Обитатели земных глубин. О самых странных существах на планете - Карен Ллойд

нецелое число. Например, атомная масса углерода составляет 12,011. Каждый атом углерода должен содержать шесть протонов – иначе это не углерод. Однако получается невозможное: чтобы суммарная масса равнялась 12,011, углерод должен содержать 6,011 нейтрона. На свете не существует такой вещи, как одиннадцать тысячных долей нейтрона. Что же это означает? На самом деле число 12,011 – это не масса каждого конкретного атома углерода, а средняя масса всех атомов углерода на Земле. Большинство атомов углерода содержат по шесть нейтронов, но некоторые – семь или даже восемь. В результате сумма протонов и нейтронов в атомах углерода варьирует в пределах от двенадцати до четырнадцати, а в среднем составляет 12,011.

Живые организмы мастерски умеют различать эти едва заметные отклонения в составе атома углерода. А когда жизнь взаимодействует с химией, она оставляет след, который мы можем обнаружить, – как в окаменелостях. Углерод с восемью нейтронами в ядре обладает радиоактивными свойствами, то есть спонтанно распадается на другие элементы с выделением энергии. Однако при изучении химических окаменелостей это излучение нас не интересует. Когда мы пытаемся обнаружить признаки жизни с помощью изотопного анализа, нас интересует тот факт, что атом при наличии дополнительных нейтронов образует более прочные связи с другими атомами. Это минимальное различие в силе связей никак не влияет на химические свойства элемента, но принципиально важно для поисков признаков жизни.

Как именно мы используем изотопы в качестве химических окаменелостей? Как известно, живые существа потребляют диоксид углерода и превращают его во все необходимые органические молекулы (сахара, липиды, белки, нуклеиновые кислоты) в процессе автотрофии (хемолитоавтотрофии или фотоавтотрофии). Когда клетки случайным образом захватывают молекулы диоксида углерода, в них в основном попадает смесь атомов углерода с шестью и семью нейтронами. Оба изотопа делают свое дело, но версия с шестью нейтронами, образующая более слабые связи, реагирует быстрее, так что в теле организма оказывается больше углерода с шестью нейтронами, чем было в исходном соотношении[64]. И поэтому, когда мы обнаруживаем в древних породах органические соединения углерода, в которых средняя сумма нейтронов и протонов дает не 12,011, а, скажем, 12,005, мы знаем, что этот сдвиг был вызван присутствием живого организма.

Однако, чтобы привязать эти химические окаменелости к какому-то периоду времени, нам нужно знать возраст пород, в которых они содержатся. А как определить возраст пород? Ответ опять-таки кроется в изотопах, на этот раз – радиоактивных. Радиоактивные изотопы неустойчивы: они со временем распадаются с какой-то определенной скоростью. Обычно, когда мы рассуждаем о радиоактивном распаде, мы в основном обращаем внимание на энергию, которая при этом выделяется, поскольку она может либо стать причиной рака (как в результате аварии в Чернобыле), либо лечить от рака (радиационная терапия), либо поставлять пищу для микробов (см. главу 1). Но для определения возраста пород мы ориентируемся на реакции радиоактивного распада, которые происходят намного медленнее, чем те, что уничтожают рак. Измеряя радиоактивность изотопа в породах и зная скорость его распада, ученые могут определить возраст пород. К счастью, разные радиоактивные элементы в породах распадаются с разной скоростью, и поэтому анализом нескольких изотопов мы достаточно хорошо перекрываем всю временную шкалу истории Земли.

Например, если горная порода образуется на дне моря при разрыве мантии между двумя расходящимися тектоническими плитами, радиометрические часы сбрасываются на ноль – и начинается отсчет времени. В результате повсюду в земной коре есть крохотные радиометрические часы, тикающие с разной скоростью, которые показывают возраст горных пород. Время зарождения молодых пород можно определить по быстро распадающимся изотопам, таким как углерод. Для определения возраста древнейших пород нужно ориентироваться на радиоактивные изотопы с самой низкой скоростью распада, такие как цирконий. Точность датирования по медленно распадающимся радиоизотопам не самая высокая, однако эти оценки часто можно подтвердить с помощью дополнительной информации, поскольку горные породы почти всегда встроены между слоями других геологических материалов. Если радиоизотопный анализ показывает, что горной породе три миллиарда лет, но она зажата между угольными пластами, приходится признать, что измерения ошибочны, поскольку уголь образуется из мертвых растений, а растения появились на Земле лишь около ста пятидесяти миллионов лет назад. Однако если изотопный анализ показывает, что горная порода древняя, и соседние горные породы тоже выглядят старыми, то оценка, вероятнее всего, верна.

Возраст самых почтенных “изотопных окаменелостей” на Земле составляет 3,85 миллиарда лет. На большинство других вопросов о происхождении жизни, например где она возникла, у нас есть только приблизительные ответы, однако время появления жизни на Земле мы знаем достаточно точно. И это поразительно. Животные появились на свете лишь несколько сотен миллионов лет назад. А значит, миллиарды лет с момента начала эволюции жизнь на Земле была представлена исключительно микроорганизмами. И поэтому, изучая обитателей земных глубин и других микробов, мы изучаем образ жизни существ, которые всегда находились в главенствующем положении на этой планете, хотя мы и открыли их совсем недавно.

Впрочем, планета Земля на семьсот миллионов лет старше самых древних изотопных окаменелостей. Что происходило на планете в тот период? Хотя возраст Земли составляет 4,5 миллиарда лет, земным породам лишь около 3,8 миллиарда лет – по той причине, что поверхность планеты постоянно менялась в результате тектонической активности. В океанах возникали новые горные хребты, а старые разрушались в зонах субдукции, когда тектонические плиты погружались в мантию. Однако, по счастью, некоторые небольшие фрагменты коры не были захоронены в мантии. Представьте, что вы очень-очень медленно перемешиваете ингредиенты для приготовления теста. Ваша ложка уже проделала несколько кругов, но вы все еще видите немного яичного желтка, не слившегося с основной массой. Вот так же и с древними породами на поверхности Земли: некоторые из них не были перемешаны субдукционной ложкой. Нам повезло! В нескольких редких местах на Земле (в Южной Африке, Австралии и Гренландии) можно найти фрагменты пород, избежавшие участи всех остальных. Почти каждый раз, когда ученые анализируют эти горные породы, они находят мельчайшие структуры, похожие на окаменевших микробов, и изотопные сигналы подтверждают, что там существовала жизнь. Итак, похоже, жизнь на Земле зародилась одновременно с самыми древними горными породами. Все, что старше, существует лишь в нашем воображении.

Почему на Земле возникла жизнь?

Чтобы понять, почему на Земле зародилась жизнь, давайте опять обратимся к термодинамике, поскольку она хорошо определяет границы жизни. Однако, если мы собираемся использовать термодинамику для поиска причин происхождения жизни, нам нужно продвинуться гораздо дальше, чем задумал Гиббс.

Одним из людей, выдвигавших самые сумасшедшие идеи о происхождении жизни, был Владимир Вернадский, который утверждал: у жизни нет начала. И точка.