ПАЛЕОМИР

Древнейшими следами эукариот и цианобактерий на Земле считаются биомаркеры, выделенные из западноавстралийских сланцев возрастом 2,7 млрд лет. Бесспорные палеонтологические находки цианобактерий и эукариот имеют возраст 2,15 и 1,8 млрд лет соответственно. Между этими двумя ориентирами помещается точка 2,4 млрд лет, отмечающая формирование кислородной атмосферы и гидросферы. Одновременное существование продуцентов кислорода и восстановительной (бескислородной) атмосферы в течение как минимум 300 млн лет представляло серьезный вопрос для ученых. Австралийские ученые с помощью новейшей аппаратуры перепроверили породы с древнейшими биомаркерами, породившими этот вопрос. Сравнение микропроб углеводородов привело ученых к заключению, что эти биомаркеры имеют более молодой возраст и привнесены в архейские породы уже после их остывания.

В 1999 году австралийские ученые опубликовали в журнале Science результаты изучения архейских сланцев в Австралии. Место, откуда пришли образцы, — Западная Австралия, кратон Пилбара (Pilbara craton), формация Джерина (Jeerinah) — сразу стало широко известным среди палеонтологов. Из этих сланцев были выделены биомаркеры (органические молекулы, однозначно указывающие на метаболизм определенной группы животных или растений; см. также biosignature) — молекулы углеводородов гопанов (hopanoid) и стеранов (sterane). Гопаны (2а-метилгопаны) не встречаются ни у каких организмов, кроме цианобактерий, а предшественники стеранов характеризуют исключительно эукариот. Так как возраст сланцев формации Джерина — 2,69 млрд лет, то обнаруженные биомаркеры датировали появление эукариот и цианобактерий именно этим возрастом.

Таким образом, датировка 2,7 млрд лет была принята учеными как самое древнее свидетельство существования эукариот и цианобактерий на планете. Присутствие фотосинтезирующих цианобактерий предполагало также формирование в это время кислородной атмосферы. Косвенно на это указывало и появление на данном рубеже эукариотных организмов: все без исключения эукариотные организмы используют кислород для дыхания.

Найденные биомаркеры возрастом 2,7 млрд лет серьезно «состарили» и эукариот, и цианобактерий. Ученые располагают несомненными палеонтологическими остатками эукариот (акритархов) возрастом 1,68–1,78 млрд лет и цианобактерий возрастом 2,15 млрд лет. Множество независимых геохимических данных говорят о формировании кислородной атмосферы на рубеже 2,4 млрд лет. Получается внушительный разрыв по крайней мере в 300 млн лет между данными палеонтологии и геохимии с одной стороны и датировками биомаркеров с другой. Почему при функционировании цианобактерий кислород в атмосфере и в воде не накапливался? Где он мог в течение 300 млн лет храниться и какие геохимические признаки могут указывать на это хранилище? В течение почти десяти лет ученые пытались ответить на эти вопросы.

Тем временем группа ученых из Австралийского технологического университета имени Кэртена в Бентли, Австралийского национального университета в Канберре и Западноавстралийского университета в Кроули под руководством Йохена Брокса (Jochen J. Brocks), автора датировок 2,7 млрд лет, продолжала исследования архейских сланцев из кратона Пилбара. За прошедшее время существенно усовершенствовалась техника исследования. Теперь в распоряжении ученых имеется современная аппаратура — ионный микрозонд NanoSIMS 50 фирмы Cameca. С помощью этого микрозонда можно просканировать поверхность образца с разрешением до 50 нанометров и измерить количество изотопов углерода прямо в шлифе, не выделяя растворимые фракции углеводородов для исследования. Таким образом ученые получили картину распределения изотопов в образцах сланцев. За счет высокого разрешения удалось оценить изотопные соотношения углерода ¹²С/¹³С в органическом матриксе (фоновой органике) сланцев — керогенах и частицах пиробитумов (керогены и пиробитумы являются продуктом разложения и трансформации отмершей органики).

Известно было, что в позднеархейских породах изотопный состав органического углерода уникален. В растворимой углеводородной фракции тяжелых изотопов ¹³С относительно много: показатель δ¹³С составляет от –29 до –26‰. (Относительное содержание тяжелого изотопа углерода ¹³С рассчитывается по формуле: δ¹³С = 1000{[(¹³C/¹²C)sample/(¹³C/¹²C)standard] – 1}. Отрицательное число получается, если в образце отношение ¹³C/¹²C меньше, чем в современности, и это число тем меньше, чем больше в образце легкого изотопа углерода ¹²С.) В керогенах — нерастворимой фракции углеводородов — изотопный состав существенно облегчен: показатель δ¹³С < –39‰. Относительно большая доля легких изотопов ¹²С в керогенах характерна для всех позднеархейских пород. Эту особенность связывают с деятельностью метанотрофных бактерий. Метанотрофы продуцируют очень легкую органику с изотопным соотношением δ¹³С от –42 до –85‰. В более поздних (фанерозойских) породах картина обычно обратная, то есть в керогенах тяжелых изотопов обычно немного больше, чем в растворимых углеводородах сланцев. Загадка древнейших биомаркеров состояла в том, что их изотопный состав не содержал этой уникальной архейской «подписи» — облегченного изотопного состава.

У этой загадки могло быть два решения. Во-первых, признать измененный изотопный состав результатом нагревания и других метаморфических преобразований керогенов. Во-вторых, признать найденные биомаркеры более поздним загрязнением. Если принять первое объяснение (как и было сделано в 1999 году при обнародовании древнейших датировок), то и у других продуктов термического преобразования углеводородов эта подпись должна стереться. Таким термически измененным продуктом являются пиробитумы. Но оказалось, что они вполне соответствуют по своему изотопному составу уникальному позднеархейскому «стандарту». Значит, придется признать правильным, хоть это и очень обидно, второе объяснение: биомаркеры в позднеархейских породах — это загрязнение более молодыми по возрасту нефтями.

Какими фактами, помимо биомаркеров, располагают ученые по ранним следам цианобактерий и эукариот? В западной Австралии в серии Фортескью (возраст 2,76–2,63 млрд лет), на юге кратона Пилбара, найдены вертикально ориентированные слепки тонких нитей. Это могли быть с равной вероятностью и цианобактерии, и серобактерии. В Южной Африке в надсерии Трансвааль (возраст 2,52–2,51 млрд лет) присутствуют крупные широкие неветвящиеся чехлы (остатки полисахаридных оболочек) и кокки. Интерпретация этих ископаемых неоднозначна: либо это цианобактерии, либо псевдофоссилии (то есть минеральные образования, внешне напоминающие останки живых существ; когда речь идет о микронном или тем более наноразмерном уровне, часто невозможно точно сказать, имеем ли мы дело с настоящими ископаемыми или с обманками; именно с этим и связана, кстати, неопределенность в распознавании марсианских «бактерий»). На Балтийском щите (возраст 2,3–2,06 млрд лет) найдены остатки цианобактериальных нитей и, возможно, эукариот. В криворожской серии на Украине (2,5–2,0 млрд лет) — цианобактерии и вероятные эукариоты. В Канаде в надсерии Белчер (возраст 2–1,96 млрд лет), на островах Белчер в Гудзоновом заливе, — разнообразная флора цианобактерий. США, серия Минномини, формация Негауни (возраст 1,87 млрд лет), из района озера Верхнего, — низшие эукариотные водоросли. Сибирь, удоканская серия (возраст 2,18–1,87 млрд лет) — водоросли удокания (Udokania).

Недавно описанная Печенгия (Pechengia) из Кольских пород возрастом 2,1 млрд лет признана авторами открытия А. Ю. Розановым и М. М. Астафьевой эукариотным организмом из группы зеленых водорослей. Основанием для отнесения печенгии к ядерным организмам послужила видимость на некоторых снимках кусочков двойной клеточной мембраны. А это всё же является признаком эукариотных организмов. Если это так, то печенгия окажется самым древним ископаемым свидетельством эукариотной жизни на планете. Но существуют опасения, что двойная мембрана в данном случае может быть просто сколом складки смятой одиночной мембраны. Пока специалисты опасаются выносить печенгии безоговорочный вердикт.

Помимо палеонтологических находок также имеются и сведения об архейских биомаркерах эукариот и цианобактерий, например в Канаде, в породах возрастом 2,45 млрд лет.

Как мы видим, бесспорные данные говорят о появлении цианобактерий 2,3–2,0 млрд лет назад, а эукариот 1,8 млрд лет назад. Эти данные обрисовывают следующий сценарий. До 2,4 млрд лет на Земле развивались анаэробные бактерии, в том числе и большое количество анаэробных метанотрофов. В результате их деятельности в породах накапливалась облегченная по изотопам углерода органика керогенов, а в атмосфере — парниковые газы. В результате в позднеархейское время на планете поддерживался парниковый эффект. Цианобактерии возникли непосредственно перед рубежом 2,4 млрд лет. Их развитие привело к формированию окислительной атмосферы и угнетению метанотрофов. Концентрация парниковых газов резко понизилась и наступило похолодание. И вслед за этим планета вступила в эпоху длительного — так называемого Гуронского — оледенения (см. Huronian glaciation).