Мы склонны ассоциировать процесс фотосинтеза с растениями, но почти наверняка первыми его начали использовать цианобактерии. Считается, что миллионы лет назад предки цианобактерий слились с более крупными клетками в процессе, называемом эндосимбиозом, эволюционировали и превратились в содержащие хлорофилл хлоропласты, благодаря которым более крупные клетки смогли осуществлять фотосинтез. Впоследствии эти клетки, содержащие хлоропласты, объединились друг с другом и стали предшественниками современных растений и водорослей.
Несмотря на весь наш технический прогресс, мы можем только восхищаться тем, как цианобактерии, а затем и растения овладели фотосинтезом. Люди рано поняли, как сжигать углерод, но мы до сих пор не можем производить его самостоятельно из углекислого газа и света. Если бы фотосинтез можно было смоделировать искусственно, это стало бы золотым ключом к решению наших энергетических проблем; это также решило бы проблему глобального потепления, позволив вывести углекислый газ из атмосферы.
Теперь, оглядываясь назад, мы знаем, что взрывное развитие жизни в кембрийский период, около 500 млн лет назад, в значительной степени подхлестнуло повышение концентрации кислорода в атмосфере, который производили цианобактерии{21}. Без этих маленьких существ не было бы сейчас ни высших животных форм жизни, ни большинства растительных форм жизни.
Наши легкие развились, чтобы использовать кислород и эффективно управлять нашими метаболическими реакциями. Мы аэробные существа, и если легкие наш самый важный орган, то кислород самый важный газ в атмосфере. Анаэробные организмы существуют, но их развитие сдерживается неэффективным методом производства энергии. С кислородом открылись возможности мира. Почти каждое живое существо на Земле зависит от того или иного способа извлечения кислорода, а Джон Уотербери и другие, занимавшиеся океаническими бактериями, помогли нам понять, откуда взялась вся эта жизнь.
Благодаря появлению нового газа в атмосфере Земли, последние 500 млн лет существования нашей планеты радикально отличаются от первых 4 млрд. Первый период был отмечен отсутствием жизни, второй ее изобилием. Момент появления кислорода и жизни не случаен. Кислород это жизненная сила, источник бесконечных возможностей жизни.
Вместе с повышением содержания кислорода, производимого цианобактериями, примерно в это же время начала расцветать растительная жизнь. Сначала она возникла в океане, а затем неотвратимо эти растительные формы проникли на выжженный оранжевый массив суши, где в то время не было совершенно ничего, кроме скал. Сначала скалы колонизировали невысокие мхи, затем постепенно там обосновался и более продвинутый растительный мир. Деревья появились позже и повысили концентрацию кислорода еще больше.
Животный мир в насыщенном кислородом океане становился все более сложным. Чем больше растений, тем больше кислорода, а с ним появились черви, двустворчатые моллюски и медузы, использующие примитивные жабры или простую диффузию для извлечения кислорода из океана. В конце концов, за десятки миллионов лет живые существа вышли на землю, заселенную растениями. Насекомые, пауки и черви первыми воспользовались зарождающимся зеленым ландшафтом. Но они не смогли бы совершить этот удивительный переход, не обладая хотя бы какой-то способностью использовать кислород.
У червей нет функционирующей дыхательной системы. Они получают кислород из окружающей их влажной почвы, позволяя ему проникать сквозь кожу в кровь. Высушите червяка, и он задохнется. У пауков и насекомых есть дыхательная система, но это просто длинная трубка, проходящая через их тело, которая позволяет кислороду распространяться по окружающим тканям. У всех этих видов нет мышечной системы, которая содействовала бы более эффективному использованию кислорода, и нет способа значительно увеличить снабжение кислородом, когда это требуется. Эти примитивные системы ограничивает отсутствие эффективности. Поэтому тело и мозг этих существ не могут вырасти до больших размеров. Их сдерживает отсутствие легких.
Черви и пауки выползали из моря, а жизнь в океане развивалась гораздо быстрее, чем на суше. Существа увеличивались в размерах, и у них развивались более сложные органы. Появились позвоночные животные с эндоскелетом и кожным покровом, а также рыбы со знакомыми нам органами, такими как мозг, печень, сердце и пищеварительный тракт. Эти сложные позвоночные начали заселять множество различных водных ниш, от самых высоко расположенных рек до самых глубоких океанских впадин. Девонский период, длившийся с 420 до 359 млн лет назад, известен как эпоха рыб из-за взрывного роста количества видов и количества мест их обитания{22}.
Рыбы, вероятно, столь разнообразны, потому что выработали способность использовать кислород через эффективную систему кровообращения. Важная часть этой системы жабры. У большинства рыб с обеих сторон есть по одной щели, через которую протекает вода. Обширная сеть капилляров в жабрах извлекает кислород из поступающей воды. Капилляры также выводят углекислый газ через газообменную систему, подобную нашей. Еще у большинства рыб вокруг жабр имеются мышцы, с помощью которых жабры могут раздуваться и увеличивать поток воды и приток кислорода в систему по мере возрастания потребности в энергии. Это хорошая система использования кислорода, и это объясняет, почему некоторые рыбы смогли стать одними из крупнейших существ на Земле.
Со временем, и только после того как у них развились легкие как способ извлечения кислорода из атмосферы, рыбы вышли на сушу. Это уникальное и экстраординарное превращение, хотя для него и потребовались десятки миллионов лет. Оно завораживает нас, потому что мы можем думать о нем как о моменте нашего рождения, символическом моменте, когда жизнь, какой мы ее знаем, уже была не за горами. Этот переход стал возможен благодаря появлению легких, органа, который определяет нас как сухопутных существ.
Считается, что метаморфозы в рыбах начали происходить в мутных водах мелководья, на стыке океана и суши. Возможность длительное время находиться вне воды, чтобы воспользоваться преимуществами суши, изобилующей пищей в виде растений, была явно выгодной с точки зрения приспособляемости.
Вопрос о том, как именно у рыб впервые развились легкие, обсуждается уже давно. Единственное, что кажется очевидным, хотя и не интуитивным, это то, что наши современные легкие образовались не из жабр. Интересно, что жабры некоторых рыб, особенно клариусов, разновидности сома, эволюционировали в подобие легких. У этих рыб, типичных обитателей Азии, теперь захватывающих Флориду, возникла очень небольшая зона газового обмена, которая открывается только тогда, когда они закрывают свои жабры.
Наши легкие, однако, скорее всего, зародились как выпячивание пищевода, когда рыбы начали дышать, просто глотая воздух, который затем попадал в систему циркуляции путем простого осмоса. Некоторые рыбы сохранили это изначальное выпячивание, известное как плавательный пузырь, который заполнен воздухом. Современные рыбы используют плавательный пузырь в качестве балластного механизма для плавучести. Но у некоторых ранних рыб этот пузырь развился в легкие, какими мы их знаем сегодня.
Еще одной важной трансформацией, необходимой рыбам для успешной жизни на суше, было формирование ног, которые давали максимальную маневренность вне воды. Существа с четырьмя конечностями называются четвероногие класс, в который сегодня входят все млекопитающие, рептилии, птицы (крылья тоже считаются конечностями) и земноводные. Скорее всего, в девонский период, около 400 млн лет назад, из океана вышел первый тип четвероногого с только что и одновременно сформировавшимися легкими и ногами.