Возникновение и развитие жизни на Земле - Георгий Войткевич

Поскольку фотосинтез приводит к выделению свободного кислорода, естественно, что следы древней биосферы должны отражать процессы окисления, определяемые этим элементом. Действительно, в разрезе Исуа обнаружены широко распространенные в докембрии полосчатые железистые кварциты. Они относятся к окисной фации железорудных формаций и реально отражают наличие свободного кислорода. Однако собственно свободного кислорода в атмосфере Земли было еще очень мало, поскольку он в больших количествах расходовался в биосфере на окисление многих веществ, включая вулканические газы (СО, H2S, S2, SO2) и все формы двухвалентного железа. Вообще количество свободного кислорода в атмосфере раннего докембрия было результатом борьбы двух противоположных тенденций — биологической продуктивности и неорганического поглощения. Присутствие огромного количества неокисленных веществ в гипергенной зоне докембрия приводило к прогрессивному поглощению свободного кислорода наряду с окислением вулканогенных газов.

Большая древность геологического разреза Исуа заинтересовала многих исследователей. По последним данным, в графитовых включениях древних пород обнаружены бензиноподобные и нафтеноподобные соединения при изотопном отношении 12С/13С, соответствующем углероду фотосинтетического (биологического) происхождения. По данным Г. Пфлюга, в кварцитах из Исуа обнаружены образования из других докембрийских пород более молодого геологического возраста. Однако собственно биологическая природа этих образований пока еще не доказана. Их внутренние части заполнены гидрооксидами железа.

Таким образом, по данным геохимических исследований древнейших гарных пород можно сделать вывод о том, что эволюционный уровень фотоавтотрофной жизни бил достигнут 4,55—4 млрд лет назад.

Рис. 7. Основные ступени эволюции вещества

Изучение разреза горных пород в районе Исуа позволяет считать, что фотоавтотрофная биосфера существовала на нашей планете не менее 4 млрд лет назад. Однако, но всем данным цитологии и молекулярной биологии, фотоавтотрофные организмы были вторичными в процессе эволюции живого вещества. На рис. 7 показаны основные ступени эволюции вещества (образование первых клеток, а затем и фотосинтезирующих организмов). Автотрофному способу питания живых организмов должен был предшествовать гетеротрофный, как более простой. Автотрофные организмы, строящие свое тело за счет неорганических минеральных веществ, имеют более позднее происхождение. Еще видный советский биолог А. А. Заварзин (1886—1945) отмечал, что сравнительное изучение энергетических процессов в современных организмах позволяет заключить, что окислительные процессы (дыхание) имеют вторичное происхождение. Первыми процессами, освобождающими энергию в первоначальном живом веществе, были процессы, связанные с молекулярными перестройками, аналогичные процессам брожения. Отсюда следует, что вначале должны были возникнуть организмы гетеротрофные с интрамолекулярным дыханием, не требовавшим свободного кислорода. По всей вероятности, только после сложной эволюции определенной длительности появились автотрофные существа, использующие солнечную радиацию для усвоения СО2 и Н2О.

Таким образом, та организация живого вещества, на основе которой зародились современные клетки, уже значительно продвинулась вперед, прежде чем появились автотрофные существа. В общем представляется несомненным, что автотрофное питание требует гораздо более сложной организации, чем гетеротрофный обмен веществ.

Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве гетеротрофных бактерий, получивших пищу и энергию от органического материала абиогенного происхождения, образовавшегося еще раньше. Отсюда нетрудно себе представить, что начало жизни как таковой отодвигается еще дальше, за пределы каменной летописи земной коры, т.е. более чем на 4 млрд лет назад.

Учитывая вышеизложенное, нетрудно прийти к общему заключению о том, что жизнь на Земле существует примерно столько же времени, сколько существует и сама планета. Это заключение, основанное на новом научном материале, следует считать эмпирическим обобщением. Оно согласуется с представлениями В. И. Вернадского, который более 50 лет назад писал: «Для нашей планеты эмпирически установлено существование жизни в самых древних доступных отложениях, нам на нашей планете известных. С другой стороны, нигде не нашли мы в биосфере горных пород, которые указывали бы на их образование в течение времени в отсутствие живого вещества. Даже массивные породы, как вулканические, так и плутонические, носят в себе несомненные следы существования живого вещества в условиях их образования.

И правильно, как следствие этого эмпирического вывода, в последнее время введено американскими геологами представление криптозойского зона, т.е. скрытножизненного, отвечающего самым древним по возрасту и самым длительным по времени периодам геологической истории нашей планеты. Эмпирически, таким образом, мы не нашли указаний на время, когда живого вещества на нашей планете не было. Жизнь на ней геологически вечна» [Вернадский,1965,с.152].

Длительность эволюции крупнейших групп организмов представлена на рис. 8. По мнению советского микробиолога Г. А. Заварзина [1984], данные а времени появления древнейших прокариот позволяют считать, что жизнь возникла не в земных пределах, а в космосе. Таким образом, на современном этапе наших знаний выясняется, что проблема происхождения жизни становится также проблемой космохимической, а не только биологической и биохимической.

В свете новых данных неизбежно следует вывод о весьма раннем зарождении жизни в пределах Солнечной системы. Химическая эволюция как существенная предпосылка эволюции биологической началась еще в космических условиях до образования Земли. Отсюда перед нами встает задача — установить способ возникновения ближайших предшественников жизни в процессе формирования самой Солнечной системы.

Органические соединения в космосе

Я удивляюсь только, что этот невероятно сложный механизм еще вообще работает. Когда думаешь о Жизни, становится ясно, как жалка и примитивна наша наука. Очевидно, что свойства живого существа предопределяются оплодотворенной клеткой, так и жизнь предопределена существованием атома, и таинство всего сущего заключается в самой низшей ступени,

Взаимоотношение зародышей жизни и ее предшественников — сложных соединений углерода — представляет собой первостепенную научную задачу. Первые опыты Л. Пастера, поставленные во второй половине XIX в., показали невозможность в современных условиях Земли зарождения жизни — простейших живых организмов. Это в какой-то мере привело к возникновению идей панспермии[1], согласно которым жизнь на Земле вообще никогда не зарождалась, а была занесена из космического пространства, где она существовала в виде зародышей. Наиболее характерными сторонниками этих представлений выступили Г. Гельмгольц и С. Аррениус, хотя ранее подобные идеи высказывались Ю. Либихом. По С. Аррениусу, частицы живого вещества — споры или бактерии, осевшие на микрочастицах космической пыли, силой светового давления переносятся с одной планеты на другую, сохраняя свою жизнеспособность. При попадании спор на планету с подходящими условиями для жизни они прорастают и дают начало биологической эволюции.

В несколько иных формах эти представления возрождаются в наше время. Например, Ф. Хойл выдвинул идею о возможности существования микроорганизмов в межзвездном пространстве. Согласно его представлениям, облака космической пыли сложены преимущественно бактериями и спорами. Предполагается, что в промежутке времени 4,6-3,8 млрд лет назад на Земле были возможны два события — или зарождение жизни на самой планете, или привнес микроорганизмов из космического пространства. Ф. Хойл и С. Викрамасинг в 1981 г. допустили, что последнее более вероятно. Согласно их расчетам, ежегодно в верхнюю атмосферу Земли поступает 1018 космических спор, как остаток твердого материала, рассеянного в Солнечной системе. Таким образом, кометы являются переносчиками зародышей жизни, которые образовались ранее в межзвездном пространстве и лишь затем попали в облако Оорта.

Следует отметить крайнюю фантастичность высказанных представлений, которые не согласуются с известными экспериментальными данными. Однако несомненно, что жизнь связана с космосом по атомному составу и в энергетическом отношении. Это можно видеть из табл. 6, в которой даны величины относительного распространения элементов в космосе, в летучей фракции комет, в бактериях и млекопитающих. Обращает на себя внимание большая близость, а в отдельных случаях и тождественность космического вещества и живого вещества Земли. Главные элементы живого вещества — это широко распространенные элементы космоса. При этом Н, С, N, О — типичные биофильные элементы — наиболее широко распространены в природе.