Дэвид Кристиан - Большая история [С чего все начиналось и что будет дальше]

В конце концов у группы организмов, которые называются цианобактериями, развились новые формы фотосинтеза. Они позволяли добыть больше энергии, в качестве основного сырья используя воду и двуокись углерода. Вырывать электроны из молекул воды труднее, чем захватывать их из сероводорода или железа. Но если суметь это сделать, энергии получается больше, и, конечно, в воде такой ее источник гораздо более изобилен. Используя энергию солнечного света, эти искусные в фотосинтезе существа били по молекулам воды и отрывали электроны от атомов водорода. Затем они добавляли захваченные электроны к молекулам углекислоты, чтобы образовать молекулы углеводов, которые выступали в качестве огромных энергетических хранилищ. Кислород из расщепленных молекул воды выделялся в качестве отходов. Вот общая формула такого фотосинтеза с выработкой кислорода: H 2O + + CO 2+ энергия солнечного света → CH 2O (углеводы, действующие как хранилища энергии) + O 2(молекулы кислорода, выпускаемые в атмосферу). Кислородный фотосинтез был гораздо более эффективен, чем предыдущие формы, но все равно с его помощью можно было получить из солнечного света лишь около 5 % энергии, то есть меньше, чем получают самые эффективные современные солнечные батареи. За фотосинтез приходится платить энтропии существенный мусорный налог в виде энергии, расходуемой в клетке, а также энергии и молекул выделяемого кислорода.

Оксигенный фотосинтез, которым пользуются все современные цианобактерии, возможно, появился уже 3 млрд лет назад. Об этом свидетельствуют данные о кратких всплесках уровня кислорода, которые случались еще до конца архейского эона, 2,5 млрд лет назад. Но вначале весь выделяемый кислород должны были быстро поглощать железо, сероводород или свободные атомы водорода, потому что это вор электронов, с радостью готовый соединиться с любым элементом, у которого есть лишние электроны. По этой причине атомы, у которых украли электроны, называют окисленными (атомы с лишними электронами называют восстановленными, а множество химических реакций, включающих в себя оба процесса, – окислительно-восстановительными). Веское свидетельство в пользу эволюции первых цианобактерий состоит в том, что 3 млрд лет назад стали исчезать осадочные породы, богатые пиритом (золотой обманкой), который, как и железо, в присутствии свободного кислорода ржавеет. Но таким образом можно было поглотить лишь ограниченное количество кислорода, и примерно 2,4 млрд лет назад содержание его в атмосфере стало быстро расти – с уровня менее 0,001 % от нынешнего, вероятно, до 1 % или более.

Появление около 2,5 млрд лет назад насыщенной кислородом атмосферы («кислородная катастрофа») привело к перестройке в биосфере. Рост содержания кислорода изменил ее химию и даже химию верхних слоев земной коры. Колоссальная химическая энергия свободного кислорода вызвала новые реакции, в которых образовалось множество минералов современной Земли [89] Robert M. Hazen , Evolution of Minerals // Scientific American, March 2010. P. 63. . Высоко в атмосфере атомы кислорода соединялись в трехатомные молекулы озона, O 3, который стал защищать поверхность планеты от опасного солнечного ультрафиолетового излучения и продолжает делать это по сей день. Возможно, под защитой озонового слоя некоторые водоросли впервые стали колонизировать материки. До тех пор континенты планеты Земля купались в солнечной радиации, которая разорвала бы в клочки любую бактерию, осмелившуюся сунуться на сушу, и оставались более-менее стерильными.

Увеличение количества кислорода повергло живые организмы в глубокий шок, потому что для большинства из них кислород был ядом. Таким образом, рост его уровня вызвал, по выражению биолога Линн Маргулис, «кислородный холокост». Многие организмы из числа прокариот исчезли, а те, что выжили, удалились в защищенные среды бедных кислородом глубоких слоев океанов или даже горных пород.

Рост содержания кислорода сбил работу термостатов Земли, потому что на тот момент не было механизмов, которые могли бы поглощать его избыток, и возникла угроза, что накопление этого газа выйдет из-под контроля. Свободный кислород разлагал атмосферный метан, один из самых мощных парниковых газов, а фотосинтезирующие цианобактерии тем временем поглощали огромные количества другого важного парникового газа – углекислого. Поскольку содержание кислорода росло, а парниковых газов – падало, в начале протерозойского эона планета замерзла, и впервые образовалась Земля-снежок (таких эпизодов было несколько). Ледники распространились от полюсов к экватору, Земля побелела и в таком виде отражала больше солнечного света, благодаря чему охлаждалась еще сильнее – запустился страшный цикл положительной обратной связи. В конце концов большинство океанов и континентов оказались покрыты льдом. Макганьенское (Гуронское) оледенение длилось 100 млн лет, начавшись около 2,35 и закончившись около 2,22 млрд лет назад.