Эволюция биосферы: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Часто, особенно в популярной литературе, обсуждается вопрос возможности развития жизни на основе других химических элементов. В частности, дебатируется проблема замены углерода кремнием, а воды аммиаком. Уолд категорически отвергает обе эти возможности. Кремний не способен к образованию кратных связей. Соединение углерода с кислородом в форме углекислоты — легко растворимый в воде газ, хорошо используемый организмами или легко выделяемый ими в процессе обмена. Двуокись силиция — кварц — исключительно плотный, твердый, инертный материал, не способный к активным реакциям. Атомы кремния, подобно углероду, способны соединяться друг с другом, образуя длинные цепи. Однако эти цепи неустойчивы в присутствии воды, аммиака и кислорода. Так как жизнь без воды, по-видимому, невозможна, кремний не может заменить углерод. Всякие рассуждения о кремниевых организмах принадлежат к области малообоснованных фантазий. Не меньшие трудности возникают перед гипотезой замены воды аммиаком.

Кроме перечисленных шести химических элементов-органогенов, в состав живых организмов входят положительные ионы металлов натрия, калия, магния, кальция и отрицательный ион хлора, а также микроэлементы, встречающиеся в организмах в следовых количествах, — марганец, железо, кобальт, медь, цинк — и еще более редкие — бор, алюминий, ванадий, молибден, йод. Таким образом, в состав вещества жизни входит 21 химический элемент. Встречаются и другие атомы, но менее регулярно и, как правило, еще в меньших количествах.

Субстрат жизни, следовательно, построен из трех категорий атомов: из наиболее доступных, наиболее пригодных и имеющих специальное назначение. Кремний не входит в состав 21 элемента, из которых построены основы живого субстрата, однако он активно используется диатомовыми водорослями для формирования кремниевых створок, некоторыми губками для построения скелета и даже высшими растениями для придания прочности стеблю и т. д. Йод входит в состав гормона щитовидной железы позвоночных животных — тироксина, играющего большую роль в обмене веществ, и, в частности, в явлениях метаморфоза у амфибий. Включение в субстрат жизни не только самых распространенных элементов, но и элементов, особенно пригодных для осуществления жизнедеятельности, свидетельствует, что жизнь основывается на свойствах этих атомов. Они не просто части машины, которые без вреда можно заменить аналогичными частями, сделанными из другого материала, как, например, нередко в предметах домашнего обихода металл заменяется пластмассой. Для осуществления функций жизни важны химические свойства составляющих ее атомов, в которых, в частности, выражаются квантовые закономерности. Поэтому вряд ли можно согласиться с идеей о принципиальной возможности моделирования живой системы на основе других элементов, о чем несколько лет тому назад писали некоторые математики.

Эволюция вещества в направлении жизни обеспечивается совершенно определенными космическими и планетарными условиями, а также наличием на планете некоторых веществ и в первую очередь, конечно, жидкой воды.

Значение воды в жизнедеятельности организмов определяется целым рядом физических свойств этого соединения. Замечательны термические свойства воды — большая теплоемкость, высокая скрытая теплота плавления и испарения, низкая теплопроводность, расширение перед замерзанием. Эти свойства обеспечивают относительное постоянство температурного режима океанов, что обусловливает уменьшение амплитуды колебания температуры на земной поверхности. Особые отношения воды к температуре ответственны за ее круговорот в природе, играющий такую большую роль в геологической истории планеты. Температурная аномалия воды — расширение перед замерзанием — в сочетании с аномальным изменением плотности в интервале от 0 до 4° обеспечивает перемешивание водных масс и препятствует промерзанию водоемов. Не будь этих аномалий, водоемы были бы малопригодными для жизни. Образующийся в холодное время года лед, опускаясь на дно, превратил бы водные бассейны в залежи льда, оттаивающие летом лишь с поверхности.

Вода благодаря высокой теплоемкости и низкой теплопроводности обеспечивает относительное постоянство температуры океанов; она играет, в сущности, ту же роль и в организмах, способствуя сохранению температуры тела. Ни одно вещество не могло бы обеспечить постоянство температуры с большим успехом.

Замечательны свойства воды как растворителя. Эти свойства и исключительная подвижность делают воду основным фактором обмена веществ в неорганической природе. Ту же роль она исполняет и в организмах: растворенные неорганические и органические вещества поступают потребителям. Без этого свойства не могли бы существовать планктон, неподвижные организмы, в частности высшие растения. Особое значение вода как растворитель и переносчик питательных веществ, естественно, имела в раннем периоде существования жизни, до развития у организмов органов активного движения. С помощью воды осуществляется транспортировка веществ внутри организма, от одних частей тела к другим, с водой выделяются продукты распада.

Таким образом, органический обмен веществ, связанный с поглощением питательных веществ, их перестройкой и выделением продуктов метаболизма, имеет своим гомологом обмен в неорганической природе, осуществляющийся так же, как и в организме, с помощью воды.

Этим роль воды не ограничивается. Высокое поверхностное натяжение обеспечивает поднятие ее в капиллярах. Без этого свойства организмы вряд ли вышли бы из воды на сушу, сухопутная растительность не могла бы существовать, так как питание высших растений основано на капиллярности воды.

Адсорбционная способность коллоидов зависит от поверхностных свойств растворителя, определяющих особенности поглощения веществ из внешней среды и их распределения на поверхностях коллоидных систем. В силу этого поверхностные свойства воды оказываются весьма существенными для внутриклеточного обмена.

Практическая несжимаемость воды позволяет организмам населять большие глубины. Благодаря оптическим особенностям, в первую очередь прозрачности, в воде на значительных глубинах может идти фотосинтез.

Вода на Земле представляет собой раствор солей, газов, в частности углекислоты. Американский физиолог Л. Гендерсон (1924) считает углекислоту веществом, занимающим второе после воды место по «своей пригодности для жизни». Благодаря высокой растворимости углекислота так же подвижна, как и вода. Так как этот газ содержится в атмосфере, никакие химические процессы не могут его извлечь из вод океана. Важное свойство углекислоты — способность поддерживать в растворе со своими нейтральными солями постоянство концентрации водородных ионов, так называемую буферность. Большую роль играет углекислота и в поддержании реакции крови, близкой к нейтральной. Значение углекислоты как источника углерода в питании зеленых растений и некоторых хемотрофных бактерий общеизвестно.

Разбирая свойства таких веществ, как углерод, водород и кислород, составляющих главную массу вещества организмов, Гендерсон обнаруживает и у них ряд свойств, которые делают их исключительно подходящими как к образованию органических веществ, так и к построению веществ неорганической среды, в которой организм живет и развивается.

Следует еще остановиться на тех особенностях океана, которые способствовали развитию в нем жизни. В самом деле, воды океана обладают относительно постоянной температурой, весьма устойчивым составом минеральных солей, константной концентрацией водородных ионов, постоянным осмотическим давлением и подвижностью, обеспечивающей перенос питательных веществ и их разнообразие.

Океан, таким образом, представляет собой идеальную среду по исключительному постоянству физических условий жизни, по богатству и разнообразию источников питания. Трудно было бы ожидать возникновения жизни в условиях непостоянной, изменчивой среды.

Итак, около 4—4,5 млрд. лет назад на Земле создались космические, планетарные и химические условия для более специализированного пути эволюции — развития материи в направлении жизни.

Эволюция звездного вещества привела к образованию необходимых химических элементов, формирование солнечной системы обеспечило одной из планет — Земле — условия дальнейшего усложнения материи. Важнейшее из этих условий — планетарный круговорот воды, атмосферы, минеральных элементов, вызванный излучением центрального светила и тектонической деятельностью молодой планеты. Планетарный абиогенный круговорот веществ обусловил взаимодействие минеральных элементов, без которого невозможна эволюция материи в направлении жизни. Ясно, однако, что круговорот, будучи совершенно необходимым условием, вместе с тем не является условием достаточным. В той иди иной форме он может происходить и на планетах, лишенных других условий, необходимых для развития жизни, например при высоких температурах. Ведь факторы, вызывающие его, — неравномерность нагревания со стороны центрального светила, тектоническая деятельность, возмущающее влияние соседних планет и спутников, выражающееся в приливах и отливах, — в какой-то мере действуют везде.

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 аминокислот найдены в метеоритах и в лунном грунте (С. Фокс, К. Дозе, 1975). Таким образом, «Земля уже при самом своем образовании получила эти вещества, так сказать, „в наследство“ от Космоса», пишет А. И. Опарин[22]. Связь жизни с Космосом оказалась еще более тесной, чем это предполагалось раньше.

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, β-аланин, α-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 β-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.

[22] Опарин А. И. Предисловие к русскому изданию книги Фокс С., Дозе К. Молекулярная эволюция и возникновение жизни. М., Мир, 1975, с. 6.