Эволюция биосферы

Камшилов Михаил Михайлович

Некоторые исследователи попытались подсчитать вероятность случайного возникновения сложной молекулы из простых соединений. Рибонуклеиновая кислота вируса табачной мозаики, например, содержит в своем составе 6000 расположенных определенным образом нуклеотидов. Немецкий биохимик Г. Шрамм (1966) привел расчет вероятности возникновения этого соединения в результате случайного сочетания нуклеотидов. Получается 1 : 10²⁰⁰⁰. Масса Вселенной исчисляется величиной порядка 10⁸⁰ протонов. Шрамм пишет, что за 10⁹ лет, отведенных для синтеза простейшего организма, трудно рассчитывать получить одну молекулу рибонуклеиновой кислоты вируса табачной мозаики даже в том случае, если бы весь Космос представлял собою реагирующую смесь нуклеотидов. При современном уровне знаний биохимического строения субстрата жизни гипотеза внезапного случайного возникновения живой молекулы из неживых компонентов уже не может рассматриваться как серьезная.

Начиная с 1924 г. — года появления первой

монографии А. И. Опарина о возникновении жизни на Земле — все большее значение приобретает другая точка зрения — эволюционное возникновение живого в результате взаимодействия простейших органических соединений, постепенно объединяющихся во все более и более сложные комплексы. Этому процессу благоприятствовало высокое содержание простых органических соединений в поверхностных водах молодой Земли, достигавшее концентрации от одного (К. Саган) до 10% (Т. Юри), наличие весьма разнообразных условий (различных глубин, мелких и крупных водоемов, районов повышенного вулканизма и т. д.), постоянный приток свободной энергии, в частности, ультрафиолетового излучения Солнца. На базе круговорота, включающего атмосферу, гидросферу, растворенные в воде минеральные элементы, который можно назвать большим абиотическим круговоротом, возник круговорот органического вещества. Если основным содержанием абиотического круговорота был перенос минеральных элементов с одного места на другое или изменение агрегатного состояния (круговорот воды), то в круговороте органических веществ существенными стали процессы синтеза и разрушения: сохранялись более устойчивые соединения, распадались малоустойчивые, оказывающиеся в силу этого своеобразной «пищей» для относительно устойчивых. Соотношение процессов синтеза и распада органических соединений зависело, однако, не только от их химической природы, но и от места в круговороте органического вещества.

В поверхностных слоях водоемов днем под влиянием интенсивного ультрафиолетового облучения преобладали процессы распада; на глубине, а также ночью и в поверхностных слоях преимущественно шел синтез. По мере обогащения водоемов органическим веществом, поглощающим ультрафиолетовое излучение Солнца, глубина зоны синтеза уменьшалась, а следовательно, увеличивалась вероятность возникновения все новых и новых, все более и более сложных органических соединений из относительно простых веществ.

Одна из главных особенностей жизни — круговорот органического вещества, основанный на постоянном взаимодействии противоположных процессов синтеза и деструкции, Этот круговорот, по-видимому, возник очень рано. На его основе шло формирование всех других особенностей, отличающих живые организмы от тел неживой природы.

Вывод о решающей роли взаимодействия синтеза и деструкции органического вещества в формировании жизни становится очевидным не сразу, и на его обосновании следует остановиться более подробно. Предположим, что процессы деструкции господствуют безраздельно. Само собой разумеется, что на такой основе возникновение сложного из простого невозможно. Но и противоположное предположение неизбежно ведет в тупик. Если происходят только синтетические процессы, все органические вещества за миллиарды лет преобразуются в какие-то сложные агрегаты без обмена веществ. Это будет не жизнь, а кристаллизация. Нельзя не вспомнить слова выдающегося французского физиолога Клода Бернара, писавшего в 1870 г.: «Жизнь может быть только там, где есть вместе и синтез, и органическое разрушение» [24] .

24

Бернар К. Курс общей физиологии. СПб.: Изд-во Билибина, 1878, с. 110.

Если жизнь начала развиваться как единство процессов синтеза и деструкции органического вещества, она, по-видимому, на первых этапах не была связана с отдельными организмами. Иначе говоря, жизнь появилась раньше живых организмов. Такой точки зрения придерживался, в частности, выдающийся английский биолог Д. Бернал (1969), внесший весьма существенный вклад в теоретические представления о ранних этапах развития жизни на нашей планете.

Таким образом, жизнь на первых этапах своего развития неизбежно должна была пройти стадию взаимодействия между простейшими органическими соединениями, содержащими некоторый запас энергии, накопленной за счет ультрафиолетового излучения Солнца.

Вопрос об источниках энергии первичных биосинтезов различные исследователи решали по-разному. В конце прошлого и в начале нашего века господствовало представление, согласно которому сначала возникли зеленые растительные организмы, способные с помощью энергии видимого солнечного света строить вещества своего тела из простейших минеральных элементов. Изучение фотосинтеза показало, что механизм запасания световой энергии с помощью хлорофилла (фотоавтотрофия) — процесс весьма сложный, и предполагать, что он мог возникнуть сразу, нет никаких оснований. Сейчас гипотеза первичности фотоавтотрофии отвергнута всеми исследователями. Не лучше обстоит дело с представлением о первичности хемосинтетиков. К таковым относятся микроорганизмы, использующие для целей биосинтезов энергию окисления некоторых неорганических соединений, например соединений железа, серы. Обмен веществ подобных микроорганизмов весьма специализирован. Скорее всего, как думает А. И. Опарин, они являются продуктом длительной эволюции, а не ее пионерами.

На смену представлению первичности автотрофных организмов, использующих для целей биосинтезов энергию Солнца (фотоавтотрофы) или энергию окисления химических соединений (хемоавтотрофы), пришла хорошо разработанная теория А. И. Опарина (1957, 1960) о первичности гетеротрофных форм обмена: «Исходным источником энергии и строительных материалов для первичных живых существ служили абиогенно возникшие органические вещества окружающей организм внешней среды» [25] . Автотрофные организмы, в частности фотосинтетики, развились спустя какой-то промежуток времени: «Способность к фотосинтезу возникла у них значительно позднее как добавочная надстройка на прежний гетеротрофный механизм обмена веществ» [26] .

25

Опарин А. И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. М.: Наука, 1969, с. 97.

26

Там же, с. 256.

Главные аргументы в пользу этой гипотезы, как считает A. И. Опарин, заключаются в следующем:

1. «...в основе обмена всех современных организмов лежат системы, специально приспособленные к использованию готовых органических веществ как исходного строительного материала для процессов биосинтеза и как непосредственного источника необходимой для жизни энергии...

2. ...подавляющее большинство населяющих нашу планету биологических видов вообще может существовать только при их постоянном снабжении готовыми органическими веществами».

3. У гетеротрофных организмов мы не находим «даже следов, рудиментарных остатков тех специфических ферментных комплексов и сочетаний реакций, которые являются необходимыми для осуществления автотрофного образа жизни» [27] .

Все три аргумента неоспоримо опровергают старые примитивные представления о первичности автотрофного способа существования. Однако они не опровергают еще одной возможности, которая в теории А. И. Опарина не обсуждается. Речь идет о представлении, впервые высказанном В. И. Вернадским. Рассматривая геохимические функции биосферы, он писал в 1931 г.: «...среди миллионов видов нет ни одного, который мог бы исполнять один все геохимические функции жизни, существующие в биосфере изначала. Следовательно, изначала морфологический состав живой природы в биосфере должен быть сложным» [28] . Поэтому «первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде появления одного какого-либо организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохимическим функциям жизни» [29] . Близкие по содержанию мысли высказывал известный советский биолог Б. П. Токин: «уже с самого начала возникновения органического мира мы имеем не только взаимодействие возникшего живого со своим прародителем, неорганическим миром, но и взаимодействие живых веществ, существ» [30] .

27

Там же, с. 93, 94.

28

Вернадский В. И. Биогеохимические очерки. М.: Изд-во АН СССР. 1940, с. 205.

29

Там же, с. 207.

30

Токин Б. П. Вопросы биологии. Ташкент, 1935, с. 43.

Другой выдающийся советский ученый И. П. Наумов, говоря о ранних этапах развития жизни, писал: «Надо полагать, что и тогда жизнь была возможна как круговорот веществ в природе. А ведь этот последний может осуществляться только в сообществах, объединяющих качественно различные организмы. Именно в таких сообществах и могут возникать внутренние противоречия, служащие двигательной силой эволюции» [31] .

Если первый этап формирования жизни выражается в специфическом круговороте органических соединений, то гетеротрофный и автотрофный способы обмена противопоставлять нельзя. Дело в том, что пока атмосфера содержала метан, аммиак, окись углерода, пары воды, сероводород, под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца образовались органические соединения. Эти фотохимические реакции синтеза — несомненный зародыш фотоавтотрофии. Поступая в водоемы, продукты фотохимической реакции вступили во взаимодействие с уже накопившимся в них органическим веществом. Энергия, запасенная в итоге фотохимических реакций, использовалась для новых синтезов. В этом можно усматривать зачаток гетеротрофной формы обмена.

31

Наумов И. П. Взаимодействие со средой единичных организмов и популяций животных. — В кн.: Философские вопросы биологии. М.: Изд-во МГУ, 1956, с. 308.