Страница 6 из 9
3.3. Переход от преджизни к жизни, возможно, происходил на Земле неоднократно и в различных ее точках. Очень долгое время могли существовать совместно и преджизнь, и жизнь. С. Фокс предположил, что синтез полипептидов (при отсутствии еще ферментных систем) должен был лучше идти при высоких температурах, так как при соединении двух аминокислот выделяется молекула воды, и чтобы реакция шла быстрее, воду нужно удалять. И он помещал смесь аминокислот на затвердевшую вулканическую лаву, нагретую до 150–180 °C, при этом образовывались полипептиды из 20-ти и более молекул различных аминокислот (термические протеиноиды). Растворенные в воде, термические протеиноиды сливались в мельчайшие образования – микросферы, очень напоминающие гипотетические коацерваты А. И. Опарина.
Вышеуказанные факты дали основание советскому ученому JI. Мухину выдвинуть такую гипотезу: возникновение жизни, скорее всего, произошло в зонах действия подводных вулканов. При их извержениях выбрасываются из недр Земли различные вещества, необходимые для первичного биосинтеза, а температура достаточно высока и имеется вода, отнимающая излишки тепла и предоставляющая среду для последующего обитания микросфер (коацерватов).
Около 3,5–2,5 млрд лет назад на Земле была очень активная вулканическая деятельность, и именно в отложениях этого времени мы находим остатки бактерий и сине-зеленых водорослей. Некоторые виды этих наиболее просто устроенных организмов и сейчас живут в горячих источниках на склонах действующих и потухших вулканов и в водоемах, питаемых водами гейзеров. Вполне могло быть, что в дальнейшем эволюция шла по пути освоения все более и более холодных субстратов.
В последнее время морская геология обогатилась открытием на морском дне на больших глубинах очень своеобразных структур, так называемых «черных курильщиков», небольших, от нескольких сантиметров до нескольких метров высотой конусов, из которых в воду Мирового Океана выделяется ювенильная вода из верхних слоев мантии Земли, содержащая различные вещества, в том числе и биогенные элементы. Есть сведения, что в воде в непосредственной близости от этих «курильщиков» обнаружены отдельные аминокислоты и даже обрывки полипептидных цепей. Если эта информация подтвердится, это будет фактом, прямо подтверждающим возможность абиогенеза непосредственно на Земле.
Вероятно, первоначально синтез белка шел на белковых же матрицах, впоследствии они были заменены матрицами нуклеиновых кислот. Есть даже теория американского биохимика А. Кернс-Смита, что первые матрицы могли быть неорганическими. Он обнаружил аналогию с матричным синтезом белков при образовании наслоений некоторых глин и предположил, что на таких «матрицах» могли бы быть синтезированы первые белковые полимеры, а впоследствии уже на таких полимерах формировались другие, более сложные, белки.
В дальнейшем в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в различные химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способной к самовоспроизведению, и внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата, могла возникнуть примитивная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к возникновению самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питающегося органическими веществами, рассеянными в водах Мирового Океана. Что же касается формы этих организмов, то особенности взаимодействия первичных агрегаций живой органики и воды должны были образовать округлую форму коацерватов.
Эпоха преджизни создала неограниченную кормовую базу для первых гетеротрофных организмов. Только гетеротрофы могли использовать имеющиеся во внешней среде запасы энергии, заключенные в сложных органических веществах Первичного Океана. Химические же реакции, необходимые для синтеза питательных веществ, сложны и вряд ли могли возникнуть у первичных форм жизни.
В наше время, если сложные органические вещества и возникают в воде Мирового Океана естественным путем (например, в результате деятельности «черных курильщиков»), они немедленно утилизируются, а в эпоху возникновения первых организмов их некому было потреблять. Еще Ч. Дарвин писал в 1871 г. «Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда‑то существовать, имеются и в настоящее время. Но если (ох, какое это большое «если») представить себе, что в каком‑то небольшом теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии тепла, света, электричества и т. п. образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа».
3.4. Итак, несмотря на большое количество гипотез и экспериментальных исследований, проблема возникновения жизни остается до конца не решенной. При всех успехах биохимии, многие аспекты этой проблемы носят в значительной мере умозрительный характер. Из всего количества гипотез (мы рассмотрели лишь основополагающие) пока не представляется возможным выделить руководящую, которая могла бы превратиться во всеобъемлющую теорию. Подробности перехода от сложных органических веществ к простейшим живым организмам пока еще покрыты тайной.
Глава 4
Становление и эволюция экосистем
4.1. Первые формы настоящей жизни на Земле представляли собой биохимически простые одноклеточные (или докле‑точные!) организмы, гетеротрофные по способу питания и округлые по форме. Таким образом, первичная биосфера Земли носила гетеротрофный, восстановительный характер. В дальнейшем, в ходе геологической истории возрастание численности гетеротрофов привело к уменьшению ресурсов органических веществ в воде Первичного Океана и ускорило появление автотрофов.
Первичными автотрофами были хемосинтезирующие бактерии; впоследствии возникли и фотосинтезирующие сине-зеле– ные водоросли (цианобактерии, цианофиты). При этом происходило превращение восстановительной гетеротрофной биосферы в окислительную автотрофную. Поэтому появление ав‑тотрофных фотосинтезирующих организмов было важнейшим этапом развития жизни, сопоставимым с самим появлением жизни. В их отсутствии гетеротрофной биосфере грозила гибель, так как количество органических веществ в Мировом Океане было конечным, а запас энергии, содержащийся в них, относительно невелик.
Фотосинтетическая автотрофия открыла для биосферы Земли практически неисчерпаемый источник энергии в виде солнечного света. В отличие от хемосинтезирующих организмов, фотосинтезирующие выделяют как побочный продукт фотосинтеза молекулярный кислород. Насыщение им сначала воды, потом и атмосферы привело к появлению аэробных организмов, гораздо более прогрессивных с точки зрения преобразования энергии и процессов биосинтеза, идущих с более высоким КПД, чем аналогичные процессы у анаэробов.
Наличие свободного кислорода фотосинтетического происхождения ограничивалось верхними слоями Океана, эуфотической зоной. С ростом числа и массовым размножением фотосинтетических организмов количество свободного кислорода стало возрастать и, когда его объем превысил возможности его растворения в воде (напоминаем, что Первичный Океан был заметно теплее современного, а в теплой и соленой воде кислород плохо растворяется), кислород стал выделяться в атмосферу, и его накопление в ней привело к образованию защитного озонового экрана. При этом стал, наконец, возможен выход жизни на сушу – сначала в почву, потом на ее поверхность. Именно поэтому жизнь от периода своего образования до появления озонового экрана (примерно 400 млн лет назад) существовала только в воде: короткое ультрафиолетовое излучение (менее 0,29 мкм), губительное для живых организмов, проникает в верхние слои воды лишь на несколько метров.