Теорія походження біосфери

На початку цього розділу ми говорили, що жива речовина не містить ніяких елементів, які були відсутні б в неорганічний мир Землі. Додамо до цього твердження, що чотири головні елементи (водень, кисень, азот, вуглець), що входять до складу живої речовини, переважають на Землі. Тому живу речовину зазвичай.
Яким чином ці елементи об’єднувались, щоб утворити біосферу? Цього ми ще не знаємо. Але ми вже маємо достатню кількість інформації, щоб звузити коло можливостей і робити все більш обгрунтовані припущення. Приводить в здивування «набір» різних організмів, що живуть зараз, включає всілякі градації від найбільш високоорганізованих тварин до найпростіших одноклітинних форм. Але на цьому послідовність не кінчається, а продовжується далі вниз до одиночних великих білкових молекул, представлених, наприклад, різними вірусами, які існують то в інертному кристалічній формі, то в рухомому живому стані.
Але і сама білкова молекула складається з більш простих частин – сполук вуглецю, водню, азоту і кисню, пов’язаних між собою певним чином і утворюють так звані амінокислоти. Ці кислоти входять до складу будь-якого організму, але чи можна назвати їх самих «живими»? Вченим вдалося утворити амінокислоти із з’єднань, які, ймовірно, входили до складу первинної атмосфери Землі, – газоподібної суміші водню (H2), метану (CH4), аміаку (NH3) і водяної пари (H2O). Цю суміш піддавали сильним електричним розрядам, а потім конденсували. В отриманій рідини були виявлені амінокислоти та інші вуглеводневі кислоти. В інших експериментах з неорганічних складових частин були отримані багато компонентів живої матерії.
Результати цих експериментів призводять нас до висновку про те, що організми розвинулися шляхом тривалої хімічної еволюції з неорганічної речовини, котре складалося зі сполучень хімічних елементів і неорганічних сполук. Ці сполуки, найбільш ймовірно, перебували в морській воді, яку біологи називають «теплим живильним бульйоном», хоча це повинен бути досить рідкий суп. Але так чи інакше морська вода була рідким середовищем, в якій найлегше могли відбуватися хімічні реакції. Вода є розчинником і чудовою середовищем для реакцій органічних сполук, які і самі являють собою рідкі системи. Більш того, атоми вуглецю мають виняткову здатність з’єднуватися один з одним самими різними способами. Тому всі ці обставини забезпечували найбільш сприятливі умови для виникнення надзвичайно різноманітних з’єднань.
Як ми відзначали в шостому розділі, первинна атмосфера і гідросфера (включаючи згадуваний «поживний бульйон») не містили вільного кисню. Весь кисень існував тільки у формі сполук з іншими елементами.
Кисень не тільки необхідний для життєдіяльності тварин; у верхніх шарах теперішньої атмосфери він створює екран, який захищає Землю від ультрафіолетового випромінювання Сонця, яке в іншому випадку вбило б будь-які живі організми (В атмосфері Землі під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця молекули кисню (O3) перетворюється в молекули озону (О3). Озон, накопичуючись у верхніх шарах атмосфери, утворює екран, який захищає Землю від ультрафіолетового проміння. – Прим. ред). Зараз ми живемо ніби під парасолькою, який утворює вільний кисень, а на ранніх етапах історії Землі цієї захисту не існувало. Тому на пустельні первісному світі, навіть якби якимось чином виник якийсь сучасний організм, він не міг би вижити, тому що тоді не було цього захисного екрану.

Перш ніж рухатися далі, слід більш уважно вивчити шкалу часу, якій нам належить користуватися. Як ми вже говорили (див. Табл. 2), викопні рештки, знайдені в породах, показують, що приблизно 3,2 мільярда років тому в море вже існували як найпростіші, так і дуже примітивні рослини. Так як літосфера утворилася близько 4,5 мільярда років тому, ми маємо проміжок часу тривалістю близько 1,3 мільярда років, протягом якого утворилося і розвивалося живу речовину. Цей проміжок часу вдвічі довшій всього фанерозою, з усією його довгої і складної історією розвитку біосфери, що саме по собі більш ніж достатньо. Протягом цих 1,3 мільярда років в середовищі, позбавленої вільного кисню, мало б виникнути і після цього розвинутися до рівня найпростіших і примітивних рослин живу речовину. Розглядаючи ці події, ми повинні також враховувати, що пізніше кисень з’явився в атмосфері у великих кількостях, тому що без цього не могли б виникнути тварини.
Ці події, послідовність яких може бути на кличуть входити хімічної еволюцією, теоретично можуть бути пояснені логічно, але наскільки істинна ця теорія – покаже майбутнє.
Компоненти, необхідні для утворення живої речовини, присутні в первинному океані, це органічному «бульйоні». Без наявності вільного кисню ультрафіолетове випромінювання Сонця вільно досягало поверхні суші і океану. Це опромінення або розряди блискавок могли створити високу енергію, необхідну для утворення амінокислот, подібно до того, як це спостерігалося в лабораторних експериментах. Амінокислоти могли об’єднуватися, утворюючи білкові молекули, які, реагуючи і легко вступаючи в з’єднання, сприяли подальшим змінам, створюючи більш складні вуглеводні.
Десь в цій послідовності знаходиться ланка, з якого ми могли б вважати початок виникнення життя. Але який момент вважати початком життя, залежить від того, як визначити життя. Можливо, перший живий організм складався з однієї клітини. Можливо, це була дуже проста бактерія або щось схоже на бактерію. Але що б це не було, воно потребувало харчуванні. Джерелом живлення для нього могли служити молекули вуглеводнів, які становлять мул на дні дрібного моря. Від цього способу харчування залишався один крок до засвоєння або «поїдання» спочатку продуктів життєдіяльності, а потім і мертвих тіл таких же організмів. Наступним кроком логічно повинно було з’явитися поїдання живої органічної речовини.
У цій передбачуваної послідовності подій ми бачимо початок розділу живих організмів на дві групи. Одна група живе, поглинаючи відходи життєдіяльності і мертве речовина інших організмів; інша група, в деякому відношенні більш складна, вважає за краще харчування живими організмами. Це основна відмінність, що поклала початок окремих лініях розвитку, могло привести до поділу на рослини і тварин, хоча ця ідея, мабуть, надмірно спрощена.
Зміни, що мали місце в ході цієї та інших ранніх стадій еволюції, найкраще виражаються в термінах біохімічних реакцій. Серед найбільш ранніх змін, ймовірно, було одне, яке уможливило реакцію, що отримала назву ферментації. У тому вигляді, як ми спостерігаємо її зараз, ферментація здійснюється примітивними організмами, в тому числі деякими бактеріями, що живуть в безкисневому середовищі. Оскільки ці організми живуть в такому середовищі, вони дають нам ключ до розуміння життя, яку вели організми в первинному океані. При ферментації вуглеводні розщеплюються і перебудовуються, невелика кількість енергії вивільняється у вигляді тепла, а одним з продуктів, що утворяться є вуглекислий газ (рис. 29).
Цей продукт, байдуже, чи був він результатом ферментації або інших хімічних реакцій, теоретично мав велике значення для подальшого розвитку знову утворилася життя, тому що додавання великого обсягу вуглекислого газу до того його невеликій кількості, яке вже могло міститися в море, мало надавати середовищі нові властивості. Воно створювало можливість для процесу фотосинтезу. Властивий багатьом рослинам, цей процес створює різні органічні сполуки з води, вуглекислого газу та енергії сонячних променів, поглиненою рослинами (рис. 29). Якщо вуглекислий газ постійно надходив в море, рослини, які раніше не могли існувати в океані, що володів менш складним хімічним складом, могли тепер розвиватися, «ладу» свої тканини з вуглекислого газу.

Звідси випливає ще один важливий наслідок. Одним з продуктів фотосинтезу є вільний кисень (O2). Тому при достатній кількості рослин, які виробляють кисень, він теж повинен був в свою чергу накопичуватися в море. У цих нових умовах в присутності вільного кисню стає можливим процес дихання (рис. 29). Дихання – процес, зворотний фотосинтезу, – не тільки виробляє вуглекислий газ, необхідний для рослин, але також вивільняє велику кількість енергії – приблизно в тридцять п’ять разів більше, ніж ферментація. Ця енергія має таку форму, яка може використовуватися для зростання і руху організмів. При цих очевидних перевагах дихання повинно було зробити можливим існування тварин. Тварини з користю вжили надлишок енергії, що утворюється при диханні. Вони навчилися вільно переміщатися, деякі дуже швидко, в пошуках їжі. Рух вимагало координації частин тіла, точного контролю і здатності швидко приймати складні рішення. Для цього потрібен був мозок, ще одне має велику цінність відміну тварин від рослин.
Таким чином, виникненнябіосфери починається з хімічних процесів, які пізніше набувають характеру біохімічних. Послідовність цих процесів в схематизованому вигляді представляється в наступному вигляді:
амінокислоти -> білкові молекули -> складніші вуглеводні -> ферментація -> фотосинтез -> дихання
Така хімічно обґрунтована послідовність подій в освіті життя в самому простому вигляді. Вона виглядає логічною, але не можна забувати, що це все ще не більше ніж гіпотеза. Зародження процесів життя могло відбуватися і дещо відмінним від описаного шляхом. Більшість вчених вважає, що причиною виникнення цих процесів був довгий ряд випадкових хімічних сполук, чисто випадкових подій, таких, наприклад, як зіткнення молекул в «живильному бульйоні».
Слово «випадковий» не повинно наводити нас на думку про те, що вся ця послідовність подій була чисто «випадкової», вираз, під яким зазвичай мається на увазі «малоймовірний» або навіть «майже неймовірний». «Випадковість» тут означає лише «ймовірність». Коли ми говоримо про випадковість події (такого, як зіткнення молекул), ми маємо справу зі статистичної закономірністю. Кожне випадкове подія, яким би малоймовірним воно не було, якщо розглядати його ізольовано, стає більш і більш ймовірним у міру збільшення числа проб. Якщо ймовірність події становить 1 з 1000 в одному експерименті, то при 10 000 експериментів ймовірність того, що воно відбудеться хоча б один раз, буде рівною 19 999 з 20 000; така ймовірність зазвичай вже не вважається «випадковістю», це майже впевненість.
Тепер подивимося, скільки разів за даний проміжок часу могло статися 10 000 спроб? Ми розглядаємо проміжок часу довжиною близько 1,3 мільярда років, з виникнення Землі до появи рослин, плюс 2 мільярди років або близько того до моменту, про який відомо, що тварини вже існували. Скільки разів могли статися 10 000 спроб для кожного з таких невпорядкованих подій за період протяжністю 3,2 мільярда років? Уява людини заходить в глухий кут при спробі обчислити таке величезне число. Жодна людина, знайомий зі статистикою, що не відкине можливість виникнення хімічних сполук просто на тій підставі, що для них могло не вистачити часу. Часу було більш ніж достатньо.
У якийсь момент в ході змін незалежно від того, відбувалися вони так, як ми описали, або інакше, хімічна еволюція ранніх етапів стала біологічної. Сталося це з того моменту, як організми почали відтворювати себе. Кордон між двома еволюціями показана (довільно) в таблиці 2 на рівні найдавніших відомих викопних організмів, хоча її справжнє місце повинно бути трохи нижче.
Біологічна еволюція, імовірно між одним і двома мільярдами років тому, отримала новий розвиток завдяки виникненню статевого розмноження. У зв’язку з цим різко зросли можливості пристосування організмів до середовища, як ми побачимо в восьмому розділі.

Посилання на основну публікацію