В последнее десятилетие интенсивно развивается новая область палеонтологии – наука об ископаемых бактериях. Оказалось, что в камне сохраняются не только скелеты крупных скелетов динозавров или моллюсков, но и разнообразные остатки микроорганизмов. Именно эти находки рассказывают нам о самых ранних проявлениях земной жизни, о том, какой была наша планета два миллиарда лет назад.
О древнейших ископаемых рассказывает ведущий научный сотрудник Геологического института Российской академии наук Владимир Сергеев.
– Когда началось изучение ископаемых микроорганизмов?
– Если палеонтология развивается уже порядка 250 лет, то говорить об изучении древнейших микроорганизмов мы можем, только начиная с 1950-х годов. Именно тогда в Канаде и у нас в разрезах Урала были сделаны первые находки древнейших остатков микроорганизмов. В Северной Америке они были обнаружены в кремнях возрастом два миллиарда лет. У нас находки были сделаны в сланцах, и оттуда они извлекались по стандартной палинологической технологии и изучались в препаратах.
Первые ученые, которые заметили ископаемые микроорганизмы палинологи (палинология – от греч. paline - тонкая пыль, комплекс отраслей наук, в первую очередь ботаники, связанных с изучением пыльцы и спор.). Эти исследователи применили стандартную методику изучения, которая широко применялась для изучения отложений к более древним толщам.
– Классическая палеонтология, которой занимаются 250 лет, изучает останки крупных ископаемых, живших до 600 миллионов лет назад. А исследования, начавшиеся в середине прошлого века, сразу отодвинули границу познания на полтора миллиарда лет назад, то есть был совершен огромный скачок во времени.
– Совершенно верно. Самым трудным было доказать, что это именно остатки микроорганизмов. Первая информация о том, что останки докембрийских организмов действительно имеют место, приходили в начале XX века. Но в 1930-1940-ые годы это не было поддержано, потому что считалось, что микроорганизмы просто не могут сохраниться в породах столь древнего возраста. И только после Второй мировой войны с развитием средств микроскопии было убедительно показано, что это действительно микроорганизмы. После этого направление исследований начало широко распространяться. Вслед за Северной Америкой последовали находки микроорганизмов в Австралии, в Африке, причем в отложениях возрастом более трех миллиардов лет.
– С какими главными проблемами столкнулись ученые при исследовании ископаемых микроорганизмов?
– Часто вставал вопрос, имеем ли мы дело с останками микроорганизмов или сходными минеральными образованиями сферической или нитевидной формы. Оказалось, что есть так называемые осадочные преципитаты: в результате химических реакций возникают структуры, похожие на биологические. И это было источником многих ошибок. Одно время, когда находили слоистые структуры в отложениях раннего архея, говорили, что это строматолиты, а если есть строматолиты, то мы, несомненно, имеем останки цианобактериальных сообществ. (Строматолиты от греч. stroma, - подстилка и lithos - камень, плотные слоистые образования в толщах известняков и доломитов, возникающие в результате жизнедеятельности колоний синезелёных и других водорослей.)
Другой серьезной проблемой, возникшей перед палеонтологами, стали современные микроорганизмы или грибки, которые попадали в препараты и их описывали как древние ископаемые формы. На древнейших этапах развития нашей планеты земля была населена в основном цианобактериями (сине-зеленые водоросли), которые безраздельно властвовали первые миллиарды лет ее существования. Большинство из них имеет современные аналоги, на родовом и даже на видовом уровне они практически не меняются. Естественно, когда какие-то организмы попадали в препарат или даже каким-то образом в шлиф, их принимали за древние микроорганизмы.
– Как сегодня отличают загрязнение от настоящих древних микроорганизмов?
– Когда исследователь достаточно долго работает над древними микроорганизмами, он уже достаточно четко представляет, какие критерии применимы для отличия древних бактерий от современных. Это связано и с формой сохранности, с цветом сохранившихся микроостанков. Поэтому сегодня когда накоплен богатый опыт, ошибок становится меньше.
– Можем ли мы уверенно утверждать, что три миллиарда лет назад на Земле была жизнь?
– Разные исследователи относятся по-разному ко времени появления жизни на Земле. Одни настроены более пессимистично, другие – менее. Я, например, отношусь к наиболее скептически настроенным. Три с половиной миллиарда лет - это тот рубеж, о который можно, по крайней мере, исследовать. Дальше вопрос – теряет смысл.
Все согласны, что жизнь на Земле существует примерно два с половиной миллиарда лет. Останки микроорганизмов в породах этого возраста присутствуют. Древнейшая находка была сделана в Южной Африке в Трансваале. В отложениях, которым 2,8-2,7 миллиарда лет, мы тоже можем обнаружить остатки, которые с вероятностью 70-80% можно считать остатками микроорганизмов. Сейчас кроме непосредственно остатков микроорганизмов достаточно большую популярность приобретают биомаркеры – химические компоненты, которые характерны для различных групп органического мира.
Находки измененных стерин (стерины - полициклические спирты, относящиеся к классу стероидов. Стерины содержатся в биологических мембранах всех организмов) известны в отложениях, сформировавшимся 2,7 миллиарда лет назад. Найдены биомаркеры, характерные как для сине-зеленых водорослей, так и для эукариотных клеток. А дальше начинаются, к сожалению, значительно более сильно переработанные породы.
– Как повлияли древнейшие сине-зеленые водоросли на атмосферу Земли?
– Они ее во многом сформировали. Есть разные типы фотосинтеза, как мы знаем, но именно цианобактерии смогли реализовать тип фотосинтеза с двумя селекционными фотоцентрами, выбрасывая как побочный продукт в атмосферу свободный кислород. По-видимому, с этого началось насыщение атмосферы кислородом. В Институте микробиологии проводились очень интересные опыты: брали цианобактериальные сообщества и помещали в различные газовые среды. И какой бы ни был первоначальный состав газовой среды, в конечном итоге получалась газовая среда, близкая к составу современной атмосферы. Эти интереснейшие эксперименты проводила группа академика Заварзина.
Можно говорить, что весь кислород, который мы имеем в атмосфере, создан сине-зелеными водорослями. Но поначалу весь кислород, который шел в атмосферу, он связывался железом. Потому что поступало большое количество железа в первичные океаны, и весь выделяемый кислород шел на окисление железных руд. И примерно 95% всех известных железных руд имеют нижний докембрийский возраст. Однако потом с дифференциацией Земли на ядро и более верхние слои, произошел отток железа к железоникелевому ядру, и железо перестало поступать в океаны. И после этого цианобактерии смогли осадить железо в океанах и начали насыщение из атмосферы свободным кислородом. Долгое время считалось, что этот произошло примерно два миллиарда лет назад, но сейчас получены последние геохимические данные, которые показывают, что это могло произойти гораздо раньше - 2,7-2,8 миллиарда лет назад.
Все взаимосвязано: пока железо поступало в океаны, не было возможности создать кислородную атмосферу, и не было возможности развития для эукариотной, многоклеточной жизни, поскольку ей нужна более высокая кислородная энергетика.
– Когда появились первые цианобактерии, начался фотосинтез и выделение свободного кислорода?
– До двух миллиардов лет назад палеонтологическая летопись является репрезентативной. И на этом уровне практически все основные рода и виды цианобактерий уже существовали. По-видимому, океаны оставались бескислородными до двух миллиардов лет назад, пока не произошла дифференциация Земли на ядро и мантию, и железо перестало поступать в океаны. В атмосфере, по-видимому, кислород стал накапливаться раньше, поскольку полученные геохимические данные говорят о том, что кислород появляется в атмосфере 2,7-2,8 миллиарда лет назад. В принципе можно говорить о появлении цианобактерий три миллиарда лет назад, может быть 3,5, но здесь уже вопрос не совсем однозначный.
Два миллиарда лет назад Земля была совершенно непохожей на то, что мы видим сегодня. По плоским континентам текли безжизненные реки, темно-бурые океаны были заселены огромным количеством циантобактерий, которые строили строматолиты на мелководье, выделяли кислород и насыщали им атмосферу. И были первые одноклеточные животные организмы, которые копошились в этой синезеленой слизи, где было повышенное содержание кислорода.
Земля была однообразная и, скорее всего, серая. До двух миллиардов лет назад и небо было другое – темно-коричневое. А два миллиарда лет назад небо стало голубеть, океаны очистились от железа, и тоже стали напоминать современные.