Кислород. Молекула, изменившая мир

Однако генетический анализ не только выявляет наличие подготовительной фазы кембрийского взрыва. Он показывает, что древний набор генов, контролирующих эмбриональное развитие всех современных животных, был полностью функциональным уже у самых первых животных кембрийского периода. Речь идет о так называемых Hox-генах. Они замечательны по двум причинам. Во-первых, их совсем немного: лишь небольшая группа генов контролирует многие ранние стадии развития эмбрионов всех животных — от дрозофилы до мыши и человека. Во-вторых, Hox-гены организмов разных видов имеют очень похожие кодирующие последовательности. Даже отдаленные группы, такие как членистоногие и хордовые (к которым принадлежим мы и другие позвоночные), обладают набором очень похожих Нох-генов. Что же это означает?

Возможно ли, что за развитие эмбриона отвечает такая небольшая группа генов? Дело в том, что Нох-гены действуют как переключатели, контролирующие включение и выключение сотен других генов вдоль оси тела развивающегося эмбриона. Их можно сравнить с политически ангажированными владельцами газет и журналов, определяющими тон изложения любых политических новостей. Если такой человек покупает газету с другой политической ориентацией, он может повлиять на ее направленность, следуя собственным взглядам. Такой самоуверенный владелец вполне может превратить «правое» издание в «левое» всего за одну ночь. Аналогичным образом, если ген-переключатель, ответственный за развитие глаза дрозофилы, по ошибке или преднамеренно включается в заднем сегменте эмбриона, он изменяет включение и выключение других генов, что приводит к странным аномалиям развития, например к появлению глаз на ногах. Таким образом, для нормального эмбрионального развития необходим набор управляющих Hox-генов, а также регуляторная система, определяющая действие конкретных Hox-генов в конкретных участках тела, где расположены подчиненные ему гены.

А почему Hox-гены разных видов организмов так похожи? Тот факт, что группы животных, которые уже различались между собой в кембрийском периоде (как членистоногие и хордовые), имеют очень похожие Нох-гены, означает, что они приобрели эти гены от общего предшественника, жившего в докембрийском периоде. Это логично. Весьма маловероятно, что все животные кембрийского периода получили одинаковые гены независимым путем. С таким же успехом можно утверждать, что внешнее сходство братьев и сестер (светлые волосы, голубые глаза и светлая кожа или темные волосы, карие глаза и смуглая кожа) не имеет никакого отношения к наследованию, а является результатом влияния окружающей среды. Конечно, можно предположить, что животные кембрийского периода обменивались генами путем горизонтального переноса или полового размножения, но это значит, что у них был некий способ обмена генами, которого сейчас уже не существует. Омар может попытаться скреститься с медузой, но вряд ли из этого что-нибудь получится. Гораздо логичнее предположить, что Нох-гены достались разным кембрийским животным по наследству от общего предка. В таком случае Нох-гены — базовый набор генов, необходимых для развития сегментов и частей тела, таких как голова с усиками и с глазами на каждой стороне, — должны были появиться до кембрийского взрыва. Эти генетические доказательства в сочетании с палеонтологическими находками ограничивают значение кембрийского взрыва. Это не был взрыв в диверсификации первых многоклеточных животных, поскольку они, по-видимому, возникли более 600 млн лет назад. Это не был взрыв в развитии крупных животных, поскольку такие животные, вендобионты («мешки протоплазмы»), существовали уже 570 млн лет назад. Нет, кембрийский взрыв в первую очередь стал взрывом в диверсификации сегментированных двустороннесимметричных животных, напоминающих современных ракообразных.

Как утверждают палеонтолог Эндрю Нолл из Гарвардского университета и его коллега молекулярный биолог Шон Кэролл из Университета Висконсина, кембрийский взрыв, возможно, был связан с изменением схемы взаимодействий между регуляторными Нох-генами и генами, находящимися под их контролем. Перемешивание и удвоение Нох-генов позволили уже существующим генам взять на себя новые обязанности. Количество Нох-генов строго коррелирует с морфологической сложностью организма. Так, у нематод, отличающихся простой структурой, есть лишь один кластер Ноx-генов, а у млекопитающих 38 Нох-генов собраны в четыре кластера. Забавно, что золотые рыбки имеют 48 таких генов, распределенных по семи кластерам: в биологии не бывает идеальных корреляций. В целом удвоение Нох-генов обеспечило репликацию и последующую эволюционную модификацию повторяющихся частей тела. Если есть запасные части тела, проще осуществить их усложнение и присвоить специфическую функцию. Например, у предков членистоногих животных (к которым относятся современные насекомые и ракообразные) произошли небольшие изменения в работе одного Ноx-гена, в результате чего на прежде пустом сегменте тела появились новые отростки, которые затем эволюционировали в антенны, челюсти, усики и даже половые органы[21]. Хотя многие детали этого процесса пока не изучены, главный вопрос изменился и теперь звучит не «Как?», а «Почему сейчас?» (точнее, «Почему тогда?»). Нолл и Кэрролл считают, что кембрийский взрыв произошел благодаря сочетанию генетических возможностей и факторов окружающей среды, главным из которых, скорее всего, был кислород.

Долгое спокойствие Земли, установившееся 2,3 — 2 млрд лет назад, вновь было нарушено чередой оледенений, начавшихся примерно 750 млн лет назад. На сей раз это оказалось не единичное событие, вызванное исчерпанием парникового газа метана, а растянувшаяся на 160 млн лет серия климатических изменений, включавших в себя четыре ледниковых периода, два из которых — стуртианское (750 млн лет назад) и варангерское (600 млн лет назад) — были, возможно, самыми суровыми за всю историю Земли.

Мы точно не знаем, что стало причиной этой драматической серии событий. Наиболее правдоподобное объяснение заключается в том, что в этот период все континенты собрались воедино где-то в области экватора[22] и, следовательно, вся поверхность суши была свободна ото льда. Чтобы понять, какое это имеет значение, давайте посмотрим, что происходит, когда горы подвергаются воздействию воздуха или теплого океана, насыщенного углекислым газом. Горы эродируют под действием растворенного углекислого газа, который обладает слабо выраженными кислотными свойствами. В ходе реакции углекислый газ удаляется из воздуха и связывается в осадочных породах (карбонатах). Но в период оледенения горы изолированы от воздуха толстым слоем льда, так что скорость эрозии гор под действием углекислого газа значительно снижается, и углекислый газ остается в воздухе. Он даже накапливается, поскольку с более или менее постоянной скоростью поступает в атмосферу в результате вулканической активности.

Со временем этот прирост концентрации углекислого газа в воздухе может стать очень заметным. Углекислый газ — один из парниковых газов, так что его накопление способствует разогреву поверхности Земли. Глобальное потепление в конечном итоге останавливает распространение полярных льдов. Например, в наши дни распространению полярных льдов к экватору препятствует парниковый эффект, который усиливается при наступлении ледников и ослабевает при их отступлении.

Теперь посмотрим, что происходит, если полярные льды покрывают не сушу, а океаны. Именно это произошло при превращении Земли в «снежок» в конце докембрийского периода. Поскольку все континенты собрались вместе в области экватора, полярные льды покрывали только поверхность воды. Эти ледники не влияли на скорость выветривания континентальных гор. И горы продолжали выкачивать из воздуха углекислый газ. Уровень СО₂ в атмосфере начал снижаться. Это привело к «антипарниковому» эффекту и способствовало наступлению ледников. Это наступление невозможно было остановить, поскольку собравшиеся на экваторе континенты продолжали выкачивать углекислый газ из атмосферы. Хуже того, подступавшие к экватору льды отражали солнечный свет и тепло, еще сильнее охлаждая планету. В какой-то момент вся Земля оказалась покрыта льдом. Лед отражал так много тепла и света, что Земля вполне могла превратиться в «снежок» навсегда. Но сейчас Земля — не «снежок». Каким-то образом порочный круг был разорван. Как это произошло?

Когда экваториальные континенты скрылись под толщей льда, горы перестали поглощать углекислый газ. Жидкая вода на поверхности планеты отсутствовала, вода не испарялась, не было дождей. В атмосфере осталось сколько-то углекислого газа, но всякий обмен между воздухом и замерзшими океанами и скрытой под слоем льда сушей прекратился. Однако глубоко под поверхностью Земли продолжалась вулканическая активность, которую ледяная корка заморозить не смогла. Активные вулканы прорывались через слой льда и выбрасывали в воздух газы, в том числе СО₂. За миллионы лет углекислый газ вновь накопился в атмосфере и стал согревать Землю. Ледники начали таять, все больше солнечного тепла оставалось на Земле и все меньше отражалось. Порочный круг завертелся в обратную сторону. Но расположение континентов вокруг экватора диктовало свои правила игры, и поэтому дьявольский цикл замораживания и оттаивания повторился четыре раза, пока континенты наконец не расползлись в четырех направлениях в результате смещения тектонических плит.

Конечно, это гипотетический сценарий, однако Джозеф Киршвинк и другие ученые привели неоспоримые доказательства того, что в тот период ледники подходили практически вплотную к линии экватора. Их выводы подтверждаются наличием в горах Намибии и в других местах так называемых покровных (или венчающих) карбонатов. Название говорит само за себя: покровные карбонаты — это слои известняка толщиной до нескольких сотен метров, покрывающие отложения, возникшие во время ледниковых периодов или сразу после них. На протяжении многих лет связь этих отложений с ледниками казалась парадоксом, поскольку карбонатные отложения обычно формируются только в теплой океанской воде и в присутствии большого количества углекислого газа, а эти условия абсолютно несовместимы с условиями оледенения. Объяснение было найдено в 1998 г. усилиями геологов Пола Хоффмана и Дэна Шрега из Гарвардского университета. Они показали, что для таяния льдов нужно в 350 раз больше углекислого газа, чем его содержится в современной атмосфере. Но когда необходимый объем газа был накоплен, а отражение солнечного света ледяной Землей преодолено, избыток углекислого газа перебросил Землю из морозильной камеры в духовку за несколько сотен лет. Обжигающий воздух, тропические штормы и проливные дожди унесли углекислый газ из воздуха в океаны, которые превратились в кислую баню. Единственный способ вернуться к нормальному химическому равновесию заключался в осаждении карбонатов — непосредственно на поверхности ледниковых осаждений. Так возникли покровные карбонаты. По этой причине Хоффман и Шрег используют покровные карбонаты в качестве доказательства гипотезы «Земля-снежок». Геологи продолжают спорить на эту тему. Как сохранилась жизнь? Могло ли образование метана (еще одного парникового газа) бактериями способствовать таянию льдов до того, как уровень углекислого газа в воздухе достиг такого высокого значения? Были ли океаны полностью изолированы от воздуха толстым слоем льда? Или, возможно, Земля в этот период походила не на снежок. а на комок полужидкой ледяной кашицы, и океаны никогда не замерзали полностью, и их заполняли айсберги, блуждавшие повсюду, вплоть до экваториальных вод?

Хотя мы пока не знаем, насколько серьезными были эти периоды оледенения, нам известны их последствия, зафиксированные в камнях в виде изотопных подписей. Эти подписи рассказывают удивительную историю. В частности, соотношение изотопов 12С и 13С (см. главу 3) в покровных карбонатах и других минеральных отложениях на протяжении всего докембрийского периода очень сильно колебалось (рис. 3). Соотношение изотопов на базовом уровне, как в вулканах, означает почти полное отсутствие захоронения органических веществ, поскольку захоронение органических веществ всегда приводит к нарушениям природного равновесия. Если органическое вещество не откладывается в земле, значит, оно не производится. Другими словами, биологическая активность отсутствует. Это соответствует ровной прямой линии на электрокардиограмме и указывает на практически полное исчезновение всех живых организмов во время или сразу после каждого ледникового периода, когда из воздуха удален углекислый газ, а океаны превратились в кислые бани. Напротив, высокий уровень содержания изотопа 13С указывает на массированное образование и захоронение органического вещества (в основном в виде микропланктона, водорослей и бактерий). Избыток 13С попадал в океан и формировал следующий слой карбонатных гор. В такие моменты, например после стуртианского оледенения примерно 700 млн лет назад (см. рис. 3), жизнь расцветала как никогда прежде.

Этот сценарий кажется вполне реальным. Если лед действительно покрывал всю Землю целиком, выжить могли лишь немногие клетки или самые крошечные животные, обитавшие в горячих источниках либо под сравнительно тонким слоем льда, проницаемым для солнечного света[23]. Жизнь ухватилась за тоненькую спасительную нить, которая помогла ей сохраниться в адской кислой бане. Не приходится удивляться, что в этот период было захоронено мало органического материала. Но после всех ужасных бедствий Земля возвращалась к климатическому равновесию. Выжившие в катаклизме существа могли расселяться по всей планете. Они должны были плодиться как сумасшедшие. Им в этом помогало обилие минеральных и питательных веществ, оставшихся после движения ледников и смытых в океаны талой водой. Наличие питательных веществ и свободного пространства стимулировали невиданный до тех пор рост цианобактерий и водорослей — мир превратился в сине-зеленый океан. Между ледниковыми периодами за короткое время воздух наполнялся кислородом, окислявшим поверхность океана.

Этот дополнительный кислород может сохраняться в воздухе при условии, что он не расходуется другими бактериями для дыхания или на реакции с минералами или газами. При окислении железа каждый атом железа отдает один электрон кислороду, превращаясь в оксид железа. А каждый атом углерода из органического вещества, превращаясь в углекислый газ, отдает целых четыре электрона.

Рис. 3. Изменение соотношения изотопов углерода в конце докембрийского и в начале кембрийского периода. Значения приводятся в частях на тысячу по отношению к эталону PDB. Эталон PDB ― это уровень содержания изотопа 13C в белемните из формации Пи-Ди в Южной Каролине. Белемнит представляет собой форму известняка, образовавшегося в результате обызвествления вымерших моллюсков (родственников кальмаров), которые были широко распространены во время юрского и мелового периодов. Тока на вертикальной оси указывает среднее современное содержание изотопа 13C. Пики на кривой (положительные аномалии) указывают на усиление захоронения органического материала (и, вероятно, на повышение концентрации кислорода), тогда как провалы (отрицательные аномалии) указывают на отсутствие погребенного органического материала. Эти провалы соответствуют предполагаемым периодам оледенения Земли, из которых наиболее значительными были стуртианское (750 ― 730 млн лет назад) и варангерское (610 ― 590 млн лет назад). Символ Fe означает образование полосатых железных гор. Крест указывает момент массового исчезновения микропланктона, предшествовавший появлению эдиакарской фауны ― вендобионтов и первых червей. Рисунок приводится с модификациями с разрешения Нолла и Холланда и Национальной академии наук США

Таким образом, один атом органического углерода при окислении потребляет в четыре раза больше кислорода, чем один атом железа. Это означает, что для предотвращения полного расходования атмосферного кислорода нужно помешать его взаимодействию с органическим веществом, а самый простой способ сделать это — как можно быстрее захоронить органическое вещество в земле.

Важнейшее различие между современными условиями и ситуацией сразу после окончания глобального оледенения состоит в скорости эрозии гор, которая сейчас гораздо ниже, чем была тогда. В норме медленная эрозия уравновешивается медленным захоронением органических веществ: захоронение органического вещества на дне океана под слоем свежих отложений, накопившихся в результате эрозии, происходит медленнее. Поэтому у бактерий остается время расщепить органические вещества, образованные, например, в результате активного роста водорослей, и при этом использовать кислород. Так поддерживается status quо. Напротив, высокая скорость эрозии после окончания оледенения способствовала быстрому осаждению и захоронению органических веществ. Какая-то часть органического вещества при этом неизбежно смешивалась с осадочными породами. Таким образом, после окончания оледенения высокая скорость эрозии должна была приводить к высокой скорости захоронения органики и способствовать сохранению кислорода.

Звучит логично, но можно ли как-то доказать, что скорость эрозии после оледенения была больше обычного? И действительно ли оледенение привело к повышению содержания кислорода в воздухе? Давайте немного поразмышляем. Где искать ответ на эти вопросы? Как узнать, какой была скорость эрозии 590 млн лет назад? Как доказать, что содержание свободного кислорода в атмосфере в этот период выросло? В этом и заключается наука, и меня никогда не переставало удивлять, какие интересные выводы можно получить, если подкреплять четкие рассуждения точными измерениями. Мы действительно можем доказать, что скорость эрозии выросла после окончания оледенения и что этот процесс сопровождался накоплением кислорода в воздухе. Каждый отдельный фрагмент доказательства, возможно, не развеет все сомнения полностью, но в целом, мне кажется, все собранные воедино факты достаточно убедительно показывают, что сразу после окончания ледникового периода наблюдалось повышение концентрации кислорода в атмосфере. Это повышение концентрации кислорода совпадает по времени с эволюцией первых крупных животных — вендобионтов. Вот сжатое изложение имеющихся доказательств, на основании которых вы можете составить свое личное мнение (или восхищаться изобретательностью чужого разума).

Мы начнем с анализа изотопных подписей другого типа. Скорость эрозии в отдаленном прошлом можно определить по соотношению изотопов стронция в морских отложениях карбонатов. Два стабильных изотопа стронция — 86Sr и 87Sr — по-разному представлены в земной коре и в мантии. В мантии выше относительное содержание 86Sr, тогда как в коре больше 87Sr. Основной источник 86Sr в океанах — базальт вулканического происхождения. Базальт постоянно попадает из мантии в океаны через срединно-океанические хребты, откуда медленно распространяется по океанскому дну, а затем вновь погружается в мантию. В морской воде стронций растворяется очень слабо с более или менее постоянной скоростью. Появление растворенного стронция в океане уравновешивается его включением в морские отложения карбонатов, такие как известняк (карбонат кальция). Дело в том, что стронций может вытеснять родственный ему кальций из кристаллической решетки известняка. Поскольку все эти процессы происходят с постоянной скоростью, казалось бы, относительное содержание изотопа 86Sr в известняке не должно сильно изменяться. Однако это не так? и виноват изотоп 87Sr.

Количество 87Sr в океане зависит от скорости эрозии земной коры на континентах. Оледенения и образование гор усиливают эрозию и способствуют попаданию стронция в реки, а затем и в океаны. Как и 86Sr, 87Sr тоже включается в известняк. Соотношение 86Sr и 87Sr в известняке зависит от их относительного содержания в морской воде. В периоды сильной континентальной эрозии больше 87Sr попадает в океаны и включается в морские отложения. Таким образом, соотношение двух изотопов стронция и известняках позволяет оценить скорость эрозии в период формирования этих отложений. В соответствии с данными Алана Кауфмана из Университета Мэриленда и его коллег Стейна Якобсена и Эндрю Нолла из Гарварда отношение 87Sr к 86Sr в морских карбонатных отложениях начало расти сразу после окончания ледниковых периодов, что указывает на высокую скорость эрозии. Кроме того, корреляция между соотношением изотопов углерода (захоронено больше 12С) и изотопов стронция (больше 87Sr в горных породах) указывает на то, что высокой скорости эрозии действительно соответствует высокая скорость захоронения органических веществ. И это приводит к повышению содержания кислорода в воздухе.

Два независимых метода подтверждают рост концентрации кислорода. Первый метод основан на анализе изотопов серы в пиритах — сильфидах железа (FeS₂). О возможностях этого метода впервые сообщил Дональд Кенфилд в 1996 г. в журнале Nature. В главе 3 мы уже обсуждали результаты Кенфилда, основанные на анализе поведения сульфатредуцирующих бактерий, восстанавливающих сульфат до сероводорода. В данном случае он применил свой метод для анализа более поздних событий. Тогда Кенфилд работал с Андреасом Теске в Институте морской микробиологии Макса Планка в Бремене. Они показали, что поворотный момент в использовании серы бактериями произошел вскоре после завершения последнего глобального оледенения. Дo этого на протяжении 2 млрд лет под действием сульфатредуцирующих бактерий образовывался осадок сульфидов железа, содержавших примерно на 3% больше изотопа 32S, чем в образцах абиотического происхождения. Но вдруг после завершения последнего оледенения около 590 млн лет назад этот показатель вырос до 5%. И так продолжается до сих пор, так что данный показатель фактически является признаком современной экосистемы. Что же произошло?

Показатель 3% объяснить легко. Сульфатредуцирующие бактерии превращают сульфат в сероводород в одну стадию. В результате этого простого процесса содержание изотопа 32S в сероводороде повышается примерно на 3%. Далее обогащенный сероводород может взаимодействовать с железом с образованием пиритов. Однако обогатить сероводород изотопом 32S на 5% в одну стадию нельзя. Это возможно только при реутилизации сырьевых материалов: таким же образом можно сконцентрировать углекислый газ, если дышать в пластиковом пакете.

Для реутилизации сероводорода нужен кислород. Процесс заключается в следующем. Сульфатредуцирующие бактерии обитают в неподвижном иле на дне моря. Выделяемый ими сероводород преодолевает толщу воды и реагирует с растворенным в воде кислородом. Между анаэробной придонной зоной и аэробной поверхностной зоной возникает смешанная зона. В наше время в этой зоне обитает множество изобретательных бактерий, способных утилизировать серу. Некоторые из них окисляют сероводород, производя элементарную серу, другие вновь превращают элементарную серу в смесь сульфата и сероводорода. Поскольку этот сульфат образуется биологическим путем, он обогащен изотопом 32S. Сульфатредуцирующие бактерии используют регенерированный биологическим способом сульфат и опять превращают его в сероводород. В результате каждого цикла происходит обогащение сульфатов и сульфидов изотопом 32S. В конечном итоге они обогащаются примерно на 5%. Это некое равновесное состояние. Сероводород реагирует с железом с образованием пиритов. Тяжелые пириты осаждаются на дно, поддерживая равновесие в системе.

Кенфилд и Теске считают, что экосистемы «современного» типа, которым нужен современный уровень кислорода, начали развиваться после завершения последней фазы «Земля-снежок». Они прибегают к помощи метода молекулярных часов, который подтверждает, что в это время выросло количество видов бактерий, перерабатывающих серу. Таким образом, Кенфилд и Теске считают, что увеличение содержания кислорода в воздухе практически до современного уровня началось в конце докембрийского периода.

Второй метод, подтверждающий повышение концентрации кислорода в воздухе, основан на анализе так называемых редкоземельных элементов. Соотношение этих следовых элементов, таких как церий. в морских карбонатах зависит от их соотношения в морской воде в момент образования отложений, которое, в свою очередь, определяется их растворимостью. Растворимость многих элементов связана с содержанием кислорода. Мы уже знаем, что в присутствии кислорода растворимость соединений железа снижается, а соединений урана — повышается. И если мы проследим за изменением относительного содержания различных элементов в горных породах (каких-то становится больше, каких-то меньше), мы сможем оценить степень насыщенности океанов кислородом в момент формирования этих пород. По данным Грэхэма Шилдса из Университета Оттавы (Канада) и Мартина Брейзиера из Оксфорда, в морских отложениях карбонатов, образовавшихся на территории современной Монголии во время последнего глобального оледенения и сразу после него, отразился сдвиг распределения редкоземельных элементов, свидетельствующий о повышении содержания кислорода в океане.

Уникальное сочетание данных — изотопные подписи углерода, серы, стронция, а также распределение редкоземельных элементов — свидетельствует о повышении концентрации кислорода в атмосфере. По-видимому, сильнейшие изменения климата за 160 млн лет глобального оледенения привели к росту концентрации кислорода практически до современного уровня. Но в это же время после перерыва длительностью около миллиарда лет вновь начинают появляться полосатые железные горы, что говорит о наличии в океане большого количества растворенного железа. Это означает, что в глубинах океана кислорода было мало.

Итак, после последнего великого оледенения (варангерского оледенения, закончившегося 590 млн лет назад) в воздухе и в поверхностных водах оказалось много кислорода (таким воздухом мы могли бы дышать), но в глубинах океана по-прежнему было мало кислорода и много сероводорода, как в современном Черном море. Затем вдруг всего за несколько миллионов лет в этом чудном новом мире появляются первые крупные животные: плавающие на мелководье странные мешки протоплазмы, называемые вендобионтами, и ползающие по дну континентальных шельфов черви. Данное время характеризуется невероятно высоким потенциалом. Странно, но реализация этого потенциала как раз и привела к его быстрому исчерпанию.

Ницше однажды заметил, что человека нельзя спутать с Богом, поскольку человек имеет пищеварительную систему и вынужден испражняться. В статье в журнале Nature, опубликованной в 1995 г., Грэхэм Лоуган и его коллеги, тогда работавшие в Университете Индианы, возражали Ницше, утверждая, что наше сходство с Богом и само наше существование возможно только благодаря дефекации. Они считают, что фекальные массы, произведенные первыми крупными животными, очистили океаны, открыв путь кембрийскому взрыву. Пожалуй, это одна из самых приземленных теорий о климатических изменениях конца докембрийского периода.

Основываясь на детальном анализе изотопов углерода в молекулярных ископаемых, Лоуган и его группа обнаружили, что практически все органические вещества, образовавшиеся за длительный период застоя от 1,8 млрд до 750 млн лет назад, не были захоронены в виде осадочных пород, а оказались расщеплены и вновь использованы бактериями, обитавшими на больших глубинах. Отмершие остатки мельчайших, практически невесомых бактерий очень медленно погружаются на дно, так что «потребители» успевают использовать содержащийся в них органический углерод. Поскольку бóльшая часть углерода использовалась повторно, захоронено было сравнительно немного. А так как кислород накапливается только тогда, когда углерод уходит в землю, кислород концентрировался в воздухе очень медленно, и не было стимулов для эволюции. Более того, диффундировавший в глубь океана кислород нейтрализовался поднимавшимся сероводородом; такое равновесие может длиться бесконечно. В заключительной фазе самого первого глобального оледенения (2,3 млрд лет назад) высокая скорость эрозии и захоронения углерода привела к значительным изменениям, но органический дебрис закончился, и восстановилась исходная ситуация, характеризующаяся очень медленным захоронением углерода. Возобновление равновесия после оледенения, возможно, объясняет тот факт, что уровень кислорода в атмосфере на протяжении следующего миллиарда лет не поднимался выше 5 — 18% по отношению к современному. И бактерии никогда не смогли бы расшатать это бесконечно устойчивое равновесие.

Лоуган считает, что сдвинуть равновесие позволила эволюция животных, обладающих пищеварительным трактом, причем этот скачок был возможен только в мелких водоемах в присутствии кислорода (только дыхание кислородом обеспечивает достаточное количество энергии, необходимое для эволюции многоклеточных животных с кишечником). Сравнительно тяжелые экскременты этих животных быстро погружались на дно сквозь популяцию анаэробных сульфатредуцирующих бактерий. Удобрив дно океана, экскременты были захоронены под другими отложениями, лишив сульфатредуцирующие бактерии органического углерода, а также (посредством собственного погребения) внося вклад в насыщение кислородом вышележащих слоев воды. Недостаток питания в сочетании с насыщением кислородом все более глубоких слоев воды должен был ускорить перемещение этих бактерий в анаэробную придонную зону.

В тот момент, когда величайший генетический потенциал сегментарной двустороннесимметричной структуры кембрийских животных был подготовлен и лишь ожидал удобного случая для реализации, открылась новая, насыщенная кислородом экосистема. Распространение подвижных, хищных и «генетически продвинутых» животных в свободной экосистеме не оставило беззащитным вендобионтам никакого шанса на выживание. Они исчезли, как пластиковые пакеты, переработанные комбайном.

Рис. 4. Геологическая временнáя шкала, охватывающая окончание докембрийского периода и кембрийский взрыв. Мы не знаем точно, когда появились первые метазои. Молекулярные часы показывают, что это произошло от 1,2 млрд до 700 млн лет назад. Череда глобальных оледенений, по-видимому, вызвала подъем концентрации кислорода в атмосфере практически до современного уровня

Гибель вендобионтов от зубов хищников — тема дискуссионная, но нет никаких сомнений в том, что повышение содержания кислорода в воздухе действительно коррелировало с расширением биоразнообразия в докембрийском периоде. В предыдущей главе мы отметили связь между концентрацией кислорода и появлением эукариот и многоклеточных форм жизни. Теперь нам следует проанализировать связь между концентрацией кислорода и появлением первых более или менее крупных животных (вендобионтов), а затем двустороннесимметричных животных кембрийского периода (рис. 4). Сама по себе эта связь не вызывает сомнения, однако очень часто возникает путаница в определении причины и следствия. Вспомните, что третий критерий Престона Клауда для установления связи между кислородом и эволюцией заключается в наличии реальных биологических оснований для этой связи (см. главу 2). Есть ли у нас достаточные основания, чтобы связывать концентрацию кислорода с биологической эволюцией?

Наиболее очевидное основание для причинно-следственной связи заключается в производстве энергии: окисление пищи кислородом дает значительно больше энергии, чем окисление соединениями серы, азота или железа, и на порядок больше, чем брожение. Последствия этого простого факта удивительны. В частности, длина любой пищевой цепи определяется количеством теряющейся на каждом этапе энергии. А оно, в свою очередь, зависит от эффективности энергетического метаболизма. В среднем эффективность энергетического метаболизма в бескислородной среде составляет лишь 10% (это означает, что из пищи экстрагируется всего 10% доступной энергии). Если такой организм, в свою очередь, становится пищей для следующего, хищнику достается лишь 1% энергии, синтезированной первичным «производителем». И пищевая цепь обрывается, поскольку невозможно прожить за счет пищи, из которой усваивается меньше 1% энергии. Поэтому в бескислородной среде пищевая цепь очень короткая. Бактерии обычно встают на путь специализации или конкурируют за пищевые ресурсы, но не поедают друг друга. Напротив, кислородное дыхание позволяет извлечь из пищи около 40% энергии. Это означает, что пороговое значение 1% достигается лишь на шестом этапе пищевой цепи. Именно потому в кислородной среде появились хищники. Их доминирующее положение в экосистеме невозможно без кислорода. Не случайно кембрийские животные были первыми настоящими хищниками.

Хищничество стимулирует увеличение массы тела животных: крупные хищники могут съесть крупную жертву, а крупной жертве легче обороняться от хищника. Но для поддержания тяжелого тела нужна крепкая опора. Для синтеза двух самых важных структурных компонентов растительных и животных клеток — лигнина и коллагена — нужен кислород. Лигнин — это цемент, связывающий молекулы целлюлозы в прочные и гибкие волокна древесины. Для производства бумаги целлюлозную пульпу максимально очищают от лигнина, а это дорогой и долгий процесс, поэтому ученые пытались создать генетически модифицированные растения, производящие меньше лигнина. Эти попытки оказались неудачными, что доказывает важную роль лигнина: слабые, низкорослые деревья без лигнина стелются по земле и ломаются от самого слабого ветерка. Лигнин образуется в результате реакции между фенолами и кислородом (фенолы в большом количестве содержатся в красном винограде; доказан их значительный вклад в оздоровительный эффект средиземноморской диеты). Лигнин является одним из самых прочных биологических полимеров, даже бактерии расщепляют его с трудом.

Коллаген — аналог лигнина в тканях животных. Этот белок входит в состaв соединительной ткани мышц, кожи, внутренних органов и сухожилий. Под действием кислорода молекулы коллагена образуют перекрестные сшивки и объединяются в тройные спирали. По мере взросления и старения животных между нитями коллагена образуется все больше и больше перекрестных сшивок — вот почему мясо молодых животных всегда мягче мяса старых. Даже малейшие ошибки в биосинтезе коллагена могут вызвать патологические искривления суставов и повышенную растяжимость кожи, как при синдроме Элерса — Данлоса. Считается, что знаменитый цирковой артист «Резиновый человек» страдал таким синдромом. Учитывая универсальное значение лигнина и коллагена, трудно представить, как крупные растения и животные могли бы поддерживать собственное тело в бескислородной среде.

Наконец, повышение концентрации кислорода в атмосфере обычно связывают с образованием озонового слоя. Озон (О₃) образуется из молекулярного кислорода под действием ультрафиолетовой составляющей солнечного света в верхних слоях атмосферы. Озон хорошо поглощает ультрафиолетовое излучение, так что формирование плотного озонового слоя примерно в 30 раз ослабило проникновение опасного ультрафиолетового излучения в нижние слои атмocферы. В прежние годы было опубликовано немало работ, посвященных роли озонового слоя в колонизации суши, но в последнее время эти результаты ставятся под сомнение. Например, Джеймс Кастинг утверждает, что для создания эффективного озонового экрана достаточно всего 10% современного содержания кислорода в атмосфере. Столько кислорода в атмосфере могло быть уже 2,2 млрд лет назад — почти за 2 млрд лет до появления жизни на суше.

Джеймс Лавлок полагает, что жизнь гораздо сильнее, чем мы думаем. Он рассказывает забавную историю о том, как в начале своей научной карьеры в Институте медицинских исследований в Милл-Хилл в Лондоне он с коллегами пытался стерилизовать воздух с помощью мощной ультрафиолетовой лампы — совершенно безуспешно. Бактерии вырабатывали защитную слизь, и, чтобы их уничтожить облучением, сначала нужно было убрать слизь. Это означает, что высокий уровень ультрафиолетового излучения до образования озонового слоя не являлся серьезным препятствием для колонизации бактериями озер и мелких морей. Более серьезной проблемой могло стать обезвоживание суши, но бактериальные споры были вполне способны переживать длительные периоды засухи, как они это делают и теперь.

Таким образом, кажется очевидным, что не озоновый слой, а размер и структурная организация тела являлись основными факторами, способствовавшими колонизации суши растениями и животными. Истинные обитатели суши, которые более или менее независимы от воды, должны избегать высыхания. Чтобы пережить засуху и при этом оставаться активным, нужны специфические приспособления, существующие только у крупных организмов, такие как водонепроницаемая кожа и внутренние легкие (у животных) для максимального потребления кислорода и минимальной потери воды. А большой размер, как мы видели, невозможен в бескислородной среде.

Итак, мы вполне обоснованно можем заключить, что кислород был важнейшей движущей силой эволюции в докембрийском периоде. Я не говорю, что кислород напрямую стимулировал эволюцию, однако увеличение его содержания в атмосфере открыло новые горизонты для развития жизни. Ни один важный эволюционный шаг не мог быть совершен без участия кислорода, а при низком содержании кислорода не приходилось ждать быстрого расширения биоразнообразия и появления сложных форм жизни. Любопытно, однако, что основные вливания кислорода в атмосферу произошли не за счет биологических инноваций (за исключением изобретения пищеварительного тракта), как считалось на протяжении многих лет, а за счет небиологических факторов, таких как оледенение и тектоническая активность.

Жизнь на Земле протекала без заметных изменений на протяжении миллиардов лет. Если бы стимулами изменений и эволюции были лишь оледенения и тектонические сдвиги, в спокойном и не встревоженном геологическими переменами мире вряд ли мог накопиться свободный кислород. Земля находилась в покое на протяжении двух долгих периодов, в сумме составляющих половину ее истории. В период от 3,5 до 2,3 млрд лет назад на Земле преобладали бактерии. Затем, после серьезных климатических изменений, произошедших 2,3 — 2 млрд лет назад, установилось новое равновесие, на протяжении которого уровень кислорода в атмосфере составлял от 5 до 18% по отношению к современному. Это новое равновесие стимулировало развитие генетического разнообразия первых эукариот, но не могло обеспечить необходимую энергию для эволюции крупных животных. Такой концентрации кислорода недостаточно для развития крупных и сложных организмов, обладающих мозгом.

Замкнутый круг был разорван второй чередой оледенений, начавшейся 750 млн лет назад и поднявшей содержание кислорода в атмосфере до современного уровня. Теперь эволюция крупных организмов стала лишь вопросом времени, и процесс этот произошел быстро. Вендобионты, кембрийские животные и современные формы жизни возникли за более короткий отрезок времени, чем период оледенений. Эта связь между жизнью и условиями окружающей среды должна насторожить тех, кто пытается отыскать разумную жизнь в других уголках Вселенной. Для возникновения жизни нужна не только вода, но и вулканы, тектоническая активность и кислород. Если на Марсе когда-то и существовала жизнь, она должна была погибнуть вместе с угасанием вулканической активности.

В следующей главе мы поговорим о том, как связан кислород с развитием или гибелью растений и животных в период фанерозоя. Я не нахожу доказательств «кислородного холокоста» в докембрийском периоде, однако существует заметная разница между современным уровнем кислорода в атмосфере (около 21%) и его гораздо более высоким уровнем (35%) в каменноугольном периоде около 300 млн лет назад. Влияние состава газовых смесей для подводного плавания на состояние здоровья человека показывает, что длительное воздействие кислорода в высокой концентрации может приводить к нарушению функции легких, конвульсиям и внезапной смерти, не говоря уже об опасности пожаров и остановке роста растений, что предсказали многие биологи. Действительно ли содержание кислорода в древности достигало опасной отметки? Если да, как же сохранилась жизнь? А если жизнь процветала в богатой кислородом среде, какой вывод следует сделать нам, употребляющим добавки антиоксидантов для замедления старения?

Глава пятая. Стрекоза из Болсоувера. Кислород и появление гигантов

Небольшой шахтерский городок Болсоувер в Дербишире (Англия) неожиданно прославился в 1979 г., когда в угольном пласте на глубине около 500 м шахтеры обнаружили гигантскую окаменелую стрекозу с размахом крыльев около полуметра — примерно как у чайки. Эксперты из Национального музея истории в Лондоне подтвердили, что окаменелость относится к каменноугольному периоду (около 300 млн лет назад). Находку назвали Болсоуверской стрекозой. Это прекрасно сохранившийся и очень старый образец, но он далеко не единственный. Французский палеонтолог Шарль Броньяр еще в 1885 г. описал похожие окаменелости из угольных шахт в центре Франции, а позднее гигантских ископаемых стрекоз находили в Северной Америке, в России и в Австралии. Удивительно, но гигантизм был весьма распространенным явлением каменноугольного периода.

Болсоуверская стрекоза принадлежит к вымершей группе гигантских хищных насекомых (Protodonata), возможно, произошедших от того же предка, что и современные стрекозы (Odonata). Как и их современные родственники, Protodonata имели длинное узкое тело, огромные глаза, мощные челюсти и цепкие лапы, которыми хватали добычу. Почетное место среди когда-либо  живших насекомых занимает колоссальная стрекоза Meganeura с размахом крыльев до 75 см и диаметром грудного сегмента тела около 3 см. Для сравнения, самая крупная современная стрекоза имеет размах крыльев 10 см и диаметр грудного сегмента 1 см. Главное отличие гигантских стрекоз от их современных родственников заключается в структуре крыльев, а именно в числе и расположении жилок. В 1911 г. французские палеонтологи Арле предположили, что из-за гигантского размера и примитивных крыльев Meganeura не могла бы летать в современной атмосфере. Они считали, что такой гигант мог подняться в воздух только в очень плотной атмосфере с содержанием кислорода выше 21% (если к имеющемуся количеству азота добавить больше кислорода, общая плотность воздуха увеличится). Это поразительное заявление отзывалось эхом на протяжении всего ХХ в. и многократно и яростно опровергалось сообществом палеонтологов. В 1966 г. датский геолог М. Г. Руттен, используя несколько старомодный стиль, который теперь навсегда исчез из научных журналов, писал следующее:

«В верхнем каменноугольном периоде насекомые достигали метрового размера. Учитывая их примитивный способ дыхания посредством трахеи через внешний скелет, пожалуй, они могли бы существовать только в атмосфере с высоким уровнем О₂. Будучи геологом, автор весьма удовлетворен этой линией доказательств, чего нельзя сказать о других геологах. И у нас нет способов, чтобы убедить оппонентов».

Механизм полета насекомых чрезвычайно сложен. Знаменитая, но выдуманная история 1930-х гг. рассказывает об одном швейцарском ученом, специалисте в области аэродинамики, который на основании расчетов доказал, что шмели не могут летать (на самом деле он доказал, что шмели не могут планировать, что правда). Однако не будем презрительно посмеиваться — с тех пор наши знания расширились весьма незначительно. В подробном обзоре о полете стрекоз, опубликованном в 1998 г., Дж. М. Уэйклинг и К. П. Эллингтон заключили, что наше представление об аэродинамике полета стрекозы ограничено недостаточным пониманием взаимодействия между двумя парами крыльев, и признали, что мы не можем создать достоверную модель ее полета. Ввиду такого значительного недостатка информации вряд ли можно прийти к надежным выводам относительно состава древней атмосферы только на основании теоретических расчетов механики полета.

Однако идея о том, что гигантским насекомым для полета требовалась более плотная, насыщенная кислородом атмосфера, так никогда и не была опровергнута. Мы увидим, что там, где не сработала теория, может сработать эмпирический подход. Есть и другие признаки колебаний уровня кислорода в современную эпоху (см. рис. 1). Геологические данные недвусмысленным образом указывают на то, что в океанах на больших глубинах содержалось мало растворенного кислорода, по крайней мере какой-то недолгий отрезок времени, соответствующий массовому вымиранию животных в конце пермского периода 250 млн лет назад. Причиной этого, скорее всего, стало падение уровня кислорода в атмосфере. Напротив, если принять во внимание закон сохранения массы (см. глава 3), приходится заключить, что гигантские залежи угля (представляющие собой главным образом органическое вещество, захороненное на протяжении каменноугольного и начала пермского периода) практически наверняка указывают на рост концентрации кислорода. Вопрос заключается в величине этого эффекта[24].

Основная трудность в определении состава воздуха в тот или иной период заключается в дискриминации причинных и тривиальных факторов. Ранние модели эволюции атмосферы показывали, что уровень кислорода на протяжении истории Земли колебался практически от нуля до современных значений. Эти исследования показали наше полное непонимание механизмов, контролирующих содержание кислорода в атмосфере. Трудности моделирования эволюции атмосферы могут объясняться ошибочностью исходных предпосылок: изменения в действительности происходили совсем не в то время, что мы предполагали. Но, прежде чем сказать, что мы сами создали себе проблему, следует отметить, что такая же сложность возникает и при создании стационарных моделей, в которых концентрацию кислорода считают постоянной. Мы не знаем, за счет чего в воздухе поддерживается постоянная концентрация кислорода, тогда как другие условия меняются.

Что, к примеру, происходит при пожарах? Поскольку при горении потребляется кислород, считается, что пожары ограничивают накопление кислорода в атмосфере. Без вмешательства человека источником огня в природе обычно являются разряды молнии. В современных условиях в большинстве случаев разряды молнии не приводят к пожарам из-за влажной растительности, особенно если грозы сопровождаются проливными дождями. Но, как нам говорят, органическое вещество легко загорается на воздухе при содержании кислорода выше 25%, значит, при таких условиях молния может стать причиной пожара даже в дождевых лесах. Чем выше содержание кислорода, тем больше вероятность возгорания, а распространяющийся огонь потребляет кислород. Если содержание кислорода достигает очень высокого уровня, пожары восстанавливают баланс.

Этот простой сценарий обычно не вызывает возражений, однако, на самом деле, он вводит в заблуждение. Баланс восстановится только в том случае, если леса при пожаре испаряются (как мы «испаряем» еду, сжигая ее в процессе дыхания для получения энергии, в результате чего в воздух выделяются углекислый газ и пары воды). Каждый, кто видел лес после пожара, знает, что под действием огня образуется большое количество древесного угля, но древесный уголь практически не разрушается живыми организмами, включая бактерий. Углерод в такой форме сохраняется в земле в неизменном виде.

Мы уже поняли, что кислород может накапливатьcя в воздухе только при нарушении баланса между его выделением за счет фотосинтеза и потреблением за счет дыхания и окисления минералов и вулканических газов. Постоянное захоронение органического вещества является основной причиной нарушения этого баланса, поскольку предотвращает потребление кислорода в процессе дыхания. Захороненный углерод не окисляется дo углекислого газа, и киcлopoд остаетcя в воздухе. Поскольку древесный уголь, скорее всего, остается в земле в неизменном виде в отличие от другого растительного материала, суммарным результатом лесных пожаров является усиление захоронения углерода и, следовательно, повышение концентрации кислорода в атмосфере. Это, в свою очередь, дополнительно повышает вероятность пожаров и приводит к такому значительному накоплению кислорода, что вся жизнь на суше погибает. И только тогда, когда на суше полностью прекращается синтез органических веществ и фотосинтез, уровень кислорода начинает медленно снижаться за счет реакций с вулканическими газами и с минеральными веществами, высвобождающимися в процессе эрозии. Если споры переживают эту катастрофу, жизнь может возродиться вновь, но в таком случае цикл огня и воскрешения будет повторяться бесконечно. Так что огонь в очень слабой степени контролирует содержание кислорода в атмосфере.

Этот сценарий катастроф хорошо знаком ученым, пытающимся моделировать изменения состава атмосферы, но при создании моделей с более тонкой формой отрицательной обратной связи тоже возникают сложности. В конце 1970-х гг. Эндрю Уотсон, Лавлок и Маргулис в рамках гипотезы Геи предложили модель, в которой предполагалось, что уровень кислорода может стабилизироваться за счет производимого бактериями метана.

Бактерии, выделяющие метан (метаногены), живут в болотах с очень низкой концентрацией кислорода и не переносят ее повышения. Они получают энергию, расщепляя продукты распада органических соединений, и при этом выделяют газообразный метан. Это далеко не тривиальный процесс. По оценкам Лавлока, ежегодно бактерии выпускают в воздух примерно 400 млн тонн метана (промышленное загрязнение воздуха, сельское хозяйство и мусорные свалки лишь удваивают эту цифры, внося вклад в глобальное потепление). В соответствии с теорией активизация захоронения органических веществ в болотах, сопровождающаяся повышением уровня кислорода в атмосфере, вызывает рост новых колоний метаногенов на детрите и выделение дополнительного количества метана. Болотный газ в течение нескольких лет взаимодействует с кислородом с образованием СО₂, вновь уменьшая содержание кислорода в воздухе. Напротив, снижение скорости захоронения приводит к сокращению популяции метаногенных бактерий и ослаблению выделения метана; в результате уровень кислорода в воздухе повышается.

Теоретически эта циклическая система с отрицательной обратной связью может препятствовать значительным флуктуациям концентрации кислорода. Но дело в том, что данная теория предсказывает примерно постоянную скорость захоронения углерода, поскольку бактерии регулируют содержание кислорода путем расщепления органического вещества, которое в противном случае откладывалось бы в земле. Но геологические данные показывают, что эта скорость менялась в разные периоды времени. Очевидно, что большое количество угля, образовавшегося во время каменноугольного периода и в начале пермского периода, получено из органического материала, не расщепленного метаногенными бактериями. Из этого следует, что иногда цикл метана не справляется с регуляцией содержания кислорода в атмосфере[25].

Более действенным биологическим механизмом регуляции концентрации кислорода является любопытное явление, заключающееся в подавлении роста и продуктивности растений. При некоторых обстоятельствах рост растений полностью прекращается. Речь идет о процессе фотодыхания, который, в отличие от обычного митохондриального дыхания растений, осуществляется только на свету. Предназначение этого процесса остается загадкой, а его суммарный результат сводится к потреблению растением кислорода и выделению углекислого газа. Фотодыхание осуществляется одновременно с дыханием (отсюда его название), но не сопровождается производством энергии. Кроме того, в отличие от обычного дыхания, фотодыхание конкурирует с фотосинтезом за использование фермента со звучным названием Рубиско (рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилаза-оксигеназа). Из-за этой конкуренции снижается эффективность фотосинтеза и скорость роста растений.

В процессе фотосинтеза Рубиско связывает углекислый газ и включает его в углеводы. Часто (и вполне оправданно) Рубиско называют самым важным в мире ферментом. Во всяком случае, если судить по массе, это самый распространенный на Земле фермент. Без него фотосинтез в современной форме существовать не может. А с Рубиско возникают другие проблемы. Он относится к разряду «неразборчивых» ферментов. Он практически с одинаковым сродством связывает и кислород, и углекислый газ. Когда Рубиско связывает свой «законный» субстрат, СО₂, растение использует углерод для созидательных целей, синтезируя сахара, жиры и белки. Но если фермент изменяет своему субстрату и связывает кислород, множество других ферментов начинают катализировать бессмысленную цепь биохимических реакций. Эта энергозатратная цепь реакций останавливает рост растения, как сомнительная репутация политика — его продвижение по ступеням власти.

Скорость фотодыхания увеличивается с ростом температуры и концентрации кислорода. Это означает, что в жарком климате и при обилии кислорода рост растений останавливается. Даже при нормальном содержании кислорода в воздухе в тропических зонах это бессмысленное растрачивание ресурсов может затормозить рост растений на 40%. Это явление сказывается на производительности сельского хозяйства, xотя негативный эффект в какой-то степени сглаживается благодаря большому количеству осадков, плодородию почв и продолжительности сельскохозяйственного сезона.

Несмотря на кажущуюся бессмысленность, фотодыхание — универсальный процесс, происходящий во всех растениях, хотя некоторые из них изобрели обходные пути, позволяющие снизить пагубные последствия[26]. По каким-то причинам эволюция сохранила этот механизм. Другими словами, он для чего-то нужен, иначе он бы исчез в жестокой борьбе за выживание. Это предположение подтверждается многочисленными неудачными попытками вывести растения, в которых механизм фотодыхания не реализуется. Часто целью подобных экспериментов было повышение урожайности сельскохозяйственных культур в развивающихся странах. Удивительно, но такие генетически модифицированные растения не могут жить в нормальных условиях и выживают только в атмосфере с высоким содержанием углекислого газа и низким содержанием кислорода. По-видимому, фотодыхание в какой-то степени защищает растение от токсичного воздействия кислорода. Это объясняет, почему растения могут обойтись без фотодыхания при низком содержании кислорода в воздухе, но не в атмосфере с нормальной или повышенной его концентрацией. Для нас важно, что фотодыхание останавливает рост растений при высоком содержании кислорода в воздухе.

Фотодыхание настолько распространенный процесс, что оно вполне может быть одним из основных факторов, стабилизирующих содержание кислорода в атмосфере. Если уровень кислорода повышается, сразу возрастает интенсивность фотодыхания, что приводит к остановке роста растений. Низкорослые растения производят меньше кислорода, способствуя снижению концентрации кислорода до прежнего уровня. Интересно, что эта гипотеза не подразумевает постоянства скорости захоронения органического материала. Напротив. В принципе, скорость захоронения органических веществ связана со скоростью роста растений: нет роста — нет захоронения органического углерода, и наоборот. Однако остается эмпирический вопрос: может ли на самом деле фотодыхание определять концентрацию кислорода в воздухе и скорость захоронения органического материала?

Точного ответа мы пока не знаем, но данную гипотезу можно проверить экспериментальным путем. Результаты некоторых исследований показывают, что фотодыхание, безусловно, играет важную роль в поддержании постоянной концентрации кислорода в атмосфере, но одного этого механизма недостаточно. К такому выводу пришли Дэвид Бирлинг и его коллеги из Университета Шеффилда, опубликовавшие результаты исследований в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society в 1998 г. Они измеряли скорость роста растений при различной концентрации кислорода в диапазоне от 21 до 35%. В среднем при 25 °C в среде с высоким содержанием кислорода растения росли на 18% медленнее, чем в обычной атмосфере, что подтверждало влияние кислорода на скорость роста растений. Однако величина эффекта для разных растений различалась: более древние группы растений держались гораздо лучше их современных родственников. Растения, появившиеся во время каменноугольного периода, такие как папоротники, гинкго и цикадовые (напоминающие пальму вечнозеленые растения, но не с орехами, а с шишками), менее чувствительны к повышению концентрации кислорода, чем их более молодые в эволюционном плане родственники — покрытосеменные (самая обширная группа современных растений, к которой относятся листопадные деревья и кусты, основные сельскохозяйственные культуры и все другие травянистые культуры и цветы). Кроме того, более древние растения, по-видимому, способны адаптироваться к новым условиям путем изменения структуры листьев. В частности, у них увеличивалось количество устьиц (пор в листьях, через которые осуществляется газообмен), что способствовало более активному накоплению углекислого газа в листьях.

Рис. 5. Изменения состава атмосферы на протяжении фанерозойского периода на основе модели Роберта Бернера. Концентрация кислорода (верхний график) достигла максимального значения около 35% в конце каменноугольного (C) и начале пермского периода (P), а затем снизилась до 15% в конце пермского периода. Второй пик концентрации кислорода (от 25 до 30%) пришелся на конец мелового периода (K). Затем в третичном периоде (T) произошло уменьшение до современного уровня. Концентрация углекислого газа (нижний график) снизилась от 0,5% в силурийском периоде (S) до 0,03% к концу каменноугольного периода. Воспроизводится с разрешения авторов из статьи Graham et al.

Интересно, что при увеличении концентрации углекислого газа в воздухе в два раза (от 300 до 600 ррm) рост растений не замедлялся, а иногда и усиливался. Поскольку обычно содержание углекислого газа падает при повышении содержания кислорода, большинство геологов соглашаются с тем, что уровень углекислого газа снизился с максимального значения 3000 ppm в девонском периоде (385 млн лет назад) до минимального значения 300 ррm в конце пермского периода (245 млн лет назад) (рис. 5). Таким образом, на протяжении каменноугольного периода содержание углекислого газа в атмосфере могло быть выше, чем сейчас. В целом группа Шеффилда пришла к выводу, что высокая концентрация кислорода в воздухе во время каменноугольного и в начале пермского периода могла привести лишь к замедлению роста растений в тропических регионах.

Вполне возможно, что активность метаногенных бактерий, наличие питательных веществ и фотодыхание корректируют уровень кислорода в нормальных условиях, но, скорее всего, они лишь притупляли значительные колебания уровня кислорода в конце каменноугольного и начале пермского периода, предсказанные на основании высокой скорости захоронения углерода. Пожалуй, пришло время подробнее обсудить события, происходившие на протяжении 70 млн лет — от 330 до 260 млн лет назад. В этот период, составляющий менее 2% истории Земли, образовалось 90% всех резервов ископаемого угля. Это означает, что скорость захоронения углерода в этот период была в 600 раз выше, чем в другие геологические эпохи. Конечно, бóльшая часть органического материала не превратилась в уголь (см. главу 2), но системный анализ органической составляющей осадочных пород во всем мире подтверждает, что общее количество органического материала, захороненного во время каменноугольного и в начале пермского периода, намного больше, чем в любую другую эпоху, включая современность[27].

Уникальные события обычно лучше всего объясняются необычным стечением обстоятельств. Наиболее правдоподобное объяснение высокой скорости захоронения углерода на протяжении каменноугольного и в начале мелового периода заключается в совпадении геологических, климатических и биологических факторов. Важнейшую роль, вероятно, сыграли два фактора. Во-первых, незадолго до рассматриваемого нами периода образовался единый низколежащий суперконтинент Пангея. Обширные поймы с влажным климатом создали оптимальную среду для возникновения угольных болот. Во-вторых, появление крупных древесных растений — первых деревьев — около 375 млн лет назад способствовало распространению растительности на возвышенностях, в болотах и на побережьях. Структурный каркас древесных растений состоит из лигнина. Даже современные бактерии с трудом перерабатывают лигнин, но во время каменноугольного и пермского периодов древесные растения наверняка производили намного больше лигнина, чем могли расщепить бактерии.

Таким образом, высокая скорость образования угля во время каменноугольного и пермского периодов объясняется очень большой разницей между скоростями синтеза и расщепления лигнина, а также практически идеальными условиями сохранения органического материала. Мы не знаем механизма, который мог бы остановить рост концентрации кислорода в таких условиях, так что нам остается заключить, что уровень кислорода в это время должен был увеличиваться и, возможно, весьма существенно. Как и М. Г. Руттена, меня вполне удовлетворяет такая линия рассуждений, но остается открытым вопрос, как сильно выросла концентрация кислорода.

Баланс фотосинтеза таков, что при захоронении определенного количества органического углерода в воздухе сохраняется фиксированное количество кислорода (глава 2). В принципе, чтобы рассчитать содержание кислорода в воздухе, нам нужно знать только количество захороненной в прошлом органической материи. Из этой величины нужно вычесть количество захороненного вещества, которое впоследствии подверглось эрозии и вернулось в атмосферу в виде углекислого газа. При расчете баланса мы не делаем различия между углеродом, вернувшимся в атмосферу в результате эрозии, и углеродом, окисленным для получения энергии и немедленно вернувшимся в воздух в виде углекислого газа. Однако важно иметь в виду разницу скоростей этих процессов. Уголь, который сейчас добывают и сжигают, сформировался во время каменноугольного периода и 300 млн лет пролежал в земле, и его захоронение способствовало росту концентрации кислорода в атмосфере в то время (а его сжигание помогает снижению содержания кислорода сегодня — хотя всего на 2 ppm в год при базовом уровне 210 000 ррm).

Возможно, вам покажется, что оценить скорость захоронения углерода и скорость эрозии в отдаленном прошлом — задача невыполнимая, однако геохимик Роберт Бернер из Йельского университета и его бывший аспирант Дональд Кенфилд с помощью некоторых приближений смогли определить несколько важных параметров. Они считают, что, поскольку основная масса органического вещества откладывается в виде угольных пластов, наносных отложений в устьях рек и на континентальном шельфе, мы можем не учитывать процесс образования горных пород в глубинах океана. Таким образом, задача формулируется прямо и скучно: нужно определить состав различных континентальных осадочных пород, что делается с помощью любой подробной геологической карты. Содержание органического вещества в этих породах можно измерить напрямую. Труднее всего рассчитать скорость эрозии. Если предположить, что старые породы полностью уничтожены в результате эрозии и метаморфизма, тогда выходит, что более молодые породы, расположенные ближе к поверхности, с большей вероятностью подвергаются эрозии сейчас. Кроме того, необходимо учесть локализацию исходного захоронения: это могла быть местность с хорошим потенциалом для сохранения материала, как в угольных болотах (многочисленных в каменноугольном периоде) или зоны с высокой скоростью эрозии типа наносных равнин (более распространенных в пермском периоде).

Оценивая скорость захоронения углерода и эрозии горных пород, Бернер и Кенфилд рассчитали вероятные изменения концентрации кислорода в атмосфере за последние 600 млн лет. Получившийся график вызвал бурную реакцию в среде геологов. Выходило, что уровень кислорода в каменноугольном и в начале пермского периода вырос до 35%, а к концу пермского периода упал до 15%, вызвав невиданное ранее массовое вымирание живых организмов. Позднее, во время мелового периода (конец эпохи динозавров), уровень кислорода вновь увеличился, достигнув 25 — 30% (см. рис. 5).

Логика этих рассуждений кажется неоспоримой, но большинство людей с недоверием воспринимают результаты, которые противоречат интуиции. Может быть, именно поэтому выводы о состоянии атмосферы, полученные с помощью компьютерного моделирования, не принимаются научным сообществом. Многие ученые не доверяют математическим моделям и философским рассуждениям, не подкрепленным эмпирическими наблюдениями (гуру в области эволюционной биологии Джон Мейнард Смит называл такую науку «наукой без фактов»). Знаменитый пример бессмысленной логики — задача древнегреческого философа Зенона Элейского, которая столетиями мучила логиков, но не представляла никакой проблемы для математиков. Зенон заявил, что движение невозможно, поскольку, чтобы сделать шаг, сначала нужно преодолеть расстояние в полшага, потом преодолеть половину оставшегося расстояния, потом еще половину, и так до бесконечности. Как экспоненциальная кривая никогда не достигнет бесконечности, так и бесконечное число половинных шагов не приведет к целому шагу. Хотя модель Бернера и Кенфилда не в такой степени противоречит интуиции, как парадокс Зенона, а расчеты выполнены на основе экспериментальных данных, их выводы настолько невероятны, что возникает подозрение, будто какой-то очень важный фактор остался неучтенным.

Единственный очевидный способ подтвердить или отклонить гипотезу о том, что уровень кислорода в атмосфере когда-то повышался до 35%, заключается в прямом измерении. Где бы взять мешочек древнего воздуха, чудесным oбразом сохранившийся на протяжении нескольких сотен миллионов лет? Идея кажется безумной, но полярные исследователи уже на протяжении многих лет занимаются анализом кернов арктического и антарктического льда, чтобы прочесть сохранившиеся летописи климатических изменений. Эти исследования помогли нам очень многое узнать о скорости и величине климатических изменений в далеком прошлом, а также о степени промышленного загрязнения атмосферы во времена древних римлян и позднее. К сожалению, анализ кернов льда позволяет нам отправиться в прошлое лишь на 200 тыс. лет[28]. А это всего лишь 0,0007% интересующего нас пути.

Ситуация казалась безнадежной, но в середине 1980-х гг. у геолога Гари Лэндиса из Геологической службы США в Денвере родилась блестящая идея. Янтарь может содержать мельчайшие пузырьки воздуха, который когда-то растворился в древесной смоле. У Лэндиса было подходящее оборудование — квадрупольный масс-спектрометр, недавно сконструированный специалистами Геологической службы для качественного и количественного анализа газов в мельчайших образцах. Этот инструмент настолько чувствителен, что позволяет детектировать газы в концентрации порядка 8 частей на миллиард, причем действует он так быстро, что успевает проанализировать газ, который за сотые доли секунды высвобождается из микроскопических пузырьков с диаметром порядка сотой доли миллиметра (10 мкм).

Изделия из янтаря, в которых застыли насекомые или споры растений, очень высоко ценились со времен неолита. Торговля янтарем в Балтийском регионе процветала уже 5000 лет назад. Янтарь формировался, начиная от каменноугольного периода (300 млн лет назад) и заканчивая эпохой последнего серьезного оледенения (плейстоцен). Таким образом, многие застывшие в янтаре насекомые действительно очень древние. О ценности янтаря в качестве «капсулы времени» заговорили в связи с гипотезой о во:сложности сохранения генов динозавров в желудках застывших в янтаре кровососущих насекомых. Эта идея получила известность благодаря роману Майкла Крайтона «Парк юрского периода». Хотя идея казалась сомнительной, она все же привлекла внимание ученых, и в результате из насекомых, заключенных в янтарь мелового периода (140 млн лет назад), действительно удалось выделить ДНК. Если в янтаре сохранилась хрупкая молекула ДНК, может быть, сохранился и воздух?

Объединив усилия с Робертом Бернером, Лэндис использовал свой масс-спектрометр для анализа газового состава пузырьков воздуха в янтаре, механически измельчая янтарь в вакууме. Чтобы выстроить хронологическую последовательность, Бернер и Лэндис сгруппировали образцы янтаря в соответствии со временем их происхождения, начиная от мелового периода (140 млн лет назад) и до наших дней. Безусловно, существовала опасность, что с разными типами янтаря получатся разные значения, просто по той причине, что это разный янтарь. Чтобы исключить вклад локальных факторов, Беpнеp и Лэндис работали с oбpaзцами из caмыx разных источников — от Балтийского моря до Доминиканской республики и от открытых пляжей до подземных пластов.

Результаты были опубликованы в журнале Science в марте 1988 г. и немедленно вызвали бурную реакцию научной общественности. Выходило, что уровень кислорода в меловом периоде был выше 30% и снизился до современного показателя 21% примерно 65 млн лет назад, что настолько точно соответствовало предполагаемому времени исчезновения динозавров, что не могло быть простым совпадением. Авторы задумались над тем, не требовался ли гигантским динозаврам, как и гигантским стрекозам, дополнительный кислород, и в современной атмосфере они не выжили. К августу 1988 г. раздел писем в журнале Science был переполнен подробными техническими опровержениями этой идеи.

Опубликовать письмо в редакцию — один из лучших способов продемонстрировать свою эрудицию, и в хорошие времена ведущие научные журналы могли таким образом отразить мнение ученых по самым разным вопросам. Никакой другой способ обмена мнениями не может вернее наставить заблуждающегося автора на путь истины или привлечь заинтересованного читателя. Результаты, полученные при изучении янтаря, были подвергнуты самому скрупулезному анализу со всех возможных точек зрения — с привлечением констант диффузии и растворимости газов, а также химии полимеров и геометрических свойств пузырьков газа под давлением. Например, Курт Бек из нью-йоркской Лаборатории по исследованию янтаря писал о методах, с помощью которых римляне возвращали прозрачность молочному (костяному) янтарю. Костяной янтарь непрозрачен из-за мельчайших пузырьков воздуха, но его можно сделать прозрачным, а также окрасить путем нагревания в растительном масле. Кажется, римляне использовали для этого жир молочных поросят, а немецкий авторитет XIX в. Дамс советовал применять рапсовое масло. Суть в том, что пузырьки воздуха заполнялись маслом, имеющим такой же показатель преломления, как янтарь. Если масло может заполнять янтарную матрицу, значит, пузырьки не изолированы от окружающей среды, и между ними и внешней средой происходит газообмен, так что состав воздуха в пузырьках не может точно отражать состав воздуха в момент образования янтаря.

Общее мнение, которое сохраняется и теперь, сводилось к тому, что заключенный в янтаре воздух не мог быть древним, а результаты Бернера и Лэндиса объясняются неправильной постановкой эксперимента. Хотя Лэндис утверждает, что он опроверг заявления всех своих критиков в следующей серии опытов, новые результаты еще не опубликованы в полном объеме и поэтому не обсуждаются геологическим сообществом. Бернер искренне признаёт, что в их предварительных результатах были огрехи и что Лэндису пока не удалось убедить его в неправоте критиков.

В стремлении дисквалифицировать результаты, полученные в экспериментах с янтарем, один или два критика заявили, что status quo восстановлен и что «прежние взгляды на палеонтологию, геологию и науку об атмосфере все еще сохраняются». Бернер и Лэндис отвечали, что «старые взгляды» вовсе не coxpaняются, а пересматриваются вне зависимости от результатов экспериментов с янтарем. Этот обмен мнениями, как мне кажется, выражает основную суть проблемы и иллюстрирует природу научного поиска, который очень редко являет собой бесстрастный мыслительный процесс, называемый философами «научным методом». Большинство ученых защищают свои излюбленные идеи или гипотезы до тех пор, пока либо не докажут их, либо не дискредитируют в такой степени, что даже упрямые старые профессора признают их ошибочность. Обе стороны подготовились к борьбе, разделенные широкой полосой ничьей земли: сторонники теории неизменной атмосферы против приверженцев теории колебаний концентрации кислорода. Отчасти эта ситуация напоминала противостояние в физике между сторонниками стационарной Вселенной и адептами идеи Большого взрыва. Очевидно, модель Бернера и Кенфилда кого-то убедила, а кого-то нет, и только новые данные позволят выйти из этого тупика. Если древний воздух не сохранился в янтаре, трудно придумать, где еще он мог сохраниться. Есть ли другой способ подтвердить результаты?

Да, такой способ есть, но и он связан с некоторыми сложностями. Как мы уже обсуждали в главах 3 и 4, для оценки содержания кислорода в атмосфере можно использовать изотопные подписи углерода. Методология в данном случае фактически противоположна методологии прямого определения захороненного углерода, и проблема как раз заключается в том, чтобы удостовериться в корреляции между двумя методами.

Изотопный метод основан на том, что живые организмы предпочитают более легкий изотоп углерода 12С, поэтому органическое вещество обогащается этим изотопом. При захоронении органического вещества в земле оказывается больше 12С, а в воздухе соответственно остается больше 13С (в виде СО₂). Углекислый газ из воздуха свободно обменивается с карбонатами в океанской воде, болотах, озерах и реках — все в мире взаимосвязано. В мелких морях растворенные карбонаты могут выпадать в осадок, образуя морской известняк. Поскольку между карбонатами в морях и болотах и углекислым газом в воздухе существует равновесие, периоды активного захоронения органического углерода на суше соответствуют выраженным подписям 13С в морских известняках. Эти данные можно экстраполировать в прошлое и рассчитать, сколько органического углерода было захоронено в тот или иной период[29]. Преимущество изотопного метода заключается в том, что с его помощью можно воссоздать картину захоронения органического углерода на основании изменений, происходящих в океанах. Это позволяет оценить общую (глобальную) скорость захоронения органических веществ, поскольку под действием течений и приливов карбонаты распределяются в объеме океана приблизительно равномерно.

Анализ изотопов углерода однозначно показывает, что скорость захоронения органических веществ в различные геологические эпохи различалась весьма существенно и достигала максимума во времена каменноугольного и раннего пермского периодов. Сложность опять заключается в том, чтобы ограничить предсказанные изменения какими-то разумными рамками. Изотопный анализ показывает, что содержание кислорода в атмосфере чрезвычайно сильно зависит даже от незначительных колебаний скорости захоронения органики. Мы уже отмечали в главе 2, что количество захороненного органического материала превосходит органическое содержимое всей живой материи — примерно в 26 тыс. раз, по данным Роберта Бернера. Это означает, что совсем небольшие колебания расчетной скорости захоронения (на основании изотопного анализа) на протяжении миллионов лет могут приводить к чрезвычайно сильным вариациям расчетного содержания кислорода, порой несовместимогo с жизнью. Должен существовать какой-то механизм, ограничивающий эти вариации. Беда в том, что мы его не знаем.

Безуспешно протестировав множество вариантов своей модели, Бернер наконец ухватился за идею, которую можно было проверить экспериментальным путем. А что, если степень предпочтения живыми системами изотопа 12С зависит от уровня кислорода? Другими словами, не меняется ли степень обогащения органического вещества изотопом 12С в зависимости от концентрации кислорода в воздухе? Когда мы измеряем количество захороненного углерода, мы считаем, что фиксированная часть углерода была захоронена в виде 12С. И если мы обнаруживаем в захороненной органике больше 12С (или больше 13С в известняке), мы объясняем это повышением скорости захоронения. Однако это может означать, что в захороненном органическом веществе увеличилась доля 12С. И если это так, общее количество захороненного углерода могло остаться прежним, просто в нем увеличилось содержание 12С. Если мы применяем правило фиксированного соотношения изотопов, мы завышаем общее количество захороненного углерода. К такому результату может приводить любой механизм, усиливающий предпочтение растений к изотопу 12С. Введение поправки снижает определяемое моделью количество захороненного углерода и, следовательно, нивелирует вариации концентрации кислорода. Другими словами, экстремальные флуктуации содержания кислорода в атмосфере, предсказанные с помощью традиционного изотопного анализа, можно сделать более реалистичными, учитывая избирательность растений по отношению к 12C при разном содержании кислорода в атмосфере. Если предпочтительное использование изотопа 12С по сравнению с изотопом 13С сильнее выражено при высоком содержании кислорода и слабее при низком содержании кислорода, предсказанные флуктуации концентрации атмосферного кислорода сохраняются в разумных пределах.

Вы удовлетворены? Возможно, нет, однако теоретически знакомый нам с вами механизм фотодыхания может оказывать именно такое действие. Выделяющийся при фотодыхании углекислый газ либо выходит в воздух, либо вновь захватывается Рубиско и превращается в сахара, белки и жиры. Поскольку углекислый газ образуется из органического вещества, он уже обогащен изотопом 12С. Получающееся из этого углекислого газа органическое вещество содержит еще больше легкого изотопа углерода. Мы обратили внимание на аналогичный эффект в главе 4 при обсуждении серных бактерий («дыхание в пластиковом пакете»). Скорость обогащения изотопом зависит от скорости фотодыхания, которая, как мы уже видели, растет с повышением концентрации кислорода. Таким образом, теоретически высокий уровень содержания кислорода способствует избирательному использованию изотопа 12С и вносит поправку в наши расчеты концентрации кислорода в воздухе. В теории, кажется, все логично, но что происходит на практике?

Бернер продолжил свои исследования совместно с Дэвидом Бирлингом и другими специалистами из Университета Шеффилда (Англия), а также из Гавайского университета. Они выбрали ряд фотосинтезирующих организмов из разных групп, включая покрытосеменные и цикадовые растения, а также морские одноклеточные водоросли, и выращивали их в лабораторных условиях в среде с разным содержанием кислорода. Результаты экспериментов были опубликованы в мартовском номере Science за 2000 г. и удивительным образом совпадали с тем, что предсказывала теория. Все исследованные организмы реагировали на повышение концентрации кислорода, становясь более избирательными по отношению к 12С. Однако сильнее всех реагировали растения, эволюционировавшие во время каменноугольного и в начале пермского периода. Например, при концентрации кислорода 21% цикадовые растения оставляли в воздухе 17,9 части на тысячу изотопа 13С, тогда как при концентрации кислорода 35% данный показатель достигал 21,1, что соответствует повышению содержания изотопа 12С на 18%. При снижении числа устьиц в листьях «эффект пластикового пакета» усиливается. Если учесть эти поправки, выявляется отличная корреляция между двумя методами — методом прямых измерений захороненного органического материала (массовый баланс) и методом изотопного анализа. Оба способа измерений показывают, что уровень кислорода во время каменноугольного периода достигал 35%. Бернер наконец доказал свою правоту.