Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения
Возникшие в архее бактериальные маты по уровню целостности вплотную приблизились к настоящему организму, но все-таки не достигли этого уровня. Прокариоты так и не смогли дать начало многоклеточным организмам, для этого они были слишком эгоистичны: каждый отдельный микроб «был сам за себя» и теоретически имел возможность вернуться к самостоятельной жизни вне коллектива. В этом сообщество мата схоже с муравейником – каждый муравей тоже может в любой момент покинуть собратьев – но долго ли он протянет в этом жестоком мире? Как и в муравейнике, жильцы бактериальной колонии имели свои обязанности. «Настройка» этого сообщества происходила в зависимости от меняющихся условий среды.
Первоначально бактериальные маты, вероятно, состояли из двух слоев, то есть это был еще не мат, а так – биопленка. Ее верхний этаж населяли аноксигенные фототрофы, которые к этому времени научились синтезировать органику из углекислого газа атмосферы. Но чтобы преобразовать энергию света в энергию электронов силенок им не хватало, и они отнимали электроны у того же железа, растворенного в водах первичного океана. Тут им на помощь приходили электробактерии. Современные исследования показывают, что эти последние могут объединяться в «нанопровода» длиной до нескольких сантиметров (вполне достаточно, при «стандартной» толщине пленки в 1—2 см) и переносить электрон по живой электроцепи34. Эдакий живой «электропровод», опускался в «подпол», нащупывал в мутной воде ион железа, забирал у него электрон и передавал в верхние слои мата собратьям для пропитания, с помощью которого они и превращали углерод углекислого газа в органические молекулы.
Нижний слой биопленки был представлен «падальщиками». Здесь обитали бродильщики, которые питались «чем бог послал» – отмершей органикой верхнего слоя и отжившими свой век (сгоревшими на работе, так сказать) электрическими бактериями. Этот этаж они делили с анаэробными хемолитотрофами: серными бактериями, железобактериями и другими, которые занимались переработкой и утилизацией горных пород.
Пытаясь защититься от жесткого ультрафиолетового излучения, бактерии верхнего слоя выделяли липкую субстанцию (выражаясь по-научному – внеклеточное полимерное вещество) на которую налипала мельчайшая муть, плавающая в океане. Процесс можно сравнить с накоплением пыли на мебели у нерадивой хозяйки. Кроме того, микробные сообщества научились изменять среду обитания: при наличии в воде большого количества взмученных частиц они стали синтезировать поверхностно-активные вещества – сурфактанты, в присутствии которых частицы оседали и слипались35. Жить под защитой тонкого полупрозрачного слоя осадка микроорганизмам было выгодно: все-таки это была какая-никакая дополнительная защита от ультрафиолета, да и необходимая микробам влага здесь дольше сохранялась. Но когда накапливался критический слой минеральной пыли, затемнявший свет, бактерии прорастали сквозь еще не схватившийся осадок этажом выше, образуя новую поверхность. И это продолжалось снова и снова. Так бактерии, утилизируя водную муть древних океанов слой за слоем, начали строить свои жилища. Нижележащие осадки постепенно минерализовались, образуя полосчатые волнообразные отложения – строматолиты36. Современные строматолиты прирастают со скоростью 0,3 мм в год, правда, они растут несколько по-другому. Двухэтажные маты архея – раннего докембрия только структурировали естественное осадконакопление, подчеркивая границы слойков отмершей органикой, – строматолиты не создавались бактериями. Полосчатость строматолитов объясняется изменением скорости образования осадка. Если налипание минеральной «пыли» было медленным, бактерии прорастали через рыхлый осадок, словно по расписанию и без проблем. При «лавинообразном» накоплении осадка микроорганизмы проползали сквозь накопившийся аномально толстый слой с трудом и не без потерь. На этой стадии сообщество было наиболее уязвимо и теряло по пути часть товарищей. Некоторым из «усопших» «повезло» сохраниться до наших дней в виде тончайших нитей окаменевшего органического вещества – керогена толщиной 2—7 мкм (человеческий волос имеет диаметр 80—110 мкм). Окаменевшие остатки недоползших до поверхности микробных цепочек идентифицированы учеными в строматолитах Онвервахта (ЮАР) и Варравуна (Западная Австралия) возрастом 3,5 млрд лет37. То есть слоистость древнейших строматолитов связана с чередованием периодов вольготной жизни бактерий и периодами «темных» веков, когда им приходилось бороться за существование.
Другое дело – цианобактериальные маты, которые появились позже. Они формировали осадок иначе: строматолиты росли уже не под матом, а непосредственно внутри него. К этому времени цианобактерии уже полностью освоили фотосинтез: днем они активно захватывали растворенный в воде углекислый газ, а ночью – нет. За счет этого в толще мата возникали суточные перепады кислотности среды, на которых гидрокарбонат кальция, растворенный в воде, – Ca (HCO3) 2 кристаллизовался мельчайшими корочками карбоната кальция – Ca (CO3), наращивая отложения строматолита38.
Микроорганизмы, возводя свои постройки, работали не только строителями, но и как фильтры и сорбенты разных элементов, четко отражая особенности окружающей среды во время роста. Строматолиты архейского возраста далеко не всегда сложены чистым карбонатом кальция (известняком), в отличие от более молодых – протерозойских, они часто представлены магниевым или железистым карбонатом – доломитом (CaMg (CO3) 2) или сидеритом (FeCO3). Весь архей происходило образование строматолитов, которые специализировались не только на карбонатах, но и на кремнистом веществе (SiO2), изредка они формировались на основе фосфатов (Ca3PO4) 2)39.
По сути, строматолиты – окаменевшие маркеры Жизни, обнаружив их, можно с уверенностью утверждать, что в это время биосфера уже вовсю преобразовывала каменную оболочку планеты. Древнейшие строматолиты найдены в кратоне Пилбара в Западной Австралии и в зеленокаменном поясе Барбетон в Южной Африке – их почтенный возраст составляет 3,5—3,3 миллиарда лет40; следы жизни в строматолитах Карелии и Приднепровья Украины ненамного моложе – 3,1—3,0 млрд лет41. Не первый год научное сообщество ломает копья о происхождении отложений формации Исуа в Гренландии. Регулярно появляются публикации об их биогенном происхождении. С такой же периодичностью печатаются опровержения. Противники и сторонники подтверждения или опровержения самых ранних следов жизни не могут прийти к консенсусу. Относительно недавно была опубликована статья австралийских геологов в содружестве с британским ученым из Оксфорда Кларком Френдом, утверждающая, что в отложениях формации Исуа в Гренландии сохранились строматолиты возрастом 3,8—3,7 млрд лет42.
Но в поисках наиболее ранних следов жизни этих исследователей обошли ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе. В микроскопических австралийских цирконах, тех самых, где геологи обнаружили следы урана, биологи рассмотрели зачатки жизни. Они утверждают, что выделенные ими из цирконов наночастицы углерода имеют смещенное изотопное соотношение, типичное для живых систем, то есть, по мнению исследователей, это несомненные следы жизни, существовавшей на Земле 4,1 миллиарда лет назад43. Правда, что это были за организмы и в каких условиях они жили – большой вопрос. Да и вообще, был ли мальчик? Вернее, микроб.
Вот, например, какую шутку с исследователями выкинули те же цирконы. Группа немецких и австралийских ученых под руководством Мартины Меннекен обнаружила в кристаллах циркона возрастом 4,3 миллиарда лет микроскопические вкрапления алмазов44 и начала делать далеко идущие выводы. Однако в 2013 году исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде установили, что пресловутые алмазы входили в полировальную пасту, которой обрабатывали цирконы при подготовке к исследованию45.
Геохимия и биохимия. Единство и борьба. Вторая минералогическая революция
⠀
Вник в вещество, впился, как паразит,
В хребет земли неугасимой болью,
К запретным тайнам подобрал ключи…
Максимилиан Волошин⠀
Итак, микроорганизмы принялись преобразовывать планету.
Микробное сообщество, объединившееся в бактериальный мат, могло выжить только на границе трех сред: атмосферы, воды и горной породы. Отсутствие одной из составляющих означало гибель колонии. Но земной ландшафт архейского времени благоволил Жизни. В воздухе преобладали водяные пары и вулканические газы, а содержание CO2 было в сотню раз больше, чем сейчас. Знойный, правильнее сказать – горячий и влажный климат и обилие углекислоты в атмосфере способствовали разложению пород, и бактерии приняли участие в этом процессе со всем жаром своей души. Они расплодились настолько, что по образному выражению микробиолога Г. А. Заварзина в то время существовал «единый цианобактериальный мат от моря и до моря»46, покрывающий всю планету. Биологи из Флориды с помощью молекулярной биологии установили температуру воды в этом море, которая держалась на уровне 60—70 °С47.
Странное это было море – все побережье покрыто осклизлыми каменными столбами с нашлепками бактериальных матов. Да и берегов нормальных тогда не существовало – были безбрежные отмели, которые, не успев обнажиться и просохнуть после отлива, тут же заливались приливными водами. Сутки на планете были еще короткие, и отливы сменялись приливами каждые несколько часов. Такой ныне «вымерший» ландшафт получил название «ни суша, ни море» – это был сущий рай для содружеств микроорганизмов. Похожий островок такого ландшафта сохранился у берегов Австралии (Рис. 6).
Рис. 6. Современные строматолиты, растущие в геологическом заповеднике
Хамелин Пул, залив Шарк Бей, Западная Австралия.
Фото: Википедия / Пол Харрисон (CC BY-SA 3.0)
Местами эту панораму нарушали вздымающиеся громады зарождающихся протоматериков, которые обрывались в море черными лавовыми потоками. Вода в океане была мутной, вязкой от взвеси вулканического пепла, растворенного железа, карбонатов, да и морской бриз не отличался свежестью ароматов. Не видно было еще и белоснежных пляжей. Самый распространенный минерал наших дней – кварц – пока не появился, и песчаные морские побережья – дело будущего. Хотя нет, кое-где уже были намыты узкие полоски песков, пока, правда – черных. Такие пляжи, сложенные перемытым вулканическим песком, можно увидеть и сегодня в районе действующих вулканов – на Курилах или Камчатке, например. Дно океанов к этому времени оказалось полностью выстлано тонкой (относительно, конечно) корой базальтов, а из глубин планеты поступали все новые порции магмы.
Казалось, этот мир будет существовать вечно, но его исподволь начали менять живые организмы.
Из-за низкого содержания кремнезема базальтовые породы очень неустойчивы к атмосферным воздействиям. Изучение керна скважин морского бурения показало, что их разрушение наиболее активно происходит именно на отмелях48. На скорость выветривания базальтов влияют многие факторы: различная соленость воды, агрессивная атмосфера, суточные перепады температуры, но подавляющий вклад в их разрушение (до 75%) вносят микроорганизмы49. Особенно быстро изменения происходят в базальтовом стекле50. Интенсивный химический обмен, который происходит между морской водой и свежей изверженной породой, служит роскошной «кормовой базой» для хемолитотрофных организмов51 (Рис. 7). Бактерии торопятся заселить эти «пастбища», не дожидаясь, пока они остынут. Тут уж кто успел, тот и съел. Исследования, проведенные на стерильном, только что излившемся базальте показали, лишь только лава начинает остывать, первые попавшие на ее поверхность бактериальные споры прорастают и начинают бурное «пиршество» уже при 113 ℃52. И живет эта невидимая глазу мелочь не только на поверхности, но и проникает вглубь, изъедая породу и образуя губчатую сеть полостей микронных диаметров. Проходит всего несколько лет, и горная порода превращается в насыщенное водой «нанорешето». Описаны случаи, когда «прожорливость» бактерий буквально обрушивала скалы: бактерии «подъедают» базальтовые острова до такой степени, что из-за ослабления породы происходят подводные оползни53. И речь не только о современных бактериях – в южноафриканских архейских базальтах пояса Барбетон исследованы микроскопические ходы, «выеденные» микроорганизмами. В этих «норках», в ходе бактериально-палеонтологических исследований, обнаружены и «останки» микробов, почивших 3,5 миллиарда лет тому назад54. Ученые, сопоставляя микробные комплексы из древних и современных пород убедились, что архейские базальты были заселены микробами так же густо, как и современные55: каждый кубометр базальтового стекла может «прокормить» до 2,5х1016 анаэробных железобактерий56. Если перевести цифры в более удобоваримые, получается, что в одной песчинке базальта размером в миллиметр кормится 25 миллионов бактерий! Тесновато живут, но при этом у каждой своя отдельная норка-квартирка.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
Примечания
1
Цит. по: Лэйн Н. Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности. – М.: АСТ: CORPUS, 2018. – 480 с.
2
Слова приписываются американской писательнице Элизабет Йейтс. Who wrote «A writer only begins a book. A reader finishes it»? [Электронный ресурс] // Stack Exchange Network. (дата обращения: 12.03.2023).
3
ЦГАНХ СССР, Ф 3106, д. 101. Цит. по: Зенченко В. П. Мифы и факты об уране. Краснокаменск-Иркутск: Сосновгеология, 2002. – 397 с.
4
Например: Фаррелл Дж. Черное солнце Третьего рейха. Битва за «оружие возмездия». – М.: Эксмо, 2008; Кук Н. Охота за точкой «zero». – М.: Яуза; Эксмо, 2005; Robert K. Wilcox. Japan’s Secret War: Japan’s Race against Time to Build its Own Atomic Bomb. William Morrow amp; Company, 1985 и многочисленные публикации в интернете.
5
Заявка на изобретение В. А. Маслова и В. С. Шпинеля «Об использовании урана в качестве взрывчатого и отравляющего вещества» // Атомный проект СССР: документы и материалы. Т. 1. 1938—1945. Ч. 1. М.: Наука; Физматлит, 1998. С. 193—196.
6
США применили боеприпасы с ураном пятьдесят лет спустя во время войны против Ирака (1991 г.) и Югославии (1999 г.).
7
Cotner E., Kusenko A., Primordial black holes from scalar field evolution in the early universe // Phys. Rev. 2017, V. 96. doi:10.1103/PhysRevD.96.103002.
8
Hazen R. M., Papineau D., Bleeker W., et al. Mineral evolution // American Mineralogist/ 2008, V. 93. P. 1693—1720.
9
Таусон Л. В. Геохимия редких элементов в гранитоидах. – М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1961. – 231 с.
10
Wilde S., Valley J. W., Peck W. H., Graham C. M. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago // Nature. 2001, V. 409 (6817). P. 175—178.
11
Каулина Т. В. Образование и преобразование циркона в полиметаморфических комплексах. – Апатиты: Кольский научн. центр РАН, 2010. – 144 с.
12
Метамиктизация – переход кристаллических минералов в аморфное состояние в результате радиоактивного превращения элементов, входящих в их состав. Метамиктизация происходит в результате нарушения связей в кристаллической решетке под воздействием радиоактивного излучения. Но при нагревании метамиктичные минералы способны вернуться к первичному состоянию.
13
От греческого «киртос» – кривой, выпуклый (имеется в виду искривленность граней кристаллов).
14
Confirmed: Oldest Fragment of Early Earth is 4.4 Billion Years Old [Электронный ресурс] // livescience.com. URL: https://www.livescience.com/43584-earth-oldest-rock-jack-hills-zircon.html (дата обращения: 28.07.2022).
15
В природе существует несколько изотопов урана, важнейшими являются уран-238 (238U) и уран-235 (235U). Первого на Земле примерно 99,3%, а второго – какие-то несчастные 0,7%. Они отличаются временем распада. Период полураспада урана-238 составляет 4,5 миллиарда лет, а урана-235 – 700 миллионов лет. То есть за 4,5 миллиарда лет количество урана-238 уменьшилось на земле в два раза, а уран-235 уменьшается вполовину каждые 700 миллионов лет. Простые арифметические подсчеты показывают, что за те же 4,5 миллиарда лет количество изотопа урана-235 сократилось почти в семьдесят раз. То есть в первых цирконах концентрация высокоактивного 235U была в десятки раз выше.
16
Turner G., Harrison T. M., Holland G., et al. Extinct 244Pu in ancient zircons // Science. 2004, V. 306. P. 89—91.
17
Сегодня на Земле насчитывается уже более 5 тысяч минералов.
18
Сорохтин О. Г., Ушаков С. А. Развитие Земли. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. – 560 с.
19
Там же.
20
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. – М.: Прогресс, 1986. – 432 с.
21
Сорохтин, Ушаков, 2002. Указ. соч.
22
Сорохтин Н. О., Сорохтин О. Г. Высота стояния континентов и возможная природа раннепротерозойского оледенения // Докл. РАН. – 1997. – Т. 354, N 2. С. 234—237.
23
Сорохтин, Ушаков, 2002. Указ. соч.
24
Баллоэлектрический эффект – электризация водяных капель, возникающая при распылении водяной струи на отдельные мелкодисперсные капли.
25
Мархинин Е. К. Вулканы и жизнь: (проблемы биовулканологии). – М.: Мысль, 1980. – 196 с.
26
Там же.
27
Никитин М. Происхождение жизни. От туманности до клетки. – М.: Альпина нон-фикшн, 2018. – 542 с.
28
Лэйн, Ник, 2018. Указ. соч.
29
Уорд П., Киршвинк Д. Новая история происхождения жизни на Земле. – СПб.: Питер, 2016. – 464 с.
30
Adam Z. Actinides and life’s origins // Astrobiology, 2007, V. 7. P. 852—872.
31
Meet the electric life forms that live on pure energy. [Электронный ресурс] // NewScientist URL: https://www.newscientist.com/article/dn25894 (дата обращения: 01.08.2022).
32
Malvankar N. S., Vargas M., Nevin K., et al. Structural Basis for Metallic-Like Conductivity in Microbial Nanowires // mBio. 2015, V. 6 (2). doi: 10.1128/mBio.00084—15.
33
Хемоавтотрофы – организмы, чаще всего бактерии, которые образуют органические вещества за счет энергии окисления неорганических веществ. По типу питания все организмы разделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные, то есть «самостоятельно питающиеся», умеют превращать неорганический углерод в органику (делают живое из неживого). Гетеротрофы не способны к этому и являются, по сути дела, нахлебниками автотрофов: они полностью зависят от производимых ими органических соединений. Автотрофы синтезируют органику из СО2. При этом хемоавтотрофы для этого пристраиваются к какой-нибудь химической реакции, а фотоавтотрофы используют энергию солнца. Фотоавтотрофы делятся в свою очередь на аноксигенных (не выделяющих кислород) и оксигенных, или кислородных.
34
Kato S., Hashimoto K., Watanabe K. Microbial interspecies electron transfer via electric currents through conductive minerals // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2012, V. 109 (25). 10042—10046.
35
Громов Б. В. Цианобактерии в биосфере // Соросовский образовательный журнал. 1996. N 9. С. 33—39.
36
Строматолиты (др.-греч. στρῶμα «ковер, подстилка» и λίθος «камень») – ископаемые (чаще карбонатные) отложения выпуклой или неровной формы, образовавшиеся в результате жизнедеятельности бактериальных матов на мелководье.
37
Сумина. Е. Л. Экспериментальное изучение сообщества нитчатых цианобактерий и проблема морфогенеза строматолитов: дисс. канд. биол. наук. М. 2008. – [Электронный ресурс] // Палеофорум. URL: http://www.paleoprom.ru/221-2/ (дата обращения: 24.09.2020).
38
Превращение гидрокарбоната кальция в карбонат кальция можно наблюдать дома на кухне. Гидрокарбонат кальция – это, по сути, «жесткая вода», которая при кипячении оседает в чайнике накипью, образуя Ca (CO3).
39
Еганов Э. А. Фосфоритообразование и строматолиты. – Новосибирск: ин-т геол. и геофиз. СО АН СССР, 1988. – 90 с.
40
Westall F. A stratiform stromatolite from 3.33 Ga-old biolaminated sediments in the Barberton Greenstone Belt, South Africa // Geobiology of Stromatolites. Intern. Kalkowsky-Symposium Gottingen, October 4—11, 2008. Abstract Volume. Universitatsverlag Gottingen. 2008. P. 37—38.
41
Тимофеев Б. В. Микрофитофоссилии раннего докембрия. – Л.: Наука, 1982. – 128 с.
42
Nutman A. P., Bennett V. C., Friend C. R, et al. Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures // Nature. 2016, V. 537 (7621). doi: 10.1038/nature19355.
43
Bell E., Boehnke P., Harrison M., Mao W. Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon // Proceedings of the National Academy of Science. 2015, V. 112 (47). P. 14518—14521.
44
Menneken M., Nemchin A. A., Geisler T., et al. Wilde Hadean diamonds in zircon from Jack Hills, Western Australia // Nature. 2007, V. 448 (7156). P. 917—920.
45
Dobrzhinetskaya L., Wirth R., Greena H. Diamonds in Earth's oldest zircons from Jack Hills conglomerate, Australia, are contamination // Earth and Science Letters. 2014, V. 387. P. 212—218.
46
Заварзин Г. А. Развитие микробных сообществ в истории Земли // Проблемы доантропогенной эволюции биосферы. М.: Наука, 1993. С. 212—222.
47
Gaucher E. A., Govindarajan S, Ganesh O. Palaeotemperature trend for Precambrian life inferred from resurrected proteins // Nature. 2008, V. 451. P. 704—707.
48
Блюман Б. А. Выветривание базальтов и несогласия в коре океанов: возможные геодинамические следствия // Региональная геология и металлогения. 2008. N 35. C. 72—86.
49
Staudigel H., Furnes H., McLoughlin N., et al. 3.5 billion years of glass bioalteration: volcanic rocks as a basis for microbial life? // Earth-Science Rev. 2008, V. 89 (3). P. 156—176.
50
Базальтовое стекло образуется при закаливании (очень быстром остывании) базальтовой лавы и имеет тот же химический состав, что и базальт. Подводные базальтовые излияния до 20% состоят из вулканического стекла.
51
Staudigel H., et al., 2008. Указ. соч.
52
Stetter K.O. Hyperthermophiles in the history of life // Phil. Trans. Roy. Soc. 2006, V. 361, P. 1837—1843.
53
Fisk M. R., Storrie-Lombardi M. C., Douglas S., Popa R., McDonald G., Di Meo-Savoie C. Evidence of biological activity in Hawaiian subsurface basalts // Geochem. Geophys. Geosystems. 2003, V. 4 (12). P. 1—24.
54
Furnes H., Banerjee N., Muehlenbachs K., et al. 2004. Early Life Recorded in Archean Pillow Lavas // Science. 2004, V. 304 (5670). P. 578—581
55
Astafieva M. M., Rozanov A. Yu., Sharkov E. V., et al. Pillow lavas volcanic glasses (ancient and recent) and traces of life in them // Geophysical Research. 2010, V. 12. EGU General Assembly 2010, held 2—7 May, 2010 in Vienna, Austria, P. 1472.
56
Журавлев А. Сотворение Земли. Как живые организмы создали наш мир. – М.: Альпина нон-фишн, 2018. – 514 с.
Вы ознакомились с фрагментом книги.
Для бесплатного чтения открыта только часть текста.
Приобретайте полный текст книги у нашего партнера:
Полная версия книги