«Кислородные горки» перевели земную жизнь на следующий уровень

По последним данным, самые ранние следы жизни на нашей планете не моложе 4,1 миллиарда лет, и, возможно, даже 4,28 миллиарда лет. Значит, возникла она крайне быстро: возраст самой Земли всего четыре с половиной миллиарда лет. Однако после этого изменения на планете шли очень медленно. Фотосинтезирующие организмы наработали в заметных количествах кислород лишь через полтора с лишним миллиарда лет своего существования. Затем его концентрация медленно поднималась, но, несмотря на это, признаков сложной жизни было очень немного.

Около 2,1 миллиарда лет назад появилось нечто подобное: грипания спиральная. Это примерно сантиметровый организм, который часто называют самым древним многоклеточным (бактерии таких размеров все же сомнительны). Многие ученые считают, что это и есть древнейший эукариот — так называют организмы типа нас с вами, произошедшие из клеток архей, которые когда-то «захватили» бактерию, отчего были вынуждены образовать сложные, но полезные приспособления типа клеточного ядра.

Но грипания, однажды появившись, практически не эволюционировала. Ее находят и в пластах древностью 2,1 миллиарда лет, и в слоях 0,9 миллиарда лет. Без заметных изменений: видимо, первое многоклеточное так хорошо устроилось, что ему не нужно было ничего менять. Неудивительно, что период до 0,8 миллиарда лет в науке называют «скучным миллиардом» или «средними веками Земли». Там просто ничего не происходило: климат равномерно теплый, виды очень похожие, эволюция будто замерла.

Возникает вопрос: а что случилось потом? Отчего за последние 800 миллионов лет возникли такие организмы, как животные (Animalia), к которым относимся мы? Наземные растения, без которых сухопутные животные могли бы влачить только самое жалкое существование и никогда не стали бы разумными? Отчего от медленного шага эволюция вдруг ускорилась до натурального спринта? И почему почти спала до тех пор?

Американские горки

Новая работа, вышедшая в журнале Science, существенно проясняет ответ на этот вопрос. Анализируя соотношение изотопов углерода за последние полтора миллиарда лет, ее авторы показали, как в этот период менялось содержание кислорода в воздухе. И это изменило всю картину.

На первый взгляд кажется странным, как изотопы углерода вообще могут быть связаны с уровнем кислорода. Все дело в том, что фотосинтезирующим организмам проще захватывать из окружающей среды более легкие атомы углерода, то есть изотоп углерод-12. Углерод-13 для них «мусор», и такие организмы всю свою жизнь «мусорят», оставляя в осадочных породах вокруг себя повышенную концентрацию углерода-13. Ориентируясь на объем «углеродного мусора», можно довольно точно оценить общий объем фотосинтетической активности в ту или иную эпоху.

И такой анализ показал: от миллиарда до 500 миллионов лет назад уровень кислорода в атмосфере непрерывно менялся. Причем в очень широком диапазоне — от одного до 60 процентов от современного уровня. Это значит, что в считанные сотни миллионов лет Земля была то «кислородной» планетой, с содержанием кислорода в воздухе как сегодня на пяти километрах (дышать можно, но только после адаптации), то фактически бескислородной, с концентрацией кислорода всего 0,2 процента. Первая концентрация может поддерживать сложную жизнь известных нам типов, а вторая — нет.

Например, 750 миллионов лет назад, когда на Земле существовала сложная «хайнаньская биота» (из червеобразных животных), кислорода в воздухе было 12 процентов. А вот в последующие три десятка миллионов лет содержание кислорода резко упало до 0,3 процента (в полсотни с лишним раз ниже, чем сейчас). Неудивительно, что хайнаньской биоте пришел конец. Многоклеточным организмам легко жить при низкой концентрации кислорода, только если они сами его производят (как, видимо, поступала грипания спиральная, о которой шла речь выше). В противном случае обеспечивать клеткам «в середине организма» дыхание становится далеко не так просто: «прокачка» туда кислорода превращается в энергетически сложную задачу.

Но и это еще не все. Самое загадочное в том, что, судя по работе, с началом криогения — геологического периода, когда Земля дважды полностью покрывалась льдами, вплоть до экватора — на планете случилась настоящая «кислородная контрреволюция». От 12-процентного содержания кислорода до криогения не осталось и следа.

Даже когда оледенение закончилось и Земля «разморозилась», уровень кислорода в воздухе не превышал четырех процентов. Причем на этом уровне он оставался весь кембрийский период (539-485 миллионов лет назад) и даже ордовикский (485-444 миллиона лет назад).

Между тем именно в кембрии жизнь испытала резкий всплеск разнообразия сложных форм: появились и распространились трилобиты и масса другой многоклеточной живности. Выходит, все они существовали в условиях жуткой нехватки кислорода, где мы не смогли бы прожить и нескольких минут?

И здесь удивительные выводы из новой работы только начинаются. Сразу возникает еще вопрос: а как это вообще получилось? До 920 миллионов лет назад резких колебаний содержания кислорода было мало, а потом вдруг вот такое? За счет чего? 

Действие равно противодействию

Наиболее вероятный ответ на этот вопрос дает хронология. Два крупных пика в содержании кислорода — 750 и примерно 660 миллионов лет назад — случились прямо перед двумя крупнейшими оледенениями, которые и составили криогений. Это стертское (715-680 миллионов лет назад) и марианское (650-635 миллионов лет назад) глобальные оледенения.

От привычных нам оледенений, при которых жили наши предки, эти два отличаются как современные динозавры из группы манирапторов (то есть птицы) от своих предков из мезозоя. Общего очень много, но древние аналоги бывали несопоставимо крупнее. Суша в криогении была представлена континентами в низких широтах, у экватора. Наличие там следов сплошного оледенения указывает на то, что льдом была покрыта вся планета.

Лед отражает около 90 процентов энергии лучей нашей звезды, поэтому такие глобальные оледенения не таяли раз в несколько десятков тысяч лет назад, как привычные роду Homo плейстоценовые, а были угнетающе стабильными: длились десятки миллионов лет. Чтобы завершиться, им нужно было долго и упорно ждать, пока извержения вулканов насытят атмосферу таким большим количеством углекислого газа, что он снизит теплопотери планеты до очень малых значений.

Пока такой процесс шел, с фотосинтезом само собой было напряженно. Водоросли под толстым слоем льда просто не могут синтезировать кислород: света ведь нет. На суше, покрытой километровым ледовым щитом, тоже особо не пофотосинтезируешь. Какие-то микроводоросли на поверхности ледников существовать могли, подобно тем что придают красный цвет современным льдам. Но из-за нулевого доступа к минералам земной коры у них должен был быть вечный дефицит микроэлементов. Не удивительно, что концентрация кислорода падала до 0,3 процента.

Оледенения эти в известном смысле были продуктом тех же сил, которые создавали избыток кислорода в атмосфере 750-800 миллионов лет назад. Очевидно, что резкий рост, который виден на графике из работы, появился из-за бурного размножения какой-то группы фотосинтезирующих организмов. И что же это за организмы?

Ответить на этот вопрос сложно. Самая активно кислородопродуцирующая группа сегодня — прохлорококки (Prochlorococcus), крайне специфические цианобактерии диаметром всего 0,5-0,7 микрометра (да, не миллиметра). Организм архиважный, потому что он дает 20 процентов всего кислорода воздуха. Но вот открыли его только в 1986 году, меньше 40 лет назад — просто потому что он слишком маленький. Разумеется, долговечной твердой оболочки у него нет, и если он и существовал 750-800 миллионов лет назад и «несет ответственность» за вспышку фотосинтеза, сделавшего Землю тогда впервые по-настоящему кислородной, то об этом никак нельзя узнать.

Прохлорококки вряд ли существовали всегда. Потому что их слишком уж много — миллиард миллиардов миллиардов (октиллион) — и за счет этого они неизбежно поменяли бы состав атмосферы. Здесь важно понимать вот что: кислород производит очень много организмов, но во многих экосистемах продукция кислорода примерно равна его расходу. Например, в земных джунглях растения сначала производят О₂ при жизни, а потом поглощают его после смерти (за счет гниения остатков и других процессов). Прохлорококки производят много кислорода, но живут в олиготрофной, то есть бедной питательными веществами среде. Так что потреблять выработанный ими кислород там особо некому. А в случае гибели их остатки просто тонут, и кислород на окисление останков не расходуется.

Так что не исключено, что именно деятельность прохлорококков и «запустила» все эти кислородные «американские горки». Впрочем, фотосинтетиком-революционером — а «окислороживание» атмосферы действительно стало биологической революцией — могла быть и какая-то другая группа организмов.

Но, как известно, действие равно противодействию. Поглощая углекислый газ и делая из него кислород, загадочный фотосинтетик-революционер делал парниковый эффект на Земле все слабее и слабее. До какого-то момента это не было значимо. До среднепланетарных +17…+18 градусов в воздухе так много водяного пара, что оледенения не наступают. Ведь водяной пар тоже отлично поглощает инфракрасное излучение и не дает поверхности планеты переохлаждаться.

Однако как только средние температуры падают ниже этого порога, водяной пар над полюсами практически исчезает из воздуха. Ведь на морозе его концентрация падает в десять и более раз: чем холоднее воздух, тем меньше влаги в нем содержится. Тут-то и начинается оледенение: теряя тепло через приполярные области, планета стремительно покрывается льдом. Лед отражает солнечные лучи в космос, отчего оледенение ускоряется… в итоге в криогении Земля стала планетой-снежком.

Дальше, по уже упомянутому сценарию, она десятки миллионов лет снова копила углекислый газ, а затем снова разморозилась. Но, как видно на графике из новой работы, после стертского оледенения загадочные фотосинтетики-революционеры снова резко нарастили концентрацию кислорода в воздухе. После чего снова началось оледенение — марианское.

После него скачки стали заметно слабее. Ни подъемов до 10-12 процентов кислорода в воздухе, ни провалов ниже процента уже не видно. Что характерно, тут начался и эдиакарский взрыв биоразнообразия, и, чуть позднее, кембрийский. Получается, что-то стало тормозом на вагончике земной жизни (или кто-то). 

И этот тормоз сделал подъем и спуск на кислородных «американских горках» далеко не таким стремительным и жестким, как раньше. Видимо, поэтому и глобальные оледенения исчезли: откуда им взяться, если некому быстро превратить огромные массы СО₂ воздуха в О₂, лишая Землю согревающего «одеяла»?

Сложная жизнь как итог череды катастроф?

Из всего этого вырисовывается неожиданная картина. Более ранние идеи о том, что для эволюции жизни во что-то сложное нужны тепличные, устойчивые условия, кажется, не выдержали испытания фактами. Налицо обратная картина: резкие колебания в биомассе фотосинтетиков «раскачали» мир так сильно, что он полностью (и не раз) окутывался ледяным панцирем. Несомненно, это означало массовое вымирание видов: под толщей льда большого биоразнообразия не бывает. Но не менее несомненно и то, что из горнила двух глобальных оледенений жизнь вышла несравненно более развитой. Эдиакарской, а потом и кембрийской.

Что могло стать спусковым крючком взрыва биоразнообразия? Бурное размножение каких-то фотосинтетиков создало уникальные возможности для организмов, которые этих фотосинтетиков могут есть. По современным представлениям, это могли быть роющие организмы, внезапно массово появившиеся в кембрии. Ископаемых следов от них мало, так что, как именно они выглядели, мы можем только гадать (предполагается, что они были или похожи на червей с экзоскелетами, или были разновидностью примитивных моллюсков). Чтобы знать наверняка, нужны раскопки и много везения. 

Но вполне вероятно, что именно бурное размножение тех, кто поедал фотосинтетиков, не давало им вновь размножиться до такой степени, чтобы заморозить Землю. На это косвенно указывает то, что после начала кембрийского взрыва биоразнообразия намного реже начинают встречаться строматолиты: каменные остатки от цианобактериальных матов — пленок, насыщенных цианобактериями. Ученые считают, что это из-за того, что возникло много поедающих строматолиты организмов, которых раньше не было. 

На это же указывает и другой факт: после ордовико-силуйриского и пермского вымираний строматолиты на короткое время вновь становятся частыми (ведь те, кто их ел, почти вымерли). Но при восстановлении биоразнообразия сложных форм жизни строматолиты снова отступают. Сегодня строматолиты можно найти в основном в местах, где слишком соленая вода или постоянная резкая смена солености: там сложные организмы выживают с трудом, поэтому поедать цианобактериальные маты просто некому.

Несмотря на относительную стабильность, принесенную любителями поесть ранние морские растения, мир кембрия и ордовика все еще оставался, мягко говоря, неуютным. Содержание кислорода на графике из работы таково, что сложные наземные организмы там были практически исключены. «Душновато» — это самое мягкое определение атмосфере, где кислорода — как сегодня на вершине Эвереста.

Чтобы создать мир современный, с совсем сложной биотой, нужен был еще один шаг. Где-то около 450 миллионов лет назад он и случился: растения вышли на сушу. Здесь все было во многом сходно. Вскоре после массовой колонизации суши зелеными растениями на Земле опять начался ледниковый период, хотя и не такой жестокий, как в криогении. Ордовикско-силурийское массовое вымирание 443 миллиона лет назад случилось после появления следов массовой колонизации растениями прибрежных зон. Возможно, и здесь бесконтрольное размножение фотосинтетиков, для которых на суше еще не было врагов, стало причиной и быстрого роста содержания кислорода в воздухе, и весьма энергичного похолодания. Ведь СО₂, из которого растения строят свои тела и делают кислород, явно должен был тогда пойти на убыль.

Что стабилизировало экосистемы наземных растений, завершивших кислородную революцию на Земле и поднявших концентрацию О₂ до современных значений? Вероятно, то же, что и стабилизировало до этого морские экосистемы: массовое появление организмов-веганов, способных есть наземные растения. В конечном счете из этих самых организмов возникли и мы.

Уроки на будущее

Авторы новой работы полагают, что из нее следуют выводы, ценные не только в случае Земли, но и для поиска жизни на экзопланетах — вне Солнечной системы.

Во-первых, отмечают они, идея, что на нашей планете был только один резкий переход от бескислородной к кислородной атмосфере — кислородная катастрофа 2,45 миллиарда лет назад, теперь явно устарела (впрочем, эту идею много критиковали и раньше). Выходит, что после нее мир получил лишь один-два процента кислорода в воздухе. Дальше его уровень потихоньку рос, пока 0,8 миллиарда лет назад не начались резкие скачки в уровне кислорода — описанные выше «американские горки».

Из этого следует, что экзопланеты с примерно земным климатом, но без следов значительного содержания О₂ в атмосфере, совсем не обязательно лишены сложной жизни. Напротив, отмечают авторы, на нашей планете сложные формы жизни появились на фоне как раз весьма невысокого содержания кислорода в воздухе. Получается, что только после появления постоянной земной растительности О₂ в воздухе может стать столько, сколько мы его имеем на Земле. Иными словами: установив экзопланету с «нашими» температурами, но другим составом атмосферы, нужно продолжать искать на ней вещества — маркеры жизни, а не сдаваться, считая, что она мертва.

Во-вторых, полагают исследователи, открытые ими «американские горки» могут указывать на то, что для развития сложной жизни необходимы не стабильность и устойчивость, а резкие изменения, уничтожающие старые доминирующие виды и дающие возможности продвинуться новым. Не столько биоклиматический «мир», сколько «война».

Последний вывод, однако, трудно назвать бесспорным. Как мы отметили выше, оледенения криогения подозрительно совпадают с эпохами сразу после достижения высокого уровня кислорода. Сами по себе, без живых организмов, уровни О₂ и СО₂ на Земле резко колебаться не могут. Следовательно, те самые резкие изменения, которые обнаружили авторы работы, могут быть не столько условием для эволюции сложной жизни, сколько результатом эволюции той жизни, что появилась до этой «сложной». 

И тогда мы по-прежнему не знаем, что на самом деле требуется для взрывного развития сложных многоклеточных организмов: устойчивость или нестабильность. Вполне может быть так, что внешняя устойчивость нужна, чтобы породить со временем группу активно нарабатывающих кислород водорослей. А последующая нестабильность — неизбежный результат деятельности таких водорослей.

И все же добавим. Если авторы работы правы и без нестабильности сложная жизнь не возникает, то планеты вокруг красных карликов вполне могут оказаться владельцами пусть и продуктивной, но очень простой биосферы. Такой, какая была на Земле в «скучном миллиарде»: с низким содержанием кислорода, небольшими размерами организмов и полным отсутствием сложных наземных видов. И животных, и растений.

Все это потому, что на мирах вокруг красных карликов не может быть оледенений. Более 90 процентов их излучения приходится на инфракрасную часть спектра, а не на видимый свет, как у Солнца. Лед отражает видимый свет, а ИК-излучение не отражает. То есть оледенения на планетах красных карликов не могут сковать ранее теплый мир. А значит, резкие колебания содержания кислорода вниз там невозможны: нет глобальной ледовой шапки, способной «придушить» фотосинтезирующие организмы.

Если так, то эта научная работа имеет действительно глобальную значимость. На красные карлики приходится не меньше трех четвертей планет земных размеров в нашей Вселенной. Если их климатическая стабильность сделала их носителями «медленной эволюции», то такие миры — неплохой объект для колонизации. Правда, только после завоза туда наземных растений-колонистов. Но вряд ли там стоит рассчитывать встретить собственную туземную цивилизацию.