Происхождение всего: От Большого взрыва до человеческой цивилизации

Циркуляция атмосферы переносит теплый воздух из тропических зон к полюсам, а холодный воздух – в тропики. Однако из‑за вращения Земли циркуляция атмосферы делится на три ячейки, вращающиеся в противоположных направлениях в Северном и Южном полушариях. Поток воздуха в нижней части каждой ячейки отклоняется на восток или на запад из‑за вращения Земли (и в зависимости от того, направлен ли поток к экватору или в противоположную сторону от него). Эти потоки образуют преобладающие ветра в атмосфере Земли. (С разрешения Барбары Шеберл, Animated Earth LLC.)

Наконец, холодный воздух на полюсах, который движется по направлению к экватору, попадает в ветры, дующие гораздо быстрее в восточном направлении, и этот воздушный поток отклоняется на запад по отношению к этим ветрам. Эти воздушные течения называются полярными восточными ветрами, которые преобладают примерно на 60‑м градусе широты в обоих полушариях (например, на Аляске или в Антарктиде). В Северном и Южном полушариях Земли есть три вращающиеся в противоположных направлениях циркуляционные ячейки, которые охватывают Землю параллельно экватору. Они ответственны за перенос горячего воздуха от экватора к полюсам и прохладного воздуха от полюсов к экватору. В этом процессе они управляют преимущественными ветрами планеты, которые находятся, по сути, в нижней части каждой из этих ячеек. Эти преимущественные ветра в основном определяют метеорологические условия (а также высотные струйные течения, которые находятся в верхней части циркуляционных ячеек, а также между ними). Во времена плаваний под парусами они были чрезвычайно важны для моряков.

Сильные пассаты также перемещают тропические воды океана на запад, прижимая их к западным границам океанических бассейнов и тем самым смещая течения к северу и югу. Это приводит к образованию таких течений, как Гольфстрим, который приносит теплые воды в Северную Атлантику и обеспечивает мягкий климат Новой Англии и Западной Европы. Теплые воды Гольфстрима в конце концов охлаждаются в Северной Атлантике, где из‑за сухих и сильных западных ветров вода испаряется, отчего там она более соленая.

Очень холодная и соленая вода становится тяжелой и погружается ко дну. Этот процесс называется термохалинной циркуляцией. Морские течения, движимые и ветрами, и термохалинной конвекцией, в большой степени ответственны за глобальную циркуляцию океанов, так как перемешивают и перемещают водные массы. Весь этот процесс занимает столетия. Это длительное время перемешивания и перемещения необходимо, чтобы океан смог приспособиться к изменениям в атмосферной температуре и концентрации парниковых газов (мы поговорим об этом подробно в следующей главе).

Циркуляционные ячейки атмосферы также определяют перемещение воды по всей планете через атмосферу. Из‑за интенсивного нагрева в районе экватора испаряется много воды, благодаря чему формируются восходящие теплые потоки. Эти потоки поднимаются на большие высоты, а затем распространяются по горизонтали на север и юг. Воздух охлаждается, а вода конденсируется, создавая облака и дождь (поэтому в тропиках так влажно и дождливо). К тому времени, как этот воздух достигает своих нисходящих точек примерно на 30° с.ш. и 30° ю.ш., он теряет воду, становится очень сухим и высушивает землю в местности, на которую опускается. Это приводит к образованию аридных зон, таких как пустыни Сонора и Сахара и большинство внутренних районов Австралии, а также районы со средиземноморским климатом, в которых сухие природные зоны соседствуют с морем, например само Средиземноморье и бóльшая часть Калифорнии. Эти зоны различного климата и влажности сыграли важную роль в развитии сельского хозяйства, повлияв на ход человеческой истории и праистории.

По большей части циркуляция атмосферы Земли (и, следовательно, вод океанов) вызвана относительно быстрым вращением нашей планеты, как это описано выше. Венера вращается очень медленно и при этом в обратную сторону (относительно вращения Земли и большинства планет Солнечной системы). Один оборот Венеры вокруг своей оси занимает 243 суток, даже чуть больше, чем венерианский год (примерно 225 земных суток). Это медленное и странное вращение – одна из многочисленных загадок нашей планеты‑сестры. Несмотря на столь вялое вращение, на Венере дуют очень сильные ветры. В верхних приэкваториальных слоях атмосферы они дуют в противоположном вращению планеты направлении (на Земле, в верхней части ячейки Хэдли, ветер дует в направлении вращения). Период вращения Марса почти такой же, как и у Земли (вероятно, это случайность), и даже в его разреженной, в основном состоящей из углекислого газа атмосфере имеется ячейка циркуляции атмосферы, похожая на ячейку Хэдли, т. е. происходит перенос тепла и даже водяного пара от экватора к полюсам. Эта циркуляция также вызывает сильные ветры, что приводит к сильным пылевым бурям, которые иногда закрывают поверхность Марса на несколько месяцев.

Но я слишком долго распространялся о Земле. Было бы просто глупо не упомянуть о замечательных атмосферах Юпитера и Сатурна. Обе планеты имеют в значительной степени схожий химический состав, унаследованный от протосолнечной туманности, состав которой с некоторыми изменениями был идентичен составу Вселенной после Большого взрыва. Значит, Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода, меньшего количества гелия и малой доли тяжелых элементов, образованных в звездах‑сверхгигантах. Несмотря на огромные размеры, обе эти планеты вращаются в два с половиной раза быстрее Земли, с периодом оборота около 10 часов (Юпитер чуть быстрее), но по сравнению в Землей получают гораздо меньше тепла от Солнца: на каждый квадратный метр поверхности Юпитер получает в 25 раз меньше солнечной энергии, Сатурн – примерно в 100 раз. Обе гигантские планеты имеют полосы высотных струйных течений и облака, которые, в упрощенном смысле, представляют собой множество циркуляционных ячеек типа ячеек Хедли. Однако, вероятно, бóльшая часть энергии, приводящей в движение эту циркуляцию, вырабатывается за счет потери планетой ее внутреннего тепла. Полосы ветров, называемые зональными ветрами, очень быстры и на Сатурне, они могут достигать скорости более 1600 км/ч (самые быстрые ветры на Земле, вихри торнадо, не превышают 500 км/ч). На обеих планетах формируются огромные циклоны, они отдаленно напоминают земные, например ураганы и штормы, обрушивающиеся на северо‑восток Северной Америки, но гораздо, гораздо больше. На северном полюсе Сатурна действует массивный циклон, а знаменитое Большое Красное Пятно на Юпитере представляет собой ураган, размерами превышающий нашу планету и наблюдаемый уже более 100 лет.

И хотя атмосфера Земли не является самой большой, горячей, холодной, быстрой или медленной, она все равно уникальна для Солнечной системы по одной замечательной причине: ее атмосфера полностью отличается от той атмосферы, которая была в самом начале. Состав атмосфер всех остальных планет почти точно такой же, как и во время их образования – более 4 млрд лет назад. Но Земля «выворачивает себя наизнанку» благодаря тектонике плит, она излила всю свою воду на поверхность, чтобы там смогли образоваться океаны, и потому на Земле смогла развиться жизнь. Сегодня наша атмосфера ничем не схожа с той, что была изначально. Ни одна известная нам планета не изменила (не развила) свою поверхность и атмосферу так, как это смогла сделать Земля.

6. Климат и пригодность для жизни

В отличие от других планет Солнечной системы на Земле образовался умеренный климат, поэтому на ней сохранялась вода в жидком состоянии, а следовательно, и жизнь, по крайней мере такие ее формы, которые нам известны. Первыми живыми организмами, появившимися на Земле, были микроорганизмы, и произошло это за несколько миллиардов лет до того момента, с которого мы, люди, считаем планету пригодной для жизни, не говоря уже гостеприимной. Но даже в наши дни мы нашли на планете микробную жизнь, обитающую в самых неблагоприятных природных условиях – в средах, где температура превышает 100 °C, или в кислотных кратерных озерах. Поэтому определение «пригодности для жизни» имеет довольно широкий диапазон. Мы можем обнаружить микробную жизнь, существующую или существовавшую когда‑то на других планетах, условия на которых не хуже самых плохих условий на Земле.

Вода исключительно важна для жизни, поэтому список потенциально пригодных для жизни планет включает в себя Марс и ледяные спутники Юпитера и Сатурна (Европу и Энцеладу соответственно), на которых точно есть вода в жидком состоянии. Как бы то ни было, мы точно знаем, что на нашей планете выработался особенно стабильный и мягкий климат, давший жизни достаточно времени, чтобы она могла стать сложной и многоклеточной.

Разговор об условиях, необходимых для существования жизни на планете, нужно начать с классического понятия «зоны возможной жизни». Эта зона, по сути, является диапазоном орбит в любой планетной системе, где условия на поверхности находящихся в ней планет позволяют существовать воде в жидком состоянии. Другими словами, планета должна быть не так далеко от звезды, чтобы вся вода замерзла (как, вероятно, произошло на Марсе, хотя это становится все более сомнительным), но и не так близко, чтобы вся вода испарилась (как на Венере). Это понятие до сих пор используется астрономами, обнаруживающими планеты в других планетных системах, так как основными характеристиками, которые они устанавливают, по крайней мере пока, являются расстояние от планеты до звезды и (иногда) масса и/или размер планеты.

Орбита в зоне благоприятного обитания – важная часть теорий о вероятности нахождения разумной внеземной жизни. Под «разумной» я понимаю такую жизнь, которая может передавать в космос сигналы (например, радиоволны), несущие систематизированную информацию. Распознают ли внеземные формы жизни в наших радиоволнах признаки того, что они были посланы разумными существами, или нет, еще не известно, но, если мы сами будем искать в космосе сигналы с альфы Центавра (как в «Стартреке» и «Бонанце», любимых фантастических сериалах моего детства), тогда критерии поиска должны быть очевидны. Вероятность получения нами таких сигналов выражена в известном уравнении Дрейка (в честь американского радиоастронома Франка Дрейка) и равна произведению нескольких вероятностей (например, вероятностей того, что у звезды имеются планеты и по крайней мере одна из них находится в обитаемой зоне жизни, и эта потенциальная форма жизни посылает радиоволны именно тогда, когда мы можем их обнаружить, т. е. не слишком рано и не слишком поздно). Вероятность того, что из звездной системы, где существует жизнь, смогут в нужный момент послать радиоволны и «достучаться» до нас, астрономически мала. Тем не менее только в нашей Галактике миллиарды звезд, которые могли поддерживать жизнь в ходе длительной эволюции (как правило, это небольшие звезды, горящие миллиарды лет). Даже если на малой части из них существует жизнь, способная передавать радиосигналы, тогда таких звезд будут миллионы или по крайней мере десятки или сотни тысяч. В этом случае можно было бы ожидать увидеть хотя бы одно плохое инопланетное телешоу с помощью наших радиотелескопов, но пока этого не произошло. И это приводит нас к известному вопросу, заданному физиком Энрико Ферми: «Ну и где они?» Почему мы не наблюдаем следов внеземной разумной жизни? Либо условия, необходимые для ее формирования куда сложнее, чем мы предполагали, либо инопланетяне сразу же изобрели кабельное телевидение.

Условия для формирования жизни, сложной и технологически продвинутой, вероятно, более сложны и не исчерпываются астрономическим положением и радиусом орбиты. То есть не только солнечный свет определяет условия нашего ровного климата. Например, в Солнечной системе Земля, естественно, расположена внутри орбитальной зоны жизни (особенно учитывая все эмпирические доказательства того, что она действительно населена). Однако, если бы в атмосфере Земли не было водяного пара или углекислого газа, тогда не было бы и парникового эффекта и поверхность нашей планеты, вероятно, замерзла бы, покрывшись снегом и льдом. Возможно, это и происходило в течение нескольких периодов в далеком прошлом (мы обсудим это далее). Даже если некоторое количество жидкой воды сохранилось под ледяным покровом, Земля не получала достаточно солнечной энергии для поддержания жизни (учитывая высокую отражательную способность снега и льда). Если бы жизнь могла получать энергию только из других источников, например вулканизма, то для этого потребовался бы вулканизм в дополнение к нужной орбите. С другой стороны, если весь первоначальный углекислый газ, эквивалентный давлению в 60 атм, который теперь содержится в земной коре, оказался в атмосфере, парниковый эффект слишком сильно нагрел бы поверхность планеты. Мы упоминали микробов, которые могут успешно выживать при очень высоких и низких температурах, но они не эволюционировали за пределы их микробного состояния. По крайней мере, не на Земле. При экстремальных условиях – слишком высокой или слишком низкой температуре – мы могли бы рассчитывать в лучшем случае лишь на одноклеточную жизнь. Короче говоря, орбита определяет не все. Но тогда каковы они, эти условия жизни? Хороший вопрос.

Гипотеза уникальной Земли, предложенная геологом Питером Уордом и астрономом Дональдом Браунли, – хорошая, хотя и спорная попытка ответить на парадокс Ферми. Она утверждает, что наша планета стала пригодна для жизни благодаря почти невероятному, уникальному стечению обстоятельств, которые позволили возникнуть живым организмам, а следовательно, и людям. Это сочетание благоприятных условий настолько маловероятно, что шансы обнаружить внеземные радиосигналы в ограниченное время наших наблюдений ничтожно малы. Таким образом, ответ на вопрос Ферми заключается в том, что Галактика больше смахивает на пустыню Гоби, чем на Гонконг или Париж.

В соответствии с гипотезой уникальной Земли наша планета отвечает всем необходимым астрономическим условиям, находясь в нужном месте Галактики, т. е. не слишком близко к ее центру со множеством звезд и интенсивным излучением, которое испускает вещество, падающее в сверхмассивную черную дыру. Земля сформировалась в нужное время, чтобы на ней оказались строительные блоки для жизни. Мы находимся в середине орбитальной зоны жизни Солнечной системы, на нашей планете есть вода не только в жидком, но и в газообразном и твердом состоянии (что очень важно для климата; подробнее об этом ниже). В дополнение к благоприятным астрономическим условиям на Земле происходит тектоника плит, стабилизирующая климат. У Земли есть большой спутник, а значит, и приливные зоны, организмы в них должны были выживать и под водой, и на суше, что способствовало выходу жизни на сушу. Также у Земли «правильный» угол наклона оси вращения, что приводит к смене времен года, а это, в свою очередь, увеличивает биологическое разнообразие. В истории Земли происходили массовые вымирания видов, вызванные астероидными бомбардировками планеты и вулканической активностью. Например, Массовое пермское вымирание около 250 млн лет назад, вероятно, было вызвано извержениями вулканов на территории Сибири, когда огромные потоки лавы высвободили токсичные газы и выжгли множество угольных пластов, что способствовало глобальному потеплению. Образование суперконтинента также приводило к изменению береговой линии и связанных с ней морских экосистем. Каждое массовое вымирание вызывало экологическую перезагрузку, способствуя большему биологическому разнообразию и эволюции.

К сожалению, нам известна только одна такая планета – Земля. У нас слишком мало данных, чтобы определить, является ли сочетание всех этих условий абсолютно необходимым для развития жизнепригодности. Достаточно ли некоторых из этих условий или необходимы они все? У нас только одна планета для сбора данных, поскольку мы не знаем другой планеты земной группы с тектоникой плит, водой в жидком состоянии и большим естественным спутником. Со временем мы узнаем больше, потому что астрономы уже открыли ряд планет земного типа, обращающихся вокруг других звезд. Раньше или позже мы увидим, есть ли на них условия, необходимые для жизни, правда, для того, чтобы увидеть детали, например океаны и тектонику плит, потребуются телескопы с более высоким разрешением и четкостью.

Мы также не знаем, зависят ли друг от друга некоторые уникальные условия: если они независимы, это делает их одновременное наличие маловероятным, если же они связаны, одновременность вполне объяснима. Например, наличие воды в жидком виде и тектоники плит (и таких связанных с ними процессов, как вулканизм и суперконтинентальные циклы) сильно зависят друг от друга, и потому их одновременное существование не может быть просто совпадением. Возможно, на любой планете земного типа, где есть вода в жидком состоянии, есть и тектоника плит – мы этого пока просто не знаем. Точно так же гипотеза уникальной Земли предполагает, что эти условия необходимы для развития живой природы, какой мы ее знаем; в каком‑то смысле это лишь «рецепт» для возникновения таких же форм сложной жизни, как на Земле, но не общая теория возникновения сложной жизни вообще. Пока это единственный рецепт, который нам известен. Но мы могли бы узнать рецепты и других форм жизни. Живя на нашей «провинциальной» планете, мы еще слишком мало знаем даже о Солнечной системе и не можем представить себе другие формы жизни.

Независимо от того, существуют ли другие параметры жизнепригодности, мы точно знаем кое‑что о жизнепригодности нашей планеты. А поскольку Земля еще долго будет нашим домом, полезно эти вещи изучить и понять. Когда мы говорим о пригодности для жизни, то на самом деле имеем в виду стабильный климат, который обеспечивает наличие воды в жидком состоянии и устойчивое воспроизводство строительного материала для жизни (питательных веществ), – климат, который не пытается уничтожить нас каждые несколько миллионов лет или около того.

Самый важный ингредиент нашего климата – солнечный свет. В любой момент времени наша планета получает около 170 квадрлн (1,7 × 1017) Вт энергии от Солнца. Если измерять в лампочках яркостью 100 Вт, то Солнце заменяет почти 2 квадрлн лампочек, освещающих одну сторону нашей планеты в любой момент времени, или 13 таких лампочек на каждый квадратный метр поверхности планеты (обычно большинство квартир площадью 25 м² освещается двумя такими лампочками). Бóльшая часть этого излучения приходит в качестве видимого света, значительное количество солнечного света приходит в виде ультрафиолетового излучения (чтобы защититься от ультрафиолета, мы носим солнцезащитные очки и наносим на кожу защитный крем, хотя основной ультрафиолет поглощается озоном в стратосфере). Наконец, некоторая часть солнечного света представляет собой инфракрасное излучение, т. е. практически красный свет.

Одни части поверхности Земли поглощают солнечный свет, другие отражают его обратно в космос. Океаны темные и поглощают много света. Континенты светлее и отражают часть света обратно. Лед, например тот, что покрывает большую часть Гренландии и Антарктиды, отражает почти весь падающий на него свет. В целом поверхность Земли поглощает около 70 % солнечного света (отраженные 30 % обеспечивают «пепельный свет Луны») и поэтому нагревается и излучает энергию обратно в виде тепла или, что то же самое, инфракрасного излучения. Если бы у Земли не было атмосферы, поверхность планеты прогревалась бы в среднем лишь до −20 °С, что намного ниже точки замерзания воды (хотя некоторые части земного шара были бы теплее, а другие холоднее). Однако два важных газа земной атмосферы – водяной пар и углекислый газ – поглощают инфракрасное переизлучение (это означает, что инфракрасные фотоны поглощаются возбуждениями колебаний в этих молекулах) и таким образом удерживают тепло, действуя как покрывало. Хотя ни один из этих газов не является главным компонентом нашей атмосферы (где лидируют азот и кислород), именно они обеспечивают мощный парниковый эффект, укрывая Землю «покрывалом», благодаря которому средняя температура на планете составляет примерно 15 °С.

Земной климат очень чувствителен к тому, сколько солнечного света поглощает и отражает наша планета, а также к тому, сколько парниковых газов содержится в атмосфере. От перепадов этих двух факторов в высокой степени зависят стабильность климата и пригодность нашей планеты для жизни. Излучение Солнца устойчиво возрастает с тех пор, как в нем начались термоядерные реакции. В далеком прошлом солнечный свет был примерно на 30 % слабее, чем сейчас. Но количество солнечного света, которое поглощает Земля, также меняется, потому что ледяные шапки планеты увеличиваются и уменьшаются (что изменяет количество отраженного света), ось вращения Земли, которая проходит через Северный и Южный полюсы, колеблется и прецессирует (об этом явлении мы еще поговорим), орбита Земли тоже меняет наклон, наконец, у самого Солнца есть циклы активности, например 11‑летний цикл Швабе.

Изменения количества парниковых газов также очень важны. Водяной пар является наиболее важным парниковым газом с точки зрения его непрозрачности для теплового излучения. Однако количество воды в атмосфере всегда примерно одинаково, так как атмосфера находится в контакте с океанами, всегда насыщена парами воды и не может впитать ее больше. Если атмосфера слишком сухая, она в конечном итоге впитает испарения. Если она слишком влажная, избыток влаги выпадет в виде дождя. По этой причине воздух всегда стремится быть насыщенным, но не слишком влажным и не слишком сухим. Поэтому, если мы вдруг выбросим в атмосферу больше водяного пара, скажем, в результате извержения вулкана, бóльшая часть этого пара выпадет в виде дождя и, с учетом быстрой циркуляции атмосферы, дождь пойдет задолго до того, как пар приведет к повышению температуры, вызванному парниковым эффектом. Насыщение атмосферы водой имеет большое значение для гидрологического цикла испарений и осадков, которые, как мы увидим, определяют работу общего тектонического термостата планеты. Совсем не так обстояло дело с атмосферой Венеры. Возможно, она была такой горячей, что в ней всегда недоставало влаги, венерианская атмосфера могла содержать больше водяного пара, не проливая его в виде дождя. Водяной пар, вошедший в состав атмосферы Венеры (либо при вулканической дегазации, либо от испарения океана, если на Венере когда‑то был океан), делал атмосферу более горячей, что заставляло ее испарять еще больше воды, что сделало бы ее еще горячее… И так далее. Это называется необратимым парниковым эффектом.

Метан также является очень мощным парниковым газом, но в настоящее время присутствует в атмосфере в малых количествах (хотя его доля неуклонно растет). Когда жизнь только появилась, а Солнце было тусклее, метана, возможно, было намного больше. Сейчас срок жизни метана в атмосфере не достигает 10 лет, так как он эффективно реагирует с атмосферным кислородом (а конкретнее, с кислородосодержащими радикалами в стратосфере) и образует более слабые парниковые газы, углекислый газ и воду.

Углекислый газ – более мощный парниковый газ, чем водяной пар, но более слабый, чем метан, однако у него уникальная история распределения в различных частях Земли. В свое время в атмосфере содержалось много углекислого газа, сейчас он в основном содержится в коре и в меньшей степени – в океанах и биосфере (ниже мы поговорим об этом подробнее). Но когда в атмосферу высвобождается даже небольшая часть этого огромного скрытого резервуара углекислого газа, требуется очень много времени, чтобы вытеснить его оттуда. Углекислый газ не выпадает в виде дождя, как вода, и не исчезает быстро в результате реакций, как метан. Самый быстрый и самый эффективный способ избавления от углекислого газа – растворение в океане, но даже это происходит очень медленно (мы обсудим это чуть позже). Поэтому углекислый газ задерживается и накапливается в атмосфере в течение многих столетий или даже больше, оказывая огромное влияние на климат.

Несколько важных естественных механизмов обратной связи на Земле усиливают или сдерживают колебания климата, и некоторые из них связаны с углекислым газом. Если петля обратной связи положительная, она усиливает колебания климата, если отрицательная, она стабилизирует климат. Например, тектоника плит обеспечивает важную отрицательную обратную связь, которая сохраняет климат ровным в течение сотен миллионов лет. Кроме того, тектоника плит действует независимо от погодных условий, времени года или климата, сохраняя свою отрицательную обратную связь независимо от того, что происходит на поверхности. Геофизики вроде меня любят раздражать коллег, занимающихся изучением климата, утверждая, что наиболее важной частью климатологии является тектоника плит. Это могло бы даже быть правдой.

Обратная связь тектоники плит называется тектоническим или геохимическим циклом углерода и имеет несколько переменных составляющих. Во‑первых, тектоника плит доставляет на поверхность Земли новое минеральное вещество из коры и мантии. Это происходит благодаря извержению вулканов в срединно‑океанических хребтах, где литосферные плиты расходятся, а также благодаря вулканизму и горообразованию в зонах субдукции и коллизии, где плиты погружаются одна под другую и опускаются в мантию, в результате чего континенты сминаются, сжимаются и образуют горные массивы. Это же происходит в океанических горячих точках, таких как Гавайи, но там поверхность Земли изменяется намного меньше. Попав на поверхность, минеральное вещество вступает в химическую реакцию и с водой, и с углекислым газом – в дождевой воде, в реках, озерах и океанах. Углекислый газ растворяется в воде (особенно хорошо в дождевых каплях из‑за большой площади их поверхности), образуя слабую кислоту – угольную, ту же, что содержится в газированных напитках. Она вступает в реакцию с силикатными породами, образуя карбонаты, например известняк и мрамор. Таким образом, с помощью воды углекислый газ выводится из атмосферы, входит в структуру минералов и остается в составе горных пород. Если бы эти реагирующие вещества были оставлены в состоянии покоя, они образовали бы тонкий слой карбонатов, который не позволил бы расположенным более глубоко породам вступать в реакции, и в конце концов процесс впитывания углекислого газа прекратился бы. Однако дождь, снег, реки и ледники смывают вступившие в реакцию вещества в море. Эрозия помогает открыть доступ к новым минералам, доставленным на поверхность благодаря тектонике плит, и они продолжают вступать в реакции с углекислым газом, уменьшая его содержание в атмосфере.

Эрозия сама по себе сделала бы океаническое дно Земли плоским (вернее, сферическим, как бильярдный шар), что защитило бы его от дальнейшей эрозии и замедлило или прекратило дальнейшее выведение углекислого газа (в зависимости от глубины дна, но лучше обойти эту чрезвычайно сложную тему). Однако тектоника плит не только выносит на поверхность свежие породы, но и непрерывно создает вулканы и горы, что позволяет циклу эрозии продолжаться. Разрушенные минералы смываются в реки, озера и в конце концов в океаны и там насыщаются углекислотой, так как воды Земли содержат много растворенного углекислого газа. Карбонизации океана способствует строительство известковых раковин кораллами и планктоном, например фораминиферами и кокколитофоридами, и эта реакция, несомненно, будет продолжаться. Из‑за нее бóльшая часть изначальной, в 60 раз более массивной земной атмосферы, состоявшей из углекислого газа, содержится теперь в карбонатах на дне океанов (и на дне древних океанов, образовавшем горы и континенты благодаря тектонике плит). Без этого геологического уменьшения концентрации углекислого газа наша атмосфера была бы похожа на венерианскую.

Однако углекислый газ не может храниться в породах бесконечно. В частности, в зонах субдукции карбонаты океанского дна погружаются в мантию. Часть углекислого газа из этих пород испаряется при высоких температурах и растворяется в расплаве мантии над погружающимся краем литосферной плиты (плавление происходит из‑за воды, которая также испаряется из слэба, как это описано в главе 4), а потом возвращается в атмосферу с вулканическим газом. Некоторые карбонаты выживают на стадии выпаривания и, возможно, погружаются в глубокую мантию. Считается, что мантия способна сохранять большое количество углерода, пусть и не в высоких концентрациях. С учетом ее огромного объема полное количество углерода в мантии, вероятно, значительно больше, чем в земной коре и океанах, хотя это еще остается предметом дискуссий. То, что в мантии Земли много углерода, доказывает его устойчивая форма, скрытая на глубине нескольких сотен километров, – алмазы. Время от времени они быстро поднимаются к поверхности и остаются в застывших магматических породах – магме, которая «застревает» в земной коре. Самые известные такие породы называются кимберлитами – в честь города Кимберли в Южной Африке, где их впервые нашли. Но алмазы явно не способствуют увеличению в атмосфере двуокиси углерода, а вот при извержениях вулканов в срединно‑океанических хребтах (и в меньшей степени в горячих точках, вроде Гавайских островов) из мантии просачивается углекислый газ. Так происходит медленное и постоянное проникновение углекислого газа в атмосферу Земли из ее недр. Не весь он затем уходит обратно в результате эрозии и выветривания, и этой медленной подачи углекислого газа в атмосферу достаточно для поддержания парникового эффекта на нашей планете.

Этот геохимический цикл углерода – выведение углекислого газа из атмосферы в результате выветривания и эрозии свежих минералов и возвращение его обратно благодаря вулканизму – предположительно, оказывает значительную отрицательную обратную связь, которая очень важна для этой истории. (Гипотеза о существовании отрицательной обратной связи до сих пор вызывает активные споры. Ее иногда называют моделью Walker World в честь Джеймса Уокера и его коллег. Эта модель похожа на более продвинутую BLAG‑ модель Роберта Бернера.) Выветривание и эрозия минералов зависят от температуры поверхности во многих отношениях. Во‑первых, при высоких температурах испаряется больше воды и, как следствие, выпадает больше осадков в виде дождя или снега, которые, в свою очередь, управляют процессом эрозии. Выпадению осадков также способствует наличие гор, так как ветер несет влажный воздух вдоль их склонов на большую высоту, где конденсируется водяной пар. Во‑вторых, при высоких температурах быстрее происходят карбонизация и выветривание. Когда избыток углекислого газа выбрасывается в атмосферу в результате извержения вулкана, лесного пожара или неконтролируемого сжигания ископаемого топлива (хм, что бы это могло быть?), потепление и парниковый эффект усиливают осадки и эрозию и ускоряют процесс выветривания минералов, выводя углекислый газ из атмосферы. (Это занимает миллионы лет и потому не спасет человечество, если мы не сумеем намного ускорить этот процесс и продолжим наше безрассудное потребление.) Если же уровень углекислого газа резко упадет, как это, возможно, произошло в далеком прошлом, тогда отсутствие парникового эффекта приведет к тому, что температуры снизятся и это ограничит процесс испарения, выпадения осадков, эрозию и выветривание, а затем остановит и выведение углекислого газа. Его уровень не будет снижаться, а вулканизм будет медленно выпускать углекислый газ в атмосферу. Таким образом, тектоника плит не позволяет ни уровню содержания углекислого газа, ни температуре стать слишком высокими или слишком низкими. Тектонический цикл сохраняет климат относительно стабильным в течение сотен миллионов лет. Слово «стабильный» здесь означает, что тектонический цикл препятствует скачкам температуры в десятки градусов Цельсия, однако он не защищает Землю от наступления ледникового периода или установления жаркого климата и исчезновения льдов.

Жизнь, и в частности ее сложные формы, могут развиваться и выживать при умеренных колебаниях климата, но не при катастрофических: например, если из‑за резкого усиления парникового эффекта будет высвобождена бóльшая часть углекислого газа, испарится значительная часть воды океанов, а Земля превратится в настоящий ад, вроде венерианского. Тектоника плит эффективно сглаживает сильные колебания климата.

Помимо цикла тектоники плит океаны, атмосфера и ледяной покров имеют и сильную положительную обратную связь, что стимулирует изменения климата. Эти положительные обратные связи усиливают небольшие изменения получаемой солнечной энергии, вызванные слабыми колебаниями активности Солнца, орбиты Земли и ее оси вращения. Это явление называют циклами Миланковича.

Сербский астрофизик и геофизик начала XX в. Милутин Миланкович предположил, что изменения параметров орбиты Земли и ее вращения вокруг своей оси могут вызывать ледниковые циклы, которые длятся десятки тысяч лет. Есть три основных эффекта, описываемых этими циклами. Самый быстрый цикл происходит из‑за того, что ось вращения Земли движется, подобно оси теряющего скорость волчка, по расходящейся спирали (так называемое прецессионное движение), описывая полную петлю каждые 26 000 лет. Это меняет времена года таким образом, что через 13 000 лет в Северном полушарии в январе будет лето. Следующий цикл Миланковича описывает, как наклон оси вращения Земли колеблется между вертикальным положением (т. е. перпендикулярным к плоскости Солнечной системы) и наклонным, где наклон немного больше, чем сейчас (в настоящее время ось наклонена не критично), что происходит каждые 40 000 лет. Это влияет на сезонные различия в климате: чем больше угол наклона, тем холоднее будет зима и жарче лето. Наконец, изменяется орбита Земли вокруг Солнца – от круглой к чуть более эллиптической. Это происходит примерно каждые 100 000 лет и меняет приближение Земли к Солнцу. Вместе эти циклы (наряду с асимметрией между Северным и Южным полушариями, которые из‑за различного соотношения суши и океанов по‑разному поглощают солнечный свет) влияют на то, сколько солнечного света поглощает наша планета каждые 20 000, 40 000 и 100 000 лет. Следы циклов Миланковича были проверены по климатической записи глубоководных отложений.

Колебания количества полученного солнечного света, вызванные циклами Миланковича, очень малы, однако положительные обратные связи в океане и атмосфере усиливают их до такой степени, чтобы вызвать циклы ледниковых периодов (называемых оледенением и межледниковьем) с периодами от десятков тысяч до сотен тысяч лет. Если тектонический цикл смягчает сильные колебания климата, то океаны и ледниковые шапки Земли, наоборот, их «преувеличивают», как плохой актер или журналист, пишущий о науке. (Шучу. Отчасти.)

Одной из важных положительных обратных связей служит способность океанов растворять огромное количество углекислого газа; в океанах его гораздо больше, чем в атмосфере, но гораздо меньше, чем содержится в земной коре в виде карбонатов. При этом теплая морская вода растворяет углекислый газ хуже, чем холодная, что вызывает ряд важных эффектов.

Представьте, что концентрации углекислого газа в океане и атмосфере находятся в равновесии, так что концентрация ни в одной из этих сред не может ни увеличиться, ни уменьшиться за счет другой. Если бы средняя температура поверхности поднялась во время одного из циклов Миланковича, то потепление океана снизило бы его способность растворять углекислый газ, который в результате стал бы поступать в атмосферу. Это привело бы к потеплению из‑за возросшего парникового эффекта, что еще сильнее нагревало бы океан, который испускал бы еще больше углекислого газа, и т. д. Точно так же, если температура поверхности во время ледникового периода становится ниже, охлаждающийся океан впитывает больше углекислого газа, который, в свою очередь, усиливает охлаждение. Реакция океана является положительной обратной связью, которая усиливает колебания климата. Океан реагирует медленно, ведь прежде, чем его поверхностные воды перемешаются с глубинными, пройдет нескольких сотен или тысяч лет (о чем упоминалось в предыдущей главе). Хотя этого достаточно, чтобы успевать реагировать на гораздо более медленные колебания циклов Миланковича.

Говоря об ответной реакции океана на потепление, отметим, как он реагирует на возрастающее количество углекислого газа, поступающего из других источников, например из вулканов или вследствие сжигания биомассы и/или ископаемого топлива. Если бы концентрация углекислого газа в океанах и атмосфере была одинакова, океан растворил бы дополнительный выброс в атмосферу и часть его ушла бы на глубину в основном за счет даунвеллинга в высоких широтах. Но из‑за долгой циркуляции океана этот процесс проходит очень медленно, и избыток углекислого газа задерживается в атмосфере на многие столетия. В конце концов он прогрел бы океан, которому стало бы труднее выводить углекислый газ, и тот, в свою очередь, еще дольше накапливался бы в атмосфере. (Биота, а именно растения и деревья, также поглощает углекислый газ в процессе фотосинтеза, но после их гибели и разложения углекислый газ высвобождается. Поглощение избытка углекислого газа организмами может оказать эффект только при условии, что общая биомасса Земли растет или если омертвевшая биомасса хоронится таким образом, что избегает гниения – как в случае с ископаемым топливом. Хотя вырубка лесов и сжигание ископаемого топлива сводит этот эффект на нет.)

Еще одна важная положительная обратная связь видна на примере ледников Арктики и Антарктики. Ледяной покров отражает солнечный свет обратно в космос, ограничивая поглощение солнечной энергии нашей планетой. Если температура повышается, льды тают и отражают меньше света, поверхность Земли нагревается сильнее, отчего тает еще больше льда, и т. д. Если же температура понижается, ледяной покров растет, отражает больше света, температура понижается еще сильнее, а ледники растут и т. д.

Таяние материковых льдов, например ледников, которые покрывают Гренландию и Антарктиду, также приводит к изменению уровня Мирового океана. Это фиксируется даже сейчас, когда происходит быстрое потепление климата, и может привести к потере низменных островов (например, Мальдивских в Индийском океане). Таяние морского льда, плавающего в океане, не дает такого эффекта: лед и так находится в океане, хотя изменение температуры воды действительно вызывает умеренное изменение уровня океана за счет теплового расширения или сжатия воды. Яркий пример – таяние льдов Гренландии и Антарктики. Если они полностью растают, уровень Мирового океана может подняться на 70 м и затопить большинство прибрежных городов. Таяние льдов также повлияет на климат, воздействуя на вулканическую дегазацию. Освобождение вулканов от ледникового льда уменьшит давление на магму, заставив ее пениться и пузыриться, как в откупоренной бутылке газировки, и вулкан начнет извергаться. Поэтому потепление и таяние ледников приведут к увеличению вулканических выбросов углекислого газа, что, в свою очередь, приведет к потеплению и т. д. (Эта гипотеза, предложенная геофизиками Питером Хайберсом и Чарльзом Ленгмюром, пока остается объектом исследований и дискуссий.)

Положительные обратные связи океана (и содержащегося в нем углекислого газа) и ледников усиливают любое колебание климата в сторону потепления или похолодания. Если в один из циклов Миланковича на Землю попадет немного больше солнечного света и она его поглотит, обратные связи приведут к тому, что климат станет теплее, чем был бы вследствие простого усиления солнечного света. Точно так же, если циклы Миланковича вызывают похолодания, обратные связи способствуют сильным холодам. Эта гиперреакция повторяется в течение многих лет и веков, что усиливает цикл Миланковича, который длится десятки тысяч лет и дольше. Таких колебаний климата достаточно для того, чтобы возникали ледниковые циклы, длящиеся от 20 000 до 100 000 лет, включая последний ледниковый период, который закончился примерно 12 000 лет назад – и ознаменовал рассвет человеческой цивилизации.

Земля знала самые разные климатические условия – от ледниковых периодов до повсеместных тропиков. Я не смогу рассказать про все из них, но основные мы с вами можем рассмотреть. Во‑первых, есть доказательства того, что чуть меньше миллиарда лет назад, до появления многоклеточной жизни, Земля по крайней мере однажды была почти полностью покрыта снегом и льдом. Это так называемая гипотеза «Земля‑снежок». Перемещенные ледниками той эпохи камни были найдены в тропических широтах, например в Намибии на юго‑западе Африки. Это состояние замерзшей планеты больше не повторялось, возможно, потому, что к тому времени уже появилось правильное (или неправильное, в зависимости от вашей точки зрения) сочетание обратных связей, позволявшее избежать глобального замерзания.

Согласно еще одной гипотезе, раньше вся земная суша составляла один суперконтинент, который геологи называют Родиния. В отличие от другого известного суперконтинента, Пангеи, Родиния занимала место на экваторе и в тропиках. Когда Родиния распалась, в зонах рифта образовалось много лавы и свежих минералов (как, например, происходит в Восточно‑Африканской рифтовой зоне в наши дни), а образовавшиеся маленькие континенты остались в зоне влажных тропиков. Влажные тропические побережья получают больше солнечного тепла, чем любая другая зона планеты, на них испаряется больше всего воды и выпадает больше всего осадков. Это привело бы к активной эрозии и выветриванию образовавшихся рифтовых континентов, а значит, к потере атмосферой углекислого газа и, по идее, к похолоданию и уменьшению количества осадков. Но температура в тропиках меняется незначительно. При умеренном похолодании на тропических континентах по‑прежнему выпадало бы много осадков. По мере похолодания ледники росли бы, а похолодание усиливалось из‑за того, что их лед отражал больше солнечного света. Если континенты расположены в более высоких широтах, как теперь, ледяной покров защищает континенты от эрозии и выветривания, ограничивая потери атмосферного углекислого газа и охлаждение. Если же континенты находятся в тропиках, ледяной покров в основном состоит из морского льда и не защищает их от эрозии и выветривания. Распространение льда и выветривание горных пород продолжалось бы до тех пор, пока огромные ледяные шапки Северного и Южного полушарий не стали отражать так много света, что уже ничто не сдерживало их рост, и тогда они практически соединились бы на экваторе, заковав планету в лед на десятки миллионов лет.

Жизнь сохранилась только в маленьких бассейнах воды на дне океана, а Земля в конце концов оправилась от последствий этого катаклизма благодаря тектонике плит. Глобальный ледяной покров и низкие температуры прекратили эрозию и выветривание горных пород и остановили дальнейшее удаление углекислого газа, однако благодаря вулканизму, продолжавшемуся в зонах субдукции (например, в островодужных системах) и срединно‑океанических хребтах, в атмосферу выделялся углекислый газ и восстанавливался былой уровень парниковых газов. Накопление вулканического пепла, вероятно, также способствовало загрязнению ледяного покрова, что уменьшило его способность отражать солнечный свет. В конце концов поверхность снова прогрелась и планета вышла из замороженного состояния. Последнее тотальное оледенение Земли закончилось примерно 600 млн лет назад, как раз перед возникновением многоклеточных организмов, и, возможно, вызвало расцвет сложных форм жизни – так называемый кембрийский взрыв.

Были в истории Земли и теплые периоды с высокими температурами на всей планете, полным исчезновением ледяного покрова и тропическим климатом даже за полярным кругом, где находят окаменелые останки пальм и доисторических крокодилов. Так было 50–60 млн лет назад, в эпоху, называющуюся эоценом, не так много времени (по геологическим меркам) спустя после падения астероида на полуостров Юкатан и исчезновения динозавров. Эта была эпоха высокого уровня углекислого газа в атмосфере, который, возможно, высвободился во время континентального распада и рифтогенеза, когда лава расплавила богатые карбонатом океанские отложения в районе Баффинова залива в Северной Атлантике. Эоцен также известен резкими потеплениями – термическими максимумами. Экстремальные температурные рекорды были зафиксированы во время палеоцен‑эоценового термического максимума. (Конечно, никто не измерял тогда температуру и уровень углекислого газа. Их можно оценить косвенно, поскольку температура влияет на океан и организмы потребляют различное количество изотопов кислорода и углерода, и эти уровни изотопов фиксируются в породах и окаменелостях.)

Возможно, короткий тепловой максимум палеоцена‑эоцена был вызван выделением метана со дна океана. Даже сегодня микробная жизнь на дне океанов производит много метана, «замороженного» в частичках льда, называемых клатратами. Если бы потепление, вызванное выделением углекислого газа при вулканической деятельности, т. е. при тепловой обработке отложений, нагрело океаны так, чтобы расплавить клатраты, они выпустили бы метан. Этот мощный парниковый газ привел бы к потеплению, в том числе и океанов, что вызвало бы дальнейшее плавление клатрата и привело к интенсивной положительной обратной парниковой связи. Однако из‑за высокого содержания атмосферного кислорода метан распадается, менее чем через 10 лет он превратился бы в более слабые парниковые газы – водяной пар и углекислый газ. Возможно, это объясняет, почему тепловой максимум был таким интенсивным и таким коротким.

В течение последних 50 млн лет Земля постепенно охлаждается. Во время эоцена Австралия и Антарктида были единым континентом, берега которого на севере достигали теплых широт. Океанские течения, огибая это побережье, несли теплую воду в полярные районы Антарктиды, которая была теплой и свободной ото льда. Затем Австралия отделилась от Антарктиды и двинулась на север в сторону Азии. Антарктические прибрежные течения ограничились прохладными полярными водами, этот феномен наблюдается по сей день и называется Антарктическим циркумполярным течением или течением Западных Ветров. Приток теплой воды к Антарктиде прекратился, это повлекло охлаждение Белого континента. Начавшееся там образование льдов способствовало еще большему охлаждению, а значит, большему накоплению льда и т. д.

Миграция отделившегося Австралийского субконтинента к северу была частью того же тектонического движения плит, которое привело к столкновению Индии с Азией и образованию Гималаев. Возможно, появление этого гигантского горного хребта привело, согласно гипотезе Раймо – Раддимана (в честь американских палеоклиматологов Морина Раймо и Уильяма Раддимана), к обширной эрозии, выветриванию и удалению углекислого газа. Как правило, горные цепи способствуют выпадению осадков, потому что влажный воздух выталкивается вверх по склону гор к более прохладным высотам. Кроме того, от прогревшихся летом континентов восходят конвективные воздушные потоки, сталкиваясь с влажным воздухом над океанами, они выпадают на континенты дождями и снегом (что называется муссонной циркуляцией). Увеличение количества осадков над недавно образовавшимися Гималаями ускорило процессы эрозии и выветривания и активизировало удаление углекислого газа, усилив общую тенденцию к охлаждению климата.

Тем не менее в течение этих 50 млн лет охлаждения Антарктика успела утратить свой ледовый покров (около 30 млн лет назад) и восстановить его через 15 млн лет – в эпоху, которая называется миоценом. Со времен миоцена Земля обзаводится полярными шапками, а наша климатическая история за последние несколько миллионов лет легче поддается детализации благодаря данным, которые можно измерить: ледяным кернам, годичным кольцам деревьев, пещерным отложениям и т. п. В последние несколько миллионов лет на Земле периодически повторялись короткие ледниковые периоды или оледенения продолжительностью от десятков тысяч до сотен тысяч лет, что хорошо согласуется с описанными выше циклами Миланковича.

Последнее крупное оледенение – плейстоцен – началось приблизительно 2,6 млн лет назад и закончилось на заре цивилизации около 12 000 лет назад (этот период включал короткие периоды потеплений). Но даже во время появления людей около 7 млн лет назад (к чему мы вернемся позже) на Земле доминировала стойкая тенденция к охлаждению, по существу, длился ледниковый период, и на протяжении всего существования человечества у планеты имелись ледяные шапки. Мы – творения ледникового периода, не приспособленные жить в условиях эоцена и подобных теплых эпох. Потому потеря льдов Антарктиды и Гренландии стала бы для нас катастрофой, и дело не только в резком повышении уровня океана: мы оказались бы на такой Земле, которую наш вид никогда не знал и вообще не должен был населять.

Причины стабильного климата и жизнепригодности, как и механизмы изменения климата, – важные и сложные темы для человечества. Мы столкнулись с кризисным изменением климата, вызванным деятельностью людей. Парниковое потепление, вызванное антропогенными выбросами углекислого газа из‑за сжигания ископаемого топлива, уже заметно. Оно было аргументированно предсказано более 100 лет назад шведским лауреатом Нобелевской премии Сванте Аррениусом. То, что концентрация углекислого газа в атмосфере Земли растет неестественными темпами, было доказано американским геохимиком Чарльзом Килингом на материале, собранном за 60 лет измерений у вершины гавайского вулкана Мауна‑Лоа. Специалисты по‑прежнему обсуждают детали потепления климата в ответ на выброс углекислого газа в атмосферу нашей планеты, но то, что на Земле точно станет значительно теплее, сомнений не вызывает.

Что стало причиной драматических изменений – выбросы углекислого газа или же климат изменился бы в любом случае, независимо от деятельности человека? Климат Земли менялся сам по себе, но, как правило, при изменении концентрации углекислого газа. Климат резко реагировал, когда большие и стабильные объемы углерода внезапно сжигались или высвобождались в результате вулканической деятельности. Нет никакой разумной причины полагать, что климат Земли отреагировал бы по‑другому, если бы мы выпустили большое количество углекислого газа из другого огромного источника. Размышлять, имеет ли значение наша деятельность при таком количестве естественных причин изменений климата, – все равно что спрашивать, повлияет ли игра в русскую рулетку во время артобстрела на ваши шансы выжить. Если цель – не умереть, ответ один: не играйте в русскую рулетку.

Вопрос антропогенного влияния на климат – это вопрос не о спасении планеты, а о нашем спасении, о сохранении узкой обитаемой зоны, которая подходит для нас (и некоторых других созданий), появившихся на Земле в ледниковом периоде. Как бы усердно ни ухудшали мы свое положение, с самой планетой все будет в порядке еще несколько миллиардов лет, рано или поздно тектоника плит удалит весь созданный нами углекислый газ, и все вернется на свои места. То, что мы не можем ждать так долго, – это наша проблема, а не проблема Земли.

7. Жизнь

Происхождение жизни, то, как она появилась, до сих пор остается святым Граалем науки, одним из главных вопросов, на которые ученые пока не знают ответа. Возникновение жизни из неорганической, неживой материи вполне логично, хоть и не так поэтично, называется абиогенезом.

Но прежде необходимо дать определение самому понятию жизни, поскольку надо понимать, что́ мы ищем. (Признаки жизни могут быть интуитивно понятны, однако говорить «узнаю, когда увижу» не слишком научно.) В самом простом смысле жизнь – это химическая реакция, которая прямо или опосредованно потребляет вещество и энергию из окружающей среды, чтобы расширять, распространять и воспроизводить себя. Такая реакция называется автокаталитической, потому что ее облегчают или даже ускоряют продукты реакции. Например, при фотосинтезе растения используют энергию солнечного света, чтобы соединить воду и углекислый газ для производства длинных цепочек молекул углеводов, которые составляют большую часть массы растения (в виде целлюлозы), что затем обеспечивает еще больше фотосинтеза. В отличие от растений аэробные, дышащие кислородом клетки и такие животные, как мы, поедают эти растения (или другие организмы, которые поедают эти растения) и используют их материю, содержащую солнечную энергию, чтобы создать больше клеток, которые будут поедать больше растений. Воспроизводя и размножая себя, жизнь активно распространяется в поисках источников материи и энергии.

Некоторые свойства жизни присущи химическим реакциям неживой материи, например горению. Как и аэробная жизнь, огонь потребляет материю и энергию и в ходе реакции горения, обратной фотосинтезу, образует воду и углекислый газ. Как и жизнь, огонь распространяется, потребляя топливо (например, дерево и траву), и катализирует себя, нагревая топливо, пока оно не воспламенится.

Тем не менее два других определения жизни отличают ее от огня. Во‑первых, реакция жизни не только потребляет материю, но и создает сложные молекулы, образующие «матрицу», с помощью которой катализируется больше таких же молекул, т. е. идет их воспроизводство. При этом не только ускоряются реакции, но и наследуется информация, полученная от предшествующих молекул. (Для сравнения: огонь не дублирует сложные молекулы, а создает простые – воду и углекислый газ.) Во‑вторых, жизнь развивается благодаря естественному отбору: если окружающая среда становится непригодной для поддержания химической реакции, существует вероятность, что жизнь сумеет к этому приспособиться (если изменение не произошло слишком быстро). Основано это на копировании предшествующих несовершенных организмов. Если новые поколения организмов выживают, значит, они чем‑то отличаются от своих прародителей, не являются их клонами. В этом суть дарвиновского естественного отбора: группа организмов или особей обладает достаточным внутренним разнообразием, в результате чего некоторые особи оказываются лучше приспособленными к неблагоприятным изменениям окружающей среды и выживают, а неприспособленные вымирают. Огонь не приводит к приспособлению, если окружающая среда слишком холодная или слишком влажная, он просто гаснет, не происходит отбора, в результате которого одни пожары приспосабливаются к холодной или влажной среде, а другие прекращают свое существование. Коротко говоря, жизнь – самоподдерживающаяся энергоемкая химическая реакция, чьи продукты – молекулы – катализируют или воспроизводят сами себя, и при этом они обладают достаточным разнообразием, чтобы эволюционировать путем естественного отбора, если окружающая среда станет непригодной (достаточно медленными темпами). Ну, получилось не совсем коротко.

Вся жизнь на нашей планете имеет клеточную природу, потому что химические реакции, поддерживающие жизнь, происходят внутри капсулы – клетки. Капсула окружена полужидкой мембраной, которая позволяет проникать внутрь питательным веществам и источникам энергии и защищает поддерживающие жизнь реакции от рассеяния или уничтожения (скажем, океанскими волнами). Возможно, самые ранние из таких капсул использовали для защиты пузырьки внутри лавовых пород вроде пемзы. Некоторые неклеточные формы жизни, такие как вирусы, представляют собой «свободно плавающий» генетический материал в защитной оболочке. Они обладают некоторыми признаками жизни, например подвержены действию естественного отбора, однако вирус может воспроизвести себя, лишь взломав клеточный механизм другого организма. Таким образом, являются ли вирусы живыми или нет – вопрос все еще не решенный.

Древнейшие известные ископаемые живые существа – это одноклеточные микроорганизмы (вроде бактерий) возрастом около 3,5 млрд лет. Возможно, жизнь на нашей планете существовала и раньше, но более древние ископаемые находки пока вызывают споры исследователей. Несмотря на большое разнообразие живых существ в настоящее время, основные компоненты для создания жизни практически не изменились почти за 4 млрд лет и для построения основных биологических структур нужно лишь несколько химических элементов.

Важнейшими элементами для возникновения жизни являются водород, углерод и кислород. Живые организмы неизменно получают их из источников воды и углекислого газа в атмосфере. Вода и углекислый газ необходимы не только для производства углеводов, которые служат материалом для построения тела растений и аэробным источником энергии; молекулы углеводов составляют и компонент генетического материала, РНК (рибонуклеиновой кислоты) и ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) – матриц, на которых происходит самовоспроизводство биологических молекул. Когда углеводы «восстанавливаются» путем удаления кислорода (в общем случае восстановление означает приобретение электронов, как правило, тех, которые кислород связывал в оксидном соединении), от них остаются углеводороды в виде жирных кислот, которые входят в состав липидов в клеточных мембранах и жировых клетках, где жиры хранятся как энергетический запас. Углерод и кислород также активно используются в других важных молекулах, о чем мы поговорим чуть ниже.

Следующим по важности элементом является азот, в основном в форме амидного иона, имеющего один атом азота, два атома водорода и свободный электрон с отрицательным зарядом, который используется, чтобы соединиться с другими атомами (или группами атомов), для создания аминов. Амиды получаются из аммиака – молекулы, состоящей из одного атома азота и трех атомов водорода, – путем отсечения одного атома водорода. Амиды соединяются с другой молекулой, состоящей из углерода, кислорода и водорода (это не углеводы, а карбоксильные соединения), и тогда образуются аминокислоты, которые служат основными строительными блоками для белков. Белки имеют огромное значение, потому что их функции чрезвычайно разнообразны, мы встречаем их везде – от ферментов до мышц. Ферменты ускоряют химические реакции, т. е. выступают в роли катализатора, например при расщеплении молекул пищи. Благодаря «скорости» они поддерживают биологическую активность. Кроме того, под действием электрического или химического стимула белки сворачиваются и скручиваются в различные формы, что делает возможным движение: например, биение жгутиков позволяет бактерии плавать, да и наши мышцы сокращаются благодаря белкам. А двигаться полезно: это помогает искать пищу и источники энергии.

Молекула ДНК состоит из последовательно расположенных нуклеотидов, каждый из которых представляет собой сочетание сахарофосфатного остова, прикрепленного к одному из азотистых (нуклеотидных) оснований – аденину, цитозину, гуанину или тимину. Таким образом, ДНК предстает в форме винтовой лестницы, в которой нуклеотидные основания образуют «перекладины», а сахарофосфаты соединяются вместе, образуя грядки этой лестницы. Эти нуклеотидные основания образуют последовательности, сохраняющие генетическую информацию и инструкции для работы клетки, а также связываются с соседями на другой стороне лестницы по определенным правилам (как указано на диаграмме), что позволяет ДНК в точности воспроизводить себя после расщепления. (С разрешения Барбары Шеберл, Animated Earth LLC.)

Азот также соединяется с углеродом, кислородом и водородом, образуя соединения, называемые нуклеотидами, которые служат важнейшими компонентами нуклеиновых кислот ДНК и РНК. К нуклеотидам относятся аденин, цитозин, гуанин (все они входят и в ДНК, и в РНК), тимин (только в ДНК) и урацил (только в РНК): в схемах их обозначают как азотистые основания А, С, G, T и/или U, и они служат перекладинами на винтовых лестницах ДНК и РНК (РНК выглядит как половина лестницы, разрезанной вдоль).

Наконец, у нас есть фосфор, который проявляется только в связи с кислородом в качестве фосфата (атом фосфора связан с четырьмя атомами кислорода). Фосфаты связываются с сахаром и другими азотистыми основаниями, образуя нуклеотиды, которые связываются вместе, чтобы создать одинарную или двойную спираль РНК и ДНК. В частности, сахар и фосфатные компоненты каждого нуклеотида соединяются, подобно позвонкам (т. е. атом сахара конца одного нуклеотида связан с атомом фосфата конца следующего), образуя рибозный (у РНК) или дезоксирибозный (у ДНК) «позвоночник» или «лестничные пролеты», в то время как азотистые основания выглядят как «перекладины» лестницы. Нуклеотиды также входят в состав молекул, которые хранят и переносят энергию, например аденозинтрифосфата (АТФ), который служит «золотой валютой» энергии в клеточной деятельности, поскольку содержит три фосфата, которые активно вступают в реакции. Вдобавок фосфаты и азот в сочетании с жирными кислотами образуют фосфолипиды в клеточных мембранах.

В ДНК и РНК нуклеотидные основания (или просто основания) химически связаны друг с другом, но лишь определенными взаимодополняющими способами. Например, нуклеотид А связывается только с T , а C  – только с G , чтобы заполнить обе стороны от лестницы ДНК; таким образом, полная ступень ДНК будет состоять из А на одной стороне лестницы и Т  – на другой стороне и т. д. Во время клеточного деления ДНК расщепляется продольно, и основания, торчащие, словно «обломанные перекладины» на каждой половине лестницы, соединяются со своими основаниями‑«партнерами», которые свободно плавают в клеточном бульоне и таким образом воссоздают другую сторону каждой лестницы – так ДНК воспроизводит себя. Именно эта особенность позволяет ДНК создавать копии самой себя, дублируя свои молекулы и тем самым создавая основную особенность жизни (или , по крайней мере, той жизни, которую мы знаем). ДНК также несет генетическую информацию о самовоспроизводстве и функционировании клеточных механизмов, эта информация закодирована или записана в последовательности пар оснований «лестничных перекладин» ДНК. Помимо самовоспроизводства ДНК может разделять и копировать фрагменты своих расщепленных цепей в РНК (снова путем сопоставления азотистых оснований), которые затем получают различные задания, например распределяют аминокислоты в особые белки для выполнения различных задач.

Жизнь полностью состоит из четырех основных классов химических соединений (помимо воды) – углеводов, жирных кислот, аминокислот и нуклеотидов, а они, в свою очередь, состоят всего лишь из пяти элементов – водорода, углерода, кислорода, азота и фосфора. Из них лишь бóльшая часть водорода образовалась в результате Большого взрыва, а остальные четыре элемента сформировались внутри звезд. Есть и другие элементы, которые в намного меньших количествах встречаются у разных живых организмов: например, железо в нашей крови транспортирует кислород, который используется для преобразования сахара для наших энергетических потребностей. Эти четыре класса соединений, состоящих из пяти элементов, – то, что объединяет все живые организмы. Чтобы жизнь, которую мы знаем на Земле, образовалась «с нуля», необходимы все эти строительные блоки.

Одной из самых известных попыток создать строительные блоки жизни из неживой материи стал ряд экспериментов, проведенных в 1950‑х гг. студентом Чикагского университета Стэнли Миллером и его выдающимся наставником Гарольдом Юри (получившим в 1934 г. Нобелевскую премию по химии за открытие дейтерия). Миллер создал смесь, которая, как считается, повторяла примитивную атмосферу Земли, содержавшую водород и его соединения – воду, метан и аммиак. Затем Миллер подверг этот химический бульон воздействию высоких температур (в основном с помощью водяного пара) и вдобавок подавал в колбу электрические разряды. В результате через несколько дней в колбе образовывалось несколько аминокислот. Однако, строго говоря, созданная в ходе этого эксперимента атмосфера была более характерна не для Земли, а для протосолнечной туманности. Подобные условия можно было бы обнаружить во внешней Солнечной системе, на Юпитере, Сатурне и на некоторых их спутниках. Скорее всего, такая атмосфера возникла и была вынесена из внутренней части Солнечной системы при ее формировании. Также в первоначальной атмосфере Земли, вероятно, преобладали углекислый газ и вода – продукты вулканической дегазации, а в эксперименте Миллера – Юри ничего подобного нет. И все же этот эксперимент впервые показал, что простые реакции нескольких соединений могут привести к созданию по крайней мере одного из основных строительных блоков жизни. Это открыло дорогу множеству экспериментов, проведенных в последующие десятилетия и стремившихся получить строительные блоки жизни путем имитации первичного бульона в примитивных атмосферных и океанических условиях. Кстати, аминокислоты могли формироваться даже в открытом космосе; несколько аминокислот (не все из них аналогичны земным) были обнаружены на Мурчисонском метеорите, углеродистом хондрите, прилетевшем из пояса астероидов. Метеориты занесли на Землю аминокислоты или нет – нам неизвестно, но это и не важно: если аминокислоты могут образовываться в самых разных средах, там могут возникать и другие строительные блоки жизни.

Вскоре после эксперимента Миллера – Юри испанский биохимик Хуан Оро смог сформировать нуклеотидные основания, которые, как вы помните, служат «перекладинами» в лестничной структуре ДНК и РНК, а также аминокислоты. До недавнего времени не удавалось сформировать полные нуклеотиды, которые соединяются, чтобы образовать полные молекулы РНК и ДНК, однако в последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в синтезе строительных блоков жизни (включая липиды, аминокислоты и нуклеотиды) из соединений, которые, предположительно, существовали на ранней Земле. Особенно удачными были исследования химика из Кембриджского университета Джона Д. Сазерленда. Простейшие возможные клетки состоят из цепочки ДНК, заключенной вместе с питательным бульоном внутри жирных кислот, липидного пузыря или мембраны, образуя оболочку клетки. Недавние эксперименты группы биохимика Джека Шостака из Гарвардского университета показали, что некоторые липиды могут создавать пузырьки в нуклеиновых кислотах, позволяя образоваться чему‑то вроде протоклетки. Таким образом, исследователи сделали большой шаг вперед к «спонтанному» абиотическому образованию клеток после экспериментов Миллера – Юри.

Когда и где жизнь возникла на нашей планете? Хотя самым древним ископаемым микроорганизмам около 3,5 млрд лет, у них, вероятно, были некие клетки‑предшественники, из которых после миллионов лет проб и ошибок возникли эти организмы. Возможно даже, что основой биологического воспроизводства ранней жизни была не ДНК, а более простая молекула РНК. В современных клетках РНК играет роль «мальчика на посылках» у ДНК, например, она создает специфические белки. Однако американские биохимики Сидни Олтмен и Томас Чек показали, что РНК может катализировать химические реакции или воспроизводить себя. Это открытие принесло им Нобелевскую премию и оказало мощную поддержку идее под названием «гипотеза мира РНК», согласно которой примитивная жизнь была основана на простом методе воспроизводства, характерном для РНК и предшествовавшем более сложному методу воспроизводства ДНК, который в наши дни характерен для клеточной жизни.

Чарльз Дарвин, как и Миллер и Юри, полагал, что жизнь возникла на поверхности Земли, в водоемах с первичным бульоном, где были основные ингредиенты для самозарождения, и поддерживалась за счет энергии Солнца с помощью фотосинтеза (на самом деле первой достоверно известной формой жизни были фотосинтезные бактерии). Но если жизнь формировалась таким образом ранее чем 3,5 млрд лет назад, это было бы просто чертовски трудно. В то время поверхность Земли представляла собой чрезвычайно враждебную среду, где, вероятно, было очень жарко из‑за того, что атмосфера была полна углекислого газа. На Земле все еще происходила очень активная вулканическая деятельность, и, скорее всего, к ней добавлялись массированные удары астероидов, особенно в период поздней тяжелой бомбардировки (от 4,2 млрд до 3,8 млрд лет назад). Таким образом, поверхность, вероятно, не была пригодна для формирования первых хрупких форм жизни.

В конце 1970‑х гг. геолог из Орегонского университета Джек Корлисс и его коллеги с помощью исследовательского глубоководного аппарата «Алвин» обнаружили, что гидротермальные источники и расселины срединного‑океанического хребта в районе Галапагосских островов, в месте, где расходятся две самые большие литосферные плиты, заселены живыми организмами – и это на дне океана, вдали от солнечного света. Здесь в воды океана под давлением извергаются из недр потоки геотермальной воды. Хотя ее температура выше температуры кипения воды на уровне моря, она не кипит, так как давление на таких глубинах очень высокое. Циркулирующая по вулканическим хребтам вода этих жерл‑источников («черных курильщиков») насыщена минералами и содержит растворенные вулканические газы – углекислый газ, водород, сероводород. В этих сверхгорячих гидротермальных потоках были обнаружены напоминающие бактерий микроорганизмы, названные археями. Они термофильные, т. е. обитают в горячей воде. Возле источников существуют экосистемы крупных организмов, таких как трубчатые черви. Они питаются веществами, поглощенными археями, и бактериями, обитающими в этой неприветливой среде. Например, черви погонофоры получают энергию и питательные вещества из бактерий, которые, в свою очередь, питаются путем хемосинтеза (а не фотосинтеза, учитывая недостаток солнечного света), при котором сероводород из подводных источников используется для создания органического углерода путем его выделения из молекул углекислого газа. Это открытие показало, что жизнь может процветать вдали от нашего любимого источника энергии, Солнца, за счет тепла и химических веществ, поступающих из недр. Можно предположить, что примитивная жизнь могла сформироваться на дне океана, в защищенном от враждебной среды месте и выжить за счет надежного источника энергии – мантии Земли. Также возможно, что жизнь могла бы возникнуть на планетах, расположенных слишком далеко от своей звезды (например, на спутнике Юпитера Европе), вулканическая энергия которых способна поддерживать воду в жидком состоянии.

Археи, впервые обнаруженные у гидротермальных жерл, а затем и в других, довольно неожиданных земных средах, вроде горячих источников, кратерных озер, солончаков, полярных льдов и даже в наших с вами внутренностях, были сначала отнесены к бактериям, поскольку, как и бактерии, они состояли из нескольких простых цепочек ДНК в липидном пузырьке. Однако впоследствии у архей и бактерий было обнаружено больше различий, чем сходства: в их РНК, в использовании энергии (метаболизме), химии их клеточной стенки, а также в жгутиках, которые они используют для плавания. И бактерии, и археи являются прокариотами – у них простая клеточная структура, они редко составляют клеточные колонии и никогда не образуют многоклеточной жизни.

Наличие жизни на поверхности Земли зависит от фотосинтеза. Его возникновение было самой значимой биологической революцией на планете, уступая, возможно, лишь самому факту появления жизни. Фотосинтез является (прямо или косвенно) основой питания почти всей жизни на Земле, к тому же он коренным образом изменил атмосферу. Принцип работы фотосинтеза все еще активно изучается, и, хотя я постараюсь максимально упростить описание этого явления, это реакция весьма сложная и состоящая из нескольких этапов. Обычно фотоны солнечного света улавливаются клеткой с помощью белков, содержащих пигменты, такие как хлорофилл, а затем энергия фотонов используется для расщепления молекулы воды и отделения электрона, в результате чего остается ядро водорода (протон) и кислород, который выделяется как побочный продукт. Высвобожденный электрон – это, прежде всего, носитель энергии, который используется для синтеза переносчиков энергии в клетке, например АТФ. Часть накопленной энергии используется для ассимиляции атмосферного углекислого газа, чтобы заменить в нем один атом кислорода на два атома водорода и получить конечный продукт – сахар (и еще больше кислорода). Производство сахара превращает углекислый газ в органические вещества, позволяя им захватывать больше электронов, не делясь с «жадным» до электронов кислородом. Чем больше кислорода удалено таким образом, тем более восстановленным становится углерод (подробнее об этом позже) и тем больше энергии заключено в его электронных связях.

Одной из первых заметных доминирующих форм, обитавших на поверхности, были фотосинтезирующие бактерии, весьма похожие на цианобактерии, которые часто неправильно называют сине‑зелеными водорослями. Эти бактерии образуют цианобактериальные маты – слоистые покровы микробов. Открытые воздействию Солнца, они постепенно затвердевали и кальцинировались, и в итоге формировались строматолиты – старейшие достоверно известные окаменелости. Обладая способностью к фотосинтезу, эти микробы превращают углекислый газ и воду в сахар и выпускают свободный кислород в качестве побочного продукта. Кислород химически очень активен, он стремится присоединить «чужие» электроны и, как правило, связывается практически с любым доступным элементом, за исключением еще более химически активных, «жадных до электронов», например хлора или фтора. Для многих форм жизни кислород является едким и ядовитым, это можно сравнить с воздействием хлора, одного из первых ядовитых газов, использовавшихся во время Первой мировой войны.

Поначалу фотосинтезированный побочный кислород не накапливался в атмосфере, а связывался с железом и другими элементами, а также с богатыми железом минералами на поверхности Земли и в океане, образуя окись железа – основу ржавчины. В течение примерно 2 млрд лет все доступное железо было окислено, оставив множество древних геологических отложений оксида железа (так называемые полосчатые железистые формации, которые образовали используемые сейчас месторождения железной руды). После этого, исчерпав минералы и металлы для реакций, кислород стал накапливаться в атмосфере до той концентрации, которую мы наблюдаем сейчас, – около 20 % от массы атмосферы.

Стабилизацию концентрации кислорода можно объяснить тем, что он достиг равновесия со всеми полученными органическими материалами (сахарами, жирами, метаном и т. д.), которые вступают в реакцию с кислородом, чтобы в конце концов вновь образовать углекислый газ и воду. В химии это означает, что реакция достигла стационарного состояния, т. е. производство кислорода в процессе фотосинтеза уравновешено его потреблением в ходе обратной реакции. Как уже отмечалось ранее, один из способов осуществить такую обратную фотосинтезу реакцию и достичь этого баланса – горение, когда накопленная солнечная энергия испускается в виде тепла и света. Другой способ заключается в жизнедеятельности аэробных организмов (например, людей), потребляющих сахара и жиры, которые вступают в реакцию с кислородом, используют высвобожденную солнечную энергию и выделяют углекислый газ и воду. Предки аэробных организмов были похожи на бактерии и эволюционировали таким образом, что могли в качестве запасного варианта использовать кислород для потребления собственных сахарных источников энергии, когда им не хватало солнечной энергии. Этот навык пригодился им позже (подробнее об этом ниже). В конце концов баланс между фотосинтезом и аэробным потреблением привел к тому, что уровень кислорода стал постоянным.

Количество атмосферного кислорода огромно – 20 % от массы атмосферы Земли, или примерно 1 квадрлн т (1018 кг). Следовательно, существует огромный резервуар органического вещества, который дополняет весь этот свободный кислород. Это другой продукт реакции фотосинтеза, а именно сахар, хотя обычно его называют органическим углеродом. (Углерод, путем выветривания вошедший в горные породы в виде карбонатов, называют неорганическим углеродом.) Бóльшая часть этого органического вещества изолирована от атмосферы, иначе оно в конце концов вступило бы в реакцию со свободным кислородом. На Земле органический углерод легко укрыть, например, на дне океанов или под осадочными породами, которые беспрестанно производятся эрозией постоянно образующихся вулканов и гор. Этого накопленного органического углерода сегодня в несколько тысяч раз больше (в единицах массы углерода), чем в биосфере, которая сама по себе является относительно крошечной системой, непрерывно производящей и потребляющей кислород.

Заслуживает упоминания то, как аэробные организмы используют сахар, чтобы получить энергию в процессе дыхания. Когда сахар (или углеводород) просто сгорает при взаимодействии с кислородом, запас органического углерода из обладающих запасом энергии электронов, возникших в результате фотосинтеза, захватывается кислородом и переходит на более низкий уровень энергии в кислородной атомной структуре или «валентном электронном слое», высвобождая энергию в виде тепла и света. Если же сахар используется аэробным организмом, реакции метаболизма приводят к тому, что электроны органического углерода медленно просачиваются назад к «жадному до электронов» кислороду и создают электрическое напряжение. Его энергия используется для создания АТФ, что поддерживает механизмы жизнедеятельности клетки. Часть накопленной энергии сахара выделяется в виде тепла, что позволяет теплокровным существам оставаться теплыми. И при сгорании сахара, и при его аэробном потреблении, как только к кислороду присоединяется электрон, он уходит с побочным углекислым газом и водой.

Как отмечалось в главе 5, азот составляет большую часть оставшихся 80 % массы атмосферы, представляющей собой резервуар биологических строительных блоков. При этом азот относительно инертен, не так легко вступает в химические реакции. Требуется долгая работа бактерий и архей в океанах и почве, чтобы образовался, например, аммиак, который более крупные организмы, например растения, используют для создания аминокислот. Напрямую мы атмосферный азот не используем. (Хотя производство удобрений, обеспечивающих необходимые для населения Земли урожаи, стало возможным благодаря процессу синтетического связывания атмосферного азота. Открывший его более 100 лет назад немецкий ученый Фриц Габер был удостоен Нобелевской премии по химии.)

На протяжении первых миллиардов лет существования биосферы Земли в ней по большей части преобладали простые одноклеточные прокариоты – бактерии и археи. Сложные клетки, из которых состоят животные, растения и такие сложные одноклеточные организмы, как грибы, амебы и инфузории, возникли около 2 млрд лет назад. Они называются эукариотическими и сильно отличаются от прокариотических клеток. Типичная эукариотическая клетка имеет мембрану, поддерживаемую цитоскелетом, а ее ядро удерживает в себе ДНК, не позволяя ей свободно плавать, и имеет так называемые органеллы – компоненты клетки, необходимые для ее существования. Помимо этого клетки эукариоты могут изменять свою форму и имеют мембраны, чтобы поглощать и есть другие организмы. Но как же эукариоты возникли?

Происхождение эукариот обычно объясняют теорией симбиогенеза, предполагающей, что вначале объединились две прокариоты. Возможно, одна из них поглотила другую или же вторглась в нее: разницы здесь практически нет. Это могли быть археи, «поглощающие» бактерий, или наоборот. По мере того как это происходило, выработались комбинации симбиотического обмена. Аэробные бактерии, способные удалять кислород, потребляя его и используя вместе с сахаром для производства энергии, были бы полезными партнерами для архей, для которых кислород является ядовитым. Фотосинтезирующие бактерии внутри крупных клеток могли бы генерировать сахар для их хозяина. Симбиотические комбинации такого рода могли дать большое эволюционное преимущество в условиях насыщающейся кислородом атмосферы, и поэтому эукариоты смогли выжить.

Считается, что органеллы, компоненты клетки, необходимые для ее существования, сформировались в результате симбиотического партнерства. Доказательством служит то, что наши «человеческие» клетки содержат органеллы, весьма похожие на бактерии, – у них даже есть собственные маленькие цепочки ДНК. Эти органеллы называются митохондриями, и заняты они преобразованием большей части энергии внутри наших клеток. Растения также имеют выглядящие как бактерии органеллы – хлоропласты, благодаря которым осуществляется фотосинтез. В любом случае симбиотические отношения хорошо подходят для использования возрастающего уровня кислорода на планете вместе со всеми сахарами и липидами, накопленными фотосинтезирующими бактериями. Сахара и жиры – гораздо более эффективные и мобильные источники энергии, чем солнечный свет, улавливая который организмы проводили весь день неподвижно. Теперь мы можем не только запасать сахар и жиры для питания, но и использовать их в качестве топлива для автомобилей и самолетов, увеличивая свою мобильность.

Эукариотическая клетка – это, по сути, комбинация нескольких предковых клеток. Поэтому естественно, что сами эукариоты крупнее прокариот и могут достигать гораздо большего размера. Размер эукариот не ограничен, потому что их органеллы распределены по всей клетке, так что по мере увеличения клетки пропорционально увеличивается и количество органелл. Прокариоты, как полагают, почти не изменили свой размер (или форму) за почти 4 млрд лет в первую очередь потому, что большинство их клеточных структур находятся на внешней клеточной мембране в виде трубочек и насосов для перекачивания химических веществ, в то время как их внутренняя часть представляет собой просто химический бульон и свободно плавающую ДНК. По мере увеличения клетки вся нагрузка по обслуживанию дополнительного объема падает на мембрану и ее структуры; если радиус прокариотической клетки увеличивается вдвое, то площадь ее поверхности растет в четыре раза, а объем – в восемь раз. В итоге поверхность клетки будет не в состоянии угнаться за объемом, и поэтому рост прокариотам попросту невыгоден.

Большее разнообразие эукариот также объясняется отличиями в воспроизводстве. Прокариоты обычно совершают деление клеток (митоз), клонируя себя. Неудивительно, что они почти не изменились. Простые одноклеточные эукариоты совершают не просто деление клетки – они еще разделяют и перетасовывают собственную ядерную ДНК, а потом соединяют ее часть с ДНК партнера посредством мейоза и полового размножения. Преимущество этих перетасовок и обмена в том, что они повышают разнообразие, а также уменьшают вероятность летальных генетических ошибок, вызванных повреждением фрагментов ДНК: поврежденные фрагменты теряются при перетасовке, зато сохраняются при простом клонировании. Разнообразие и контроль возникновения генетических ошибок стали эволюционным преимуществом, что привело к их закреплению.

Возникновение многоклеточных животных и растений, по всей видимости, началось с формирования колоний одноклеточных. В колонии все клетки идентичны, а в многоклеточном организме есть клетки специализированные, которые выполняют различные роли (как клетки наших мышц, мозга, костей, глаз). Прокариоты могут образовывать лишь простые нитевидные колонии и цианобактериальные маты; одноклеточные эукариоты могут создавать колонии различных структур, например вольвокс (подвижные шарообразные колонии водорослей, о которых шла речь в главе 1) или слизевик. Переход от колонии к многоклеточному организму, вероятно, был довольно простым, учитывая разнообразие путей адаптации и эволюции эукариот. Например, клетки на поверхности колонии отвечают за поглощение энергии и питательных веществ из окружающей среды, в то время как клетки внутреннего слоя транспортируют питательные вещества и воду внутрь колонии, образуя таким образом подобие кровеносной системы. Различие в среде внутри колонии стимулирует эволюцию ее клеток в сторону специализации. В итоге клетки, обеспечивающие, например, движение колонии или восприятие хищников и добычи, могут в определенных обстоятельствах стать эволюционным преимуществом.

Однако на возникновение многоклеточных организмов на Земле ушло очень много времени. Еще 640 млн лет назад в биосфере по‑прежнему доминировали одноклеточные организмы. Примерно с 640 млн по 540 млн лет назад существовали формы жизни, имеющие ветвящуюся и трубчатую структуру (эта эпоха называется эдиакарской), но эти организмы вымерли. Около 540 млн лет назад начался расцвет многоклеточных – появилось огромное число причудливых морских существ, большинство из которых, вероятно, вы приняли бы за страшных скорпионов, многоножек и крабов.

Это событие было названо кембрийским взрывом. После него в палеонтологической летописи появляются ископаемые останки, поскольку многие живые существа обзавелись твердыми раковинами и скелетами, которые сохраняются в целом виде. Конечно, мы остаемся в неведении о более ранних мягкотелых ископаемых существах, однако уже в наши дни современная палеонтология способна обнаружить присутствие жизни по следам биологического и генетического материала, оставленного в горных породах давно исчезнувшими беспозвоночными. Кроме того, осадочные отложения, образованные до кембрийского взрыва (сохранившиеся в виде горных пород), несут мало следов деятельности роющих животных (этот эффект называется биотурбацией), а после кембрийского взрыва такие следы широко распространяются в донных отложениях.

Появление существ, имеющих раковину, чьи твердые части состоят из карбонатных пород, могло произойти из‑за вулканогенного накопления углекислого газа в атмосфере, что вывело нашу планету из состояния «Земля‑снежок» (описанного в главе 6). Например, избыток углекислого газа, растворяясь в океанской воде и вымываясь по действием эрозии, мог обеспечить наличие материала для построения раковин. Таким образом, кембрийский взрыв могло запустить окончание ледникового периода «Земли‑снежка». За последние 400 млн лет растения и животные колонизировали сушу и продолжали эволюционировать и увеличивать многообразие, заполняя все возможные ниши и закоулки. И все же фанероза – время, прошедшее с кембрийского взрыва до наших дней, – составляет лишь около 10 % от всей истории Земли. Большую часть своей биологической истории Земля была заселена только микроорганизмами.

За время долгой истории жизни на Земле много солнечной энергии было накоплено в виде сахара, жиров и других органических веществ. В то же время в атмосфере накопилось огромное количество кислорода. Как уже отмечалось, бóльшая часть органических веществ была скрыта от кислорода под отложениями и на дне океана. И лишь незначительная часть этого органического вещества, находившаяся глубоко под поверхностью Земли, образовала под воздействием высоких температур и давления различные виды ископаемого топлива. В сущности, это был процесс медленного «плавления» молекул сахара – удаления кислорода и восстановления углерода (возвращения ему электронов, отобранных кислородом). Морские органические отложения, подверженные этому процессу, могли стать источником нефтегазовых углеводородов (молекул водорода и углерода, но без кислорода); некоторые из их запасов могли затем выйти наверх благодаря тектонике плит или оказаться у земной поверхности, когда понизился уровень моря и они оказались на суше, например в западной части нынешних Соединенных Штатов – от Техаса до Вайоминга, где во времена динозавров плескалось море. Отложения органического вещества на суше, например деревья и болота, могли бы при благоприятных условиях превратиться в уголь – относительно чистый углерод (в болотах образуется еще и торф – промежуточный продукт превращения в уголь). Нефть, газ и уголь (торф) составляют наши запасы ископаемого топлива, бóльшая их часть, около 85 % по массе углерода, приходится на уголь. Большинство его запасов было образовано около 300 млн лет назад – в геологический период, вполне заслуженно названный каменноугольным. Он продолжался, по геологическим меркам, недолго после того, как растения захватили сушу.

В общей сложности около 4 трлн т углерода связано в виде ископаемого топлива, что вдвое больше, чем масса углерода всей сегодняшней биосферы (считая живую и мертвую биомассу). Однако из всего органического вещества, синтезированного под действием атмосферного кислорода, бóльшая его часть, т. е. около 15 квадрлн т углерода, что примерно в 4000 раз больше, чем в ископаемом топливе, находится в коре, не трансформировавшись в ископаемое топливо, причем залегает так, что извлечь или использовать его слишком трудно. Эти органические полимеры обычно называют керогеном. Сам по себе кероген служит одним из основных резервуаров углерода Земли, но осознайте его размеры: он на четверть больше резервуара неорганического углерода, хранящегося в виде карбонатов на дне океанов и на континентах! Карбонаты и кероген вместе уже поглотили почти весь изначальный углекислый газ Земли, который когда‑то был в атмосфере, и таким образом они помогают нашему климату не стать похожим на климат Венеры. Запасы керогена настолько огромны, что, когда лишь незначительная его часть попадает в подходящие условия температуры и давления, он вновь становится гигантским источником ископаемого топлива.

В конце концов, формы углерода и углеводорода в ископаемом топливе служат даже лучшим источником энергии, чем сахара, поскольку они лишены кислорода, и, следовательно, все их вещество может вступать в реакцию с кислородом. В некотором смысле ископаемые виды топлива представляют собой не только сбереженную солнечную энергию, захваченную благодаря фотосинтезу, но и геотермальную энергию, затраченную на восстановление сахаров до бескислородного состояния. Даже без учета докембрийской биомассы за сотни миллионов лет на Земле накопились триллионы тонн энергии, доступной для потребления. Наличие этого дешевого, концентрированного и транспортабельного источника накопленной энергии изменило человеческую цивилизацию и породило бесчисленное количество технологических и социальных достижений. Но получается, что крайняя полезность этого ресурса вынуждает нас сжигать его поразительными темпами. За несколько десятилетий человечество израсходовало углерод, накопленный за миллионы и миллионы лет, и этот процесс стал оказывать влияние на климат и благоприятную для жизни окружающую среду, т. е. среду, пригодную для человека.

8. Человек и цивилизации

Эволюция человека началась через сотни миллионов лет после возникновения многоклеточных организмов. Мне не удастся уделить в этой книге достойного внимания всем формам жизни, возникшим в промежутке между появлением многоклеточных и человека, в частности всеобщим любимцам динозаврам. Однако вкратце отмечу, что наши предки‑млекопитающие жили еще во времена динозавров. Они были маленькими, похожими на грызунов существами и занимали экологические ниши, не занятые доминировавшими видами – динозаврами (например, ведя ночной образ жизни и обитая под землей). Примерно 65 млн лет назад, после падения астероида на полуостров Юкатан и вымирания динозавров, млекопитающие смогли занять больше ниш, выросли в размерах и стали значительно более разнообразными. Самое крупное млекопитающее, известное как индрикотерий или балухитерий («зверь из Белуджистана»), обитало более 20 млн лет назад в Центральной Азии. Это был древний безрогий родственник носорога, однако намного крупнее современных носорогов и с длинной шеей, напоминавший брахиозавра или нынешнего жирафа.

Некоторые более мелкие млекопитающие, которые жили в одно время с динозаврами, уже давно заняли особую нишу на деревьях, служивших убежищем от крупных животных. В кронах деревьев и навесах тропических лесов были уникальные источники питания – листья, фрукты и насекомые. Похожая на грызуна тупайя, вероятно, была общим предком всех приматов, которые впервые возникли примерно в то время, когда вымерли динозавры, а может, и раньше. Первые приматы отличались цепкими пальцами рук и ног, уникальным элементом скелета глазниц и склонностью к питанию фруктами. Типичные приматы эволюционировали и обитали в Африке, Восточной Азии, Северной и Южной Америке до тех пор, пока около 30 млн лет назад от хвостатых обезьян (бабуин, лемур, макака‑резус и т. д.) не обособились обезьяны бесхвостые.

Среди бесхвостых обезьян около 18 млн лет назад разделились предки гоминид и более мелких обезьян (гиббоновые). От общего ствола в семействе гоминид сначала отделился род (род – надвидовой ранг группы организмов) орангутана, затем гориллы и, наконец, шимпанзе и человека, которые разделились около 7 млн лет назад. Этими четырьмя родами представлены ныне живущие человекообразные обезьяны, и в каждом из них, кроме человека, имеется два вида (например, род шимпанзе включает в себя два вида – обыкновенный шимпанзе и карликовый шимпанзе бонобо), из людей же остался только один вид – Homo sapiens, человек разумный, т. е. мы с вами.

Гоминиды или большие человекообразные обезьяны проводят гораздо меньше времени на деревьях по сравнению с их предками. Как следует из названия, они крупнее и в целом разумнее, по крайней мере с нашей точки зрения. Отказ от древесного образа жизни позволил им высвободить руки и пальцы, в результате приматы обрели способность по‑новому вести себя в окружающей среде (например, добывать пищу с помощью палки), что дало им эволюционные преимущества. Тем не менее ни один из этих гоминид не мог подняться на вершину пищевой цепи, это удалось только людям.