Книга До и после динозавров - Андрей Журавлев

Операция с захватом молекулы углекислого газа позволила цианобактериальному сообществу добраться до практически неисчерпаемого источника углерода в атмосфере. Большая часть органических веществ перерабатывалась и возвращалась обратно в виде все того же газа бактериями-разрушителями. Ничтожная часть органики захоранивалась, но объем углекислого газа в атмосфере постепенно убывал. Это, во-первых, уберегло планету от «теплового удара», которому подверглась Венера, не избавившаяся вовремя от парникового газа. Во-вторых, атмосфера стала наполняться кислородом.

Образоваться за счет воздействия света на водяной пар кислород в достаточном объеме не мог. Как только его уровень в атмосфере превысил одну десятую часть от современного содержания, образовался озоновый (О3) щит. Щит отражал ультрафиолетовые лучи, и распад водяного пара прекратился. А щит этот позволил организмам освоить мелководье, а затем и сушу.

Цианобактериальные сообщества, которые поставили себе памятник в виде строматолитов, предопределили дальнейшее развитие земной жизни. Они выделяли самый главный для всех последующих существ газ — кислород. Конечно, кислород не задержался бы в атмосфере, если бы бактерии не освободили его от прямых обязанностей — от окисления водорода и органического вещества. Водород достаточно легок, чтобы улетучиваться с Земли, а органическое вещество хранится в осадке до наших дней. Изъятие этих элементов из оборота и привело к накоплению кислорода.

С помощью столь ядовитого для других бактерий (а в больших дозах — и для всех прочих существ) газа, как кислород, цианобактерии вскоре потеснили своих соперников. Уже к концу архея они стали самой распространенной на планете группой организмов. И остаются такой поныне.

Впрочем, этот чрезмерно активный газ больше годится для разрушения — медленного (гниения) или бурного (горения). Он легко образует перекись водорода и другие ядовитые для живых существ соединения. Немногие бактерии способны направить разрушительную силу кислорода себе на пользу. Это светящиеся бактерии, благодаря которым во тьме мигают светлячки и переливаются огнями глубоководные рыбы. Некоторые круглые черви — нематоды (греч. «нема» — нить) — даже приспособили этих бактерий для подачи световых сигналов птицам. Чтобы попасть в желудки последних, где эти паразитические черви и живут, нематоды проникают в гусениц. Засветившиеся гусеницы становятся легкой добычей птиц, а им, паразитам, только этого и надо.

Возможно, что именно укротившие кислород древние родственники светящихся бактерий заставили дышать всех эукариот этим газом. Но об этом несколько позже.

Магнитная карта

Но почему мы так уверены, что свободный (не связанный в минералах) кислород уже был? Об этом можно судить по остаткам некоторых бактерий из архейских отложений.

В породах возрастом 2,9 млрд лет встречаются очень мелкие кристаллики магнетита. Они имеют необычную для этого железосодержащего минерала шестигранную форму. Неорганический магнитный железняк бывает четырех- и восьмигранный, но шестигранным быть не может. Только магниточувствительные эубактерии способны вырастить в себе подобные странные кристаллы. Самим бактериям они нужны для того же, для чего нам нужен магнитный компас. Бактерии проживают на дне водоема и очень не любят, когда кто-нибудь большой и настырный ворошит ил, всплывающий облаком мути. Вращаясь в этом облаке, бактерия не знает, где родное дно, а где — жутко опасное открытое пространство. Однако поскольку магнитные поля проходят по касательной, взяв по ним направление, можно живо уйти на дно. Поэтому бактерии, обитающие в Северном полушарии, всегда плывут на север и наоборот.

Спустя миллионы лет многие животные воспользовались магнитными свойствами этого минерала. У пчел кристаллики магнетита спрятаны в передней части брюшка, у голубей, китов и человека — в оболочке мозга под крышей черепа. (Хотя у человека на 1 г оболочки мозга приходится до 100 млн кристаллов магнетита, без дополнительных приборов он в лесу все равно заблудится.) Как раз карту естественных магнитных полей передают пчелы в своем диковинном танце.

Чтобы вовремя определить, где спасаться, бактерии вырабатывают магнетит. Поскольку для его образования требуется кислород, мы можем утверждать, что в архейских атмосфере и гидросфере его было достаточно, а магнитосфера надежно прикрывала Землю от солнечного ветра. Но если кислород вырабатывался, тогда почему так медленно совершенствовалась земная жизнь?

Теперь неокисленное железо запрятано глубоко в ядре Земли, но архейский океан изобиловал растворенным железом и марганцем и тонкой взвесью этих элементов. Неокисленные заряженные частицы железа и марганца поступали из недр Земли вместе с базальтовой лавой и в растворах, извергаемых подводными вулканами. Они также сносились с поверхности суши. Эти вещества соединялись со свободным кислородом, еле успевавшим вырабатываться фотосинтезирующими бактериями. Навеки вместе сводили кислород и металлосодержащие соединения тоже бактерии. Причем одни бактерии «ковали железо» в условиях настоящего металлургического цеха — при температуре 70 °C. Всего 10 г таких бактерий могут произвести целый килограмм магнетита. Другие бактерии окисляли железо, создавая магнетит или гематит (красный железняк) при нормальной (для нас) температуре.

Получившиеся нерастворимые хлопья железистых соединений (или просто ржавчина) ложились на дно тонкими слойками и перекрывались выносимыми с суши мельчайшими кварцевыми зернами, что отражало сезонность процесса. Они оседали там, где глубокие бескислородные воды граничат с поверхностными, обогащенными кислородом. Затвердевая, осадок превращался в полосчатые железистые кварциты. Названы эти породы так из-за тонкого (миллиметрового) переслаивания кварца и железосодержащих минералов. Огромные залежи железа накопились в обширных архейских и раннепротерозойских бассейнах, занимавших 100 тыс. и более квадратных километров. Курская магнитная аномалия мощностью в несколько сотен метров и другие крупнейшие месторождения железа в значительной степени являются плодом бактериальной деятельности. Так будущие поколения животных получили исходный материал для производства танков, базук, колючей проволоки и прочих предметов первой необходимости в нашем мире.

В одном из таких местонахождений (Ганфлинт в Канаде), которому 2 млрд лет, прозрачные кварцевые слойки запечатлели странные звездчатые микроокаменелости — эоастрион (греч. «ранняя звездочка».) Эоастрион очень похож на современных бактерий, образующих железные и марганцевые окислы.

Поскольку кислород уходил на окисление железа (а также марганца и некоторых других металлов), его содержание в воздушной и водной средах долго оставалось неизменно низким. Только с выводом из круговорота основных масс неокисленного железа и марганца уровень кислорода стал повышаться. Это произошло примерно 2,7 млрд лет назад.

Итак, сразу после тяжелых ковровых метеоритных бомбардировок, отгремевших 4,0–3,8 млрд. лет назад, в условиях непрекращавшихся бурных извержений вулканов, горячих источников, которые исторгали всяческие газы (углекислый, гелий, водород и метан), и высоких давлений Земля наполнилась жизнью. Бактериальные сообщества заселили мелководные океаны (архейские океаны могли на два-три километра быть мельче современных), окружавшие небольшие праматерики. Соленость и другие химические особенности вод к концу архея, видимо, не отличались от нынешних. Все живые клетки накапливают ионы калия и освобождаются от ионов натрия. Так, в морских водах со временем стал преобладать этот металл. Магнитосфера уже существовала, защищая Землю от солнечного ветра. Продолжительность суток была короче (около 15 часов), а средняя высота прилива была выше (примерно в полтора раза, поскольку Луна обращалась ближе к Земле). Среднеземные температуры не сильно отличались от нынешних, поскольку более низкая светимость молодого Солнца уравновешивалась высоким содержанием в атмосфере метана (совершенно незначительного для современной атмосферы) и водяного пара, создававших теплоизолирующую оболочку.