Удивительная палеонтология. История земли и жизни на ней

Еськов Кирилл Юрьевич

Ныне ситуация коренным образом изменилась; как раз замкнутые системы теперь рассматривают как сравнительно редкие исключения из правила. При этом было установлено, что в тех открытых системах, что находятся в сильно неравновесных условиях, могут спонтанно возникать такие типы структур, которые способны к самоорганизации, т.е. к переходу от беспорядка, «теплового хаоса», к упорядоченным состояниям. Создатель новой, неравновесной термодинамики Пригожин назвал эти структуры диссипативными, стремясь подчеркнуть парадокс: процесс диссипации (т.е. безвозвратных потерь энергии) играет в их возникновении конструктивную роль. Особое значение в этих процессах имеют флуктуации – случайные отклонения некой величины, характеризующей систему из большого числа единиц, от ее среднего значения (одна из книг Пригожина так и называется – «Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядочению через флуктуации»).

Одним из простейших случаев такой спонтанной самоорганизации является так называемая неустойчивость

Бенара. Если мы будем постепенно нагревать снизу не слишком толстый слой вязкой жидкости, то до определенного момента отвод тепла от нижнего слоя жидкости к верхнему обеспечивается одной лишь теплопроводностью, без конвекции. Однако когда разница температур нижнего и верхнего слоев достигает некоторого порогового значения, система выходит из равновесия и происходит поразительная вещь. В нашей жидкости возникает конвекция, при которой ансамбли из миллионов молекул внезапно, как по команде, приходят в согласованное движение, образуя конвективные ячейки в форме правильных шестиугольников. Это означает, что большинство молекул начинают двигаться с почти одинаковыми скоростями, что противоречит и положениям молекулярно-кинетической теории, и принципу порядка Больцмана из классической термодинамики. Если в классической термодинамике тепловой поток считается источником потерь (диссипации), то в ячейках Бенара он становится источником порядка. Пригожин характеризует возникшую ситуацию как гигантскую флуктуацию, стабилизируемую путем обмена энергией с внешним миром.

Еще более удивительны явления самоорганизации, происходящие в неравновесных химических системах (например, в так называемых химических часах). Если в ячейках Бенара речь шла о согласованных механических движениях молекул, то здесь мы имеем дело со столь же согласованными, «как по команде», их химическими превращениями. Предположим, что у нас имеется сосуд с молекулами двух сортов – «синими» и «красными». Движение молекул хаотично, поэтому в любой из частей сосуда концентрация «синих» и «красных» молекул будет несколько отклоняться от средней то в одну, то в другую сторону, а общий цвет реакционной смеси должен быть фиолетовым с бесконечными переходами в сторону синего и красного. А вот в химических часах мы увидим нечто совершенно иное: цвет всей реакционной смеси будет чисто-синий, затем он резко изменится на чисто-красный, потом опять на синий и т.д. Как отмечает Пригожин, «столь высокая упорядоченность, основанная на согласованном поведении миллиардов молекул, кажется неправдоподобной, и если бы химические часы нельзя было наблюдать „во плоти“, вряд ли кто-нибудь поверил бы, что такой процесс возможен». (По поводу последнего следует заметить, что первооткрывателю этого типа реакций Б. П. Белоусову пришлось на протяжении многих лет доказывать, что демонстрируемые им – причем именно «во плоти»! – химические часы не являются просто фокусом.) Помимо химических часов, в неравновесных химических системах могут наблюдаться и иные формы самоорганизации: устойчивая пространственная дифференциация (в нашем примере это означало бы, что правая половина сосуда окрасится в красный цвет, а левая – в синий), или макроскопические волны химической активности (красные и синие узоры, пробегающие по фиолетовому фону). Однако для того, чтобы в некой системе начались процессы самоорганизации, она должна быть как минимум выведена из стабильного, равновесного состояния. В ячейках Бенара неустойчивость имеет простое механическое происхождение. Нижний слой жидкости в результате нагрева становится все менее плотным, и центр тяжести смещается все дальше наверх; по достижении же критической точки система «опрокидывается» и возникает конвекция. В химических системах ситуация сложнее. Здесь стационарное состояние системы представляет собой ту стадию ее развития, когда прямая и обратная химические реакции взаимно уравновешиваются и изменения концентрации реагентов прекращаются. Вывести систему из этого состояния очень трудно, а в большинстве случаев – просто невозможно; не зря реакции типа «химических часов» были открыты лишь недавно, в 50-е годы минувшего века (хотя их существование было теоретически предсказано математиком Р. Вольтеррой еще в 1910 году). Для того, чтобы устойчивость стационарного состояния оказалась нарушенной, есть одно необходимое (но не достаточное) условие: в цепи химических реакций, происходящих в системе, должны присутствовать автокаталитические циклы, т.е. такие стадии, в которых продукт реакции катализирует синтез самого себя. А ведь именно автокаталитические процессы, как мы знаем из главы 4, составляют основу такого процесса, как жизнь.

Итак, жизнь можно рассматривать как частный случай в ряду процессов химической самоорганизации в неравновесных условиях, происходящих на основе автокатализа. Интересно при этом сопоставить функционирование живых объектов и самоорганизующихся неорганических систем. В примерах самоорганизации, известных из неорганической химии, участвующие в реакциях молекулы просты, тогда как механизмы реакций сложны. Например, в реакции Белоусова – Жаботинского (окисление малоновой кислоты броматом калия, катализируемое солями церия) насчитывается около тридцати промежуточных продуктов. В примерах же самоорганизации, известных из биологии, схема реакции, как правило, проста, а участвующие в ней молекулы (белки, нуклеиновые кислоты) очень сложны и специфичны. Это различие представляется Пригожину чрезвычайно важным, соответствующим фундаментальному различию между биологией и физикой: «У биологических систем (в отличие от физических. – К. Е.) есть прошлое. Образующие их молекулы – итог предшествующей эволюции, они были отобраны для участия в автокаталитических механизмах». Этот вывод впрямую перекликается с известными нам по главе 4 построениями М. Эйгена о самоорганизации молекул на основе матричной репродукции и естественного отбора.

Думаю, не будет ошибкой сказать, что бурно развивающаяся неравновесная термодинамика буквально на наших глазах меняет всю картину мира, в котором мы живем. Например, второе начало термодинамики приобретает в ней совершенно иной философский смысл, ибо именно энтропия является тем самым «сырьем»,

из которого диссипативные структуры могут создать (а могут и не создать – это дело случая!) более высокую, чем прежде, упорядоченность. Для нас же здесь наиболее существенно то, что в ее рамках процесс происхождения жизни теряет свою абсолютную уникальность (а вместе с нею – и сопутствующий мистический ореол) и становится обычной, хотя и чрезвычайно сложной, научной проблемой. Как пишет Пригожин, «старая проблема происхождения жизни предстает в новом свете. Заведомо ясно, что жизнь несовместима с принципом порядка Больцмана, но не противоречит тому типу поведения, который устанавливается в сильно неравновесных условиях». И далее: «Разумеется, проблема происхождения жизни по-прежнему остается весьма трудной, и мы не ожидаем в ближайшем будущем сколько-нибудь простого ее решения. Тем не менее при нашем подходе жизнь перестает противостоять „обычным“ законам физики, бороться против них, чтобы избежать предуготованной ей судьбы – гибели».

Глава 5

Ранний докембрий: древнейшие следы жизни на Земле. Маты и строматолиты. Прокариотный мир и возникновение эукариотности.

В «Происхождении видов» Ч. Дарвин честно и четко сформулировал вопросы, на которые его теория не давала (при тогдашнем уровне знаний) удовлетворительного ответа. Это можно поставить в длинный ряд научных заслуг Ч. Дарвина. Одним из самых серьезных вопросов основатель эволюционной теории считал такой. Известно, что в кембрийских отложениях (возраста 540 млн лет) практически одновременно появляются ископаемые представители почти всех основных подразделений животного царства. По идее, это их появление должно было предваряться длительным периодом эволюции, однако реальные следы этого процесса почему-то отсутствуют: в предшествующих кембрию слоях ископаемых остатков нет. Никаких. Ну чем тебе не «акт творения»?

Один из ведущих специалистов по древнейшим формам жизни У. Шопф (1992), приводя соответствующую цитату, отмечает, что на протяжении почти ста лет после публикации в 1859 году «Происхождения видов» ясности в этом вопросе не прибавлялось. Это, пожалуй, некоторое сгущение красок (в конце XIX – начале XX веков из докембрийских слоев были все-таки описаны гигантские одноклеточные водоросли акритархи и высказывались гипотезы о биологическом просхождении строматолитовых известковых построек – см. далее), но сгущение не слишком сильное. В целом протерозойская и архейская эры, объединяемые в криптозой, или докембрий (см. рис. 2), действительно оставались «Темными веками», откуда практически не было «письменных источников». Все сведения об этом периоде (а это как-никак семь восьмых времени существования нашей планеты!) представляли собой домыслы, проверка которых казалась невозможной.

Как известно, осадочные породы можно разделить по их происхождению на биогенные, т.е. образующиеся при непосредственном участии живых организмов (например, писчий мел), и абиогенные (например, песчаник). В 1922 году В. И. Вернадский, исходя из структуры и геохимических особенностей различных осадочных пород, высказал такое суждение: в геологической истории Земли не удается обнаружить периода (сколь угодно древнего), когда образование всех известных для него осадков происходило бы заведомо абиогенным путем. Следовательно, заключал он, если мы будем твердо стоять на почве эмпирических обобщений (а не всякого рода «общих соображений»), то нам придется признать, что жизнь существовала на Земле всегда – «биосфера геологически вечна». Этот несколько ошарашивающий вывод можно строго переформулировать в виде презумпции (см. дополнение к главе 1): «следует считать, что жизнь на Земле существовала изначально – до тех пор, пока не доказано обратное» (до того презумпция была противоположной). Так вот, в последние десятилетия в области изучения древнейших форм жизни произошла подлинная революция, в ходе которой точка зрения Вернадского получила весьма весомые фактические подтверждения.

Как мы помним из главы 1, древнейшие из известных минералов имеют возраст 4,2 млрд лет (оценка возраста Земли в 4,5–4,6 млрд лет основана на анализе вещества метеоритов и лунного грунта). Возраст же древнейших пород, в которых найден углерод заведомо органического происхождения (в углероде, принимавшем когда-либо участие в реакциях фотосинтеза, необратимо меняется соотношение изотопов 12C и 13C) составляет... 3,8 млрд лет. Цифра, согласитесь, неслабая и сама по себе, однако тут есть еще важное дополнительное обстоятельство. Дело в том, что формацию Исуа в Гренландии, где были обнаружены эти углеродистые прослои, составляют вообще древнейшие на Земле осадочные породы. Значит, первые достоверные следы жизни появляются на Земле одновременно с первыми достоверными следами воды. А поскольку ископаемые могут сохраняться только в осадочных породах (за редчайшими исключениями, вроде захоронений под вулканическими пеплопадами и т.п.), то можно сформулировать и так: достоверные следы жизни известны в геологической летописи Земли с того самого момента, когда возникает принципиальная возможность их фиксации. Таким образом, «презумпция Вернадского» стала теперь фактически неуязвимой.

Еще недавно биологи уверено рисовали (исходя из общих соображений) такую картину. Самый длинный отрезок в истории Земли приходился на образование первых биологических систем из неорганической материи. Несколько меньшее время потребовалось на возникновение первых клеток, и лишь после этого начался все ускоряющийся процесс собственно биологической эволюции. Первыми живыми существами были гетеротрофные микроорганизмы (гетеротрофы), питавшиеся «первичным бульоном» – той органикой, что в избытке возникала в первичной атмосфере и океане в результате процессов, частично смоделированных Миллером. Затем уже возникли и автотрофы, синтезирующие органику из углекислого газа и воды, используя для этого энергию окислительных химических реакций (хемоавтотрофы) или солнечного света (фотоавтотрофы).