Файл: Камшилов, М. М. Эволюция биосферы.pdf

питания. Трудно было бы ожидать возникновение жизни в условиях непостоянной, изменчивой среды.

Итак, около 4—4,5 млрд, лет назад па Земле созда­ лись космические, планетарные н химические условия для более специализированного пути эволюции — развития материм в направлении жизни.

Эволюция звездного вещества привела it образованию необходимых химических элементов, формирование сол­ нечном системы обеспечило одной из планет — Земле — условия дальнейшего усложнения материи. Важнейшее из этих условии — планетарным круговорот воды, атмо­ сферы, минеральных элементов, вызванный излучением центрального светила и тектонической деятельностью мо­ лодой планеты. Планетарный абиогенный круговорот ве­ ществ обусловил взаимодействие минеральных элементов, без которого невозможна эволюция материи в направле­ нии жизни. Ясно, однако, что круговорот, будучи совер­ шенно необходимым условием, вместе с тем не является условием достаточным. В той пли иной форме он может происходить и на планетах, лишенных других условий, необходимых для развития жизни, например при высоких температурах. Ведь факторы, вызывающие его,— нерав­ номерность нагревания со стороны центрального светила, тектоническая деятельность, возмущающее влияние со­ седних планет и спутников, выражающееся в приливах и отливах,— в какой-то мере действуют везде.

От образования тяжелых атомов к возникновению молекул органического вещества

-Основополагающие работы А. II. Опарина2'1 п его мно­ гочисленных последователей позволили нарисовать ве­ роятную картину зарождения жизни на Земле. Начался этот процесс с синтеза простейших соединений. Скали­ стая поверхность, безжизненный океан и атмосфера, со­ держащая пары воды, метай, аммиак и водород. Мощные грозовые разряды, интенсивная вулканическая деятель­ ность нарушали безмолвие. Так выглядела Земля в те далекие дни.12

21 А. И. Опарин. Возникновение жизни на Земле. М., Изд-во АН СССР, 1957.

28

Отсутствие озонового слоя, возникшего лишь после появления кислорода, позволяло коротковолновому ульт­ рафиолетовому излучению беспрепятственно достигать по­ верхности Земли. Под влиянием энергии ультрафиолето­ вого излучения, грозовых разрядов и высокой темпера­ туры в районах повышенной вулканической деятельности

Улг.трафполе — товое излучение

Аминокислоты, гетероциклические основания, углепо— ды ,жлрвыо кислоты и т. д.

Рис. 1. Образование простейших органических соеднпепнй из газов пер­ вичной атмосферы под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца

из веществ атмосферы, т. е. пз метана (СБЦ), аммиа­ ка (NH3), водорода (Н2) и паров воды (НгО), шло об­ разование простейших органических соединений. Возни­ кали молекулы сахаров, аминокислот, азотистых основа­ нии и других простейших углеродсодержащих молекул, из которых построены белки, нуклеиновые кислоты, жи­ ры п вещества переносчики энергии такие, например, как аденозиитрпфосфат (АТФ) (рис. 1).

Еще в 1861 г. известный русский ученый, один пз основателей органической химии, А. М. Бутлеров, обна­ ружил, что в растворе формалина в известковой воде при стоянии в теплом месте образуется сахаристое ве­ щество. Шесть молекул формальдегида (СНгО), объеди­ няясь, дают более сложно устроенные молекулы сахара.

Другой русский ученый, А. Н. Бах, показал, что в вод­ ном растворе формалина и цианистого калия образуются еще более сложные вещества. Эти вещества вполне могли служить питательной средой для микроорганизмов.

29

Особенно интенсивное исследование условий образсЗваыия простейших органических соединений из газов пер­ вобытной атмосферы началось после известного опыта американского исследователя С. Л. Миллера, показавше­ го в J953 г., что в результате пропускания искрового разряда через смесь метана, аммиака, водорода и воды возникают аминокислоты. После иеделп подобной проце­ дуры образовались аминокислоты глпцпн, аланин, саркозин, (3-аланпн, а-амнпомасляиая кислота, N-метилаланин, аспарагпиовая кислота, глутаминовая кислота. Выход гли­ цина составил 2,1% но отношению к исходному количе­ ству углерода. Кроме аминокислот в ходе реакции обра­ зовались и другие соединения, в частности такие орга­ нические кислоты, как муравьиная, уксусная, пропионовая, гликолевая, молочная.

Вслед за исследованиями Миллера другие авторы по­ лучили такие же результаты, использовав иные источ­ ники эиергии: нагревание, бомбардировку ^-частицами, облучение ультрафиолетовыми лучами. Выявилась очень интересная закономерность: различные источники свобод­ ной 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 хими­ ческих элементов в недрах звезд:

1.Имелась масса относительно простых компонентов — газы примитивной атмосферы.

2.Компоненты были способными взаимодействовать друг с другом, образуя более сложные соединения.

3.Имелся источник свободной эиергии, необходимой для осуществления синтезов.

4.Поступление вновь образующихся веществ в воду предохраняло их от распада иа исходные компоненты под влиянием тех же источников энергии.

5.Образование растворов различных органических ве­ ществ открывало возможность взаимодействия этих ве­ ществ друг с другом, т. е. создавало предпосылки к даль­ нейшей эволюции.

Как уже говорилось, самые различные источники эиер­ гии приводят к сходным результатам. Однако это вовсе не значит, что они равноценны. Из всех исследованных

30

форм энергии преимущество следует отдать ультрафиоле­ товому излучению Солица (спектральная область от 2000—2500 А). В пользу такого вывода можно привести два довода. Во-первых, в экспериментальных условиях под влиянием ультрафиолетового облучения указанными длинами воли удается синтезировать практически все простейшие соединения, на основе взаимодействия кото­ рых могла происходить дальнейшая эволюция органиче­ ских соединений. Во-вторых, это наиболее постоянный и вместе с тем достаточно мощный источник свободной энергии.

С. Л. Миллер и Г. С. Ю ри24 приводят следующие данные о формах свободной энергии иа нашей планете (в кал/см2 в год):

В настоящее время слой озона верхних слоев атмосфе­ ры поглощает ультрафиолетовое излучение короче 2900 А, поэтому поверхности Земли достигает лишь длинноволновый ультрафиолетовый свет. В предбиологическое время озонового экрана не было, так как кислород отсутствовал, и иа поверхность планеты проникали уль­ трафиолетовые лучи области 2400—2900 А. Американ­ ский исследователь К. Саган25 подсчитал, что образо­ вавшееся за счет энергии этих лучей органическое ве­ щество способно создать в водах океана раствор 1% кре­ пости. Тот же исследователь пришел к выводзд что за счет энергии химических связей образующегося в резуль­ тате УФ-облученпя аденозинтрпфосфата может сущест-

34 Цит. по: Д. Каньон, Г. Стейнман. Биохимическое предопределение. М., «Мир», 1972, стр. 112.

35 Я. Саган. Первичный синтез нуклеозпдфосфатов под действием ультра­ фиолетовых лучей. СС. «Происхождение предОпологпческнх систем». М„

«Мир», 1966.

81

воватъ популяция бактерий кишечной палочки числен­

постоянный источник свободной энергии — способно на первых этапах жизни на Земле обеспечить ход мощных синтетических процессов.

Начало эволюции химических соединений в направ­ лении жизни датируется с момента образования земной коры, т. е. около 4,5 млрд, лет тому назад. Следова­ тельно, этап биохимической эволюции, приведший в конце концов к формированию простейших организмов, превы­ шает миллиард лет!

Возникновение биотического кру говорота

Итак, формирование первичных организмов из неор­ ганических соединений типа сахаров, аминокислот, азо­ тистых оснований, полифосфориых соединений!, органи­ ческих кпелот п других относительно простых веществ заняло миллиард лет. По поводу того, как все это про­ исходило, было высказано несколько точек зреипя. Одно время широким распростраиеппем пользовалась точка зрения, согласно которой возшткповеппе первпчпой жи­ вой молекулы из неживых компонентов — процесс чисто случайный. В результате взаимодействия простейших ве­ ществ вдруг, случайно возникла живая молекула, спо­ собная размпожаться. Такого прсдставлеппя придержи­ вался известный американский генетик лауреат Нобелев­ ской премии Г. Меллер 26. По его миопию, элемеитариая единица наследственности — геи — одновременно являет­ ся и основой жизни. Жизнь возникла в форме гена, пу­ тем случайного сочетания атомных группировок и моле­ кул, встречающихся в водах первичного океана. Некото­ рые исследователи попытались подсчитать вероятность случайного возникновения сложной молекулы из простых соединений. Рибонуклеиновая кислота вируса табачной мозаики, например, содержит в своем составе 6000 рас­ положенных определенным образом нуклеотидов. Нсмец-

!!Г. Меллер. Ген как основа жпзип. Избранные работы по генетике. М., Сельхозгпз, 1937.

32

распада органических соединений зависело, однако, не только от их химической природы, но и от места в кру­ говороте органического вещества.

В поверхностных слоях водоемов днем под влиянием интенсивного ультрафиолетового облучения преобладали процессы распада; на глубине, а также ночью и в поверх­ ностных слоях преимущественно шел синтез. По мере обогащения водоемов органическим веществом, поглощаю­ щим ультрафиолетовое излучение Солнца, глубина зоны синтеза уменьшалась, а следовательно, увеличивалась вероятность возникновения все новых и новых, все более и более сложных органических соединений из относитель­ но простых веществ.

Одна из главных особенностей жизни — круговорот органического вещества, основанный на постоянном вза­ имодействии противоположных процессов синтеза и де­ струкции. Этот круговорот, по-видимому, возник очень рано. На его основе шло формирование всех других осо­ бенностей, отличающих живые организмы от тел неживой природы.

Вывод о решающей роли взаимодействия синтеза и деструкции органического вещества в формировании жиз­ ни становится очевидным не сразу, и на его обосновании следует остановиться более подробно. Предположим, что процессы деструкции господствуют безраздельно. Само собой разумеется, что на такой основе возникновение сложного из простого невозможно. Но и противоположное предположение неизбежно ведет в тупик. Если происхо­ дят только синтетические процессы, все органические ве­ щества за миллиарды лет преобразуются в какие-то слож­ ные агрегаты без обмена веществ. Это будет не жизнь, а кристаллизация. Нельзя ие вспомнить слова выдающе­ гося французского физиолога Клода Бернара, писавшего в 1870 г.: «Жизнь может быть только там, где есть вмес­ те и синтез и органическое разрушение» 28.

Если жизнь начала развиваться как единство процес­ сов синтеза й деструкции органического вещества, она, по-видимому, на первых этапах не была связана с от­ дельными организмами. Иначе говоря, жизнь появилась раньше живых организмов. Такой точки зрения придер­ живался, в частности, выдающийся английский биолог

и К. Бернар. Курс общей физиологии. СПб., Изд-во Билибина, 1878, стр. 110.

34

Д. Бернал 2Э, внесший весьма существенный вклад в тео­ ретические представления о ранних этапах развития жиз­ ни на нашей планете.

Таким образом, жизнь на первых этапах своего раз­ вития неизбежно должна была пройти стадию взаимо­ действия между простейшими органическими соединения­ ми, содержащими некоторый запас энергии, накопленной за счет ультрафиолетового излучения Солнца.

Вопрос об источниках энергии первичных биосинтезов различные исследователи решали по-разному. В конце прошлого и в начале нашего века господствовало пред­ ставление, согласно которому сначала возникли зеленые растительные организмы, способные с помощью энергии видимого солнечного света строить вещества своего тела из простейших минеральных элементов. Изучение фото­ синтеза показало, что механизм запасания световой энер­ гии с помощью хлорофилла (фотоавтотрофия) — процесс весьма сложный, и предполагать, что он мог возникнуть сразу, нет никаких оснований. Сейчас гипотеза первич­ ности фотоавтотрофии отвергнута всеми исследователями. Не лучше обстоит с представлением о первичности хе­ мосинтетиков. К таковым относятся микроорганизмы, ис­ пользующие для целей биосинтезов энергию окисления некоторых неорганических соединений, например соеди­ нений железа, серы. Обмен веществ подобных микроор­ ганизмов весьма специализирован. Скорее всего, как ду­ мает А. И. Опарин, они являются продуктом длительной эволюции, а не ее пионерами.

На смену представлению первичности автотрофных организмов, использующих для целей биосинтезов энер­ гию Солнца (фотоавтотрофы) или энергию окисления хи­ мических соединений (хемоавтотрофы), пришла хорошо разработанная теория А. И. Опарина (1957, 1960) о пер­ вичности гетеротрофных форм обмена: «Исходным источ­ ником энергии и строительных материалов для первич­ ных живых существ служили абиогенно возникшие органические вещества окружающей организм внешней сре­