Теория происхождения биосферы

В начале этой главы мы говорили, что живое вещество не содержит никаких элементов, которые отсутствовали бы в неорганическом мире Земли. Добавим к этому утверждению, что четыре главных элемента (водород, кислород, азот, углерод), входящие в состав живого вещества, преобладают на Земле. Поэтому живое вещество обычно.

Каким образом эти элементы объединялись, чтобы образовать биосферу? Этого мы еще не знаем. Но мы уже имеем достаточное количество информации, чтобы сузить круг возможностей и делать все более обоснованные предположения. Приводящий в изумление «набор» различных организмов, живущих сейчас, включает всевозможные градации от наиболее высокоорганизованных животных до простейших одноклеточных форм. Но на этом последовательность не кончается, а продолжается дальше вниз до одиночных крупных белковых молекул, представленных, например, различными вирусами, которые существуют то в инертной кристаллической форме, то в подвижном живом состоянии.

Но и сама белковая молекула состоит из более простых частей – соединений углерода, водорода, азота и кислорода, связанных между собой определенным образом и образующих так называемые аминокислоты. Эти кислоты входят в состав любого организма, но можно ли назвать их самих «живыми»? Ученым удалось образовать аминокислоты из соединений, которые предположительно входили в состав первичной атмосферы Земли, – газообразной смеси водорода (H2), метана (CH4), аммиака (NH3) и водяного пара (H2O). Эту смесь подвергали сильным электрическим разрядам, а затем конденсировали. В полученной жидкости были обнаружены аминокислоты и другие углеводородные кислоты. В других экспериментах из неорганических составных частей были получены многие компоненты живой материи.

Результаты этих экспериментов приводят нас к выводу о том, что организмы развились путем длительной химической эволюции из неорганического вещества, состоявшего из сочетаний химических элементов и неорганических соединений. Эти соединения, наиболее вероятно, находились в морской воде, которую биологи называют «теплым питательным бульоном», хотя это должен быть довольно жидкий суп. Но так или иначе морская вода была жидкой средой, в которой легче всего могли происходить химические реакции. Вода является растворителем и превосходной средой для реакций органических соединений, которые и сами представляют собой жидкие системы. Более того, атомы углерода обладают исключительной способностью соединяться друг с другом самыми различными способами. Поэтому все эти обстоятельства обеспечивали наиболее благоприятные условия для возникновения в высшей степени разнообразных соединений .

Как мы отмечали в шестой главе, первичная атмосфера и гидросфера (включая упоминавшийся «питательный бульон») не содержали свободного кислорода. Весь кислород существовал только в форме соединений с другими элементами.

Кислород не только необходим для жизнедеятельности животных; в верхних слоях теперешней атмосферы он создает экран, защищающий Землю от ультрафиолетового излучения Солнца, которое в противном случае убило бы все живые организмы (В атмосфере Земли под действием ультрафиолетового излучения Солнца молекулы кислорода (O3) превращается в молекулы озона (О3). Озон, скапливаясь в верхних слоях атмосферы, образует экран, защищающий Землю от ультрафиолетовых лучей. – Прим. ред). Сейчас мы живем как бы под зонтиком, который образует свободный кислород, а на ранних этапах истории Земли этой защиты не существовало. Поэтому в безжизненном первобытном мире, даже если бы каким-то образом возник какой-нибудь современный организм, он не мог бы выжить, потому что тогда не было этого защитного экрана.

Таблица 2. Основные события истории живого вещества и развития атмосферы и гидросферы.
Заштрихованная площадь представляет относительное количество видов организмов. Звездочками обозначены ископаемые, возраст которых установлен калий-аргоновым методом. (Составлено по различным источникам.)

Прежде чем двигаться дальше, следует более внимательно изучить шкалу времени, которой нам предстоит пользоваться. Как мы уже говорили (см. табл. 2), ископаемые остатки, найденные в породах, показывают, что приблизительно 3,2 миллиарда лет назад в море уже существовали как простейшие, так и очень примитивные растения. Так как литосфера образовалась около 4,5 миллиарда лет назад, мы имеем промежуток времени продолжительностью около 1,3 миллиарда лет, в течение которого образовалось и развивалось живое вещество. Этот промежуток времени вдвое длиннее всего фанерозоя, со всей его долгой и сложной историей развития биосферы, что само по себе более чем достаточно. В течение этих 1,3 миллиарда лет в среде, лишенной свободного кислорода, должно было возникнуть и затем развиться до уровня простейших и примитивных растений живое вещество. Рассматривая эти события, мы должны также учитывать, что позднее кислород появился в атмосфере в больших количествах, потому что без этого не могли бы возникнуть животные.

Эти события, последовательность которых может быть на звана химической эволюцией, теоретически могут быть объяснены логично, но насколько истинна эта теория – покажет будущее.

Компоненты, необходимые для образования живого вещества, присутствовали в первичном океане, этом органическом «бульоне». Без наличия свободного кислорода ультрафиолетовое излучение Солнца свободно достигало поверхности суши и океана. Это облучение или разряды молний могли создать высокую энергию, необходимую для образования аминокислот, подобно тому, как это наблюдалось в лабораторных экспериментах. Аминокислоты могли объединяться, образуя белковые молекулы, которые, реагируя и легко вступая в соединения, способствовали дальнейшим изменениям, создавая более сложные углеводороды.

Где-то в этой последовательности находится звено, с которого мы могли бы считать начало возникновения жизни. Но какой момент считать началом жизни, зависит от того, как определить жизнь. Возможно, первый живой организм состоял из одной клетки. Возможно, это была очень простая бактерия или что-то напоминающее бактерию. Но что бы это ни было, оно нуждалось в питании. Источником питания для него могли служить молекулы углеводородов, составлявшие ил на дне мелкого моря. От этого способа питания оставался один шаг до усвоения или «поедания» сначала продуктов жизнедеятельности, а затем и мертвых тел таких же организмов. Следующим шагом логично должно было явиться поедание живого органического вещества.

В этой предполагаемой последовательности событий мы видим начало раздела живых организмов на две группы. Одна группа живет, поглощая отходы жизнедеятельности и мертвое вещество других организмов; другая группа, в некотором отношении более сложная, предпочитает питание живыми организмами. Это основное различие, положившее начало отдельным линиям развития, могло привести к разделению на растения и животных, хотя эта идея, видимо, чрезмерно упрощена.

Изменения, имевшие место в ходе этой и других ранних стадий эволюции, лучше всего выражаются в терминах биохимических реакций. Среди наиболее ранних изменений, вероятно, было одно, которое сделало возможной реакцию, получившую название ферментации. В том виде, как мы наблюдаем ее сейчас, ферментация осуществляется примитивными организмами, в том числе некоторыми бактериями, живущими в бескислородной среде. Поскольку эти организмы живут в такой среде, они дают нам ключ к пониманию жизни, которую вели организмы в первичном океане. При ферментации углеводороды расщепляются и перестраиваются, небольшое количество энергии высвобождается в виде тепла, а одним из образующихся продуктов является углекислый газ (рис. 29).

Этот продукт, безразлично, был ли он результатом ферментации или других химических реакций, теоретически имел большое значение для дальнейшего развития вновь образовавшейся жизни, потому что добавление большого объема углекислого газа к тому его небольшому количеству, которое уже могло содержаться в море, должно было придавать среде новые свойства. Оно создавало возможность для процесса фотосинтеза. Свойственный многим растениям, этот процесс создает различные органические соединения из воды, углекислого газа и энергии солнечных лучей, поглощенной растениями (рис. 29). Если углекислый газ постоянно поступал в море, растения, которые ранее не могли существовать в океане, обладавшем менее сложным химическим составом, могли теперь развиваться, «строя» свои ткани из углекислого газа.

Рис. 29. Теоретическая последовательность процессов, которая могла привести к образованию основных групп ныне живущих организмов. Количество энергии, высвобождающейся при дыхании, значительно больше того, которое высвобождается при ферментации, что показано различным размером надписей.

Отсюда вытекает еще одно важное следствие. Одним из продуктов фотосинтеза является свободный кислород (O2). Поэтому при достаточном количестве растений, производящих кислород, он тоже должен был в свою очередь накапливаться в море. В этих новых условиях в присутствии свободного кислорода становится возможным процесс дыхания (рис. 29). Дыхание – процесс, обратный фотосинтезу, – не только производит углекислый газ, необходимый для растений, но также высвобождает большое количество энергии – приблизительно в тридцать пять раз больше, чем ферментация. Эта энергия имеет такую форму, которая может использоваться для роста и движения организмов. При этих очевидных преимуществах дыхание должно было сделать возможным существование животных. Животные с пользой употребили избыток энергии, образующейся при дыхании. Они научились свободно перемещаться, некоторые очень быстро, в поисках пищи. Движение требовало координации частей тела, точного контроля и способности быстро принимать сложные решения. Для этого нужен был мозг, еще одно имеющее большую ценность отличие животных от растений.

Таким образом, возникновение биосферы начинается с химических процессов, которые позднее приобретают характер биохимических. Последовательность этих процессов в схематизированном виде представляется в следующем виде:

аминокислоты –> белковые молекулы –> более сложные углеводороды –> ферментация –> фотосинтез –> дыхание

Такова химически обоснованная последовательность событий в образовании жизни в самом простейшем виде. Она выглядит логичной, но нельзя забывать, что это все еще не более чем гипотеза. Зарождение процессов жизни могло происходить и несколько отличным от описанного путем. Большинство ученых считает, что причиной возникновения этих процессов был длинный ряд случайных химических соединений, чисто случайных событий, таких, например, как столкновение молекул в «питательном бульоне».

Слово «случайный» не должно наводить нас на мысль о том, что вся эта последовательность событий была чисто «случайной», выражение, под которым обычно имеется в виду «маловероятный» или даже «почти невероятный». «Случайность» здесь означает только «вероятность». Когда мы говорим о случайности события (такого, как соударение молекул), мы имеем дело со статистической закономерностью. Каждое случайное событие, каким бы маловероятным оно ни было, если рассматривать его изолированно, становится более и более вероятным по мере увеличения числа проб. Если вероятность события составляет 1 из 1000 в одном эксперименте, то при 10 000 экспериментов вероятность того, что оно произойдет хотя бы однажды, будет равной 19 999 из 20 000; такая вероятность обычно уже не считается «случайностью», это почти уверенность.

Теперь посмотрим, сколько раз за данный промежуток времени могло произойти 10 000 попыток? Мы рассматриваем промежуток времени длиной около 1,3 миллиарда лет, с возникновения Земли до появления растений, плюс 2 миллиарда лет или около того до момента, о котором известно, что животные уже существовали. Сколько раз могли произойти 10 000 попыток для каждого из таких неупорядоченных событий за период протяженностью 3,2 миллиарда лет? Воображение человека заходит в тупик при попытке вычислить такое огромное число. Ни один человек, знакомый со статистикой, не отвергнет возможность возникновения химических соединений просто на том основании, что для них могло не хватить времени. Времени было более чем достаточно.

В какой-то момент в ходе изменений независимо от того, происходили они так, как мы описали, или иначе, химическая эволюция ранних этапов стала биологической. Произошло это с того момента, как организмы начали воспроизводить себя. Граница между двумя эволюциями показана (произвольно) в таблице 2 на уровне древнейших известных ископаемых организмов, хотя ее настоящее место должно быть несколько ниже.

Биологическая эволюция, предположительно между одним и двумя миллиардами лет назад, получила новое развитие благодаря возникновению полового размножения. В связи с этим резко возросли возможности приспособления организмов к среде, как мы увидим в восьмой главе.

Предыдущая | Оглавление | Следующая