Текст книги "История Земли"

Автор книги: Ричард Фостер Флинт

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 26 страниц)

Теория происхождения биосферы

В начале этой главы мы говорили, что живое вещество не содержит никаких элементов, которые отсутствовали бы в неорганическом мире Земли. Добавим к этому утверждению, что четыре главных элемента (водород, кислород, азот, углерод), входящие в состав живого вещества, преобладают на Земле. Поэтому живое вещество обычно.

Каким образом эти элементы объединялись, чтобы образовать биосферу? Этого мы еще не знаем. Но мы уже имеем достаточное количество информации, чтобы сузить круг возможностей и делать все более обоснованные предположения. Приводящий в изумление "набор" различных организмов, живущих сейчас, включает всевозможные градации от наиболее высокоорганизованных животных до простейших одноклеточных форм. Но на этом последовательность не кончается, а продолжается дальше вниз до одиночных крупных белковых молекул, представленных, например, различными вирусами, которые существуют то в инертной кристаллической форме, то в подвижном живом состоянии.

Но и сама белковая молекула состоит из более простых частей – соединений углерода, водорода, азота и кислорода, связанных между собой определенным образом и образующих так называемые аминокислоты. Эти кислоты входят в состав любого организма, но можно ли назвать их самих "живыми"? Ученым удалось образовать аминокислоты из соединений, которые предположительно входили в состав первичной атмосферы Земли, – газообразной смеси водорода (Н₂), метана (СН₄), аммиака (NH₃) и водяного пара (Н₂О). Эту смесь подвергали сильным электрическим разрядам, а затем конденсировали. В полученной жидкости были обнаружены аминокислоты и другие углеводородные кислоты. В других экспериментах из неорганических составных частей были получены многие компоненты живой материи.

Результаты этих экспериментов приводят нас к выводу о том, что организмы развились путем длительной химической эволюции из неорганического вещества, состоявшего из сочетаний химических элементов и неорганических соединений. Эти соединения, наиболее вероятно, находились в морской воде, которую биологи называют "теплым питательным бульоном", хотя это должен быть довольно жидкий суп. Но так или иначе морская вода была жидкой средой, в которой легче всего могли происходить химические реакции. Вода является растворителем и превосходной средой для реакций органических соединений, которые и сами представляют собой жидкие системы. Более того, атомы углерода обладают исключительной способностью соединяться друг с другом самыми различными способами. Поэтому все эти обстоятельства обеспечивали наиболее благоприятные условия для возникновения в высшей степени разнообразных соединений.

Как мы отмечали в шестой главе, первичная атмосфера и гидросфера (включая упоминавшийся "питательный бульон") не содержали свободного кислорода. Весь кислород существовал только в форме соединений с другими элементами.

Кислород не только необходим для жизнедеятельности животных; в верхних слоях теперешней атмосферы он создает экран, защищающий Землю от ультрафиолетового излучения Солнца, которое в противном случае убило бы все живые организмы (В атмосфере Земли под действием ультрафиолетового излучения Солнца молекулы кислорода (02) превращаются в молекулы озона (О3). Озон, скапливаясь в верхних слоях атмосферы, образует экран, защищающий Землю от ультрафиолетовых лучей. – Прим. ред). Сейчас, мы живем как бы под зонтиком, который образует свободный кислород, а на ранних этапах истории Земли этой защиты не существовало. Поэтому в безжизненном первобытном мире, даже если бы каким-то образом возник какой-нибудь современный организм, он не мог бы выжить, потому что тогда не было этого защитного экрана.

Прежде чем двигаться дальше, следует более внимательно изучить шкалу времени, которой нам предстоит пользоваться. Как мы уже говорили (см. табл. 2), ископаемые остатки, найденные в породах, показывают, что приблизительно 3,2 миллиарда лет назад в море уже существовали как простейшие, так и очень примитивные растения. Так как литосфера образовалась около 4,5 миллиарда лет назад, мы имеем промежуток времени продолжительностью около 1,3 миллиарда лет, в течение которого образовалось и развивалось живое вещество. Этот промежуток времени вдвое длиннее всего фанерозоя, со всей его долгой и сложной историей развития биосферы, что само по себе более чем достаточно. В течение этих 1,3 миллиарда лет в среде, лишенной свободного кислорода, должно было возникнуть и затем развиться до уровня простейших и примитивных растений живое вещество. Рассматривая эти события, мы должны также учитывать, что позднее кислород появился в атмосфере в больших количествах, потому что без этого не могли бы возникнуть животные.

Эти события, последовательность которых может быть названа химической эволюцией, теоретически могут быть объяснены логично, но насколько истинна эта теория – покажет будущее.

Компоненты, необходимые для образования живого вещества, присутствовали в первичном океане, этом органическом "бульоне". Без наличия свободного кислорода ультрафиолетовое излучение Солнца свободно достигало поверхности суши и океана. Это облучение или разряды молний могли создать высокую энергию, необходимую для образования аминокислот, подобно тому, как это наблюдалось в лабораторных экспериментах. Аминокислоты могли объединяться, образуя белковые молекулы, которые, реагируя и легко вступая в соединения, способствовали дальнейшим изменениям, создавая более сложные углеводороды.

Где-то в этой последовательности находится звено, с которого мы могли бы считать начало возникновения жизни. Но какой момент считать началом жизни, зависит от того, как определить жизнь. Возможно, первый живой организм состоял из одной клетки. Возможно, это была очень простая бактерия или что-то напоминающее бактерию. Но что бы это ни было, оно нуждалось в питании. Источником питания для него могли служить молекулы углеводородов, составлявшие ил на дне мелкого моря. От этого способа питания оставался один шаг до усвоения или "поедания" сначала продуктов жизнедеятельности, а затем и мертвых тел таких же организмов. Следующим шагом логично должно было явиться поедание живого органического вещества.

В этой предполагаемой последовательности событий мы видим начало раздела живых организмов на две группы. Одна группа живет, поглощая отходы жизнедеятельности и мертвое вещество других организмов; другая группа, в некотором отношении более сложная, предпочитает питание живыми организмами. Это основное различие, положившее начало отдельным линиям развития, могло привести к разделению на растения и животных, хотя эта идея, видимо, чрезмерно упрощена.

Изменения, имевшие место в ходе этой и других ранних стадий эволюции, лучше всего выражаются в терминах биохимических реакций. Среди наиболее ранних изменений, вероятно, было одно, которое сделало возможной реакцию, получившую название ферментации. В том виде, как мы наблюдаем ее сейчас, ферментация осуществляется примитивными организмами, в том числе некоторыми бактериями, живущими в бескислородной среде. Поскольку эти организмы живут в такой среде, они дают нам ключ к пониманию жизни, которую вели организмы в первичном океане. При ферментации углеводороды расщепляются и перестраиваются, небольшое количество энергии высвобождается в виде тепла, а одним из образующихся продуктов является углекислый газ (рис. 29).

Рис. 29. Теоретическая последовательность процессов, которая могла привести к образованию основных групп ныне живущих организмов. Количество энергии, высвобождающейся при дыхании, значительно больше того, которое высвобождается при ферментации, что показано различным размером надписей

Этот продукт, безразлично, был ли он результатом ферментации или других химических реакций, теоретически имел большое значение для дальнейшего развития вновь образовавшейся жизни, потому что добавление большого объема углекислого газа к тому его небольшому количеству, которое уже могло содержаться в море, должно было придавать среде новые свойства. Оно создавало возможность для процесса фотосинтеза. Свойственный многим растениям, этот процесс создает различные органические соединения из воды, углекислого газа и энергии солнечных лучей, поглощенной растениями (рис. 29). Если углекислый газ постоянно поступал в море, растения, которые ранее не могли существовать в океане, обладавшем менее сложным химическим составом, могли ^теперь развиваться, "строя" свои ткани из углекислого газа.

Отсюда вытекает еще одно важное следствие. Одним из продуктов фотосинтеза является свободный кислород (О2). Поэтому при достаточном количестве растений, производящих кислород, он тоже должен был в свою очередь накапливаться в море. В этих новых условиях в присутствии свободного кислорода становится возможным процесс дыхания (рис. 29). Дыхание – процесс, обратный фотосинтезу, – не только производит углекислый газ, необходимый для растений, но также высвобождает большое количество энергии – прибль штельно в тридцать пять раз больше, чем ферментация. Эта энергия имеет такую форму, которая может использоваться для роста и движения организмов. При этих очевидных преимуществах дыхание должно было сделать возможным существование животных. Животные с пользой употребили избыток энергии, образующейся при дыхании. Они научились свободно перемещаться, некоторые очень быстро, в поисках пищи. Движение требовало координации частей тела, точного контроля и способности быстро принимать сложные решения. Для этого нужен был мозг, еще одно имеющее большую ценность отличие животных от растений.

Таким образом, возникновение биосферы начинается с химических процессов, которые позднее приобретают характер биохимических. Последовательность этих процессов в схематизированном виде представляется в следующем виде:

аминокислоты -> белковые молекулы -> более сложные углеводороды -> ферментация -> фотосинтез -> дыхание

Такова химически обоснованная последовательность событий в образовании жизни в самом простейшем виде. Она выглядит логичной, но нельзя забывать, что это все еше не более чем гипотеза. Зарождение процессов жизни могло происходить и несколько отличным от описанного путем. Большинство ученых считает, что причиной возникновения этих процессов был длинный ряд случайных химических соединений, чисто случайных событий, таких, например, как столкновение молекул в "питательном бульоне".

Слово "случайный" не должно наводить нас на мысль о том, что вся эта последовательность событий была чисто "случайной", выражение, под которым обычно имеется в виду "маловероятный" или даже "почти невероятный". "Случайность" здесь означает только "вероятность". Когда мы говорим о случайности события (такого, как соударение молекул), мы имеем дело со статистической закономерностью. Каждое случайное событие, каким бы маловероятным оно ни было, если рассматривать его изолированно, становится более и более вероятным по мере увеличения числа проб. Если вероятность события составляет 1 из 1000 в одном эксперименте, то при 10 000 экспериментов вероятность того, что оно произойдет хотя бы однажды, будет равной 19 999 из 20 000; такая вероятность обычно уже не считается "случайностью", это почти уверенность.

Теперь посмотрим, сколько раз за данный промежуток времени могло произойти 10 000 попыток? Мы рассматриваем промежуток времени длиной около 1,3 миллиарда лет, с возникновения Земли до появления растений, плюс 2 миллиарда лет или около того до момента, о котором известно, что животные уже существовали. Сколько раз могли произойти 10 000 попыток для каждого из таких неупорядоченных событий за период протяженностью 3,2 миллиарда лет? Воображение человека заходит в тупик при попытке вычислить такое огромное число. Ни один человек, знакомый со статистикой, не отвергнет возможность возникновения химических соединений просто на том основании, что для них могло не хватить времени. Времени было более чем достаточно.

В какой-то момент в ходе изменений независимо от того, происходили они так, как мы описали, или иначе, химическая эволюция ранних этапов стала биологической. Произошло это с того момента, как организмы начали воспроизводить себя. Граница между двумя эволюциями показана (произвольно) в таблице 2 на уровне древнейших известных ископаемых организмов, хотя ее настоящее место должно быть несколько ниже.

Биологическая эволюция, предположительно между одним и двумя миллиардами лет назад, получила новое развитие благодаря возникновению полового размножения. В связи с этим резко возросли возможности приспособления организмов к среде, как мы увидим в восьмой главе.

Обзор

Настало время снова вернуться к таблице 2, которая содержит в сжатом виде большую часть того, о чем мы говорили в данной главе. Мы видим в таблице, что, пока существовала первичная атмосфера, в море, в этом «органическом питательном бульоне», накапливались аминокислоты, молекулы белков и более сложные углеводороды. В какой-то более поздний момент начались такие процессы, как ферментация, благодаря которой в океан поступало добавочное количество СО₂. Среди простых одноклеточных растений (сине-зеленых водорослей, которые обнаружены в ископаемом состоянии в Африке) уже действовал процесс фотосинтеза, поставлявший в океан свободный кислород. Помимо ископаемых растений, это доказывается и другими свидетельствами. Осадочные пласты, имеющие возраст от 2 до 3 миллиардов лет, повсюду содержат единичные слои окислов железа, осаждавшихся на мелководном морском дне в результате соединения железа и кислорода в морской воде. Более молодые пласты лишены этого вида осадочного железа, но содержат красные окислы железа, образующиеся, как и сейчас, при окислении атмосферным кислородом железа при химическом выветривании пород. Таким образом, представляется вероятным, что по мере того, как строение растений становилось все более сложным, они начинали производить путем фотосинтеза больше кислорода, чем его мог поглотить океан. Лишний кислород начал поступать из моря в атмосферу, и началось окисление пород в процессе химического выветривания.

Одновременно кислород, накапливавшийся в атмосфере, начал образовывать экран, защитивший земную поверхность от ультрафиолетового излучения (Автор имеет в виду озон – трехатомный кислород. – Прим. ред). Когда количество свободного кислорода стало достаточно большим, экран мог стать вполне надежной защитой. Растения, которые ранее были вынуждены жить в глубинах океана, лишенных света, смогли распространяться по всей водной поверхности, как это наблюдается и в наше время. Кроме того, обилие свободного кислорода обусловило дыхание в широких масштабах и таким образом предположительно способствовало эволюции морских животных. Надежная защита от летальной радиации и наличие свободного кислорода, доступного для дыхания, подготовили путь для следующих двух больших шагов. Первым было образование и распространение планктона, огромного множества микроскопических растений и животных, населяющих и сейчас поверхностные воды открытого океана и служащих пищей более крупным морским организмам. Вторым шагом, который стал возможен в это время, был выход живых организмов из моря нa сушу. Вероятно, перемещение происходило таким образом: некоторые растения и животные, в большом количестве населявшие прибрежные воды, переместились в зону, затопляемую приливом и обсыхающую при отливе. Когда они приспособились к существованию в этой зоне, следующим логичным шагом был решительный выход на берег. Таким образом, морские растения и животные сделали сушу местом своего постоянного пребывания.

Как мы уже отмечали, сведения о наличии ископаемых остатков и их возрасте, помещенные в таблице 2, представляют собой установленные факты. Другие данные в этой таблице справедливы с различной степенью вероятности.

Но даже в том виде, в каком таблица существует, она дает нам общее представление о том, как могло бы происходить развитие живой материи до начала фанерозоя. При этом следует помнить, что описанный выше период развития Земли представляет собой не только начало ее истории. Он охватывает почти всю историю Земли, занимая почти около 87% геологического времени. Таким образом, все оставшееся время этой истории составляет всего лишь 13% продолжительности существования Земли. Причина такого несоответствия заключается в обилии фактических данных о жизни в течение фанерозоя. Вследствие большого количества ископаемых остатков, относящихся к фанерозою, многообразие жизненных форм в эту эпоху подтверждается многими интересными деталями, легко поддающимися расшифровке. Но более старые породы подверглись полному метаморфизму, при этом большинство ископаемых остатков, которые некогда в них содержались, оказались разрушенными. Другие слои древних пород, которые могли содержать ископаемые остатки, были перекрыты позднее осадочными слоями и, таким образом, недоступны для исследования. Поэтому нам до сих пор неизвестна большая часть фактов, принадлежавших к первому периоду истории Земли, который составляет 87% ее общей продолжительности. Таким образом, мы располагаем лишь отрывочными знаниями, пробелы в которых приходится заполнять предположениями. Мы надеемся, что эти предположения постепенно можно будет заменить фактически обоснованными положениями.

Нужно иметь в виду еще одно важное положение, относящееся к описанной выше истории Земли.

Существует не только влияние окружающей среды (какой, например, является и бескислородная атмосфера) на биосферу, но и обратное влияние биосферы на окружающую среду. Убедительным примером такого влияния может служить то обстоятельство, что свободный кислород, которым мы пользуемся, был, скорее всего, внесен организмами, буквально "выдохнут" растениями в процессе фотосинтеза. Таким образом, мы, как и животные, обязаны царству растений не только пищей, которую мы едим, но, очевидно, и самим нашим существованием. Без атмосферного кислорода человек не мог бы появиться на Земле.

Литература

Barghoorn E. S., 1971, The oldest fossils: «Sci. American», v. 224, p. 30-40. Cloud P. E., 1968, Atmospheric and hydrospheric evolution on the primitive Earth: «Science», v. 160, p. 729-736.

Glaessner M. F., 1961, Pre-Cambrian animals: "Sci. American", v. 204, p. 72-78. Henderson L. J., 1958, Fitness of the environment: Beacon Press, Boston. (Reprint; originally publ. 1913)

Опарин А. И., 1966, Возникновение и начальное развитие жизни, М., "Медицина".

Rush J. H., 1957, The dawn of life: Hanover House, New York.

Wald George, 1954, The origin of life: "Sci. American", v. 191, p. 45-54.

Глава восьмая. Эволюция живых организмов

Сложная цепь

Идея образования и расплавления земной коры и движения континентальных плит, сопровождающего эти процессы, поражает воображение как огромными размерами и весом движущихся глыб, так и колоссальной энергией, которая необходима для поддержания всей этой системы в движении. Однако не менее поразителен процесс эволюции живых организмов, проходящий через всю историю планеты Земля; он вызывает изумление огромным количеством участвующих в нем организмов и крайней сложностью биохимических процессов, в совокупности образующих Жизнь. В течение всей исгории Земли отдельные растения и животные, умирая, захоронялись под отложениями, а их форма и строение «консервировались» в виде ископаемых остатков, включенных в пласты пород. В наши дни многие ископаемые были найдены и собраны воедино. Если расположить их по порядку, то видно, что они образуют непрерывные ряды. Некоторые изменения, прослеживающиеся в поколениях современных организмов, представляют собой непосредственное продолжение цепи изменений, установленных по ископаемым остаткам. Все вместе эти ряды образуют сложную цепь со многими звеньями, которая постоянно удлиняется уже более 3 миллиардов лет, с тех самых пор, как химическая эволюция была замещена самовоспроизводством организмов. Теория этой цепи, теория эволюции живых организмов, позволяет понять историю жизни, ранее представлявшуюся беспорядочным скоплением ископаемых форм. А кроме того, как мы уже отметили в главе третьей, эта теория сделала возможной корреляцию слоев в различных районах и таким образом способствовала построению геохронологической шкалы.

Когда мы делаем попытку обрисовать историю организмов, мы закономерно начинаем с рассмотрения процесса эволюции, который восстанавливаем по ископаемым остаткам. Мы начнем с данных, на которых основано наше понимание этого процесса, а затем перейдем к рассмотрению того, как работает его механизм.