1. 5. Возникновение биосферы

Как же возникла биосфера? Современная наука накопила большую информацию о палеонтологическом прошлом растительно-животного мира, современном строении живого вещества. Однако точных фактов и правдоподобных умозаключений о происхождении начальных этапов становления жизни на на этот счет существует немного. Мы знаем, что современный запас атмосферного кислорода постоянно пополняется за счет фотосинтеза и что если бы этот приток прекратился, то весь кислород постепенно израсходовался бы на окисление в процессе дыхания и окисления при выветривании горных пород (окисление двухвалентного железа в трехвалентное, сульфидов в сульфаты и т. д.). Очевидно, современная атмосфера вторичного происхождения. Поскольку весьма распространенный во Вселенной инертный газ неон встречается в земной атмосфере редко по сравнению с водяными парами, имеющими примерно такой же молекулярный вес, ясно, что в образовании вторичной атмосферы могли принимать участие лишь те газы, которые химически связаны в горных породах. Это отметил еще Браун 50 лет назад. Кислород мог медленно накапливаться и в первичной атмосфере за счет фотолиза (буквально -«расщепление светом») воды, а также за счет ее разложения при высокой температуре. Освобождающийся при этом водород рассеивался в космическом пространстве. Однако, вероятнее всего, это приводило бы лишь к локальному окислению веществ на поверхности земной коры или вблизи нее.

Вторичная атмосфера начиналась со смеси из водяных паров, метана, окиси углерода, двуокиси углерода, аммиака и азота. Были проведены специальные опыты, показавшие, что в присутствии соответствующего источника энергии (ультрафиолетового света или электрического разряда) в такой смеси могут возникать многие органические соединения, в том числе практически все те вещества, из которых строятся биологические макромолекулы. Кроме того, как показало изучение метеоритов, такой синтез происходит и во внеземных условиях; при этом образуется также немало других соединений, не имеющих биологического значения.

Так или иначе, можно с уверенностью сказать, что немалая часть процессов до биологического органического синтеза происходила на нашей Земле в восстановительных условиях, существовавших на ранних стадиях ее развития. Источником энергии скорее всего служило ультрафиолетовое излучение Солнца, Однако под влиянием коротковолнового излучения, достигавшего Земли из-за отсутствия экрана, некоторые важные соединения не только образовывались, но и разрушались. Поэтому приходится предположить, что процессы, которые привели к появлению первого живого вещества, происходили в каких-то особых условиях. Возможно, синтезы протекали в водяных парах и газах над примитивной системой водоемов или над океаном, который имел очень небольшую глубину. На дне этого океана под защитой слоя воды часть продуктов первичного синтеза могла полимеризоваться на частицах ила или как-то иначе.

Считается что возраст нашей планеты около 4,5 - 5 млрд. лет. Первые следы живых организмов - это найденные в геологической формации Фиг-Три (Южная Африка) - структуры, напоминающие бактерии. Считается, что их возраст несколько превышает 3 млрд. лет. Углеродсодержащие сланцы из Свазиленда еще древнее, но в них не было найдено следов биологических объектов. Самая древняя микрофлора обнаружена С. Тайлером и Э. Баргхурном в формации Ганфлинт (Онтарио). Здесь обнаружены тонкие нитчатые синезеленые водоросли (цианобактерии), возраст которых около 2 млрд. лет. Это самые настоящие водоросли, которые, несомненно, были способны к фотосинтезу и к фиксации молекулярного азота. Клеточные образования, входившие в состав синезеленых водорослевых рифов, нередко находят в слоях, возраст которых немногим превышает 2 млрд. лет. Из работ Баргхурна, Клауда и других палеонтологов, описавших палеонтологические находки, относящиеся к докембрию, можно сделать один вывод: около 3 млрд. лет назад биохимическая эволюция зашла уже настолько далеко, что появились дискретные гетеротрофные организмы.

Как видно из названия, эти организмы использовали в своем метаболизме, осуществлявшемся с помощью ферментов, диффундирующие из внешней среды органические молекулы. Такие организмы жили под водой или в отложениях, находя здесь защиту от разрушительного действия ультрафиолетового излучения Солнца. Прошло около 1 млрд. лет, и появились прокариотические клетки, способные к фотосинтезу. Конечным результатом этой эволюции был полный переход биосферы от старого гетеротрофного режима к новому, автотрофному, основанному на дыхании в сильно окислительных условиях. Как быстро произошел этот переход, мы не знаем, но, несомненно, то была самая великая из биологических революций, когда-либо совершавшихся на Земле. В ее ходе вымерли примитивные и неэффективные организмы, которым был вреден свободный кислород. Их заменили более эффективно дышащие формы.

Недавно были обнаружены остатки эукариотических клеток с развитым механизмом митоза и митохондриями, живших 1,2 - 1,4 млрд. лет назад. Появление современных эукариотических клеток можно рассматривать как главное последствие новых условий на Земле, получившей кислородную атмосферу. Линн Маргулис, основываясь на разрозненных, но разнообразных фактах, убедительно показала, что эта реакция на новые условия была весьма своеобразной и сложной и предполагала появление множественного симбиоза различных прокариотических клеток. Это был ни с чем не сравнимый эволюционный скачок.

Если первые эукариоты появились 1,2- 1,4 млрд. лет назад, то можно считать, что на эволюцию мягкотелых многоклеточных форм ушла половина этого времени. Первые скелеты животных найдены в слоях, возраст которых около 600 млн. лет (начало кембрийского периода).

Учитывая оценки (конечно, весьма приближенные) возможной продолжительности жизни Солнца и Солнечной системы, можно думать, что биосфера будет оставаться обитаемой еще очень долгое время, во много раз превышающее время существование на Земле человека (около 2 млн. лет). По выражению Хатчинсона «Как обитатели биосферы мы еще дети, подверженные к тому же приступам разрушительной ярости^п. Однако многие специалисты, исходя из современного положения вещей, считают, что продолжительность существования биосферы может быть резко сокращена непродуманной деятельностью человека.