Новая история происхождения жизни на Земле

Показатели углекислого газа и кислорода в фанерозое

Возможно, наибольшее по важности физическое влияние, помимо температурных режимов, на развитие жизни на Земле имели изменения в объемах углекислого газа (для растений) и кислорода (для животных организмов). Относительные количества и углекислоты и кислорода в земной атмосфере определялись и продолжают определяться широким спектром физических и биологических процессов, и для многих людей является большим откровением то, что уровень обоих газов значительно сместился буквально недавно (с точки зрения геологического времени). Но почему же соотношение этих газов вообще меняется? Основными причинами являются множественные химические реакции, в которых участвует все богатство элементов земной коры, включая углерод, серу и железо. Эти химические реакции бывают как окислительными, так и восстановительными. В каждом случае свободный кислород O₂ соединяется с молекулами, содержащими углерод, серу или железо, возникают новые химические соединения, и кислород уходит из атмосферы на «хранение» в форме новых веществ. Кислород высвобождается и попадает обратно в атмосферу посредством других — восстановительных — реакций. Это, например, то, что происходит при фотосинтезе, когда растения выделяют свободный кислород как побочный продукт восстановления углекислого газа в цепи промежуточных реакций.

Было уже много моделей, специально разработанных для того, чтобы показать, как менялся в прошлом уровень углекислого газа и кислорода, в том числе с помощью ряда уравнений, известных как модель GEOCARB — самая ранняя из всех и наиболее подробная [36]. Эта модель, используемая для вычисления уровня углерода, была выведена Робертом Бернером из Йельского университета. К модели GEOCARB Бернером и его учениками были дополнительно разработаны несколько других отдельных моделей — для вычислений уровня кислорода. Вместе эти модели показывают основные тенденции изменений уровней углекислого газа и кислорода во времени. Эти разработки являются одним из величайших триумфов научного метода познания. Понимание увеличения и уменьшения со временем уровней упомянутых газов есть одно из наиболее важных для изучения развития жизни на Земле открытий последнего времени.

Некоторые считают, что четыре миллиарда лет назад условия и состав элементов на планете были подходящими для возникновения жизни. Но быть подходящей для обитания не означает стать обитаемой. Формирование жизни из неживых элементов, что будет темой следующей главы, кажется нам самым сложным химическим экспериментом, который когда-либо проводился. Суждения астробиологов позволяют думать, будто жизнь на Земле получилась «легко», однако при более внимательном рассмотрении все получается совсем наоборот.

Глава 3

Жизнь, смерть и состояние, недавно между ними обнаруженное

В 2006 году пошел слушок, что проводится целая серия любопытных экспериментов, связанных с жизнью, смертью, а также странной и неустойчивой комбинацией этих двух состояний. Сначала все выглядело как досужие разговоры в кругу коллег, потом тема медленно дозрела до последовательных обсуждений на научных конференциях и, наконец, соответствующие открытия расцвели буйным цветом в многочисленных блестящих работах, опубликованных дотоле неизвестными биологами. Марку Роту не суждено было долго пребывать в безвестности, особенно после того как Фонд Макартуров вручил ему грант для гениев в 2010 году Марк Рот — первооткрыватель в своей области, исследователь неизведанной территории. Это человек, который многое может рассказать нам не только о том, что такое «жизнь», но и что такое «жить», а также о том, что одно вполне может существовать без другого, и если не сегодня, то уж точно в те давние времена, когда жизнь на Земле только появилась.

Рот открыл, что близкие к смертельным дозы сероводорода погружают млекопитающих в состояние, которое можно описать только как приостановленная подвижность [37], анабиоз. В массовой культуре словечко это весьма распространенное, особенно благодаря научной фантастике, однако именно это и происходит на самом деле с живыми организмами, обработанными таким газом. Подвижность останавливается не только в смысле наблюдаемости — подопытные животные больше не двигаются, сильно замедляются сердцебиение и дыхание, но движения нет и на более фундаментальных уровнях. Крайне замедляются нормальные функции тканей и клеток. И происходит даже нечто более удивительное: млекопитающие теряют свою способность к терморегуляции. Они перестают быть теплокровными и переходят в низший класс хордовых — в холоднокровные. При этом они ни мертвы, ни по-настоящему живы, поскольку по своему основополагающему признаку млекопитающих они вроде как мертвы, но смерть эта временная. Она «закончится», если действие газа прекратится через какое-то определенное время, и все нормальные функции восстановятся. Помимо очевидных медицинских перспектив, это новое понимание порядка вещей раскрывает, что именно есть жизнь, а что — нет.

Мысль Рота проста: существует некое состояние между жизнью и смертью, оно не исследовано и имеет несомненный медицинский потенциал, но, кроме того, позволяет понять, как некоторые организмы смогли избежать массового вымирания. Возможно, смерть не является таким уж «непоправимым» событием, как полагают [38]. Рот надеется, что ему удастся научиться погружать организмы в это пограничное состояние, а затем возвращать обратно. Впрочем, пока у этого явления будет прозвище «приостановленная подвижность», многих это будет вводить в заблуждение. На самом деле, в английском языке [39] нет слова, которое бы точно описывало суть этого состояния между жизнью и смертью. Киношники называют это «территория зомби» и все такое в том же духе, и, может быть, неповоротливая научная общественность примет этот термин. Но мы в этом сомневаемся.

В одном из важнейших экспериментов Рота участвовали плоские черви — примитивные организмы, тем не менее живые! Конечно же, в сравнении с любым микроорганизмом никакой другой не может быть назван примитивным. Ученый снизил уровень кислорода, необходимый для дыхания этих червей. Как и всем живым существам, плоским червям необходим кислород — и много. Итак, в закрытом резервуаре, где содержались черви, снизилось содержание кислорода, и постепенно их движения замедлились, а затем они вовсе перестали двигаться. Никакие тычки и толчки не вызывали ответной двигательной реакции. Но на этом Рот свой эксперимент не закончил. Он продолжил уменьшать количество кислорода в воде, где находились черви. Плоские черви пришли в состояние «спячки» — не жизни и не смерти [40]. Жизнь и смерть, как кажется, — состояния куда более сложные, чем многие из нас думают.

Жизнь и смерть простейших организмов

Млекопитающие — одни из самых сложноорганизованных организмов, но подобные эксперименты, проведенные над ними, также показывают, что жизнь в них, очевидно, сохраняется: сердце по-прежнему бьется, кровь продолжает циркулировать по венам, нервы реагируют на раздражители, и происходит транспортировка необходимых для жизни веществ, хотя все это — в очень медленном темпе. Но что и правда интересно и важно, так это то, как сохраняется жизнедеятельность в намного менее сложных организмах, например, в бактериях и вирусах, особенно если они попадают в среду, лишенную всяких газов, или в очень холодную среду. И это не теоретические вопросы, поскольку постоянно вместе с сильными ветрами микроорганизмы улетают далеко вверх, в верхние слои атмосферы, за пределы озонового слоя — нашего основного щита против ультрафиолета из космоса. Это второй рубеж в изучении жизни и смерти: исследования верхних областей атмосферы Земли.