4.3. Совместная эволюция Земли и живого вещества

Идея совместной эволюции пла­неты и живого ве­щества на ней была окончательно сфор­мулирована в кон­цеп­ции В.И. Вернад­ского. Жизнь не толь­ко приспосабливается к физической среде, но и приспосабливает гео­химическую среду к своим биологическим потребностям. В результате сообщества организмов и среда обитания развиваются как единое целое, происходит биохимическая регуляция окружающей среды. Классическим примером является физико-химическое состояние современной земной атмосферы и ее резкое отличие от условий на любой другой планете Солнечной системы (табл. 4.2). Только на Земле существует мощная гидросфера, что связано с наличием атмосферы и с комфортными температурными условиями. Таким образом, жизнь во многом сама создает условия для своего развития.

Наиболее впе­чатляющим примером того, как живое изменяет под свои потребности окру­жа­ющую среду, яв­ляется эволюция со­вре­мен­ного человека за по­следние 12 тыс. лет. Человечество настолько активно создает себе разнообразные сиюминутные удобства, изменяет живое и неживое вещество на Земле, что очевидно “рубит сук, на котором сидит”.

Биосфера, Земля и Солнце являются составными частями сложнейшей самосогласованной системы. Все взаимосвязано: внутреннее ядро порождает магнитное поле, которое обусловливает существование ионосферы — немаловажного фактора, влияющего на возникновение и эволюцию биосферы. Радиоактивный распад в центральных областях Земли приводит к конвективным движениям мантии, что является источником геологической активности в литосфере (геотермальное тепло, вулканическая деятельность, тектонические движения, горообразование и т.д.). Земная кора, океаны, воздух, живые организмы образовались из вещества мантии, когда-то поднявшегося к поверхности и охладившегося. Этот про­цесс продолжается в настоящее время. Ин­тенсивность естественной радиоактивности в прошлом была сущест­венно выше, поэтому в начале своей эволюции геотермальный ис­точ­ник тепла играл су­щественно бóльшее зна­чение, чем в настоящее время. Это очень важно, поскольку уровень излучения Солнца в прошлом был ниже.

Геологические концепции

Рис. 4.6. Наиболее крупные литосферные плиты (1 – Тихоокеанская, 2 – Северо-Американская, 3 – Южно-Американская, 4 – Карибская, 5 – Кокос, 6 – Наска, 7 – Скотия, 8 – Антарктическая, 9 – Африканская, 10 – Арабская, 11 – Евразийская, 12 – Охотская, 13 – Китайская, 14 – Индокитайская, 15 – Филиппинская, 16 – Индоокеанская). Стрелки и числа указывают соответственно направление и скорость (см/год) дрейфа

Дрейф материков. Эволюция живой природы неотделима от геологической истории Земли. После образования Земли (4,6 млрд лет), ее верхний слой остыл и образовалась твердая земная кора. В настоящее время этот твердый слой не является цельным — он разбит на несколько больших кусков, которые называются тектоническими (литосферными) плитами (рис. 4.6). Их размеры находятся в пределах от сотен до нескольких тысяч километров. Эти плиты передвигаются по земному шару, увлекая за собой целые континенты. Такого рода перемещения больших участков земной коры получили название “дрейф материков”. Еще фламандский картограф Абрахам Ортелий в конце XVI века сделал предположение о расши­рении Атлантического океана, основываясь на очевидном сходстве очер­таний мате­риков по обе стороны Атлантического океана. В современном виде идею “дрей­фа мате­риков” пер­вым выдвинул в 1912 г. не­мецкий геофизик Аль­фред Вегенер (1880–1930). В результате кон­цепция мобилизма при­шла на смену фиксистской кон­цепции, согласно последней все гео­логические структуры (ма­терики, океаны, горы, острова) всегда находились на поверхности Земли толь­ко в строго фивые организмы образовались из вещества мантии, когда-то поднявшегося к поверхности и охладившегося. Этот про­цесс продолжается в настоящее время. Ин­тенсивность естественной радиоактивности в прошлом была сущест­венно выше, поэтому в начале своей эволюции геотермальный ис­точ­ник тепла играл су­щественно б(льшее зна­чение, чем в настоящее время. Это очень важно, поскольку уровень излучения Солнца в прошлом был ниже.

Геологические концепции

INCLUDEPICTURE D:\\AVH\\ESTEST_2\\PLITY.BMP \d \* FIRSTCAP §

анская). Стрелки и числа указывают соответственно направление и скорость (см/год) дрейфа Дрейф

Рис. 4.6. Наиболее крупные литосферные плиты (1 – Тихоокеанская, 2 – Северо-Американская, 3 – Южно-Американская, 4 – Карибская, 5 – Кокос, 6 – Наска, 7 – Скотия, 8 – Антарктическая, 9 – Африканская, 10 – Арабская, 11 – Евразийская, 12 – Охотская, 13 –материков. Эволюция живой природы неотделима от геологической истории Земли. После образования Земли (4,6 млрд лет), ее верхний слой остыл и образовалась твердая земная кора. В настоящее время этот твердый слой не является цельным — он разбит на несколько больших кусков, которые называются тектоническими (литосферными) плитами (рис. 4.6). Их размеры находятся в пределах от сотен до нескольких тысяч километров. Эти плиты передвигаются по земному шару, увлекая за собой целые континенты. Такого рода перемещения больших участков земной коры получили название “дрейф материков”. Еще фламандский картограф Абрахам Ортелий в конце XVI века сделал предположение о расши­рении Атлантического океана, основываясь на очевидном сходстве очер­таний мате­риков по обе стороны Атлантического океана. В современном виде идею “дрей­фа мате­риков” пер­вым выдвинул в 1912 г. не­мецкий геофизик Аль­фред Вегенер (1880–1930). В результате кон­цепция мобилизма при­шла на смену фиксистской кон­цепции, согласно последней все гео­логические структуры (ма­терики, океаны, горы, острова) всегда находились на поверхности Земли толь­ко в строго фиксированном положении. В насто­ящее время имеется ог­ромное число фактов, доказыва­ющих гипотезу Вегенера, а к концу 60-х годов от­но­сят рож­дение совре­менной гео­ло­ги­ческой гло­бальной тео­рии тек­тоника лито­сферных плит. Пе­ре­чис­лим наи­более прос­тые факты и ре­зультаты.

1) Сходство береговых линий различных конти­нентов. На рис. 4.7 по­казаны очертания едино­го суперконтинента Пан­геи, составленные из со­временных южных ма­териков.

2) Характерные особен­ности рельефа, горных складок и физико-хи­ми­ческие свойства по­род совпадают в со­от­вет­ствующих местах раз­ных континентов.

3) Остатки некоторых ископаемых растений и животных встречаются на удаленных друг от друга материках и не об­наруживаются на близ­корасположнных участ­ках суши.

INCLUDEPICTURE D:\\AVH\\ESTEST_2\\PANGEA_2.BMP \d \* FIRSTCAP §

Рис. 4.7. Очертания материков. Совпадение ти­пов горных пород, их возраст, складкообразования

4) Особенности рас­про­странения ныне живущих различных видов растений и жи­вотных.

5) Следы почти одновременного позднепале­озойского распространения покровного оле­денения на южных материках (Южная Аме­рика, Южная Африка, Индия, Австралия).

6) Открытие полосо­вых, симметричных от­но­сительно средин­но-океани­ческих хре­бтов магнитных ано­малий дна. Вещество мантии непрерывно поднимается на по­верхность и сохраняет информацию о магнитном поле Зем­ли на момент рож­дения океанической коры. Ба­зальты способны на­магничиваться магнитным полем Земли, запоминая направление поля в момент излияния расплавленного вещества на поверхность океанского дна. Оказалось, что океанское дно нигде не образовалось раньше 200 млн лет назад, причем возраст этих пород закономерно увеличивается при удалении от срединно-океанических хребтов.

7) Особенности рас­пространения сейсмических волн позволяют понять внутреннюю структуру Земли. Современные геофизические методы томографии Земли дают трехмерную внутреннюю картину строения нашей планеты. Большие перспективы имеют начавшиеся исследования, основанные на нейтринной томографии.

8) Ти происходит погружение плит в мантию. Вместе с океанической корой в мантию попадают морские отложения, в том числе органические. Таким образом осуществляется круговорот вещества из биосферы во внутренние недра Земли и обратно.

Рис. 4.8. Схема тектонического дви­же­ния

Круговороты вещства и энергии.

Можно выделить несколько глобальных циклов — круговоротов вещества и энергии:

— Геологический (мантия  кора  мантия).

— Гидрологический (гидросфера (грунтовые воды)  атмосфера  гидросфера). С поверхности океана испаряется ежегодно около 100 тыс. км³ воды, поэтому без притока Мировой океан должен был бы высохнуть за несколько десятков тысяч лет.

— Карбоновый цикл (атмосфера  растения (животные)  земная кора  атмосфера).

Характерные времена этих циклов различаются на несколько порядков, но при этом в биосфере поддерживается глобальное равновесие в течение очень коротких промежутков времени с очень высокой точностью.

В основе развития экзосферы (биосфера, климат, выветривание по­род, осадкообразование) лежит солнечная энергия. Источниками энер­гии эндогенной эволюции Земли являются внутренняя гравитационная энергия Земли, радиоактивный распад элементов, потенциальная энер­гия системы Земля — Луна, падение метеоритов. Через поверхность Земли в окружающее пространство непрерывно уходит поток тепла мощностью в настоящее время 4,2^.10¹³ Вт. В современную эпоху радиоактивный распад обеспечивает только 1/4 часть тепловой энергии. Главным источником является гравитационная дифференциация — выделение тепла при перераспределении вещества Земли по плотности и при его химических и фазовых превращениях. Основным является процесс разделения вещества на силикатную и металлическую части (Fe₂O, FeO) на границе мантии и ядра. Влияние Земли и Луны друг на друга сейчас невелико, но на ран­них этапах земной эво­люции оно было весьма зна­чи­тельным. Некоторые со­в­ременные геологические концепции исходят из того, что именно Луна явилась при­чиной раз­ви­тия бурных геологи­ческих про­цес­сов на Земле при­мерно 4^.10⁹ лет назад. Наиболее веро­ятно, что в тече­ние первых 600 млн лет происходил прогрев земных недр до температуры плавления си­ликатов и к концу этого пери­ода возникла астеносфера. Гра­­ви­тационная и ра­дио­активная энергия в ко­неч­ном счете переходит в теп­ло и теряется Землей с теп­ловым излучением в кос­мос. Таким об­ра­зом, ге­о­логическая эволюция яв­­ляется необратимым про­цессом (рис. 4.9). По­след­ний и завершающий этап в геологической ис­тории Зем­ли связан с ее тектонической смертью при­мерно через 1,5–2 млрд лет, после почти пол­ного ис­черпания внут­ренних ис­точников энер­гии. В настоящее время за год мас­са континен­таль­ной ко­­ры увеличивается на 0,3 км³ (см. рис. 4.9). Через 1,5–2 млрд лет в целом начнется разрушение кон­тинентальной ко­ры, ее мас­са начнет умень­шаться.

Рис. 4.9. Зависимости скорости формирования кон­тинентальной земной коры (сплошная линия) и ско­рости выделения гравитационной энергии (штриховая линия) от времени (по Сорохтину О.Г. и Ушакову С.А.)

Выяснение механизмов движения текто­нических плит, основных ис­точ­ников энергии гео­ло­гической активности при­вело в настоящее вре­мя к формированию на основе теории тектоники лито­сферных плит теории гло­бальной эво­люции Зем­ли. В результате геология из фактически описательной дисциплины превращается в науку, в основе которой лежит общая и строгая математическая теория, объединяющая со­бой три главные раздела в науках о Земле: геологию, гео­химию и геофизику. В последние десятилетия про­изошла настоящая революция в науках о Земле.

Эволюционные кон­цепции происхождения гидросферы и атмосферы

Считается, что атмосфера не могла сформироваться одновременно с образованием Земли из газовых компонент протопланетного диска из-за воздействия солнечного ветра. По-видимому, молодая Земля вначале была лишена гидросферы и сколько-нибудь заметной атмосферы. Эти подвижные геосферы возникли в процессе дегазации мантии (выделения под воздействием высокой температуры летучих соединений), которая стала особенно активной в результате начавшейся дифференциации вещества примерно 4 млрд лет назад. Самые древние породы, имеющие возраст 3,8 млрд лет, обнаруживают свидетельства существования одноклеточных. Это говорит о том, что первичная гидросфера с жидкой водой появилась еще раньше. Наилучшие условия для дегазации Земли возникают только после образования конвективного течения в мантии, когда формируется астеносфера и происходит разрушение первоздан­ной литосферы. Следует подчеркнуть, что дегазация в более ослабленном темпе происходит и в настоящее время. Возникновение и эволюция гидросферы и атмосферы неотделимы от геологической истории Земли — формирования конвективного движения в мантии, образования земного ядра, геохимических процессов.

В целом происходит увеличение средних глубин Мирового океана, достигнув к настоящему времени 4,5 км. Скорость накопления воды, химический состав гидросферы и долговременные изменения Мирового океана обусловлены тремя основными факторами: 1) медленными эво­люционными изменениями тектонической активности с характерным временем 10⁹ лет; 2) периодическими перестройками структуры конвекции в мантии за ~ 10⁸ лет; 3) возникновением и таянием покровных материковых ледников за 10³–10⁴ лет.

Имеются серьезные основания считать, что первоначальная атмо­сфера была восстановительной, поскольку состояла из паров воды, CO₂ и других газовых фракций (H₂S, H₂, N₂, CH₄, NH₃, Hcl, HF, Ar). Об этом говорят отложения старше 2,1 млрд лет, в которых широко распространены минералы, образование которых исключает свободный кислород в атмосфере. Формирование кислородной атмосферы связано с фотодиссоциацией воды жестким излучением Солнца и рядом других фотохимических реакций (абио­тический фактор) и фотосинтезом (биотический фак­тор). Геологические данные свидетельствуют о появ­лении кислорода в атмосфере 1,9–1,8 млрд лет назад. В настоящее время основным источ­ником кислорода в атмосфере является фотосинтез растений и водорослей. Озоновый слой защищает Землю от УФ-излучения, поэтому фото­диссоциация паров воды чрезвычайно мала. В далеком прошлом роль абиотического фактора была существенно выше.

В течение последних примерно 300 млн лет установилось динамическое равновесие между двумя процессами, регулирующими содержание атмосферного кислорода. С одной стороны, его биологическая гене­рация, с другой — поглощение в процессе разложения органического уг­лерода и его окисления до углекислого газа. Такое равновесное состояние возможно, при наличии разнообразных форм жизни, еще около 600 млн лет. Затем, на последнем этапе тектонического развития Земли начнется активное выделение глубинного кислорода за счет разложения окислов железа в мантии в соответствии с реакцией 2Fe₃O₄  3Fe₂O+5O. В результате масса кислорода в атмосфере может увеличиться многократно, что неприемлемо для существующих форм жизни.

Климат является важнейшим фактором и в то же время объектом эволюции. Климат определяется как среднее состояние атмосферы в данное время в определенном месте. Климат характеризует статистический режим атмосферных условий (условий погоды) за заданный промежуток времени. Климат определяет не просто среднюю погоду, но и ее изменчивость в определенном интервале и некоторые отклонения от средних.

Начиная с позднего докембрия (последние ~ 600 млн лет), современной науке удалось восстановить климатические условия на Земле. Во время ледниковых эпох средняя температура T_p уменьшалась на 5  10 ⁰С, во время мелового периода (~ 100 млн лет назад) достигала T_p  21 ⁰C. Как видим, среднепланетарная температура биосферы в течение 500 млн лет изменялась в пределах 1015 ⁰С. Как следствие, происходили изменения влажности, содержания малых химических компонентов атмосферы. Такое состояние, с одной стороны, можно считать достаточно стабильным и комфортным для жизни, с другой, все эти колебания в немалой степени являлись источником быстрой эволюции живого.

Вся глобальная история Земли оказывается чередой ледниковых и межледниковых эпох и соответствующих изменений климата. В качестве возможных причин ледниковых эпох и других резких изменений в климатических условиях выделяют: а) планетарные фак­торы и б) космические факторы. Наиболее важными являются:

— Сильное ослабление парникового эффекта из-за сокращения содержания углекислого газа. Последнее может быть связано с мощным накоплением карбонатов за счет атмосферного и гидросферного углерода.

— Геологические процессы, перемещение литосферных плит, вулканическая деятельность.

— Изменение светимости Солнца.

— Появление в Солнечной системе облаков межзвездного газа, связанных со взрывами близких сверхновых. Падение крупных астероидов.

— Особенности орбиты Земли, изменения угла наклона земной оси вращения и скорости прецессии земной оси.

В качестве пуско­вого механизма могут выступать различные факторы, но важной причиной климатичес­ких изменений, по-видимому, являются из­ме­нения содержания пар­никовых газов в атмосфере, прежде всего углекислого газа. Когда углекислого газа становится больше, это приводит к потеплению, благоприятные условия приводят к росту биомассы. Содержание углекислого газа начинает уменьшаться, парниковый эффект ослабляется, температура падает, начинается оледенение. Разумеется, на эту общую схему накладывается огромное число разнообразных взаимодействующих факторов как усиливающих, так и ослабляющих указанные процессы⁷. Например, в результате вулканической деятельности содержание углекислого газа увеличивается, но одновременно в атмосферу выбрасывается огромное количество мелкодисперсных частиц, что уменьшает доступ солнечного излучения к поверхности Земли и температура понижается.

Рис. 4.10. Сравнение временных зависимостей нак­лона земной орбиты к средней плоскости Солнечной системы и вариации изотопного состава кислорода, характеризующего изменения климата (по данным Р. Мюллера и Г. Макдональдса)

Изменчивость кли­мата — общее правило. При этом выделяется широкий спектр квазипериодических изменений климата с характерными временами от 10 лет до многих миллионов лет (рис. 4.10). Некоторые из них, прежде всего чередования ледниковых и межледниковых эпох в пределах ледниковых периодов, могут быть объяснены в рамках концепции М. Миланковича и связаны с изменениями: 1) наклона земной оси к плоскости Солнечной системы с периодом 40 тыс. лет и амплитудой 1^о 42, 2) эксцентриситета⁸ земной орбиты от 0 до 0,0677 со средним периодом 91 тыс. лет, 3) большая ось земной орбиты испытывает периодическое изменение с периодом 21 тыс. лет, 4) наблюдается изменение солнечной активности с малой амплитудой с периодами 11, 22, 100, 400 лет. В результате количество солнечной энергии, достигающей земной поверхности на определенной широте, сложным образом меняется. Следствия таких изменений сложны и разнообразны. Нельзя считать, что они непосредственно и немедленно отражаются на повышении или понижении температуры атмосферы. Биосфера обладает значительным запасом инерционности относительно различного рода внешних воздействий.

В качестве одного из механизмов, являющегося немаловажным фак­тором эволюции биосферы, может выступать измен­чивость магнитного поля Земли. Только на протяжении последних 100 млн лет произошло около 200 перемагничиваний магнитных полюсов, что связано с процессами в жидком земном ядре, которое ответственно за генерацию магнитного поля. Причины глобальных покровных оледенений, длительность которых достигает сотен миллионов лет, связаны с геологическими процессами, прежде всего с возникновением крупных континентальных массивов.

Геологическая шкала времени. Историю Земли разделяют на геологические эры и периоды, границы между которыми обусловлены какими-либо явно выраженными изменениями в климате Земли и в характере окаменелостей. В каждом из периодов свойства биосферы существенно менялись, во многих случаях кардинально. Важнейшим достижением наук о Земле явилось построение достаточно точной хронологии земных событий. Вначале возникла стратиграфия (от лат. страто — слой, графо — пишу), наука о последовательности залегания слоев пород, для которых характерны определенные окаменелые остатки животных и растений. Такой метод определения возраста земных слоев предложил использовать еще в конце XVIII века английский ученый Уильям Смит (1769–1839). Проведение абсолютной датировки геологических и археологических объектов производится с помощью методов естественных наук (радиоактивный, геомагнитный, термолюминесцентный, спорово-пыльцевой, дендрохронология, амино­кис­лотный).

Абсолютные значения возраста дают современные методы, основанные на распаде радиоактивных элементов. П. Кюри — автор открытия естественной радиоактивности, в 1902 году предложил ис­пользовать это явление для хронологии земной истории. Дело в том, что многие изотопы химических элементов не стабильны, а самопроизвольно распадаются со строго постоянной скоростью. Периоды полураспада у разных изотопов сильно различаются. Благодаря этому удается определить возраст вещества в пределах от многих миллиардов лет (²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th, ⁸⁷Sr) до нескольких тысяч лет (¹⁴C). Калий-аргоновым методом, основанным на распаде изотопа ⁴⁰K (период полураспада 1,3 млн лет), можно определять возраст в миллионы лет. Он успешно применялся для датировки палеолитических стоянок древнего человека, а датировки в десятки и сотни тысяч лет производят по содержанию изотопа ²³⁰Th. Для независимой хронологии человеческой истории особое значение имеет радиоактивный углерод ¹⁴C (период полураспада равен 5730 годам), который образуется при бомбардировке ядер атомов атмосферного азота нейтронами космических лучей согласно реакции ¹⁴N + n  ¹⁴C + p. Образуемый изотоп перемешивается с обычным углеродом в атмосфере и участвует наравне во всех процессах, происходящих в биосфере⁹.

Следует понимать различие между “физическим” и “геоло­ги­ческим” интервалом времени. Повседневное представление о временных интервалах (секунды, минуты, часы, дни, годы) не является абсолютным, поскольку они определяются большим числом космических и земных факторов. Например, замедление скорости вращения Земли вокруг своей оси означает, что в прошлом количество суток в году заметно превышало современные 365, так в каменноугольном периоде год содержал около 400 дней и ночей, а в начале кембрия — 420. Замедление вращения Земли из-за приливного влияния Луны и Солнца увеличивает продолжительность суток на 20 секунд за 1 млн лет. Этот астрономический эффект удалось измерить в специальных физических экспериментах. Замечательно, что этот факт подтверждается палеонтологическими исследованиями коралловых построек.

Докембрий = архейская эра + протерозойская эра (от возникновения Земли до 570 млн лет назад). Следует выделить первоначальный добиологический период — период химической и геологической эво­люции, время интенсивных и разнообразных превращений. Он занял примерно 0,7–1 млрд лет. По современным данным образование оке­анов и материков произошло примерно 4 млрд лет назад. От этого этапа практически не осталось геологических свидетельств, поэтому судить об условиях на молодой Земле приходится по косвенным данным, в том числе с использованием сравнительно-планетологических материалов.

Известно свыше 10 миллионов органических соединений¹⁰, а в построении живого участвует лишь несколько сотен. Из 100 известных аминокислот в состав белка входит только 20, а язык генетического кода основан на четырех нуклеотидах. Когда период химической эволюции сменился биологической эволюцией, то изменения фундаментальной химической структуры живого прекратились. Все известные на Земле живые организмы, а также ископаемые формы жизни в определенном смысле химически одинаковы. Например, аминокислотный состав гемоглобина самых низших позвоночных и человека практически один и тот же, очень близким оказывается у разных видов растений состав ферментативных средств и т.д.

Первые организмы, дрожжеподобные анаэробы, получали энер­гию путем брожения без кислорода. Поскольку брожение менее эффективно по сравнению с кислородным дыханием, то эволюция не могла пойти дальше одноклеточной формы без ядра. Простейшие организмы, прокариоты, не имеющие обособленного ядра, появились в интервале 3,8–3,1 млрд лет назад. Их генетическая информация сосредоточена в единственной хромосоме. Около 3,5–3,2 млрд лет назад появились цианобионты, которые имеют хлорофилл и являются первыми фотосинтезирующими организмами. На рубеже архея и протерозоя, 2,6 млрд лет назад, температура понизилась и наступило первое известное оледенение, по-видимому, в результате активизации магматической деятельности, усиления вулканических извержений. Последующие изменения климата не в последнюю очередь привели к усложнению строения клетки — у одноклеточных возникли обособленные клеточные ядра. Стала формироваться все более усложняющаяся система пищевых и жизненных связей. К этому периоду относят широкое распространение фотосинтеза.

Одним из самых ярких свидетельств раннего возникновения жизни являются строматолиты (греч.  — ковер,  — камень) — карбонатные слоистые постройки, которые возникли в результате жизнедеятельности одноклеточных цианобактерий с прокариотными клетками, лишенными ядра и процессов осадконакопления. Возраст древнейших строматолитов составляет не меньше 3,5 млрд лет.

Распространена точка зрения, что обнаруживаемые по всему миру огромные толщи железистых кварцитов¹¹, есть накопление в морских осадках железа в результате жизнедеятельности особых бактерий. Возраст этих отложений превышает 2 млрд лет. Роль бактерий в ге­о­логических процессах чрезвычайно велика. С их деятельностью связано образование различных полезных ископаемых. Современные теории осадкообразования предполагают важную роль бактерий в этом процессе. Следы жизнедеятель­ности многоклеточных ор­ганизмов обна­ружены в породах, возраст которых 1,5 млрд лет. Считается, что жизнь явилась важнейшим фак­тором перехода от вос­становительной к окислительной атмосфере, когда мик­роорганизмы получили воз­мож­ность перейти от про­цессов брожения к процессам дыхания — это про­исходит при достижении точки Пас­тера, когда концентрация сво­­бод­ного кислорода в ат­мосфере проходит уровень 0,01 от современного зна­чения (21 %). В этом случае анаэробный процесс брожения становится энергетически менее выгодным по сравнению с кислородным метаболизмом. Это событие сыграло большое значение в воз­ник­новении многоклеточных ор­ганизмов и массовом засе­лении океана.

В конце протерозоя, в вендский период (650–570 млн лет назад) разнообразие форм жизни резко увеличивается. Появляются удивительные крупные мягкотелые беспозвоночные организмы вендских морей. Обнаруживаются представители сразу трех типов животных — кишечнополостных, червей, членистоногих. Существенно, что примерно 1 млрд лет назад началось длительное похолодание, ко­торое привело к ряду оледенений (800, 750, 660 млн лет назад) и потепление началось в вендском периоде.

Итак, в течение трех миллиардов лет жизнь на Земле была крайне примитивной, и только примерно 600 млн лет назад произошло бурное увеличение разнообразия форм живого и резкое усложнение организмов. В конце докембрия имели место очередные глобальные изме­нения условий на Земле, связанные с продолжительными ледни­ковыми эпохами. На протя­жении 200300 млн лет про­исходила череда дли­тельных оледенений, резкие перест­ройки климатической систе­мы Земли. В конце до­кембрия произошло первое вели­кое вымирание. Многочисленная и разнообразная вендская фауна почти пол­ностью исчезла. Однако воз­никли условия для нового эволюционного взрыва.

Рис. 4.11. До недавнего времени древнейшим среди известных науке хордовых жи­вотных считалась пикайа (Pikaia) (520 млн лет). В 1996 г. на Юго-Западе Китая обна­ружены остатки еще более раннего хор­дового — катаймируса (Cathaymyrus diadexus) (530 млн лет). Животный мир сов­ременной Земли оказался бы совсем иным, если бы пикайи и катаймирусы вымерли, не оставив после себя потомков, как подавляющее число существ кембрия

Палеозойская эра. Кем­брийский период (570–500 млн лет назад). Итак, в течение короткого по геологическим меркам промежутка времени (620 млн лет  570 млн лет = 50 млн лет) началось самое мощное ускорение в эволюции жизни. Появилось ог­ром­ное разнообразие бес­скелетных форм жизни. На­чало Кемб­рийского пери­ода оз­наменовалось возникновением скелетных беспозвоночных орга­низмов, эво­лю­ция которых про­текала очень быстро, одни виды сменяли другие. Обнаруживаются ра­ковины, панцири, трубки, ши­пы, появляется принципиально новый спо­соб дыхания — жаберный вместо кожного — об этом периоде говорят, что про­изошел “взрыв” биоты. Размеры ор­ганизмов не превосходят не­скольких сантиметров и они сильно отличаются от жи­телей конца протерозоя. Ра­зумеется активность биоты была подготовлена предыдущей дол­гой эволюцией жизни.

Появление скелета считают началом фанерозоя — времени явной жизни, и конец криптозоя — времени скрытой жизни. В результате живое вещество стало существенно более активно создавать осадочный слой, окончательно превратилось в важнейший геологический фактор. Возникновение скелета и кишечного тракта являются переломным этапом и самой эволюции жизни. Были заданы формы, а значит и направление будущего формообразования. Появление хордовых (тип животных, к которому относится и человек) произошло в середине кембрия (рис. 4.11). К концу периода наблюдаются останки представителей практически всех современных типов животных. Помимо этого обнаружено большое число структур, не оставивших после себя потомков (археоциаты, трилобиты). Последние 500 млн лет Природа “экспериментировала” с формами, возникшими в кембрии, не создав принципиально ничего нового. Конец периода связан с новой ледниковой эпохой, вследствие этого произошло массовое вымирание многих видов.

Ордовикский и силурийский периоды (500–408 млн лет назад). Начало периода ознаменовалось таянием льдов и повышением уровня океана, и на границе кембрия и ордовика произошел важнейший этап в развитии биосферы — жизнь вышла на сушу вблизи водоемов (бактерии, грибы, лишайники, черви, многоножки). В настоящее время именно наземные экосистемы заключают подавляющую часть живой биомассы и именно они определяют газовый состав атмосферы, а тем самым и климат Земли. Уже на ранних этапах освоения суши возникли некоторые важные адаптации, необходимые для суши, такие как защита от избытка радиации, от пересыхания, от силы земного притяжения, приспособления для разбрасывания спор. Характерная особенность того времени — богатейшая морская жизнь (появление головоногих моллюсков) и очень бедная на суше вблизи водоемов. В ордовике сформировалась глобальная экологическая пирамида морских сообществ, которая сохранилась в своей основе до настоящего времени. Переход от ордовика к силурийскому периоду (438 млн лет) обусловлен глобальным похолоданием, произошло оледенение значительных территорий и понижение уровня моря. В результате число видов и родов уменьшилось на 75 %. Последующее возвращение к теплому климату привело не только к заполнению освободившихся экологических ниш, но и к возникновению новых форм. Появились первые настоящие рыбы, на побережьях стали формироваться наземные сообщества, включающие растения и животных.

Девонский период (408–360 млн лет назад). Считается, что морская жизнь достигла максимального расцвета, и этот период образно называют “веком рыб”. Появились кистеперые (предки четвероногих), двоякодышащие (дожили до наших дней), лучеперые (прямые предки большинства современных рыб), скаты, акулы. В конце периода ряд катастроф, связанных с резким увеличением концентрации сероводорода в верхних слоях воды¹² и кислородным голоданием, привели к новым глобальным вымираниям. Исчезли кораллы, а рифы лежали в основе биоценоза. Возрождение коралловых построек произошло только через 70 млн лет.

По-видимому, в результате этого произошел выход позвоночных и моллюсков на сушу, началось формирование амфибий и улиток. Безжизненная суша покрылась ковром зеленой растительности, появились хвощевидные растения, папоротники и первые голосеменные (предки хвойных), возникла древесная ткань. В течение периода прои­зошло широкое распространение членистоногих, развитие легких, появление земноводных и семеноносных растений.

Каменноугольный период — карбон (360–286 млн лет назад). Угнетение морской жизни, связанное с кислородным голоданием, похолоданием и понижением уровня моря, как бы перевело вектор развития на сушу. Уменьшение концентрации кислорода и нарастание углекислого газа в немалой степени способствовало бурному развитию растительного мира, а следовательно, наземных животных. Членистоногие вышли из воды и дали начало насекомым. У части земноводных исчезла прямая зависимость от водоема, появились первые рептилии.

Но главное, особенности климата (похолодание) способствовали образованию мощных залежей торфа, а затем каменного угля. Была заложена энергетическая основа нашей цивилизации. В конце карбона климат стал суше, уровень моря упал.

Пермский период (286–248 млн лет назад). С уменьшением влажности климата начинается закат земноводных, на смену приходит огромное число новых видов рептилий. В конце перми произошли новые катастрофические изменения биосферы. В большей степени пострадала морская жизнь (на мелководье погибло около 90 % видов). Но и на суше наблюдается угнетение живого. Погибло около 200 из 400 известных нам семейств. В самом конце периода некоторые рептилии стали теплокровными (цинодонты). С окончанием пермского периода закончилась палеозойская эра (время древней жизни), началась мезозойская эра — время средней жизни.

Мезозойская эра. Триасовый период (248–213 млн лет назад). В течение периода наблюдается расцвет и быстрое исчезновение новых форм (морские цератиты). Впервые позвоночные стали летать (птерозавр). Активно начинает развиваться новая группа рептилий — динозавры. Немногочисленные мелкие примитивные млекопитающие вели, по-видимому, ночной образ жизни. Ближе к концу триаса климат стал суше, образуются внутренние обширные пустыни.

Юрский период (213–144 млн лет назад). Единый суперконтинент Пангея продолжает распадаться на отдельные части (см. рис. 4.7). Повсеместное нас­тупление моря на сушу приводит к новому расцвету морской биоты (часть сухопутных видов приспосабливается к водному образу жизни). Повышение влаж­ности сказывается на растительном мире суши. К юрскому периоду относят появление предков птиц. Под­линный расцвет переживают рептилии, прежде всего динозавры. Юрский период по праву называют царством динозавров на суше, в море и в воздухе.

§

Рис. 4.12. Белемниты — ог­ром­ная группа морских бес­поз­во­ночных, первые вну­т­ренне­ра­ковинные голо­во­но­гие. Их рас­цвет начался в юрском периоде (200 млн лет назад). Они исчезли в ре­зультате экологической ка­тастрофы в конце мело­вого периода

Меловой период (144–65 млн лет назад). В течение мелового периода продолжался “великий раскол” суперматериков Лавразии и Гондваны. Примерно 100 млн лет назад появились первые покрытосеменные растения. Бурное распространение цветковых привело к тому, что сейчас они на Земле составляют большинство среди растительных видов. Для мелового периода были характерны экстремально теплый климат и исключительно высокая концентрация атмосферного CO2. К концу мела растительность приобрела достаточно близкий к современному вид. В животном мире царствовали рептилии. Они безраздельно хозяйничали повсюду. Все закончилось катастрофой. В течение очень короткого промежутка времени исчезли не только гиганты-динозавры (об этом все хорошо знают), вымерло большое число других групп животных, менее известных, но столь же многочисленных и разнообразных (аммониты, белемниты, рудисты, многие моллюски), от морских рептилий остались только морские черепахи, резко снизилась продуктивность фотосинтезирующих морских организмов (рис. 12). Это вымирание было глобальным — произошло на всей территории Земли. Вымерло больше половины родов. Наступила эра новой жизни.

Кайнозойская эра. Животный мир начинает восстанавливаться. Освободившиеся экологические ниши занимают млекопитающие, причем происходит это очень быстро¹³. Со временем климат в среднем становится суше и холоднее. Возникли обширные степи. Ужесточение условий, включая конкурентную борьбу, приводило к увеличению скорости эволюции. Хорошим примером замедления развития фауны в более благоприятных условиях являются Австралия и Южная Америка.

В начале палеоценовой эпохи (65–55 млн лет назад) полностью отрезанными от остальной суши оказались Южная Америка и Австралия вместе с Антарктидой. Такая изолированность привела к низкому темпу эволюции, и как следствие, к сохранению уникальной фауны ранних млекопитающих. В эоценовую эпоху (55–38 млн лет назад) климат был повсеместно теплым либо умеренным, количество видов млекопитающих увеличивается. В олигоценовую эпоху (38–25 млн лет назад) климат стал прохладнее, над полюсами формируются ледниковые покровы, что приводит к понижению уровня моря. В конце эпохи прохладный и сухой климат приводит к возникновению степей и трав современного вида. Как следствие, наблюдается великое разнообразие травоядных животных — возник “жвачный” желудок. В миоценовую эпоху (25–5 млн лет назад) возникли многие современные горные системы (Альпы, Гималайские горы, Скалистые горы, Анды) в результате столкновения материковых плит и активного воздействия океанических плит на материковые. Миоценовая экосистема наиболее близка к современным восточно-африканским саваннам. В течение плиоценовой эпохи (5–1,6 млн лет назад) все материки заняли современное положение. Только в конце плиоцена между Северной и Южной Америкой впервые образовался перешеек, началось переселение млекопитающих, из-за которого живой мир Южной Америки сильно пострадал.

Антропогеновый период. Плейстоценовая и голоценовая эпохи (от 1,6 млн лет назад до наших дней). Два события обусловили начало нового четвертичного или антропогенового периода — новое оледенение и быстрое развитие человека (Homo erectus, см. гл. 6.). Значительная часть северного полушария покрывается гигантскими ледниками. Современный человек пережил два холодных этапа позднего плейстоцена — зырянский (70–45 тыс. лет назад) и сартанский (25–10 тыс. лет назад). Голоцен начался всего 10 тыс. лет назад, климат потеплел, ледники отступили, наступило современное теплое межледниковье — настало время расцвета вида Homo sapiens sapiens. Как долго продлится антропогенный период зависит от человека, сможет ли он решать проблемы, которые во многом сам же и создает.

Концепции градуализма и пунктуализма в развитии геологических процессов и органического мира

Вся история развития геологии и биологии пронизана полемикой между сторонниками концепции градуализма — непрерывности, постепенности в развитии геобиосистемы и представителями пунктуализма — прерывистости, скачкообразности.

Общие замечания о глобальной эволюции. Эволюция объектов нежи­вой природы не связана с их “борьбой за существование”, в ее основе лежит недарвиновская эволюция. Но имеется два общих момента для развития живого и неживого: 1) происходит необратимое и непрерывное создание новой информации, 2) необратимое развитие означает наличие неустойчивостей. В резуль­тате обнаруживаем общие теоретические подходы изучения живой и неживой природы, основанные на теории информации и устойчивости динамических систем. С точки зрения палеонтологии необратимость эволюции означает, что организм не может вернуться хотя бы частично к предшествующему состоянию, которое уже имелось у предков.

В целом эволюция жизни обнаруживает прерывистый, скач­кообразный характер. Каждые несколько десятков миллионов лет происходила глобальная экологическая катастрофа, связанная с резким изменением условий (климата) на Земле¹⁴. Как правило, в результате большая часть видов и родов исче­зала, освобождались экологические ни­ши. Переход к “благоприятной фазе” сопровождался в начальный момент времени очень быстрым увеличением числа форм и биомассы, темп эволюции оказывается существенно выше, чем перед катастрофой (рис. 4.13.). Наиболее значительное вымирание произошло на границе палеозойской и мезозойской эр, когда вымерло около 95 % всех видов и, в частности, 70 % родов амфибий и рептилий.

§

Рис. 4.13. Схема эволюции жизни с учетом эколо­гических катастроф

Катастрофа в конце мелового периода с точки зрения энергетики не была очень сильной по сравнению с геологическими катаклизмами прошлого, но привела к не менее значительным последствиям. По-видимому, это связано с тем, что более сложные биоценозы подразумевают наличие сложных связей между многочисленными структурными элементами.

После каждой катастрофы экологические ниши захватывают другие живые виды, до этого на­ходившиеся в тени. Очень редко после катастрофического уменьшения своей численности группе животных удается восстановиться в близких к первоначальным пределах. Следует учитывать, что более слабые (локальные) экологические катастрофы происходят на Земле практически непрерывно. Время жизни видов может сильно различаться — от сотен лет до сотни миллионов лет. Продолжительность существования вида зависит от быстроты эволюции, остроты межвидовой и внутривидовой конкуренции, от типа биоценоза. В среднем виды моллюсков существуют около 50 млн лет, а виды млекопитающих — всего несколько миллионов лет.

В ходе геологической истории происходит глобальное ускорение би­о­логической эволюции. Все более убыстряющий темп развития жизни ярко проявляется на примере того, как с ростом сложности организации биосистем продолжительность существования вида в среднем сокраща­ется. Длительность самых крупных этапов геохронологической истории — криптозоя (4 млрд лет) и фанерозоя (0,6 млрд лет) сильно различаются. В свою очередь продолжительность эр в фанерозое неизменно сок­ращалось: палеозой (322 млн лет), мезозой (183 млн лет), кайнозой (65 млн лет). Наглядно видно возрастание темпов эволюции при переходе от биологической к социальной эволюции, что демонстрирует обращение к истории человеческого общества за последние 10 тысячелетий, осо­бенно на этапе технологической стадии цивилизации. В то же время наблюдаются консервативные группы, которые практически не изменились за многие десятки и даже сотни миллионов лет. Такие немногочисленные существа Ч. Дарвин назвал живыми ископаемыми.

Прерывистость геологических процессов на коротких временах наглядно демонстрируют землетрясения, цунами, крупные оползни и обвалы, вулканические извержения, ураганы. Строение осадочной оболочки Земли, ее стратисферы доказывает прерывистый процесс осадконакопления, что полностью соответствует изменениям в органическом мире. Все геологические данные убедительно сви­детельствуют о том, что медленный и постепенный ход глобальных геологических процессов периодически прерывался их резким ускорением, когда эффект за короткие в геологическом смысле интервалы времени намного превосходил эффект медленных изменений за гораздо более длительные промежутки времени.

Общая особенность эволюции — крайне неравномерный характер. Быстрый этап, в результате кото­рого происходят качественные изменения структуры и свойства системы, сменяется продолжительным, когда происходят относительно медленные, часто монотонные изменения, которые в конечном счете приводят к новым революционным перестройкам вещества.

В основе направленности в эволюции Земли лежит необратимый в целом характер геологических процессов. Происходит увеличение дифференцированности и сложности строения Земли, при этом активность эндогенных процессов снижается. На эту общую направленность накладывается глобальная цикличность с периодом порядка 500 млн лет. С такой периодичностью происходит становление суперконтинента Пангеи и его распад, который сопровождается раскрытием вторичных океанов (современные Атлантический, Индийский). В основе этого процесса лежит ячеистая структура конвекции в мантии (см. рис. 4.8). Далее можно выделить геоцик­личности меньших масштабов — с периодами 150–200 млн лет, 40–45 млн лет, 3–5 млн лет, 20–100 тыс. лет и так вплоть до климатических суточных колебаний.

Эволюция химического сос­тава

Сравним средний химический состав Галактики, Солнца и Земли. Учитывая все имеющиеся данные о природе и составе Солнца, можно сделать следующие выводы:

1) На Солнце наиболее распространены элементы начала пери­одической системы Менделеева, практически до Z = 28.

2) Если исключить H, He, N, O, то в составе Солнца будут преобладать Mg, Si, S, C, Fe, Ca, Ni, Na, т.е. те же химические элементы, которые преобладают в метеоритах и в земной коре.

3) Изотопный состав химических элементов Солнца оказался близ­ким или таким же, как состав других тел Солнечной системы, что указывает на генетическое единство всего вещества нашей системы.

4) Химический состав Земли в целом и земной коры демон­стрирует общие свойства, в то же время количественно содержание многих элементов су­щественно различается (табл. 4.3).

Табл. 4.3

Элемент

Земля в целом (%)

Земная кора (%)

Метеоритное вещество

железо (Fe)

38,8

4,65

28,8

кислород (O)

27,17

47,00

32,3

кремний (Si)

13,84

29,5

16,3

магний (Mg)

11,25

1,87

12,3

сера (S)

2,74

0,047

2,12

никель (Ni)

2,7

0,0058

1,57

алюминий (Al)

1,07

8,05

1,38

кальций (Ca)

1,07

2,96

1,33

натрий (Na)

0,51

2,50

0,6

кобальт (Co)

0,2

0,0018

0,12

углерод (C)

0,023

~ 0,1

азот (N)

0,0019

водород (H)

0,15

Химический состав живого вещества. В основном живое ве­щество состоит из водорода, угле­рода, азота и кислорода. Например, указанные элементы составляют 96 % массы че­ловеческого те­ла. Сред­ний состав белков ока­зывается следующим: углерод — 50 %, водород — 7 %, кислород — 23 %, азот — 16 %, сера — 1–2 %. На калий, кальций и другие эле­менты приходится несколько про­центов. Фосфор является обя­за­тельной составной частью нук­ле­иновых кислот. Отметим, что фос­фор необходим для высшей нервной деятельности. Учитывая, что жизнь возникла в морской воде, сравним химический состав морских водорослей и морской воды: кремния в растениях в 10000 раз больше, фосфора  в 100000 раз, марганца  в 3000 раз больше, чем в морской воде. В то же время процентное содержание ряда металлов одинаково у бактерий, губок, растений, животных и океанской воды. Если учесть, что и растения, и животные в основном состоят из воды, то кислород оказывается одним из наиболее распространенных элементов во Все­ленной, в Солнечной системе, на Земле, в океане и у живого вещества.

Следует подчеркнуть определяющую роль воды для жизни, что связано с ее уникальными свойствами: очень большая теплоемкость, расширение при замерзании, слабая теплопроводность, очень хороший универсальный растворитель, прозрачность для видимого света, но хорошо поглощает УФ- и ИК- излучения.

На Земле углерод по распространенности занимает лишь 16-е место, в атмосфере Земли углерода не более 0,01 весового процента, в океанах — около 0,002, в литосфере — 0,1. В земной коре углерод распространен в 1300 раз меньше, чем кремний и в 350 раз меньше, чем алюминий. Распространенность углерода, азота, фосфора, серы в поверхностных слоях Земли невелика, всего 0,24 весовых процента. Еще меньше содержание молибдена (только 0,0001 %), играющего значительную роль в обмене веществ организмов, но в морской воде его содержание значительно выше, чем в целом на Земле. Следовательно, геохимические условия вряд ли играют сколько-нибудь существенную роль в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем. Определяющими факторами выступают требования соответствия между строительным материалом и объектами с высокоорганизованной структурой.

Как видим, распространенность химических элементов на различных иерархических уровнях организации материи (Вселенная, Солнце, Земля, земная кора, морская вода, живое вещество) заметно различается. Это различие связано с особенностями возникновения объектов. За исключением кислорода, живые организмы состоят из не самых распространенных химических элементов, причем по своему химическому составу живое вещество гораздо ближе ко Вселенной, чем к земной коре. Это служит косвенным доказательством принципа универсальности построения живых систем в различных областях Вселенной.

Едва родившись, жизнь уже кишит.

П. Тейяр де Шарден

4.4. Современные теории происхождения жизни

Проблема сущности жизни в биологии

Об определении понятия жизнь. Определение понятия “жизнь” не может опираться на конкретные проявления форм движения материи. Определение живого вещества должно быть по возможности функциональным. Главным, ключевым понятием, характеризующим жизненные процессы, является информация. Материальным носителем наследственной информации для земной жизни является молекула ДНК (или РНК). Обсудим феномен жизни с точки зрения кибернетики, следуя А.А. Ляпунову.

1) Любое проявление жизни можно перевести на язык управления процессами. Главной особенностью является то, что передача по определенным каналам небольших количеств энергии или вещества влечет за собой действия, заключающиеся в преобразовании значительно больших количеств энергии или вещества.

2) С другой стороны, такие биологические понятия как наследственность, раздражимость, устойчивость и др. являются частными случаями информационных понятий (накопление, хранение и передача информации, управляющая система, сигнал, обратная связь, канал связи, память и др.).

3) Хорошо известно, что практически всегда передача информации происходит на фоне помех, частично ее искажающих. Эти изменения при передачи наследственной информации называют мутациями.

4) Состояние всякого вещества описывается набором физико-химических характеристик (массой, химическим составом, энергией, электрическими и магнитными свойствами). Эти характеристики могут меняться со временем. Определим понятие “сохраняющие реакции”. Вещество воспринимает информацию о внешних воздействиях, перерабатывает ее и посылает новую информацию по другим каналам связи, что в свою очередь вызывает внутреннюю перестройку вещества, которая способствует сохранению его характеристик.

Итак, жизнь — высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул.

Эволюция представлений о возникновении жизни

Одним из самых сложных и интересных в современном естествознании является вопрос: каким образом и при каких условиях из неживой материи возникло живое вещество? К сожалению, нам знакома только одна форма жизни и только одно место во Вселенной, где эта жизнь существует, — планета Земля. А уникальные явления, как известно, с большим трудом поддаются научному исследованию.

Концепция панспермии (извечность жизни). В истории сохранилась точка зрения грека Анаксагора¹⁵, что причиной возникновения всего живого являются рассеянные повсюду невидимые “зародыши жизни”. Отметим, что близких представлений придерживалась сразу после своего становления христианская религия. В последние полтора столетия, начиная с Х.­ Рихтера в 1865 году, многие ученые и мыслители (С. Авенариус, Ф. Крик, Л. Оргел) выдвигали разнообразные версии старой гипотезы панспермии об извечности существования жизни во Вселенной. Живые клетки в принципе могут переноситься на межпланетные расстояния, например, на пылинках под действием светового давления или вместе с метеоритами. Но уже на межзвездные расстояния такой перенос живого вещества представляется крайне маловероятным. Разрушительное действие коротковолнового ультрафиолетового излу­чения на живую клетку исключает выход живого вещества в космос без защиты из-под спасительной атмосферы.

Самое главное, что предположение об извечности жизни во Вселенной вступает в противоречие с надежно установленными представлениями о конечном времени существования звезд, галактик и Вселенной. Наша Галактика всего в 3 раза старше земной жизни. Теория панспермии не отвечает на вопрос о происхождении жизни, а только отодвигает момент возникновения живого во времени.

Концепции спонтанного зарождения жизни. Эта концепция была основной при решении проблемы возникновения жизни из неживого вещества в течение полутора тысяч лет. Еще мыслители Древней Греции Милетской школы (VIII–VI вв. до н.э.) считали, что источником спонтанного зарождения жизни являются неорганические соединения, либо гниющие органические остатки, либо вода. В средние века многим “удавалось” наблюдать зарождение разнообразных живых существ (насекомых, червей, лягушек, рыб, мышей) в разлагающихся или гниющих остатках организмов. Считается, что первым попытался экспериментально опровергнуть эти устоявшиеся взгляды итальянский врач Франческо Реди (1626–1698). Им был установлен знаменитый принцип — Omne vivum e vivo — все живое из живого. Однако окончательно заставил пересмотреть догму спонтанного зарождения жизни Луи Пастер (1822–1895). Он доказал, что внезапное возникновение микробов в органике не есть возникновение жизни, а является результатом жизнедеятельности микроорганизмов. Его классические опыты нанесли окончательный удар по теории самозарождения жизни и стали основой практических методов стериализации.

Абиогенез. Уже в XVIII веке в естествознании, наряду с последователями Ф. Реди, сформировалась теория абиогенеза, в соответствии с которой в результате естественных химических превращений возникают сложные молекулы из простых органических соединений, а затем эти сложные молекулы образуют живые клетки. Согласно этой точки зрения жизнь и сейчас может возникать на Земле.

Современный этап. Настоящий переворот во взглядах на происхождение жизни произошел, благодаря появлению в 1924 г. работы Александра Ивановича Опарина. В общих чертах было сформулировано представление о том, каким образом процессы органической и физической химии могли привести к возникновению жизни на первичной Земле. Принцип непрерывности — идея длительного непрерывного усложнения органических соединений, что привело примерно 3,8 млрд лет назад к возникновению жизни, лежит в основе современного естествознания о происхождении жизни. Формирование основ современных представлений стало возможным только в начале XX века в связи с достижениями органической химии и становлением биохимии.

Особенности структуры живого вещества. В основе живого на Земле лежат белки, они представляют собой сложные макромолекулы и состоят из огромного числа атомов (атомная масса от 10 тыс. до 50 млн). Структурными элементами белков являются аминокислоты. Белки, образующие любые организмы на Земле, состоят только из 20 аминокислот, так называемых (-амино­кис­лот, химическая формула для них имеет вид:

,

где R — радикал, углеводородный или содержащий помимо C и другие атомы — O, S, N. Структурой R и различаются аминокислоты. Двадцать “живых” аминокислот состоят из углерода, водорода, кислорода и азота. Из них только две аминокислоты содержат серу.

Хиральность аминокислот живо­го вещества. Подавляющее боль­шин­ство сложных молекул не обладают простой симметрией. Такие моле­кулы, их называют хиральными, могут существовать в двух формах — правой (D) и левой (L). Правую конфигурацию нельзя совместить с левой никаким поворотом — точно так же отличается левая рука от правой (рис. 4.14). Абиотические мо­ле­кулы всегда встречаются в виде сме­си, содержащей поровну правых и левых молекул, что связано с законом возрастания энтропии.

§

Рис. 4.14. Две формы аланина

Удивительным свойством живой природы оказалось, что биологические молекулы построены только из аминокислот левой ориентации. Правые и левые формы одинаково участвуют в химических реакциях, но различаются своим взаимодействием с поляризованным излучением. Земной организм усваивает только аминокислоты левой формы и погибнет от голода при обилии живого вещества, построенного из аминокислот правой конфигурации. Возникновение хиральности в живом веществе представляет огромный интерес. Попытки объяснить это явление оптическими свойствами атмосферы, магнитным полем Земли или радиоактивным облучением пока не привели к успеху. Но экспериментально доказано, что при фотохимическом синтезе с использованием поляризованного излучения образуются асимметричные молекулы. В настоящее время считается, что первоначальное возникновение хиральности было результатом флуктуации. Эта антисимметрия может нарастать для самовоспроизводящихся систем в процессе добиологической эволюции, в ходе которой возникает порядок из беспорядка и при выборе молекулы данной формы создается 1 бит информации. В процессе последующей биологической эволюции происходит дальнейшее распространение хиральности, так как такие системы имеют преимущество перед смешанными системами — они более специфично взаимодействуют с окружающей средой, отличая правое от левого.

Белки. Элементы организма должны постоянно воспроизводиться. В основе этого процесса лежит синтез белков. Этот синтез происходит при помощи нуклеиновых кислот. Основной функцией дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) является передача по наследству генетической информации, молекулы ДНК играют роль кода, который указывает как производить синтез белковых молекул в клетках организма. Молекулы РНК (рибонуклеиновая кислота) переносят генетическую информацию и непосредственно синтезируют белок. Белки являются главной составной частью любого живого вещества, основным строительным материалом. Ферменты — катализаторы биохимических реакций — также относятся к белкам. Из белков состоят антитела, которые играют в организме защитную функцию. Белки разделяются на протеины — простые белки, состоящие только из аминокислот, и на протеиды (сложные белки), построенные, в свою очередь, из простых белков совместно с другими биохимическими структурами.

Под влиянием внешних факторов (жесткой радиации, температурных условий, нетипичной химической среды) могут происходить отдельные нарушения в системе кода наследственности. В результате изменяется структура молекулы ДНК. Эти нарушения могут приводить к производству белков с новыми признаками, которые будут передаваться по наследству. Эти события называют мутациями. Естественный отбор со временем производит жесткую селекцию новых признаков, возникших в результате мутаций.

Органические молекулы в космосе. Проблема возникновения жизни является, в первую очередь, химической проблемой. Сложные молекулы (макромолекулы), которые лежат в основе живого вещества, состоят прежде всего из углерода, водорода, азота и кислорода. Особая роль принадлежит углероду µ §, который является четырехвалентным эле­ментом. Благодаря этому, соединения на основе углерода могут приводить к образованию длинных молекулярных цепей. Белковые молекулы на 95 % состоят из этих четырех атомов. Однако велико значение и многих других химических элементов, несмотря на то, что их относительное содержание в живом веществе невелико.

С помощью радиоастрономических методов в межзвездной и межпланетной среде удалось обнаружить более сотни различных органических соединений, некоторые из них содержат более десяти атомов в молекуле. Обнаружен аммиак NH3, вода, монооксид углерода CO, формальдегид HCHO, синильная кислота HCN, гидроксил, муравьиная кислота HCOOH, этиловый спирт C2H5OH, метиламин CH3NH2, цианоацетилен HC3N, формамид HCONH2, ацетон, глицин (аминокислота!) и многие другие. Иногда в метеоритах, упавших на Землю, обнаруживают сложные органические молекулы заведомо внеземного происхождения, в том числе находят углеводороды, асфальты, жирные кислоты и даже аминокислоты¹⁶. В метеоритах наблюдается почти одинаковое содержание D- и L- форм, что свидетельствует об абиогенном происхождении этих аминокислот. L-форма вращает плоскость поляризации излучения налево, а D-форма — направо. Аминокислоты обнаружены в лунном грунте. Знаменательно, что наиболее благоприятными для химической эволюции вещества оказываются центральные области гигантских газопылевых облаков, которые и являются колыбелью звезд и планетных систем.

Из сказанного не следует, что соединения космического происхождения явились материалом для земной жизни. Достаточно жесткие условия на молодой Земле, по-видимому, исключают такую возможность. Но наблюдаемое широкое распространение органического вещества в космосе свидетельствует о возможности его естественного появления на Земле на более поздних этапах эволюции.

Углерод — уникальный химический элемент. Возникает важный вопрос: может ли возникнуть жизнь не на основе углерода? Помимо углерода, только кремний µ § мог бы претендовать на эту роль. Во-первых, кремний также является достаточно распространенным элементом во Вселенной, его всего в  раз меньше, чем углерода. По содержанию в земной коре кремний стоит на втором месте после кислорода, его в 1283 раза больше, чем углерода! Несмотря на это, земная жизнь основана на углероде, и кремний не играет практически никакой роли в биохимии живого. Во-вторых, кремний как и углерод является четырехвалентным, что необходимо для образования сложных молекулярных соединений. Однако, в силу ряда причин молекулы на основе кремния не дают такого разнообразия боковых ответвлений в молекулярных цепочках по сравнению с углеродными соединениями. Углерод обладает уникальной способностью образовывать огромное количество комбинаций совместно с другими атомами. Именно богатство и сложность боковых ответвлений приводит к огромной информационной емкости генетического кода, материальным носителем которого выступает на Земле дезоксирибонуклеиновая кислота. Кроме того, связь между ато­мами кремния неустойчива в присутствии воды, аммиака или кислорода. Это существенное возражение против кремниевой жизни.

Основными этапами эволюции органического вещества на Земле являются: 1) образование Земли; 2) добиологическая химическая эво­люция; 3) возникновение живых систем, клетки; 4) эволюция одноклеточных, возникновение клеточной дифференциации; 5) эволюция мно­гоклеточных.

Добиологическая эволюция

В истории Земли следует различать два этапа — добиологический и биологический. В свою очередь в эволюции органического вещества на молодой Земле (предбиологическая химия) можно выделить ряд ключевых моментов: а) образование аминокислот и других биологически активных молекул; б) синтез полимеров (полинуклеотидные цепи); в) возникновение каталитических функций; г) появление мембран; д) эволюция механизма наследственности; е) возникновение клетки.

Условия на Земле и химическая эволюция. По современным представлениям жизнь возникла в гидросфере — первобытном океане при важнейшей роли первобытной атмосферы. Этому имеется ряд причин.

1) После образования земной коры, первичных атмосферы и океана, условия на поверхности планеты были достаточно жесткими. Светимость Солнца была ниже современного уровня примерно на 30 %. Атмосфера была менее плотной, содержание в атмосфере свободного кислорода и озона было малым, поэтому уровень коротковолнового излучения (УФ) и космических лучей был очень высок.

2) Слой воды толщиной в несколько метров является надежным экраном от космических частиц и жесткого ультрафиолета.

3) Температурные условия в определенных местах океана могут быть достаточно комфортными. Речь идет об областях спрединга (срединно-океанические хребты, см. рис. 4.8), где восходящий поток горячей мантии рождает океаническую литосферу, и зонах субдукции, где происходит разрушение океанической литосферы (области повышенной вулканической и сейсмической активности). Эти активные зоны хорошо изучены на современной Земле. Необходимо учитывать, что интенсивность этих процессов на первобытной планете была существенно выше. Внутренняя геотермальная энергия обусловлена в первую очередь естественной радиоактивностью. Со временем интенсивность этого источника падает, в результате снижается уровень внутренней активности планеты. Время геологической жизни планеты зависит в существенной мере от ее массы. На Земле она еще не замерла, доказательством тому являются многочисленные землетрясения, вулканическая активность, горообразование. А у более маломассивного Марса гео­логическая активность в настоящее время достаточно слабая.

4) Помимо фактора прогрева, зоны спрединга и субдукции оказываются естественными источниками широкого набора химических соединений, необходимых для живого вещества. Недаром, вблизи знаменитых “черных курильщиков” даже на больших глубинах современного океана обнаруживается богатейшая подводная жизнь, в основе которой лежат бактерии, у которых обмен веществ связан не с фотосинтезом, а с хемосинтезом (усвоение окиси углерода за счет окисления неорганических соединений).

Принимая во внимание важную роль внутренних геологических процессов в эволюции жизни, следует считать, что вместе со снижением активности планеты падает вероятность возникновения живого вещества.

Эксперименты, моделирующие добиологическую эволюцию. В 1953 году биохимик С. Миллер поставил свои сенсационные опыты по про­верке идей Опарина. Он пропускал электрический разряд в 160000 вольт (модель молнии) через смесь метана, водорода, аммиака и паров воды без доступа кислорода и получал аминокислоты. Многочисленные по­следователи стали варить “первобытный бульон” при различных ус­ловиях (использовались радиоактивные минералы, потоки электронов высокой энергии, ускоренные циклотроном, ионизирующая радиация и др.) и были получены разнообразные органические кислоты, все 20 аминокислот, встречающиеся в живых организмах, основания нуклеиновых кислот. Под действием ультрафиолетового излучения удалось синтезировать простые органические молекулы в полимеры. Наконец, получены коацерватные капли и протеиноидные микросферы — предшественники клеток.

Роль вулканов. Вулканы в добиологической эволюции представляются одним из решающих факторов. При извержении вулкан выбрасывает углекислоту, воду, окись углерода, водород, метан, аммиак, азот, соляную и фтористоводородную кислоты, соединения серы и фосфора, металлы. Вулканы являются огромными природными химическими реакторами. Очень интересные результаты получены Л.М. Мухиным по лабораторному моделированию условий, типичных для наземных и подводных вулканов. Получены синильная кислота, альдегиды и аминокислоты. Эти вещества обнаружены и на выходе действующих вулканов. Это неудивительно, так как при подогреве водно-аммиачного раствора синильной кислоты или формальдегида образуются аминокислоты и, в частности, аденин — составной элемент молекулы ДНК¹⁷.

Результаты многочисленных специально поставленных лабораторных экспериментов с учетом самых различных факторов, моделирующих условия на ранней Земле свидетельствуют, что аминокислоты и другие сложные органические молекулы могли синтезироваться в пер­вичной атмосфере и гидросфере Земли. Можно сделать вывод, что на первобытной Земле естественным образом возникло изобилие строительного материала для жизни. Прямым подтверждением этому является обнаружение формальдегида, синильной кислоты и аминокислот в древнейших метеоритах — углистых хондритах, возраст которых составляет 4,5 млрд лет.

Сложные полимерные молекулы. Итак, следующим этапом является образование более сложных полимерных молекул (нуклеиновых кислот, белков, сахаров, липидов (жиров)).

Сахара (например, глюкоза) и полисахариды (крахмал, целлюлоза) без труда получаются в процессе небиологических синтезов, что впервые показал великий русский химик А. Бутлеров. Важная составная часть организмов — липиды, типичным примером является глицерин. Липиды являются одной из составных частей клеточных мембран. Удается небиологическим путем синтезировать молекулы такого типа и получать из них аналоги биологических мембран. Можно искусственно создать цепочки аминокислот — полипептидов. Но такие молекулы отличаются по своим свойствам от живых белков. Обычно белковая молекула содержит 100–200 аминокислотных остатков. Из 100 остатков, используя 20 различных сортов аминокислот, можно построить 20100 = 10130 различных полипептидных цепей! А в живой природе используется не более 103. Последовательность аминокислот в белке полностью определяет его функцию, в том числе каталитические свойства.

Коацерватные капли и протеиноидные микросферы. В 1924 году А.И. Опарин предложил первую модель протоклетки — коацерватные капли. Эта концепция биохимического объяснения вопроса о самоорганизации материи в конечном счете привела к современным достижениям в понимании проблемы возникновения жизни.

Экспериментально обнаружено, что сложные органические сое­динения объединяются в молекулярные агрегаты — агрегатные капли, состоящие из миллионов молекул. Такие системы обеспечивают существенное увеличение концентрации органических веществ и при определенных условиях могли являться одной из начальных форм на пути превращения неживого вещества в живое. В частности, коацерватные капли могут улавливать и впитывать в свою структуру некоторые вещества из окружающей среды — наблюдается обмен веществ. У коацерватов обнаруживается естественный отбор, основанный на дина­мической устойинокислот в древнейших метеоритах — углистых хондритах, возраст которых составляет 4,5 млрд лет.

Сложные полимерные молекулы. Итак, следующим этапом является образование более сложных полимерных молекул (нуклеиновых кислот, белков, сахаров, липидов (жиров)).

Сахара (например, глюкоза) и полисахариды (крахмал, целлюлоза) без труда получаются в процессе небиологических синтезов, что впервые показал великий русский химик А. Бутлеров. Важная составная часть организмов — липиды, типичным примером является глицерин. Липиды являются одной из составных частей клеточных мембран. Удается небиологическим путем синтезировать молекулы такого типа и получать из них аналоги биологических мембран. Можно искусственно создать цепочки аминокислот — полипептидов. Но такие молекулы отличаются по своим свойствам от живых белков. Обычно белковая молекула содержит 100–200 аминокислотных остатков. Из 100 остатков, используя 20 различных сортов аминокислот, можно построить 20100 = 10130 различных полипептидных цепей! А в живой природе используется не более 103. Последовательность аминокислот в белке полностью определяет его функцию, в том числе каталитические свойства.

Коацерватные капли и протеиноидные микросферы. В 1924 году А.И. Опарин предложил первую модель протоклетки — коацерватные капли. Эта концепция биохимического объяснения вопроса о самоорганизации материи в конечном счете привела к современным достижениям в понимании проблемы возникновения жизни.

Экспериментально обнаружено, что сложные органические сое­динения объединяются в молекулярны¹⁸ агрегаты — агрегатные капли, состоящие из миллионов молекул. Такие системы обеспечивают существенное увеличение концентрации органических веществ и при определенных условиях могли являться одной из начальных форм на пути превращения неживого вещества в живое. В частности, коацерватные капли могут улавливать и впитывать в свою структуру некоторые вещества из окружающей среды — наблюдается обмен веществ. У коацерватов обнаруживается естественный отбор, основанный на дина­мической устойпосле появления клетки основным носителем генетической информации стала двухцепочечная молекула ДНК.

М. Эйген в 1971 году предложил концепцию предбиологической молекулярной эволюции, которая к настоящему времени сформулирована в виде математической модели, результаты которой подтверждаются экспериментами. Концепция Эйгена основана на трех моментах: 1) дарвиновские идеи эволюции и отбора распространяются на “популяции” макромолекул типа РНК; 2) основополагающую роль играет кооперирование макромолекул, которое может возникнуть в результате взаимной каталитической активности отдельных структур — возникают, так называемые гиперциклы; 3) предбиологические системы способны к компартментации отдельных клеточных единиц. Гиперциклы обеспечивают устойчивое сосуществование самовоспроизводящихся РНК, а компартментация приводит к развитию и усовершенствованию их информационного содержания.

Жизнь на Земле возникла, когда ее возраст исчислялся всего лишь сотнями миллионов лет. Следы жизни были обнаружены в горных породах, возраст которых составляет не меньше 3,8 млрд лет. Носителями жизни в ту эпоху были безъядерные одноклеточные организмы — бактерии и сине-зеленые водоросли. Первые клетки с ядрами появились около 2 млрд лет тому назад, потребовалась половина времени эволюции, чтобы это произошло. Вот хорошая иллюстрация медленности процесса эволюции жизни на Земле. Примерно к этому же времени относится и появление многоклеточных организмов, возникших из колоний одноклеточных, у которых появилась дифференциация функ­ций клеток. С этого времени дальнейшая эволюция характеризовалась огромным многообразием форм.

Эволюция от мертвой материи до самой простой бактерии более сложна (и до конца еще не выяснена), чем от бактерии до человека. Возникновение жизни — это качественно новое состояние вещества, но важно осознавать, что этот переход произошел в результате непрерывного естественного процесса, более того, для этого потребовался огромный промежуток времени.

1 Кедров Б.М. Классификация наук. М.: Мысль, 1995.

2 По словам Джона Бернала: “Жизнь содержит элемент, логически отличный от элементов физики, но совсем не мистический, — элемент историчности. Все явления, которые изучает биология, образуют непрерывную цепь событий, и всякое следующее звено может быть объяснено познанием предыдущего. Единство жизни обусловлено ее историей и, следовательно, является отражением ее происхождения”.

3 Следы структур, которые, по-видимому, можно отнести к примитивным организмам, обна­ружены в древнейших породах на Юго-Западе Гренландии, возраст которых составляет  3,8 млрд лет. Эти породы сохранили отпечатки стенок клеток одноклеточных организмов. Следовательно

4 К таковым относятся фундаментальные постоянные, определяющие четыре типа взаимодействия, скорость света, заряд электрона, массы элементарных частиц, постоянные Планка, Больцмана и ряд других.

5 Различают УФА с  = 3200  4000 A и УФБ с  = 2000  3200 A.

6 Альбедо свежего снега — 90 %; песка, пустынь — 35 %; влажной почвы — 10 %; неподвижной воды — 2%. Среднее планетарное альбедо земного шара, включая его облачный покров – 35 %.

7 Наглядным примером в подтверждение сложности построения модели климата являются достаточно частые ошибки метеопрогнозов даже на ближайший период. Эти ошибки вызваны чрезвычайной сложностью системы, ее принципиальной неустойчивостью.

8 Траектория движения Земли и других планет вокруг Солнца является эллипсом. Эксцентриситет характеризует отличие эллипса от окружности. Эксцентриситет окружности равен нулю.

9 Автору этого метода Уилларду Фрэнку Либби в 1960 г. была присуждена Нобелевская премия.

10 Речь идет об искуственных, созданных в химических лабораториях, естественных существенно меньше.

11 В частности, месторождения Курской магнитной аномалии и Кривого Рога.

12 Моделью тех событий может явиться современное Черное море, в котором ниже 200 метров находится сероводород, а практически вся жизнь сосредоточена в поверхностных водах. Глобальное поднятие сероводорода приведет к исчезновению этой жизни.

13 Следует подчеркнуть, что формирование млекопитающих заняло огромный промежуток времени. Последовательное появление отдельных признаков млекопитающих у разных групп пресмыкающихся удается проследить вплоть до пермского периода.

14 Математическое моделирование эволюции взаимодействующих сообществ показало, что возможно наступление критического состояния, в результате которого происходят быстрые изменения в системе. При этом исчезают наиболее сложные организмы с наибольшим числом связей и с наименьшей способностью к мутациям. Они замещаются другими организмами. Такая гипотеза основана только на принципах эволюции Дарвина. В этом случае внешние геологические или космические факторы выступают в качестве спускового крючка для перехода органического мира в новое состояние.

15 Анаксагор из Клазомен (Малая Азия, 500–428 гг. до н. э.)

16 Обнаружены глютаминовая кислота, пролин, глицин, саркозин, аланин, валин, 2-мети­лаланин и 17 видов жирных кислот.

17 Х. Оро, занимаясь фундаментальными проблемами добиологической эволюции, первым получил аденин из синильной кислоты. И сейчас метод Оро широко применяется для промышленного производства аденина.

18 Эти клеточные субстанции (органеллы) являются генераторами энергии клетки. В митохондриях извлекается энергия, заключенная в химических связях поступающих в клетку питательных веществ. Они имеют собственную ДНК и относительную автономию. Считается, что они произошли от симбиотических микроорганизмов, приспособившихся к жизни в клетке.