Какой была древнейшая жизнь?

 

Наши знания о ранее живших организмах невелики. Ведь миллиарды особей, представлявших самые разные виды, исчезли, не оставив никакого следа. По оценке некоторых палеонтологов, в ископаемом состоянии до нас дошли останки только 0,01% всех видов живых организмов, населявших Землю. Среди них только те организмы, которые могли сохранить структуру своих форм путем замещения или в результате сохранности отпечатков. Все прочие виды до нас просто не дошли, и о них мы не сможем узнать ничего и никогда.

Долгое время считалось, что возраст древнейших отпечатков живых организмов, к которым относятся трилобиты и другие высокоорганизованные водные организмы, составляет 570 млн лет. Позже были найдены следы намного более древних организмов – минерализовавшихся нитчатых и округлых микроорганизмов примерно десятка различных видов, напоминающих простейшие бактерии и микроводоросли. Возраст этих останков был оценен в 3,2–3,5 млрд лет. Они были найдены в кремнистых пластах Западной Австралии. Эти организмы, видимо, имели сложную внутреннюю структуру, в них присутствовали химические элементы, соединения которых были способны осуществлять фотосинтез. Данные организмы бесконечно сложны по сравнению с самым сложным из известных органических соединений неживого (абиогенного) происхождения. Нет сомнений, что это не самые ранние формы жизни и что существовали их более древние предшественники.

Поэтому сегодня ученые уже не сомневаются в том, что истоки жизни на Земле уходят в тот «темный» первый миллиард лет существования нашей планеты, не оставивший следа в ее геологической истории. Подтверждает эту точку зрения и тот факт, что известный биогеохимический цикл углерода, связанный с фотосинтезом в биосфере, стабилизировался более 3,8 млрд лет назад. Это позволяет считать, что фотоавтотрофная биосфера существовала на нашей планете не менее 4 млрд лет назад. Но по данным цитологии и молекулярной биологии, фотоавтотрофные организмы были вторичными в процессе эволюции живого вещества. Автотрофному способу питания живых организмов должен был предшествовать гетеротрофный способ, как более простой. Автотрофные организмы, строящие свое тело за счет неорганических минеральных веществ, имеют более позднее происхождение. Об этом свидетельствуют следующие факты:

– все современные организмы обладают системами, приспособленными к использованию готовых органических веществ как исходного строительного материала для процессов биосинтеза;

– преобладающее число видов организмов в современной биосфере Земли может существовать только при постоянном снабжении готовыми органическими веществами;

– у гетеротрофных организмов не встречается никаких признаков или рудиментарных остатков тех специфических ферментных комплексов и биохимических реакций, которые необходимы для автотрофного способа питания.

Таким образом, можно сделать вывод о первичности гетеротрофного способа питания. Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу и энергию от органического материала абиогенного происхождения, образовавшегося еще раньше, на космической стадии эволюции Земли. На этом основании начало жизни как таковой отодвигается еще дальше, за пределы каменной летописи земной коры, более чем на 4 млрд лет назад.

Учитывая вышесказанное, нетрудно прийти к общему заключению о том, что жизнь на Земле существует примерно столько же времени, сколько существует сама планета. Именно это имел в виду В.И. Вернадский, когда говорил о вечности жизни на Земле.

Говоря о древнейших организмах не Земле, также следует отметить, что по типу своего строения они были прокариотами, возникшими вскоре после появления археклетки. В отличие от эукариотов они не имели оформленного ядра, и ДНК располагалась в клетке свободно, т.е. не было отделено от цитоплазмы ядерной мембраной. Различия между прокариотами и эукарио-тами гораздо глубже, чем между высшими растениями и высшими животными, те и другие относятся к эукариотам. Представители прокариотов живут и сегодня. Это бактерии и сине-зеленые водоросли. Очевидно, первые организмы, жившие в очень жестких условиях первоначальной Земли, были похожи на них.

Ученые также не сомневаются в том, что древнейшие организмы Земли были анаэробными организмами, получавшими необходимую им энергию за счет дрожжевого брожения. Большая часть современных организмов является аэробными и использует кислородное дыхание (окислительные процессы), дающее им необходимое количество энергии для жизни.

Сегодня уже не вызывает сомнений, что В.И. Вернадский, предположивший, что жизнь сразу возникла в виде примитивной биосферы, был прав. Только разнообразие видов живых организмов могло обеспечить выполнение всех функций живого вещества в биосфере. Ведь жизнь является мощнейшей геологической силой, вполне сравнимой по энергетическим затратам и внешним эффектам с такими геологическими процессами, как горообразование, извержение вулканов, землетрясения и т.д. Жизнь не просто существует в окружающей ее среде, но активно эту среду формирует, преобразуя ее «под себя». Не следует забывать, что весь лик современной Земли, все ее ландшафты, все осадочные породы, метаморфические породы (граниты, гнейсы, образовавшиеся из осадочных пород), запасы полезных ископаемых, современная атмосфера являются результатом действия живого вещества.

Эти данные позволили Вернадскому утверждать, что с самого начала биосферы входящая в нее жизнь должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, так как биогеохимические функции жизни в силу своего разнообразия и сложности не мдгут быть связаны только с какой-то одной формой жизни. Таким образом, первичная биосфера изначально была представлена богатым функциональным разнообразием. Поскольку организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте, первое появление жизни должно было произойти не в виде какого-то одного вида организмов, а их совокупности. Иными словами, сразу должны были появиться первичные биоценозы. Состояли они из простейших одноклеточных организмов, так как все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть выполнены ими.

И наконец, следует сказать, что первичные организмы и биосфера могли существовать только в воде. Выше мы уже говорили, что все организмы нашей планеты теснейшим образом связаны с водой. Именно связанная вода, не теряющая своих основных свойств, является их важнейшим составным компонентом и составляет 60–99,7% веса.

Именно в водах первичного океана образовался «первичный бульон». Ведь морская вода сама по себе представляет естественный раствор, содержащий все химические элементы. В ней образовались вначале простые, а затем и сложные органические соединения, среди которых были аминокислоты и нуклеотиды. В этом «первичном бульоне» и произошел скачок, давший начало жизни на Земле. Немаловажное значение для появления и дальнейшего развития жизни имела радиоактивность воды, которая тогда была в 20–30 раз большей, чем сейчас. Хотя первичные организмы были намного устойчивее к радиации, чем современные, мутации в те времена происходили намного чаще, поэтому естественный отбор шел интенсивнее, чем в наши дни.

Кроме того, не следует забывать о том, что первичная атмосфера Земли не содержала свободного кислорода, поэтому в ней отсутствовал озоновый экран, защищающий нашу планету от ультрафиолетовой радиации Солнца. В силу этих причин на суше жизнь просто не могла возникнуть, а вода служила достаточным препятствием для этих лучей.

Итак, подводя итоги, следует отметить, что первичные организмы, возникшие на Земле более 4 млрд лет назад, обладали следующими свойствами:

– они были гетеротрофными организмами, то есть питались готовыми органическими соединениями, накопленными на этапе космической эволюции Земли;

– они были прокариотами – организмами, лишенными оформленного ядра;

– они были анаэробными организмами, использующими в качестве источника энергии дрожжевое брожение;

– они появились в виде первичной биосферы, состоящей из биоценозов, включающих различные виды одноклеточных организмов;

– они появились и долгое время существовали только в водах первичного океана.

 

Начало жизни на Земле

 

Поскольку жизнь неразрывно связана со средой своего обитания, начало жизни следует изучать в тесной связи с теми космическими и геологическими процессами, в ходе которых образовалась и развивалась наша планета.

Завершение этапа космической эволюции Земли, в ходе которой она сложилась из планетезималий, произошло около 4,5 млрд лет назад. После этого наша планета стала постепенно остывать, формируя кору, а также атмосферу и гидросферу за счет дегазации лав, выплавлявшихся из верхней мантии при интенсивном вулканизме. Есть достаточно доказательств, что при этом на поверхность Земли поступали пары воды и газообразные соединения углерода, серы и азота.

Первичная атмосфера Земли была очень тонкой, разреженной, атмосферное давление у поверхности не превышало 10 мм ртутного столба. По составу она была схожа с теми газами, которые выбрасывались при извержении вулканов. Это подтверждает анализ пузырьков газа, обнаруженных в протоархейских породах (60% – углекислота, 40% – соединения серы, аммиака, метана, другие окислы углерода, а также пары воды). Первичная атмосфера не содержала свободного кислорода, поскольку его не содержали вулканические газы.

Воды первичного океана имели примерно такой же состав, как и сегодня, но в них так же, как и в атмосфере, отсутствовал свободный кислород. Таким образом, свободный кислород, а значит, и химический состав современной атмосферы, как и свободный кислород океанов Земли, не были первоначально заданы при рождении нашей планеты как небесного тела, а являются результатом жизнедеятельности первых живых организмов, составивших первичную биосферу Земли.

Под действием солнечных и космических лучей, проникавших через разреженную атмосферу, происходила ионизация, превращавшая атмосферу в холодную плазму. Поэтому атмосфера ранней Земли была насыщена электричеством, в ней вспыхивали частые разряды. В таких условиях шло быстрое и одновременное синтезирование разнообразных органических соединений, среди которых были и весьма сложные. Эти соединения, как и те, что попали на Землю в уже готовом виде из космоса, представляли собой подходящее сырье, из которого на следующей стадии эволюции могли образовываться аминокислоты и нуклеотиды.

Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектоническую активность, заработали вулканы, выделявшие огромное количество вулканических газов. Это уплотнило атмосферу, отодвинув границу ионизации в верхние слои. При этом процесс образования органических соединений продолжался.

Частые грозы с длительными ливнями приносили эти элементы в водоемы, покрывавшие нашу планету, добавляя их к тем, что уже были растворены в них. Таким образом, были накоплены большие запасы органического сырья. По некоторым подсчетам, его масса оценивается в 10¹⁶ кг, что всего на 2–3 порядка меньше массы современной биосферы. Согласно расчетам, концентрация этого вещества в водах океана составляла 1%.

После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимеры, аминокислоты и нуклеотиды, «кирпичики» белков и нуклеиновых кислот. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например на глине или гидроокиси железа, образующих ил водоемов. Кроме того, органические вещества могли образовывать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.

Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ и появлением протобионта – молекулы РНК в результате скачка, приведшего к образованию живого из неживого. Протобионты представляли собой системы органических веществ, покрытых оболочкой, способных взаимодействовать с окружающей средой, то есть расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды богатых энергией веществ, а также умеющих размножаться, передавая полезные признаки своим потомкам.

К сожалению, механизм перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам наукой пока не установлен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней между первичными сгустками органических веществ (коацерватов) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей стабильность данным сгусткам. Именно с появлением мембраны можно говорить о рождении клетки.

Все трудности, которые возникают у ученых при решении проблемы происхождения жизни, мы описали выше. Тем не менее, жизнь возникла и после этого стала развиваться быстрыми темпами, претерпевая изменения, а также меняя окружающую ее среду, весь облик нашей планеты.