Возникновение и развитие жизни на Земле - Георгий Войткевич

В настоящее время принято четкое подразделение организмов на автотрофные и гетеротрофные по способу питания. Однако в ранней биосфере Земли соотношение гетеротрофных и автотрофных организмов было иным. Какое точно, мы еще не знаем. Единственное, что можно допустить, это то, что фотосинтезирующая автотрофная биосфера, отмеченная данными изотопной геохимии 4 млрд лет назад, была образованием вторичным и возникла на основе биосферы иного биогеохимического типа.

Действительно, детальное изучение фотосинтеза показало, что он имеет сложный характер. Этот процесс не мог быть первым в истории живого вещества. Поэтому все гипотезы о первичности автотрофных организмов оказались несостоятельными. В свете современных данных складывается представление о первичности гетеротрофной формы обмена веществ в первичных организмах. В качестве обоснования первичности гетеротрофного питания можно привести следующую аргументацию.

1. Все современные организмы обладают системами, приспособленными к использованию готовых органических веществ как исходного строительного материала для процессов биосинтеза.

2. Преобладающее большинство видов организмов в современной биосфере Земли может существовать только при постоянном снабжении готовыми органическими веществами.

3. У гетеротрофных организмов не встречается никаких признаков или рудиментарных остатков тех специфических ферментных комплексов и биохимических реакций, которые необходимы для автотрофного способа питания. Последний довод наиболее существен. Таким образом, приведенная выше аргументация свидетельствует о вторичности автотрофной фотосинтетической жизни в биосфере на нашей планете.

Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что первичная биосфера нашей планеты, во-первых, ограничивалась водной средой, во-вторых, была насыщена гетеротрофными организмами, которые питались растворенными в воде органическими веществами, ранее возникшими преимущественно в космохимических условиях. Длительность существования подобной биосферы, скорее всего, занимала небольшой отрезок геологического времени.

Первичные гетеротрофные организмы, обладая свойствами живого вещества, быстро размножались и, естественно, быстро исчерпали свою питательную базу. Поэтому, достигнув максимальной биомассы, они должны были вымирать или перейти к автотрофному фотосинтетическому способу питания. Этот новый способ питания способствовал быстрому расселению организмов у поверхности первичных водоемов. Однако первичная поверхность новорожденной Земли, лишенная свободного кислорода, облучалась ультрафиолетовой радиацией Солнца. Поэтому Г. Гаффрон допустил, что первичные фотохимические механизмы, принимавшие участие в последовательном синтезе органических веществ, а позже и живых организмов, первоначально использовали радиацию в ультрафиолетовой области спектра. Только после возникновения озонового экрана в связи с появлением свободного кислорода как побочного продукта того же фотосинтеза автотрофный фотосинтетический процесс начал использовать излучение в видимой части солнечного спектра. По мнению видного советского биолога М. М. Камшилова, жизнь, по всей вероятности, развивалась как круговорот веществ при тесном взаимодействии гетеротрофных и автотрофных организмов. Солнечное излучение было главным энергетическим фактором жизни, и ее возникновение заключалось в установлении круговых обменных процессов с использованием фотонов света.

Первичные гетеротрофные микроорганизмы обитали в древних водоемах лишь некоторое время. Затем их оттеснили фотоавтотрофные организмы, создавшие свободный кислород, который стал настоящим разрушителем для гетеротрофов. Можно полагать, что в раннем океане происходила борьба между первичными и вторичными организмами. В воде, обогащенной сероводородом, было мало свободного кислорода. Он уходил на хемосинтез некоторых организмов и поглощался минеральными недоокисленными веществами океана и первичной литосферы. Борьба за существование шла между фотосинтезирующими организмами планктона в освещенной части моря и организмами, поглощающими кислород при хемосинтезе и разложении органических остатков. Это стало одной из главных причин, определивших количество свободного кислорода в биосфере. Эта борьба завершилась победой фотосинтезирующих автотрофных организмов, которые, по существу, оттеснили анаэробную микрофлору в зону формирования глубоководных илов. В общем эволюция окислительных функций проходила при возрастании окислительно-восстановительного потенциала.

В настоящее время, исходя из некоторых геохимических данных, мы можем качественно реставрировать состав первичной атмосферы и гидросферы как среды для зарождения и развития ранней жизни. Вода и первичные газы атмосферы относятся к летучим веществам нашей планеты, и естественно, что их история связана с единым процессом дегазации первичной мантии. Ряд компонентов, слагающих в настоящее время осадочные горные породы, гидросферу и атмосферу, представляют собой действительно летучие вещества. Если сравнить их количество в составе всего комплекса осадочных пород, гидросферы и атмосферы с тем количеством, которое могло освободиться при выветривании и переработке кристаллических изверженных пород земной коры, то обнаружится большая разница, которую В. Руби предложил именовать избытком летучих.

Избыток летучих — довольно внушительная величина и по отдельным компонентам превышает в десятки и даже сотни раз летучий материал от выветривания коренных изверженных пород литосферы. В избытке летучих паров Н2О в 128 раз, СО2 в 83, a Cl в 60 раз больше, чем это могла бы продуцировать первичная земная кора при ее полном интенсивном разрушении. Состав избытка летучих следующий (в вес. %):

Состав избытка летучих чрезвычайно близок к составу вулканических газов. Наиболее типичные составы газов глубинного и магматического происхождения представлены в табл. 9.

Если даже СО2 в действующих вулканах возник за счет термического разложения карбонатов, то и в этом случае он был заимствован из более ранней атмосферы в процессе образования самых древних карбонатных осадочных пород.

В порядке распространения вулканические газы сложены из Н2О, СО2, N2. При таком составе атмосферы наличие органических соединений и тем более их возникновение термодинамически невыгодно: любые органические соединения, состоящие из H, C, N, О, менее устойчивы, чем перечисленные выше основные компоненты первичной атмосферы.

При формировании первичных атмосферы и океана находящиеся в ранней мантии довольно сложные органические вещества были в тесном контакте с твердыми частицами силикатов, которые в дальнейшем могли играть роль сильных катализаторов в процессе образования все более сложных соединений.

Данные по вулканическим газам указывают вполне определенно, что в ходе извержения выделялся молекулярный азот (N2), но не аммиак; следовательно, аммиак никогда не был главной составной частью земной атмосферы.

Уже отмечалось, что период существования гетеротрофной биосферы был исключительно коротким, поэтому запасы органических веществ в первичных водоемах не могли возобновляться так же, как запасы автотрофных организмов. Правда, можно допустить, что трупы гетеротрофных организмов все же непрерывно пополняли запас питательных органических веществ. Таким образом, существовал баланс между живыми гетеротрофными и их разложившимися остатками.

Из сказанного можно предположить, что источник живого вещества и воды был единым, точнее, единым был источник летучих на Земле и органического вещества. Это были верхние горизонты мантии, возникшей главным образом за счет аккреции первичного вещества типа углистых хондритов. При этом нельзя просто отождествлять материал первичной верхней мантии Земли с материалом углистых хондритов. Речь может идти лишь о близких аналогах, поскольку состав отдельных зон первичной солнечной туманности зависел от гелиоцентрического расстояния.

Первичную атмосферу Земли, с которой так или иначе была связана ранняя жизнь, можно восстановить, сравнив ее с таковой других планет земной группы, таких, как Венера или Марс (табл. 10). С появлением фотосинтеза и свободного кислорода первоначальная атмосфера Земли коренным образом изменилась.

Современный уровень наших знаний позволяет принять в качестве гипотезы положение о том, что химическая эволюция в протопланетной туманности с возрастанием роли каталитических и радиохимических реакции на заключительных стадиях охлаждения могла привести не только к образованию сложных органических соединений, что является реально установленным фактом, но и к возникновению молекул ДНК.