Откъсът по-долу е взет от „Elemental: How Five Elements Changed Earth’s Past and Will Shape Our Future“ (Princeton University Press, 2023) от Стивън Пордър. Разглежда как се е случило едно от най-големите събития в историята на Земята: растенията колонизират континентите.
Растенията са толкова вездесъщи на сушата, че е трудно да си представим липсата им, но през почти 90% от историята на Земята не е имало живот на сушата или най-малкото никакви растения. Земните растения са се появили преди малко повече от 400 милиона години, което в сравнение с 4-милиардната история на живота на Земята е сравнително скорошно.
Този еволюционен скок им позволи да станат (може би) само втората група организми, които коренно променят света, цели 2 милиарда години след първата, цианобактериите, наситиха планетата с кислород. Техните променили света предшественици ускориха Голямо окислително събитие, което вероятно беше най-голямата екологична катастрофа в историята, но също така поставиха началото на целия многоклетъчен живот на Земята. Сухопътните растения не са имали толкова голямо влияние, но тяхното е било по-голямо от всяка друга група организми през следващите два милиарда години.
Поради причини, които ще разгледам по-долу, еволюционните иновации на растенията по някакъв начин се разбират най-добре чрез връзката им с техните цианобактериални предшественици и със следващата група организми, променящи света, които ще еволюират – хората. Тази връзка е във формулата на живота, петте елемента, които изграждат всички живи същества: водород, кислород, въглерод, азот и фосфор.
Нека подготвим сцената за историята на растенията, като разгледаме света, в който са се появили. Океаните отпреди 400 милиона години не са били коренно различни от тези, които покриват 70% от повърхността на Земята днес. Земята обаче беше много по-топла с тропически климат от полюс до полюс. Всички основни видове живот, включително гръбначни и безгръбначни животни с всякакви форми и размери, бродеха из моретата. Континентите, надничащи от водната повърхност, бяха със съвременните си размери, макар и не на съвременните си местоположения. Най-важното е, че химията на океана беше подобна на днешната и разбирането, че химията помага да се обясни колко наистина необикновено и променящо света беше преместването на сушата.
Как са живели организмите в този древен океан? Както днес, хранителните вериги на океана са изградени върху консумацията на фотосинтезиращи организми, произвеждащи кислород, като цианобактерии и планктон. Клетъчният механизъм на фотосинтезата в тези едноклетъчни организми се поддържаше от входящия азот от цианобактерии и други микроорганизми, които можеха да „поправят“ азота от неограничените количества във въздуха.
Водата (водород плюс кислород) и азотът са три елемента във формулата на живота, елементите, които всички живи същества споделят в много подобни съотношения. Слънчевата светлина, изобилието от вода и „фиксираният“ азот подхранваха придобиването на четвърт – въглерод – чрез фотосинтеза. Въпреки факта, че цианобактериите могат да се възползват от практически неограничен източник на азот от въздуха, ние смятаме, че азотът е поставил ключово ограничение за това колко живот е съществувал в древния океан (това ограничение остава и днес). Малко е озадачаващо защо това е така. Фиксирането на азот може да даде на цианобактериите крака пред фотосинтезиращите организми, които не могат да извършат тази забележителна част от биологичната алхимия. Но след като клетката на цианобактерията умре и се разложи, азотът, който е уловил, трябва да стане достъпен за други организми. Рециклирането е норма в природата – след като оскъдно хранително вещество навлезе в система, то има тенденция да остане там, яростно търсено от всички засегнати. И така, защо, когато цианобактериите можеха да се възползват от практически неограничена банкова сметка на азот във въздуха, азотът остана относително оскъден в океана? Защо цианобактериите не го натрупаха, докато вече не беше в недостиг?
Свързани: Тропическите дъждовни гори могат да станат твърде горещи за фотосинтеза и да умрат, ако климатичната криза продължи, предупреждават учени
Този пъзел занимава учените в моята област от десетилетия и подобно на много добри пъзели няма еднозначен ясен отговор. Загубите на азот очевидно са важни, но искам да се съсредоточа върху друга сред многото причини, които хората измислиха: че пролиферацията на цианобактериите конкретно и фотосинтезиращите организми в океана като цяло е ограничена от друг елемент във Формулата на живота.
Най-разпространените два елемента във Формулата на живота са водород и кислород. Живеейки в океана, цианобактериите имаха голям достъп до тях. Фотосинтезата използва слънчевата светлина и водата ефективно за улавяне на въглерод, от който няма недостиг в океана. Изследвания от още през 50-те години на миналия век показаха убедително, че достатъчно CO2 газ се разтваря в океана, така че рядко, ако изобщо, е ограничение за растежа. Фотосинтетичните машини изискват много азот, но цианобактериите могат да фиксират азота, който се разтваря в океанската вода, тъй като е толкова изобилен във въздуха. И тогава … има фосфор.
Оказва се, че организмите, които могат да фиксират азота, са склонни да имат високи изисквания към други атоми – особено фосфор, но също и желязо и молибден. Последните две са важни компоненти на биологичната машина (ензимът нитрогеназа), който осъществява азотната фиксация. Фосфорът, желязото и молибденът, за разлика от азота, практически липсват във въздуха. Те стават достъпни за организмите чрез химическото разграждане на скалата и по този начин, с призната липса на езиково въображение, учените ги наричат „произведени от скали“. Сега смятаме, че тези скални елементи ограничават растежа на цианобактерии и други азотфиксиращи организми в океаните. По този начин, докато животът можеше да е бил почти ограничен от количеството азот, количеството азот, което тези организми можеха да уловят, в крайна сметка беше ограничено от доставката на елементи, получени от изветрянето на скалите.
Представете си себе си като едноклетъчен фотосинтетичен организъм, носещ се в средата на океана преди 400 милиона години, на повече от 1000 мили от сушата. Ако сте на повърхността, има много налична слънчева светлина за задвижване на фотосинтезата. Има много водни молекули за разделяне с помощта на енергията от слънцето. Ако сте фиксатор на азот, като цианобактериите, можете да създадете машина за улавяне на азотния газ, който е разтворен във водата. Но откъде да вземете елементите – получените от скалите фосфор, желязо и други – необходими за изграждането на тази машина? Не от изветрянето на скалите на дъното на океана — те са на мили надолу — и дори да успеете да стигнете дотам, няма да има светлина, която да подхранва фотосинтезата. Като едноклетъчен организъм в горния океан, вие просто трябва да изчакате и да се надявате тези елементи да дойдат при вас.
Но ако сте нещастен едноклетъчен организъм, вие живеете в огромна океанска пустиня. Тези места имат много малко живот, въпреки че са пълни със слънчева светлина и CO2, защото им липсват другите елементи от Формулата на живота. Единственият източник на извлечен от скалите фосфор, например, е транспортирането на материал от континентите – бавна струя мръсотия от реките и прах, падащ върху повърхността на океана. Носейки се в средата на Палео-Тихия океан, вие сте оставени на милостта на теченията. На километри няма камъни: нагоре, надолу или встрани. Не можете да направите нищо, за да увеличите достъпа си до скални елементи. Няма начин да получите достъп до петия най-изобилен елемент във вашите клетки – фосфор – и другите атоми, получени от разграждането на скалите. Това няма начин, освен да се развие и да се придвижи към източника: земята.
Както при цианобактериалната революция, наситила планетата с кислород, еволюционните иновации, които позволиха на растенията да завършат бавния марш към сушата, се въртяха около достъпа до елементите във Формулата на живота. Първата и изключително важна стъпка беше да донесат фотосинтетичните машини от океана със себе си. Хлоропластите в листата на растенията – мястото, където се извършва фотосинтезата – имат своя собствена ДНК. Това е ДНК на фотосинтезиращи океански бактерии, които отдавна са се слели в растителни клетки. Следователно хлоропластите са пример за ендосимбиоза – организъм в организма. В резултат на тази ендосимбиоза химичната реакция на фотосинтезата на растенията е същата като фотосинтезата на цианобактериите. Използва същата машина. Ето защо сухоземните растения изпомпват кислород по време на фотосинтеза по същия начин, по който го правят цианобактериите.
Животът в океана означаваше използването на вода за фотосинтеза не беше проблем. Но на сушата нуждата от вода означава постоянна борба да останеш хидратиран. Борбата е капсулирана от формулата на живота, която започва с водород и кислород. Тъй като сухоземните растения са наследили своята фотосинтетична машина от своите обитаващи океана едноклетъчни предшественици, те използват същата свръхефективна фотосинтеза, зависима от водата. Те разделят водата, използвайки енергията от слънчевата светлина, улавят CO2 и произвеждат захари, за да изградят своите клетки (и кислород, по случайност на еволюцията). Но всеки момент, когато отварят малките пори на листата си, за да позволят на CO2 да дифундира от въздуха, те губят оскъдна вода през същия тръбопровод. Това е недостиг, с който обитателите на океана не трябва да се справят.
Еволюционното решение на този недостиг беше разработването на механизми за пестене на вода: восъци от листа, обширни коренови мрежи и симбиоза с гъби, които изследваха всяко кътче и кътче на почвата. Тези нововъведения дават достъп до вода и докато корените и гъбите атакуват скалите отдолу, те освобождават и фосфор. Тези скали са били далеч извън обсега на предшествениците на растенията, живеещи в океана, но точно под техните „крака“ на сушата. Чрез химическа и физическа атака на скалите, върху които растат, растенията и техните гъбични партньори станаха първите в света и най-ефективни миньори и получиха по-голям достъп до ключовите елементи във формулата на живота.
Като колонизират континентите и се придвижват до източника на елементите, чиято наличност е ограничавала техните обитаващи океана предци, сухоземните растения се превръщат във вторите големи промени в света. За да разберем как, трябва да преминем от разбирането на палео-океана към разбирането на палео атмосферата. Както и днес, азотът (като газ N2, два азотни атома, свързани толкова здраво, че са практически инертни) и кислородът (като газ O2, два кислородни атома, свързани достатъчно хлабаво, за да бъдат много реактивни) съставляват по-голямата част от въздуха. Но най-добрите налични доказателства сочат, че нивата на CO2 може да са били десет пъти по-високи от днешните и топлината, уловена от целия този CO2, означава, че светът е бил много горещ, вероятно с около 10 градуса по Фаренхайт (5,5 градуса по Целзий) по-горещ от днес. Това може да не звучи много, но такъв свят беше достатъчно горещ, за да няма лед на нито един от полюсите, северният, покрит от океан с температура на ваната, а южният от суперконтинента Гондвана.
Наземните растения направиха три ключови иновации. Първо, те откриха нов начин за улавяне на слънчевата светлина и по този начин въглерода. В този случай иновацията не беше нова биохимична реакция, а преместването на тази реакция на ново място. Второ, те разработиха начин да издържат на недостига на вода на сушата чрез изграждане на коренови мрежи и партньорство с гъби (наред с други неща). Накрая те станаха миньори, копаейки за важни хранителни вещества, извлечени от скали, които бяха и остават оскъдни в океана. Техните иновации в получаването на вода и хранителни вещества позволиха дивото им разпространение. Протогорите се разпространяват в голяма част от суперконтинента, който се простира от екватора до полюса. Но както при цианобактериите, историята на растенията също показва как безпрецедентният достъп до основните елементи на живота може да има последствия. За пореден път иновациите и разпространението завършват с катастрофа.
Катастрофата се случи, защото елементите във Формулата на живота се съдържат и в парниковите газове, които регулират климата на Земята. Както и днес, преди 400 милиона години основният газ, поддържащ топлината на планетата, е бил CO2. Когато растенията се развиват, те извличат CO2 от въздуха, за да изградят своите тъкани, и когато тези тъкани умират, част от този въглерод остава в почвата. Изтегляне #1 от банката на CO2 във въздуха. Растенията също ускориха разтварянето на минерали на сушата, което имаше нетния ефект на премахване на CO2 от въздуха и съхраняването му на океанското дъно като варовик. Теглене #2. И накрая, геоложките условия позволиха растежа и многократното наводняване на обширните равнинни блатни гори, които се появиха по време на това, което неслучайно е известно като карбоновия период. Когато растенията, растящи в тези блата, умряха, останките им бяха защитени от разлагане. Тяхното погребение в продължение на милиони години представлява още един нетен пренос на CO2 от въздуха. Теглене #3. При равни други условия не можете да увеличите скоростта, с която теглите от банкова сметка, без тази сметка да падне. С тройния удар от изтегляне, наложен от земните растения, количеството CO2 във въздуха започна да пада.
В крайна сметка иновациите на растенията изтеглиха достатъчно CO2 от въздуха, така че парниковият ефект започна да отслабва. Пантропическата Земя, която поддържаше огромни гори в по-голямата част от земята си, започна да изстива. Не е ясно колко време е отнел процесът, преди Земята да се охлади достатъчно, за да има ледникови епохи. Но преди 300 милиона години, приблизително 100 милиона години след като растенията се появиха сериозно на сушата, Земята се беше охладила достатъчно, че огромните тропически гори бяха изчезнали от по-голямата част от планетата. Те бяха смразени от собствения си успех. Екологична катастрофа, предизвикана от нов достъп до елементите във Формулата на живота, последващо разпространение и съпътстващи последици.
Процесът, управляван от растенията, беше бавен: капка, капка, капка от банковата сметка на CO2 във въздуха и прехвърляне на този въглерод под земята. Част от този въглерод постепенно беше компресиран, концентриран и превърнат във въглища. След това, 300 милиона години след като тези тропически дървета се поддадоха на промените в околната среда, причинени от тях самите, следващият организъм, променящ света, хората, откриха тази богата на въглерод банкова сметка.
Започнахме да изгаряме този складиран въглерод със скорост, невиждана досега в историята на нашата планета. Използвахме енергията, произведена от изгарянето, за да изградим язовири и да уловим вода, позволявайки на нас и нашите култури да останем хидратирани на сушата. Използвахме тази енергия, за да фиксираме промишлено азот и да добиваме фосфор, за да наторим сега напояваните ни ферми. И ние също променяме света, дори по-бързо от нашите предшественици. Но подобно на тях, нашият успех и опасността за околната среда са неразривно свързани с елементите във формулата на живота.
Текст от ELEMENTAL от Стивън Пордър. Авторско право © 2023 от Princeton University Press. Препечатано с разрешение на Princeton University Press.
