Текст книги "Происхождение жизни"

Ирина Валентиновна Рябинина
Происхождение жизни. Узнай мир

© В. А. Карачёв, текст, оформление обложки, иллюстрации, 2003–2018

© В. А. Карачёв, составление серии, 2000–2018

* * *

На Земле сегодня жизнь чрезвычайно разнообразна и, можно сказать, вездесуща. Есть три царства: растений, животных и грибов. Самое большое – царство животных, в нем насчитывается не менее 1,5 миллиона разных видов – от одноклеточных амеб и инфузорий до огромных китов и слонов. В царстве растений около 0,5 миллиона видов, и среди них тоже есть и совсем маленькие, одноклеточные водоросли, и гигантские секвойи, достигающие нескольких десятков метров в высоту. Да и царство грибов довольно многочисленное – в нем не менее 100 тысяч видов.

Жизнь существует везде: на суше и в море, на глубине в несколько километров и в мелкой грязной луже на асфальте, в Арктике и в Антарктиде, в знойных раскаленных пустынях и на горных вершинах, и даже в кратерах вулканов. Живая материя словно окутывает нашу планету сплошным слоем, и называют этот слой биосферой – от греческого слова bios – «жизнь».

Но всегда ли было так? Давайте представим себе, что у нас есть машина времени, и отправимся на ней в путешествие в Прошлое. Но сначала познакомимся с «маршрутом».

Всю историю Земли подразделяют на большие – точнее, огромные – временные промежутки, которые называются геологическими эрами. Геологические эры, в свою очередь, делятся на геологические периоды. А внутри некоторых геологических периодов выделяют эпохи (см. таблицу на следующем развороте).

Мы с вами живем в эпохе голоцен четвертичного периода кайнозойской эры.

Итак – поехали?

Мамонт и саблезубые тигры

Машина времени

150 тысяч лет назад (поздний плейстоцен)

Еще нет человека современного вида, но есть весьма похожие на него (то есть на нас) неандертальцы. Природа – и растения, и животные – очень похожи на «наши», но есть и другие звери, каких не найдешь сегодня в зоопарке: мамонты, пещерные медведи, большерогие олени. Правда, в них угадываются предки современных слонов, медведей, оленей.

4 миллиона лет назад (плиоцен)

Больше половины территорий Европы и Северной Америки покрыто льдами. Людей не видно, но в лесах и на границе лесов и открытых пространств живут человекообразные обезьяны. Они выглядят не так, как современные гориллы, шимпанзе и орангутанги. Одни чуть-чуть больше похожи на людей, чем другие.

Есть, конечно, и другие животные, и некоторые из них – очень страшные. Например, махайрод – саблезубый тигр.

15 миллионов лет назад (миоцен)

Европа покрыта хвойными и лиственными лесами: ели и секвойи, дубы, буки, клены, вязы, платаны и каштаны. Кое-где можно увидеть одиночные пальмы. В лесах бродят мастодонты, пасутся олени, в основном безрогие или с очень простыми рогами. Возле мелких прудов и ручьев обитают древние фламинго.

Но самое интересное – это большое количество человекообразных обезьян: проконсулы, дриопитеки, рамапитеки и др. И все они годятся на роль нашего предка, так что выбрать очень трудно. К тому же все они точно так же годятся и на роль предка современных человекообразных обезьян (эти две «линии» еще не разделились).

65 миллионов лет назад (рубеж мезозойской и кайнозойской эры)

Прекрасная теплая погода, в Европе до самой Балтики растут тропические и субтропические леса, густые и влажные. Всюду пальмы, бананы, эвкалипты, вечнозеленые лавры, фикусы, магнолии, дубы, каштаны. Есть и хвойные деревья – гигантские секвойи, араукарии, болотные кипарисы. Под сенью леса – царство папоротников. В лесах обитают разные млекопитающие, и в их числе первые обезьяны – небольшие зверьки (приблизительно от 100 граммов до 3 килограммов весом), больше всего похожие на современных тропических белок, но и на лемуров.

Кое-где еще встречаются последние динозавры.

150 миллионов лет назад (юрский период)

Большая часть суши затоплена морем. Теплый климат. В мире властвуют динозавры, причем и на суше, и на море, и в воздухе. Это, несомненно, хозяева Земли. Рядом с ними благополучно существуют крокодилы, морские черепахи, насекомые. В морях водятся также костистые рыбы, головоногие моллюски.

В воздухе летают зубастые птицы – археоптериксы.

В лесах растут деревья, весьма напоминающие кипарисы, сосны, секвойи, а кое-где можно увидеть и первые цветковые растения.

Австралопитеки. Еще не люди, но уже и не обезьяны

280 миллионов лет назад (поздний карбон)

Умеренный, прохладный климат.

Какие огромные, великолепные стрекозы носятся в воздухе! Длина тела такой стрекозы – 30 см, размах крыльев – до 65 см.

А внизу на земле – царство амфибий (земноводных). Например, ихтиостеги. Это, по сути, четвероногие рыбы. И действительно, большую часть времени они проводят в воде.

Эдафозавр

Здесь же мы видим и предков будущих динозавров. Но почти все эти рептилии питаются насекомыми, по размерам они невелики, так что испугать никого не могут. Правда, встречаются и хищные рептилии – этим палец в рот не клади, хотя они тоже не впечатляют своими размерами.

Плезиозавры – хищные морские ящеры

380 миллионов лет назад (девон)

Буйная, хотя и своеобразная растительность: плауны, хвощи, папоротники.

Тут и там ползают и лазают панцирные пауки, клещи и бескрылые насекомые – и это, пожалуй, все. Никаких более впечатляющих животных на суше нет.

Животные каменноугольного периода

А в морях так и кишат всевозможные рыбы – это поистине было их время! Ну и, конечно, различные моллюски, кораллы, трилобиты и прочие обитатели подводного царства.

410 миллионов лет назад (силур)

На суше вообще не видно никаких животных. Здесь только недавно (по космическим меркам) появились первые растения – псилофиты. Это невысокие травянистые или кустарниковые растения, у них нет ни корней, ни листьев. Кое-где можно разглядеть также грибы – почти такие же, как те, что мы собираем в лесу. Вообще-то, если мы наклонимся, чтобы сорвать их, то увидим и представителей царства животных, но только совсем «непредставительных»: так, какие-то мелкие червячки.

Зато в морях обитают в большом количестве панцирные бесчелюстные животные, похожие на рыб, – остракодермы. А есть и почти настоящие рыбы: панцирные (плакодермы) и кистеперые. Один из древних видов кистеперых рыб – латимерия – дожил до нашего времени.

Кембрийское море: 1 – медуза элдония; 2 – археоциаты; 3 – трилобит соленоплевра; 4 – брахиоподы (лингулелла); 5 – примитивный трилобит наройя; 6 – ракообразная бургессия

550 миллионов лет назад (кембрий)

Мы вообще никого и ничего не видим на суше: она безжизненна. Только камни и песок. Правда, моря полны жизни – там обитают самые разные животные. Среди водорослей и кораллов медленно передвигаются иглокожие – морские звезды, офиуры, голотурии, а также моллюски-кораблики (наутилоидеи), аммониты, белемниты. В толще и на поверхности воды плывут по течению, удерживаясь с помощью особых плавательных пузырей («поплавков»), сифонофоры – они и поныне живут точно так же. Есть и существа, которых вы нигде не встретите в настоящее время и можете увидеть только на картинках. Например, граптолиты – они тоже плавают, хотя некоторые не самостоятельно, а на водорослях. Или трилобиты – чрезвычайно разнообразные членистоногие животные, некоторые длиной до 75 см, а другие – не более 1 см. Они в основном ползают по дну, но могут и плавать в толще воды, а также зарываться в песок.

650 миллионов лет назад (венд)

Моря полны живых существ: одни похожи на медуз и парят в толще воды; другие прикреплены к морскому дну и напоминают современные кораллы; вот какие-то червеобразные животные, вот нечто вроде губок, морских звезд, ракообразных (членистоногих).

Трилобиты

1 миллиард лет назад – и мы лишь кое-где разглядим в морях колонии водорослей.

Еще дальше в глубь времен, примерно на полмиллиарда лет – и мы не увидим никого и ничего живого, если у нас не будет микроскопа. Однако жизнь на Земле есть, и существует она очень давно. Время, в которое мы попали, называется криптозой – время скрытой жизни. Это время назвали так не только потому, что живые организмы, существовавшие тогда, представляли собой по сути отдельные клетки, которые без микроскопа не разглядишь. Дело в том, что эту эпоху мы не имеем возможности изучать, как изучаем более поздние, – по ископаемым.

Эдиакарская фауна (Центральная Австралия) – поздний протерозой: 1 – медуза; 2 – диксония; 3 – плоское червеобразное существо сприггина; 4 – листообразное морское перо харниодиск; 5 – листообразное морское перо рангея

Ископаемые

Ископаемые – это окаменевшие остатки древних форм жизни. Ученые то и дело обнаруживают их в земле. Чем глубже залегает слой, содержащий ископаемые, тем они древнее.

Древнейшие породы, в которых находят ископаемые остатки, называются кембрийскими – от старинного римского названия Кембрия – области Англии, сегодня называемой Уэльсом. Именно там английский геолог Адам Седжвик (1785–1873) впервые обнаружил породы такого типа.

Кембрийские породы содержат ископаемые остатки морских организмов, среди которых больше всего так называемых трилобитов. Возраст кембрийских пород – около 500–570 миллионов лет.

Ископаемые остатки в кембрийских породах

Породы более древние, чем кембрийские, называют, не мудрствуя лукаво, докембрийскими. Ничего похожего на ископаемые остатки в них долгое время найти не удавалось. Получалось, что большую часть своего существования (примерно 7/8) Земля была безжизненной? Согласиться с таким выводом было трудно.

Ископаемые остатки трилобита

Во-первых, в осадочных породах кембрия, начиная с самых древних, как-то очень уж внезапно в изобилии появляются остатки самых разнообразных ископаемых организмов, как низших многоклеточных (губок и кишечнополостных), так и высокоразвитых типов животных (плеченогих, моллюсков, членистоногих и др.). Трудно поверить, что все они появились чуть ли не в одночасье (по космическим меркам) буквально «из ничего».

Во-вторых, сохраниться в виде ископаемых могут только твердые части организмов – кости, раковины, зубы и т. п. Например, трилобиты были «одеты» в раковины и поэтому сохранились, но если одновременно с ними существовали какие-нибудь абсолютно «мягкие» организмы, вроде современных червей или слизней, то они не могли оставить после себя никаких следов.

Окаменелые остатки:

1 – лист покрытосеменных третичного периода; 2 – морская звезда третичного периода; 3 – тригонии – двустворчатые моллюски мезозойского периода; 4 – водоросли

Наконец, в-третьих, образование ископаемого – это редкая случайность, которая может осуществиться только при особых условиях, и, пожалуй, еще более редкая случайность – находка такого ископаемого. Иными словами, организму должно «очень повезти» дважды: чтобы стать ископаемым и чтобы его потом нашли.

Таким образом, отсутствие ископаемых остатков в докембрийских слоях еще не означает, что в те давние времена на Земле не было никаких форм жизни.

Наоборот – их не могло не быть. Ведь еще в XVII веке итальянский ученый Ф. Реди доказал, что живое может зародиться только от живого. (До этого на протяжении долгого времени многие ученые считали, что рыбы, например, зарождаются из ила, мухи – из гнилого мяса, мыши – из грязных тряпок и т. д.)

Да, но если так, то откуда же взялся самый первый живой организм? Теория о божественном происхождении жизни на Земле не устраивала ученых. И они продолжали и продолжают искать, а также фантазировать и экспериментировать. К настоящему времени предполагается, что самые первые живые организмы все-таки зародились из неорганической природы. Конечно, для этого на Земле должны были существовать совершенно особые условия, которые теперь ученые пытаются создать в лаборатории, чтобы затем «воспроизвести» искусственно процесс зарождения жизни. И кое-какие результаты уже достигнуты, как вы увидите дальше.

А сейчас давайте представим себе, что наша машина времени «затормозила» на новой, только что образовавшейся планете, которую через сотни миллионов лет люди назовут Землей.

Новорожденная планета

По самым скромным подсчетам, нашей Земле 4 миллиарда лет – именно такой возраст имеют древнейшие известные на Земле горные породы – граниты Кольского полуострова. Но вообще Земле «дают» больше – 4,5 миллиарда (а возможно, 5 миллиардов) лет.

В первые полмиллиарда лет наша планета находилась словно под непрерывным артобстрелом: ее поверхность в полном смысле слова бомбардировали обломки метеоритов и других космических тел. Но в конце концов Космос оставил ее в покое (относительном, конечно), и дальше Земля формировалась в основном за счет процессов, происходящих в ней самой. Что же это за процессы?

Новорожденная планета

Прежде всего – извержения вулканов. Раскаленные потоки лавы, горячие газы и пары, кипящие воды вырывались из недр Земли на ее поверхность, только-только затвердевшую. Лава, застывая, превращалась в каменные породы, а до этого «отдавала» металлы и металлические руды. Более поздние лавовые потоки ложились на более ранние, и постепенно образовывались горные массивы. Между ними устремлялись реки, они размывали горы и несли измельченные горные породы в океан, на дне которого все это осаждалось, превращаясь в первые отложения (осадочные породы).

Перемещение горных пород

Ничего не осталось ныне от того первого рельефа Земли. Несчетное число раз с тех пор горы становились равнинами, а то и дном океана, суша затапливалась водой, а из глубин морей вздымались новые горы. Несчетное число раз земная кора разламывалась в разных местах, и через эти разломы и трещины вновь изливалась лава. Огромные куски суши сходились, расходились, наталкивались и наползали друг на друга, образуя новые материки.

Сейчас Земля устроена так. Внутри – тяжелое металлическое ядро (состоящее в основном из железа и никеля, а также серы), раскаленное до температуры +6000 °C и окруженное расплавленной мантией. Снаружи – относительно тонкая земная кора. Толщина ее в тех местах, где мы видим сушу, составляет 35–45 км, а на дне океанов – в 4–7 раз тоньше, то есть 5–10 км. К мантии прилегают твердые породы – базальты и граниты, а на них покоятся осадочные породы. Эта наружная твердая оболочка планеты называется литосферой (от греческого слова lithos – «камень»). Она включает десять больших тектонических плит, которые как бы плавают на поверхности жидкой мантии.

Так устроен земной шар сейчас: 1 – ядро; 2 – мантия; 3 – земная кора; 4 – литосфера; 5 – гидросфера; 6 – атмосфера

Не менее чем 3/4 поверхности Земли покрыто водной оболочкой – гидросферой. Это все океаны, моря, реки, озера. Наконец, наружная оболочка – воздушная, или атмосфера. Сегодня она имеет следующий состав: примерно 78 % азота (N₂), около 21 % кислорода (О₂) и 1 % приходится на некоторые другие газы (аргон, неон, гелий, метан, водород и пр.), в том числе на углекислый газ (его всего лишь около 0,03 %).

Какой была Земля в самом начале своего существования – этого в точности никто не знает. Расположение материков (да и их количество) с тех пор изменялось несколько раз, и какие материки были на Земле изначально и где они располагались – можно только предполагать. Но достоверно известно, что суша изначально была безжизненной, и жизнь могла зародиться только в воде.

А вода, скорее всего, покрывала большую часть поверхности Земли. И вода эта была горячей, фактически – кипящей, потому что под тонкой (на дне океана) земной корой находилась расплавленная магма. Недаром русский ученый А. И. Опарин, занимавшийся в 20-х годах ХХ века проблемой происхождения жизни на Земле, назвал тот океан «первичным бульоном».

Точно известно, что и атмосфера была не такой, как теперь. По мнению одних ученых, она состояла из аммиака, метана и водяных паров, при этом аммиак содержался (то есть был растворен) еще и в воде – в древнем океане. Другие ученые считают, что первозданная атмосфера состояла из углекислого газа, азота и водяных паров, и в океане был растворен в большом количестве углекислый газ.

Однако не так уж важно, кто из них прав. Важно то, что и та и другая атмосфера состояла из четырех элементов – водорода (Н), углерода (С), азота (N) и кислорода (О), и именно из этих же четырех элементов состоит на 99 % любое живое существо.

«Первичный бульон». Четыре элемента, из которых образовалось все живое: В – водород, У – углерод, А – азот, К – кислород

Правда, в живом организме эти элементы не являются простой смесью простых молекул – как в атмосфере; нет, они соединяются между собой самым разнообразным и причудливым образом, образуя большие и очень большие, сложные и очень сложные молекулы органических веществ. И для того, чтобы на Земле появилась жизнь, в «первичном бульоне» должны были образоваться органические вещества – образоваться из простых атомов и молекул, которые составляли воду и атмосферу первозданной Земли и хаотично (беспорядочно) «сновали» туда-сюда. Этот, самый ранний, этап происхождения жизни называют химической эволюцией.

Образование простых и более сложных молекул в «первичном бульоне»

Химическая эволюция
(превращения веществ)

Простые химические реакции происходят так: разные молекулы сталкиваются друг с другом и обмениваются атомами, в результате чего из двух простых веществ – например, кислоты и щелочи – получаются два других простых вещества – соль и вода.

Однако для того, чтобы из простых молекул образовались более сложные, одного только столкновения и взаимообмена уже недостаточно – необходимы затраты энергии, причем немалые.

Дешевые и мощные источники энергии – это проблема, которая волнует человечество, можно сказать, с момента его появления. Ради получения энергии люди строят тепло– и гидроэлектростанции, создают термоядерные реакторы, изобретают солнечные батареи и т. п.

Но новорожденная Земля таких проблем не знала: энергии было в изобилии. Во-первых, ультрафиолетовые лучи, испускаемые Солнцем. Сейчас они лишь в небольшом количестве доходят до поверхности Земли, то есть до нас, потому что «застревают» в озоновом слое атмосферы. Озон – это газ, состоящий из тех же атомов, что и кислород, которым мы дышим, – то есть из атомов кислорода, только не из двух, а из трех. Озоновый слой висит над Землей на высоте 25 км.

Вторым источником энергии на первозданной Земле были вулканы, которые имелись в изобилии и извергались, по-видимому, непрерывно, давая тепловую энергию.

Третьим источником энергии являлась, собственно говоря, погода, которая в те времена на всем земном шаре оставляла желать лучшего; иными словами, это была нескончаемая гроза. Грозовые разряды – молнии – обеспечивали Землю электрической энергией.

Четвертым видом энергии была радиация, интенсивность которой в те времена была гораздо выше, чем теперь. Ведь значительная часть первоначального запаса радиоактивных веществ распалась за миллиарды лет, прошедшие с момента образования Земли.

Таким образом, энергии на молодой Земле было с избытком. Поэтому на ней могли происходить сложные химические реакции: простые молекулы атмосферных газов и воды в какой-то момент, в каком-то месте случайно сплетались между собой таким образом, что в результате получались более сложные вещества – органические, из которых состоит все живое. К таким веществам относятся углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты.

Углеводы и жиры устроены попроще, чем белки и нуклеиновые кислоты, и могли получиться, так сказать, с одного захода. Белки и нуклеиновые кислоты так просто образоваться не могли, потому что это очень большие молекулы, состоящие из многих звеньев. Так что сначала, на первом этапе химической эволюции должны были образоваться эти звенья – «кирпичики». Для белков такими кирпичиками являются аминокислоты; для нуклеиновых кислот – нуклеотиды.

Некоторым ученым удалось отчасти воспроизвести этот этап в лабораторных опытах. В 1952 году американский химик Стэнли Миллер добавил в стерилизованную воду смесь газов: водорода, водяного пара, аммиака и метана (то есть возможную «атмосферу» первозданной Земли). Все вместе Миллер в течение недели подвергал воздействию электрических разрядов, имитируя грозовые разряды, которые происходят в природе. Через неделю он исследовал, что у него получилось, и обнаружил, что в этом водном растворе образовались новые органические соединения, в основном очень простые, но среди них оказалось несколько аминокислот – «кирпичиков», из которых сложены белки – основное вещество живой ткани.

Жизнь существует даже в кратере вулкана…

Опыт Миллера

Другие ученые проводили подобные эксперименты со смесью углекислого газа, азота и водяного пара и подвергали эту смесь воздействию ультрафиолетовых лучей. И тоже в результате получали более сложные, чем исходные, органические соединения. Американский биохимик С. Поннамперума получил нуклеотиды – «кирпичики», из которых состоят нуклеиновые кислоты, еще один основной компонент живой ткани, не менее важный и не менее (а может быть, и более) сложный, чем белки. А кроме того, ему удалось получить АТФ – аденозинтрифосфорную кислоту, которая в живом организме является главным аккумулятором энергии.

На втором этапе химической эволюции кирпичики-аминокислоты должны были «построиться» так, чтобы получились белки. Без этого на Земле не могла бы возникнуть жизнь.