Анья Рёйне - Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы

До начала процесса фотосинтеза в Мировом океане было растворено огромное количество железа. Сейчас уже такого нет. В настоящее время при контакте с водой поверхность железа быстро становится красной, грубой и легко ломается. Этот красный материал, ржавчина, – химическое соединение железа и кислорода. Пока в воздухе и воде есть кислород, незащищенное железо всегда заржавеет.

После обеда в субботу, между 15:00 и 18:45, заржавели океаны. Весь кислород, образованный на первых этапах фотосинтеза, вступил в реакцию с железом – он осел на дно в виде ржавчины. Постепенно ржавчина преобразовалась в толстый слой слоистой породы. Сегодня мы выкапываем эту красную породу, отделяем кислород в больших печах и используем железо для изготовления ножей и рельсов.

Когда основная масса железа заржавела, в океане начал накапливаться кислород. Для большинства первых появившихся на планете созданий кислород – смертельный яд. Таким образом, фотосинтез привел к одному из самых массовых истреблений видов за всю историю нашей планеты [17] Кислородная катастрофа: Rasmussen (2008). По данным этого источника, фотосинтез мог начаться позже, чем описано в этой книге. . Однако были существа, сумевшие извлечь из кислорода пользу. Они воспользовались имеющимся в окружающей среде кислородом для высвобождения солнечной энергии из организмов, которых они употребляли в пищу. Так они получали энергию, необходимую для поддерживания собственных жизненных процессов – самостоятельно заниматься фотосинтезом им уже было не нужно.

В то время как огромное количество форм жизни сдались под натиском ядовитого кислорода, пользовавшиеся им организмы приобрели огромное преимущество. Мы – их потомки. Энергия, которую вы тратите на чтение этой книги, движение глаз и преобразование текста в информацию в мозге, – результат химических реакций, во время которых в клетках тела кислород и углеводы превращаются в диоксид углерода и воду.

Постепенно океанская вода насыщалась кислородом, и он стал подниматься из океана в атмосферу. Как следствие, на Земле произошли значительные перемены. Наша планета непрерывно излучает в космос тепло, и температура на ее поверхности сильно зависит от того, какое количество этого излучения удерживают газы в атмосфере. Мы зовем это явление парниковым эффектом. Раньше атмосфера была богата метаном – он вбирает большое количество теплового излучения, а потому поверхность Земли не остывала [18] Состав первичной атмосферы Земли: D. Trail et al., «The Oxidation State of Hadean Magmas and Implications for Early Earth’s Atmosphere», Nature 480 (2008): 79–83. . Когда из-за кислорода метан в атмосфере стал расщепляться, парниковый эффект ослаб, и планета погрузилась в глобальный ледниковый период. До самого вечера субботы, до 21:15, огромная часть биоразнообразия, появившегося в океане, погибла от холода [19] Гуронское оледенение: Young (2013). .

В высших слоях атмосферы молекулы кислорода столкнулись со светом Солнца, несущим огромные запасы энергии – два атома кислорода оторвались друг от друга. Когда одиночные атомы сталкивались с пролетавшими мимо молекулами кислорода, образовывался озон – молекула, состоящая из трех атомов кислорода. Озоновый слой оказался эффективной ловушкой для наиболее насыщенной энергией части солнечного света. Достигнув земной поверхности, этот свет способен уничтожить наиболее уязвимые органические молекулы. Сегодня благодаря озоновому слою мы находимся под отрытым небом, не нанося серьезных повреждений глазам и коже.

Когда появился озоновый слой, живые организмы смогли выжить на поверхности воды – и даже на суше [20] Первые формы жизни на суше после появления озонового слоя: Pomarenko (2015). . Здесь для фотосинтеза было еще больше солнечного света – резко выросло производство органического материала и кислорода. Первые формы жизни, оказавшиеся на суше, – это ковер из бактерий и водорослей, покрывших плоскую, золотистую поверхность и заложивших основы того, что станет плодородной почвой планеты.

Организмы с клеточным ядром, от которых мы произошли, появились ранним воскресным утром в половину четвертого [21] Rasmussen (2008). . В пять часов утра одноклеточные организмы начали столь тесно сотрудничать, что уже рассматриваются не как самостоятельные единицы, а как живые существа, состоящие из нескольких клеток [22] Первые многоклеточные организмы: S. Zhu et al., «Decimetre-Scale Multicellular Eukaryotes from the 1.56-Billion-Year-Old Gaoyuzhuang Formation in North China», Nature Communications 7 (2016): 11500. . Однако, прежде чем жизнь закипела в том виде, в каком мы ее знаем, прошло много времени. После обеда, в 17:25, после того как на Земле закончился еще один глобальный ледниковый период, продлившийся с 15:15 до 16:15, появились особые виды животных и растений, выстроившие в океане сложные экосистемы [23] Кембрийский взрыв: Young (2013). . Когда геологи изучают окаменевшее океанское дно, относящееся к последующему периоду, они находят окаменевшие останки огромного количества различных видов, таких как головоногие и трилобиты, напоминающие мокриц.