Глава 5

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ. ПЕРВЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА

Вопрос о происхождении жизни относится к главной проблеме, интересующей людей на про­тяжении последних столетий. Исследователи, стоящие на научных позициях, должны, прежде все­го, решить вопрос: возможно ли зарождение жизни на Земле естественным путем, или жизнь за-, несена на Землю из космоса.

Живое вещество состоит из органических молекул, весьма разнообразных и сложных, благо­даря способности углерода образовывать крупные полимерные цепочки, кольца, присоединяя ато­мы других элементов, главные из которых водород, кислород, азот, фосфор. Органические моле­кулы составляют нуклеиновые кислоты, белки, жиры, углеводы и другие соединения, из которых построены живые организмы. Все они являются звеньями пищевой цепочки, другими словами, каждый организм пригоден для пищи какому-либо другому. Это свидетельство в пользу общности происхождения всех разнообразных проявлений жизни.

По мнению академика А.И.Опарина, важнейшим свойством живых организмов является упо­рядоченный обмен веществ. Кроме этого, живые существа должны обладать механизмом переда­чи наследственных признаков и воспроизведения себе подобных.

Особенностью живого вещества является его дискретность, выражающаяся на разных уров­нях в виде организма, популяции, вида и т.д. Надорганизменные образования гораздо устойчивее, чем отдельные организмы, хотя количество организмов, их обновление прямым образом влияет на эту устойчивость. Размножение организмов должно обеспечиваться сохранением информации ее передачей из поколения в поколение.

Учитывая весьма небольшой набор элементов, из которых состоят органические ..молекулы, можно с уверенностью заключить, что строительного материала в первичной атмосфере и гидро­сфере было вполне достаточно. Это водяные пары, СО₂, СО, H₂S, NH₃, CH₄, карбиды и другие рас­пространенные соединения. В процессе экспериментов по моделированию процессов биогенеза ("биопоэза" по Дж.Берналу) было сделано открытие, заключающееся в том, что хаотические со­единения элементов вполне могли привести к синтезу органических молекул, но лишь при усло­вии Воздействия жесткого ультрафиолетового космического излучения в качестве источника энер­гии.. Это может вызвать недоумение, ведь известно, что ультрафиолетовые лучи губительны для всего живого. Но на стадии, когда живое вещество только создавалось, энергия ультрафиолета была непременным условием этого процесса. Первые настоящие живые организмы вынуждены были спрятаться в воде от жестких ультрафиолетовых лучей, свободно достигавших земной по­верхности в условиях бескислородной атмосферы.

Многочисленные эксперименты, моделирующие процесс образования "органических" моле­кул в результате неорганических процессов в условиях первичной бескислородной атмосферы, показали, что это не только возможно, но осуществимо многими способами. Такие процессы были не единичными и случайными, но весьма типичными в тех условиях, подобно образованию капель дождя, кристаллов солей и т.п. Эксперименты показали также (Руттен, 1973, и др.), что вполне воз­можным без участия организмов был и последующий процесс - формирование из этих первичных "органических" молекул различных полимеров: полипептидов, нуклеиновых кислот и далее белков, i

Следующий шаг - объединение первичных молекул в более крупные частицы и их обособле­ние - коацерватные капли. Этот процесс был назван коацервацией (Бунгенберг де Ионг). Коацерва-

ция, по-видимому, происходила при вспенивании с участием поляризованных молекул. Коацерват-ные капли обязательно должны были обособиться с помощью мембран, позволяющих сохранять ' отличные от окружающей среды состав и энергетический уровень. Мембраны были полупроница- " емыми, обеспечивая обмен веществ с окружающей средой —метаболизм. Поглощение пищи и ды­хание обеспечивали организм необходимыми материалами и энергией. Наконец, для продолжения жизни требуется воспроизведение себе подобных с передачей им наследственной информации. Воспроизведение (редупликация) осуществляется по "инструкции", заложенной в полимерных це­почках нуклеиновых кислот, хотя происходили и мутации, позволившие приобретать новые свой­ства и приведшие к поразительному разнообразию жизненных форм. По мере приобретения всех этих свойств из коацерватных капель, взвешенных в "первичном бульоне", возникли живые орга- . низмы. После накопления достаточного количества кислорода смог возникнуть процесс дыхания и кроме бескислородных (анаэробных) появились кислородные (аэробные) формы жизни.

Переход от бескислородной к кислородной атмосфере начался около 1,8 млрд. лет назад, но только к концу силура (~420 млн. лет назад) кислорода в атмосфере стало достаточно много, чтобы надежно защищать поверхность Земли от губительного для жизни ультрафиолетового излучения.

Первоначально живые клетки не имели ядра (прокариоты); позднее от них произошли клет­ки с более сложной организацией, имеющие ядро (эукариоты).

Первые организмы были гетеротрофными, то есть могли использовать для питания только органические вещества. Автотрофные организмы, которые могли потреблять неорганические ве­щества, сформировались позднее, с появлением такого энергетически выгодного процесса, как -фотосинтез. Среди микроорганизмов выделяются фототрофные, использующие солнечную энер-рию, и хемотрофные, пользующиеся энергией химических реакций.

Лишь с появлением настоящих живых организмов начался этап развития жизни, который можно зафиксировать находками фоссилий, то есть с использованием палеонтологического метода. { Искать следы древней жизни надежнее на территории щитов. Породы докембрия обычно глубоко метаморфизованы, что почти не оставляет шансов на успех. Однако на некоторых фрагментах щитов породы удивительным образом избежали сильного метаморфизма. Например, надсерия Свазиленд (возраст 3,2 млрд. лет) на юге Африки, некоторые районы Канадского щита (2,7 млрд. лет) и др. j Древнейшие свидетельства жизни - это молекулярные ископаемые, то есть фрагменты круп­ных органических молекул, входивших когда-то в состав организма. Конечно, невозможно опреде­лить их принадлежность, они отражают сам факт наличия жизни. К таким ископаемым могут, в частности, принадле­жать углистые микроструктуры.

Рис. 34. Древнейшие прокариоты - циано­бионты (сине-зеленые водоросли) - в виде шариков и нитей (увеличено). (По Б.А.Кел­леру, 1948)

| Древнейшими организмами, очевидно, были предста­вители прокариот - бактерии, а также цианобионты, или, как их иногда продолжают называть по старинке, сине-зеле­ные водоросли, хотя это не водоросли и вообще не растения (рис. 34). С растениями цианобионтов сближает наличие хлорофилла. Именно эти организмы впервые начали выде­лять кислород в процессе фотосинтеза. Бактерии и циано­бионты - важнейшие организмы докембрия, имеющие зна­чение для анализа первых этапов развития органического мира. С их жизнедеятельностью связаны формирование кислородной атмосферы, общий круговорот углерода, на­копление карбонатных и железорудных формаций (джеспи­литов), пирита, серы, фосфоритов и др. Фоссилизирован-ные остатки бактерий обнаружены в кремнистых породах возраста 3,5 млрд. лет, проблематичные находки имеют воз-

раст Около 3,8 млрд. лет. Примерно такими же возрастными отметками датируются находки циа-нобионтов.

Слизистые нити цианобионтов не могли сохраниться в ископаемом состоянии, однако нахо­дят карбонатные пластинки - следы их жизнедеятельности, - которые называются строматоли­тами. Они бывают пластовой, желваковидной, столбчатой формы. Другая разновидность - ото­литы - представлена небольшими сферическими концентрически-скорлуповатыми образования­ми, возникшими, к примеру, путем обрастания песчинки или небольшого камешка, тогда как стро­матолиты сплошь покрывали какую-либо поверхность. Корочки строматолитов, нарастая друг на друга, формировали карбонатные толщи мощностью сотни метров. Кроме этих двух форм встре­чаются катаграфии - неслоистые узорчатые образования, состоящие из слипшихся комочков.

Первые древнейшие настоящие ископаемые были найдены в формации Ганфлинт на Канадс­ком щите (Онтарио) возраста около 2 млрд. лет. Там были встречены микроостатки разнообразной формы - нитчатые, округлые, с внутренними перегородками. Это свидетельство уже довольно вы­сокой организации жизни.

Остатки микроорганизмов, состоящих из преобразованного фоссилизацией органического кисло­тоустойчивого вещества, округлой формы, сплющенные либо объемные, размером 3-30 мкм - это мик-рофитофоссилии, которые еще называют акритархами. Они являются, скорее всего, остаткам^ од­ноклеточных водорослей. Особенно много их в отложениях позднего докембрия, начиная со сред­него рифея (1400 млн. лет). Примерно в это же время появились многоклеточные водоросли и гри­бы. Приблизительно на рубеже среднего и позднего рифея (1 млрд. лет) - первые многоклеточные животные (рис. 35). Возможно, одновременно с ними появились известковые водоросли.

Рис. 35. Общая стратиграфическая шкала докембрия России и развитие органического мира. Границы геохроноло­гических подразделений даны по датировкам региональных подразделений докембрия России (по Б.С.Соколову, 1977, с изменениями авторов)

Есть все основания полагать, что к венду (~670-680 млн. лет назад) жизнь в море существова­ла в достаточно высокоорганизованных формах и была распространена повсеместно. Находки вендских ископаемых чрезвычайно редки, но не потому, что их было мало, а из-за отсутствия у них скелета или панциря. Ископаемые беспозвоночные вендского возраста впервые были найдены в Южной Австралии, в хр.Флиндерс близ Эдиакары, бассейн Аделаида (рис. 36). Затем подобные

находки были сделаны и на других платформах, в том числе и в России, на берегу Белого моря. Эти удивительные ископаемые были изучены и реконструированы русскими учеными Б.С.Соко­ловым и М.А.Федонкиным. Большая часть организмов представлена кишечнополостными, а так­же кольчатыми червями и членистоногими; присутствуют также формы неясного систематическо­го положения, в частности петалонамы и др. Многие из них имеют весьма крупные размеры. Рас­тения, по-видимому, представлены низшими формами - водорослями, фитопланктоном. Даже по­добные редкие находки свидетельствуют о существовании значительно развитой, разнообразной вендской биоты, которая была бесскелетной и поэтому плохо сохранилась.

Лишь в начале кембрия многие группы животных приобрели способность выделять твердые раковины, панцири, скелеты и т.д., которые сохранялись в ископаемом состоянии гораздо лучше, чем мягкие ткани животных. Причины этого явления не понятны до конца; возможно, такая спо­собность была связана с временным снижением содержания углекислого газа в атмосфере.

Рис. 36. Реконструкция фауны Эдиакары (венд, Южная Австралия),

сделанная М. Глесснером и М. Уэйдом (Glaessner, Wade, 1966)

Кишечнополостные: / - Ediacaria flindersi, 2 - Beltanella gilesi, 3 - Medusinites asteroides, 4 - Mawsonites spriggi, 5 - Cyclomedusa davidi, 6 - C. plana, 7 - Conomedusites lobatus, 8 - Rangea longa, 9 - Arborea arborea, 10 - Pteridinium simplex, кольчатые черви: 11 - Spriggina flounderi, 12 - Dickinsonia costata, 13 -D. elongata, 14 - D. tenuis, членистоногие: 15 - Parvancorina minchami, 16 - Praecambridium sigillum, другие организмы: 17 - Tribrachidium heraldicum, 18 - шарообразные студенистые тела

В свете всего изложенного выше об особенностях развития жизни на Земле становится по­нятным смысл используемого иногда термина криптозой (греч. криптос - скрытый, тайный; зоэ - жизнь) - "время скрытой жизни", - который был предложен А.Чедвиком в 1950 г. как синоним докембрия в противовес его же термину (1930) фанерозой (греч. фанерос - явный, зоэ - жизнь), т.е. "время явной жизни". Фанерозойский эон объединяет палеозойскую, мезозойскую и кайно­зойскую эры (греч. палеос - древний, мезос - средний, кайнос - новый, зоэ - жизнь). В последние годы криптозойский эон заменили двумя акронами: архейским или археозойским (греч. архэос древний, зоэ - жизнь) и протерозойским (греч. протерос - первичный, зоэ - жизнь). Видно, что в основу названий всех крупнейших геохронологических подразделений положен единый принцип, основанный на оценке эволюции органического мира.