В конце 1970‑х гг. геолог из Орегонского университета Джек Корлисс и его коллеги с помощью исследовательского глубоководного аппарата «Алвин» обнаружили, что гидротермальные источники и расселины срединного‑океанического хребта в районе Галапагосских островов, в месте, где расходятся две самые большие литосферные плиты, заселены живыми организмами – и это на дне океана, вдали от солнечного света. Здесь в воды океана под давлением извергаются из недр потоки геотермальной воды. Хотя ее температура выше температуры кипения воды на уровне моря, она не кипит, так как давление на таких глубинах очень высокое. Циркулирующая по вулканическим хребтам вода этих жерл‑источников («черных курильщиков») насыщена минералами и содержит растворенные вулканические газы – углекислый газ, водород, сероводород. В этих сверхгорячих гидротермальных потоках были обнаружены напоминающие бактерий микроорганизмы, названные археями. Они термофильные, т. е. обитают в горячей воде. Возле источников существуют экосистемы крупных организмов, таких как трубчатые черви. Они питаются веществами, поглощенными археями, и бактериями, обитающими в этой неприветливой среде. Например, черви погонофоры получают энергию и питательные вещества из бактерий, которые, в свою очередь, питаются путем хемосинтеза (а не фотосинтеза, учитывая недостаток солнечного света), при котором сероводород из подводных источников используется для создания органического углерода путем его выделения из молекул углекислого газа. Это открытие показало, что жизнь может процветать вдали от нашего любимого источника энергии, Солнца, за счет тепла и химических веществ, поступающих из недр. Можно предположить, что примитивная жизнь могла сформироваться на дне океана, в защищенном от враждебной среды месте и выжить за счет надежного источника энергии – мантии Земли. Также возможно, что жизнь могла бы возникнуть на планетах, расположенных слишком далеко от своей звезды (например, на спутнике Юпитера Европе), вулканическая энергия которых способна поддерживать воду в жидком состоянии.
Археи, впервые обнаруженные у гидротермальных жерл, а затем и в других, довольно неожиданных земных средах, вроде горячих источников, кратерных озер, солончаков, полярных льдов и даже в наших с вами внутренностях, были сначала отнесены к бактериям, поскольку, как и бактерии, они состояли из нескольких простых цепочек ДНК в липидном пузырьке. Однако впоследствии у архей и бактерий было обнаружено больше различий, чем сходства: в их РНК, в использовании энергии (метаболизме), химии их клеточной стенки, а также в жгутиках, которые они используют для плавания. И бактерии, и археи являются прокариотами – у них простая клеточная структура, они редко составляют клеточные колонии и никогда не образуют многоклеточной жизни.
Наличие жизни на поверхности Земли зависит от фотосинтеза. Его возникновение было самой значимой биологической революцией на планете, уступая, возможно, лишь самому факту появления жизни. Фотосинтез является (прямо или косвенно) основой питания почти всей жизни на Земле, к тому же он коренным образом изменил атмосферу. Принцип работы фотосинтеза все еще активно изучается, и, хотя я постараюсь максимально упростить описание этого явления, это реакция весьма сложная и состоящая из нескольких этапов. Обычно фотоны солнечного света улавливаются клеткой с помощью белков, содержащих пигменты, такие как хлорофилл, а затем энергия фотонов используется для расщепления молекулы воды и отделения электрона, в результате чего остается ядро водорода (протон) и кислород, который выделяется как побочный продукт. Высвобожденный электрон – это, прежде всего, носитель энергии, который используется для синтеза переносчиков энергии в клетке, например АТФ. Часть накопленной энергии используется для ассимиляции атмосферного углекислого газа, чтобы заменить в нем один атом кислорода на два атома водорода и получить конечный продукт – сахар (и еще больше кислорода). Производство сахара превращает углекислый газ в органические вещества, позволяя им захватывать больше электронов, не делясь с «жадным» до электронов кислородом. Чем больше кислорода удалено таким образом, тем более восстановленным становится углерод (подробнее об этом позже) и тем больше энергии заключено в его электронных связях.
Одной из первых заметных доминирующих форм, обитавших на поверхности, были фотосинтезирующие бактерии, весьма похожие на цианобактерии, которые часто неправильно называют сине‑зелеными водорослями. Эти бактерии образуют цианобактериальные маты – слоистые покровы микробов. Открытые воздействию Солнца, они постепенно затвердевали и кальцинировались, и в итоге формировались строматолиты – старейшие достоверно известные окаменелости. Обладая способностью к фотосинтезу, эти микробы превращают углекислый газ и воду в сахар и выпускают свободный кислород в качестве побочного продукта. Кислород химически очень активен, он стремится присоединить «чужие» электроны и, как правило, связывается практически с любым доступным элементом, за исключением еще более химически активных, «жадных до электронов», например хлора или фтора. Для многих форм жизни кислород является едким и ядовитым, это можно сравнить с воздействием хлора, одного из первых ядовитых газов, использовавшихся во время Первой мировой войны.
Поначалу фотосинтезированный побочный кислород не накапливался в атмосфере, а связывался с железом и другими элементами, а также с богатыми железом минералами на поверхности Земли и в океане, образуя окись железа – основу ржавчины. В течение примерно 2 млрд лет все доступное железо было окислено, оставив множество древних геологических отложений оксида железа (так называемые полосчатые железистые формации, которые образовали используемые сейчас месторождения железной руды). После этого, исчерпав минералы и металлы для реакций, кислород стал накапливаться в атмосфере до той концентрации, которую мы наблюдаем сейчас, – около 20 % от массы атмосферы.
Стабилизацию концентрации кислорода можно объяснить тем, что он достиг равновесия со всеми полученными органическими материалами (сахарами, жирами, метаном и т. д.), которые вступают в реакцию с кислородом, чтобы в конце концов вновь образовать углекислый газ и воду. В химии это означает, что реакция достигла стационарного состояния, т. е. производство кислорода в процессе фотосинтеза уравновешено его потреблением в ходе обратной реакции. Как уже отмечалось ранее, один из способов осуществить такую обратную фотосинтезу реакцию и достичь этого баланса – горение, когда накопленная солнечная энергия испускается в виде тепла и света. Другой способ заключается в жизнедеятельности аэробных организмов (например, людей), потребляющих сахара и жиры, которые вступают в реакцию с кислородом, используют высвобожденную солнечную энергию и выделяют углекислый газ и воду. Предки аэробных организмов были похожи на бактерии и эволюционировали таким образом, что могли в качестве запасного варианта использовать кислород для потребления собственных сахарных источников энергии, когда им не хватало солнечной энергии. Этот навык пригодился им позже (подробнее об этом ниже). В конце концов баланс между фотосинтезом и аэробным потреблением привел к тому, что уровень кислорода стал постоянным.
Количество атмосферного кислорода огромно – 20 % от массы атмосферы Земли, или примерно 1 квадрлн т (1018 кг). Следовательно, существует огромный резервуар органического вещества, который дополняет весь этот свободный кислород. Это другой продукт реакции фотосинтеза, а именно сахар,
