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 дальнейшего развития жизни имела радиоактивность воды, которая тогда была в 20—30 раз большей, чем сейчас. Хотя первичные организмы были намного устойчивее к радиации, чем современные, мутации в те времена происходили намного чаще, поэтому естественный 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 оформленного ядра;
• они были анаэробными организмами, использующими в качестве 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 обитания, 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 содержали вулканические газы.
Воды первичного океана имели примерно такой же состав, как и 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, превращавшая 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 органических соединений продолжался.
Частые грозы с длительными ливнями приносили образовавшиеся органические вещества в водоемы, покрывавшие нашу планету, добавляя их к тем, что уже были растворены в водах первичного океана. Таким образом, оказались накоплены большие запасы органического сырья. По некоторым подсчетам, его масса оценивается в 1016 кг, что всего на 2—3 порядка меньше массы современной биосферы. Согласно расчетам, растворение органических веществ в водах океана дало раствор, концентрация которого составляла 1%.
После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», уже могли организовываться биополимеры — аминокислоты 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 вещества могли образовывать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.
266
Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ и появлением протобионта — молекулы РНК в результате 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, протобионты 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 размножению.
Как было отмечено выше, жизнь на Земле первоначально появилась в форме примитивной биосферы. Соответственно присутствие жизни на планете стало коренным образом преображать окружающую среду. Ведь два важнейших компонента биосферы — живое вещество и среда их обитания — непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесном органическом единстве, образуя целостную динамическую систему. Развитие биосферы Земли можно рассматривать как последовательную смену трех этапов: восстановительного, слабоокислительного и окислительного.
Восстановительный этап в развитии биосферы
Как считают многие ученые, восстановительный этап развития биосферы начался еще в космических условиях и завершился появлением на Земле гетеротрофной биосферы. На этом этапе развития биосферы появились малые сферические анаэробы и прокариоты. Физиологические процессы этих организмов основывались не на кислородном окислении, а на дрожжевом брожении. Изначально в атмосфере Земли присутствовали лишь следы свободного кислорода. Производство свободного кислорода начали первые организмы. Но количество кислорода было незначительным и пока он приводил лишь к окислительным процессам на земной поверхности и в океане.
267
Поскольку первые организмы были гетеротрофами, они нуждались в питании. Пищей для них стали ранее накопленные органические соединения, растворенные в водах первичного океана, так как первичная биосфера ограничивалась водной средой. Но жизнь нуждалась в дополнительных источниках энергии. Поэтому на ранних стадиях эволюции живые организмы активно использовали различного рода радиацию. По мнению А. И. Перельмана, особенно важную роль играл радиоактивный калий, который поглощался первыми организмами. Потребность в калии впоследствии закрепилась генетически, хотя для более высокоорганизованных форм радиоактивность перестала служить источником энергии.
Продолжительность существования первичной восстановительной биосферы в геологических масштабах была невелика. Причина этого заключалась в том, что первичные гетеротрофные организмы быстро размножались и, естественно, довольно быстро исчерпали свою питательную базу. Поэтому, достигнув максимальной биомассы, они должны были либо вымереть от голода, либо перейти к автотрофному
(фотосинтетическому) способу питания.
Слабоокислительный этап в развитии биосферы
Слабоокислительный этап в развитии биосферы связан с появлением около 4 млрд. лет назад процесса фотосинтеза. Новый способ питания был основан на том, что некоторые простые соединения обладают способностью поглощать свет, если в их составе есть атом магния (как в хлорофилле). Уловленная таким способом световая энергия может быть использована для усиления реакций обмена, в том числе и для образования органических соединений, которые при необходимости могут расщепляться с высвобождением энергии. Именно таким путем происходило образование хлорофилла, приведшее в конечном итоге к появлению фотосинтеза, позволявшего получать энергию непосредственно от Солнца.