Существует убеждение, что вся земная жизнь основана, в частности, на кислороде. Во всяком случае, та сложная жизнь, к которой мы себя относим. Уж мы-то точно нуждаемся в кислороде. Но вот недавно кое-кто позволил себе в этом усомниться. Нет, сам этот кое-кто, разумеется, жадно вдыхал кислород, пока писал свою статью, но в ней он утверждал, что наши далекие предки, самые первые сложные организмы, отнюдь не были так кислородозависимы, как мы раньше себе представляли.
Вышененазванный «кто-то» — это Даниэль Миллс из Университета Южной Дании, который вместе с Льюисом Уордом из Калифорнии опубликовал недавно в журнале PNAS статью об одном (из примерно 10 тысяч) виде морских губок, так называемом Halichondria panacea.
Губки считают едва ли не первыми многоклеточными существами. Они представляют собой, в сущности, просто сообщества клеток, причем их клетки подобны весьма древним одноклеточным существам, плававшим с помощью хвостового жгутика-флагеллы. Только у губок эти клетки собраны вместе, в один организм, а жгутики своими биениями гонят сквозь него воду со всякой живностью, каковой губки и питаются. Вот почему губки с большой уверенностью относят к числу самых ранних многоклеточных (то есть сложных) организмов.
До сих пор считалось, что сложные организмы впервые появились на Земле 550-600 миллионов лет назад (период их появления называют «Кембрийским биологическим взрывом») и что это их одновременное массовое появление стало возможным благодаря насыщению земной атмосферы достаточным количеством кислорода. Полагают, что в кембрийские времена его доля в атмосфере была уже близка к нынешнему уровню (который составляет около 20%). Так вот, ученые решили это проверить и поместили своих губок в банки с водой, где можно было менять содержание кислорода. Меняя его, они убедились, что губкам для выживания достаточно даже полпроцента того кислорода, который есть сейчас на Земле. Этот факт, естественно, тут же породил у них вопрос: почему же эти первые сложные организмы появились всего 550 миллионов лет назад? Может быть, до этого кислорода было еще меньше, чем пол процента от нынешнего?
Этот вопрос заставил присмотреться к данным об истории земного кислорода. Оказывается, стандартная история кислорода гласит, что на новорожденной Земле свободного кислорода не было вообще. Будучи жадно окисляющим газом, он нацело соединился с земными породами. Затем, примерно
3,5 миллиарда лет назад, в океанах появились первые бактерии и археи, но все они были анаэробными. Это означает, что процесс дыхания (благодаря которому организм получает необходимую для жизни энергию) осуществлялся у них не с помощью свободного кислорода (которого тогда еще не было), а с помощью атомов серы, фосфора и тому подобное. Около 2,8—2,7 миллиарда лет назад в океанах появились первые фотосинтезирующие цианобактерии, у которых фотосинтез кончался выделением свободного кислорода. Однако поначалу выделявшийся ими кислород тотчас поглощался растворенным в океанах железом. Только после насыщения этого железа кислород стал, наконец, энергично выделяться из океанов в атмосферу. Считается, что это произошло 2,4-2,3 миллиарда лет назад.
Произошедший тогда массовый выброс кислорода в атмосферу (так называемая «Кислородная катастрофа») уменьшил парниковый эффект (за счет уменьшения роли господствовавшего прежде углекислого газа), вызвал смену господствовавших до того анаэробных организмов аэробными (что было катастрофой для анаэробных) и породил озоновый слой над Землей, способствовавший еще более энергичному развитию новых форм жизни. Долгое время считалось, что дальнейшая эволюция шла по линии постепенного, но непрерывного нарастания доли кислорода в атмосфере: 10% уже 1,7 миллиардов лет назад, 15-30% ко времени Кембрийского взрыва и 35% примерно 300 миллионов лет назад, после чего начался непонятный спад до нынешних 21%. Если это так, то появление первых сложных организмов только 550 миллионов лет назад действительно представляло бы собой загадку.
Однако исследования последних лет существенно изменили прежнюю «гладкую» картину эволюции кислорода. Уже в 2013 году канадские ученые, изучая окисленные слои минералов в австралийской пустыне, пришли к выводу, что активное выделение кислорода в атмосферу началось задолго до «Кислородной катастрофы», примерно 3,0 миллиарда лет назад. Затем европейские исследователи, изучая океанские осадки, обнаружили, что уровень кислорода в атмосфере резко упал уже 2 миллиарда лет назад, то есть почти сразу же вслед за «Кислородной катастрофой» (авторы объяснили это появлением большого количества углерода и железа, которые, соединяясь с кислородом, связывали его). И наконец в 2014 году калифорнийские геологи выявили еще один важный факт, показав, что уровень свободного кислорода, начавший расти уже 3 миллиарда лет назад и достигший пика 2,3 миллиарда лет назад, во времена «Кислородной катастрофы», не только резко упал сразу же вслед за этим, но оставался крайне низким (тысячные, максимум сотые доли нынешнего уровня) все последующее время и начал быстро расти лишь в самом преддверии Кембрийского взрыва.
Если эти данные окончательно подтвердятся, загадку морских губок можно будет считать решенной: хоть они и готовы были появиться даже при полупроценте от нынешнего уровня кислорода, но накануне Кембрийского взрыва не было и этого. Что еще раз подтвердит, насколько мы, сложные организмы, обязаны кислороду своим нынешним существованием. Спасибо, губки!