Новая базовая теория эволюции жизни на Земле

Серия энергетических революций – естественных и технологических — наложились друг на друга, дабы в результате мы получили нашу богатую, разнообразную биосферу.

Современный мир даёт нам такой лёгкий доступ к начо и мороженому, что легко забыть: человеческие тела требуют смехотворного и — для большей части истории Земли — невероятного количества энергии, чтобы остаться в живых.

Рассмотрим человека, теоретически помещённого в изначальный суп 3,8 миллиарда лет назад, когда зародилась жизнь. Ему нечем было бы питаться. Земля тогда не имела ни растений, ни животных, ни кислорода. Попробуйте получить 1600 калорий в день из питьевого пруда или морской воды. Итак, как мы получили источники концентрированной энергии (т.е. пищи), растущие на деревьях и пробивающиеся сквозь траву? Как мы оказались на планете, которая способна поддерживать миллиарды энергичных, теплокровных, прямоходящих людей?

В «Энергетических экспансиях эволюции», экстраординарном новом эссе в журнале Nature Ecology and Evolution, Оливия Джадсон излагает теорию последовательных энергетических революций, которая призвана объяснить, как на нашей планете появилось такое разнообразие сред, которые поддерживают столь богатое разнообразие жизни, от цианобактерий до ромашек и человека.

Джадсон делит историю жизни на Земле на пять энергичных эпох, новую схему, которую вы не найдёте в учебниках по геологии и биологии. В порядке следования: геохимическая энергия, солнечный свет, кислород, плоть и огонь. Каждая эпоха представляет собой разблокировку нового источника энергии, соответствующего новым организмам, способным эксплуатировать этот источник и изменять планету. Предыдущие источники энергии остаются вокруг, поэтому окружающая среда и жизнь на Земле становятся все более разнообразной. Джадсон называет это «поэтапным строительством системы планетарной жизни».

В эпоху геохимической энергии 3,7 миллиарда лет назад первые живые организмы «питались» молекулами, такими как водород и метан, которые образовывались в реакции между водой и камнями. Они получали энергию из химических связей. Это было не очень эффективно — производительность биосферы тогда была, по оценкам, в тысячу или миллион раз меньше, чем сегодня.

Солнечный свет, конечно же, сиял над Землёй все это время. Когда микробы, которые могут использовать солнечный свет, наконец эволюционировали, продуктивность и разнообразие биосферы увеличилось. Один из видов бактерий, называемых цианобактериями, выработали способ использования солнечной энергии, которая сделала кислород (O2) побочным продуктом, что в результате привело к серьёзным последствиям: планета получила слой озона (O3), который блокирует УФ-излучение, новые минералы благодаря реакциям с кислородом и атмосферу, полную высокореактивного O2.

Это подводит нас к эпохе кислорода. При наличии возможности, кислород будет забирать электроны от всего, что находит. Новые кислородорезистентные организмы эволюционировали с помощью ферментов, призванных защитить их от кислорода. Они также имели свои преимущества: поскольку кислород сильно реактивен, он делает метаболизм этих организмов намного более эффективным. В некоторых условиях организмы могут получать в 16 раз больше энергии из молекулы глюкозы с присутствием кислорода, чем без него.

Обладая большей энергией, вы сможете лучше двигаться, и поэтому в эпоху плоти животные становятся очень подвижными. Они могут летать, плавать, бегать ловить добычу. «Плоть» является источником концентрированной энергии, богатой жирами, белками и углеродом.

Затем один определённый тип животных — из рода Homo — обнаружил огонь. Огонь позволяет нам готовить, что, возможно, позволило нам получать больше питательных веществ из одной пищи. Это позволяет создавать сложные металлические инструменты, удобрения с помощью процесса Haber-Bosch для выращивания продуктов питания на промышленных весах, сжигать ископаемое топливо для получения энергии.

Это лишь краткий обзор, но я призываю вас прочитать эссе полностью, оно хорошо читается, несмотря на то, что его публиковали в академическом журнале. Джадсон — писательница по профессии, она автор бестселлера «Сексуальный совет доктора Татьяны для всего творения», и недавно она писала ревью на книгу о осьминогах для «The Atlantic» (проект «Идеалист» переводил это ревью — прим.ред.).

Помимо большой тематической структуры, эссе наполнено небольшими откровениями, которые заставят вас немного посидеть и подумать (моим излюбленным является описание того, как вирусы действуют словно «агенты смерти», и играют важную роль в эволюции ранних микробов). Ноа Фирер, микробиолог из Университета Колорадо, называет эту статью «обязательной для прочтения» студентам в области микробиологии.

Эссе — сжатая и выкристаллизованная версия книги, которую Джадсон писала десять лет. Это синтез исследований за многие годы и во многих дисциплинах. Когда я спросила писательницу по поводу её книги, она ответила таким письмом, описывая процесс написания:

«В течение нескольких лет я сражалась. Писала фрагменты. Читала больше статей, собирала больше примеров. Путешествовала, чтобы посмотреть на скальные образования или колонии бактерий. Приставала к людям с вопросами (многие из них были совершенно незнакомыми людьми, их щедрость была потрясающей). Скучала по своим друзьям. Снова сражалась. Наняла тренера. Писала больше фрагментов. До тех пор, пока, однажды, у меня не возникло удивительного момента: материал внезапно перестроился в моем сознании, создав новую картину. Это случилось после того, как я побеседовала в одном из институтов Франции; позже в тот же день я разговаривала с другом … и вдруг эта модель энергетических экспансий появилась у меня. Я поняла, как сделать книгу».

«Подпитываясь этим чувством «эврики», — рассказывает Джадсон, она решила изложить свои идеи в научной литературе. Процесс рецензирования также связывал её с другими людьми, думающими об одних и тех же идеях. «Приятным сюрпризом стало то, что мы нашли ещё одну родственную душу», — сказал мне Тимоти Лентон, учёный, изучающий системы Земли из Эксетерского университета. Лентон написал обзор на её эссе для журнала, и также сделал материал об энергетических революциях. С тех пор они переписывались.

Линн Ротшильд, астробиолог из НАСА Эймс, сказала мне: «Это была одна из тех работ, прочтя которую у меня было чувство — черт возьми, мне хотелось бы написать её самой». В конце Джадсон размышляет о том, что другие системы планетарной жизни во Вселенной, возможно, также эволюционировали через ряд энергетических революций. Если мы хотим искать жизнь, мы должны не только искать планеты, которые выглядят как нынешняя Земля — ​​мнение, которого Ротшильд придерживается уже много лет. «Когда люди говорят о поиске планеты, подобной Земле, о том, что у неё должен быть кислород, я отвечаю: «Ты сошел с ума?» — говорит она — «если бы вы изучали Землю миллиарды лет назад, вы бы его не увидели».

Таким образом, эволюция Земли на протяжении миллиардов лет может дать нам план поиска менее сложной жизни, чем наша. Но что может присутствовать на планете, которая прошла ещё более длинный энергетический путь, чем Земля? Иными словами, что Землю ждёт дальше?

Один из способов понять ответ на этот вопрос — выяснить, какие инновации приведут нас в следующую энергичную эпоху и оставят свой след в окружающей среде. Затем попытаться понять как будет выглядеть жизнь в эту эпоху, и то, какие формы жизни могут исчезнуть и что в конечном итоге станет возможным. В конце концов, потребовались миллиарды лет и несколько энергетических экспансий, чтобы сделать возможным на Земле кислородное дыхание, плотоядение, использование людьми огня.

Оригинал: TheAtlantic Автор: Сара Жангмай