Существование нескольких видов животных, найденных в Австралии, показывает, что в это время дыхание организмов стало уже обычным процессом в биосфере. В свою очередь наличие дыхания предполагает, что в гидросфере, а следовательно, и в атмосфере тогда уже содержался свободный кислород, элемент, отсутствие которого было столь характерным на первых этапах существования Земли. Как мы увидим, источником кислорода мог быть фотосинтез растений, которые существовали, по данным палеонтологии, к этому времени уже в течение двух миллиардов лет или более.
Рис. 28. Реконструкция облика группы древнейших животных, обитавших на мелководье у берегов Австралии
Хотя эти данные скудны, они все же дают нам надежную информацию не только о видах организмов, но также косвенным образом и об изменениях в составе вод океана. Имея в виду эти сведения, можно представить себе состав вод океана на более ранних этапах и реакции, которые протекали в нем в начале и на ранних этапах существования жизни.
Теория происхождения биосферы
В начале этой главы мы говорили, что живое вещество не содержит никаких элементов, которые отсутствовали бы в неорганическом мире Земли. Добавим к этому утверждению, что четыре главных элемента (водород, кислород, азот, углерод), входящие в состав живого вещества, преобладают на Земле. Поэтому живое вещество обычно.
Каким образом эти элементы объединялись, чтобы образовать биосферу? Этого мы еще не знаем. Но мы уже имеем достаточное количество информации, чтобы сузить круг возможностей и делать все более обоснованные предположения. Приводящий в изумление "набор" различных организмов, живущих сейчас, включает всевозможные градации от наиболее высокоорганизованных животных до простейших одноклеточных форм. Но на этом последовательность не кончается, а продолжается дальше вниз до одиночных крупных белковых молекул, представленных, например, различными вирусами, которые существуют то в инертной кристаллической форме, то в подвижном живом состоянии.
Но и сама белковая молекула состоит из более простых частей - соединений углерода, водорода, азота и кислорода, связанных между собой определенным образом и образующих так называемые аминокислоты. Эти кислоты входят в состав любого организма, но можно ли назвать их самих "живыми"? Ученым удалось образовать аминокислоты из соединений, которые предположительно входили в состав первичной атмосферы Земли, - газообразной смеси водорода (Н2), метана (СН4), аммиака (NH3) и водяного пара (Н2О). Эту смесь подвергали сильным электрическим разрядам, а затем конденсировали. В полученной жидкости были обнаружены аминокислоты и другие углеводородные кислоты. В других экспериментах из неорганических составных частей были получены многие компоненты живой материи.
Результаты этих экспериментов приводят нас к выводу о том, что организмы развились путем длительной химической эволюции из неорганического вещества, состоявшего из сочетаний химических элементов и неорганических соединений. Эти соединения, наиболее вероятно, находились в морской воде, которую биологи называют "теплым питательным бульоном", хотя это должен быть довольно жидкий суп. Но так или иначе морская вода была жидкой средой, в которой легче всего могли происходить химические реакции. Вода является растворителем и превосходной средой для реакций органических соединений, которые и сами представляют собой жидкие системы. Более того, атомы углерода обладают исключительной способностью соединяться друг с другом самыми различными способами. Поэтому все эти обстоятельства обеспечивали наиболее благоприятные условия для возникновения в высшей степени разнообразных соединений.
Как мы отмечали в шестой главе, первичная атмосфера и гидросфера (включая упоминавшийся "питательный бульон") не содержали свободного кислорода. Весь кислород существовал только в форме соединений с другими элементами.
Кислород не только необходим для жизнедеятельности животных; в верхних слоях теперешней атмосферы он создает экран, защищающий Землю от ультрафиолетового излучения Солнца, которое в противном случае убило бы все живые организмы (В атмосфере Земли под действием ультрафиолетового излучения Солнца молекулы кислорода (02) превращаются в молекулы озона (О3). Озон, скапливаясь в верхних слоях атмосферы, образует экран, защищающий Землю от ультрафиолетовых лучей. - Прим. ред). Сейчас, мы живем как бы под зонтиком, который образует свободный кислород, а на ранних этапах истории Земли этой защиты не существовало. Поэтому в безжизненном первобытном мире, даже если бы каким-то образом возник какой-нибудь современный организм, он не мог бы выжить, потому что тогда не было этого защитного экрана.
Прежде чем двигаться дальше, следует более внимательно изучить шкалу времени, которой нам предстоит пользоваться. Как мы уже говорили (см. табл. 2), ископаемые остатки, найденные в породах, показывают, что приблизительно 3,2 миллиарда лет назад в море уже существовали как простейшие, так и очень примитивные растения. Так как литосфера образовалась около 4,5 миллиарда лет назад, мы имеем промежуток времени продолжительностью около 1,3 миллиарда лет, в течение которого образовалось и развивалось живое вещество. Этот промежуток времени вдвое длиннее всего фанерозоя, со всей его долгой и сложной историей развития биосферы, что само по себе более чем достаточно. В течение этих 1,3 миллиарда лет в среде, лишенной свободного кислорода, должно было возникнуть и затем развиться до уровня простейших и примитивных растений живое вещество. Рассматривая эти события, мы должны также учитывать, что позднее кислород появился в атмосфере в больших количествах, потому что без этого не могли бы возникнуть животные.
Эти события, последовательность которых может быть названа химической эволюцией, теоретически могут быть объяснены логично, но насколько истинна эта теория - покажет будущее.
Компоненты, необходимые для образования живого вещества, присутствовали в первичном океане, этом органическом "бульоне". Без наличия свободного кислорода ультрафиолетовое излучение Солнца свободно достигало поверхности суши и океана. Это облучение или разряды молний могли создать высокую энергию, необходимую для образования аминокислот, подобно тому, как это наблюдалось в лабораторных экспериментах. Аминокислоты могли объединяться, образуя белковые молекулы, которые, реагируя и легко вступая в соединения, способствовали дальнейшим изменениям, создавая более сложные углеводороды.
Где-то в этой последовательности находится звено, с которого мы могли бы считать начало возникновения жизни. Но какой момент считать началом жизни, зависит от того, как определить жизнь. Возможно, первый живой организм состоял из одной клетки. Возможно, это была очень простая бактерия или что-то напоминающее бактерию. Но что бы это ни было, оно нуждалось в питании. Источником питания для него могли служить молекулы углеводородов, составлявшие ил на дне мелкого моря. От этого способа питания оставался один шаг до усвоения или "поедания" сначала продуктов жизнедеятельности, а затем и мертвых тел таких же организмов. Следующим шагом логично должно было явиться поедание живого органического вещества.
В этой предполагаемой последовательности событий мы видим начало раздела живых организмов на две группы. Одна группа живет, поглощая отходы жизнедеятельности и мертвое вещество других организмов; другая группа, в некотором отношении более сложная, предпочитает питание живыми организмами. Это основное различие, положившее начало отдельным линиям развития, могло привести к разделению на растения и животных, хотя эта идея, видимо, чрезмерно упрощена.
Изменения, имевшие место в ходе этой и других ранних стадий эволюции, лучше всего выражаются в терминах биохимических реакций. Среди наиболее ранних изменений, вероятно, было одно, которое сделало возможной реакцию, получившую название ферментации. В том виде, как мы наблюдаем ее сейчас, ферментация осуществляется примитивными организмами, в том числе некоторыми бактериями, живущими в бескислородной среде. Поскольку эти организмы живут в такой среде, они дают нам ключ к пониманию жизни, которую вели организмы в первичном океане. При ферментации углеводороды расщепляются и перестраиваются, небольшое количество энергии высвобождается в виде тепла, а одним из образующихся продуктов является углекислый газ (рис. 29).
