Земля и жизнь - Александр Вологдин

Первыми возникли скорее всего автотрофы, так как их структура проще, а энергетический эффект, даже у современных их представителей, значительно ниже, чем у гетеротрофов. Формы типа гнилостных бактерий тогда отсутствовали, что прекрасно доказывается относительно высокой сохранностью даже следов клеточного строения у многих ископаемых представителей древнейших водорослей и других организмов. Только появление древнейших животных могло стимулировать развитие групп гетеротрофных - болезнетворных микроорганизмов паразитического, или сапрофитного, характера.

Различные автотрофные микроорганизмы, как известно, способны в природе образовывать разнообразные минеральные вещества. Из аммиака нитрофицирующие бактерии в природе образуют нитраты - соль азотной кислоты. Тионовые (серные) бактерии обладают способностью из элементарной серы производить серную кислоту.

В анаэробных - бескислородных - условиях некоторые автотрофные бактерии способны восстанавливать сульфаты до сульфидов, используя при этом молекулярный водород. В озерах и реках автотрофные фотосинтезирующие бактерии в анаэробной обстановке могут окислять сероводород до серы, а затем до серной кислоты, при этом могут создаваться местные скопления серы.

Например, в одном небольшом озере в Киренаике ежегодно накапливается около 100 т элементарной соли. Очень интересно, что микроорганизмы предпочтительно накапливают один из изотопов серы - серу-32. Изотопный анализ древних залежей серы, начиная с докембрия, показал повышенное содержание в них этого изотопа. Значит в их образовании сыграли роль микроорганизмы.

Современные автотрофные микроорганизмы осуществляют широкий круг природных процессов, где их "работа" оказывается то полезной для человека (образование месторождений серы тионовыми и серными бактериями), то вредной (разрушение бетона и кирпича при участии тионовых бактерий). Иногда они закупоривают железные трубы отложениями гидрата окиси железа, усиливают или осуществляют целиком коррозию металлических конструкций.

Современные автотрофные микроорганизмы, по данным микробиологов, характеризуются весьма сложным составом ферментов.

Первичные автотрофы не могли походить в этом отношении на их потомков, хотя в общем характер их биогеохимической деятельности остался тем же. Между теми и другими прошел длительный этап биохимического развития. Коренным образом изменилась и сама среда их существования. Следует полагать, что деятельности первичных форм жизни существенно помогала та среда, которая их породила и что ход эволюции организмов является проявлением саморазвития их вещества, с развитием свойств новых, с изменением при этом и требований к среде обитания. Поэтому древнейшие автотрофы должны быть сходны с современными лишь отчасти.

Мы остановились на вопросе об автотрофных микроорганизмах потому, что эти формы жизни наименее требовательны к обстановке. Для них нужна в основном углекислота как ростовый материал и различные минеральные вещества при наличии слабо связанного или свободного кислорода или без него. Древняя среда жизни содержала огромное многообразие необходимых для них закисных минеральных соединений и являлась, таким образом, средоточием доступнейших для организмов источником энергии. Химический процесс преобразования этих закисей поэтому легко и естественно стал биологическим. Энергия геохимических реакций стала энергетической базой жизни.

Данные геологии показывают наличие в древнейших осадочных толщах докембрия скоплений сульфидов в виде пирита, марказита, свинцового блеска и т. д. Нами установлено обильное развитие бактериальных микроструктур у многих кремнисто-железистых сланцев и железных руд, в частности докембрийских. Напрашивается единственно возможный вывод, что древнейшими формами жизни на Земле были по преимуществу именно группы автотрофных бактерий и одноклеточные водоросли. Они играли важную роль не только в преобразовании минеральных веществ, но и в накоплении высокомолекулярных углеродных соединений, затем ставших питательной средой для развития гетеротрофных бактерий и предков других групп организмов.

Геохимические реакции в первичной биосфере Земли шли при несомненном участии фотосинтезирующих бактерий и простейших представителей растительного мира. Клетки этих организмов, развиваясь с помощью поступавшей извне лучистой энергии, должны были располагать зеленым веществом типа хлорофилла и рядом ферментов для удаления продуктов фотосинтеза.

Возникновение хлорофилла в ходе эволюции было закладкой нового типа живого вещества биосферы - всего мира растений.

Мир растений оказался мощным геологическим фактором, способным высвобождать кислород, выделять его в атмосферу и воду, а также накапливать в биосфере органическое вещество, частью захоронявшееся в осадочных отложениях. Искусственное получение в 1961 г. путем синтеза вещества феофорбида, почти соответствующего хлорофиллу, явилось новым достижением в области изучения строения органических веществ и истории их развития.

Наиболее вероятным временем возникновения на Земле процессов синтеза органических веществ с помощью ультрафиолетовых лучей Солнца и электрических разрядов атмосферы был этап перехода от катархея к архейской эре истории нашей планеты. Это было временем возникновения массы первичного живого вещества, чему способствовали вода в жидкой фазе и запас сложных углеродных соединений.

Живое и минеральное вещество

В течение тысячелетий передовые умы человечества бьются над вопросами, что такое материя, каково ее строение. Появление атомистического представления о строении материи, горячим сторонником которого был М. В. Ломоносов, стало важным этапом в развитии знаний. Так, М. В. Ломоносов видел проявление атомного строения вещества в их свойстве нагреваться. Он считал, что теплота - это не что иное, как движение мельчайших частиц тела, а степень нагрева зависит от скорости движения частиц. Открытие и изучение химических элементов показало, что вещества бывают простые и сложные и что имеются возможности разложить одни вещества, получая при этом другие, более простые. Постепенно были открыты химические законы, в частности закон постоянства состава химического соединения, открыто молекулярное строение веществ. При этом доказано, что свойства элементов находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов, от величины атомных весов элементов.

Развитие идей Д. И. Менделеева, открытие ряда новых элементов с предсказанными свойствами, открытие электронной структуры атомов Э. Резерфордом и Н. Бором привели к установлению единой природы всех химических элементов. Затем были вычислены размеры электронов, определен состав ядер, и новая физика научилась превращать одни элементы в другие.

Развитие материалистической мысли и создание К. Марксом и Ф. Энгельсом диалектического материализма привело к идее развития, к идее непрерывного обновления всего существующего. Диалектический материализм считает способность к развитию неотъемлемым свойством материи. Материалистическое миропонимание приводит нас к идее вечной и неизменной первоосновы всех вещей, к идее существования предметов и явлений объективно, т. е. независимо от нашего сознания. В. И. Ленин писал, что материя есть объективная реальность, данная нам во в ощущении. Основной причиной того, что материя действует на чувства, является то, что она находится в движении.

Открытие радия и радиоактивности необычайно обогатило физику и химию, вплотную приблизив человечество к пониманию вещества Земли. Ядерная физика еще развивается на этой основе и не сказала своего последнего слова, тем не менее она привела к учению об изотопах в природе и позволила в содружестве с химией, биохимией и геохимией подойти к пониманию сущности связей между элементами мертвой и живой природы, а также внутри этих двух категорий веществ.

В свете новых взглядов на живое вещество природы основным моментом оказывается понятие об энергетической стороне явлений жизни.

В. И. Вернадский считал, что вся биосфера, во всех ее формах находится в непрерывном движении. Температура свободной тропосферы (нижней, охватываемой жизнью зоны атмосферы Земли) кверху понижается, температура гидросферы понижается книзу, температура литосферы (верхнего слоя земной коры) постепенно повышается с глубиной. В тропосфере азот и кислород находятся в определенном соотношении. Под землей быстро исчезает кислород и существует "кислородная поверхность", ниже которой располагается азотная подземная атмосфера.

Вещество биосферы В. И. Вернадский делил прежде всего на две крупные категории: "живое" вещество (совокупность всех живых организмов), богатое действенной энергией, и "косное", действенная радиоактивная и химическая энергия которого в подавляющей ее массе, в ходе исторического времени, ничтожна. Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы. В. И. Вернадский поэтому считал, что "живое вещество есть самая мощная геологическая сила биосферы, растущая с ходом времени (разрядка моя - А. В.). Оно не случайно и независимо от нее, в ней живет, она есть проявление физико-химической организованности биосферы".