Г.В.Войткевич

Возникновение и развитие жизни на Земле

Предисловие

Проблема происхождения жизни актуальна в современном естествознании. По ней ведутся интенсивные исследования в различных научных центрах нашей страны и за рубежом. Огромное количество разрозненных эмпирических данных требует новых подходов, новых принципов обобщения. Проблема происхождения жизни является комплексной, и ее решение становится не под силу одному человеку. В процессе подготовки и написания этой книги автор хорошо усвоил слова выдающегося английского физика и натуралиста Дж. Бернала (1901—1971) о том, что любое решение проблемы происхождения жизни, предложенное отдельным человеком, каким бы образованным и талантливым он ни был, неизбежно будет пристрастным и уязвимым для критики, потому что оно будет основываться на идеях или предполагаемых фактах, относящихся частично к тем областям науки, с которыми он непосредственно незнаком.

Несмотря на то что над проблемой происхождения жизни работают преимущественно биохимики и специалисты в области молекулярной биологии, решение ее не может быть достигнуто без участия исследователей, которые заняты изучением среды возникновения и развития жизни, т.е. геологов, палеонтологов, геохимиков и др. Крайне необходимым является также привлечение данных современной космохимии.

В 1976 г. автор данной книги писал; ''Основные предпосылки появления жизни на Земле были созданы в конце остывания первичной газовой туманности. На последних этапах остывания в результате каталитических реакций биофильных элементов образовались многочисленные органические соединения, обусловившие появление генетического кода и саморазвивающихся молекулярных систем.

Возникновение Земли и жизни представляло собой единый взаимосвязанный процесс — результат химической эволюции вещества Солнечной системы.

Успехи науки, появление новых эмпирических данных в геохимии, космохимии, экспериментальной биохимии вполне подтверждают это положение. Развитию Жизни на Земле посвящено много книг, в том числе и научно-популярных. Тем не менее последние открытия в области микропалеонтологии и геохимии изотопов позволяют заново описать увлекательную историю развития жизни на Земле. Это и воодушевило автора к написанию настоящей книги, в которой с новых позиций рассматривается проблема происхождения жизни,

Современная биосфера Земли и ее население

Да, несомненно, можно утверждать, что все страны света доступны для жизни. Озера с пресной водой, скрытые в недрах вулканических гор, источники горячих минеральных вод, глубины океана, верхние области атмосферы, поверхность самых вечных снегов — всюду мы находим организованные существа.

Живые организмы совместно со средой обитания, с которой они неразрывно связаны путем обмена веществ и энергетически, образуют особую оболочку Земли — биосферу. Современная биосфера нашей планеты со всем ее населением явилась результатом длительной эволюции живого вещества и изменения всей окружающей среды.

Представление о биосфере впервые было освещено в трудах знаменитого французского натуралиста Ж. Б. Ламарка (1744—1829). В геологические науки биосфера была включена по инициативе австрийского геолога Э. Зюсса (1834—1914). Однако грубокое учение о биосфере как качественно особой в энергетическом и геохимическом отношении оболочке Земли было развито в нашей стране выдающимся натуралистом В. И. Вернадским (1863—1945). В дальнейшем это учение пополнилось новыми идеями, разработанными А. П. Виноградовым, В. В. Ковальским, А. А. Полыновым, А. И. Пе-рельманом и другими, главным образом советскими, учеными.

Биосфера представляет собой сложнейшую организацию материи, в которой различные ее неорганические формы движения связаны с живым веществом. Миллионы видов организмов, существующих в биосфере, живут не сами по себе, а в закономерных ассоциациях многочисленных особей — биоценозах. По существу, зарождение первых живых организмов на нашей планете было появлением биоценозов. Иначе говоря, любая форма жизни связана с определенной средой, и, таким образом, проблема происхождения жизни есть проблема происхождения биосферы.

Для каждого организма обмен с внешней средой стал непременным условием его существования. По-видимому, всю биосферу нашей Земли следует понимать как ту часть ее материи, которая обменивается с живым веществом. По отношению к среде своего обитания все живые организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. К автотрофным организмам относятся те, источником питания которых служат неорганические минеральные вещества. Наиболее типичным процессом автотрофного питания является фотосинтез, когда с помощью солнечного луча создаются органические вещества из углекислого газа и воды окружающей среды. Для гетеротрофных организмов источник питания — готовые органические вещества. Нетрудно себе представить, что к автотрофным организмам относятся зеленые растения, а к гетеротрофным—животные. Однако следует отметить, что в биосфере существует небольшая часть микроорганизмов, сочетающих в себе автотрофный и гетеротрофный способы питания. Такую промежуточную форму организмов между растениями и животными представляют собой жгутиковые — эвглены, сохраняющие хлорофилл и обладающие автотрофным способом питания, а некоторые из них в зависимости от условий среды и освещения меняют автотрофный способ питания на гетеротрофный.

Большинство организмов современной биосферы относятся к аэробным, живущим в присутствии свободного кислорода атмосферы Земли; значительно меньшая часть, куда входят микроорганизмы,— к анаэробным, обитающим вне кислородной среды.

Живые организмы расселяются по условиям своего обитания в самых верхних слоях планеты: атмосфере, гидросфере, почве, осадочной оболочке — стратисфере. Организмы в биосфере образуют резко различные концентрации — от единичных бактерий и спор на кубометр атмосферного воздуха до мощных тропических лесов экваториального пояса планеты и следов жизни в пучинах Мирового океана.

Совокупность живых организмов образует единое целое — живое вещество планеты, ее биомассу. Общее количество биомассы и ее распределение между сушей и морем, по данным советских ученых Н. И. Базилевич, Л. Е. Родина и Н. Н. Розова, представлено в табл. 1. Нетрудно видеть, что биомасса организмов суши '(континентов) едва ли не в 800 раз превышает биомассу Мирового океана. Естественно заключить, что выход организмов на сушу в.. середине палеозойской эры привел к значительному увеличению всей биомассы Земли со всеми вытекающими биогеохимическими последствиями. В свое время В. И. Вернадский пришел к выводу о постоянстве биомассы в течение всей истории Земли. Однако этот вывод в настоящее время следует принимать весьма условно.

Поскольку условия для жизни в Мировом океане были наиболее благоприятными, можно считать, что гидросфера Земли отличалась постоянством биомассы на всем протяжении ее существования. В данном случае общее количество массы живого вещества определялось площадью поверхности Мирового океана — величиной, очевидно, изменчивой и зависящей от геологического развития земной коры.

Все организмы нашей планеты теснейшим образом связаны с водой. Как писал известный немецкий физиолог Р. Дюбуа (1818—1896), организм является одушевленной водой—eau animale. Для живого организма связанная вода, не теряющая своих основных свойств, является непременным составным компонентом. Количество ее в живых организмах, 3а исключением спор и инертных семян, колеблется от 60 до 99,7 % по весу. Вода играет огромную роль в жизнедеятельности организмов. У высших животных больше всего насыщены водой интенсивно функционирующие органы. Если в скелете 22% воды, в мышцах 76,6, то в сердце содержание воды повышается до 79,3, а в коре полушарий головного мозга достигает 83,3%. У молодых организмов в период интенсивного роста количество воды превышает 90%, а у взрослых падает до 50%. Из низкоорганизованных наиболее ярким примером являются медузы, количество воды в них 99,9% по весу. Но медузы — тела сложные, подвижные в морской среде. В то же в рем'' фауна моря более разнообразна по числу классов животных-, чем фауна суши.

Таким образом, эволюция основных классов я типов животного мира была тесно связана с водной средой обитания, что наложило свои отпечаток и на облик живущих ныне организмов.

В химическом отношении основу живого вещества составляет углерод, обладающий уникальной способностью создавать бесконечное множество разнообразных химических соединений. Любая форма живого организма состоит из сочетаний немногих химических элементов. Например, 96% массы человеческого тела составляют такие весьма распространенные в биосфере элементы, как Н, С, N, О. Остальные элементы входят в состав живых организмов в относительно небольших количествах, несмотря на исключительно важную роль некоторых из них в физиологических функциях. Можно считать, что все элементы таблицы Менделеева входят в состав живого вещества планеты, но в различных количествах. Общий характер распространенности химических элементов в живом веществе по степени их содержания показан в табл. 2.

Живые организмы обладают избирательной способностью использовать химические элементы из внешней среды в соответствии со своими физиологическими потребностями. Многие элементы входят в состав как органических, так и минеральных соединений живых существ, Их можно подразделить на главные структурные элементы (С, Н, N, О, Р, S, Na, К, F, Mg, Si, Ca) и элементы-биокатализаторы (Fe, Си, В,