Научное мировоззрение изменит вашу жизнь. Почему мы изучаем Вселенную и как это помогает нам понять самих себя? - Евгений Плисов

Когда идет речь об изменении облика планеты, говорится в прямом смысле. Цианобактерии научились вырабатывать кислород во время своей жизнедеятельности, а кислород – крайне реакционно-активное вещество. Выделяемый из толщ цианобактериальных матов, он начал окислять все вокруг, и в первую очередь минералы. Углекислый газ атмосферы шел на питание цианобактерий, они выделяли кислород, а чем меньше углекислого газа, тем меньше парниковый эффект. Угарный газ окислялся кислородом до углекислого и тоже шел на ужин цианобактериям. Метан также окислялся кислородом до углекислого газа и поглощался цианобактериями. Это приводило к еще большему антипарниковому эффекту. Кислород, накапливаясь в воздухе, поднимался все выше, пока не доходил до стратосферы, где под действием ультрафиолета звезды превращался в озон (O2 → O3). Планета была абсолютно не готова к тому, что к возрасту в 2 млрд лет в ее атмосфере накопится более 1 % кислорода и ее облик вновь начнет меняться. Кислород ускоряет выветривание горных пород, приводя к коррозии, и разрушает железосодержащие породы, превращая их в нечто ржаво-красное. Земля сменила свою окраску с темно-серой на ярко-красный цвет ржавчины и, как мы увидим в дальнейшем, большую часть своей истории представляла собой смесь синего океана с красной марсианской коркой. Правда, в отличие от современного Марса на ней было куда больше контрастов: белые облака странствовали в атмосфере, красная почва заканчивалась зелеными и бурыми водорослями на берегах водоемов, в недрах появилась большая часть известных 4500 минералов. Вдохните поглубже, и вы насытите свое тело живительным кислородом, тем самым, что начал копиться 2,5 млрд лет назад. Сядьте на песчаном пляже, и под вами будут сотни тонн кислорода, выделившегося в те далекие времена. Песок под вами представляет собой оксид кремния, SiO2, и на один атом кремния приходится по два атома кислорода. Наша планета на треть состоит из кислорода, она пропитана кислородом – крайне едким соединением, позволяющим земной фауне активно жить.

Кто бы мог подумать, что, вдыхая каждые несколько секунд воздух, мы обновляем свое тело газом, выделенным теми созданиями, кто в итоге стал блестящим полированным шариком, стоящим у кого-то на полке в гостиной. Организмам пришлось приспособиться к такому количеству кислорода. Теперь в большинстве клеток работают многочисленные ферменты, направленные на уничтожение лишнего опасного кислорода и его разнообразных активных форм. Популярные сегодня антиоксиданты работают как раз на нейтрализацию подобных соединений. Некоторые организмы решили не делать такую защиту и остались там, где кислороду нет места: в глубинах океана, толще ила, на дне болот, в кипящих гейзерах. Для них свободный кислород смертельно опасен, и называются они анаэробы, то есть бескислородные. А тем временем планета вступает в свой самый долгий период, протерозой, и занимается она этим, когда крохотные бактерии, решившие не прятаться от кислорода, делают свой первый вдох.

На отметке в 2,4 млрд лет назад произошла кислородная катастрофа. До сих пор всеми любимый кислород окислял все подряд и уносил с собой в виде осадка большинство химических соединений. Железо в океане почти 1,5 млрд лет поглощало большую часть кислорода, оседая в виде форм оксида железа, а именно магнетита (FeO•Fe2O3) и гематита (Fe2O3). Когда железо полностью осело, кислород начал копиться в атмосфере и проявлять свои агрессивные свойства. До сих пор существовавшая жизнь была на развилке трех дорог: приспособиться к кислороду, сбежать от него либо безвестно погибнуть. В любом случае туго пришлось всем, так как температура на планете начала стремительно снижаться, несмотря на все более активное Солнце. Набирает силу антипарниковый эффект, что приводит к крайне необычному явлению – снегопаду. Приходит Гуронское оледенение.

Согласно современным данным, протерозой начался с массового похолодания. Гуронским это оледенение назвали в честь озера Гурон в южной части Канады, где обнажившиеся горные породы раскрывают события тех морозных времен. Пласты породы, насыщенные гематитом, пришли на смену осадочным толщам пирита (FeS2), копившимся в условиях бескислородной среды, а между этими пластами залегает слой ледниковых отложений. Похолодание длилось около 300 млн лет, затем планета немного оттаяла. Подобные похолодания и потепления будут еще не раз, но в конце протерозоя планета вновь вернется в статус гигантской морозилки. Об «Антарктиде» на территории всей планеты мы поговорим в конце этой главы.

Жизнь тем временем не спит и продолжает развиваться. Появляются первые эукариоты, то есть существа, состоящие из клеток с ядром. У прокариотов, доядерных, генетический материал находится в бульоне цитоплазмы чаще всего в виде кольца. Это кольцо называется нуклеоид и представляет собой одну бактериальную хромосому. Это выгодно, когда вы боретесь за максимально быстрое размножение. Кишечная палочка (Escherichia coli), всем известный обитатель человеческого тела и тел других млекопитающих, способна делиться при оптимальных условиях каждые 20 минут. При каждом делении она удваивает свою численность, и нетрудно подсчитать, что, если бы ей никто не мешал, за несколько суток она покрыла бы земной шар многометровым слоем. Однако способности ее адаптации небезграничны, поэтому ей приходится довольствовать тем местом, куда ее определила судьба, то есть кишечником. Остается один нюанс: каким образом она может делиться раз в 20 минут, когда ее генетический аппарат рассчитан на деление раз в 40 минут? Просто физически прочитать и скопировать свой генетический код ее клетка может только за 40 минут, не меньше, но при этом она резво и бодро делится за 20. Чудо состоит в следующем: во время копирования кольца ДНК клетка начинает создавать еще одну копию… с только-только проклюнувшейся копии. Когда скопированное кольцо отделится от «материнского», оно само уже наполовину станет матрицей для копирования следующего. В итоге клетка разгоняет свою копировальную машину настолько, что вдвое превышает физический предел нормального деления. Хочешь жить – умей вертеться, а в данном случае – умело пользуйся встроенным в тебя принтером.

Как именно появились первые эукариоты, а точнее – как они стали обладателем ядра, не совсем понятно. Но в чем специалисты сейчас уверены, так это в том, что первые ядерные организмы тесно сотрудничали с доядерными. Дышащие бактерии взаимодействовали с эукариотами и образовывали симбиотические связи. Похожие отношения между бактериями сейчас можно наблюдать, например, в кишечнике мучнистых червецов. Вы даже могли с ними встречаться: эти насекомые любят покрывать некрасивым белым налетом драгоценные комнатные растения. В клетках кишечника червецов живет бактерия, в которой, как в матрешке, живет другая, еще более мелкая бактерия. Получается тройная матрешка. Червецы получают необходимые для жизни и роста аминокислоты из этих бактерий, снабжая их соком растений. Они работают как своеобразный конвейер: одна бактерия начинает цепочку синтеза, другая ее заканчивает. Соответственно, поодиночке они не в силах справиться с суммарной задачей – только вместе. Исследователи не могут даже с уверенностью заявить, что эта бактерия представляет собой «живой организм», настолько она непохожа на всех остальных. Скорее всего, она уже стала переходной формой между бактерией и органеллой, помогающей клетке-хозяйке выполнять свои функции. Геном этой странной бактериальной органеллы вмещает в себя лишь 121 ген, это минимальный на сегодня известный бактериальный геном. Правда, поскольку она такая странная, ее в расчет не берут и присуждают первенство искусственно созданной бактерии Mycoplasma laboratorium с ее 473 генами.