Периодизация истории биосферы
5.1. Космические и планетарные предпосылки эволюции жизни и биосферы
Предполагается, что Земля наряду с другими планетами возникла из газопылевого облака в результате гравитационной конденсации. Отдельные частицы соединялись в небесное тело, размер которого возрастал в результате падения на него новых частиц под действием сил притяжения. В ходе формирования Земли происходило постепенное разогревание ее глубоких слоев под влиянием выделения тепла при распаде ряда радиоактивных элементов (урана, тория, калия и др.). Наряду с этим значительное количество тепла выделялось при сжатии Земли под действием силы притяжения и при падении на планету околосолнечного вещества. Нагревание способствовало ее дифференциации на несколько сфер. Центральная из них - составленное из более тяжелых элементов ядро с очень высокими температурами и давлением. Ядро окружено состоящей из менее тяжелых элементов, но также разогретой до очень высоких температур мантией. Наиболее легкие элементы мантии, поднимавшиеся на ее поверхность, образовали земную кору.
Сведения о содержании долгоживущих изотопов радиоактивных элементов свидетельствуют о том, что наиболее древние породы земной коры возникли 3,4-3,8 млрд лет тому назад. Наряду с этим считается, что возраст Земли составляет 4,5-4,7 млрд лет (по некоторым данным около 7 млрд лет). В настоящее время очень редки породы, образованные на протяжении первого миллиарда лет существования Земли, возможно на первом этапе истории планеты интенсивность бомбардировки ее поверхности сравнительно крупными небесными телами не позволяла сформироваться постоянной земной коре.
С возрастом древнейших пород планеты совпадает время появления первых следов живых существ. В сильнометаморфизированных осадочных породах Западной Гренландии, возраст которых достигает 3,8 млрд лет, соотношение изотопов углерода позволяет предполагать влияние на формирование этих пород автотрофных организмов. Следы микроорганизмов были обнаружены в Западной Австралии в слоях, возраст которых составляет около 3,5 млрд лет. В отложениях Южной Африки найдены следы цианобактерий, существовавших свыше 3 млрд лет назад. Таким образом, возникают основания для предположения о том, что первые организмы появились через относительно короткое (с геологической точки зрения) время после формирования земной коры. Земная кора могла возникать и затем разрушаться, поэтому нельзя исключить, что жизнь на Земле появлялась и временно исчезала в эпохи формирования постоянной земной коры.
Данные геохимии и космохимии свидетельствуют о широких возможностях образования органических веществ как предшественников жизни в определенных космических условиях. Органические соединения обнаружены в метеоритах. Большинство их соответствует универсальным звеньям обмена веществ в живых организмах: аминокислотам, белковоподобным полимерам, моно- и полинуклеотидам, порфиринам и др. Но во всех органических веществах метеоритов не обнаружено дифференциации по оптической активности, что свидетельствует об их абиогенном происхождении. Космохимия астероидов и комет позволяет допустить, что большинство их состоит из материала, близкого углистым хондритам. Последние представляют собой силикатные минералы различной степени кристаллизации, богатые органическими высокомолекулярными веществами: насыщенные углеводороды, алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды, карбоновые кислоты, азотистые соединения с молекулярной массой 550-610. Таким образом, образование органических соединений в Солнечной системе на ранних стадиях ее развития было типичным и массовым явлением. На заключительных этапах остывания Солнечной туманности происходил синтез органических веществ как следствие химической реакции между Н2, СО и простейшими соединениями азота. С помощью экспериментов было обнаружено, что когда эти вещества вступают в реакцию при температуре, близкой к 400о К, в присутствии никеля, алюминия или глинистых материалов, то среди конечных продуктов реакции оказываются многие органические вещества, включая аминокислоты. Возникшие в космических условиях органические вещества вошли в состав многих тел, но лишь на Земле реализовались возможности прогрессивной эволюции, обеспечившие быстрое появление саморегулирующих высокомолекулярных систем - непосредственных предков живых организмов. Органические вещества космического происхождения попадали на растущую Землю на последних стадиях ее аккумуляции совместно с материалом типа углистых ходритов. В дальнейшем при радиоактивном нагреве первичной мантии выделились газы и пары, породившие атмосферу и гидросферу. При этом были вынесены и органические соединения, которые в дальнейшем изменились в сторону прогрессивной эволюции, находясь в тесном контакте с твердыми фазами различной степени размельчения (Будыко, 1984).
В 1924 г. А.И. Опариным, а позднее Дж. Холдейном (1929) на основе обобщения накопленных естествознанием фактов была сформулирована гипотеза, рассматривающая возникновение жизни как результат длительной эволюции углеродных соединений. На восстановительную вторичную атмосферу воздействовали потоки энергии: коротковолновое ультрафиолетовое излучение, а также ионизирующее излучение Солнца (сейчас оно экранируется озоновым слоем атмосферы), электрические разряды (грозы, коронные разряды), местные источники тепла вулканического происхождения. В этих условиях мог идти активный химический синтез, при котором из газов вторичной атмосферы через такие промежуточные продукты, как синильная кислота, этилен, этан, формальдегид и мочевина, образовывались сначала мономеры, а затем и простейшие полимеры. Так как окисления не происходило, воды океана обогащались такими соединениями, как аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, сахара, карбоновые кислоты, липиды, образуя так называемый «первичный бульон». Могли идти процессы осаждения, разделения и адсорбции, а на поверхности минералов (например, глин) – и дальнейший синтез более сложных соединений.
На следующем этапе химической эволюции происходило образование биополимеров - так называемых протеиноидов (первичных белков), а также нуклеиновых кислот, между которыми начались взаимодействия. Подходящий протеноид способствовал более быстрому и правильному размножению молекул нуклеиновой кислоты, а с другой стороны – нуклеиновая кислота начала кодировать преимущественно подходящие для нее белки. Так начался каталитический циклический процесс.
Высокомолекулярные органические соединения образуют коллоидные растворы, имеющие тенденцию образовывать сгустки, которые назвали коацерватными каплями или коацерватами. Коацерваты могут адсорбировать различные вещества, в них существует некоторая упорядоченность частиц. В коацерваты могут осмотически поступать их окружающей среды химические соединения, идти синтез новых соединений и за счет этого «коацерваты могут «расти». При сотрясении коацерваты могут дробиться, а вновь образовавшиеся капли сохраняют основные свойства исходного коацервата.
Предполагают, что обособленные системы молекул, способные взаимодействовать с внешней средой, ограниченные от окружения, являлись пробионтами – предшественниками настоящих клеточных организмов. Органические соединения они получали из «первичного бульона», так что им не нужны были ферменты.
По мере обеднения органическими веществами «первичного бульона» для пробионтов селективным преимуществом стало обладание плазматической мембраной, защищающей от потери различных соединений путем диффузии, и способность избирательно их накапливать. Давление естественного отбора стало благоприятствовать формам, способным к синтезу жизненно важных веществ. Устойчивость существования могла быть достигнута путем создания ферментных систем, контролирующих синтез тех или иных соединений. Наиболее важным было создание генетического кода, обеспечивающего воспроизведение себе подобных и наследование последующими поколениями свойств предыдущих.
По последним данным, этот процесс становления механизмов самокодирования начался около 3,4 млрд лет назад и занял не менее 500 млн лет, в два с лишним раза больше времени, чем развитие млекопитающих от их предков – рептилий.
Ю. А. Колясников (1998) предлагает оригинальную гипотезу предбиологической эволюции. 4 млрд лет назад на стадии пульсирующего расширения планеты началась возгонка всей образующейся в процессах выплавления магм воды в подвешенное облачное состояние. Затем эндогенный поток тепла из мантии резко снизился и развился процесс остывания поверхности планеты и нижних слоев атмосферы. В составе сгущающихся облаков уже шел синтез предбиологической органики из метана, циана, угарного газа, углекислоты, сернистого газа, сероводорода и др., подобно тому, как это происходит в пеплово-газовых тучах при вулканических извержениях. На охлажденной силикатной протокоре начался рост гидросферы.
П. Кюри и В. И. Вернадский считали, что правизна-левизна живого вещества есть следствие дисимметрии среды. По модели Ю. А. Колясникова, в жидкой воде роль молекул играют не Н2О, а сверхсжатые тетрамеры Н8О4, которые по распределению внутренних водородных (Н-) связей могут быть зеркально симметричными. Подобной симметрией обладают соразмерные кремнекислородные тетраэдры – «кирпичики» литосферы. Тетрамерная спиральная цепочка воды на силикатном субстрате могла быть как левовращающей, так и правовращающей. На левовращающей спиралевидной цепочке синтезировалась соответствующая аминокислота. Так заработал водно-матричный синтез аминокислотной органики, что подтверждено экспериментами. На правых тетрамерных цепочках начался синтез сахаров - основы нуклеиновых кислот. Синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов сопровождался генерацией водных полимеров и привел к образованию сложных нуклеопротеиновых комплексов с записью в их примитивной РНК однозначного генетического кода. Предбиологическая органика формировалась в пленке растворов на литосфере. Образовалась тонкая пленка связанного водой густого кислого бульона из объемной сети нуклеопротеинового комплекса. Свободная вода на определенном этапе стала разбавлять этот бульон, который делился на фрагменты и изолировался от «чуждой» воды путем образования белковых капсул разного состава; затем появились митохондрии, хлоропласты, плазмиды, первые клетки.
Первые живые организмы были гетеротрофами – организмами, использующими в качестве источника энергии органические вещества. Для поддержания жизнедеятельности они захватывали из окружающей среды абиогенные органические вещества. Затем у наиболее развитых организмов сформировались различные процессы брожения. Атмосфера, в которой содержание углекислого газа все возрастало, позволяла частично покрывать потребность в углекислоте за счет ассимиляции СО2. По мере уменьшения содержания органических веществ в окружающей среде преимущество получили организмы, которые были способны синтезировать органические вещества из неорганических, используя дополнительные источники энергии. Такие организмы назвали автотрофными.
Первыми появились хемотрофы, способные использовать энергию окисления-восстановления минеральных веществ. Вторым способом получения энергии стало использование солнечного света; фотосинтез – способность использовать световую энергию для синтеза органических соединений из СО2 и Н2О, выделяя при этом О2.
Английский физик и биохимик, лауреат Нобелевской премии в области физиологии Фрэнсис Крик (2002) предлагает и обосновывает необычайную гипотезу внеземного происхождения жизни – направленной панспермии. Корни нашей формы жизни тянутся в другую часть Вселенной, где жизнь достигла высшей формы, прежде чем зародилась на Земле. Источником жизни на планете Земля послужили микроорганизмы, посланные на каком-либо виде космического корабля высшей цивилизацией.
Возраст Вселенной, время, прошедшее с Большого взрыва, оценивают периодом от 7 до 20 млрд лет, общепринятой считается цифра в 10 млрд лет. Развитие планет и химических веществ заняло около 1 млрд, остается 9 млрд. Возраст Земли примерно в два раза меньше. Даже по земному сценарию жизнь могла возникнуть на какой-либо дальней планете 9 млрд лет назад, а разумные ее формы 4-5 млрд лет назад могли отправить на молодую Землю некую примитивную форму жизни.
При колонизации космоса эти разумные существа могли поставить задачу подготовки подходящих планет для заселения. Направленная панспермия служила способом создания кислородной атмосферы в местах, которые могут заселить потомки. Возможно, они установили, что жизнь - это действительно очень редкое явление, может, даже, считали себя единственными в своем роде. При угрозе неизбежной гибели по космическим, планетарным причинам эти разумные существа могли пытаться решить задачу распространения «семян» жизни в подходящих планетарных системах.
Общее количество звезд всех типов в нашей галактике составляет приблизительно 1011 (сто миллиардов). Даже если одна десятая из них имеет планетарные системы нужного характера, а одна на сотню – планету подходящей величины на нужном расстоянии от своей звезды, то около миллиона планет нашей галактики имеют условия для зарождения жизни (наличие воды, определенной атмосферы и др.). Даже если их только десять тысяч, то исходя из размеров галактики среднее расстояние между ними составит несколько тысяч световых лет. Прокариоты могут сохраняться в замороженном виде почти неограниченное время в непилотируемом космическом корабле, направленном к подходящей планетарной системе. Для зарождения жизни достаточно небольшого количества (может быть, даже одной клетки) микроорганизмов, похожих на наши бактерии, которые могут жить в очень простой химической среде, содержащей лишь один источник углерода, один источник азота и некое соединение, обычно, но не всегда, органическое, которое они могут использовать для получения энергии.
Ф. Крик считает, что в настоящее время мы не имеем ясного представления о том, как водянистый раствор органических молекул (первичный бульон мирового океана) мог привести к появлению примитивной живой системы. Гипотезу направленной панспермии нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть на основе современных знаний. Если со временем выяснится, что по той или иной причине самозарождение жизни на Земле почти невозможно, то на планете с другими условиями она могла зародиться легче и, возможно, развиваться быстрее.
Информационные аспекты эволюции биосферы. В. И. Вернадский писал: «Жизнь для нас научно известна только как закономерная часть биосферы: жизнь вне биосферы не существует - есть нереальная абстракция» (Вернадский, 1980. С. 287). Он отвергал правомерность, казалось бы, очевидного представления о том, что свойства живого в полной мере присущи отдельному организму, перенося эти свойства на планетарную организацию жизни - биосферу. Известный зоолог В. Н. Беклимишев также утверждал, что мы знаем жизнь только в виде отдельных живых существ, но ни один организм не обладает действительной автархией. Жизнь организована в планетарном масштабе. Дж. фон Нейман, обсуждая идею создания самовоспроизводящихся автоматов, указывал на то, что в ходе процесса неизбежно уменьшение их сложности. Организмы же воспроизводят себя без уменьшения сложности, встречаются даже периоды, когда сложность живого возрастала. По мнению М. М. Камшилова (1974), живые организмы также не являются самовоспроизводящимися системами. Они воспроизводят себя в условиях очень сложной среды, в биосфере, извлекая из нее информацию. Чем сложнее организм, тем большую информацию извлекает из иерархической организованности биосферы.
Любой организм избирательно обменивается со средой веществом и энергией, но для этого он должен получать информацию о состоянии среды, «предвидеть» закономерности ее изменений в пространстве и времени. Информационные сигналы из среды обеспечивают согласованность вещественно-энергетического обмена с суточными, месячными и сезонными изменениями геофизических процессов.
Информационные сигналы регулируют процессы, протекающие внутри организма, взаимоотношения между организмами, взаимодействия организмов с геофизической средой и, наконец, взаимосвязи биосферы с ее космическим окружением.
А. С. Пресман (1976) считает, что слабые электромагнитные поля (ЭМП) - носители информации на всех уровнях иерархии биосферы. Электромагнитная сигнализация осуществляется из внешней среды организмам, внутри организмов, между организмами, в их группах, сообществах и в биосферу из космического окружения. ЭМП распространяются в любых средах обитания жизни - в речной и морской воде, в почве, в тканях организма, могут передаваться при любых метеоусловиях, на любые расстояния по планете. Все биосистемы реагируют на ЭМП. Земная атмосфера прозрачна для ЭМП.
Чувствительность к ЭМП возрастает со степенью усложнения биосистем: от макромолекул к клеткам, органам, организму. Возрастает от простейших организмов до хордовых.
Естественные ЭМП в биосфере простираются в широком спектре частот. Регулярно изменяющиеся ЭМП несут информацию организмам, обеспечивающую согласование ритмов их жизнедеятельности с периодическими вариациями геофизических факторов (освещенности, температуры, давления), а также информацию для пространственной ориентации организмов.
По гипотезе А.С. Пресмана, в яйцеклетке заложена общая программа развития организма с признаками, наследуемыми от родителей, а реализация этой программы связана с восприятием зародышем (от одной его стадии развития к другой) информации - сигналов ЭМП от все более сложных организмов биосферы, начиная от простейших до вида данного организма. Индивидуальное развитие регулируется не только сигналами ЭМП из органической природы биосферы, но и информацией о периодических изменениях геофизической среды.
Углеродистые соединения и их производные широко распространены во Вселенной. Образование из этих «заготовок» живых организмов на нашей планете чаще всего рассматривается как самоорганизация при помощи случайных изменений и естественного отбора. Однако по подсчетам Л. А. Блюменфельда вероятность случайного образования ДНК составляет всего 10-800. Кибернетики утверждают, что самоорганизующихся систем в природе не существует. Прогрессивный направленный ход макроэволюции - усложнение организации биосферы, проявляющееся в увеличении многообразия видов. Совершенствование взаимодействий между организмами, группами и, наконец, всей живой природы с неживой, по-видимому, не достаточно объяснить только случайностью и отбором.
Протопланетный этап развития Земли был связан только с извлечением энергии из космического пространства - лучистой энергии Солнца, энергии космических лучей и т. д. По мере образования земной коры и атмосферы из космической среды извлекается не только энергия, но и «порядок» - организация. Это проявляется в ритмичности, ориентированности, симметрии атмосферных, магнитосферных и ионосферных процессов, причем все эти проявления пространственно-временной организации биогеосферы отражают соответствующую организованность солнечных и космических процессов. На этой энергоинформационной стадии формирования биосферы космическая энергия и информация воспринимаются «по одному каналу» - информация слита с энергией, утилизирующейся в процессах образования зональных структур Земли. На этой стадии и возникали, по-видимому, простейшие органические вещества как закономерная часть геохимических процессов в земной коре и атмосфере.
Новая стадия началась с формированием гидросферы (мирового океана)- водного раствора органических и минеральных соединений, которая становится «колыбелью жизни». Гидросфера - гетерогенная неравновесная система; современные экспериментальные и теоретические исследования приводят к следующим заключениям о свойствах воды:
· вода - это кооперативная система, в которой всякое воздействие распространяется «эстафетным» путем на тысячи межатомных расстояний, т.е. имеет место дальнодействие;
· в водной среде могут образоваться и длительное время сохраняться метастабильные системы (например, гексоаквакомплексы кальция), придающие ей чувствительность к слабым внешним воздействиям;
· образование таких структур, а также большого количества центров кристаллизации может происходить в результате активации различными физическими воздействиями, особенно электромагнитными;
· вода может активироваться ЭМП земного и космического происхождения.
Первичная гидросфера могла активизироваться корпускулярными и электромагнитными излучениями Солнца, космическими лучами, грозовыми разрядами и т.п. Излучения стали носителями пространственно-временной информации, накапливая которую гидросфера образовывала кооперативную систему первичной жизни. Примитивные одноклеточные образовались путем симбиоза «доорганизмов», что также происходило в соответствии с принципами пространственно-временной организации под влиянием космической информации.
Комплекс одноклеточных организмов способен преобразовывать среду. По В. И. Вернадскому, появление жизни на планете было одновременно началом эволюции жизни и биосферы. Биосфера способна извлекать информацию из космического окружения, на фоне относительной устойчивости вещественно-энергетических показателей усложняется ее организованность.
В процессе эволюции повышается организованность живых организмов, возрастает запас внутренней информации, что открывает новые возможности для поглощения дополнительной информации.
Лекция 14