, залитых солнцем и богатых питательными веществами вод вдоль берегов континентов.

Двести миллионов лет назад жизнь провернула еще один минералогический трюк. Микроскопические одноклеточные морские водоросли, называемые кокколитофоридами, которые и сегодня процветают в Мировом океане, зачастую вдали от какой бы то ни было земли, научились создавать крошечные прозрачные дискообразные защитные пластинки из карбоната кальция, называемые кокколитами{196}. Кокколит напоминает микроскопическое ажурное колесико диаметром 20–30 мкм. Каждая клетка водоросли покрыта внахлест дюжиной таких пластинок, причем не совсем понятно для чего. Некоторые биологи полагают, что минеральные диски служат защитой, другие — что карбонат кальция является природным «кремом от загара», который оберегает плавающие клетки от вредного ультрафиолетового излучения. Согласно еще одной гипотезе, минеральные пластинки обеспечивают клеткам нейтральную плавучесть, позволяя микроорганизмам погружаться или всплывать, перемещаясь в более богатые питательными веществами слои океана.

Какова бы ни была функция кокколитов, они образуются в огромных количествах. Когда кокколитофориды погибают, их крошечные пластинки накапливаются на дне, образуя мощные залежи мела. Вооруженный микроскопом взгляд на знаменитые Белые скалы Дувра — сотни метров отложений мела, накопленные за миллионы лет, — осведомляет нас, что они сложены прекрасными резными кокколитами, присутствующими здесь в астрономических количествах. В отличие от первых геологических эонов, почти треть сегодняшнего океанического дна покрыта известковым илом, имеющим нередко мощность более 1 км и богатым на эти микроскопические диски.

Все вышеописанное имело серьезные последствия для углеродного цикла Земли. На протяжении большей части геологической истории глубинные отложения океанов практически не содержали карбонатных минералов. Субдукция перерабатывала океаническую кору, в которой преобладал базальт. Сегодня же главный компонент морского дна — углеродсодержащие минералы. Когда океаническое дно затягивается в зонах субдукции, некоторое количество этого новообразованного карбонатного ила уносится вниз, погружаясь глубоко в мантию Земли. Остается нерешенной загадка, фундаментально ли в наши дни меняется углеродный цикл Земли вследствие такого погружения углерода. Если большее количество атомов углерода погружается, нежели возвращается на поверхность, может ли биосфера Земли постепенно потерять свой углерод?

Поиск ответа на этот серьезный вопрос о глубинном углеродном цикле Земли неизбежно направляет наш взор на дополнительные петли обратной связи между биосферой и геосферой, так что нам пора переместить внимание в сторону появления жизни на суше.

Вариация 5. Жизнь укрепляет позиции на суше{197}

По мере того как жизнь и горные породы совместно эволюционировали во все более сложных петлях обратной связи, усложнялся и цикл углерода. И нигде эти петли обратной связи не были так заметны, как в появлении жизни на суше.

На начальных его этапах центральную роль играл кислород. Большинство клеточных организмов не могут пережить прямого воздействия жесткого, ничем не ослабленного ультрафиолетового излучения Солнца. Самые основные биомолекулы распадаются. Клетки погибают. Появление в атмосфере кислорода также означало и появление озона — молекулы, состоящей из трех атомов кислорода, которая образуется, когда обычные молекулы O₂ расщепляются и переупорядочиваются под действием ультрафиолетового излучения. После того как это происходит, некоторые атомы пересобираются в O₃. Молекулы озона редки; когда они «концентрируются», формируя так называемый озоновый слой, расположенный в верхних слоях атмосферы на высоте около 30 км над землей, их содержание достигает несколько молекул на миллион. Однажды образовавшись, этот слой стал играть роль природного «средства от солнца», оберегающего Землю от непрестанного пагубного влияния солнечного ультрафиолета. Крепкий озоновый слой является необходимым условием существования устойчивой наземной экосистемы.

Самые первые шаги выходящей из моря жизни были осторожными, они практически не меняли земной ландшафт. Раньше всех — более 450 млн лет назад — на сцене появились крошечные, лишенные корней растения, которые добавили зеленый мазок болотистому оцеплению прибрежных бассейнов и неглубоких водных потоков. Примерно 430 млн лет назад дебютировали первые растения с малюсенькими корневыми системами, что дало возможность зеленым растениям основать новые экосообщества подальше от моря. Корни ускорили разрушение камней и образовали богатые глиной почвы, которые способствовали росту более длинных и эффективных корней, а те в свою очередь производили еще больше почвы. Буквально за одно геологическое мгновение кусты и деревья все бо́льших высоты и обхвата покрыли собою сушу.

Изменение следовало за изменением. Наземные растения способствовали распространению животных. Самый древний известный обитатель суши, дышащий воздухом, — примитивная многоножка Pneumodesmus newmani{198}, единственный ископаемый экземпляр которой (фрагмент длиной 1,27 см) был найден шотландским водителем автобуса и коллекционером-любителем ископаемых Майком Ньюманом в 2004 г. в отложениях возрастом 428 млн лет из Абердиншира, Шотландия[53]. Ископаемые находки таких мягкотелых древних животных чрезвычайно редки, поскольку они плохо сохраняются, поэтому вполне вероятно, что первые насекомые появились даже раньше. Самые древние находки губоногих имеют возраст 420 млн лет, самому старому известному летающему насекомому — около 400 млн лет, а сколько еще редких и бесценных ископаемых свидетельств наверняка ожидают, пока мы их откроем.

И хотя окаменелости позвоночных сухопутных животных, казалось бы, должны были лучше сохраниться в каменной летописи, их находки малочисленны и рассредоточены. Скромное (но всевозрастающее) количество известных биологических видов палеозойской эры указывает на постепенный переход от морских организмов к наземным, от рыб — к амфибиям со все более специализированными структурами для жизни вдали от моря. Плавники превратились в конечности с пальцами, плечами, локтями и запястьями. В черепах постепенно образовались ноздри, чтобы дышать, и ушные отверстия, чтобы слышать. И — в отличие от большинства рыб — у первых обитателей суши была шея; они могли вертеть головой по сторонам, чтобы обозревать сухопутные окрестности. Переход на сушу не был внезапным, и вряд ли когда-либо можно будет указать на «самого первого» земного позвоночного, но есть серьезный кандидат на этот титул — Tiktaalik roseae, переходная форма между рыбами и амфибиями возрастом 375 млн лет, обнаруженная в 2004 г. на острове Элсмир за Северным полярным кругом в отдаленной канадской провинции Нунавут.

В форме увлекательного представления палеонтологического расследования Нил Шубин из Чикагского университета и Тед Дэшлер из Академии естественных наук в Филадельфии предсказали, что подобное существо можно обнаружить в Северной Канаде — холодной арктической местности, которая переехала на север вследствие перемещения тектонических плит, а 400 млн лет назад находилась рядом с экватором{199}. Прогноз исследователей основывался на логическом методе исключения. Они поняли, что недостающее звено между рыбами и земноводными должно находиться в породах возрастом около 375 млн лет, предпочтительно образовавшихся в теплом экваториальном регионе и рядом с древней линией побережья. В районе для поисков должно быть много хороших скальных обнажений, так что лесистая местность не подходила. Исследователи прочесали геологические карты мира и остановились на острове Элсмир как идеальном месте для дальнейших изысканий.

Найти недостающее звено на удаленном арктическом острове оказалось нелегкой задачей. Местность практически недоступна, а периоды для сбора образцов короткие — всего несколько недель в году, приходящихся на середину лета, когда толстое одеяло снега уже растаяло, а первые осенние снега еще не выпали. Потребовалось пять безуспешных полевых сезонов — в ходе некоторых ученые, как оказалось, фокусировали поиски на непродуктивных слоях пород, другие же прерывались ужасной погодой, — прежде чем были сделаны первые поразительно целые находки переходного от рыбы к амфибии вида Tiktaalik в низком каменном уступе{200}. Это оказалось крупное существо, некоторые особи вырастали в длину почти до 3 м. Увидев целое животное, Шубин и Дэшлер поняли, что его ископаемые остатки были довольно распространенными; несколько разрозненных и неопознанных фрагментов Tiktaalik уже находили в предыдущие сезоны сбора.

Эта ходячая рыба, название которой на языке инуитов — коренного населения региона — означает местную разновидность трески (хотя первооткрыватели Шубин и Дэшлер неформально назвали ее «рыбоногое»), стала сенсацией в СМИ, темой публичных лекций и телевизионных шоу. У нее даже появился собственный веб-сайт. Широко известный аккаунт Шубина, названный «Ваша внутренняя рыба», вырос до статуса научного бестселлера с собственными видеопроектами в медиапространстве. Эта палеонтологическая сага своей цельностью — от смелого прогноза к непростому открытию и возрастающему осознанию того, что многие анатомические инновации Tiktaalik сохраняются в структурах наших тел, — снова демонстрирует мощь дарвиновской теории эволюции посредством естественного отбора.

Tiktaalik лишь один представитель последовательности ископаемых животных, каждое из которых было более адаптированным к жизни на твердой земле, чем предыдущее. Скорость этого перехода с геологической точки зрения была быстрой, хотя первые однозначно сухопутные животные стали бродить по примитивным джунглям Земли только 10 млн лет спустя. Все это время, пока углерод накапливался в корнях, стеблях, листьях и стволах, его циркулирование между разными резервуарами — Землей, Воздухом, Огнем и Водой — усиливалось.

Погребенная биомасса

Леса эволюционировали, став новым и самым потрясающе многоликим резервуаром углерода после появления жизни на суше. Они добавили очередной нюанс углеродному циклу — ведь гигантские растения древних заболоченных лесов Земли, обширные заросли пышных папоротников, саговников и хвойных деревьев вытягивали углерод из воздуха, чтобы образовать древесину и кору. Когда одно из таких самых первых наземных растений погибало, его ствол, ветви, листья и корни вносили свой вклад в биомассу, из которой образовывались новые типы богатых углеродом отложений: слабо уплотняющийся торф приповерхностных болот, мягкий бурый уголь и твердое черное ископаемое топливо, известное как каменный уголь{201}.

Львиная доля каменного угля Земли образовалась в течение непродолжительного интервала длиной в 60 млн лет (кстати, названного каменноугольным периодом), начавшегося приблизительно 360 млн лет назад. Когда дерево падает в сегодняшних лесах, оно обычно быстро разлагается, возвращая атомы углерода в почву, чтобы они использовались снова и снова. Триста же миллионов лет назад — пока в результате эволюции не появились разнообразные обитающие в древесине грибы, научившиеся способам разрушения ее жестких лигниновых волокон, — эффективной переработки деревьев еще не было. Перед тем как начать разлагаться, упавшие мертвые деревья накапливались слоями мощностью 30 м и больше. Остатки растений погружались все глубже и глубже, их ткани сдавливались и затвердевали. Эта биосмасса постепенно высыхала, а биомолекулы деполимеризовались, высвобождая летучие вещества и увеличивая содержание углерода до более чем 90% в самых востребованных разновидностях антрацита. Сегодня мы добываем это каменноугольное наследие огромными темпами, за считаные десятилетия возвратив в атмосферу углерод, изымавшийся оттуда в течение 60 млн лет.

Не успели накопиться слои угля, как растущий богатый почвенный покров Земли нашел еще один способ связывания углерода{202}. Значительную роль в этом начали играть глинистые минералы — распространенные спутники пробивающихся корней с их неумолимым превращением горных пород в почву. Глины уникальны по своему физическому и химическому поведению. Их минералы формируются в виде тонких плоских чешуек, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть в обычный микроскоп. Эти крошечные листочки скользят друг по другу (насколько глина скользкая, особенно во влажном состоянии, каждый знает по собственному опыту).

Поверхность глины не имеет себе равных также в своей способности соединяться с небольшими богатыми углеродом молекулами, среди которых есть и продукты разложения органики. Когда корни и другой подповерхностный детрит[54] сгнивают, их биомолекулы по большей части собираются на поверхностях глинистых минералов. В результате эрозии почвы реками и ветрами огромные количества глины перемещаются в океаны. В прибрежной зоне накапливаются тысячи метров глинистых отложений, и в них содержится много углерода — это еще один резервуар элемента №6 в сложном углеродном цикле Земли. А некоторая часть этих богатых углеродом отложений погружается глубоко в земную мантию вместе с бесчисленными карбонатными кокколитами. По этим потокам углерода и можно установить возраст жизни на суше независимо от предыдущих 4 млрд лет истории Земли.

Вариация 6. Мы вносим свою лепту

На Земле появились бесчисленные миллионы биологических видов, но подавляющее большинство этих форм жизни исчезло навсегда. Трилобиты, распространившиеся повсеместно харизматичные обитатели палеозойских морей, вышли на сцену более полумиллиарда лет назад. Их почитаемые окаменелые остатки, сегментированные и шипастые, кажется, смотрят на нас сквозь века выпуклыми фасеточными глазами. Трилобитов больше нет — они полностью вымерли в течение чуть более 250 млн лет. Господствуя величественно и сурово над мезозойским миром, дождались своей очереди и динозавры — на суше, в море и в воздухе. Массивные ископаемые фрагменты их скелетов служат молчаливым напоминанием о безжалостной естественности борьбы за выживание. Все вымерли, кроме птиц, радикально рассеявших доминировавшую некогда линию. Сейчас наша очередь.

Человеческая история гораздо более неизгладима, чем история других видов. Мы, люди, меняем окружающую среду такими способами, за которыми тянутся следствия. Мы возводим памятники, мы копаем уголь, мы зажигаем огни и оставляем после себя предметы. В этой многовековой истории углерод играет особую, удивительную роль, поскольку, пока мы проживаем свои жизни и создаем свою культуру, атомы углерода предоставляют нам часы, которые ведут хронику человеческой истории.

[52] Термин «линька» имеет отношение ко всем животным, имеющим внешний покров, будь то мех, перья, кожа, чешуя, панцирь или раковина. — Прим. ред.

[53] В 2017 г. в научно-издательском проекте Public Library of Science была опубликована статья об исследовании, в котором на основании радиоактивного анализа гранул циркона из этих отложений установлен новый возраст многоножки — примерно 414 млн лет, т.е. ее нельзя считать древнейшим воздуходышащим животным, поскольку к этому времени на Земле уже существовали другие организмы, использующие для дыхания воздух. См.: Suarez SE, Brookfield ME, Catlos EJ, Stöckli DF (2017) A U-Pb zircon age constraint on the oldest-recorded air-breathing land animal. PLoS ONE 12 (6): e0179262. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0179262. — Прим. ред.

[54] Мертвое органическое вещество. — Прим. науч. ред.