Наступил протерозой. До сегодняшнего дня остается 2,5 миллиарда лет.
Пока мы рассматривали процессы, которые происходили в недрах планеты. А какие события в это время разыгрывались на поверхности? А на поверхности появилась Жизнь.
Жизнь вносит коррективы.
Когда нечего есть, станешь и камни грызть
В начале был единый Океан,
Дымившийся на раскаленном ложе.
И в этом жарком лоне завязался
Неразрешимый узел жизни: плоть,
Пронзенная дыханьем и биеньем.
Планета стыла.
Жизни разгорались.
Максимилиан Волошин
Пока мы рассматривали процессы, которые происходили с огромными массами вещества. Теперь перейдем от планетарных масштабов к микромиру.
В мире звезд и планет важнейшую роль играет гравитация. В наномире, где обитают атомы, она не так важна. Здесь правит электромагнитная сила, которая проводит работу по перестановке отдельных атомов и молекул, образуя все многообразие веществ в нашем мире.
Атомы почти полностью состоят из пустоты. В центре расположено крошечное ядро из протонов и нейтронов, а по удаленным орбитам, каждая из которых связана со своим энергетическим уровнем, носятся электроны. При любой возможности они стремятся попасть ближе к ядру, ведь тогда орбита получается короче, и энергии требуется меньше. Обычно электрон вращается вокруг своего ядра, но, если подворачивается более «заманчивое предложение», этот изменщик может перескочить в соседний атом с незаполненной внешней орбитой. В результате этой «незаконной связи» образуется новое вещество. По сути, вся атомно-молекулярная жизнь основана на эквилибристике электронов.
Химическая связь между атомами возникает, когда их электронные оболочки объединяются. В одних случаях электронное облако делится по-братски пополам. В других более «наглый» атом перетягивает электронное «одеяло» на себя, и тогда перед вторым партнером встает дилемма: довольствоваться краешком облака, теснее прижимаясь к наглецу, или вовсе остаться без электрона. В случае, если облако растягивается на два ядра, образующаяся стабильная связка атомов называется молекулой.
Любая химическая реакция это столкновение молекул и атомов, в результате чего происходит перераспределение их электронных облаков. Молекулы, словно гиперактивные дети, постоянно носятся туда-сюда и все время сталкиваются. Иногда от этого у них что-нибудь отваливается, или, наоборот, притягивается. Но для свободы передвижения нужно пространство маневра, а его не всегда хватает.
Первоначально Земля представляла спрессованные глыбы космических пород. С точки зрения химика, это были твердые вещества, состоящие из бесчисленного числа перемешанных молекул. В твердом веществе атомы «замурованы» в кристаллических решетках, словно узники в одиночных камерах, и электроны практически лишены возможности завязывать связи «на стороне», поэтому с образованием новых минералов в то время было туго.
Рождение сугубо земных минералов началось со скрипом в образующемся вязком астеносферном слое, когда атомы получили относительную свободу, барахтаясь в густом раскаленном расплаве. И только когда магма вырвалась наружу, все завертелось в сумасшедшем темпе. Огнедышащий ад обуял планету извергающаяся лава вскипала у поверхности парами воды и исходила вулканическими газами. Перегретые частицы вулканического пепла сталкивались, терлись друг о друга, а баллоэлектрический эффект24 многократно усиливал электризацию пепла. И без того черное небо планеты (кислородной подушки у Земли пока не было) заволокли наэлектризованные пепло-газовые тучи, прорезаемые бесконечными вспышками молний.
По подсчетам вулканологов, в ходе извержения вулкана Тятя на Курилах в 1973 году число молний измерялось десятками миллионов! И это всего за два дня извержения, и из одного вулкана25.
В момент разряда в канале молний химические элементы ионизируются: электроны получают свободу. Дотошные исследователи подсчитали, что каждая молния выбрасывает в окружающее пространство 1х10
20
В пепло-газовом вулканическом столбе есть все необходимые для образования жизни компоненты: водяной пар, водород, аммиак, углеводороды, СО, СО
2
Современные исследователи полагают, что добиологические молекулы, давшие впоследствии старт Жизни, образовались в ходе менее затратных химических реакций. Например, Михаил Никитин, научный сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского полагает, что жизнь возникла в грязи, точнее вокруг грязевых вулканов (такие вулканы «извергаются» не благородной лавой, а жидкой глиной)27, а известный популяризатор науки, британский биохимик Ник Лейн считает, что для возникновения Жизни и вовсе необходимо и достаточно было всего лишь трех компонентов: горной породы, воды и углекислого газа28. То есть жизнь возникла на грани трех агрегатных состояний вещества твердого, жидкого и газообразного. Но американские ученые палеонтолог Питер Уорд и геобиолог Джо Киршвинк все же уверены, что именно катаклизмы способствовали появлению жизни, причем больше, чем все остальные силы вместе взятые29. Есть мнение, что основной вклад в этот процесс внес уран30, но это представляется малоубедительным ведь в раннем архее уран еще не накопил значительных концентраций и не обзавелся собственными минералами, чтобы дать толчок зарождающейся Жизни. Все это занимательно, но не наша тема.
Так возникла жизнь или эдак не принципиально, для нас важнее, как она «работает». Для ее поддержания нужен постоянный приток энергии. Для всех живых организмов (и для нас, людей, в том числе) это потенциальная химическая энергия, заключенная в пищевых веществах. Мы заряжаемся пищей, которая содержит избыточные электроны и вдыхаем кислород, который их принимает. Организм расщепляет пищу, отрывая электроны, которые проходят сквозь клетки, участвуя в сложном комплексе химических реакций. В ходе этого процесса клетки вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) молекулу, которая действует как накопитель энергии почти во всех живых организмах. То есть для получения энергии организм постоянно должен пропускать через себя поток электронов, получая их с пищей. Мы живем, заряжаясь электронами.
На заре Жизни мир был полон свободных электронов и некоторые организмы приспособились питаться электрической энергией, вкушая голые электроны «без гарнира». Сегодня выявлено около десятка разновидностей древнейших бактерий, потребляющих электричество напрямую31. Причем при закислении среды до рН=2 (что примерно соответствует кислотности первобытного океана и архейской атмосферы) «прожорливость» этих микробных сообществ возрастает на два порядка32. Косвенно это может означать, что разнообразие подобных микроорганизмов в те эпические времена было значительно больше, но, не сумев приспособиться к изменяющейся обстановке, далеко не все из них дожили до наших дней.
Со временем вулканическая вакханалия молодой планеты стала утихать, количество «неприкаянных» электронов в окружающей среде снизилось, и бактериям пришлось переходить на новый рацион питания. Выжили те, которые приспособились встраиваться в геохимические циклы, и использовать электроны, которыми обмениваются химические элементы во время реакций.
В ходе геохимического круговорота, запущенного Луной, первородные космические породы и минералы вступали в химические реакции с образованием новых, уже сугубо земных отложений. Процессы сопровождались выделением или поглощением тепла и энергии, при этом преобладали окислительно-восстановительные реакции, происходящие благодаря обмену электронов между веществами. К чисто химическим реакциям начали присоединяться непрошенные участники микроорганизмы так называемые хемоавтотрофы33, используя электроны для своих нужд. С помощью белков-ферментов они научились многократно ускорять реакцию, и, если реакция идет с выделением энергии, она подхватывается живым веществом и используется для синтеза АТФ. Имея запас АТФ хемоавтотрофы получают возможность осуществлять уже те реакции, которые идут с поглощением энергии, например, синтез органики из углекислого газа.