ВОЗНИКНОВЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ

План.

1. Космические и планетарные предпосылки эволюции жизни и биосферы.

2. Основные подходы к периодизации эволюции биосферы.

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 некое 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.). 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 — ядро, составленное из более тяжелых элементов с очень высокими температурами и давлением. Ядро окружено сферой, 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 назад. Считается, что возраст Земли составляет 4,5 — 4,7 млрд лет (по некоторым данным, около 7 млрд лет). В настоящее время практически не сохранились горные 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.

Время появления первых следов живых существ совпадает с возрастом древнейших пород планеты. В сильно метаморфизированных 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 горных породах, 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 относительно быстро (с геоло­гической точки зрения) после формирования земной коры. Зем­ная кора могла возникать и затем разрушаться, поэтому нельзя исключить, что жизнь на Земле появлялась и временно исчезала. 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. Можно предположить, что образование органических соедине­ний в Солнечной системе на ранних стадиях ее развития возмож­но 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 400 °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, похожим на углистые хондриты. 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 (М.И.Будыко, 1984).

В 1924 г. А. И. Опариным, а позднее Дж.Холдейном (1929) 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. Поскольку 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 из окружающей среды химические соедине­ния, вызывая синтез новых соединений и за счет этого коацерва­ты могут «расти». При сотрясении коацерваты могут дробиться, а вновь образовавшиеся капли сохраняют 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. Одними из них были 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 лет, 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. Они, воз­можно, 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 10" (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.

Поиск по сайту: