Докембрий. Жизнь. Начало

Фантазии художника о том, как выглядела наша планета более 4 млрд лет назад. Иллюстрация: Simone Marchi (SwRI), SSERVI, NASA, www.space.com

Количество песчинок-лет не укладывается в голове, ведь история одной из самых древних цивилизаций – Шумер – насчитывает всего лишь 2,8 млрд минут (около 5,5 тыс. лет). Сама же Земля существует уже 4,5 млрд лет, из которых четыре занял докембрий. Это означает, что почти 89 % всей геологической истории планеты она была совершенно безжизненной, если не считать примитивных бактерий и архей (простейших одноклеточных, не имеющих даже ядра и мембранных органелл), тоскливо плещущихся в океанах.

Если вернуться к нашему пляжу и представить, что одна песчинка-год по объему равна одному кубическому миллиметру, то в одном кубическом сантиметре их должна быть тысяча. Но из-за того, что песчинки не плотно прилегают друг к другу, в одном кубосантиметре песка всего примерно 680 песчинок. Значит, возраст Земли займет объем в 6,6 кубометра песка. Можно представить себе размер такого пляжа: 13 м в длину, 25 см в глубину и 2 м в ширину.

Почти 9/10 этого пляжа занимал докембрий. Все остальные геологические эпохи, вместе взятые, уместятся на 0,66 кубометра, около 1/10 части пляжа. Динозавры, жившие на планете примерно 170 млн лет, равны объему песка, помещающемуся в садовую бочку (250 л). Современный период – время, когда появились первые самые примитивные Homo, – начался 2,5 млн лет назад, и на пляже он займет какие-то 0,0037 кубометра песка – объем кастрюли. А чтобы представить, сколько существует человек современного вида Homo sapiens, захватите с собой половник для супа – мы бы заняли на пляже всего 66 кубических сантиметров песка и 45 тыс. песчинок-лет. Наполните кастрюлю и половник песком и сравните их размеры с размерами пляжа. Можете даже посчитать число песчинок по числу ваших лет.

Докембрий – это почти вся история Земли. Несмотря на то что он несравнимо более велик по отношению к другим геологическим эпохам, изучен он из рук вон плохо. Это и понятно, ведь какие-либо артефакты такой давности крайне редки, как и сами докембрийские породы. И чем дальше в глубь времен, тем меньше «свидетелей». Так, осадочные породы самого первого геологического эона (отрезка времени, который объединяет несколько эр) – катархея или гадея, начавшегося с момента формирования Земли и закончившегося около 4 млрд лет назад, неизвестны вообще. Небольшая их часть найдена лишь в Гудзоновом заливе (Канада).

Что можно сказать о катархее? Очень мало. Из-за того что Земля после формирования вращалась быстрее, сутки в те дикие времена длились всего 10 часов, а огромная кривая Луна нависала над самым горизонтом. Кстати, о Луне. Она тоже появилась в катархее и, вероятно, стала результатом столкновения Земли с Тейей, планетой размером с Марс. На заре времен в Солнечной системе было неспокойно: повсюду шныряли астероиды и другие крупные небесные тела, оставшиеся от формирования планет. Удар прошел почти по касательной, разрушил незваную гостью и лишь небольшую часть Земли, обломки от которых стали вращаться на орбите и под воздействием гравитации сформировались в большое круглое тело – Луну, которая отныне попала в земной плен. Она вращалась на расстоянии всего 22,5 тыс. км, и до нее в те годы и впрямь можно было «дойти пешком» – сегодня нас разделяют 384 тыс. км. Наш верный спутник продолжает отдаляться от нас на 3,78 см в год. А еще из-за столкновения с Тейей Земля стала вращаться быстрее, и ее орбита наклонилась, поэтому у нас, в отличие от некоторых других планет, есть времена года.

Атмосфера в катархее была ядовитая, подпитываемая множеством вулканов, изрыгающих газ и магму. Никакого кислорода не было, зато была вода. Ученые полагают, что уже через 100 млн лет после «ДТП» с Тейей земная поверхность полностью стала водной: часть воды принесли с собой астероиды, а часть, вероятно, содержала материя самой планеты. Капли сливались в лужи, а те – между собой, пока не превратились в мелкий, теплый и очень соленый океан – как минимум в два раза солонее современного мирового. Помимо других причин, это связано с тем, что в теплой воде выделяющиеся из земной породы соли лучше растворяются. Суши, скорее всего, не было вообще – разве что считать ею небольшие пики вулканов из мягкого пористого базальта. Но это еще не суша: чтобы она сформировалась, нужен гранит, основа материков.

Как он появился – вопрос. Геологи говорят о сложных физико-химических процессах, часть которых известна, а часть – нет. Под воздействием тепла слой гранита становился все толще – так появились настоящие мелкие острова, которые, благодаря тектоническому движению плит, сливались в континенты. В отличие от современных, они были еще очень малы, и цвет их был не зеленым, а светло-серым из-за кварца и полевого шпата, составляющих гранит. Самый первый и самый спорный материк называют Ваальбара. Он мог существовать в период 3,6–2,8 млрд лет назад. Многие ученые не согласны с тем, что он был, ведь его наличие известно всего по двум кратонам (древним земным платформам), найденным в Южной Африке и в Западной Австралии. Главный соперник Ваальбары на роль «первого» – Ур, существование которого признают большинство геологов. Считается, что Ур появился 3,1 млрд лет назад и «дожил» до времени 200 млн лет назад. К нему принадлежали части современной Австралии, Южной Африки, Индии и Мадагаскара. Но, помимо Ура, стали появляться и другие материки: Кенорленд, Лаврентия, Колумбия и Родиния. Все эти суперконтиненты успели слиться и вновь разойтись в докембрийский период, и лишь Гондвана, появившаяся 542 млн лет назад, а также сменившая ее Пангея (300–175 млн лет назад) – это материки более поздней кембрийской эпохи, когда на планете уже существовала сложная жизнь.

Кстати, о жизни. Вернувшись в катархей, невозможно представить ее в таких условиях. А она была: именно характер молодой Земли стал основой для ее появления. Как это произошло – отдельная и сложная тема. Скажем лишь, что все ключевые узлы «загадки жизни» сегодня уже разгаданы и по частям воспроизведены в лабораториях, кроме создания самой клетки. Но то ли еще будет.

Жизнь появилась из неживой материи под воздействием ультрафиолета, электрических разрядов молний и других «погодных» катаклизмов, которые царили на планете на заре времен. А первыми органическими молекулами стали РНК (поэтому первые этапы жизни называют РНК-миром), из которых позже возникли одноклеточные организмы. Где именно это произошло? Вариантов много: в теплой луже, глубоководной впадине около вулкана, рядом с подводными щелочными источниками минеральных веществ. Но как сформировалась мембрана – «кожа» клетки, то, что ограничивает ее «внутренности» от внешнего мира? Поначалу, вероятно, РНК и белки ютились в микрополостях минералов и лишь потом обрели липидную оболочку. Она могла быть «изобретена» вирусами – еще одной ранней формой перехода из неживого в живое, либо органика могла изначально находиться в «первичном бульоне» – в так называемых коацерватных каплях. Вероятно, ДНК появилась уже после оформления органики в мембрану, но могла возникнуть и раньше. И где-то в эти темные катархейские времена на планете появился «Лука»: от английской аббревиатуры LUCA – last universal common ancestor – «последний универсальный общий предок». Следов его, конечно, не нашли, а вычислили по «уликам» – его существование вытекает из принципиального сходства всех живых существ и почти полной универсальности генетического кода. Как выглядел и что собой представлял LUCA? Сказать трудно. У него уже наверняка были ДНК и мембрана, но не такая, как у современных организмов, поэтому ученые предполагают, что он мог быть похож не на шар, как бактерии, а на блин. А еще вероятно, что таких организмов было много и они обменивались между собой обрывками генов.

Так Земля могла выглядеть около 650 млн лет назад в период, когда снег и лед покрывали большую часть, если не всю, поверхности суши и океанов. Мариноанское оледенение сделало Землю похожей на снежный шар. Фото: Walter Myers, www.fineartamerica.com

Архей, следующий эон в истории докембрия, начался 4 млрд лет назад и продолжался 1,5 млрд лет. Одно из главных его событий – образование в недрах Земли жидкого железного ядра 3,2–3,6 млрд лет назад (железо с поверхности планеты погружалось в ее глубины многие миллионы лет). Ядро создало магнитное поле, которое стало защищать планету от губительной солнечной радиации. Отныне жизнь могла не прятаться на глубине. Поэтому в качестве питания стал возможен фотосинтез (хотя ученые полагают, что он мог существовать и раньше). Именно из архея известны первые материальные следы живых существ. Они относятся ко времени около 3,7 млрд лет назад (хотя есть мнение, что эта цифра больше – 4,1 млрд). Ученые находят отпечатки «цепочек из шариков». К каким типам бактерий они относятся – неясно.

Зато ясно, что одними из первых простейших организмов, которые мы можем увидеть и сейчас, стали так называемые цианобактерии, только появились они чуть позже, – 3–2,5 млрд лет назад. Именно эти маленькие гении изобрели оксигенный фотосинтез – процесс, при котором выделяется кислород. Благодаря цианобактериям атмосфера начала наполняться этим животворящим веществом, что стало залогом появления сложной жизни. Как же выглядели эти «чудотворцы»? Примерно как сейчас. Правда, сейчас их очень мало – в основном их можно встретить лишь у берегов Австралии и в Карибском море. Их называют строматолитами.

Они представляют собой круглый склизкий камень на ножке, стоящий на мелководье. И таких камней – целые колонии. Слизь – это бактерии, состоящие из трех слоев. Наружный – фотосинтетики, получающие энергию и «еду» из солнечного света и воды. Отходы их жизнедеятельности – то, что достается среднему слою, где также живут фотосинтетики, которые питаются частично светом, доходящим и сюда, частично – тем, что упало им на «головы». Но и они выделяют отходы, которые получает третий, самый невезучий нижний слой. То, что они производят, не годится для питания, смешивается с водным осадком и превращается в минерал – камень строматолит. Этот слоистый булыжник очень красив на срезе, поэтому его используют в качестве поделочного материала. Верхний слой современных строматолитов дышит кислородом, а древние его выделяли. Но нижний слой «отщепенцев» и в те времена вынужден был научиться питаться кислородом, ведь его выделяли верхние слои. Поэтому именно эти «изгои» через сотни миллионов лет стали основой той жизни, к которой все мы принадлежим, – аэробами, существами, дышащими кислородом. Другим докембрийским бактериям и археям мы, вероятно, обязаны нашим основным запасам нефти и газа.

Строматолиты в национальном парке Глейшер (США). Фото: Rod Benson, www.epod.usra.edu 

В последнем эоне докембрия – протерозое, который начался 2,5 млрд, а закончился 541 млн лет назад, – кислород в атмосфере (выделяемый анаэробами), вступавший в реакцию с ультрафиолетом, формировал озоновый слой. Благодаря этому жизнь могла подниматься еще выше к поверхности, так как вредоносная солнечная радиация воздействовала на нее все меньше. Но этот процесс был долгим, поэтому протерозой – половина истории жизни на Земле – это сплошная тоска. Бактерии и археи уже появились, но ничего интереснее в течение 2 млрд лет природа не создала. Кроме одного – кислородного дыхания. Ведь для микроорганизмов тех времен кислород был ужасным ядом, который они выделяли. И в какой-то момент «яда» стало так много, что анаэробные бактерии начали массово вымирать, а те самые цианобактерии-отщепенцы, что умели питаться кислородом, обрели вторую и яркую жизнь. Яркую – потому что при окислении выделяется огромное количество энергии (чтобы убедиться в этом – подожгите лист бумаги), которую можно расходовать на что-нибудь полезное. Но пока это был лишь потенциал.

Реконструкция Charnia – древнего рода эдиакарской биоты в Музее наук в Тренто (Италия). Фото: Matteo De Stefano/MUSE, www.nl.wikipedia.org 

В протерозое появились первые грибы, но не подосиновики, а крошечные морские организмы, и первые малюсенькие водоросли-бактерии. И эти существа, вероятно, уже были ядерными, то есть эукариотами, к которым принадлежит вся живность на планете, кроме бактерий и архей.

Несмотря на это, жизнь и вправду могла прокрастинировать в таком виде, и не только не создать что-то более сложное, но и попросту вымереть. Ведь в те времена Земля переживала и яростные метеоритные атаки, и множество оледенений, одно из которых могло скрыть почти всю планету под километровым слоем льда. Этот период так и называют – Земля-снежок. Оледенение случилось 720 млн лет назад и продолжалось около 85 млн и было настолько мощным, что морозы на экваторе держались в районе от –23 до –43 °С. Но жизнь устояла, теплясь на глубине океанов, вблизи геотермальных источников и на вершинах гор.

Все самое интересное начало происходить во второй половине палеозоя – именно тогда появились первые многоклеточные макроорганизмы. Они имеют датировку 1,8–1,6 млрд лет назад и выглядят, как извилистые линии шариков. А живые существа давностью уже 1 млрд лет похожи на губку с сегментированным телом. Кто это был – водоросли, черви, грибы – неизвестно. И еще именно тогда жизнь изобрела… смерть. Ведь одноклеточные, по сути, бессмертны – они только и умеют, что делиться, поэтому любая современная амеба – это тот же самый индивид, что жил в докембрии! Другое следствие многоклеточности – появление пола и полового размножения.

Это самый старый ископаемый гриб, который ученые нашли на севере Канады. Грибам вида Ourasphaira giraldae примерно миллиард лет Фото: C.C. Loron/University of Liège, www.nytimes.com 

И лишь в самом конце протерозоя – в эдиакарии (635–541 млн лет назад) появились внятные сложные организмы, которые называют вендобионтами или эдиакарской фауной. И они – очередная загадка, потому что очень отличаются от того, к чему мы привыкли. Во-первых, вендобионты имели смещенную в шахматном порядке симметрию (все равно что наши левые руки и ноги находились бы выше уровня правых). Во-вторых, они обладали равномерным ростом: молодые особи выглядели совершенно так же, как и взрослые, и отличались лишь размером. В-третьих, у них не было следов органов пищеварения, движения, панцирей, зубов. Но в самом конце протерозоя эти существа создали-таки подобие этих органов. Они были полностью готовы к перерождению. Но это была уже другая – наша история.