10.4. Появление жизни на Земле

Как было отмечено выше, в вопросе появления жизни на на планете еще много остается неясного и неопределенного. Эта про

260

блема далека от своего окончательного решения. Тем не менее, со­временная наука дает возможность выдвинуть некоторые гипотезы, отвечающие на вопросы о том, как, когда и в какой форме появи­лась жизнь на Земле.

Условия, необходимые для появления жизни

История жизни и история Земли неотделимы друг от друга, так как именно в процессах развития нашей планеты как космического тела закладывались определенные физические и химические усло­вия, необходимые для появления и развития жизни.

Прежде всего, следует отметить, что жизнь (во всяком случае в той форме, в которой она функционирует на Земле) может сущест­вовать в достаточно узком диапазоне температур, давлений и ра­диации. Также для появления жизни на Земле нужны вполне опре­деленные материальные основы — химические эле менты-органоге­ны и в первую очередь углерод, так как именно он лежит в основе жизни. Этот элемент обладает рядом свойств, делающих его неза­менимым для образования живых систем. Углерод способен образо­вывать разнообразные органические соединения, число которых достигает нескольких десятков миллионов. Среди них — насыщен­ные водой, подвижные, низкоэлектропроводные, скрученные в це­пи структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азо­том, фосфором, серой и железом обладают хорошими каталитиче­скими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами.

Наряду с углеродом к «кирпичикам» живого относятся кисло­род, водород и азот. Ведь живая клетка состоит на 70% из кислоро­да, углерода в ней — 17%, водорода — 10%, азота — 3%. Элементы-органогены принадлежат к наиболее устойчивым и распространен­ным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным ве­сом. Их соединения легко растворяются в воде. Эти элементы, оче­видно, поступили на Землю вместе с космической пылью, которая стала материалом для «строительства* планет Солнечной системы. Еще на стадии формирования планет возникли углеводороды, со­единения азота, в первичных атмосферах планет было много мета­на, аммиака, водяного пара и водорода. Они, в свою очередь, стали сырьем для получения сложных органических веществ, входящих в состав белков и нуклеиновых кислот (аминокислот и нуклеотидов).

Огромную роль в появлении и функционировании живых орга­низмов играет вода, ведь они на 90% состоят из воды. Поэтому во-Да является не только средой, но и обязательным участником всех биохимических процессов. Вода обеспечивает метаболизм клетки и

261

терморегуляцию организмов. Кроме того, водная среда как уни-5 кальная по своим упругим свойствам структура позиоляег всем опре-' леляюшим жизнь молекулам реаниювать свою пространственную ор-шнизацию. Поэтому жизнь шродилась и воде, но даже выйди ш моря на сушу, она сохранила внутри живой клетки океаническую среду.

Наша планета богата водой и расположена на таком расстоянии от Солнца, что необходимая для жизни основная масса воды находится в жидком, а не в твердом или газообразном состоянии, как на других планетах. На Земле поддерживается оптимальная темле- ратура дня существования жизни, основанной на углероде.

Какой была древнейшая жизнь?

Наши знания о ранее живших организмах невелики. Ведь мил­лиарды особей, представлявших самые разные виды, исчезли, не оставив после себя никаких следов. По оценкам некоторых палеон­тологов, в ископаемом состоянии до нас дошли останки только 0,01% всех видов живых организмов, населявших Землю. Среди них — только те организмы, которые могли сохранить структуру своих форм путем замещения или в результате сохранности отпечатков. Все прочие виды до нас просто не дошли, и о них мы не сможе^ узнать ничего и никогда.

Долгое время считалось, что возраст древнейших отпечатков живых ор!анизмов, к которым относятся трилобиты и другие высо коорганизованпые водные организмы, составляе! 570 млн. лет. Позже были найдены следы намного более древних оринизмов — минерализовавшихся нитчатых и округлых микроорганизмов при мерно десятка различных видов, напоминающих простейших ба терий и микрокоде рос лей. Возраст этих останков, найденных в кре нистых пластах Западной Австралии, был оценен в 3,2—3,5 млрд. л Эти организмы, видимо, имели сложную внутреннюю структуру, них присутствовали химические элементы, соединения ко были способны участвовать в процессе фотосинтеза. Данные низмы бесконечно сложны по сравнению с самым сложным из из всстных органических соединений абиогенного происхождение Нет сомнений, что это не самые ранние формы жизни и что суще ствовали их более древние предшественники.

Таким образом, истоки жизни на Земле уходят в тот «темный» первый миллиард лет существования нашей планеты, который не оставил следа в ее геологической летописи. Данную точку зрения подтверждает и гот факт, что известный биогеохимическнй цикл углерода, связанный с фотосинтезом, в биосфере стабилизировался более 3,8 млрд. лет назад. Это позволяет считать, что фотоавто-трофная биосфера существовала на нашей планете не менее 4 млрд-

262

лет назад. Однако по данным цитологии и молекулярной биологии, фотоавтотрофные организмы были вторичными в процессе эволю­ции живого вещества. Автотрофному способу питания живых орга­низмов должен был предшествовать гетеротрофный способ как бо­лее простой. Автотрофные организмы, строящие свое тело за счет неорганических минеральных веществ, имеют более позднее проис­хождение. Об этом свидетельствуют следующие факты:

все современные организмы обладают системами, приспособ­ленными к использованию готовых органических веществ как исходного строительного материала для процессов биосинтеза; преобладающее число видов организмов в современной био­сфере Земли может существовать только при постоянном снабжении готовыми органическими веществами; у гетеротрофных организмов не встречается никаких призна­ков или рудиментарных остатков тех специфических фер-ч ментных комплексов и биохимических реакций, которые ха-••' рактерны для автотрофного способа питания.

. Таким образом, можно сделать вывод о первичности гетеро­трофного способа питания. Древнейшая жизнь, вероятно, сущест­вовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу и энергию за счет органического материала абиогенного происхожде­ния, обраювавшегосн еще раньше, на космической стадии эволю­ции Земли. Следовательно, начало жизни как таковой отодвигается еще дальше, за пределы каменной легацией земной коры, более чем на 4 млрд. лет назад.

Говоря о древнейших организмах на Земле, также следует отме­тить, что по типу своего строения они были прокариотами, воз­никшими вскоре после появления археклетки. В отличие от эука-риотов они не имели оформленного ядра, и ДНК располагалась в клетке свободно, не отделяясь от цитоплазмы ядерной мембраной. Различия между прокариотами и эукариотами гораздо глубже, чем между высшими растениями и высшими животными: и те и другие относятся к эукариотам. Представители прокариогов живут и сего­дня. Это бактерии и сине-зеленые водоросли. Очевидно, первые организмы, жившие в очень жестких условиях первоначальной Земли, были похожи на них.

Ученые также не сомневаются в том, что древнейшие организ­мы, населявшие Землю, были анаэробами, получавшими необходи­мую им энергию за счет дрожжевого брожения. Большая часть со­временных организмов являются аэробными и используют кисло­родное дыхание (окислительные процессы) как способ получения энергии.

Таким образом, прав был В.И. Вернадский, предположивший, нь сразу возникла в виде примитивной биосферы. Только

263

видов живых организмов могло обеспечить выполне­ние всех функций живого вещества в биосфере. Ведь жизнь являет­ся мощнейшей геологической силой, вполне сравнимой как по энергетическим затратам, так и по внешним эффектам с такими геологическими процессами, как горообразование, извержение вул­канов, землетрясения и т.д. Жизнь не просто существует в окру­жающей ее среде, но активно эту среду формирует, преобразуя ее «под себя». Не следует забывать, что весь лик современной Земли, все ее ландшафты, осадочные и метаморфические породы (граниты, гнейсы, образовавшиеся из осадочных пород), запасы полезных ис­копаемых, современная атмосфера являются результатом действия живого вещества.

Эти данные позволили Вернадскому утверждать, что с самого начала существования биосферы входящая в нее жизнь должна бы­ла быть уже сложным телом, а не однородным веществом, так как биогеохимические функции жизни в силу своего разнообразия и сложности не могут быть связаны только с какой-то одной формой жизни. Таким образом, первичная биосфера изначально была пред­ставлена богатым функциональным разнообразием. Поскольку ор­ганизмы проявляются не единично, а в массовом эффекте, то пер­вое появление жизни должно было произойти не в виде какого-то одного вида организмов, а в их совокупности. Иными словами, сра­зу должны были появиться первичные биоценозы. Состояли они из простейших одноклеточных организмов, так как все без исклю­чения функции живого вещества в биосфере могут быть выполне­ны ими.

И, наконец, следует сказать, что первичные организмы и био­сфера могли существовать только в воде. Выше мы уже говорили, что все организмы нашей планеты теснейшим образом связаны с водой. Именно связанная вода, не теряющая своих основных свойств, является их важнейшим составным компонентом и состав­ляет 60—99,7% веса.

Именно в водах первичного океана образовался «первичный бульон». Ведь морская вода сама по себе представляет естественный раствор, содержащий все известные химические элементы. В ней образовались вначале простые, а затем и сложные органические соединения, среди которых были аминокислоты и нуклеотиды. В этом «первичном бульоне» и произошел скачок, давший начало жизни на Земле. Немаловажное значение для появления и даль­ нейшего развития жизни имела радиоактивность воды, которая то­ гда была в 20—30 раз большей, чем сейчас. Хотя первичные орга­ низмы были намного устойчивее к радиации, чем современные, мутации в те времена происходили намного чаще, поэтому естест венный отбор шел интенсивнее, чем в наши дни.

264

Кроме того, не следует забывать о том, что первичная атмосфе­ра Земли не содержала свободного кислорода, поэтому в ней отсут­ствовал озоновый экран, защищающий нашу планету от ультрафио­летовой радиации Солнца и жесткого космического излучения. В силу этих причин на суше жизнь просто не могла возникнуть, жизнь возникла в первичном океане, воды которого служили доста­точным препятствием для этих лучей.

Итак, подводя итоги, следует отметить, что первичные организ­мы, возникшие на Земле более 4 млрд. лет назад, обладали сле­дующими свойствами:

• они были гетеротрофными организмами, т.е. питались гото­выми органическими соединениями, накопленными на этапе космической эволюции Земли;

они были прокариотами — организмами, лишенными оформ-'| ленного ядра;

• они были анаэробными организмами, использующими в каче-:•> стве источника энергии дрожжевое брожение;

• они появились в виде первичной биосферы, состоящей из

• биоценозов, включающих различные виды одноклеточных ор­ганизмов;

они появились и долгое время существовали только в водах первичного океана.

Начало жизни на Земле

Поскольку жизнь неразрывно связана со средой своего обита­нии, то начало жизни следует изучать в тесной связи с теми косми­ческими и геологическими процессами, в ходе которых образова­лась и развивалась наша планета.

Завершение этапа космической эволюции Земли, в ходе кото­рой она сложилась из планетезималий, произошло около 4,5 млрд. лет назад. После этого наша планета стала постепенно остывать и начала формироваться земная кора, а также атмосфера и гидросфе­ра за счет дегазации лав, выплавлявшихся из верхней мантии при интенсивном вулканизме. Мы имеем все основания полагать, что при этом на поверхность Земли поступали, прежде всего, пары во­ды и газообразные соединения углерода, серы и азота.

Первичная атмосфера Земли была очень тонкой, разреженной, атмосферное давление у поверхности не превышало 10 мм ртутного столба. Состав первичной атмосферы формировался из тех газов, которые выбрасывались при извержении вулканов. Это подтвержда­ет анализ пузырьков газа, обнаруженных в протоархейских породах (60% — углекислота, 40% — соединения серы, аммиака, метана, другие окислы углерода, а также пары воды). Первичная атмосфера

265

не содержала свободного кислорода, поскольку его не содержал» вулканические газы.

Воды первичного океана имели примерно такой же состав, как сегодня, но в них, как и в атмосфере, отсутствовал свободный кислород. Таким образом, свободный кислород, а значит, и химический состав современный атмосферы, как и свободный кислород, океанов Земли, не были первоначально заданы при рождении нашей планеты как небесного тела, а являются результатом жизнедеятельности первых живых организмов, составивших первичную био­сферу Земли.

Под действием солнечных и космических лучей, проникавших' через разреженную атмосферу, происходила ее ионизация, превра-' щавшая атмосферу в холодную плазму. Поэтому атмосфера ранней; Земли была насыщена электричеством, в ней вспыхивали частые разряды. В таких условиях шел быстрый одновременный синтез | разнообразных органических соединений, в том числе и весьма сложных. Эти соединения, как и те, что попали на Землю в уже | готовом виде из космоса, представляли собой подходящее сырье, из которого на следующей стадии эволюции могли образоваться ами­нокислоты и нуклеотиды.

Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектоническую активность, заработали вулканы, выделявшие огромное количество Вулканических газов. Это уплотнило атмосферу, отодвинув границу ионизации в ее верхние слои. При этом процесс образования орга- ! нических соединений продолжался.

Частые грозы с длительными ливнями приносили образовав- '| шиеся органические вещества в водоемы, покрывавшие нашу пла­нету, добавляя их к тем, что уже были растворены в водах первич-_;; ного океана. Таким образом, оказались накоплены большие запасы, I органического сырья. По некоторым подсчетам, его масса оценива-л ется в 10¹⁶ кг, что всего на 2—3 порядка меньше массы современ-г.| ной биосферы. Согласно расчетам, растворение органических ве-¹ ществ в водах океана дало раствор, концентрация которого составляла

После того, как углеродистые соединения образовали впервич-ный бульон», уже могли организовываться биополимеры — амино-а кислоты и нуклеотиды, «кирпичики» белков и нуклеиновых кислот Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например на глине или гидроокиси железа, образующих ил водоемов. Кроме того, органические щества могли образовывать на поверхности океана тонкую пленку которую ветер волны гнали к берегу, ЧДО она собиралась в Сгые слои. В химии известен также процесс объединения родственнеых молекул в разбавленных растворах.

266

Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органиче­ских веществ и появлением протобионта — молекулы РНК в ре* зультате скачка, приведшего к образованию живого из неживого. Протобионты представляли собой системы органических веществ, покрытые оболочкой и способные взаимодействовать с окружаю­щей средой, т.е. расти и развиваться за счет поглощения из окру­жающей среды богатых энергией веществ. Кроме того, протобион-пы обладали способностью к размножению, передавая полезные признаки своим потомкам.

К сожалению, механизм перехода от сложных органических ве­ществ к простым живым организмам наукой пока не установлен. Тео­рия биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соот­ветствии с ней между первичными сгустками органических веществ (коацерватов) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей данным сгусткам стабильность. Именно с появлени­ем мембраны можно говорить о рождении клетки — основной структ­урной единицы жизни, способной к росту и размножений.