Никель испустил воздух

Примерно 2,5 миллиарда лет назад в истории нашей планеты произошло Великое окисление атмосферы. Воздушная оболочка Земли начала быстро (по геологическим меркам) наполняться кислородом, и наличие в свободном состоянии этого химически очень активного газа кардинально изменило облик всего земного шара.

Горных пород на безжизненной поверхности материков коснулось окислительное выветривание, и реки понесли в океан многие элементы, замурованные прежде в камне. Это, в свою очередь, изменило химию океанов и дало мириадам микроскопических живых существ в воде и пищу, и способность осуществлять прежде недоступные химические реакции. Вместе с растворявшимся в воде кислородом они преобразовали океаническое дно и продолжили менять состав атмосферы. В конечном счете Великое окисление подготовило почву для появления в океане сложной жизни – истинно ядерных клеток и многоклеточных организмов, которым потом предстояло выйти на сушу и заселить материки, дав нашей планете тот облик, который мы наблюдаем сейчас.

Конечно, все это случилось не сразу. От Великого окисления до знаменитого Кембрийского взрыва биологического разнообразия прошло 2 миллиарда лет протерозойского эона, включавшего в себя, к примеру, несколько масштабнейших оледенений Земли, в ходе которых мир почти целиком покрывался ледовой коркой. Но началось все именно с роста содержания кислорода, которому мы, по мнению большинства ученых, обязаны цианобактериям, или сине-зеленым водорослям. Именно они «освоили» фотосинтез, научившись напрямую использовать энергию солнечного света для превращения углекислого газа и воды в кислород и органические вещества.

Но вот загвоздка – цианобактерии, похоже, появились за сотни миллионов лет до Великого окисления. Куда же девался кислород все это время?

Согласно одной из гипотез, этот кислород долго не задерживался в атмосфере, потому что очень скоро вступал в реакцию с метаном, который производили бактерии-метаногены. Сейчас эти микроорганизмы занимают относительно скромную экологическую нишу, довольствуясь сожительством с эукариотами или существованием в экстремальных условиях. Но в океанах архейского эона господствовали именно они, а те же цианобактерии жили в положении бедных родственников.

Весь кислород, который пробивался в атмосферу от цианобактерий, тут же вступал в реакцию с метаном, превращаясь в водяной пар и углекислый газ. Получалось что-то вроде газовой конфорки планетарного масштаба, только с ничтожно низкими темпами «горения», которые вряд ли вносили серьезный вклад в поддержание тепла на планете. Но этого и не требовалось – Землю грел сильнейший парниковый эффект от метана и, немножко, от углекислого газа, который из метана образовывался.

Согласно этой точке зрения, превращение атмосферы из «метановой» в «кислородную» (и вытекающее из этого похолодание) происходило за счет постепенного вытеснения метаногенов фотосинтезирующими бактериями. И до сих пор предполагалось, что последние обыграли первых за счет своей энергетической эффективности и изысканной биохимии – более разнообразных ферментов, более сложных внутриклеточных процессов, способности подстраиваться к изменениям в окружающей среде.

Курт Конхаузер из Университета канадской провинции Альберта и его коллеги, опубликовавшие статью в последнем номере Nature, придерживаются другой точки зрения.

Они полагают, что с пьедестала метаногены сбросила сама Земля, переставшая обеспечивать эти микроорганизмы никелем.

Это важнейший микроэлемент для метаболизма метаногенов. По оценке ученых, более 10% ферментов, катализирующих химические реакции в этих бактериях и регулирующих активность молекул, включают Ni как ключевой элемент. Как правило, никель работает в связке с железом, но именно доступность никеля 2,5 миллиарда лет назад стала (и остается до сих пор) фактором, ограничивающим рост метаногенов. Железа в древних океанах было предостаточно – в отличие от океанов сегодняшних, где никеля в свободном состоянии даже больше, поскольку все железо высосали те же цианобактерии.

Измеряя относительное содержание железа и никеля в полосчатой породе, отложенной на дне древних океанов Земли, ученые установили, что с точки зрения концентрации этого элемента в истории Земли было три длительных промежутка времени. Поначалу максимальная концентрация растворенного элемента в воде составляла около 400 наномоль на литр, но как раз 2,5 миллиарда лет назад она резко снизилась примерно вдвое. В дальнейшем она долго оставалась на постоянном уровне, пока не снизилась еще в 20 раз в конце протерозоя, примерно 700–500 миллионов лет назад.

Причиной такого снижения, по мнению геологов, стало постепенное остывание земной мантии, которая поставляет на поверхность планеты богатые никелем ультрамафические породы.

При достижении определенной температуры извергающейся магмы (около +1400 по Цельсию) на поверхность вместо никеля стали преимущественно выбрасываться другие металлы этой группы, приспособить которые под свои нужды метаногены не смогли.

Когда концентрация элемента упала вдвое, бактериям-метаногенам стало недоставать его для обеспечения своего господства в океане. А на пятки им в то время уже вовсю наступали цианобактерии, гораздо менее зависимые от этого элемента в частности и гораздо более успешные в извлечении любых других металлов из окружающей среды вообще (для этого у них есть специальные молекулярные «приспособления»).

Получается, что развитие жизни в том виде, которое оно приняло на Земле, является совершенно закономерным, следующим из законов геологии и теплофизики. Если Конхаузер и его коллеги окажутся правы, можно надеяться, что обитатели других планет не будут так уж сильно отличаться от нас.