Кислород. Молекула, изменившая мир

Таким образом, докембрийский период был временем удивительных метаболических инноваций. Микробы учились применять энергию Солнца и окислительную силу кислорода, а также извлекать энергию из соединений серы, азота и металлов. Эти реакции оставили едва заметные следы (так называемые изотопные подписи углерода или серы) в осадочных породах, а иногда и весьма заметные следы в виде миллионов тонн горных пород. Метаболизм древних микробов прямо или косвенно обеспечил нас гигантскими резервами железа, марганца, урана, золота и, конечно же, фальшивого золота — пирита. Эти породы и руды откладывались не одновременно и не синхронно, а в разные моменты времени и при разных внешних условиях. Последовательность событий была тщательно восстановлена с помощью точного метода радиоуглеродного датирования, и полученная информация открывает яркую картину жизни на первозданной планете и рассказывает о роли кислорода.

Первые доказательства древней жизни обнаружены в тех самых горах Гренландии, о которых мы говорили в главе 2. Эти доказательства представляет собой аномальное соотношение различных изотопов углерода. Статью об этом важном открытии в журнале Nature в 1996 г. опубликовал молодой аспирант Стивен Мойжис и его коллеги из Океанографического института Скриппса в Калифорнии. Интерпретация этих углеродных подписей в камнях так важна для нашего рассказа, что следует объяснить, что же это такое. Изотопы углерода хранят информацию о триумфах и несчастьях живых организмов, а их соотношение позволяет достаточно точно оценивать изменения атмосферы древней Земли.

Атом углерода в природе существует в разных вариантах (не путайте с молекулярными формами углерода, такими как алмаз или графит). Эти варианты называют изотопами. У каждого изотопа углерода в ядре шесть протонов, так что все они имеют атомный номер шесть и, следовательно, обладают одинаковыми химическими свойствами. Но кроме шести протонов в ядре атома углерода может содержаться разное число нейтронов, что влияет на массу атома. Чем больше в ядре нейтронов, тем тяжелее атом. Например, ¹²С имеет шесть нейтронов, так что его атомная масса равна 12 (6 протонов и 6 нейтронов), тогда как ¹⁴С имеет 8 нейтронов, и его атомная масса равна 14 (6+8).

Самым распространенным изотопом углерода на Земле является ¹²С (на его долю приходится 98,89% всего углерода), и именно по отношению к нему измеряется относительная атомная масса всех остальных химических элементов. Ядро ¹²С стабильно и не подвержено радиоактивному распаду. Напротив, ¹⁴С постоянно образуется в небольшом количестве (примерно 1:10¹²) в верхних слоях атмосферы под действием космического излучения. Нестабильное ядро этого изотопа распадается с постоянной скоростью. Время полураспада (необходимое для распада половины массы) составляет 5570 лет. Это малое (в геологических рамках) время полураспада делает данный изотоп удобным инструментом для определения возраста и аутентичности доисторических артефактов или исторических документов, таких как свитки Мертвого моря или Туринская плащаница[12].

Но каким бы замечательным ни был этот инструмент датирования, к нашему рассказу он не имеет никакого отношения. Для нас важен другой изотоп — ¹³C. В отличие от ¹⁴С, ¹³С имеет стабильное ядро и не подвергается распаду. В этом отношении он похож на ¹²С. Поскольку он стабилен, его общее количество на Земле и в атмосфере постоянно (1,1% общего содержания углерода). Таким образом, соотношение количества изотопов ¹²С и ¹³С на Земле тоже является постоянной величиной (98,89:1,11). Другими словами, если мы сложим весь углерод, содержащийся в растениях, животных, грибах и бактериях, в каменном угле, нефти и газе, присутствующий в виде углекислого газа в атмосфере и растворенный в океанах и болотах в виде карбонатов, а также застывший в виде извести в карбонатных горных породах, мы увидим, что соотношение стабильных изотопов углерода составляет 98,89:1,11.

Однако несмотря на постоянство этой величины в целом, в горных породах иногда встречаются отклонения от стандартного соотношения. Насколько нам известно, эти отклонения связаны исключительно с деятельностью живых организмов[13]. Дело в том, что фотосинтезирующие клетки, использующие для синтеза органических веществ углекислый газ из воздуха или воды, предпочитают изотоп ¹²С. Более легкий изотоп ¹²С имеет чуть более высокое значение колебательной энергии, так что для осуществления реакций с его участием требуется затратить чуть меньше энергии (более низкая энергия активации). Поэтому ферменты охот-нее катализируют реакции с участием ¹²С, чем с участием ¹³С. Более высокая скорость образования связей с участием ¹²С означает, что органические соединения обогащаются этим изотопом по сравнению с ¹³С. Обычно соотношение ¹²С и ¹³С в живой материи примерно на 2 — 3% отличается от стандартного соотношения.