Текст книги "Исчезнувший мир"

Автор книги: Игорь Акимушкин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 15 страниц)

Извечный вопрос: что было раньше – курица или яйцо?

Этой иносказательной формулой определяется самый неясный пока процесс происхождения жизни: воссоединение в единое целое синтезированного из аминокислот белка и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), носителей наследственного кода и организаторов сборки из аминокислот определенного сорта белков. Без ДНК и РНК производство белков в живой клетке невозможно.

Тут вот ведь что получается: РНК действует в двух лицах – как транспортер активизированных предварительно аминокислот и как матрица, которая диктует порядок сборки белка из аминокислот. (Впрочем, как недавно установлено, в рибосомах несет она еще одну функцию – структурную.)

РНК-транспортер доставляет аминокислоту прямо к РНК-матрице. Аминокислота на ее поверхности может удержаться не где попало, а только на строго определенном месте. Для каждой из двадцати аминокислот на поверхности синтезирующей белок РНК приготовлена своя якорная стоянка. Никакая другая аминокислота ее занять не может.

Каждые полсекунды аминокислота ложится к аминокислоте, всегда на свое место. Десятки и сотни, даже тысячи аминокислот выстраиваются в ряд на поверхности РНК. Аминокислоты соединяются друг с другом в длинную цепь, и готовая молекула белка соскакивает с нуклеиновой матрицы.

Порядок построения аминокислот, а иначе говоря, формула будущего белка, зависит от химической структуры той РНК, на поверхности которой они выстраиваются. Эту структуру, эту матрицу как бы штампует по своему образу и подобию другая нуклеиновая кислота – ДНК.

РНК, химический шифр которой руководит синтезом белка, сама слепок, копия с ДНК. А ДНК – это оригинал. Это первоисточник генетической информации. В ДНК и скрыта наша наследственность. В ней не только план изготовления белков, но и вся последующая программа построения организма в целом.

Теперь, надеюсь, понятно, почему сейчас без нуклеиновых кислот невозможна жизнь. Но невозможна она и без белка.

Так что же раньше родилось: работники-сборщики и плановый отдел производства или готовый уже объект их труда – живой белок?

Возможно ли, чтобы он сам служил матрицей для синтеза себе подобных белков? И лишь позднее эту роль передал ДНК и РНК, которые действуют несравненно более точно, чем было нужно на первых этапах возникновения жизни?

Теперь ДНК и РНК никакими белковыми матрицами незаменимы, потому что организмы стали более сложными, чем в первых опытах природы по их созданию. А может быть, белок и нуклеиновые кислоты с самого начала объединились еще в предклетках и в дальнейшем работали слаженно, рука об руку?

Энергетические ресурсы жизни

Первые живые клетки взрастила Земля примерно три миллиарда лет назад. Все они были анаэробные, то есть обитали в бескислородной среде. Да и в атмосфере планеты, как уже говорилось, свободного кислорода не было. Его создатели – зеленые растения.

Пока еще одноклеточные, они довольно рано принялись за дело: уже через 300 миллионов лет после того, как явились в мир первые живые клетки, многие из них приобрели хлорофилловые зерна (вначале, возможно, как симбионтов).

Это великое событие! Не только качественно иной стала атмосфера, но и вся жизнь на Земле пошла путем, который без чудодейственного хлорофилла невозможен.

Растения, счастливые обладатели хлорофилла, в буквальном смысле слова питаются солнечным светом и воздухом. Вернее, углекислым газом, извлеченным ими из воздуха. Процесс этот называется фотосинтезом – созиданием с помощью света.

Из шести молекул углекислого газа и шести молекул воды создают растения одну молекулу глюкозы. Глюкоза соединяется с глюкозой. Шесть тысяч молекул образуют одну полимерную молекулу крахмала. Зерна крахмала, запасенные растениями в своих тканях, главным образом в клубнях и семенах, и есть необходимые для всего живого на Земле «солнечные консервы». В них в виде химических связей молекул глюкозы поймана и аккумулирована энергия Солнца.

Каждый год зеленые одеяния наших материков и водоросли рек, озер и морей улавливают и консервируют столько энергии Солнца, сколько могут дать 200 тысяч мощных электростанций, таких, как Куйбышевская ГЭС. Два квадрильона киловатт-часов!

Эта энергия питает все живые клетки, все живые организмы от вируса до человека (кроме некоторых хемотрофных бактерий, которые живут за счет химической энергии неорганических веществ). Это, если можно так сказать, валовая энергия жизни, потому что ее с избытком хватает не только для существования самих растений, но и всех животных, которые, не имея хлорофилла, вынуждены для поддержания жизни заимствовать энергетические ресурсы у растений. А те берут их у Солнца. Значит, все живые существа в конечном счете «едят» солнечный свет.

Что такое свет – первоисточник энергии, питающий жизнь? Шутники говорят, что свет – самое темное место в физике.

Действительно, много в его природе удивительного и непонятного. Однако физики неплохо в нем разобрались. Свет, говорят они, – это поток мельчайших из микрочастиц. Фотон – имя этой частицы. Называют ее и квантом света. Частица без заряда, без массы покоя – сплошной сгусток энергии в минимальной расфасовке.

Когда свет, иначе говоря, фотоны, падает сквозь полупрозрачную кожицу листьев на хлорофилловые зерна, молекулы хлорофилла их поглощают. Электроны эти молекул получают от фотонов дополнительную порцию энергии и переходят, как говорят физики, на более высокий энергетический уровень.

Состояние это для них необычное, вернее сказать, неустойчивое, и электроны стремятся вернуться в более устойчивую энергетическую фазу, отдав кому-нибудь избыток полученной от света энергии. Поэтому выделенный из клетки хлорофилл тут же испускает фотоны обратно – светится, как светятся все фосфоресцирующий вещества, в которых химическая энергия превращается в световую. Значит, хлорофилл в пробирке не может удержать пойманную энергию света. Она здесь быстро рассеивается, как в батарейке, если замкнуть накоротко ее электроды.

Иное дело в клетке – там в энергосистему хлорофилла включается длинная серия особых веществ, которые по замкнутой цепи реакций передают друг другу «горячие», то есть возбужденные, богатые энергией электроны. Проделав этот путь, электроны постепенно «остывают», избавляются от избытка энергии, полученной от фотонов, и возвращаются опять на старт – на свои места в молекуле хлорофилла. И она с этого момента снова способна поглощать фотоны.

А избыточная энергия, потерянная ими и аккумулированная в молекулах глюкозы, и есть та таинственная «жизненная сила», о которой много спорили натурфилософы прошлых веков. Питаясь ею, жизнь существует.

Четыре царства живой природы

Картина преобразования растениями земного шара требует некоторых уточнений.

Дело в том, что настоящие растения включились в процесс фотосинтеза довольно поздно: лишь два миллиарда лет назад (это меньше половины всей истории Земли). До них только наделенные хлорофиллом бактерии и сине-зеленые водоросли занимались фотосинтезом (однако бактерии при этом молекулярный кислород в окружающую среду не выделяли). Только они, бактерии и сине-зеленые водоросли, тогда и существовали на Земле. Никаких иных растений и животных еще не было. Теперь бактерии и сине-зеленые водоросли и растениями-то не считают! В особое царство и даже надцарство определили – доядерных организмов. У сине-зеленых водорослей и бактерий нет ядра. Нуклеиновая кислота (ДНК) рассеяна по всей клетке. А у прочих живых существ ДНК собрана в отделенном от цитоплазмы клетки мембраной ядре. Здесь помещается она в хромосомах – микроскопических тельцах, несущих наследственную информацию.

Биологами разработана новая система живого мира – не с двумя царствами, как прежде (животные и растения), а с четырьмя: дробянки (сине-зеленые водоросли и бактерии), животные, грибы и растения. В каждом царстве по два подцарства. У животных – простейшие (одноклеточные) и многоклеточные. У дробянок – бактерии и сине-зеленые водоросли. У грибов и растений – высшие и низшие грибы и растения.

К подцарству бактерий относят и такие микроорганизмы, как актиномицеты, спирохеты, микоплазмы, риккетсии и вирусы (последних определили сюда не без сомнений, условно, впредь до более полного их исследования).

Интересно вот еще что: грибы, неподвижные, питающиеся прахом земли создания, по новой системе, оказывается, более близкие родичи животных, чем растений! Вернемся на некоторое время к бактериям, чтобы рассказать о них подробнее. Ведь роль бактерий в существовании всего живого на Земле как прежде, так и теперь особенно велика.

У бактерий дурная слава. Всем известно, что они виновники опасных болезней: туберкулеза, брюшного тифа, дизентерии, холеры, проказы. Но многие ли знают, что есть и полезные бактерии? Мало даже сказать полезные, просто необходимые нам! Жизнь на Земле бы бы невозможна без бактерий.

Бактерии насыщают почву азотом, повышая ее плодородие, образуют и саму почву, помогают людям заквашивать огурцы, капусту и силос для скота, приготавливать сыры, простоквашу, уксусы, льняные ткани. Поселяясь в кишечнике, они переваривают за нас неудобоваримую пищу. Они уже освещают мрачную бездну моря призрачным сиянием живых огней, преобразуя в свет особые вещества, которые находят в «карманных фонариках» глубоководных рыб и кальмаров.

Форма клетки у бактерий бывает трех типов: круглая, спиральная и палочковидная.

Круглых бактерий называют кокками: монококками, когда это одиночные шарики; диплококками, когда они двойные; тетракокками, когда соединены четыре шарика вместе; сарцинами – если шариков восемь или больше; стрептококками, когда круглые бактерии образуют цепочку, словно нанизанные на нитку бусинки, и стафилококками, если они громоздятся беспорядочной кучей.

Спиральные бактерии – это вибрионы (тело их лишь слегка изогнуто), спириллы закручены в один или несколько витков, а спирохеты – в тонкие и мелкозавитые спирали.

Бактерии-палочки образуют две группы: обычных бактерий и бацилл. У первых не бывает спор. Вторые, когда внешние условия неблагоприятны, отделяют внутри своего тела от наполняющей клетку протоплазмы маленький, овальный и блестящий комочек живого белка – спору. (После этого бацилла распадается.)

Спора окружена плотной оболочкой, максимально обезвожена и может без вреда для заключенной в ней искорки жизни переносить сокрушительные удары враждебных стихий. Например, давление в 20 тысяч атмосфер! Или космический холод в 253 градуса! Нагревание до 90, а некоторые споры – и до 140 градусов!

Годами лежит в летаргическом покое этот законсервированный квант жизни, чтобы когда-нибудь потом, попав в условия более благоприятные, пробудиться. Плодиться, плодиться, без счета, без меры – единственная забота вновь возрожденной бациллы.

И хотя размножается она самым примитивным образом: разрывается пополам, число ее потомков вскоре достигает астрономической величины. Ведь каждая половинка уже через 20–30 минут снова делится, и так без конца.

Допустим, к примеру, что они делятся каждые полчаса. Через час из одной бактерии образуется четыре. К концу второго часа их будет 16, к концу третьего – 64. Дальше число их, увеличиваясь в геометрической прогрессии, быстро достигает цифр, которыми помечены столбовые вехи в космосе. Через 15 часов бактерий будет около 1 000 000 000, а через сутки с небольшим – 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.

И если даже каждая из них занимает в пространстве не больше одного кубического микрона, то октильон бактерий (а приведенная выше цифра и есть октильон) с трудом удастся упаковать в баке высотой, шириной и длиной в километр. Чтобы перевезти такую гору бактерий, потребуется состав в 20 миллионов вагонов!

Конечно, производя эти вычисления, мы предполагали, что ни одна из новорожденных бактерий не умирает, по крайней мере, в течение двух первых суток. Но, к счастью, этого никогда не случается: большинство из них погибает. Да и темп деления мы выбрали оптимальный; далеко не все бактерии размножаются так быстро. Туберкулезные бактерии, например, делятся лишь раз в полтора дня.

Разными способами добывают пищу бактерии. Одни разрушают ткани животных и растений, и среди таких немало паразитов: это возбудители всякого рода заболеваний.

Много среди бактерий сапробов, которые вызывают гниение белков и других органических веществ, разлагают их на более простые составные части – снова на углекислый газ, например, и аммиак.

Эти бактерии очень полезны. Горы мертвых тел лежали бы повсюду, если бы не бактерии. Они освобождают планету от растений и животных, в которых уже угасла жизнь. Сгнивая с помощью бактерий, прах трупов возвращается в землю.

Есть и бактерии – автотрофы, то есть сами себя питающие. Эти из неорганических веществ (аммиака, например, углекислого газа и различных солей) создают органические (белки, крахмал) и строят из них свое тело. Энергию, необходимую для преобразований простых веществ в сложные, они извлекают из солнечных лучей. Хемотрофные бактерии питаются тоже углекислым газом и аммиаком, но энергию для изготовления белка, добывают, окисляя железо, марганец либо молибден, серу и кремний («грызут», так сказать, камень и металл!).

Вольвокс – первое многоклеточное существо?

Зоологи и ботаники давно спорят о жгутиконосцах – растения они или животные?

Предмет их спора столь невелик, что простым глазом его не увидишь. Жгутиконосцы микроскопические существа – живые «шарики», «колбаски», «лодочки», с тонкими, жгутиковидными хвостиками, которыми они ударяют по воде и плывут.

В каждой луже миллиарды жгутиконосцев. Под микроскопом видно, что они зеленые: полным-полно у них под прозрачной «кожицей» хлорофилловых зернышек. Значит, это растения?

Решить непросто.

Тысячи хвостатых шариков, словно молекулы в тепловом движении, беспорядочно скачут в капле воды. Вот один наткнулся на бактерию. Втянул ее в миниатюрный «ротик» и… проглотил. У растений нет ртов. И глаз тоже нет. А у жгутиконосцев есть «карие» глазки. Обычно это просто бурое или красноватое пятнышко, воспринимающее свет. Но иногда оно углублено в виде чаши, в которой лежит линзовидный комочек крахмала. Он прозрачный – это хрусталик первородного глаза.

Так это животное?

Все зависит от погоды. В солнечный день, когда много света, жгутиконосцы – скорее растения. Занимаются фотосинтезом, из углекислого газа и воды изготовляют сахар. Им и питаются. В пасмурную погоду, когда света мало, некоторые из них переходят на другую диету: ловят бактерий и мелкие водоросли.

Поэтому и нелегко биологам решить: с кем же они наконец имеют дело? Зоологи считают, что жгутиконосцы (по крайней мере некоторые из них) – простейшие животные. А ботаники числят их в разряде низших водорослей.

Вольвокс, говорит Д. Апдайк, «интересует нас потому, что он изобрел смерть. Амебы никогда не умирают… Но вольвокс, этот подвижный, перекатывающийся шар водорослей… нечто среднее между растением и животным под микроскопом он кружится, как танцор на рождественском балу, – впервые осуществив идею сотрудничества, ввел жизнь в царство неизбежной – в отличие от случайной – смерти».

До него, до вольвокса, смерть на Земле была необязательна и, так сказать, незаконна. Все одноклеточное живое никогда не умирало естественной смертью, только насильственной. Размножаясь, одноклеточная жизнь делилась пополам. А разделившись, жила вновь в удвоенном числе. Но когда одноклеточные жгутиконосцы объединились и образовали вольвокс, все они приобрели в этом объединении разную квалификацию. Одни сохранили привилегии половых клеток – эти, размножаясь, жили вечно в своих потомках. Другие сделались клетками соматическими, то есть бесполым телом колонии, и всякий раз умирали теперь после того, как их половые сестры и братья размножались.

Так смерть стала обязательным и законным по кодексу природы финалом жизни. До этого была лишь случайность.

Вольвокс – подвижный живой шарик (в диаметре до 3 миллиметров). Внутри он студенистый, а снаружи весь усеян жгутиконосцами (одноклеточными водорослями с двумя хвостиками-жгутиками, колебания которых приводят вольвокс в движение). Это настоящая колония зеленых жгутиконосцев – на поверхности вольвокса их от 200 до 50 тысяч. Есть у соединившихся в единое целое жгутиконосцев примитивные глазки – стигмы. На одном полюсе шара они лучше развиты, на другом хуже. Более «глазастым» полюсом вольвокс и плывет вперед.

Почти все составляющие сферическую колонию клетки размножаться не способны (ни вегетативно, ни половым путем). Только около десятка самых крупных из них в нужное время плодятся, создавая дочерние колонии внутри живого шара.,

«Колонию вольвокса, может быть, правильнее рассматривать как многоклеточный организм, поскольку… не все клетки колонии равноценны. Возможно, что колониальность имела большое значение в эволюции органического мира и явилась переходным этапом к многоклеточным животным» (Ю. Полянский).

Так большинство ученых и полагает: от колониальных простейших организмов, подобных вольвоксу, и произошли многоклеточные растения и животные.

А теперь подведем итог. Как шла в пространстве и во времени биохимическая и биологическая эволюция. Какие пройдены ею этапы в древнейшие эры Земли.

Принимаем, что Земля сформировалась 4,5 миллиарда лет назад и была окружена первичной атмосферой: аммиак, метан, пары воды, азот, окись углерода, углекислый газ, водород, азот.

Катархей 4,5—3	Аминокислоты, пептиды, пурины, пиримидины, нуклеиды, порфирины. Затем микросферы, предклетки.
Архей 3–1,9	Первые живые клетки (доядерные, анаэробные). Анаэробные хемотрофные бактерии. Нитчатые и округлые водоросли (сине-зеленые?).
Протерозой:
Нижний 1,9–1,6	Строматолиты сине-зеленых водорослей и онколиты бактерий. Фотосинтезирующие бактерии.
Верхний (или рифей) 1,6–0,57	Организмы с клеточными ядрами. Многоклеточные животные, близкие к медузам, червям, морским перьям, членистоногим.

Цифры приведены приблизительные, поскольку у разных авторов неодинаковые датировки эпох (как и их названия). Часто и возраст Земли не всеми указывается одинаковый. Многое еще в этих вопросах остается спорным.

Палеозой

Палеозойская эра, следующая во времени за докембрием, длилась с 570 до 230–220 миллионов лет назад. Академик В. Комаров пишет, что «общая мощность палеозойских слоев достигает 25 000 метров».

Палеозой разделяют на шесть периодов: в скобках – начало и конец каждого из них в миллионах лет назад.

Кембрий (570–500) – бурный расцвет многоклеточных животных. Почти все типы животного царства имели уже своих представителей в этом весьма еще далеком от наших дней периоде. Но позвоночных не было. Начало эры трилобитов – вымерших членистоногих, предков пауков, скорпионов, клещей и фаланг. Появляются примитивные предки наутилусов, улиток, раков, кишечнополостных, иглокожих и многих других многоклеточных животных.

Ордовик (500–440). Первые бесчелюстные панцирные рыбообразные, морские лилии, голотурии, морские звезды, головоногие моллюски, гигантские морские скорпионы (иные ростом с человека!). Бурный расцвет и затем массовое вымирание многих видов и родов трилобитов (полностью вымерли они в пермском периоде).

Силур (440–410). Первые челюстные панцирные рыбы! Древние многоножки, скорпионы, пауки.

Таким образом, силур – первый период в истории Земли, в котором было совершено завоевание суши нашей планеты. Многоножки, пауки и скорпионы претендуют на первенство в этом весьма знаменательном событии.

Девон (410–350). Первые хрящевые рыбы (первобытные акулы), а также легочные и кистеперые. Первые примитивные бескрылые, позднее первые насекомые и клещи, а в конце девона – амфибии!

Суша девона уже зазеленела. Правда, первые поселившиеся на ней растения появились в конце силура. Но гораздо больше их было в девоне: псилофиты, плауновые, папоротники. В девоне из остатков отмерших растений накопились уже слои каменного угля, правда, не очень большие.

Каменноугольный период, или карбон (350–285 или 275). Основные толщи каменного угля пришли к нам из этого периода. Тогда росли леса из древовидных плаунов, папоротников, лепидодендронов, кордаитов, сигиллярий и прочих, ныне вымерших «деревьев». В самом конце этого периода возвышенные места суши покрывали боры уже настоящих деревьев – хвойных.

Появились первые рептилии! И первые белемниты – предки кальмаров. Расцвет низших насекомых. Появляются и высшие – тараканы, гигантские стрекозы.

Пермский период (285–230). Вымирают трилобиты и гигантские скорпионы. Обитают уже современного типа десятиногие раки, жуки, клопы, мухи и первые звереобразные пресмыкающиеся (терапсида) – предки млекопитающих животных! Некоторые специалисты полагают, что корни происхождения этих зверозубых ящеров простираются даже в карбон.