Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей - Нил Шубин

Свыше миллиарда лет назад, когда наши предки перешли из микроскопического мира Левенгука в мир Галилея, они приобрели новые возможности. Они покинули мир, в котором правит межмолекулярное взаимодействие, и вошли в мир, в котором доминируют законы гравитации. Этот важнейший момент в нашем прошлом отразился в наших клетках, в камнях — и в том, как многие из нас умирают.

Воздух!

Отпечатки дисков, полос и ветвей на 600-миллионнолетних камнях кажутся малопримечательной группой окаменелостей, но это впечатление обманчиво. Это следы, оставленные настоящими революционерами: организмами совершенно нового типа, прежде невиданными. Это первые организмы, тело которых состояло не из одной, а из многих клеток.

«Изобретение» тел изменило нашу планету. Максимальный размер одноклеточного организма зависит от расстояния, на которое могут диффундировать молекулы, а оно определяется законами физики. Эти ограничения определяют способ питания, дыхания и воспроизводства организма. У маленьких животных транспорт кислорода может осуществляться просто за счет диффузии. При увеличении размера появляется необходимость в новых механизмах доставки питательных веществ и удаления отходов метаболизма. Как это делается? Более крупные животные имеют специализированные системы циркуляции крови, выведения отработанных веществ и снабжения тканей кислородом. Сердца, жабры и легкие нужны только крупным животным. Появление этих специализированных органов меняет правила игры. Все это сложное оборудование позволяет животным становиться еще больше и реализовывать многие новые возможности, недоступные муравью.

Окаменелые остатки многоклеточных животных появляются в ископаемой летописи довольно внезапно, но, судя по тем данным, которые можно получить из анализа генома современных организмов, переход от одноклеточных организмов к многоклеточным готовился длительное время. В первые два с половиной миллиарда лет существования наша планета была лишена крупных существ. Около миллиарда лет назад в морях начали появляться отдельные виды многоклеточных организмов, в том числе растения, грибы и животные. Появление тел произошло не по волшебству. Набор молекулярных инструментов — белков, жиров и других крупных молекул, позволяющих клеткам «склеиваться» и взаимодействовать — имеется не только у многоклеточных организмов. Варианты таких молекул встречаются и у маленьких одноклеточных существ, которые используют их для питания, перемещения и даже для передачи сигналов. Биологические механизмы, необходимые для «постройки» крупных существ, сформировались за миллиарды лет до того, как на планете появились сами эти существа.

Что же стимулировало этот процесс и позволило крупным существам воплотиться в реальной жизни? Ответ на этот вопрос опять-таки можно найти в горных породах, содержащих железо.

Невысокий, поджарый Престон Эрсель Клауд-младший (1912–1991) был одной из главных фигур в послевоенной палеонтологии. Окончив среднюю школу и имея тягу к путешествиям, он поступил на три года в ВМФ и стал чемпионом по боксу в легчайшем весе на Тихоокеанском флоте. Во время Великой депрессии он продолжил учебу и в итоге стал главным палеонтологом Геологической службы США. Он был чрезвычайно дотошным полевым исследователем и снискал уважение подчиненных. Проводя геологическое картирование, он нередко ползал по слоям горных пород, вглядываясь в них с расстояния в несколько сантиметров. Во время одного из таких походов в Техасе он в кустах можжевельника столкнулся буквально нос к носу с крупной гремучей змеей. Один из его коллег вспоминал: «Прес не из тех, кого легко напугать. После нескольких минут взаимного изучения змея уползла».

Престон Клауд

У Клауда был особый талант: на основании детального рассмотрения слоев породы он мог восстановить общую картину событий. В его глазах планета представляла собой одну большую систему, в которой история жизни и изменение климата, океанов и континентов складывались в единое целое.

И если поиски железа привели к обнаружению первых живых существ, то само железо позволило понять их связь с планетой. Богатые железом слои горных пород начали появляться на всех континентах около двух миллиардов лет назад. В Австралии, Северной Америке и в Африке они образуют одинаковые красно-коричневые слоистые отложения. Каждый, кто хоть однажды оставлял в гараже влажные инструменты, знает: этот цвет связан с химическими свойствами железа. Железо взаимодействует с кислородом воздуха, и в результате образуется красно-коричневая ржавчина.

В самых древних породах планеты такой ржавчины нет. Четыре с половиной миллиарда лет назад, когда Земля образовалась, она сама являлась единственным существенным источником атмосферных газов. При извержении вулканов выделялись разнообразные газы, но только не кислород. Нам легче дышалось бы на вершине нынешнего Эвереста, чем на той древней Земле. Полосы ржавчины в более молодых слоях означают, что в атмосфере появился кислород.

Содержание кислорода в атмосфере определяется равновесием между процессами, в которых он образуется, и процессами, в которых он потребляется. Если вы откроете кран, но не заткнете ванну пробкой, уровень воды в ванне будет определяться скоростью притока и оттока. Скорость поступления кислорода в древнюю атмосферу определялась характером жизнедеятельности организмов. Большинство одноклеточных существ, живших в среде с низким содержанием кислорода, имело одну особенность. Если судить по их современным родственникам, они использовали фотосинтез. Фотосинтезирующие организмы превращают энергию Солнца в ту форму энергии, которую они способны использовать. Кислород им для этого не нужен, но они его производят. Единственным источником кислорода на первозданной Земле был тот же источник, что и сегодня — фотосинтезирующие организмы. Сегодня к этой группе организмов относятся также различные микробы и растения, но миллиарды лет назад это были только сине-зеленые водоросли. Именно их мы видим в камнях, которые разглядывали под микроскопом Тайлер и Баргхорн. Древние водоросли очень похожи на современные: у них есть клеточная стенка, они формируют колонии (от маленьких сгустков до грибоподобных образований). Именно водоросли, сотни миллионов лет синтезировавшие кислород, позволили Земле начать дышать.

Содержание кислорода в воздухе определяется балансом сил, которые его производят (метаболизм водорослей) и которые его потребляют (реакции в горных породах, в воде и в атмосфере).

Водоросли были источником кислорода в древней атмосфере. А кто же был его потребителем? Некоторые молекулы в атмосфере могут связывать кислород, образуя новые соединения. Например, подводные вулканы выбрасывают газообразные продукты, образующиеся при плавлении минералов на океаническом дне. Эти газы связывают кислород, удаляя его из воздуха. Таким же свойством обладают и другие реакции между минералами, водой и воздухом. Одна из гипотез, объясняющих повышение содержания кислорода в атмосфере, заключается в том, что около двух миллиардов лет назад произошло серьезное географическое изменение, приведшее к уменьшению площади океанов и числа подводных вулканов, газообразные продукты деятельности которых связывают кислород. При наличии водорослей, производящих кислород, и исчезновении механизмов его потребления уровень кислорода постепенно повышался.

Клауд смог в единой теории соединить все наблюдения: и полосы железа, и водоросли, производящие кислород, и появление крупных существ. Его теория вытекает из самой структуры атома кислорода. Кислород охотится за электронами, поскольку на его внешней электронной оболочке недостает двух электронов. На этом основан механизм действия домашних «электростанций» наших клеток — митохондрий, а также аэробных бактерий. В некоторых реакциях метаболизма, таких как дыхание, используется каскад передачи электронов между молекулами, причем на каждой стадии переноса электрона энергия либо запасается в новой форме, либо высвобождается. Чем больше вокруг свободного кислорода, тем больше топлива доступно живым существам.

Клауд также знал, что большие существа тратят больше энергии. Для синтеза коллагена и других белков, из которых состоит значительная часть нашего тела, нужно много энергии. Рост тела и поддержание его функций требуют более эффективных механизмов превращения энергии.

Ответить на многие вопросы о связи уровня кислорода с жизнью животных помогли наблюдения, сделанные еще в 1919 году одним из основоположников физиологии Шеком Августом Стинбергом Крогом (1874–1949). Он изучал физические и химические законы, определяющие физиологию животных. Один такой закон он открыл, исследуя зависимость между свойствами воды и живущими в ней существами. Размер тела примитивных морских существ, не имеющих сложной системы циркуляции или пищеварения, зависит от количества кислорода в воде. В среде с низким содержанием кислорода невозможно вырасти большим. При повышении уровня кислорода в воде увеличивается и размер ее обитателей.