Кислород. Молекула, изменившая мир

В 1920-х гг. Дж. Б. С. Холдейн в Англии и Александр Опарин в России независимым образом начали размышлять о возможном составе атмосферы первозданной Земли, основываясь на данных о составе современной атмосферы Юпитера (который определяют по оптическому спектру). Холдейн и Опарин утверждали, что, если Земля возникла в результате конденсации облака газа и пыли, как Юпитер и другие планеты, исходная атмосфера Земли должна была состоять из такой же ядовитой смеси водорода, метана и аммиака. Их идеи укоренились надолго и легли в основу знаменитой серии экспериментов Стенли Миллера и Гарольда Юри, выполненных в США в 1950-х гг. Миллер и Юри пропускали электрические искры (имитируя разряды молнии) через газовую смесь, содержащую три газа из атмосферы Юпитера, и собирали продукты реакции. Они обнаружили сложную смесь органических соединений, включая аминокислоты, из которых все живые существа синтезируют белки. Ученые утверждали, что подобные реакции могли превратить первичный океан в органический бульон, содержащий все исходные элементы для возникновения жизни. Для зарождения жизни в этой смеси требовались только благоприятный случай и время, а их было предостаточно: нашей планете 4,5 млрд лет, а самые древние окаменелости крупных животных имеют возраст не более полумиллиарда лет. За 4 млрд лет многое может произойти.

Выбор состава газовой смеси в экспериментах Миллера и Юри был оправдан как с практической, так и с теоретической точки зрения. Водород, метан и аммиак не могут долго существовать в присутствии кислорода и света — смесь окисляется, и после этого выход органических продуктов быстро снижается. На химическом языке окислeнue — это удаление электронов из атома или молекулы. Обратный процесс присоединения электронов называют восстановлением.

Слово «окисление» происходит от слова «кислород». Кислород активно отбирает электроны у других молекул. Чтобы легче было запомнить, воспринимайте кислород как едкое и разрушающее вещество, что-то вроде средства для отмывания краски. Окисление можно сравнить со снятием оболочки «электронной краски», а восстановление — с воссозданием красочного покрытия[7]. Важно, что кислород способен «нападать» на молекулы и отнимать у них электроны. Современные клетки защищаются от этого нападения с помощью антиоксидантов, но сначала никаких антиоксидантов не было. Свободный кислород в первичной атмосфере оказался бы страшным бедствием, поскольку мог разрушать любые органические молекулы и первые клетки.Тот факт, что жизнь все-таки зародилась, говорит о том, что кислорода в заметном количестве в первичной атмосфере не было.

Таким образом, по-видимому, первые клетки возникли в бескислородной атмосфере и должны были производить энергию без помощи кислорода. Это кажется разумным предположением. Вспомним, что в конце XIX в. Луи Пастер называл брожение «бескислородной жизнью» и дальнейшие исследования подтвердили его правоту. Поскольку дрожжи и многие другие одноклеточные организмы используют брожение для получения энергии и имеют простую структуру, легко предположить, что они являются реликтами древнейшей жизни. Эти одноклеточные существа должны были жить за счет сбраживания растворенных в океане органических соединений, пока их не вытеснили первые фотосинтезирующие бактерии — цианобактерии (которые раньше поэтично, но неграмотно называли сине-зелеными водорослями).

Цианобактерии научились использовать для своих целей энергию Солнца. Это крошечные существа, но за миллиарды лет несчетное множество цианобактерий (в капле воды содержится несколько миллиардов таких клеток) незаметно наполнило воздух ядовитым кислородом. Сначала кислород взаимодействовал с растворенными в океане минеральными солями или продуктами эрозии наземных гор. На протяжении сотен миллионов лет этот гигантский природный ресурс служил буфером, поглощавшим свободный кислород.Однако в конечном итоге емкость буфера была исчерпана. И тогда внезапно (по геологической временной шкале) атмосфера и океан заполнились кислородом. Результат оказался ужасным — «кислородный холокост». Вот что писала в 1986 г. профессор Линн Маргулис из Университета Массачусетса: