Читать книгу Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения - Владимир Печенкин - Страница 7

Пока мы рассматривали процессы, которые происходили с огромными массами вещества. Теперь перейдем от планетарных масштабов к микромиру.

В мире звезд и планет важнейшую роль играет гравитация. В наномире, где обитают атомы, она не так важна. Здесь правит электромагнитная сила, которая проводит работу по перестановке отдельных атомов и молекул, образуя все многообразие веществ в нашем мире.

Атомы почти полностью состоят из пустоты. В центре расположено крошечное ядро из протонов и нейтронов, а по удаленным орбитам, каждая из которых связана со своим энергетическим уровнем, носятся электроны. При любой возможности они стремятся попасть ближе к ядру, ведь тогда орбита получается короче, и энергии требуется меньше. Обычно электрон вращается вокруг своего ядра, но, если подворачивается более «заманчивое предложение», этот изменщик может перескочить в соседний атом с незаполненной внешней орбитой. В результате этой «незаконной связи» образуется новое вещество. По сути, вся атомно-молекулярная жизнь основана на эквилибристике электронов.

Химическая связь между атомами возникает, когда их электронные оболочки объединяются. В одних случаях электронное облако делится по-братски – пополам. В других – более «наглый» атом перетягивает электронное «одеяло» на себя, и тогда перед вторым партнером встает дилемма: довольствоваться краешком облака, теснее прижимаясь к наглецу, или вовсе остаться без электрона. В случае, если облако растягивается на два ядра, образующаяся стабильная связка атомов называется молекулой.

Любая химическая реакция – это столкновение молекул и атомов, в результате чего происходит перераспределение их электронных облаков. Молекулы, словно гиперактивные дети, постоянно носятся туда-сюда и все время сталкиваются. Иногда от этого у них что-нибудь отваливается, или, наоборот, притягивается. Но для свободы передвижения нужно пространство маневра, а его не всегда хватает.

Первоначально Земля представляла спрессованные глыбы космических пород. С точки зрения химика, это были твердые вещества, состоящие из бесчисленного числа перемешанных молекул. В твердом веществе атомы «замурованы» в кристаллических решетках, словно узники в одиночных камерах, и электроны практически лишены возможности завязывать связи «на стороне», поэтому с образованием новых минералов в то время было туго.

Рождение сугубо земных минералов началось со скрипом в образующемся вязком астеносферном слое, когда атомы получили относительную свободу, барахтаясь в густом раскаленном расплаве. И только когда магма вырвалась наружу, все завертелось в сумасшедшем темпе. Огнедышащий ад обуял планету – извергающаяся лава вскипала у поверхности парами воды и исходила вулканическими газами. Перегретые частицы вулканического пепла сталкивались, терлись друг о друга, а баллоэлектрический эффект24 многократно усиливал электризацию пепла. И без того черное небо планеты (кислородной подушки у Земли пока не было) заволокли наэлектризованные пепло-газовые тучи, прорезаемые бесконечными вспышками молний.

По подсчетам вулканологов, в ходе извержения вулкана Тятя на Курилах в 1973 году число молний измерялось десятками миллионов! И это всего за два дня извержения, и из одного вулкана25.

В момент разряда в канале молний химические элементы ионизируются: электроны получают свободу. Дотошные исследователи подсчитали, что каждая молния выбрасывает в окружающее пространство 1х10²⁰ свободных электронов!

В пепло-газовом вулканическом столбе есть все необходимые для образования жизни компоненты: водяной пар, водород, аммиак, углеводороды, СО, СО₂, соединения серы и т. д. По мнению отечественного геолога Е. К. Мархинина – основателя биовулканологии, – «Вулканические извержения, и в первую очередь пепло-газовые вулканические столбы, явились мощными природными химическими реакторами, в которых в большом масштабе образовывались сложные, биологически важные органические соединения – „молекулы жизни“. Именно с образования этих вулканогенных „молекул жизни“ на Земле началась молекулярная эволюция по пути к преобразованию неживой материи в живую, приведшая впоследствии к возникновению жизни»26. Но, с другой стороны, если разряд электричества способен породить органические молекулы, то он же может и растерзать их в клочья.

Современные исследователи полагают, что добиологические молекулы, давшие впоследствии старт Жизни, образовались в ходе менее затратных химических реакций. Например, Михаил Никитин, научный сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского полагает, что жизнь возникла в грязи, точнее вокруг грязевых вулканов (такие вулканы «извергаются» не благородной лавой, а жидкой глиной)27, а известный популяризатор науки, британский биохимик Ник Лейн считает, что для возникновения Жизни и вовсе необходимо и достаточно было всего лишь трех компонентов: горной породы, воды и углекислого газа28. То есть жизнь возникла на грани трех агрегатных состояний вещества – твердого, жидкого и газообразного. Но американские ученые палеонтолог Питер Уорд и геобиолог Джо Киршвинк все же уверены, что именно катаклизмы способствовали появлению жизни, причем больше, чем все остальные силы вместе взятые29. Есть мнение, что основной вклад в этот процесс внес уран30, но это представляется малоубедительным – ведь в раннем архее уран еще не накопил значительных концентраций и не обзавелся собственными минералами, чтобы дать толчок зарождающейся Жизни. Все это занимательно, но… не наша тема.

Так возникла жизнь или эдак – не принципиально, для нас важнее, как она «работает». Для ее поддержания нужен постоянный приток энергии. Для всех живых организмов (и для нас, людей, в том числе) это потенциальная химическая энергия, заключенная в пищевых веществах. Мы заряжаемся пищей, которая содержит избыточные электроны и вдыхаем кислород, который их принимает. Организм расщепляет пищу, отрывая электроны, которые проходят сквозь клетки, участвуя в сложном комплексе химических реакций. В ходе этого процесса клетки вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) – молекулу, которая действует как накопитель энергии почти во всех живых организмах. То есть для получения энергии организм постоянно должен пропускать через себя поток электронов, получая их с пищей. Мы живем, заряжаясь электронами.

На заре Жизни мир был полон свободных электронов и некоторые организмы приспособились питаться электрической энергией, вкушая голые электроны «без гарнира». Сегодня выявлено около десятка разновидностей древнейших бактерий, потребляющих электричество напрямую31. Причем при закислении среды до рН=2 (что примерно соответствует кислотности первобытного океана и архейской атмосферы) «прожорливость» этих микробных сообществ возрастает на два порядка32. Косвенно это может означать, что разнообразие подобных микроорганизмов в те эпические времена было значительно больше, но, не сумев приспособиться к изменяющейся обстановке, далеко не все из них дожили до наших дней.

Со временем вулканическая вакханалия молодой планеты стала утихать, количество «неприкаянных» электронов в окружающей среде снизилось, и бактериям пришлось переходить на новый рацион питания. Выжили те, которые приспособились встраиваться в геохимические циклы, и использовать электроны, которыми обмениваются химические элементы во время реакций.

В ходе геохимического круговорота, запущенного Луной, первородные космические породы и минералы вступали в химические реакции с образованием новых, уже сугубо земных отложений. Процессы сопровождались выделением или поглощением тепла и энергии, при этом преобладали окислительно-восстановительные реакции, происходящие благодаря обмену электронов между веществами. К чисто химическим реакциям начали присоединяться непрошенные участники – микроорганизмы – так называемые хемоавтотрофы33, используя электроны для своих нужд. С помощью белков-ферментов они научились многократно ускорять реакцию, и, если реакция идет с выделением энергии, она подхватывается живым веществом и используется для синтеза АТФ. Имея запас АТФ хемоавтотрофы получают возможность осуществлять уже те реакции, которые идут с поглощением энергии, например, синтез органики из углекислого газа.

Донорами электронов для хемоавтотрофов архея могли выступать водород и сероводород, двухвалентное железо или соединения аммиака. В поисках пропитания – необходимых электронов и микроэлементов – бактерии с энтузиазмом принялись разлагать горные породы. С той поры хемоавтотрофы ведут с горными породами настоящую войну, воздействуя на них богатым арсеналом химического оружия. Некоторые бактерии в процессе жизнедеятельности выделяют муравьиную, уксусную, пропионовую, азотную, серную (вплоть до 10%-ого раствора, способного прожечь бумагу!) и другие кислоты, разрушающие минералы.

В течение первого миллиарда лет существования биосферы прокариоты здорово «пощипали» каменную оболочку Земли и между делом сократили свою кормовую базу. Но Жизнь не стояла на месте: все это время одна за другой появлялись новые формы микробов и бактерий со своими способами получения энергии из окружающего пространства.

Примерно 3,7—3,2 млрд лет назад некоторые микробы научились немного «подкармливаться» солнечным светом. Да, это уже был фотосинтез, но пока еще не полноценный – аноксигенный, в ходе которого не происходит выделения кислорода. Световую энергию солнца бактерии научились переводить в разность электрохимических потенциалов, которая использовалась клеткой для синтеза АТФ. Конечно, это был гораздо менее эффективный способ утилизации солнечной энергии по сравнению с настоящим фотосинтезом, но зато и более простой.

Живые существа, овладевшие секретом аноксигенного фотосинтеза, получили доступ к неисчерпаемому источнику энергии – солнечному свету. Но их зависимость от дефицитных химических веществ все еще сохранялась, ведь для фотосинтеза одного света мало – нужна еще какая-нибудь субстанция, от которой можно оторвать электрон: например, сероводород или железо.

Ориентировочно в это же время (свыше 3,2 млрд лет назад) появились и гетеротрофы. Это значит, что к этому времени микробы-первопроходцы накопили «жирок» и Земля обзавелась достаточным количеством органики, способным прокормить новое поколение Жизни. Появились так называемые бродильщики. Кислород в то время еще был в жутком дефиците, поэтому они приспособились получать энергию за счет бескислородной ферментации (сбраживания) отмерших собратьев.

«Сообразив», что в одиночку прожить трудно, микробы на самых ранних этапах развития Жизни начали сотрудничать, сообща решая задачи выживания. Высшим достижением первого миллиардолетия жизни стали сложные микробные сообщества – бактериальные маты, которые появились предположительно 3,55 млрд лет назад. В основе их жизнедеятельности еще лежал аноксигенный фотосинтез. Эта форма жизни господствовала на планете в неизменном виде сотни миллионов лет, пока Жизнь не совершила новое открытие: примерно 2,7 млрд лет назад появились цианобактерии, открывшие миру кислородный фотосинтез. Жизнь приспособилась перерабатывать лучевую энергию солнца с бо́льшим КПД. Это «изобретение» стало важнейшим поворотным пунктом: в ходе оксигенного фотосинтеза донором электрона является уже не горная порода, а поистине неисчерпаемый земной ресурс – обычная вода, а побочным продуктом – кислород. Кислородный фотосинтез сделал бактерии независимыми от соединений серы и железа и открыл перед ними небывалые возможности. Но за все надо платить – кислород оказался настоящим ядом для существовавших на тот момент форм жизни. Спокойному существованию анаэробных организмов микроорганизмов на планете пришел конец: началась борьба за выживание. И все-таки, несмотря на появление цианобактерий, господство прокариот на Земле продолжалось еще почти два миллиарда лет.

Возникшие в архее бактериальные маты по уровню целостности вплотную приблизились к настоящему организму, но все-таки не достигли этого уровня. Прокариоты так и не смогли дать начало многоклеточным организмам, для этого они были слишком эгоистичны: каждый отдельный микроб «был сам за себя» и теоретически имел возможность вернуться к самостоятельной жизни вне коллектива. В этом сообщество мата схоже с муравейником – каждый муравей тоже может в любой момент покинуть собратьев – но долго ли он протянет в этом жестоком мире? Как и в муравейнике, жильцы бактериальной колонии имели свои обязанности. «Настройка» этого сообщества происходила в зависимости от меняющихся условий среды.

Первоначально бактериальные маты, вероятно, состояли из двух слоев, то есть это был еще не мат, а так – биопленка. Ее верхний этаж населяли аноксигенные фототрофы, которые к этому времени научились синтезировать органику из углекислого газа атмосферы. Но чтобы преобразовать энергию света в энергию электронов силенок им не хватало, и они отнимали электроны у того же железа, растворенного в водах первичного океана. Тут им на помощь приходили электробактерии. Современные исследования показывают, что эти последние могут объединяться в «нанопровода» длиной до нескольких сантиметров (вполне достаточно, при «стандартной» толщине пленки в 1—2 см) и переносить электрон по живой электроцепи34. Эдакий живой «электропровод», опускался в «подпол», нащупывал в мутной воде ион железа, забирал у него электрон и передавал в верхние слои мата собратьям для пропитания, с помощью которого они и превращали углерод углекислого газа в органические молекулы.

Нижний слой биопленки был представлен «падальщиками». Здесь обитали бродильщики, которые питались «чем бог послал» – отмершей органикой верхнего слоя и отжившими свой век (сгоревшими на работе, так сказать) электрическими бактериями. Этот этаж они делили с анаэробными хемолитотрофами: серными бактериями, железобактериями и другими, которые занимались переработкой и утилизацией горных пород.

Пытаясь защититься от жесткого ультрафиолетового излучения, бактерии верхнего слоя выделяли липкую субстанцию (выражаясь по-научному – внеклеточное полимерное вещество) на которую налипала мельчайшая муть, плавающая в океане. Процесс можно сравнить с накоплением пыли на мебели у нерадивой хозяйки. Кроме того, микробные сообщества научились изменять среду обитания: при наличии в воде большого количества взмученных частиц они стали синтезировать поверхностно-активные вещества – сурфактанты, в присутствии которых частицы оседали и слипались35. Жить под защитой тонкого полупрозрачного слоя осадка микроорганизмам было выгодно: все-таки это была какая-никакая дополнительная защита от ультрафиолета, да и необходимая микробам влага здесь дольше сохранялась. Но когда накапливался критический слой минеральной пыли, затемнявший свет, бактерии прорастали сквозь еще не схватившийся осадок этажом выше, образуя новую поверхность. И это продолжалось снова и снова. Так бактерии, утилизируя водную муть древних океанов слой за слоем, начали строить свои жилища. Нижележащие осадки постепенно минерализовались, образуя полосчатые волнообразные отложения – строматолиты36. Современные строматолиты прирастают со скоростью 0,3 мм в год, правда, они растут несколько по-другому. Двухэтажные маты архея – раннего докембрия только структурировали естественное осадконакопление, подчеркивая границы слойков отмершей органикой, – строматолиты не создавались бактериями. Полосчатость строматолитов объясняется изменением скорости образования осадка. Если налипание минеральной «пыли» было медленным, бактерии прорастали через рыхлый осадок, словно по расписанию и без проблем. При «лавинообразном» накоплении осадка микроорганизмы проползали сквозь накопившийся аномально толстый слой с трудом и не без потерь. На этой стадии сообщество было наиболее уязвимо и теряло по пути часть товарищей. Некоторым из «усопших» «повезло» сохраниться до наших дней в виде тончайших нитей окаменевшего органического вещества – керогена толщиной 2—7 мкм (человеческий волос имеет диаметр 80—110 мкм). Окаменевшие остатки недоползших до поверхности микробных цепочек идентифицированы учеными в строматолитах Онвервахта (ЮАР) и Варравуна (Западная Австралия) возрастом 3,5 млрд лет37. То есть слоистость древнейших строматолитов связана с чередованием периодов вольготной жизни бактерий и периодами «темных» веков, когда им приходилось бороться за существование.

Другое дело – цианобактериальные маты, которые появились позже. Они формировали осадок иначе: строматолиты росли уже не под матом, а непосредственно внутри него. К этому времени цианобактерии уже полностью освоили фотосинтез: днем они активно захватывали растворенный в воде углекислый газ, а ночью – нет. За счет этого в толще мата возникали суточные перепады кислотности среды, на которых гидрокарбонат кальция, растворенный в воде, – Ca (HCO₃) ₂ кристаллизовался мельчайшими корочками карбоната кальция – Ca (CO₃), наращивая отложения строматолита38.

Микроорганизмы, возводя свои постройки, работали не только строителями, но и как фильтры и сорбенты разных элементов, четко отражая особенности окружающей среды во время роста. Строматолиты архейского возраста далеко не всегда сложены чистым карбонатом кальция (известняком), в отличие от более молодых – протерозойских, они часто представлены магниевым или железистым карбонатом – доломитом (CaMg (CO₃) ₂) или сидеритом (FeCO₃). Весь архей происходило образование строматолитов, которые специализировались не только на карбонатах, но и на кремнистом веществе (SiO₂), изредка они формировались на основе фосфатов (Ca₃PO₄) ₂)39.

По сути, строматолиты – окаменевшие маркеры Жизни, обнаружив их, можно с уверенностью утверждать, что в это время биосфера уже вовсю преобразовывала каменную оболочку планеты. Древнейшие строматолиты найдены в кратоне Пилбара в Западной Австралии и в зеленокаменном поясе Барбетон в Южной Африке – их почтенный возраст составляет 3,5—3,3 миллиарда лет40; следы жизни в строматолитах Карелии и Приднепровья Украины ненамного моложе – 3,1—3,0 млрд лет41. Не первый год научное сообщество ломает копья о происхождении отложений формации Исуа в Гренландии. Регулярно появляются публикации об их биогенном происхождении. С такой же периодичностью печатаются опровержения. Противники и сторонники подтверждения или опровержения самых ранних следов жизни не могут прийти к консенсусу. Относительно недавно была опубликована статья австралийских геологов в содружестве с британским ученым из Оксфорда Кларком Френдом, утверждающая, что в отложениях формации Исуа в Гренландии сохранились строматолиты возрастом 3,8—3,7 млрд лет42.

Но в поисках наиболее ранних следов жизни этих исследователей обошли ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе. В микроскопических австралийских цирконах, тех самых, где геологи обнаружили следы урана, биологи рассмотрели зачатки жизни. Они утверждают, что выделенные ими из цирконов наночастицы углерода имеют смещенное изотопное соотношение, типичное для живых систем, то есть, по мнению исследователей, это несомненные следы жизни, существовавшей на Земле 4,1 миллиарда лет назад43. Правда, что это были за организмы и в каких условиях они жили – большой вопрос. Да и вообще, был ли мальчик? Вернее, микроб.

Вот, например, какую шутку с исследователями выкинули те же цирконы. Группа немецких и австралийских ученых под руководством Мартины Меннекен обнаружила в кристаллах циркона возрастом 4,3 миллиарда лет микроскопические вкрапления алмазов44 и начала делать далеко идущие выводы. Однако в 2013 году исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде установили, что пресловутые алмазы входили в полировальную пасту, которой обрабатывали цирконы при подготовке к исследованию45.