Чудеса случаются не против Природы,
а против того, что мы знаем о Природе.
Блаженный Августин
Что было раньше и курицы, и яйца ? Первые существа и первые созданные ими вещества. Можно ли прожить без сообщества? Кто и что написал на каменных страницах? Создатели озонового щита родины.
ПРОТЕРОЗОЙСКИЕ МОРСКИЕ ОРГАНИЗМЫ |
Чтобы рассказать о том, что было задолго до курицы и яйца, мне пришлось бы
завести читателя в такие научные дебри, откуда не каждый способен выбраться.
Поэтому для особо любопытных в конце книге прилагается дополнительная глава,
в которой повествуется о самых далеких от нас временах. Всем же прочим предлагается
начать с этой главы или сразу обратиться к «Краткому содержанию», завершающему
сей опус. А для тех, кто будет засыпать над книгой,
в конце глав дописаны «сказки старого палеонтолога», чтобы лучше спалось.
Сейчас речь пойдет о геологически достоверных временах, которым в истории Земли
предшествовал довольно длительный период. Тогда на Земле и вне ее существовало
столько возможностей для зарождения жизни, что она не могла не появиться. Нужен
был ускоритель для сборки сложных химических соединений и отбраковщик излишков.
Эту роль могли сыграть минералы. Участие минеральных кристаллов могло ускорить
возникновение жизни, и весь путь от неживых организмов до живых носителей информации
— генов — мог оказаться весьма коротким (в геологическом масштабе времени,
конечно), то есть осуществимым на Земле. Даже если предположить, что живые
организмы возникли на Земле около четырех миллиардов лет назад, оставшихся
полмиллиарда лет для «кристаллизации» неживых организмов вполне достаточно.
Если невероятное все же случилось, не лучше ли считать его неизбежным?
Во всяком случае, жизнь на Земле существует, потому что на Земле существует
жизнь. Это не парадокс. Это реальность. Не будь на Земле живых существ, планете
была бы уготована участь ядовитой парилки, как Венере, или остывшего пустынного
тела, как Марсу. Не сразу биологические процессы взяли верх над геологическими
в созидании планетных оболочек — газовой (атмосферы), жидкой (гидросферы) и
отчасти твердой (земной коры.) Новые и новые поколения организмов сменяли друг
друга, пользуясь тем, что произвели предшественники, и, в свою очередь, преобразуя
Землю для потомков. Вот как это было.
Древнейший период земной летописи так и называется — древнейший
(по-гречески — архей.) Он начался около 4 млрд
лет назад и закончился 2,5 млрд лет назад. Нижний временной рубеж архея установлен
по возрасту первых осадочных пород (переотложенные минералы бывают и старше).
Кстати, эти минералы (крошечные зерна циркона) подсказали, что 4,4 млрд лет
назад Землю уже покрывала водная оболочка, а температура воздуха над ней не
превышала 200 °С. (Вскипанию воды препятствовало высокое давление.)
Вплоть до середины XX века любые открытия остатков жизни в архейских породах
не воспринимались всерьез. Считалось, что если хороши ископаемые, то неправильно
определен их возраст. Если же возраст верен, то сами ископаемые сомнительны.
Но если совсем все сходится, то, значит, дело обстоит гораздо хуже и ископаемые
просочились из молодых, неархейских пород.
Наделе чуть ли не первые сохранившиеся горные породы (возрастом 3,86 млрд лет)
несут в себе следы признаков жизни (или признаки следов), то есть те самые
«особые» изотопы. Так, в древнейшем графите (породе, сложенной углеродом) соотношение
устойчивых изотопов углерода (13С/12С) сильно сдвинуто в пользу легкой разновидности
этого элемента и наоборот, вмещающие породы сохранили изрядное число тяжелых
изотопов. Так раскидать изотопы могли только какие-то фотосинтезирующие бактерии.
А теперь о фотосинтезе. Фотосинтезом называют преобразование (греч. «синтезис»)
бактериями и растениями энергии света (греч. «фотос») в органические вещества.
Благодаря этому явлению процветают все растительные организмы.
Одним из признаков живой материи — от бактерий до человека — служит поиск легкой
жизни. И при фотосинтезе из обращения изымается более легкий изотоп углерода.
Он скапливается в органическом веществе (которое со временем может стать графитом).
Среда, наоборот, обогащается более тяжелым изотопом, что практически навечно
запечатлевается в осадке. Заметив такую изотопную разницу, можно не сомневаться,
что во время накопления осадка водная среда кишела существами, способными к
фотосинтезу. Даже основательный нагрев (до температуры 500 °С при давлении
в 5000 атмосфер) не в силах изменить первичное соотношение изотопов.
Столь древние находки фотосинтезирующих бактерий не вполне отвечают общепринятым
взглядам на древнейшую историю организмов. (Впрочем, «общепринятыми» и принято
называть взгляды, менее всего соответствующие фактам.) Согласно таким взглядам,
сначала объявились бактерии, способные не дышать кислородом и при этом питаться
практически чем угодно, но в готовом виде. Затем возникли микробы, которые,
подобно нам, потребляют кислород. Наконец подключились фотосинтетики. На роль
первых вроде бы неплохо подходят архебактерии.
Само название «архебактерии» (древние бактерии) призвано подчеркнуть, что они
существуют очень давно и столь же отличаются от настоящих бактерий (эубактерий),
сколь бактерии от эукариот. К последним относимся и мы с вами. Слово «эукариоты»
(греч.) означает «настоящие ядерные организмы», поскольку у них в клетках есть
ядро — сосредоточие хромосом, несущих гены. У прокариот (архебактерии и эубактерий)
ядра нет и гены находятся в кольцевой хромосоме, лишенной собственной оболочки.
Архебактерии способны выживать при сильной солености, повышенной кислотности,
высоких температурах (до 113 °С) и в отсутствии кислорода. Например в кипящей
серной кислоте. По своей выносливости они идеально подходят на роль пионеров,
осваивавших безжизненную планету.
Есть только одно но: архебактериям требуется органическое вещество. Однако
это но перевешивает все остальное. Ведь надо, чтобы это органическое вещество
кто-то производил, поскольку каннибализм у них исключен. (Это черта более высокоорганизованных
форм жизни.) И какую группу бактерий ни возьми, им нужны другие бактерии, которые
готовили бы для них обед, завтрак и ужин. Замкнутый круг какой-то получается,
или круговорот. Круговорот хотя бы основных, насущных элементов и обеспечивает
существование жизни в виде устойчивого сообщества. Очевидно, что курица не
может появиться раньше яйца. Они могут возникнуть только одновременно. Таким
же образом любую ветвь бактерий трудно вообразить без всех прочих.
Сообщество, где все организмы выполняют одну работу — только производят или
только потребляют, — невозможно. Прасообщество состояло по крайней мере из
производителей и разрушителей.
Работа распределяется между членами бактериального сообщества примерно таким
образом. Цианобактерии непосредственно из атмосферы усваивают углерод (на свету)
и азот (в темное время суток.) Используя солнечную энергию, они создают органическое
вещество. Попутно выделяется кислород. Конечный объем органического вещества
не может превышать объем разложенного. Иначе все ресурсы быстро исчерпаются.
Поэтому в дело вступают другие бактерии — гидролитики (греч. «растворяющие
водой»). Они растворяют и разлагают отмершую органику до состояния простых
соединений (углеводов; газов, включая водород, углекислый газ, метан, сероводород;
уксусную кислоту и др.). Эти соединения нужны сероводородобразующим бактериям,
которые восстанавливают сульфаты (соли серной кислоты) и серу. Попутно они
возвращают фотосинтетикам исходные вещества. Серный круговорот замыкают другие
серные эубактерий. Из-за продуктов бескислородного разложения (водород и уксусная
кислота) соперничают сероводородобразователи и метанообразующие архебактерии.
Производимый последними метан требуется метанокисляющим эубактериям.
Следы бактериального сообщества встречаются уже в нижнеархейских отложениях
на северо-западе Австралии, в Пилбаре. Откуда мы можем это знать? С помощью
биомаркеров, которые показывают, кто на самом деле жил в далеком архее. Органические
породы из Пилбары, которым 2,7 млрд лет, сохранили биомаркеры цианобактерий
и предков эукариот. Прослои железной руды, возможно, отложили железобактерии.
В отсутствии сероводородобразующих бактерий (свидетельства их деятельности
проявились только в протерозое) главными потребителями цианобактериальной продукции
могли стать метанообразующие архебактерии, привычные к отсутствию кислорода.
Они не только производили пищу для своих метанокисляющих противников, но и
наполняли этим газом атмосферу.
По тем временам метан был для Земли куда важнее кислорода. Ведь солнце накалялось
от силы на треть. И атмосфера должна была быть достаточно теплоемкой, чтобы
не дать планете раз и навсегда замерзнуть. Основным теплоизолятором мог стать
углекислый газ или метан. Метан лучше, чем углекислый газ, держит тепло и вполне
годился на роль первичной теплоизолирующей оболочки.
Не будь ее, не нашли бы в архейских отложениях остатки древнейших существ.
И искать бы было некому. Обнаружить в архейских слоях возрастом 3,5 — 3,3 млрд
лет можно исключительно микроскопические и простые шарики да ниточки. Одни
бактерии по форме совершенно не отличимы от других. Лишь характерное соотношение
изотопов углерода проясняет цианобактериальную природу некоторых окаменелостей.
Подобные шаровидные и нитчатые ископаемые просматриваются на прозрачных срезах
кремнистых слойков.
Некоторые нитчатые разновидности (0,008 — 0,011 мм в поперечнике) состоят из
дисковидных клеток. Такие длинные узкие бактерии и сейчас сине-зеленой пленкой
затягивают поверхность стоячих водоемов. Нити всегда немножко колеблются (отсюда
и их название осцилляториевые — от лат. «качающиеся»). Покрытые единой
оболочкой скопления шариков, каждый из которых всего несколько сотых миллиметра
в поперечнике,
похожи на колонии других цианобактерий.
Трудно даже вообразить, каково приходилось в архейское время этим шарикам и
ниточкам. Мы почти ничего не знаем об атмосферных газах, температуре воды на
архейских курортах, составе этой воды, сколько ее вообще было (море, океан
или очень большая лужа?). Иногда удается выяснить, что находилось в той или
иной части планеты. Но можно ли это распространять на всю планету?
Раннюю истории Земли можно представить по-разному.
Можно предположить, что, потеряв первичный водород (Н2) и гелий (Не), атмосфера
наполнилась углекислым газом (СО2), азотом (N2), сернистым газом (SO2), парами
воды (Н2О) и даже свободным кислородом (О2). Или что первичная атмосфера не
содержала кислорода и состояла в основном из водорода, азота, метана (СН4),
аммиака (NH3), сероводорода (H2S), угарного газа (СО) и других ядовитых и дурно
пахнущих веществ. Нечто подобное наблюдается на Титане (спутнике Сатурна) с
азотной атмосферой, чуть разбавленной метаном, этаном (С2Н6), этиленом (С2Н4),
ацетиленом (С2Н2), водородом и угарным газом. Она очень похожа на газовую смесь,
из которой в колбах получают органические вещества.
В нижнеархейских (3,55 — 3,2 млрд лет возрастом) породах Пилбары встречаются
прослои сульфатов. Для их образования необходимы углекислый газ, вода и некоторое
количество кислорода. В отложениях того же возраста в Северной Америке и на
юге Африки присутствуют железные и урановые руды с сульфидами (солями сероводородной
кислоты.) Их наличие, наоборот, свидетельствует о бескислородной атмосфере.
Эти различия означают, что в разных частях планеты уже в раннем архее существовали
водоемы с непохожими условиями. В них и жизнь была разной. Посреди водоемов
располагались небольшие вулканические острова (немного похожие на сегодняшнюю
Исландию). Одним из таких островов была австралийская Пилбара. Поверхность
Пилбары лишь чуть-чуть приподнималась над уровнем воды и затоплялась во время
лунных приливов. Приливы были гораздо выше, чем сейчас, поскольку Луна была
ближе. Земля вращалась быстрее, и дни были короче. В такой — то осушаемой,
то изрядно увлажняемой — обстановке, среди потоков лавы существовали первые
земные сообщества. Это были сообщества бактерий.
В сообществе бактерий, как и в людском обществе, есть определенные слои. Такое
«расслоение» запечатлелось в архейских породах Австралии и Африки в виде строматолитов.
Правый берег реки Юдомы, что течет от Охотского моря в реку Маю и, влившись
в нее, далее в Алдан, обрывается розовыми и серыми скалами. Если удастся превозмочь
собственную лень, убаюкивающую в нагретой солнцем резиновой лодке, плавно покачивающейся
на голубовато-зеленой стремнине, можно подплыть поближе. Чтобы высадиться среди
серовато-рыжих от лишайников угловатых глыб, нужно в несколько хороших взмахов
весел преодолеть отбойное течение. Перескакивая с одного валуна на другой,
можно подобраться к одной из промоин в скале. Промоина выбирается неслучайно.
В ней восходящий ветерок сдувает назойливых кусачих тварей, а вода за тысячи
лет очистила поверхность горной породы до ослепительной белизны. На белом от
времени каменном полотне, снизу до самой вершины, откуда с пятисотметровой
высоты свисают витые стволы кедрового стланика, проступают тончайшие полосы.
Иногда они плавно выгибаются, иногда морщатся мелкой складочкой или распрямляются
в ровные линии. Не только на сибирской речке Юдоме, но и во многих уголках
планеты так выглядят отложения позднеархейского и протерозойского возраста.
Более всего архейские и протерозойские главы ископаемой летописи Земли напоминают
пачки гигантских, как бы покоробившихся от времени страниц. Этими каменными
страницами являются строматолиты. Строматолиты, что в переводе с греческого
означает «ковровые камни», это бугристые,
полосатые (но не вдоль, а в толщину) породы, которые могут состоять из карбонатных,
фосфатных или кремнистых минералов. Даже в середине XX века в органическое
происхождение строматолитов мало кто верил. Лишь в 1960-е годы в австралийском
заливе Шарк-Бее были открыты современные строматолиты, после чего появились
и другие описания, тем не менее строматолитов осталось очень мало.
Определяющий признак строматолитов — тонкая слоистость — итог попеременной
деятельности различных бактерий, если строматолиты озерные и лагунные; или
водорослей и бактерий, если строматолиты морские. Последние имеют более грубую
слоистость и вырисовались сравнительно недавно, в кайнозойскую эру. В кислой
среде горячих источников и гейзеров среди образователей кремнистых строматолитов
замечены грибы (конечно, микроскопические).
Самые тонкие слойки — не толще отдельной нити в тысячную долю миллиметра. В
каждом слое преобладает свой газовый режим и пигмент. Пигменты (лат. «краски»)
— окрашенные вещества. В зависимости от своего цвета они воспринимают световые
волны определенной длины.
Например, пигмент-хлорофилл (греч. «зеленый лист») придает листьям, а также
некоторым водорослям и бактериям зеленую окраску. Хлорофилл особенно чувствителен
к световым волнам средней длины, которые беспрепятственно проходят сквозь земную
атмосферу и верхние метры водной толщи. Поэтому все наземные растения и большинство
мелководных — зеленые. Коротковолновый голубой свет проникает до глубины в
200 м (в чистой воде). Водоросли, которые живут на таких глубинах, должны иметь
восприимчивые к нему красные пигменты.
Согласно законам разложения белого света, бактерии распределяются в своем сообществе
и его полосатость становится Цветной — зелень цианобактерий сменяется пурпуром
серных эубактерий, ниже следует полоса изумрудно-зеленых несерных эубактерий,
и все это отчеркивается черным слоем сероводородобразующих архебактерий. Расцветка
строматолитовой поверхности может меняться даже в течение суток, поскольку
обитатели нижнего этажа в темное время выползают наружу и наоборот. Скользят
бактерии вверх и вниз, преодолевая почти 20 мм в час. По ночам зеленые несерные
эубактерии пробираются наверх сквозь слой цианобактерий. Иногда, наоборот,
живые цианобактерии сползают вниз, чтобы укрыться под пустыми чехлами от слишком
сильного излучения.
В строительных наклонностях бактерий нет ничего необычного. Достаточно вспомнить,
что всем «камням за пазухой», таким как зубной и почечный камни, мы тоже обязаны
бактериям. Сами строматолиты — это не только мертворожденная архитектура бактерий.
Плотно сплетаясь, бактерии защищали себя от испепелявшего ультрафиолетового
излучения, а образуя кремнистую корочку, чувствовали себя в полной безопасности.
Ведь прозрачный кремневый слой всего в 0,15 мм толщиной полностью нейтрализует
ультрафиолет. Так, за несколько миллиардов лет до человека бактерии «додумались»
до оконных стекол — и светло, и спокойно.
Быстро растущие современные рифостроящие животные и водоросли вытеснили микробных
строматолитообразователей в лагуны, где они способны создавать лишь незамысловатые
корки. Современный плачевный образ жизни строматолитов часто неоправданно служил
для восстановления обстановок прошлого. Получалось, что в архее и протерозое
вместо морей и океанов были сплошные лагуны и болота. Однако когда микробам
никто не мешал, они делали все, на что были способны. Так, в протерозое они
построили рифы в сотни метров мощностью (как на реке Юдоме) и сотни километров
протяженностью. В таких рифах глубоководные строматолиты возвышались огромными
конусами до 75 м высотой. (Это высота затонувшего 30-этажного дома.) В более
мелкой части моря строматолиты ветвились кустиками и нарастали столбиками.
На самом мелководье, как и ныне, откладывались незамысловатые корки. (Именно
ритмичное строение строматолитов и зависимость их формы от освещенности позволили
рассчитать длину дня, а следовательно, и скорость вращения Земли в архее и
протерозое.)
Еще несколько раз (в конце кембрийского и девонского периодов и в начале триасового),
после массовых вымираний, строматолитовые рифы ненадолго занимали освобожденное
пространство морского дна.
Многие сомневаются в органической природе древнейших (3,5 — 3,2 млрд лет) тонкослоистых
пород, но 3 млрд. лет назад уже, несомненно, отлагались настоящие строматолиты.
В архее и самом начале протерозоя, когда океан был пересыщен растворенным карбонатом,
доля бактериальных отложений была незначительной. Карбонаты в основном оседали
без участия организмов. Постепенно, начиная с середины раннего протерозоя,
бактериальные сообщества вошли в роль главных карбонатообразователей, отняв
ее у геологических процессов.
Именно такие сообщества начали преобразование воздушной, жидкой и твердой оболочек
планеты. Осаждая плохо растворимые карбонаты — кремнезем или другие минералы
из подвижных растворов, они создали новые слои земной коры. Да и определенному
составу атмосферы, кроме благородных газов, мы обязаны бактериям. Накопление
бактериальной массы привело к тому, что вулканические источники восстановленных
газов (сероводород, метан и другие) сменились биологическим за счет разложения
органических веществ без доступа кислорода. Из произведенного за сутки объема
кислорода бактериальное сообщество ночью потребляло три четверти, но одна четверть
его уходила вовне. Поэтому, нагромождая строматолитовые этажи, бактериальные
сообщества насыщали атмосферу кислородом.
Для выработки органического вещества из углекислого газа фотосинтетикам нужен
свободный электрон. Вода, конечно, наиболее распространенный поставщик необходимого
электрона, но для разрыва водородно-кислородной связки требуется мощный источник
энергии. Бактериальный фотосинтез с использованием энергии распада сероводорода
был, видимо, наиболее ранним. Этот газ расщеплять легче, чем разлагать воду.
К счастью для нас, поступления сероводорода из земных глубин намного уступает
объемам воды. В итоге основными фотосинтетиками стали те, кто перешел на воду
(цианобактерии, водоросли, высшие растения). Молекулы воды расщепляются, а
ионы водорода, подгоняемые солнечной энергией, пополняют вместе с углекислым
газом запас углеводов.
Операция с захватом молекулы углекислого газа позволила цианобактериальному
сообществу добраться до практически неисчерпаемого источника углерода в атмосфере.
Большая часть органических веществ перерабатывалась и возвращалась обратно
в виде все того же газа бактериями-разрушителями. Ничтожная часть органики
захоранивалась, но объем углекислого газа в атмосфере постепенно убывал. Это,
во-первых, уберегло планету от «теплового удара», которому подверглась Венера,
не избавившаяся вовремя от парникового газа. Во-вторых, атмосфера стала наполняться
кислородом.
Образоваться за счет воздействия света на водяной пар кислород в достаточном
объеме не мог. Как только его уровень в атмосфере превысил одну десятую часть
от современного содержания, образовался озоновый (О3) щит. Щит отражал ультрафиолетовые
лучи, и распад водяного пара прекратился. А щит этот позволил организмам освоить
мелководье, а затем и сушу.
Цианобактериальные сообщества, которые поставили себе памятник в виде строматолитов,
предопределили дальнейшее развитие земной жизни. Они выделяли самый главный
для всех последующих существ газ — кислород. Конечно, кислород не задержался
бы в атмосфере, если бы бактерии не освободили его от прямых обязанностей —
от окисления водорода и органического вещества. Водород достаточно легок, чтобы
улетучиваться с Земли, а органическое вещество хранится в осадке до наших дней.
Изъятие этих элементов из оборота и привело к накоплению кислорода.
С помощью столь ядовитого для других бактерий (а в больших дозах — и для всех
прочих существ) газа, как кислород, цианобактерии вскоре потеснили своих соперников.
Уже к концу архея они стали самой распространенной на планете группой организмов.
И остаются такой поныне.
Впрочем, этот чрезмерно активный газ больше годится для разрушения — медленного
(гниения) или бурного (горения). Он легко образует перекись водорода и другие
ядовитые для живых существ соединения. Немногие бактерии способны направить
разрушительную силу кислорода себе на пользу. Это светящиеся бактерии, благодаря
которым во тьме мигают светлячки и переливаются огнями глубоководные рыбы.
Некоторые круглые черви — нематоды (греч. «нема» — нить) — даже приспособили
этих бактерий для подачи световых сигналов птицам. Чтобы попасть в желудки
последних, где эти паразитические черви и живут, нематоды проникают в гусениц.
Засветившиеся гусеницы становятся легкой добычей птиц, а им, паразитам, только
этого и надо.
Возможно, что именно укротившие кислород древние родственники светящихся бактерий
заставили дышать всех эукариот этим газом. Но об этом несколько позже.
Но почему мы так уверены, что свободный (не связанный в минералах) кислород
уже был? Об этом можно судить по остаткам некоторых бактерий из архейских отложений.
В породах возрастом 2,9 млрд лет встречаются очень мелкие кристаллики магнетита.
Они имеют необычную для этого железосодержащего минерала шестигранную форму.
Неорганический магнитный железняк бывает четырех- и восьмигранный, но шестигранным
быть не может. Только магниточувствительные эубактерии способны вырастить в
себе подобные странные кристаллы. Самим бактериям они нужны для того же, для
чего нам нужен магнитный компас. Бактерии проживают на дне водоема и очень
не любят, когда кто-нибудь большой и настырный ворошит ил, всплывающий облаком
мути. Вращаясь в этом облаке, бактерия не знает, где родное дно, а где — жутко
опасное открытое пространство. Однако поскольку магнитные поля проходят по
касательной, взяв по ним направление, можно живо уйти на дно. Поэтому бактерии,
обитающие в Северном полушарии, всегда плывут на север и наоборот.
Спустя миллионы лет многие животные воспользовались магнитными свойствами этого
минерала. У пчел кристаллики магнетита спрятаны в передней части брюшка, у
голубей, китов и человека — в оболочке мозга под крышей черепа. (Хотя у человека
на 1 г оболочки мозга приходится до 100 млн кристаллов магнетита, без дополнительных
приборов он в лесу все равно заблудится.) Как раз карту естественных магнитных
полей передают пчелы в своем диковинном танце.
Чтобы вовремя определить, где спасаться, бактерии вырабатывают магнетит. Поскольку
для его образования требуется кислород, мы можем утверждать, что в архейских
атмосфере и гидросфере его было достаточно, а магнитосфера надежно прикрывала
Землю от солнечного ветра. Но если кислород вырабатывался, тогда почему так
медленно совершенствовалась земная жизнь?
Теперь неокисленное железо запрятано глубоко в ядре Земли, но архейский океан
изобиловал растворенным железом и марганцем и тонкой взвесью этих элементов.
Неокисленные заряженные частицы железа и марганца поступали из недр Земли вместе
с базальтовой лавой и в растворах, извергаемых подводными вулканами. Они также
сносились с поверхности суши. Эти вещества соединялись со свободным кислородом,
еле успевавшим вырабатываться фотосинтезирующими бактериями. Навеки вместе
сводили кислород и металлосодержащие соединения тоже бактерии. Причем одни
бактерии «ковали железо» в условиях настоящего металлургического цеха — при
температуре 70 °С. Всего 10 г таких бактерий могут произвести целый килограмм
магнетита. Другие бактерии окисляли железо, создавая магнетит или гематит (красный
железняк) при нормальной (для нас) температуре.
Получившиеся нерастворимые хлопья железистых соединений (или просто ржавчина)
ложились на дно тонкими слойками и перекрывались выносимыми с суши мельчайшими
кварцевыми зернами, что отражало сезонность процесса. Они оседали там, где
глубокие бескислородные воды граничат с поверхностными, обогащенными кислородом.
Затвердевая, осадок превращался в полосчатые железистые кварциты. Названы эти
породы так из-за тонкого (миллиметрового) переслаивания кварца и железосодержащих
минералов. Огромные залежи железа накопились в обширных архейских и раннепротерозойских
бассейнах, занимавших 100 тыс. и более квадратных километров. Курская магнитная
аномалия мощностью в несколько сотен метров и другие крупнейшие месторождения
железа в значительной степени являются плодом бактериальной деятельности. Так
будущие поколения животных получили исходный материал для производства танков,
базук, колючей проволоки и прочих предметов первой необходимости в нашем мире.
В одном из таких местонахождений (Ганфлинт в Канаде), которому 2 млрд лет,
прозрачные кварцевые слойки запечатлели странные звездчатые микроокаменелости
— эоастрион (греч. «ранняя звездочка».) Эоастрион очень похож на современных
бактерий, образующих железные и марганцевые окислы.
Поскольку кислород уходил на окисление железа (а также марганца и некоторых
других металлов), его содержание в воздушной и водной средах долго оставалось
неизменно низким. Только с выводом из круговорота основных масс неокисленного
железа и марганца уровень кислорода стал повышаться. Это произошло примерно
2,7 млрд лет назад.
Итак, сразу после тяжелых ковровых метеоритных бомбардировок, отгремевших 4,0
— 3,8 млрд. лет назад, в условиях непрекращавшихся бурных извержений вулканов,
горячих источников, которые исторгали всяческие газы (углекислый, гелий, водород
и метан), и высоких давлений Земля наполнилась жизнью. Бактериальные сообщества
заселили мелководные океаны (архейские океаны могли на два-три километра быть
мельче современных), окружавшие небольшие праматерики. Соленость и другие химические
особенности вод к концу архея, видимо, не отличались от нынешних. Все живые
клетки накапливают ионы калия и освобождаются от ионов натрия. Так, в морских
водах со временем стал преобладать этот металл. Магнитосфера уже существовала,
защищая Землю от солнечного ветра. Продолжительность суток была короче (около
15 часов), а средняя высота прилива была выше (примерно в полтора раза, поскольку
Луна обращалась ближе к Земле). Среднеземные температуры не сильно отличались
от нынешних, поскольку более низкая светимость молодого Солнца уравновешивалась
высоким содержанием в атмосфере метана (совершенно незначительного для современной
атмосферы) и водяного пара, создававших теплоизолирующую оболочку.
В конце архея (2,9 — 2,7млрд лет назад) благодаря способности бактериальных
сообществ выделять свободный кислород как побочный продукт своей жизнедеятельности
уровень содержания этого газа в атмосфере повысился. Это событие повлекло за
собой появление озона и образование озонового щита. Щит предохранил Землю от
чрезмерного солнечного излучения и обеспечил распространение жизни в прибрежные
мелководья, поверхностные воды открытого океана и, возможно, на сушу. В истории
Земли практически не было времени, когда бы живые организмы не оказывали определяющего
влияния на развитие воздушной, жидкой и твердой ее оболочек.
Ублажать публику всевозможными сенсациями.
Венедикт Ерофеев
Первое оледенение. Виноваты ли в нем водоросли? Полет одинокой валькирии над Арктикой. Черви, которые не черви.
КЕМБРИЙСКИЕ МОРСКИЕ ЖИВОТНЫЕ И ВОДОРОСЛИ |
В самом конце архея (2,7 млрд лет назад) на Земле началось оледенение. Среди
явлений, влияющих на земную температуру, выделяется так называемый парниковый
эффект.
«Парниковый эффект» можно описать как эффект, который возникает в дачном парнике,
если обильно поливать помидоры. Испаряясь, молекулы воды поглощают солнечное
излучение, проходящее сквозь чисто вымытые стекла. Водяной пар нагревается,
и температура в замкнутом помещении повышается.
Кроме водяного пара к парниковым газам относятся метан и углекислый газ. Метан
окисляется кислородом. Как только большая часть железа ушла в осадок, содержание
кислорода в атмосфере повысилось и метановый утеплитель был разрушен. Конечно,
все было не так просто. Сульфатвосстанавливающие бактерии начали успешно соперничать
с метанообразователями за водород, отвоевав его существенную долю. Содержание
метана стало понижаться, а кислорода — повышаться, и потихоньку произошел полный
атмосферный переворот. А до этого — сплошной холодный органический туман стелился
в прибрежных низинах.
Об этом свидетельствует резкий сдвиг в изотопной летописи углерода в сторону
более положительных значений, который приходится на слои возрастом 2,7 млрд
лет. В органических породах, образовавшихся до этого времени, содержится исключительно
много легкого изотопа углерода. Значит, метанокисляющие эубактерии «ни в чем
себе не отказывали». Источником метана для них служила атмосфера. Но к началу
протерозоя (2,5 млрд лет назад) он иссяк.
Одновременно деятельность бактериальных сообществ вела к росту материков за
счет добавления слоев осадочных пород — в основном известковых строматолитов
и железистых кварцитов. Как раз в конце архея земная кора приросла на треть.
Почти вся Африка, Северная Америка, Сибирь, Индия, Северный Китай и восточная
часть Европы образовались в то время. С увеличением площади материков расширялась
и площадь суши.
Тут и подключился второй важный фактор, от которого зависит температура планеты,
— альбедо. По-латыни «альбус» означает «белый». Белый цвет, как известно, хорошо
отражает солнечные лучи. Альбедо — это доля солнечной энергии, падающей на
планету, которая отражается в пространство. Альбедо «светлой» суши выше, чем
у более темных океанов. Если бы суши сейчас не существовало, альбедо всей поверхности
Земли оказалось бы на 6% ниже и на планете было бы теплее.
В конце архея был пройден критический рубеж, когда суша расширилась настолько,
чтобы повлиять на земное альбедо. Причем рост суши не только повышал долю солнечной
энергии. На выветривание (разрушение) кремнеземсодержащих минералов расходовался
другой парниковый газ (углекислый). Тогда же кислорода стало достаточно, чтобы
разложить почти весь атмосферный метан. Все это вместе и возвестило начало
первой ледниковой эры. Белоснежный покров усилил альбедо еще больше.
Конечно, жителю страны, где зима составляет большую часть года, трудно представить,
что в похолоданиях и оледенениях есть хоть что-то хорошее. Меж тем нахлобученные
на земные полюса ледниковые шапки охлаждали океанические воды в высоких широтах.
Более плотные холодные воды опускались вниз, и океан перемешивался. Нисходящие
течения несли в глубины кислород, а восходящие поднимали к поверхности соединения
азота, фосфора, железа и некоторых других элементов, необходимых для роста
организма. В результате такого обмена толща океана становилась все более пригодной
для жизни.
В отсутствии охлаждения глубинные океанические воды образуются за счет погружения
рассолов, выпаривающихся в низких широтах. Поскольку плотность рассолов выше,
океан перестает перемешиваться.
Восходящие глубинные воды включили обратный механизм потепления. Вместе с ними
к поверхности поступал гидрокарбонат (НСО3). Его избыток в поверхностных водах
вызывал быструю садку карбонатов. При образовании известняков выделялся углекислый
газ. (Современные рифы, например, поставляют в год 245 млн т этого продукта,
что на порядок больше вулканических выбросов.) Подъем уровня углекислого газа
в атмосфере дополнялся высвобождением метана. Этот газ накапливается на материковых
окраинах, скрытых морскими водами, и поступает в атмосферу, когда ледники вбирают
воду, обнажая их. Возвращение в атмосферу газов-утеплителей вызывало «парниковый
эффект». И вновь начинал ось таяние ледниковых покровов и потепление.
По мере перехода Земли в режим самооттаивающего холодильника ухудшалось положение
строматолитостроителей. И повышение уровня кислорода, и понижение температуры
океана мешали их нормальному развитию. Размеры строматолитовых построек и площадь
их распространения стали сокращаться. Но там, где невыносимо жить одним, всегда
хорошо устроятся другие. Приближалось время эукариот.
На ранний и начало позднего протерозоя (2,5 — 1,5 млрд лет назад) пришелся
своеобразный застой. Ничего откровенно нового в течение долгих полутора миллиардов
лет не появилось. Даже изотопная летопись углерода имеет вид скучной прямой
линии без загогулин. Но за кажущейся простотой внешнего образа скрывались бурные
преобразования внутреннего содержания.
Начиная с 50-х годов XX века в Германии большим спросом пользовался автомобиль
марки «Фольксваген», похожий на жука с большими глазками. Внешний вид машины
был придуман настолько удачно, что его сохраняли почти сорок лет. При этом
и мотор, и внутренняя отделка поменялись полностью, причем не единожды. Найдя
на свалке кузов такого автомобиля без внутренних деталей, невозможно определить,
сделан ли он в начале 50-х или в конце 80-х годов. Примерно то же можно сказать
о бактериях. О них так и говорят: у бактерий проявлялся «синдром "Фольксвагена"».
Почти не меняясь внешне, они тем не менее полностью изменились внутренне. В
исключительно чистых лабораториях потомки одной и той же бактерии становятся
иными за несколько тысяч поколений. Многие изменения налицо. (Или что у них
там?) Преображается и поведение. Разнообразие возникает буквально из ничего.
Через некоторое время после начала опыта в чашке с культурой бактерий можно
увидеть три отдельные группы. Одни останутся лежать на дне. Другие всплывут
к поверхности. Третьи распределятся в толще предоставленной им среды. Иными
словами, они заполняют все возможные для существования ниши. И в каждой из
них новое поколение все более эффективно потребляет предложенный субстрат.
То же происходило в раннем протерозое. Большинство сообществ раннего и начала
позднего протерозоя состояло из простых внешне форм. Они занимали практически
все свободное пространство на море и, возможно, на суше.
Окремнелые останки живых существ обнаружены более чем в тысяче местонахождений
этого периода. Среди них особенно много встречается тел простой округлой формы
размером до 0,025, реже до 0,04 мм в поперечнике. Можно встретить тонкие нити
с перегородками, трубки и ветвящиеся нити. Многие из них напоминают современных
цианобактерий. На периодически осушаемом мелководье обитали самые заурядные
округлые формы золотисто-коричневой окраски от пигмента сцитонемина, предохранявшего
бактерий от ультрафиолетовых лучей. Он настолько устойчив, что не распался
до сих пор. Дальше от берега образовывали густые заросли нитчатые цианобактерии,
среди которых скользили совсем мелкие, похожие на пружинки, осцилляториевые.
Разница между крайним мелководьем и морскими условиями проявлялась только в
увеличении многообразия бактерий по мере улучшения самих условий.
В отдалении от бактериальных сообществ селились первые эукариоты. Тогда это
были очень незатейливые шаровидные клетки. Время соперничества с бактериями
за лучшие местообитания для них еще не наступило.
Около 2 млрд лет назад атмосфера была бескислородной, а кислород накапливался
только в полостях-карманах микробных сплетений. С установлением кислородной
атмосферы бактериальные сообщества «вшили» бескислородные карманы, где разлагалось
органическое вещество. Впрочем, водная толща океана еще долго могла быть бескислородной,
и на дне (как в Черном море) отлагались черные пахучие илы.
В этот период в ископаемой летописи начинают попадаться остатки эукариот. Эукариоты
— это организмы, обладающие ядром (хранилищем генов), сложными клеточными органеллами
(своеобразными органами клетки) и более совершенным способом полового размножения,
когда наследственный материал сосредоточен в расходящихся парных хромосомах.
В породах возрастом около 2,1 млрд лет, найденных в Северной Америке, обнаружены
изгибающиеся, слегка закрученные ленты до полуметра длиной. Скорее всего, это
были водоросли. Не исключено, что эукариоты меньших размеров существовали и
несколько раньше, но распознать их среди прочих ископаемых остатков совершенно
невозможно. Но все, что превышало в поперечнике 0,75 мм (наибольший размер
современных бактерий), скорее всего, было не бактериями.
Эукариоты не могли не появиться. Уже устойчивое микробное сообщество, каждый
член которого отвечал за строго определенный участок работы, отличалось цельностью.
Возможно, что дальнейшее усиление связей между его членами и привело к эукариотам.
Отдельные органеллы эукариот очень похожи на некоторых бактерий. Митохондрии
(греч. «нить» и «зернышко»), которые обеспечивают клетку энергией, близки к
пурпурным несерным эубактериям. Поэтому почти все эукариоты дышат кислородом.
Хлоропласты (греч. «зеленый комок») напоминают цианобактерии и зеленых бактерий.
Обладающие ими водоросли и высшие растения стали фотосинтетиками. Полное отчуждение,
правда, не преодолено до сих пор. Хлоропласты (чтобы чего не вышло) укутаны
в несколько оболочек. Жгутики, с помощью которых одноклеточные эукариоты двигаются,
могли возникнуть при захвате спирохет или спироплазм (скрученных, способных
к вращательному движению бактерий). Если у одноклеточных жгутики являются движителем
(иногда органами захвата), то жизнь многоклеточных без них и представить трудно.
На основе жгутика развились все органы чувств и передачи информации: вкусовые
и обонятельные волоски, органы равновесия и нервные пучки.
Правильно распределить хромосомы при делении клетки тоже помогают преобразованные
жгутики (отсюда и название такого деления — «митоз» — греч. «нить»). Митоз
появился у одноклеточных эукариот, а на его основе возник мейоз (греч. «убывание»).
Ядра большинства животных и растений содержат два почти одинаковых набора хромосом
(до миллиона генов в наборе). При митотическом делении каждая дочерняя клетка
получает в наследство по одной копии любой родительской хромосомы, а при мейозе
— пол овину родительских хромосом. Для обретения двойного набора ей приходится
слиться (вступить в половые отношения) с другой клеткой. Оплодотворение обеспечивает
обмен участками хромосом. В итоге наследство прирастает за счет состояния каждого
из родителей.
Обмен генами позволил эукариотам эволюционировать намного быстрее, в то же
время сохраняя все наилучшее от своих предков. (Тот, кто пытался сохранить
все самое худшее, просто вымер.)
Предоставить жилплощадь для поселения всех бактериальных соседей могли магниточувствительные
бактерии, о которых говорилось в предыдущей главе. Клетка у них весьма просторная
— целых 0,015 мм. Она окружена двухслойной жировой оболочкой — будущий клеточный
скелет. Но главное — она хорошо принимает гостей (не переваривает их сразу).
Кроме того, запас железа, необходимого для удвоения хромосом и деления клетки,
уже имеется. Воедино могли сойтись протеобактерии, преобразующие органику в
водород и двуокись углерода и нуждающиеся в этих газах метанообразующие архебактерии.
(Так что все ныне живущее на Земле, включая людей, представляет собой лишь
колонии бактерий.)
Еще в V веке до н.э. греческий философ Эмпедокл предположил, что носы, ноги,
руки жили сначала отдельно друг от друга. Они встретились, срослись и превратились
в животных. Так и разные ветви бактерий образовали тесные сообщества, из которых
могли выйти готовые эукариотные организмы. Для того чтобы заставить различные,
прежде обособленные бактерии жить вместе, потребовался лишь механизм управления
разрозненной наследственной информацией.
Мир эукариот действительно представлял собой мир прокариот наоборот. Прокариоты,
не отличаясь внешне, биохимически были очень разнородны. Они потребляют что
угодно, будь то сероводород, азот или метан. Эукариоты ограничились только
фотосинтезом и поеданием уже готовых запасов питательного вещества в виде других
организмов. Но внешние различия у них просто поразительны. Достаточно назвать
трех обычных эукариот, чтобы убедиться в этом: например, мухомор, таракан и
человек.
Способность управлять органеллами различного происхождения пригодилась при
становлении многоклеточных. С помощью многоклеточности эукариоты преодолели
тесные размерные пределы. Они разменяли маленькую однокомнатную квартиру (пусть
и со всеми удобствами) на замки и виллы любой, сколь угодно сложной архитектуры
и почти неограниченного объема. У многоклеточных стало возможным распределение
клеток по слоям и зарождение тканей. Одни клетки при этом оказались всегда
крайними и образовали покровную ткань. Другим, что очутились внутри, осталось
одно — размножаться дальше. До некоторой степени многоклеточность была вызвана
именно зовом пола. Большинство многоклеточных организмов крупнее одноклеточных,
а большого партнера видно издалека. (Несколько сантиметров в длину или в поперечнике
— таков предел и удел самостоятельных одноклеточных организмов.)
Неслучайно многоклеточность возникала постоянно и неоднократно: у красных,
бурых и желто-зеленых водорослей, в нескольких группах водорослей зеленых и,
конечно, у животных и тоже, может быть, не единожды. Но главное — со временем
многоклеточные организмы становились все менее зависимы от капризов среды.
С середины протерозоя (1,2 млрд лет назад) разнообразие эукариот стало постепенно
возрастать. Около 800 млн лет назад господство микробов, длившееся почти 3
млрд лет, закончилось. Начиная с этого времени возникли все основные группы
водорослей и простейших, а также предки грибов и животных.
В окаменелостях древнейших многоклеточных распознаются красные водоросли. Они
совершенно не отличимы от современных водорослей (хотя извлечены из отложений
возрастом 1,2 млрд лет) Арктической Канады. Каждый, кто побывал на море, видел
камни, покрытые красными известковыми наростами. Кому посчастливилось загорать
на теплом южном взморье, мог подобрать изящные пурпурные веточки, похожие на
мелкие кораллы. Так выглядят кораллиновые красные водоросли. Их необызвествленные
родственники не столь ярки и приметны — просто невзрачные ворсинки. Но именно
такие ворсинки покрыли дно морей 1,2 млрд лет назад. Несмотря на свои размеры
(меньше 2 мм высотой), они создали новый, трехмерный мир, недоступный плоским
бактериальным матам. Это был мир со своими течениями и осадками. Со временем
в нем поселились другие многоклеточные. Собственно багрянки являются древнейшими
организмами с клетками разного типа и с чередованием полового и бесполого поколений
(половым циклом). Впрочем, половой цикл и предопределил возникновение многоклеточности
— ведь специальные половые клетки уже отличались от всех прочих.
На Аляске встречаются различные кремневые окаменелости, которым 800 млн лет.
Некоторые из них напоминают чешуйки золотистых и диатомовых водорослей, другие
— спикулы (скелетные иголки) губок. Можно считать, что эти спикулы и являются
древнейшими, не считая биомаркеров, остатками многоклеточных животных. В одновозрастных
породах северо-западной Канады найдены обызвествленные цианобактерии, бурые
водоросли и непонятные органические чехлы и пленки. Эти чехлы получили название
в честь мест, где они впервые найдены: чуарии — от Чуара в Северной Америке,
лонгфенгшании — от китайской Лонфеншани, а дальтении — от норвежского Дала
и греческого корня «тения» (лента.) Чуарии представляли собой крупные (до полусантиметра
в поперечнике) морщинистые шаровидные оболочки колониальных прокариот или эукариот.
Лонгфенгшании напоминали округло-удлиненный листок на черенке. Ветвящиеся ленты
дальтении дорастали до 6 см.
Самые необычные окаменел ости того времени скрывались подо льдами Шпицбергена
в породах возрастом 750 млн лет. Там обнаружены остатки весьма развитых зеленых
водорослей. Вместе с ними встречаются меланокирилл и валькирии. Странный меланокирилл
(греч. «черный господин») был похож на вазу высотой 2 — 3 мм, то есть
был намного крупнее многих своих современников. Сидели в таких вазочках-раковинках
древнейшие
амебы. Несмотря на мелкие размеры, эти амебы были крупнейшими хищниками своего
времени, а возможно, и первыми плотоядными животными вообще. Валькирии могут
быть остатками более сложных многоклеточных. У миллиметровых (в длину) валькирий,
похожих на червячков с отростками, различается шесть типов клеток. Валькириями
эти существа были названы потому, что найдены они на Шпицбергене. Где-то около
этого полярного архипелага скандинавские мифы помещали вальхаллу, куда небесные
девы-валькирии (выбирающие убитых) уносили души храбрейших из павших воинов.
Может быть, валькирии (ископаемые организмы, а не мифические девы) и были первыми
существами, которые убирали поле «боя», то есть были разрушителями-падалеядами?
Из одновозрастных отложений Китая известны плоские кольчатые ленты длиной по
2 – 3 см. Некоторые из них имеют отверстие на одном из концов червеобразного
тела или вытянутый хоботок. Они были описаны как предки настоящих кольчатых
червей, но не исключена и водорослевая природа этих организмов. А вот кольчатая
партия с Тиманского кряжа России, один конец которой заужен, а другой — уплощен,
могла действительно быть очень простеньким червем.
В тот же промежуток времени началась поступательная эволюция эукариотного планктона
(греч. «блуждающий») — населения водной толщи, которое в основном состояло
из акритарх (греч. «неизвестного происхождения»). Точная принадлежность акритарх,
как явствует из их названия, не ясна. Это микроскопические (меньше миллиметра
в поперечнике) плотные органикостенные оболочки со всякими шипами, выростами
и оторочками. При жизни форма акритарх приближалась к шару. Большинство из
них, наверное, были вымершими одноклеточными водорослями, родственниками динофлагеллят
(греч. «вертящие жгутиком»).
Природу акритарх помогли понять биомаркеры. Сначала выяснилось, что очень характерные
биомаркеры остаются от динофлагеллят. Они обильны в мезозойских и кайнозойских
породах (начиная с 248 млн лет) — в слоях с остатками этих водорослей. Хотя
более древние дин офлагелляты почти не известны, такие же биомаркеры широко
распространены в верхнепротерозойских и нижнепалеозойских отложениях. Они встречаются
там, где очень много акритарх. Более того, эти биомаркеры были извлечены прямо
из акритарховых оболочек, что оказалось весьма непростой задачей. Ведь даже
шарики в одну десятую часть миллиметра выглядят в мире акритарх гигантами,
а толщина оболочки измеряется тысячными долями миллиметра.
Появились акритархи приблизительно 1,8 млрд лет назад, но стали распространены
около 1,6 млрд лет назад. Первые из них напоминали очень мелкие простенькие
гладкие шарики размером от 0,02 до 0,1 мм. Между 1,1 и 0,8 млрд лет назад наблюдал
ось их многообразие и обилие. Среди них завелись огромные (для этих организмов)
формы — 0,2 мм и более в диаметре. Очень большие акритархи, скорее всего, были
сидячими на дне организмами.
Избыток водорослевого планктона привел к печальным последствиям для донных
бактериальных сообществ, в том числе строматолитовых. Бурное развитие водорослей
в толще воды ухудшало освещенность морского дна. Зависимые от светового потока
строматолиты не могли сдвинуться на мелководье, где планктон не так многочислен.
Туда их не выпускали водорослевые луга. Водоросли, растущие гораздо быстрее
микробных строматолитов, заняли их основные местообитания. Обилие донных бактериальных
сообществ пошло на убыль.
Но водорослевый планктон не только застил свет строматолитам. Ранее уже говорилось
об альбедо земной поверхности и его значении для климата. Даже «цветение» планктона
повышает альбедо водной поверхности, поскольку облака небесные прямо связаны
с облачками планктона. Планктонные водоросли накапливают особое соединение
серы — диметилсульфид. Водорослям он необходим для поддержания давления внутри
клетки. Это вещество выделяется наружу при их выедании. Формула его похожа
на прическу с шестью косичками.
Как и положено косичкам, они так и напрашиваются, чтобы за них подергали или
что-нибудь к ним прицепили. Так и происходит. При поступлении в атмосферу это
ломкое соединение распадается и, растворяясь в воде, превращается в кислотные
капли. Капли служат затравкой для сгущения водяного пара. А чем кучнее облачность,
тем меньше тепла получает планета. Ведь облачный покров отражает тепло обратно.
Причем продукты распада водорослевых соединений не только повышают яркость
облаков, но и продлевают время их существования. И все это усиливает альбедо.
А на холоде водоросли еще больше выделяют свое любимое вещество. Самое удивительное
в этой заоблачной истории, что при пониженной температуре снаружи проще поддерживать
давление внутри (клетки). Получается, что водоросли как бы устанавливают погоду
по своему вкусу.
Из современных планктонных водорослей основными поставщиками серных соединений
являются динофлагелляты, кокколитофориды и диатомовые (о них речь впереди).
Они производят до 50 т серы ежегодно.
Общее падение температуры в позднем протерозое было вызвано не только уплотнением
облачного покрова. Начавшийся рост ледников все больше обнажал сушу для выветривания.
Среди выносимых с суши элементов были соединения железа, фосфора и других важных
для водорослей веществ. Возрастала продуктивность водорослевого планктона.
Соединения фосфора высвобождались из органических веществ прямо в верхних слоях
океана. Они использовались новыми поколениями планктона. Повысились темпы захоронения
органического вещества. Поскольку на его изготовление требуется углекислый
газ, происходило общее ослабление «парникового эффекта». (Для последнего, четвертичного
ледникового периода отмечается прямая связь высокой продуктивности планктонных
водорослей с низким содержанием в атмосфере углекислого газа.) Холодало. Разлагавшие
органику сероводородобразующие бактерии перестали поспевать за поступлениями
органического вещества. Распад цепи из производителей, потребителей и разрушителей
привел к выбросу кислорода. Уровень его содержания в атмосфере подскочил до
10 – 15%, считая от нынешнего.
Так планктонные шарики основательно вмешались в климатические дела земного
шара. В конце протерозоя (750 — 550 млн лет назад) его бросало из жара в холод
с преобладанием последнего. Особенно обширное оледенение пришлось на начало
вендского периода, которым заканчивался протерозой.
В 1982 году мне удалось посетить родину вендов — Подолию, что на Украине. Случилось
так, что американский физик Джозеф Киршвинк, который разгадал выкрутасы пчелиных
плясок, раскопал остатки древнейших магниточувствительных бактерий и нашел
кусочки магнетита в мозге голубей, китов и человека, решил узнать, где в вендском
периоде (605 — 550 млн лет назад) находилась Балтия.
Сейчас такого материка нет. Он превратился в восточную часть Европы. У каждого
континента, как и у любого человека, есть своя судьба. Он нарождается, растет,
постоянно двигается и сталкивается с другими.
Примером служит судьба немецкого метеоролога Альфреда Вегенера. В 20-е годы
XX века он окончательно выбил почву из-под ног обывателей, сказав, что материки
движутся (мобильны). Всякая гипотеза переживает два периода, прежде чем занять
подобающее ей место в арсенале науки (или на пыльных книжных полках в забытом
библиотечном подвале). Сначала она и ее создатель (при жизни) считаются сумасшедшими
и недостойными даже критических упоминаний на страницах истинно научных произведений.
Затем он (чаще посмертно) признается гениальным, а она привлекается для объяснения
всего и вся. Нетрудно догадаться, что основная причина глубокой неприязни и
почти сорокалетнего забвения гипотезы Вегенера крылась в посягательстве метеоролога
на основы геологической науки.
В 1960-е годы ученые наконец-то смогли всерьез взяться за исследование океанического
дна. Выяснилось, что Вегенер был прав и материки двигались и двигаются. До
нас осознание сего факта почти подпольно добралось еще лет на десять позже.
В конце 1970-х, когда весь мир перешел на мобилистские карты прошлого, будущие
геологи рисовали Землю давних времен по канонам современной географии (фиксистские
реконструкции). Лишь в выпускной год в курсе под стыдливым названием «История
геологических наук» профессор Виктор Евгеньевич Хаин объяснял, чем же живет
современная геология. Поэтому, исходя из постулата, что главное для студента
— знать точку зрения преподавателя, был сделан вывод, что нужно быть «фиксистом»,
но с легкой примесью «мобилизма».
Итак, в чем суть мобилизма? Посередине океанов проходят огромные хребты, названные
срединно-океаническими. Вдоль хребтов тянутся рифтовые долины («рифт, по-английски
— «расщелина»). Изливающаяся по обе стороны расщелины лава застывает гигантскими
полосами, самые древние из которых находятся от нее дальше всех.
Рифтовые долины являются теми линиями напряжения, по которым происходит сначала
раскол, а потом и раздвиг плит, а с ними и материков. Расходясь, они сталкиваются
с другими. Например, Азия состоит из нескольких ведущих (каждая) свой образ
жизни плит: Индия до сих пор не успокоилась и упрямо движется в прочую Азию,
от чего у той лезут вверх Гималаи. Если бы Христофор Колумб отплыл на поиски
страны пряностей в наши дни, ему пришлось бы преодолеть на пять-десять метров
больше, прежде чем его впередсмотрящий заметил бы острова Америки. Примерно
на столько же увеличился бы путь Тура Хейердала на «Кон-Тики». Со времени путешествия
Колумба прошло пятьсот лет, а Хейердал ставил свой опыт всего пятьдесят лет
назад, но Срединно-Тихоокеанский рифт раздвигается быстрее Срединно-Атлантического.
Чтобы узнать, где раньше находился тот или иной материк, существует на первый
взгляд немудреный, но технически сложный метод. Наша планета представляет собой
огромный магнит с полюсами, положение которых не сильно отличается от положения
полюсов географических. Продолговатые частички глины, постоянно оседающие на
морское дно, тоже являются магнитами, но маленькими. Словно магнитная стрелка,
колебания которой остановлены нажимом пальца, каждая частичка застывает в породе,
указывая направление на магнитный (а значит, и географический) полюс в тот
момент, когда осадок стал твердой породой. Используя ископаемые «компасы»,
из одного возрастного среза на нескольких континентах можно установить, где
был каждый материк в искомое время.
На поиски глиняных компасов мы с Джо и отправились из Москвы в Подолию, где
за два дня, согласно строгим, но, как всегда, бессмысленным указаниям чиновников,
предстояло сделать то, на что требуется не меньше двух недель. Просверлить
несколько сотен дырок в породах и замерить углы залегания самих пород и полученных
дырок, чтобы не перепутать нынешний Северный полюс с «ископаемым».
Наверное, вдоволь наглядевшись на страну, где все происходит вопреки здравому
смыслу, профессор Калифорнийского технологического института и придумал «снежок».
Иначе говоря — земной мир, где материки и ледники расползаются по обе стороны
от экватора. На пол юсах же царила чуть ли не тропическая жара. Во времена
всех более поздних оледенений крупные массы материков располагались как раз
наоборот — вблизи полюсов. Чтобы обосновать эту «противоестественную» модель,
и нужно было доказать, что материки действительно находились вблизи экватора.
Верно ли это предположение для всех материков — не ясно до сих пор. Но, как
ни крути куски континентов на глобусе, хоть несколько из них все равно оказываются
между Северным и Южным тропиками, а вместе с ними и вендские ледниковые отложения.
Этому странному явлению пришлось искать объяснение. Даже самый обширный ледниковый
покров не спускается с полюса ниже широты 25 градусов. Полярной шапки, напяленной
по самый Гондурас, быть не может. В том смысле, что если такое произошло бы,
то осталась бы Земля снежным комком навсегда.
Про ледяное кольцо, подобное кольцам Сатурна, которое затеняло бы экваториальный
пояс, лучше сразу забыть. Объяснить, куда оно делось, — невозможно. Но если
бы плоскость экватора Земли была завалена на 55 или более градусов по отношению
к плоскости ее орбиты, то каждый из полюсов получал бы больше солнечного тепла,
чем экваториальная область. (Далекий Уран летает по своей орбите, лежа на боку,
а его ось вращения всего на 8 градусов не совпадает с плоскостью орбиты.) Снег,
выпавший в этой области, благодаря своей белизне повышал бы альбедо, то есть
белизну планетную. И снежные покровы в конце концов стали бы ледниками. Следы
морозного расклинивания вендских пород остались в Южной Австралии, Шотландии
и Мавритании, которые находились неподалеку от экватора. В своем нынешнем положение,
с осью, почти перпендикулярной плоскости орбиты, Земля оказалась бы в конце
вендского периода, когда масса материков стремительно переехала из низких широт
к Южному полюсу. Согласно другой версии, слишком высокое содержание углекислого
газа в атмосфере превратило ее из теплоизолирующей оболочки в теплонепроницаемую
для слабых лучей солнца. Дальше — снег — альбедо — и тому подобное (см. выше).
Для тех читателей, кто до сих пор не сполз с храпом под стол, сообщаю, что
дальше будет интереснее и понятнее. А пока — первая из обещанных сказок.
Это теперь теремки чаще взрывают. А когда-то их в основном возводили.
Жили тогда на свете исключительно очень маленькие существа. Настолько мелкие,
что ни в сказке сказать, ни в микроскоп как следует разглядеть. Да и глядеть
в микроскоп было некому. Не было тогда ни тех, кто туда смотрел, ни самих микроскопов.
Даже того, из чего микроскопы делают — металлов всяких, — тоже не было. Просто
очень маленькие существа, которые, собственно, и создают залежи железа и других
металлов, еще ничего наделать не успели.
Жили эти очень маленькие существа дружно, но поодиночке. Наскучила им такая
жизнь. Решили они поселиться вместе. Построили теремок. А поскольку это был
самый первый на всей Земле теремок, никто не знал, как его правильно складывать.
Стены возвели. Крышу покрыли. Полы настелили.
Вроде бы все — как надо. А жить в том теремке оказалось невмоготу. Темно в
нем было и дышать нечем. Так в темноте, затаив дыхание, и жили эти очень маленькие
существа.
Вдруг в один прекрасный день в теремок кто-то постучал. Пока очень маленькие
существа искали в темноте, где дверь, прекрасный день подошел к концу. Но не
потому, что слишком долго дверь искали, а потому, что дни (и ночи) были тогда
намного короче нынешних.
Ночью очень маленькие существа дверь открыть побоялись. Мало ли кто там может
быть — большой и страшный. Ведь для очень маленького существа любой другой
будет если и не страшным, то уж большим наверняка.
Наступил следующий прекрасный день. Отворили они дверь. Стоит за дверью еще
одно очень маленькое существо и от смущения пурпуром переливается.
— Пустите, — просит этот пурпурный гость, — меня в теремок.
— Куда же мы тебя пустим, — хозяева отвечают, — здесь и так дышать нечем.
(В теремке и вправду серой попахивало. Тоже, наверное, от смущения.)
— Вы меня только пустите. Дышать сразу легче станет. Озадачились очень маленькие
существа. Но потому, что были они существами хоть и маленькими, зато гостеприимными,
пустили пурпурного просителя к себе.
Прижился пурпурный гость в теремке. Хозяйство свое отладил. И действительно
стало дышать легче.
Прошло еще много прекрасных дней. Опять стучат снаружи. Снова заползали очень
маленькие существа в темноте, пока дверь отыскали.
Стоят за нею новые гости. Одни — красные, другие — золотистые, третьи — зеленые,
а некоторые — даже сине-зеленые. Но все такие мелкие.
— Пустите нас, — говорят, — в теремок жить.
— Мы бы и рады вас пустить, — хозяева извиняются, — да темно у нас тут. Передавим
в темноте друг друга, того и гляди. Да и куда глядеть, коль ничего не видно?
— Вы нас только пустите, — разноцветные объясняют, — и свет в теремке появится.
Стали они жить вместе. Хозяева жилплощадь предоставляют. Пурпурные помещение
проветривают. А красные, золотистые, а главное — зеленые и сине-зеленые солнечные
батареи на крыше устроили и освещение наладили. Стало в теремке светло.
Какое-то время спустя опять в дверь стучат. Ну при свете-то ее быстро открыли.
А там кто-то такой бледненький и совсем махонький извивается.
— Пустите, — просит, — в теремок жить.
— Мы бы со всей душой, — хозяева вздыхают. — У нас теперь и дышится легко,
и видно все, да больно тесно стало. И съели вокруг теремка уже все почти. Пора
бы в другое место податься, да теремок бросить жалко.
— Ничего, — новый гость соглашается. — Я тут на крылечке примощусь. Может,
и пригожусь для чего.
Легли хозяева почивать. Наутро дверь открывают, чтобы гостя нового проведать.
Глядь — стоит теремок в другом месте, лучше прежнего.
Новый постоялец хоть и совсем махонький был, но так извернулся, что сдвинул
весь теремок с места и на новое место перетащил.
А поскольку он снаружи теремка постоянно торчал, приспособился жилец этот обо
всем, что там снаружи происходит, другим соседям рассказывать. И про то, что
там есть вкусного. И про то, где холодно, а где теплее. И о том, что чем пахнет.
Стало в теремке веселее прежнего. Со временем там компьютерный центр наладили.
Но не для того чтобы в стрелялки да пулялки поигрывать, а чтобы всю информацию
о теремке там схоронить.
Информация та на особых лентах полосатых записана была. Значилось на них, и
как теремок заново отстроить. А чтобы накопленная информация зря не пропадала,
делили эти ленты пополам. Потом с соседними теремками такими половинами обменивались.
Как обмен наладился, в каждом теремке много чего нового узнали. Стали тогда
теремки многоквартирными да многоэтажными строить. Сначала из одинаковых блоков.
Потом из разных. Так, чтобы и кухня отдельно была, и санузел от кухни отгорожен.
И всякие другие подсобные помещения при нем находились.
И были то уже не просто теремки, а палаты белокаменные.
Протерозой длился два миллиарда лет. За это время прекратился круговорот железа, ушедшего в железистые кварциты. Постепенный рост материков и разрушение метановой оболочки привели к началу оледенений, а оледенения — к перемешиванию океанических вод, обогащению их кислородом и выносу питательных веществ. С расширением пространства, доступного жизни, началось преобразование самих организмов, и около одного миллиарда лет назад микробные сообщества были разбавлены эукариотами. Кислородная атмосфера вкупе с похолоданием положила конец господству бактериальных сообществ, но дала начало поступательному развитию эукариот, которым требовалось больше энергии. Бактерии постоянно меняли условия среды. Но, преобразуя ее, они сделали планету пригодной для эукариот и особенно — для многоклеточных животных. Последние отныне получили практически неизменные условия, в рамках которых лишь замещали друг друга, постоянно прибавляя в разнообразии и сноровке. К самому концу протерозоя эукариоты существенно потеснили прокариот. Бурный рост водорослевого планктона отрицательно повлиял на освещенность морского дна и климат. Обилие микробных строматолитов в морских отложениях сократилось. Но появились водорослевые луга, среди которых поползли первые многоклеточные животные.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРОЛОГ......................................................................................
3
ВВЕДЕНИЕ
НЕМНОГО О ТРИЛОБИТОВЕДАХ.......................................4
Особенности полевого сезона....................................................4
Настольные игры..........................................................................6
Маленькое отступление.............................................................13
ГЛАВА I
В ГЛУБОКОМ АРХЕЕ, ИЛИ ЧТО ОСТАЕТСЯ,
КОГДА НИЧЕГО НЕ ОСТАЕТСЯ
(3900 – 2500 млн лет назад).......................................................18
Пролог.........................................................................................
18
Самые первые.............................................................................20
Листая каменные страницы.......................................................26
Под газом......................................................................................29
Магнитная карта..........................................................................31
ГЛАВА II
ОЧЕНЬ КРАТКОЕ ПОВЕСТВОВАНИЕ
О ЗЕМНОЙ ЖИЗНИ В ТЕЧЕНИЕ ДВУХ МИЛЛИАРДОВ
ПРОТЕРОЗОЙСКИХ ЛЕТ (2500 – 605 млн лет назад)..........35
Морозильная камера....................................................................35
Синдром «Фольксвагена»...........................................................39
Держи карман шире.....................................................................40
Полет валькирии..........................................................................44
Снежный ком, вертящийся на боку............................................47
Основательная сказка про теремок.............................................53
ГЛАВА III
ЖИТИЕ НАДУВНЫХ МАТРАСОВ
(вендский период: 605 – 550 млн лет назад)..............................57
По дороге в сумасшедший дом.....................................................57
Конец садов Эдиакары.................................................................61
Наше наследие...............................................................................64
Другие обитатели вендского периода.........................................67
Бесконечная сказка про облачко..................................................68
ГЛАВА IV
МИР, КОТОРОГО НЕ МОЖЕТ БЫТЬ
(кембрийский период: 550 – 490 млн лет назад)........................70
В середине начал ..........................................................................70
В стране гондов.............................................................................76
Для чего нужны ангелы................................................................79
Специалист по донованам...........................................................82
Решение кембрийской головоломки............................................83
Животное, которое поставили на голову....................................86
Пришел серенький волчок............................................................88
Страшная сказка про серых волков
и красных шапочек (первая серия)...............................................89
ГЛАВА V
ВЕЛИКАЯ ОРДОВИКСКАЯ РАДИАЦИЯ
(ордовикский период: 490 – 443 млн лет назад)........................93
Надежная опора............................................................................93
Дальше — больше......................................................................
102
Меч..............................................................................................
105
...и щит.........................................................................................
111
Всплываем!.................................................................................
114
Нежданно-негаданно..................................................................
115
Страшная сказка про серых волков
и красных шапочек (последняя серия).......................................116
ГЛАВА VI
РИФЫ И РЫБЫ (силурийский и девонский периоды:
443 – 354 млн лет назад)..............................................................121
О губках........................................................................................
121
Губки под коралловым покровом..............................................
126
Живучая тварь — Змей Горыныч..............................................
127
Коралловые бусы........................................................................
129
Среди рифов и мифов.................................................................
131
Золотые рыбки............................................................................
137
Ворчливая сказка о рыбаке и золотых рыбках.......................... 143
ГЛАВА VII
НА СУШЕ И НА МОРЕ
(силурийский и девонский периоды:
443 – 354 млн лет назад).............................................................
146
Поросли и заросли......................................................................
146
Первое наземное.........................................................................
150
Трубопровод................................................................................
152
Салат с грибами..........................................................................
154
А теперь о погоде.......................................................................
156
Мокрая сказка про Русалочку.....................................................
159
ГЛАВА VIII
ПОШЛИ! ИЛИ СКАЗКА О ЦАРЕВНЕ-ЛЯГУШКЕ
(каменноугольный и пермский периоды:
354 – 248 млн лет назад).............................................................167
Время гигантских трав...............................................................
169
На взлет!......................................................................................
173
Вездесущие шестиножки............................................................
176
Первые шаги...............................................................................
178
Паруса и щеки.............................................................................
184
Дурацкая сказка про Ивана-царевича
и царевен-лягушек......................................................................
188
ГЛАВА IX
ОТ САМОГО БОЛЬШОГО ВЫМИРАНИЯ
ДО МЕЗОЗОЙСКОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ
(триасовый, юрский и меловой периоды:
248 – 65 млн лет назад)...............................................................193
Хуже некуда................................................................................
195
Мезозойская перестройка..........................................................
197
Дробители и взломщики............................................................
198
Квартирный вопрос....................................................................201
Свернутые и вывернутые...........................................................203
Из жизни бульдозеров.................................................................205
История с бормашиной...............................................................206
Очистные сооружения................................................................207
Световоды ...................................................................................210
Опасная сказка об Отшельнике..................................................213
ГЛАВА Х
СРЕДИ ХВОСТАТЫХ, ГОРБАТЫХ И ПЕРНАТЫХ
(триасовый, юрский периоды и раннемеловая эпоха:
248 – 99 млн лет назад)...............................................................216
Шишки на дереве.........................................................................218
Пусто место долго не бывает......................................................223
Немного о динозаврах.................................................................229
Холодно-теплее...........................................................................236
Крылоящеры................................................................................240
Курица, не птица.........................................................................244
Правдивая песня про гадких лебедей........................................246
ГЛАВА XI
ОТВЕТНЫЙ УДАР (позднемеловая эпоха
—
середина палеогенового периода: 99 – 55 млн лет назад).......252
Катастрофа или беда?.................................................................252
Вернемся на землю.....................................................................256
Цветы новой жизни....................................................................257
Хозяева хозяев.............................................................................260
Большой слив..............................................................................262
Мезозойское послесловие..........................................................264
Млечный Путь............................................................................268
След бегущего кита.....................................................................272
Любопытная сказка про слоника (по Редьярду Киплингу).....274
ГЛАВА XII
ПО ГАЗОНАМ ХОДИТЬ! (середина палеогенового
—
начало неогенового периода: 55 – 5 млн лет назад)................279
История лошади..........................................................................279
Дождь смоет все следы...............................................................288
Газонокосилыцики......................................................................289
Кремнёвый океан........................................................................300
Подслушанная сказка о последнем ямути.................................303
ГЛАВА XIII
ПЛАНЕТА ОБЕЗЬЯН (конец неогенового и четвертичный
период: 5 млн лет назад – современный период)....................312
«Тени забытых предков»............................................................312
Моя родословная........................................................................318
От предыстории к истории.......................................................323
ГЛАВА ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
ЗАДОЛГО ДО ВСЕХ (свыше 3900 млн лет назад)................327
Низы и верхи..............................................................................327
Залетные пришельцы................................................................328
Горячие точки............................................................................334
Обратный отсчет.......................................................................337
Что было, когда еще ничего не было.......................................340
ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ
«СТАРИКАШКА ЭДЕЛЬВЕЙС»,
ИЛИ ЧЕТВЕРТАЯ ВЛАСТЬ +
ДЕБИЛИЗАЦИЯ ВСЕЙ СТРАНЫ (наши дни)....................344
