Происхождение всего: От Большого взрыва до человеческой цивилизации

Наличие жизни на поверхности Земли зависит от фотосинтеза. Его возникновение было самой значимой биологической революцией на планете, уступая, возможно, лишь самому факту появления жизни. Фотосинтез является (прямо или косвенно) основой питания почти всей жизни на Земле, к тому же он коренным образом изменил атмосферу. Принцип работы фотосинтеза все еще активно изучается, и, хотя я постараюсь максимально упростить описание этого явления, это реакция весьма сложная и состоящая из нескольких этапов. Обычно фотоны солнечного света улавливаются клеткой с помощью белков, содержащих пигменты, такие как хлорофилл, а затем энергия фотонов используется для расщепления молекулы воды и отделения электрона, в результате чего остается ядро водорода (протон) и кислород, который выделяется как побочный продукт. Высвобожденный электрон – это, прежде всего, носитель энергии, который используется для синтеза переносчиков энергии в клетке, например АТФ. Часть накопленной энергии используется для ассимиляции атмосферного углекислого газа, чтобы заменить в нем один атом кислорода на два атома водорода и получить конечный продукт – сахар (и еще больше кислорода). Производство сахара превращает углекислый газ в органические вещества, позволяя им захватывать больше электронов, не делясь с «жадным» до электронов кислородом. Чем больше кислорода удалено таким образом, тем более восстановленным становится углерод (подробнее об этом позже) и тем больше энергии заключено в его электронных связях.

Одной из первых заметных доминирующих форм, обитавших на поверхности, были фотосинтезирующие бактерии, весьма похожие на цианобактерии, которые часто неправильно называют сине‑зелеными водорослями. Эти бактерии образуют цианобактериальные маты – слоистые покровы микробов. Открытые воздействию Солнца, они постепенно затвердевали и кальцинировались, и в итоге формировались строматолиты – старейшие достоверно известные окаменелости. Обладая способностью к фотосинтезу, эти микробы превращают углекислый газ и воду в сахар и выпускают свободный кислород в качестве побочного продукта. Кислород химически очень активен, он стремится присоединить «чужие» электроны и, как правило, связывается практически с любым доступным элементом, за исключением еще более химически активных, «жадных до электронов», например хлора или фтора. Для многих форм жизни кислород является едким и ядовитым, это можно сравнить с воздействием хлора, одного из первых ядовитых газов, использовавшихся во время Первой мировой войны.

Поначалу фотосинтезированный побочный кислород не накапливался в атмосфере, а связывался с железом и другими элементами, а также с богатыми железом минералами на поверхности Земли и в океане, образуя окись железа – основу ржавчины. В течение примерно 2 млрд лет все доступное железо было окислено, оставив множество древних геологических отложений оксида железа (так называемые полосчатые железистые формации, которые образовали используемые сейчас месторождения железной руды). После этого, исчерпав минералы и металлы для реакций, кислород стал накапливаться в атмосфере до той концентрации, которую мы наблюдаем сейчас, – около 20 % от массы атмосферы.

Стабилизацию концентрации кислорода можно объяснить тем, что он достиг равновесия со всеми полученными органическими материалами (сахарами, жирами, метаном и т. д.), которые вступают в реакцию с кислородом, чтобы в конце концов вновь образовать углекислый газ и воду. В химии это означает, что реакция достигла стационарного состояния, т. е. производство кислорода в процессе фотосинтеза уравновешено его потреблением в ходе обратной реакции. Как уже отмечалось ранее, один из способов осуществить такую обратную фотосинтезу реакцию и достичь этого баланса – горение, когда накопленная солнечная энергия испускается в виде тепла и света. Другой способ заключается в жизнедеятельности аэробных организмов (например, людей), потребляющих сахара и жиры, которые вступают в реакцию с кислородом, используют высвобожденную солнечную энергию и выделяют углекислый газ и воду. Предки аэробных организмов были похожи на бактерии и эволюционировали таким образом, что могли в качестве запасного варианта использовать кислород для потребления собственных сахарных источников энергии, когда им не хватало солнечной энергии. Этот навык пригодился им позже (подробнее об этом ниже). В конце концов баланс между фотосинтезом и аэробным потреблением привел к тому, что уровень кислорода стал постоянным.