Возникновение и развитие жизни на Земле - Георгий Войткевич

Подобные представления мы встречаем и у других, исследователей. Так, Дж. Бернал в 1968 г. писал, что химическая эволюция могла продолжаться в течение тех 2 млрд лет, которые предшествовали органической эволюции. В весьма интересной монографии голландского ученого М. Руттена «Происхождение жизни (естественным путем)» [1973] было отмечено, что возникновение жизни должно было занять огромный, по нашим меркам, промежуток времени, развитие шло очень медленно, так что это почти невозможно себе представить.

Однако были и другие представления относительно необычайной длительности существования жизни на нашей планете. Они были развиты такими видными учеными нашей страны, как В. И. Вернадский, Л. С. Берг, Л. А. Зенкевич. В частности, в 1947 г. Л. С. Берг писал: «Действительно, вряд ли хватит трех-четырех миллиардов лет для того, чтобы на Земле успела не только зародиться жизнь, но и чтобы она могла дать начало всему тому разнообразию органического мира, какое мы видим в настоящее время. Вспомним, что на эволюцию одного подтипа животных — позвоночных — ушло около полумиллиарда лет. Сколько же потребовалось для образования моллюсков, членистоногих, червей и т.д.? Какой промежуток времени употребила природа, чтобы произвести группу одноклеточных организмов, включающих в себя не только несколько типов, но одновременно животных и растения? Сколько времени нужно было, чтобы из бесформенного комочка живого вещества получил начало первичный оформленный организм?» Л. А. Зенкевич считал, что развитие органического мира должно было продолжаться не менее 10 млрд лет.

Чтобы оценить справедливость вышеприведенных высказываний, следует более подробно ознакомиться о современными данными геологической науки о реальных признаках жизнедеятельности организмов в далеком прошлом нашей планеты. Это тем более необходимо, что за последние 20 лет в этой области достигнуты выдающиеся успехи.

По степени геологической и палеонтологической изученности история земной коры подразделяется на две неравные части. Более молодой интервал времени, охватывающий последние 570 млн лет, относительно хорошо изучен. Американским геологом Ч. Шухертом он назван фанерозойским эоном или фанерозоем (от греч. «фане-рос» — очевидный, четкий, «зое» — жизнь). К фанерозою относятся кайнозойская, мезозойская и палеозойская эры. Вторая, более древняя и продолжительная часть названа криптозойским эоном (период со скрытым развитием жизни). Он охватывает огромный интервал времени — 4600—570 млн лет назад. В большинстве случаев организмы криптозоя не имели твёрдого скелета и оставили довольно скудные следы.

Геологическая и палеонтологическая летописи тесно взаимосвязаны. В осадочных толщах разного возраста встречаются ископаемые остатки животных и растений. Однако ранние стадии развития Земли не фиксированы в каменных документах геологической летописи, так как первичные горные породы уничтожены последующими геологическими процессами, а следы первичных форм организмов — в ходе развития верхних слоев планеты. Академик Б. С. Соколов [1979] отметил, что переход от химической эволюции к эволюции биологической палеонтологи и палеобиохимики никогда не смогут строго документировать, т.е. дать ответ на самый острый вопрос — как и когда возникла жизнь. Тем не менее данные палеонтологии и других наук позволяют приближенно оценить древность жизни.

Признаки существования организмов, живших в прошлом, можно подразделить на морфологические, биохимические и изотопно-геохимические.

Морфологические остатки наиболее очевидны. Они выражаются в естественной мумификации останков, окаменелостях и отпечатках. Хотя естественная мумификация наиболее полно сохраняет организм, тем не менее она встречается редко и характерна для самых молодых геологических формаций.

После гибели организмов часто остаются их скелеты. Однако и мягкие части тела могут перейти в окаменелость. Иногда они состоят из хитина, но значительно чаще из неорганических веществ. При этом различные минеральные вещества, находящиеся в водных растворах, проникают в тело погибшего организма и замещают собой вещества, первоначально составлявшие органические остатки, которые Оказались неустойчивыми. Процессу окаменения (фоссилизации), кроме остатков животных, могут подвергаться также остатки растений, когда их ткани, в частности древесина, замещаются кремнеземом. В иных условиях, при недостатке кислорода, стволы и стебли растений превращаются в уголь, а листья — в углистые пленки. Аналогичным процессам фоссилизации подвергаются и микроорганизмы. Но это происходит в исключительных условиях, когда их остатки захороняются и консервируются в тонкодисперсных осадках либо в коллоидных отложениях кремнезема. Микрофоссилии иногда бывают хорошей сохранности, с четким изображением и находит своих аналогов среди современных микроорганизмов. В то же время следует отметить, что истолкование микроскопических препаратов встречается с трудностями и далеко не всегда однозначно. Микрофоссилии обнаружены в весьма древних отложениях — возрастом до 3,5 млрд лет.

Морфологические остатки дают возможность реставрировать древние формы с максимальной полнотой и проводить их систематику подобно тому, как это делается для современных форм растений и животных.

Биохимические следы существования древних организмов представлены в виде наиболее устойчивых химических соединений в осадочных горных породах земной коры. В целом органическое вещество биологического происхождения широко распространено в различных породах. Его подавляющая часть находится в рассеянном состоянии. Концентрированное органическое вещество в виде углей, горючих сланцев и нефтей составляет в общем небольшую долю по отношению к рассеянному веществу. Если не происходит минерализации остатков растений и их ткани относительно хорошо сохраняются, то совершается процесс обугливания. По некоторым оценкам, отношение рассеянного органического вещества биологического происхождения к концентрированному составляет примерно 300. В состав органического вещества земной коры входят в разной пропорции углеводы, углеводороды, белки, жиры, аминокислоты. В основной своей массе они вскоре превращаются в гумусовое вещество. В целом в горных породах установлено свыше 500 органических соединений.

Аминокислоты в ископаемых органических отложениях отражают былое присутствие белковых тел. Большинство аминокислот имеет только один асимметрично расположенный атом углерода в молекуле, что приводит к образованию двух возможных оптических изомеров — D (правый) и L (левый), вращающих луч проходящего через них света. Аминокислоты биологического происхождения, находимые в земных геологических объектах, представлены L-изомерами. Но в то же время аминокислоты, синтезированные неорганическим путем, представляют собой смеси оптических D- и L-изомеров в равных количествах и поэтому оптически неактивны. Вообще многие органические соединения горных пород разного геологического возраста показывают оптическую активность, что свидетельствует об их биологическом происхождении. Основными источниками этих органических соединений биологического происхождения были растительные остатки, как продукты фотосинтеза, ранее обитавшие в различных зонах древних водоемов в виде фитопланктона.

Изучение органического вещества древних пород не позволяет установить, какие именно виды растений послужили источником их образования. Особенно это относится к самым древним — докембрийским отложениям. Поэтому биохимические следы существования живых организмов на нашей планете могут лишь в целом указывать на присутствие в данной геологической эпохе жизни как таковой. В процессе метаморфизма горных пород часть органического вещества превращается в графит, который встречается в древних докембрийских породах — гнейсах и сланцах — в виде прослойков и включений. Иногда в подобных графитах в небольших количествах встречаются остатки органического вещества. Одним из существенных достижений органической геохимии последних двух десятков лет является установление в наиболее древних осадочных породах углеродистых соединений биогенного происхождения.

Особое место в современной геохимии занимают изотопные методы исследования, позволяющие установить следы жизнедеятельности организмов в самых древних метаморфизованных породах криптозоя. В процессе жизнедеятельности при обмене с внешней средой изменяется изотопный состав биофильных элементов, в частности таких, как сера и углерод, что было предсказано еще В. И. Вернадским. В настоящее время фракционирование изотопов в ходе биогеохимичееких процессов экспериментально установлено.

Измерения изотопного состава серы из раннедокембрийских формаций СССР, Северной Америки и Южной Африки показали фракционирование ее изотопов, выражающееся в колебаниях отношения 32S/34S. Общая закономерность фракционирования изотопов серы в биосфере заключается в том, что содержание более легкого изотопа 32S повышено в сульфидных ее формах (связанных с формированием в водоемах сероводорода H2S) по сравнению с сульфатными ее формами (CaSO4, BaSO4 и др.), в которых относительно повышена пропорция тяжелого изотопа серы 34S. Изотопные смещения серы между сульфидами и сульфатами свидетельствуют о бактериальной сульфатредукции в древних водоемах.