Наука 17.04.2015

10 важнейших для жизни на Земле событий под микроскопом

Земля очень старая и очень большая, но за миллиарды лет в ней накопилось множество микроскопических деталей. Современные технологии могут дать нам удивительные представления о крошечных вещах, которые остались после крупных человеческих и природных событий в прошлом или существуют и сегодня.

1. Стоп-кадр формирования Солнечной системы

Это тонкий срез метеорита, возраст которого составляет более 4,5 миллиарда лет. Из-за круглых пятен, называемых хондрами, эти метеориты называют хондритами. Сегодня хондриты показывают ученым, как именно сформировались Земля и остальная часть Солнечной системы.

Они появились, когда Солнечная система была лишь облаком межзвездной пыли, часть которой сплавилась в хондриты. Остальная её часть начала собираться во все более и более крупные объекты со все большей силой тяжести. Это стало непрерывным процессом, который закончился только тогда, когда в центре облака появился светящийся как звезда объект — наше Солнце.

То, что осталось от пыли и хондритов, стало планетами, лунами, астероидами и кометами. После этого все планеты и многие луны стали достаточно крупными для того, чтобы продолжить самостоятельное развитие.

Астероиды и некоторые другие объекты были слишком малы для дальнейшего развития и просто задержались в Солнечной системе на миллиарды лет, иногда распадаясь и прилетая на Землю. Сегодня ученые знают, что яркие хондриты входят в состав облака межзвездной пыли, из которого появилась Солнечная система.

2. Возможные составляющие жизни в космосе

Это расплывчатое расфокусированное изображение — реальный эквивалент тех химических формул, которые вы видели в своих учебниках. Изображение было получено при помощи инструмента под названием «бесконтактный атомно-силовой микроскоп».

На нем изображены атомы углерода и водорода, соединенные вместе в три бензольных кольца. Астробиологи любят шестигранную структуру бензольного кольца, потому что из нее могут быть сформированы разные виды молекул, которые можно встретить в космосе, включая полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).

Эти и другие основанные на углероде органические молекулы составляют приблизительно половину пылевых и газовых облаков, плавающих между звездами.

Изучая ПАУ, ученые сделали потрясающее открытие. В лабораторных условиях они создали для пиримидина, материала, похожего на ПАУ, среду, имитирующую суровые условия космоса. В результате эксперимента образовались урацил, цитозин и тимин — три материала, обнаруженные в генетическом материале всех форм жизни на Земле.

Когда-нибудь ученые точно узнают, как началась жизнь на Земле. А сегодня мы с уверенностью можем сказать: с момента возникновения жизни было и множество исчезновений. И возможно, худшее из всех вызвали маленькие создания под названием…

3. Цианобактерии: клетки, давшие Земле кислород

На этом снимке именно то, о чем вы подумали: скопление бактериальных клеток под микроскопом. Раньше эти существа были известны как сине-зеленые водоросли, но сегодня они называются «цианобактерии».

Первый удивительный факт о них — им миллиард лет. Ученые выкопали их и еще 29 других видов бактерий из геологических формаций Австралии, возраст которых составляет миллиард лет.

Как бактерии оказываются в окаменелостях? Цианобактерии крупнее большинства других бактерий и имеют толстые клеточные стенки. Они живут в покрытиях, формирующих слоистые структуры — строматолиты и онколиты. При разделении древних строматолитов на очень тонкие пластинки иногда можно обнаружить окаменевшие цианобактерии.

Еще более удивительный факт заключается в том, что без цианобактерий жизни на Земле, какой мы знаем её сегодня, никогда бы не существовало. В своей «юности» земная атмосфера была похожа на задымленный воздух Титана, спутника Сатурна. Он был токсичен для современных форм жизни, но некоторые микроорганизмы, включая цианобактерии, смогли с этим справиться.

Затем, примерно 2,3 миллиарда лет назад, у цианобактерий развилась способность жить за счет солнечного света посредством фотосинтеза. Одним из побочных эффектов фотосинтеза является кислород, который оказался смертельным для микробов, предпочитавших смог.

Поскольку цианобактерий было чрезвычайно много, кислородная катастрофа изменила атмосферу планеты и, вероятно, вызвала величайшее массовое вымирание на Земле. Однако она также заложила основу для современных животных и растений.

То, что цианобактерии уничтожили остальных существ, дышавших смогом, только догадки. Но мы знаем, что было еще одно событие под названием «великое вымирание», после которого практически вся жизнь на Земле исчезла. Одной из причин этого массового вымирания были…

4. Сибирские траппы

Так геологи называют очень тонкий срез скалы. Если вы посмотрите на него под микроскопом с помощью поляризованного света, то сможете определить по цвету разные минералы.

На рисунке изображен тонкий срез лейкократового габбро. Белая часть изображения — это минерал плагиоклаз, а синяя — амфибол. Обратите внимание, как все минералы соединяются вместе; похоже, что они увязли в потоке черного материала, вяло текущего на этом фото слева направо, подобно гавайской лаве.

Когда-то, примерно 250 миллионов лет назад, этот материал действительно разливался как лава, выбившись из-под земли на территории современной Сибири. Затопление сибирских траппов произошло во время пермского периода почти одновременно с крупнейшим известным массовым вымиранием жизни на Земле.

Наводнение базальтов длилось один миллион лет. Лавы было настолько много, что ее хватило бы, чтобы похоронить Европу под километровым слоем.

Конечно, это отрицательно сказалось на жизни на Земле. В ходе великого вымирания появилось множество губительных факторов: гарь и пепел от извержения заблокировали солнечный свет, а из лавы вырвались ядовитые газы, отравлявшие воздух и воду. За этот период на Земле исчезло примерно 93–97% всей жизни.

Некоторые считают, что наводнение было вызвано магматическим выбросом; другие связывают его с тектоникой плит. Сибирская лава молчит, не желая раскрывать свою тайну.

Земля проходит циклы жизни и смерти. Некоторые из них запечатлеваются в ее породах, но атмосфера записей не хранит. Или?..

5. Земная атмосфера 420 000 лет назад

Эти крошечные пузыри воздуха не появляются в воде. Они замерзли во льду сотни тысяч лет назад. Анализ содержащегося в них воздуха многое рассказал ученым о древнем климате Земли, о том, как он менялся с течением времени и как может измениться в будущем.

Итак, как воздух попал в лед и как удалось определить его возраст? Падая на землю, кристаллы снега задерживают воздух. Если снег не тает, он превращается в ледниковый лед с пузырьками воздуха внутри.

Иногда ледники перемещаются по горизонтали, но по вертикали их расположение не меняется. Благодаря этому, ученые без радиоуглеродного датирования могут определить возраст горизонтальных ледовых слоев — более молодые слои всегда находятся сверху.

Именно так и определили, что пузырьки воздуха, найденные во льдах Антарктиды и Гренландии, содержат воздух, которому целых 420 000 лет.

Изменения количества углекислого газа в воздухе, безусловно, могут повлиять на климат. Сегодня это большая проблема, но, к счастью, есть небольшие морские существа, которые помогают нам справиться с нею.

6. Главный переработчик углерода

Это не спутниковый снимок леса с огибающей его дорогой. Это вид под микроскопом на Alteromonas, недавно обнаруженные бактерии, играющие важную роль в контроле углекислого газа (CO2).

Углерод на Земле есть везде. Он присутствует как в воздухе, так и в океанах планеты. Морская вода поглощает и высвобождает углекислый газ, содержащийся в атмосфере.

Планктон питается углеродом. После смерти тела планктона опускаются на дно океана, где их поедают бактерии. Затем бактерии выделяют углекислый газ, который в конечном итоге возвращается в атмосферу.

По крайней мере, ученые думают, что все происходит именно так. Большая часть процесса протекает глубоко в океане, а там ученые, к сожалению, наблюдать за ним не могут.

7. Растения, которым девять миллионов лет

Растения помогают сохранять атмосферу пригодной для дыхания. Части, изображенные на фото, это растения, окаменевшие в одно мгновение во время падения метеорита миллионы лет назад.

Ученые не имеют представления, как органическое вещество смогло выдержать столько тепла. Благодаря этому открытию мы теперь знаем, что жизнь на Марсе, если она когда-нибудь там была, могла бы сохраниться именно таким образом.

Вот что произошло: примерно девять миллионов лет назад на территорию современной Аргентины упали семь разных космических объектов. Земля в том районе была покрыта порошкообразной почвой под названием лёсс, которая расплавилась и быстро превратилась в стекло.

Ученые провели ряд экспериментов, и после многих неудач обнаружили, что при температуре свыше 1480 градусов по Цельсию вода в наружных слоях растения поглощает достаточно тепла, для того чтобы защитить нежную внутреннюю структуру. Нечто подобное происходит, когда вы жарите еду во фритюре.

Марс тоже покрыт лёссом и имеет много кратеров. Уже миллиарды лет на красной планете нет ни озер, ни рек. Но, возможно, когда-то они там были. Там могла быть жизнь, и вполне вероятно, что при падении метеорита ее также могло защитить лёссовое стекло, как это было в случае с растениями на Земле.

8. Стоп-кадр крупнейшего из последних извержений вулканов

Этот снимок похож на сильно увеличенную картину Ван Гога «Звездная ночь», но на самом деле это еще один тонкий геологический срез вулканической породы. Но в отличие от предыдущего в нем много острых углов. Это было мощное извержение, а не вялая гавайская лава.

Крупные куски — это разбитые фрагменты минералов. Они застыли в расплавленной породе. Посмотрите внимательно, и вы увидите темные пустоты, которые вытягиваются подобно расплавленной карамели.

Это небольшая часть суперизвержения вулкана Тоба, произошедшего около 75 000 лет назад. Это было крупнейшее извержение в истории человечества, во время него вылилось 2900 кубических километров магмы и было выброшено в небо три триллиона килограммов серы.

Когда произошел взрыв, минеральные кристаллы расщепились на обломки. Через несколько секунд они оказались в горячем загазованном вулканическом пепле. Газ быстро рассеялся, оставив пробелы в частицах пепла, которые в поляризованном свете выглядят черными.

Десятки тысяч лет спустя геологи, изучающие эти осколки, все еще поражаются жестокости Тоба. Пепел от извержения разлетелся над Восточной Африкой на 7000 километров.

9. Люди, приручившие огонь

Это именно то, на что это похоже. Коричневатое вещество — это грязь, более светлые частицы — пепел, оставшийся от дерева, а темно-серые — остатки частично сгоревшего растения.

Удивительно, но это доказательство того, что люди покорили огонь миллион лет назад — намного раньше, чем всегда считалось. Оценки точной даты приручения огня всегда были неточными. Трудно сказать, являются ли слои древней золы остатками лесного пожара или же они появились в процессе приготовления пищи.

Несколько лет назад ученые опробовали на пепле самые передовые технологии. Пепел взяли из очага, потухшего примерно миллион лет назад и найденного в южноафриканской пещере. Он был нетронутым, отлично сохранился и не мог появиться вследствие природных явлений, потому что неподалеку от него были найдены каменные орудия труда.

То, что мы здесь видим — пепельные останки растений, которые кто-то, возможно, это был человек прямоходящий, принес в пещеру миллион лет назад. И, скорее всего, он не был вегетарианцем, так как неподалеку были найдены обгоревшие кости.

Контроль над огнем был нашим самым большим шагом к тому, чтобы стать хозяевами Земли, которыми мы являемся сегодня. Но действительно ли мы хозяева? Ученые начинают осознавать, что самая крупная масса живых организмов на Земле может в действительности скрываться в скалистой коре под океанами. И эти существа называются…

10. Эндолиты

Проще всего позволить ученым сказать, что эти маленькие «скрученные минеральные стебли, извлеченные в процессе экспериментов по инкубации минералов из скважин Хуан-де-Фука» произведены окисляющими железобактериями.

Ключевое слово — «скважин». Ученые тщательно изучили дно океана и обнаружили живущих там бактерий. Эти маленькие существа, обитающие среди скал, под названием «эндолиты», жили там и раньше. Они живут в камне и едят его. Ученые давно знали о них, но только недавно стали осознавать, что эндолитов на Земле может быть так много, что и представить себе невозможно.

Большая часть Земли покрыта океанической корой. Дно океана состоит из базальтовой лавы, которая извергается в срединно-океанических хребтах, а затем перемещается от хребтов по своеобразной геологической конвейерной ленте.

Там есть много воды и тепла — две вещи, необходимые для жизни на Земле. Кроме того, водная жизнь уже процветает на срединно-океанических хребтах в гидротермальных источниках. Так почему бы ей не процветать и внутри морского дна?

Теперь представьте, что вся океаническая кора населена живыми существами. Ученые верят, что на морском дне может быть больше биомассы, чем на суше и в море вместе взятых!

Еще:

Интересные факты из рубрики «Наука»