Почему биосфера древней Земли разительно отличалась от современной
Статья с канала «Цитадель адеквата» на яндекс-дзене.
Череда геологических эпох приводила в мир новых тварей, с каждым разом всё более хитро выдуманных. Менялись климат, состав атмосферы и очертания континентов. Даже правила игры между хищником и жертвой не были одинаковы в разное время. Это очень интересные вопросы, но в сейчас речь пойдёт об отличиях более фундаментальных, нежели что-то из перечисленного выше. В минувшие времена иначе функционировала биосфера, как таковая.
Во-первых, о том что имеется в виду под «функционированием биосферы». В целом, жизнь на Земле, используя энергию Солнца (прочим источниками можно пренебречь, так как вклад их исчезающе мал), преобразует углекислый газ и воду в сложные органические соединения. Параллельно протекает и процесс обратной трансформации органических молекул в неорганические. Вместе же синтез и распад образуют круговорот веществ. И сейчас он, фактически, замкнут. Приход, если иметь в виду запасы необходимых для жизни ресурсов в природе, примерно равен их расходу в каждый отдельный момент.
Кажется, что круговорот — нормальное, необходимое состояние, что так было всегда, ибо иначе система работать просто не может. Однако, замкнутый круговорот веществ — это эволюционное достижение, причём по геологическим меркам недавнее. Ранее круговорот был не замкнут и сопровождался потерей ресурсов. Биосфера может функционировать и в таком режиме. Но существенно хуже. Как следствие, максимального уровня биомасса на планете достигала не в карбоне или мелу, а палеогене и неогене. Но этому вопросу статья уже посвящалась. В данном же случае речь о причинах такого положения дел.
Иллюстрация тропического леса карбонового периода. Здесь и далее фото и иллюстрации взяты из открытых источников и принадлежат их авторам
По функциям, по роли играемой в биосфере все организмы можно разделить на три категории: продуцентов, консументов и редуцентов. Первые делают из маленьких неорганических молекул большие органические. Вторые перестраивают произведённые продуцентами молекулы для собственных нужд, частично разрушая их, в том числе и полностью — до воды и углекислого газа. Редуценты же осуществляют окончательную зачистку обрывков, обломков, остатков органики, возвращая газы и минералы в исходное, необходимое продуцентам состояние. Проблема же, собственно, в том, что редуценты не даром всегда упоминаются третьими — в конце списка. Они появились последними и всегда отставали. Так что, древняя биосфера Земли отличалась от современной неспособностью редуцентов выполнить возложенные задачи.
Причины отставания очевидны. Во-первых, организм, умеющий разбирать химическими воздействиями некую сложную, не встречающуюся в природе молекулу, не появится раньше, чем кто-то научится такие молекулы синтезировать. Да и потом — спешить с появлением не станет. Работа редуцентов в природе не то что бы не почётна, но — тяжела и не прибыльна. Продуценты питаются самыми трудными для переработки, но зато и наиболее доступными веществами. Консументам пищу приходится искать, но зато получают они её в максимально концентрированном и удобном для переработки виде. Редуценты же оперируют веществами, которые одновременно и редки, и неудобны.
Низкая популярность благородной по сути миссии редуцента, в свою очередь, порождает третью проблему. Мало-мальски продвинутые организмы не берутся за такую работу, оставляя её бактериям. Многоклеточные редуценты — грибы — являются исключением. Одноклеточные же существа встречают на своём пути массу ограничений. Например, не могут существовать вне жидкой среды. Да и в ней не поглощают пищу обычным образом, а выделают в окружающую среду вещества, разрушающие крупные молекулы на куски, которые уже могут (если повезёт) впитаться внутрь бактерии сквозь мембрану. Это очень неэффективный и затратный способ.
Просто пример редуцента
…Как следствие, появившись в природе первыми, продуценты — бактерии и археи — очень долго — первые два миллиарда лет истории жизни на планете! — вынуждены были работать вообще без поддержки других групп. Даже консументы, способные вернуть в оборот хотя бы часть использованных материалов, появились далеко не сразу. Ведь, для того чтобы поглотить чужую биомассу, уже нужно отрастить ложноножки и пищеварительные вакуоли. И казалось бы, растениям выгодно, когда никто не питается ими. Но это — не так. Отмершая органика минерализовалась, уходила в известковые отложения. И если углекислый газ не кончился на Земле ещё в архее, то только потому, что интенсивность синтеза была очень низкой, и убыль успевала восполняться вулканическими выбросами.
Почему низкой? Помимо углерода и водорода (получаемого из воды) для синтеза ДНК нужны ещё азот и фосфор. И с азотом — трудно. Лишь некоторые современные микроорганизмы научились усваивать его из атмосферы, переводя в связанную, доступную растениям форму. С фосфором же совсем плохо. Он или есть, или нет. Минерализация однажды использованного фосфора оставляла продуцентов без важнейшего удобрения. Последствия этого и сейчас можно наблюдать в океане. Над небольшими глубинами жизнь кипит. Над большими же интенсивность синтеза падает в 100-1000 раз, так как азот и фосфор уходят на дно вместе с «глубинным снегом».
Консументы и (вероятно) редуценты подставили дружеское плечо около 1.8 миллиардов лет назад. Но плечо это было совсем хиленькое. Вплоть до того, что ещё более миллиарда лет — до начала палеозоя включительно — многоклеточные водоросли не служили кому-либо пищей. Как следствие, минерализация углерода в морских отложениях, которым в будущем предстоит превратиться в залежи нефти, бодро продолжалась. В месте же с углеродом, которого до сих пор достаточно, в отложения уходил и дефицитный фосфор. Так что интенсивность биосинтеза колебалась возле отметки 1% от современной, ввиду нехватки ресурсов.
Ситуация с круговоротом веществ начала улучшаться в палеозое — между 500 и 300 миллионами лет назад. Редуценты в этот период действуют уже активно и даже выделяют из своей среды единственных за всю свою историю гигантов — многометровых прототакситов. Но и встречаются с неожиданной проблемой. Освоение суши — условий принципиально новых и необычно разнообразных — подстёгивает эволюцию, и вынуждает продуцентов изобретать новые материалы. Земля покрывается лесами деревьев, стволы которых содержат неудобоваримый лигнин. С которым редуценты каменноугольного периода около 30 миллионов лет — пока к новому соединению не удаётся подобрать химический «ключ» — ничего не могут поделать. Упавшие стволы не гниют, не изгрызаются термитами и древоточцами — нет их ещё, — а лишь мумифицируются, заносятся песком и уходят в отложения, образовав основную массу залежей угля.
…В последующие эпохи ситуация с балансом между деятельностью продуцентов и редуцентов постоянно улучшается. Что ведёт к постепенному сокращению потерь жизнеобеспечивающих элементов. К современному уровню интенсивности круговорот веществ, а значит и скорость биосинтеза приближаются в конце меловой эпохи.
Но это — на поверхности Земли. В литосфере, например, редуцентов всё ещё нет.
