Эволюция биосферы
Шрифт:
Основополагающие работы А. И. Опарина и его многочисленных последователей позволили нарисовать вероятную картину зарождения жизни на Земле. Первоначально казалось, что этот процесс начинается с синтеза простейших органических соединений в первичной атмосфере Земли и водах океана под влиянием различных источников энергии. Работы последних лет, однако, показали, что такие соединения, как вода, аммиак, синильная кислота, формальдегид, метилцианид, метилацетилен и некоторые другие вещества, широко распространены в межзвездном пространстве. Формальдегид, в частности, обнаружен примерно в 60% из 22 исследованных областей, его облака с концентрацией примерно тысяча молекул в 1 см3 заполняют обширные области пространства. Предшественники
22
Опарин А. И. Предисловие к русскому изданию книги Фокс С., Дозе К. Молекулярная эволюция и возникновение жизни. М., Мир, 1975, с. 6.
Поступившие из Космоса углеродсодержащие соединения, вместе с веществами первичной атмосферы, т. е. метаном, аммиаком, водородом и парами воды подвергались воздействию различных источников энергии (коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца, грозовые разряды, высокая температура в районах повышенного вулканизма). В результате подобных воздействий простейшие органические соединения многообразно изменялись и усложнялись.
Возникали молекулы сахаров, аминокислот, азотистых оснований и других углеродсодержащих соединений, из которых построены белки, нуклеиновые кислоты, жиры и вещества — переносчики энергии, такие, например, как аденозинтрифосфат (АТФ) (рис. 1).
Принципиальная возможность образования сложных соединений из относительно простых была доказана многими исследователями. Еще в 1861 г. известный русский ученый, один из основателей органической химии, А. М. Бутлеров, обнаружил, что в растворе формалина в известковой воде при стоянии в теплом месте образуется сахаристое вещество. Шесть молекул формальдегида (CH2O), объединяясь, дают более сложно устроенные молекулы сахара.
Рис. 1. Образование простейших органических соединений из газов первичной атмосферы под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца
Другой русский ученый, А. Н. Бах, показал, что в водном растворе формалина и цианистого калия возникают еще более сложные вещества. Эти вещества вполне могли служить питательной средой для микроорганизмов.
Американский исследователь С. Л. Миллер показал в 1953 г., что в результате пропускания искрового разряда через смесь метана, аммиака, водорода и воды возникают аминокислоты: глицин, аланин, саркозин, -аланин, -аминомасляная кислота, N-метилаланин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота. Выход глицина составил 2,1% по отношению к исходному количеству углерода. Кроме аминокислот, в ходе реакции образовались и другие соединения, в частности такие органические кислоты, как муравьиная, уксусная, пропионовая, гликолевая, молочная.
Вслед за исследованиями Миллера другие авторы получили такие же результаты, использовав иные источники энергии: нагревание, бомбардировку -частицами, облучение ультрафиолетовыми лучами. Выявилась очень интересная закономерность: различные источники свободной энергии приводили к образованию сходных веществ. Специфичность синтезов определялась не особенностью энергетического источника, а спецификой реагирующего материала.
В этих опытах были соблюдены те условия, которые в более отдаленное время привели к образованию химических элементов в недрах звезд:
1. Имелась масса относительно простых компонентов — газы примитивной атмосферы.
2. Взаимодействие компонентов приводило к образованию более сложных соединений.
3. Имелся источник свободной энергии, необходимой для осуществления синтезов.
4. Вновь образующиеся вещества поступали в воду и тем самым предохранялись от распада на исходные компоненты.
5. Взаимодействие вновь образующихся веществ друг с другом открывало возможность дальнейшей эволюции.
Как уже говорилось, самые различные источники энергии приводят к сходным результатам. Однако это вовсе не значит, что они равноценны. Из всех исследованных форм энергии преимущество следует отдать ультрафиолетовому излучению Солнца (спектральная область от 2000—2500 A). В пользу такого вывода можно привести два довода. Во-первых, в экспериментальных условиях под влиянием ультрафиолетового облучения указанными длинами волн удается синтезировать практически все простейшие соединения, на основе взаимодействия которых могла происходить дальнейшая эволюция органических соединений. Во-вторых, это наиболее постоянный и вместе с тем достаточно мощный источник свободной энергии.
С. Л. Миллер и Г. С. Юри [23] приводят следующие данные о формах свободной энергии на нашей планете (в кал/см2 в год):
| Солнечное излучение в целом | 260 000 | |
| Ультрафиолетовое излучение на границе с атмосферой при длинах волн | < 2500A | 570 |
| < 2000 A | 85 | |
| < 1500 A | 3,5 | |
| Электрические разряды | 4,0 | |
| Космические лучи | 0,0015 | |
| Радиоактивность (на глубине до 1,0 км) | 0,8 | |
| Вулканы | 0,13 |
23
Цит. по: Каньон Д., Стейнман Г. Биохимическое предопределение. М.: Мир, 1972, с. 112.
В настоящее время слой озона поглощает ультрафиолетовое излучение короче 2900 A, поэтому поверхности Земли достигает лишь длинноволновый ультрафиолетовый свет. В предбиологическое время озонового экрана не было, так как содержание кислорода было ничтожным, и на поверхность планеты проникали ультрафиолетовые лучи области 2400—2900 A. Американский исследователь К. Саган (1966) подсчитал, что образовавшееся за счет энергии этих лучей органическое вещество способно создать в водах океана раствор 1% крепости. Тот же исследователь пришел к выводу, что за счет энергии химических связей образующегося в результате ультрафиолетового облучения аденозинтрифосфата может существовать популяция бактерий кишечной палочки численностью 20 тыс. экземпляров в столбе воды сечением 1 см2.
Иначе говоря, ультрафиолетовое излучение Солнца — постоянный источник свободной энергии — способно на первых этапах формирования жизни на Земле обеспечить ход мощных синтетических процессов, неорганический фотосинтез.
Важнейшим условием синтеза сложных органических соединений было ничтожное содержание в атмосфере свободного кислорода (по расчетам Г. Юри, около 0,001 от содержания его в наше время). Во-первых, подобные соединения могли образоваться лишь в отсутствие кислорода и, во-вторых, их относительная стабильность обеспечивалась лишь в бескислородной среде. Содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от современного около 1 млрд. лет назад (Б. С. Соколов, 1976).
Начало эволюции химических соединений в направлении жизни датируется с момента образования земной коры, т. е. около 4,5 млрд. лет тому назад. Следовательно, этап биохимической эволюции, приведший в конце концов к формированию простейших организмов, превышает 2 млрд. лет!
Итак, формирование первичных организмов из неорганических соединений типа сахаров, аминокислот, азотистых оснований, полифосфорных соединений, органических кислот и других относительно простых веществ заняло около двух миллиардов лет. По поводу того, как все это происходило, было высказано несколько точек зрения. Одно время широким распространением пользовалась точка зрения, согласно которой возникновение первичной живой молекулы из неживых компонентов — процесс чисто случайный. В результате взаимодействия простейших веществ вдруг, случайно возникла живая молекула, способная размножаться. Такого представления придерживался известный американский генетик лауреат Нобелевской премии Г. Меллер (1937). По его мнению, элементарная единица наследственности — ген — одновременно является и основой жизни. Жизнь возникла в форме гена, путем случайного сочетания атомных группировок и молекул, встречающихся в водах первичного океана.