Жизнь на Земле. Естественная история
Шрифт:
Иногда связанный с воспроизведением процесс копирования ДНК может пойти неверно: в какой-то точке происходит ошибка или отрезок ДНК сдвинется и займет другое место. В результате копия получается неточной и созданный ею белок может оказаться совершенно иным. Когда это произошло с первыми живыми организмами, на Земле началась эволюция, так как подобные ошибки в копировании являются источником вариантов, которые путем естественного отбора приводят к эволюционным изменениям. И благодаря микроокаменелостям мы знаем, что уже 3 млрд. лет назад существовало несколько форм бактериевидных организмов.
Воображение бессильно охватить подобные сроки, но мы можем получить некоторое представление о сравнительном соотношении основных этапов истории жизни, если приравняем время, протекшее между этими первыми ее зачатками до наших дней, к одному году. Мы вряд ли уже открыли самые древние окаменелости, и, значит, жизнь началась не 3 млрд. лет назад, а еще раньше, так что один день этого условного года
поскольку на сцене они появились только во второй неделе августа. Наиболее древние следы червей в Большом Каньоне были проложены по илу во второй неделе ноября, а первые рыбы появились в известняковых морях неделю спустя. Маленькая ящерица пробежала по пляжу в середине декабря, а человек возник только вечером 31 декабря.
Но вернемся к январю. Первоначально бактерии питались разнообразными углеродными соединениями, которые накапливались в первозданных морях долгие миллионы лет. Но чем больше становилось бактерий, тем меньше должно было оставаться этой пищи. Совершенно очевидно, что бактерия, сумевшая использовать иной источник питания, должна была оказаться в значительном выигрыше, и в конце концов некоторым из них нечто подобное удалось. Вместо того чтобы поглощать готовую пищу из окружающей среды, они начали производить ее в собственной клетке, черпая необходимую энергию из солнечного света. Этот процесс называется фотосинтезом. Для него, в частности, требуется водород — газ, который в больших количествах выделяется во время вулканических извержений.
В настоящее время условия, очень сходные с теми, в которых жили древнейшие фотосинтезирующие бактерии, можно найти в таких вулканических районах, как Йеллоустон в американском штате Вайоминг. Там огромная расплавленная масса, лежащая всего в каком-нибудь километре под поверхностью земли, нагревает породы вверху. Во многих местах подпочвенные воды имеют температуру выше точки кипения. Они поднимаются по трещинам в породе под все уменьшающимся давлением и внезапно вырываются наружу высокими струями пара и воды. Это гейзеры. В других местах вода разливается на поверхности горячими лужами. По мере того как она растекается и охлаждается, соли, растворявшиеся в ней, пока она прокладывала себе путь вверх, и полученные от расплавленной массы внизу, осаждаются, образуя высокие закраины бассейнов с ярусами террас под ними. В этой почти кипящей, насыщенной минеральными солями воде живут и размножаются бактерии. Некоторые разрастаются в спутанные нити и клубки, другие — в толстые кожистые пласты. Многие ярко окрашены, причем интенсивность их цвета меняется на протяжении года, показывая, благоденствует ли колония или чахнет. Названия, данные этим бассейнам, отражают разнообразие бактерий и великолепие цветовых эффектов, которые они создают: Изумрудная Заводь, Серный Котел, Берилловый Ключ, Огненный Каскад, Заводь Утренней Зари и (бассейн, особенно богатый разными бактериями) Палитра Художника.
Бродя по этой фантастической местности, постоянно ощущаешь характерную вонь тухлых яиц — запах сероводорода, порождаемого реакцией подземных вод с расплавленными породами глубоко внизу. Именно из сероводорода здешние бактерии получают необходимый им водород, и пока они снабжались водородом только благодаря вулканической деятельности, это ограничивало возможность их распространения. Но со временем возникли новые формы, способные извлекать водород из практически вездесущего источника — воды. Их появление решающим образом повлияло на дальнейшее развитие жизни: ведь если от воды отнимают водород, остается второй составляющий ее элемент — кислород. Организмы, совершавшие эту операцию, по своему строению несколько сложнее бактерий. Их назвали сине-зелеными водорослями, потому что они выглядели как близкие родственники зеленых водорослей, которые можно видеть повсюду в прудах и болотах. Однако теперь, когда установлено, насколько они примитивны, их называют цианофитами или просто сине-зелеными. Содержащееся в них химическое вещество, позволяющее им использовать воду в процессе фотосинтеза, — хлорофилл. Он имеется также у истинных водорослей и у высших растений.
Сине-зеленых можно найти в любых скоплениях влаги. Ковры их, расшитые серебряными пузырьками кислорода, устилают дно прудов. В заливе Шарк-Бей на северо-западном берегу тропической Австралии они развились в особенно эффектную и о многом говорящую форму. Вход в Хемелин-Пул, небольшое ответвление этой огромной бухты, перегорожен песчаной отмелью, заросшей валлиснерией спиральной. Движение воды в заливчик и из него настолько затруднено, что от активного испарения под жгучим солнцем соленость в нем стала очень высокой. Из-за этого морские животные вроде моллюсков, которые в обычных условиях питаются сине-зелеными и не дают им особенно размножаться, там жить не могут. И сине-зеленые благоденствуют, никем не тревожимые, как в те далекие дни, когда они были наиболее развитой формой жизни на Земле. Они выделяют известь, образуя каменные подушки у берегов заливчика и искривленные колонны на большей глубине. Тут-то и кроется объяснение таинственных фигур, срезы которых видны на Ганфлинт-Черте. Сине-зеленые колонны Хемелин-Пула — это живые строматолиты, и, разглядывая их группы на испещренном солнечными бликами морском дне, мы словно переносимся в мир, от которого нас отделяют 2 млрд. лет.
Появление сине-зеленых было критическим моментом в истории жизни. Кислород, который они выделяли, накапливался сотни и сотни миллионов лет, создавая нашу современную атмосферу, значительную часть которой он составляет. От него зависит наша жизнь и жизнь всего живого. Мы нуждаемся в кислороде не только, чтобы дышать, — он защищает нас. Атмосферный кислород образует заслон, слой озона, который поглощает почти всю ультрафиолетовую часть солнечного излучения. Именно эти лучи обеспечивали энергию для синтеза аминокислот и сахаров в первозданном океане, а потому появление сине-зеленых исключило возможность того, что жизнь на Земле когда-либо вновь возникнет тем же способом.
На этой стадии развития жизнь пребывала очень долго. Но затем произошел следующий решительный скачок. Как именно это произошло, мы еще точно не знаем, но подобия организмов, возникших в результате этого скачка, можно найти буквально в любом пресном водоеме.
Капелька прудовой воды под микроскопом кишит крохотными организмами: одни вертятся, другие ползают, третьи ракетами проносятся поперек поля зрения. Их групповое название — простейшие. Все они — одноклеточные, однако внутри их оболочек находятся структуры куда более сложные, чем у бактерий. Основной компонент такой структуры — ядро, полное ДНК. Оно, по-видимому, и является организующей силой клетки. Продолговатые тельца — митохондрии — обеспечивают ее энергией, сжигая кислород, примерно так же, как бактерии. У многих клеток имеется быстро виляющий жгутик, который сходен с нитевидной бактерией спирохетой. Кроме того, некоторые простейшие организмы обладают хлоропластами — телами, содержащими хлорофилл и, подобно сине-зеленым, использующими солнечный свет для образования сложных молекул, служащих им пищей. Таким образом, каждый из этих мельчайших организмов как бы объединяет в себе ряд более простых организмов. По мнению некоторых исследователей, простейшие и представляют собой именно такое объединение. Быть может, клетка, которая обычно питалась, обволакивая другие частицы, при каких-то обстоятельствах включила в себя некоторое количество бактерий и сине-зеленых, оставшихся непереваренными, и в результате образовалось сообщество, ведущее единую жизнь в еще невиданной близости. Но каким бы образом ни возникли эти организмы, микроокаменелости свидетельствуют, что столь сложные клетки появились примерно 1200 млн. лет назад, то есть в начале сентября нашего условного «года жизни».
Простейшие, как и бактерии, размножаются делением, но их внутреннее строение гораздо сложнее, и, естественно, деление простейших — процесс тоже очень сложный. Большинство отдельных структур, входящих в сообщества, также делятся. Более того, митохондрии и хлоропласты, обладающие собственной ДНК, нередко делятся независимо от деления всей клетки. ДНК ядра разделяется особо сложным способом, обеспечивающим копирование всех ее генов, причем таким образом, что обе дочерние клетки получают полный их набор. У различных простейших существует еще несколько способов размножения. Они разнятся в частностях. Но характерной особенностью всех способов является та или иная перетасовка генов. В некоторых случаях это происходит, когда две клетки сливаются и обмениваются генами перед тем, как вновь разъединиться, а затем содержат два полных набора генов и после их перетасовки разделяются, образуя две новые клетки, но уже с одним набором в каждой. Такие клетки бывают двух типов — крупная, относительно неподвижная клетка и клетка поменьше, активная, передвигающаяся с помощью жгутика. В этом различии заложена основа разделения полов. Первая называется яйцеклеткой, вторая — сперматозоидом. Когда обе эти клетки сливаются в новую клетку, гены опять располагаются двумя наборами, но уже в новых комбинациях — с генами не одного родителя, а двух. Такая комбинация вполне может оказаться уникальной и даст чуть иной организм с новыми характерными чертами. Разделение организмов по полу увеличивало возможности генетических изменений и тем самым заметно повышало скорость эволюции.
Простейших насчитывается около 10 тысяч видов. Одни покрыты множеством колышащихся нитей, так называемых ресничек, согласованное движение которых обеспечивает перемещение в воде. Другие, в том числе амеба, движутся по-иному: они выпячивают псевдоподии (ложноножки) и переливаются в них. Многие морские простейшие вырабатывают из кремнезема или углекислого кальция раковинки очень сложной структуры и поразительной красоты, открывающейся только исследователю, вооруженному микроскопом. Одни напоминают миниатюрные раковины улиток, другие — чудесные вазы и сосуды. Самые изящные слагаются из блестящего прозрачного кремнезема в концентрические сферы, пронизанные иглами, в готические шлемы, колокольни в стиле рококо и космические корабли в венце радиоантенн. Обитатели этих раковинок высовывают в отверстия длинные нити, которыми и захватывают частицы пищи.