Недоедание или переедание? Диагноз ставят атомы углерода

Черные крупинки углерода, найденные в породах Гренландии, — их возраст составляет 3,8 миллиарда лет, — вероятно, самые древние из известных следов жизни на Земле. Их обнаружили в толстых слоях глины, медленно скапливавшейся на дне первобытного моря. Сейчас пласты этой глины обнажились — их можно увидеть между кромкой ледяного щита и побережьем океана недалеко от города Готхоб на западном побережье Гренландии. Огромное количество микроскопических шариков графита в глине — это, по всей вероятности, останки бактерий, процветавших в воде, когда мир был молодым.


По мнению гренландца Миника Росинга, директора геологического музея в Копенгагене, эти крупинки демонстрируют разборчивое отношение живых существ к различным атомам углерода, основного жизненного элемента. Сегодня, когда бактерии и водоросли планктона в приповерхностном слое океана растут, поглощая растворенную в воде двуокись углерода, они предпочитают молекулы, содержащие обычные атомы углерода, углерод-12. Судя по всему, тяжелый углерод-13, который встречается довольно редко (из девяноста молекул двуокиси углерода лишь одна содержит этот изотоп), им не по вкусу.
Таким образом, получается, что в живых организмах содержится намного меньше углерода-13, чем в окружающем мире. В гренландских гранулах содержание тяжелого углерода было очень низким, и Росинг предположил, что его черные крупинки тоже некогда были живыми:

«Изначально наносы органического происхождения, включающие графитовые гранулы, могли более или менее постоянно складываться из планктонных организмов, оседавших с поверхности воды»[82].

В 1999 году Росинг продолжил свою детективную работу по выяснению характеристик «места происшествия» — древнего моря, где жили первые организмы. К 2004 году он и его коллега Роберт Фрей показали, что в древности морская вода, очевидно, содержала свободный кислород. На этот раз ключиком послужили следы свинца различных атомных весов, получавшегося в результате распада тяжелых радиоактивных элементов. Пропорции различных атомов свинца показывают, что 3,8 миллиарда лет назад уран присутствовал в морской воде, а торий — нет. Эти два элемента всегда выступают дружными компаньонами, пока не появляется кислород, в присутствии которого соли урана становятся растворимыми.
Можно сделать вывод, что в те времена замысловатые живые существа — бактерии — уже появились на планете. А некоторые бактерии начали использовать метод фотосинтеза, когда энергия солнечного света расщепляет молекулы воды, — и произошло это на миллиард лет раньше того срока, который некоторые эксперты отводят появлению фотосинтезирующих организмов. После расщепления водяных молекул водород соединяется с углеродом, создавая вещества, необходимые для производства энергии и строительства клеток, а молекулы кислорода утекают в окружающее пространство.
К тому времени, когда создавались древнейшие дошедшие до нас осадочные породы, жизнь на планете уже не была случайной гостьей или презренным мусором. Некоторые специалисты высказывали предположение, что ранняя жизнь полагалась не на солнечный свет, а на химическую энергию недр планеты — то, что можно наблюдать сегодня вблизи гидротермальных источников на океанском дне. Но картинка из Гренландии рассказывает нам о живых организмах, входивших в состав развернутой масштабной системы, вполне достойной называться биосферой — в том смысле, что поверхность Земли, а также области непосредственно над ней и под ней были полны жизни. Росинг нисколько не сомневался в правильности такого толкования древней жизни, и его убежденность только окрепла, когда он сопоставил результаты своих исследований углерода-13 и урана. «Что это доказывает? — задавал он риторический вопрос. — Только то, что не 3,7 миллиарда лет назад, а гораздо раньше Земля уже имела действующую биосферу»[83].
Несмотря на слабость юного Солнца, его свет нес в себе огромную энергию, необходимую для функционирования биологической системы. Именно с тех самых древнейших времен жизнь, питаемая Солнцем, стала главным участником геологического действа на планете. По мнению Росинга, признаки первородного континентального гранита не случайно обнаруживаются в тех же районах Гренландии, где отыскиваются и черные крупинки, указывающие на наличие жизни.
Погрузившись в историю едва ли не до истоков жизни, мы теперь можем пуститься в обратный путь, от прошлого к настоящему, и найти еще одну, столь же будоражащую воображение связь между космическими лучами и переменами в жизни как таковой. В течение своей долгой истории биосфера иногда процветала, а иногда приходила в упадок, словно раскачиваясь на гигантских качелях между обжорством и голодом. Для геолога, путешествующего по времени, атомы углерода-13, которые в первую очередь служат свидетельством прироста органики на планете, могут конспективно воспроизвести полную картину земной жизни — со всеми ее взлетами и падениями.
Гренландские крупинки, в которых оказалось крайне мало углерода-13, произошли от микроскопических морских растений, бактерий или водорослей, в процессе роста вбиравших в себя двуокись углерода из окружающей воды. Когда жизнь чувствует себя вольготно, морская вода заметно обогащается отвергнутым всеми тяжелым углеродом. Воспоминания об этом изобилии хранит известняк — древние карбонатные породы, вобравшие в себя двуокись углерода своего времени. В отличие от растений, увлеченных процессом фотосинтеза, раковины не столь разборчивы в отношении атомов углерода.
Независимо от того, был ли известняк образован морскими раковинами или получился в результате чисто химических реакций, он — в соответствии с пропорцией углерода-13, оставшегося в воде, — отражает общую активность морской жизни. Геофизики начали собирать данные об углероде-13 полвека назад, приступив к исследованиям тяжелого кислорода, или кислорода-18, в отложениях известняка. Кислород-18 должен был помочь ученым измерить температуры прошлого, и им было нетрудно одновременно собирать данные по углероду-13. Сначала исследователи не знали точно, о чем поведают им результаты. Вскоре они поняли, что углерод-13 дает им возможность заглянуть в прошлое и распознать перемены в общем состоянии жизни на планете — иными словами, понять, как изменялась продуктивность биосферы.
Каждый год на планете образуются миллиарды тонн нового органического вещества; исходя из этого, можно было бы ожидать, что жизнь наиболее продуктивна во времена теплого, благодатного климата. Однако это не так. Пиковые значения углерода-13 говорят о том, что самая высокая продуктивность биосферы за последние 500 миллионов лет пришлась на последнюю часть каменноугольного периода, то есть 300–320 миллионов лет назад. Тогда Земля как раз наведалась в рукав Наугольника, интенсивность космических лучей была высока, и на континенты наползли обширные ледяные щиты.
Почему же тогда должна была благоденствовать жизнь? Возможно, по тем же причинам, что и в сегодняшнюю ледниковую эру. Температурный контраст между теплыми тропиками и заледеневшими полюсами создает сильные ветры и стремительные океанские течения, и их воздействие на жизнь Земли заметно даже из космоса. Спутники могут оценить продуктивность жизни на морской поверхности, измерив количество содержащегося там хлорофилла. Они наблюдают огромные площади субтропических океанов, где на каждый квадратный километр приходится гораздо меньше жизни, чем в штормовых средних широтах и субполярных морях, поверхность которых лучше пополняется необходимыми питательными веществами, например, фосфором. Для более спокойных периодов в истории Земли характерен недостаток питательных веществ, и это ограничивало развитие биосферы — полнота жизни хотя и сохранялась, но была все же весьма умеренной.
Неудивительно, что для карбонатных пород, формировавшихся во время эпизодов «Земли-снежка», то есть в периоды, отделенные от нас 2300 и 700 миллионами лет, свойствен чрезвычайно низкий уровень углерода-13: в те холодные времена наземный лед практически остановил процесс фотосинтеза и мертвые организмы возвращали природе накопленный ими углерод-12. Но эти времена упадка жизни перемежались взрывами яркого и бурного роста. Когда бы ни наступал перерыв в чрезмерном оледенении, жизнь в море тут же энергично восстанавливалась. Помимо того что при этом высвобождаются питательные вещества (не важно, в каменноугольный период или в наши дни), происходит обогащение органического материала соединениями углерода за счет необыкновенно высокого уровня углекислого газа, — именно это, возможно, подстегивало рост жизни в паузах между эпизодами «Земли-снежка».
Эти ремарки к драме жизни, вписанные атомами углерода, заставили Свенсмарка по-новому взглянуть на миллиарднолетнюю историю переменчивой фортуны нашей планеты. Оказалось, что звездное окружение Земли в Млечном Пути не только решает, куда должна крениться продуктивность океанской жизни — в сторону изобилия или в сторону скудости, но и задает наклон этого крена.