Более 3,5 миллиардов лет назад Земля не была таким гостеприимным миром, каким мы знаем ее сегодня.
В атмосфере не хватало кислорода, моря были кислыми и богатыми железом, а на бесплодных ландшафтах бушевала вулканическая деятельность. И все же в этом чуждом мире произошло нечто необычное - возникла жизнь. Самые ранние формы жизни не оставили после себя ни костей, ни раковин, но они оставили другие подсказки о своей биологии и влиянии на раннюю земную среду. Следы микробной жизни, химические отпечатки и крошечные структуры, окаменевшие в древних породах, рассказывают нам о далеком микробном прошлом. Эти микробные окаменелости, в основном прокариотического происхождения, дают ключ к пониманию того, как зародилась жизнь на Земле и как она развивалась на самых ранних этапах.
Однако интерпретация свидетельств, возраст которых исчисляется миллиардами лет, сопряжена с определенными трудностями. Например, образцы горных пород могут изменяться под воздействием температуры и давления с течением времени, окаменевшие клеточные формы могут напоминать абиотические минеральные структуры, а химические следы в древних породах могут иметь как биологическое, так и небиологическое происхождение. Чтобы решить некоторые из этих проблем, ученые исследуют малоизученные части света и разрабатывают более совершенные инструменты для лучшего понимания происхождения жизни, какой мы ее знаем.
Микробные окаменелости являются одними из самых ранних прямых вещественных доказательств существования жизни на Земле. Для микробиологов они помогают ответить на важнейшие вопросы о структуре и морфологии древних микроорганизмов. В то время как молекулярные инструменты позволяют проследить эволюционные связи, только горные породы свидетельствуют о времени и экологическом контексте древней жизни, давая полезные подсказки о том, когда, где и как жили древние микробы. Эти окаменелости также помогают искать жизнь в других уголках Вселенной, предлагая полезные сравнения при оценке потенциальных биопризнаков на планетах вроде Марса или ледяных лунах вроде Европы.
Строматолиты
К наиболее знаковым микробным окаменелостям относятся строматолиты - слоистые осадочные структуры, образованные плотными сообществами микроорганизмов, называемыми микробными матами. Эти видимые биопленки обычно растут на влажных поверхностях, где они задерживают и связывают осадки (например, песок и кальций) и осаждают минералы в виде отчетливых структур, похожих на горки или колонны, которые представляют собой окаменевшую летопись жизни на Земле. Исследователи обнаружили строматолиты возрастом 3,45 миллиарда лет в Западной Австралии. Эти структуры относятся к эону архей, который охватывает период от 4,031 до 2,5 миллиарда лет назад, и дают возможность заглянуть в самые ранние прибрежные экосистемы.
Еще более убедительными являются строматолиты из формации Стрелли Пул возрастом 3,4 миллиарда лет, которые демонстрируют сложную геометрию - конусы, колонны и тонкослойные листы. Несмотря на прежние споры о том, что эта архейская горная порода (также обнаруженная в Западной Австралии) может быть абиотической по своей природе, структуры демонстрируют пространственную организацию, вертикальный рост и внутренние текстуры, которые согласуются с деятельностью микробных матов. Кроме того, сложность морфологической структуры в сочетании с ее распространенностью в мелководных морских условиях делает ее особенно убедительным кандидатом на биологическое происхождение.
Строматолитовые структуры также были обнаружены в Барбертонском поясе в Южной Африке и в других скальных образованиях архейского возраста по всему миру, что позволяет предположить, что микробные маты были широко распространены в мелководных морских средах. Тот факт, что подобные слоистые структуры появляются независимо друг от друга на разных континентах и в разные периоды времени, подкрепляет предположение, что они являются результатом биологических процессов, а не редких или изолированных абиотических событий, и эти повторяющиеся физические или химические модели, сохранившиеся в породах, считаются биосигнатурами, отражающими прошлую биологическую активность.
Если более молодые строматолиты, особенно образовавшиеся после Великого окислительного события (~2,4 млрд лет назад), обычно ассоциируются с цианобактериями и кислородным фотосинтезом, то точная микробная принадлежность архейских структур (таких, как упомянутые выше) остается неизвестной. Возможно, эти ранние маты были созданы смесью аноксигенных фототрофов (бактерий, которые используют солнечную энергию для роста и не производят кислород) или других метаболически универсальных микробов задолго до того, как производство кислорода привело к трансформации атмосферы Земли.
Микрофоссилии
Микрофоссилии - это следы древних клеток, которые сохраняются в мелкозернистых, богатых кремнеземом породах, таких как керты, и настолько малы, что невидимы невооруженным глазом. Быстрое замуровывание защищает тонкие клеточные структуры от распада. Некоторые микрофоссилии представляют собой останки микроорганизмов, заключенные в тонкую пленку богатого углеродом материала, который ученые интерпретируют как деградировавшую клеточную материю. Другие же состоят из клеток, которые были заполнены или окружены минералами, такими как кремнезем или оксиды железа, сохраняя свои формы в твердых матрицах. Такие условия помогают сохранить мелкие структурные детали, которые в противном случае были бы утеряны, что позволяет изучать их морфологию и химический состав спустя миллиарды лет.
Возраст некоторых из этих микрофоссилий превышает 3,4 миллиарда лет. Они имеют простые формы, такие как стержни, сферы и напоминающие нити, которые попадают в диапазон размеров современных прокариотических клеток (около 1-10 мкм). В некоторых образцах похожие на клетки формы выглядят как скопления или цепочки, подобно тому, как современные бактерии иногда растут колониями или делятся последовательно. Подобная пространственная организация, а также их размер и форма подтверждают мысль о том, что эти структуры представляют собой настоящую микробную жизнь, а не минеральные артефакты.
Химические идентификаторы ранней жизни
Тем не менее, идентифицировать древние микробы только по форме сложно, поскольку неживые процессы иногда могут создавать структуры, похожие на клетки. Чтобы подкрепить доводы в пользу биологического происхождения, ученые обращаются к химическим доказательствам. Один из самых полезных показателей - соотношение изотопов углерода. Живые организмы в процессе метаболизма отдают предпочтение более легкому изотопу - углероду-12. В результате органическое вещество, которое они оставляют после себя, обогащается углеродом-12 по сравнению с углеродом-13. Когда этот изотопически легкий углерод обнаруживается в древних породах, это может свидетельствовать о наличии жизни в прошлом. Например, частицы графита в породах из супракрустального пояса Исуа в Гренландии, имеющие возраст примерно 3,7 миллиарда лет, демонстрируют подобный изотопный сигнал. Аналогичные находки из других древних местностей подтверждают предположение о том, что эти сигналы отражают раннюю биологическую фиксацию углерода, а не чисто геологические процессы.
Исследование первых метаболизмов
Дополнительную поддержку оказывают модели фракционирования изотопов серы - свидетельство микробного метаболизма серы, а также сохранившиеся липидные биомаркеры (молекулярные окаменелости клеточных мембран) и чувствительные к окислительно-восстановительным процессам минералы, такие как уранинит и пирит, которые указывают на ранние микробные окислительно-восстановительные процессы. Даже в отсутствие видимых ископаемых структур эти химические следы помогают ученым понять, когда возникли конкретные метаболические пути, такие как восстановление серы или анаэробное дыхание, и как они повлияли на раннюю земную среду.
Химические следы в древних породах также указывают на раннее существование метаногенеза, метаболизма на основе железа и автотрофных путей. Доказательством метаногенеза служат богатые метаном флюидные включения в породах, датируемых 3,5 млрд. лет. Метан в этих породах обеднен углеродом-13, что соответствует биологическому происхождению, и позволяет предположить, что, хотя метаногенные археи активны и сегодня, этот метаболизм развился очень рано.
С метаболизмом на основе железа связано открытие полосчатых железных формаций. Эти отложения, состоящие из чередующихся слоев богатых железом минералов, могли образоваться, когда микробы использовали свет для окисления растворенного в морской воде железа. Другие микробы, вероятно, восстанавливали железо с помощью органических молекул. Оба процесса помогли сформировать окислительно-восстановительный ландшафт ранней Земли и сохранились в этих крупномасштабных минеральных структурах. Вместе химические и ископаемые "улики" свидетельствуют не только о том, что жизнь возникла на ранних этапах истории Земли, но и о том, что она быстро диверсифицировалась, чтобы использовать различные источники энергии в меняющейся среде.
Микробные окаменелости открыли одни из самых древних известных свидетельств существования жизни на Земле, но они также поднимают важные научные вопросы. Какие метаболические пути были активны в разных средах? Как быстро происходила диверсификация микробов? И при каких условиях микробная активность может сохраняться в течение миллиардов лет? Одна из главных проблем - уверенная интерпретация этих следов. Микроскопические формы могут напоминать минеральные структуры, а химические сигнатуры могут иметь как биологическое, так и небиологическое происхождение. Исследователи разрабатывают более совершенные инструменты для решения этой проблемы, сочетая съемку с высоким разрешением с изотопной геохимией и экспериментальным моделированием ранних сред Земли. Эти подходы помогают выявить тонкие особенности, которые более четко указывают на биологическое происхождение, освещая то, как микробные сообщества реагировали на стресс окружающей среды, структурировали себя в маты и взаимодействовали с минералами - понимание, которое имеет параллели в современных системах.
Еще одна сложность заключается в самой геологической летописи. Породы старше 3 миллиардов лет встречаются редко и многие из них были изменены под воздействием тепла и давления. Даже в хорошо сохранившихся местах окаменелости могут быть фрагментарными или неоднозначными. Тем не менее, новые находки продолжают появляться из заново изученных образцов, из глубоких буровых кернов и из менее изученных частей света. Эти открытия помогают микробиологам понять происхождение основных биохимических путей, сохранившихся до наших дней (например, фиксация углерода, метаногенез и сульфатредукция).
В будущем поиск биосигнатур за пределами Земли во многом зависит от того, что мы узнаем из этих ранних микробных следов. Миссии на Марс будут руководствоваться критериями, сформированными на основе ископаемых Земли. Знание того, как жизнь оставляла свои следы в древних породах, позволяет определить, где мы ищем, что мы ищем и как интерпретируем найденное.
