Самые первые

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 °C. (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.

На деле 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 °C 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 °C) 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.