Как геология рассказывает историю эволюционных «бутылочных горлышек» и жизни на Земле
Свидетельства того, что катастрофические геологические события могли создавать эволюционные «бутылочные горлышки», изменившие ход жизни на Земле, могут быть скрыты в древних породах под нашими ногами.
В 700-миллионном пробеле истории Земли произошло одно из самых transformative событий: появилась жизнь. Эта недостающая эпоха может хранить не только тайну нашего первого предка, но и направлять поиск жизни на других планетах.
Недавняя статья в журнале Astrobiology пытается объединить миры геологии и химии, описывая, что древняя геология Земли говорит нам о времени появления жизни и о том, как геологические ограничения (например, вызванные ударом астероида) могут помочь оценить различные теории эволюции жизни.
«Геологи лишь слабо ограничили время, когда Земля стала обитаемой, и более позднее время, когда жизнь уже существовала, длинным интервалом между примерно 4.5 миллиардами лет назад и 3.85 миллиардами лет назад», — пишет в статье геолог Норм Слип из Стэнфордского университета.
Опасное время
Однако это было опасное время для пребывания в окрестностях Земли. Многие учёные считают, что в этот период, известный как Поздняя тяжёлая бомбардировка, астероиды атаковали молодую Землю и соседние планеты.
Удар астероида — одно из событий, которое могло создать эволюционное «бутылочное горлышко», когда несколько видов получают возможность доминировать, часто в результате резкого сокращения численности других организмов.
При крупном ударе температура поверхности планеты резко возросла бы, а океаны испарились в атмосферу. Это было бы катастрофой для большинства форм жизни. Но если бы организм смог это пережить, он смог бы занять всю планету и, возможно, эволюционировать за миллиарды лет во что-то, что в конечном итоге станет человеком.
«Если вы геологически уничтожите большую часть жизни, у выживших будет много свободных ниш для занятия, и произойдёт быстрая эволюция», — говорит Слип. Например, термофилы (теплолюбивые организмы) могли выжить при температурах, смертельных для других.
«Этот тип "бутылочного горлышка" мы знаем из физики. Недра Земли были бы прохладнее, термическим микробам было бы комфортно».
Углеродные свидетельства
Следы древних ударов астероидов трудно обнаружить в геологии Земли, отчасти из-за движения тектонических плит. Однако следы секвестированного углерода в древних породах могут дать ключ: после катастрофического удара атмосфера содержала бы изобилие CO2, связанное с высокими температурами и давлением, затруднявшими развитие жизни.
«Земля не стала обитаемой, пока большая часть этого диоксида углерода не была погружена в мантию», — пишет Слип. Пока учёные не нашли надёжных свидетельств этого секвестированного CO2.
Другое эволюционное «бутылочное горлышко» могло быть связано с инновацией: организм развивает признак, делающий его очень приспособленным, и получает возможность вытеснить других. «Он быстро захватывает все подходящие обитаемые места на Земле и становится очень abundant», — говорит Слип.
Пример — организм, развивший способность использовать железо или серу для фотосинтеза. «Организм переходит от зависимости от водорода к солнечному свету, и его биомасса увеличивается на порядок величины».
«Как только этот порог был достигнут, переход был бы быстрым, в масштабе человеческого времени: годы, сотни лет, тысячелетия. Организм мог перейти от едва выживания к размножению и заселению всей планеты».
«Это все потенциально проверяемые гипотезы», — отмечает он.
В статье указано, что большинство известных видов минералов обязаны своим существованием биологическим процессам.
Заставить людей думать
На вопрос о наиболее вероятной причине этих «бутылочных горлышек» Слип ответил, что, вероятно, это была смесь обоих факторов. Цель его статьи — не отстаивать одну причину перед другой, а «заставить людей думать».
«Это чтобы заставить людей работать вместе, формулировать вещи так, чтобы это было полезно для всех, [и] стимулировать больше размышлений на эту тему», — говорит он.
Уильям Мартин, директор Института молекулярной эволюции Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, отмечает: «Существует разнообразие мнений в обеих дисциплинах, [и] добиться консенсуса — непростая задача. [Слип] приложил большие усилия, чтобы установить междисциплинарные связи. Взгляды на раннюю эволюцию меняются медленно, но [эта статья] — важный вклад».
В конечном счёте, геология имеет решающее значение, поскольку она определяет среду, в рамках которой должны работать биологи и химисты.