Борис Александрович Трофимов

Жизнь в глубинах веков

Научный редактор
доктор биологических наук, профессор
К. К. ФЛЕРОВ

ПРЕДИСЛОВИЕ

На книжных полках наших читателей не много книг, посвященных истории жизни на Земле. Между тем наряду с вечно изменяющейся и бесконечной Вселенной, быть может, ничто так не поражает воображение человека, как величественная и сложная история жизни, ее прогрессивное развитие в течение колоссальных промежутков времени. Эта старая и вечно новая тема привлекала внимание людей, вероятно, с тех пор, как появился разумный человек.
Почти столетие отделяет нас от того времени, когда Ч. Дарвин создал учение об историческом развитии органического мира. За этот срок наука накопила много материала, позволяющего конкретно проследить историю жизни на Земле, основные этапы ее развития.
В настоящее время над проблемой развития жизни работает много ученых: микробиологи и биохимики, геохимики и палеонтологи, астрофизики и ботаники, зоологи и физиологи.
В этой книге рассказывается о том, как возникла и развивалась жизнь на Земле вплоть до появления человека, культурных растений и домашних животных.
Автор, зоолог и палеонтолог по специальности, естественно, уделил основное внимание происхождению животных, используя в первую очередь достижения современной палеонтологии — науки, изучающей историю жизни по остаткам ископаемых организмов.
Методы современной науки позволяют достаточно определенно и точно восстанавливать органический мир прошлого и в его естественной обстановке, непрерывном изменении. Автор попытался также связать прошлое с настоящим, помочь читателю понять настоящее через его историю. Изучение истории растительного и животного мира развивает диалектико-материалистическое мышление, помогает узнавать живую природу, а также предвидеть, как она будет изменяться в дальнейшем. Конечно, управлять общим ходом развития жизни на Земле — дело науки и практики будущего. Но это будущее не за горами.

ТАЙНА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

БЕЗЖИЗНЕННАЯ ЗЕМЛЯ

Мы знаем, что Вселенная бесконечна. О ее протяженности можно судить по скорости света. Проходя 300000 километров в секунду, свет от самых близких звезд достигает Земли через годы. Среди многочисленных звездных систем, составленных множеством отдельных звезд разной величины, различных стадий развития и древности, наше внимание более всего привлекает звездная система — Галактика, в состав которой входит Солнце с окружающими его планетами.
Если бы всего полстолетия назад сказали, что настанет день, когда мы узнаем, из чего состоят звезды, есть ли у других планет атмосфера и каковы физические условия на их поверхности, никто бы этому не поверил. Однако мы сейчас имеем эти сведения. Более того, человек готовится стать путешественником по Вселенной, он многое узнал о строении, происхождении и развитии звезд, планет.
Как возникла Земля, земная кора, в каком направлении идет развитие их строения, откуда взялись океаны, глубокие моря и мелководья, низменные равнины и горные хребты — все то, что создает возможности для возникновения и развития жизни на Земле?
Эти вопросы встают перед нами, когда мы задумываемся над проблемой истории жизни на Земле.
Очень давно по сравнению с продолжительностью жизни человечества около 5—6, а может быть и более, миллиардов лет назад образовалась Земля.
В настоящее время работы астрономов, геологов и других специалистов, изучающих строение и развитие небесных туманностей, звезд, Солнца, планет с их спутниками, позволяют с достаточной достоверностью представить себе возможные пути возникновения Земли и общую картину ее изменений даже на первых этапах существования.
Происхождение Земли, ее строение, в частности концентрация различных химических элементов, образование атмосферы — воздушного океана Земли, гидросферы — водной оболочки Земли, литосферы — каменной оболочки Земли, а также происхождение жизни — одна из самых интересных и замечательных проблем, которые сейчас разрабатываются наукой.
Современная астрономия доказывает, что материя звезд и планет находится в непрерывном изменении, что причины образования планет следует искать в закономерностях развития отдельных звезд. Однако мы пока еще не знаем, как образовалась наша Земля, и можем высказывать только более или менее правдоподобные предположения, или гипотезы.
В настоящее время происхождение Земли можно представить себе так.
По гипотезе, разрабатываемой академиком В. Г. Фесенковым, Солнце и планеты возникли из огромного газово-пылевого облака, подобного тем туманностям, которые наблюдаются во многих районах Галактики. Размеры туманности были настолько огромны, что из ее вещества наряду с Солнцем возникли десятки, а может быть, и сотни других звезд.
О том, как постепенно из газово-пылевого облака сгустились планеты, в том числе и Земля, мы знаем из теоретических работ академика О. Ю. Шмидта и его школы. Взаимное тяготение частиц облака и их обращение вокруг Солнца привели к образованию сгущений, сначала небольших, а затем все более и более растущих. В результате такого процесса роста, продолжавшегося миллиарды лет, образовались крупные шарообразные тела — планеты, среди которых была и наша Земля.
Первичная Земля была холодной. Однако рассеивавшееся облако, вещество которого сгустилось в планеты, теперь уже не мешало солнечным лучам достигать района Земли и даже более отдаленных областей солнечной системы. Солнечное тепло привело к выделению газов из твердых частиц, составивших поверхность Земли. Так возникла земная атмосфера.
С другой стороны, радиоактивные вещества, заключенные в Земле, распадались и выделявшееся при этом тепло, не находя выхода наружу, расплавляло породы внутренних частей Земли. В конце-концов возникли мощные «очаги расплава», откуда через жерла вулканов раскаленная лава извергалась на поверхность Земли.
В Земле происходил (да и поныне еще не кончился) процесс перераспределения тяжелых и легких пород. Тяжелые породы именно вследствие своей тяжести опускались к центру Земли, «выдавливая» на ее поверхность породы легкие.
Такие перемещения иногда очень крупных масс послужили причиной землетрясений и горообразования. Теперешнее перераспределение плотности в Земле, ее расслоение по геосферам, есть результат долгой эволюции земного шара.
Водяные пары, выделяясь в атмосферу из недр и поверхностных слоев Земли, охлаждались там, превращаясь в ливни и дожди. Постепенно вода заполнила углубления на поверхности земного шара, дав начало морям и океанам.
Таким образом, Земля первоначально резко отличалась от современной.
Прежде чем возникла жизнь, вещества земного шара испытывали сложные физико-химические превращения, в результате которых возникали оболочки, сферы Земли.
Геологическими и геофизическими исследованиями установлено, что Земля от центра к периферии разделяется на так называемые геосферы. Ученые различают ядро и субъядро, состоящие из плотных элементов; твердую оболочку, земную кору, или литосферу, сложенную из менее плотного силикатного (кремниевого) материала, водную оболочку (гидросферу) и воздушную оболочку (атмосферу).
Земная кора имеет толщину от 3 до 80 километров. Она состоит главным образом из пород, содержащих много кремнекислоты, окислов алюминия, кальция, щелочей.
Для понимания возникновения жизни на Земле необходимо знать, как появились эти сферы, чем они характерны.
Совершенно очевидно, что для жизни требуются определенные внешние условия, которые могли сложиться лишь в результате длительного исторического изменения химического состава Земли, а также ее вод, атмосферы, источников внутренней энергии и в первую очередь радиоактивности.
Литосфера, или земная кора, образовалась в глубокой древности. «Возраст Земли — есть приблизительно возраст ее твердой коры», — пишет академик В. Г. Фесенков. Это объясняется тем, что вследствие большой разности температур раскаленная часть Земли быстро остывала. По гипотезе, разработанной О. Ю. Шмидтом, следует, что первичная земная кора возникла с самой Землей и имеет одинаковый с ней возраст. Разогревание Земли в результате радиоактивного распада началось позже и сильнее было в центре Земли.
Вполне вероятно, что древняя земная кора была сравнительно тонкой и беспрерывно разрывалась в различных местах под напором глубинных извержений газов, паров и жидких лав. Постепенно она утолщалась, на нее наслаивались разлившиеся лавовые потоки, осадочные породы, а снизу охлаждались и затвердевали более глубокие слои. Одновременно с образованием земной коры шло образование атмосферы и гидросферы.
Первоначальная атмосфера Земли содержала в себе много паров воды, но мало кислорода, ибо основная масса его образовалась после возникновения жизни на Земле за счет деятельности зеленых растений. Образовавшиеся на поверхности Земли воды давали начало первичным океанам и морям, пресным или имевшим слабую соленость.
Это первобытное состояние Земли тянулось очень долго, вероятно, дольше, чем все последующее время ее существования. Происходили сложные химические взаимодействия различных веществ. В частности, углерод — элемент жизни, — вступая в соединения с другими веществами, дал начало возникновению жизни.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ

Происхождение жизни, ее сущность — одна из наиболее трудных загадок науки, ибо жизнь — это самое сложное из известных нам явлений природы. Никто не видел и не наблюдал ее возникновения; более того, в природе не сохранилось никаких прямых или косвенных свидетельств о возникновении жизни и первых этапах ее развития.
Поэтому разгадка происхождения жизни — одна из самых сложных проблем, над разрешением которой давно работала человеческая мысль, развиваясь по сложному пути от вымыслов, предрассудков к точному знанию.
На протяжении многих веков вокруг этой проблемы шла непрерывная борьба между двумя непримиримыми идеологиями — материализмом и идеализмом. В течение долгого времени науке для разрешения вопроса о возникновении жизни недоставало многих необходимых сведений. И этим пользовалась религия, пропагандируя представления, не обоснованные фактами и рассчитанные на слепую веру.
Путем накопления и обобщения многих фактов наука доказала, что для объяснения возникновения жизни не требуется прибегать к «божественному началу» или «божественной силе», даже несмотря на то, что наши знания о свойствах жизни еще недостаточно полны.
В настоящее время существует несколько предположений о возникновении жизни на Земле:
1. Жизнь никогда не возникала, она вечна, как вечна материя.
2. Жизнь возникла не на Земле, а занесена на нее с других небесных тел.
3. Жизнь возникла на самой Земле, то есть на какой-то стадии развития Земли из неживого возникло живое.
Первые два предположения о вечности жизни и занесении ее на Землю из мирового пространства с других планет несостоятельны в научном отношении. Утверждение, что жизнь никогда не возникала, что она вечна, есть по существу отказ от научного решения вопроса.
Диалектический материализм прежде всего учит, что вся природа находится в постоянном изменении, в развитии от простого к сложному, что живая материя как наиболее сложная могла возникнуть из неживой. Кроме
того, Земля как и другие планеты, не «вечна», она была вначале безжизненной.
Согласно современным достижениям науки, на протяжении громадных отрезков времени, потребовавшихся на образование Земли и первых стадий ее развития, жизнь на ней была невозможна. В древнейших слоях земной коры мы не находим следов жизни.
Вторая гипотеза о занесении жизни на Землю из мирового пространства также не подтверждается. По этой гипотезе, зародыши жизни рассеяны во Вселенной. «Жизнь может в течение бесконечного времени переноситься с одной солнечной системы на другую или с планеты на планету внутри отдельной солнечной системы», — так писал один из ярых сторонников этой гипотезы, шведский физик и химик Аррениус.
Известный немецкий физик и физиолог, Гельмгольц, считал, что жизнь могла быть занесена на Землю осколками небесных тел — метеоритами.
Вот как описывает эту возможность Гельмгольц: «Если два небесных тела сталкиваются, то большая часть их от удара так разбивается, что должна расплавиться. При этом во все стороны разлетаются осколки... Если бы наша Земля в ее теперешнем состоянии с ее растениями и животными столкнулась с небесным телом приблизительно такой же величины, то в пространстве рассеялось бы много больших и малых обломков, несущих на себе семена растений и животных. А так как с бесконечных времен существуют миры, несущие на себе жизнь, то существует и бесконечное множество метеоритов, которые, странствуя в небесном пространстве, несут на себе зародыши. Если бы на Земле не было жизни, то такой метеорит, упав на нее, мог бы вызвать на ней жизнь».
Едва ли живые организмы, даже мельчайшие из них, их споры, семена и т. п. могли бы перенести такой страшный удар и высокую температуру, которая возникает при этом. Кроме того, метеорит при движении в земной атмосфере сильно раскаляется. Далее, ни на одном из метеоритов не обнаружено никаких следов жизни. Поэтому от такого предположения надо отказаться.
Когда в начале XX века русский физик П. Н. Лебедев экспериментально доказал, что световые лучи производят давление, способное переносить мельчайшие частицы, гипотеза о занесении жизни на Землю, как будто получила научное подтверждение.
Однако это не так. Такое оригинальное, можно сказать, романтическое, объяснение возникновения жизни на Земле, имеющее до сих пор много сторонников, не подтверждено никакими научными доводами. Эта гипотеза обсуждалась на конференции по проблеме стратосферы, созванной в 1935 году в Ленинграде Академией наук СССР.
Советские микробиологи заявили на этой конференции, что любые микроорганизмы, любые зародыши жизни в стратосфере существовать не могут.
Крупный микробиолог академик Б. Л. Исаченко отметил, что все микроорганизмы, обнаруженные в воздухе, — земного происхождения. Кроме того, зародыши жизни не могут путешествовать в космическом пространстве потому, что ультрафиолетовое (коротковолновое) излучение Солнца убивает жизнь в течение нескольких секунд.
Все организмы на Земле защищены от действия коротковолнового излучения слоем озона, находящегося ь атмосфере. Только проскочив сквозь этот озоновый экран, зародыш жизни оказался бы защищенным от космических лучей смерти.
И даже если бы, наконец, организмы каким-либо образом и были перенесены с одной планеты на другую, они не нашли бы нормальных условий для своего развития. Астрофизика — наука о физическом и химическом строении небесных тел — показала, что физические, климатические и иные условия планет и других небесных тел весьма различны. Поэтому исторически сложившаяся приспособленность организмов к определенным условиям существования на одной планете была бы препятствием для их акклиматизации на другой планете.
Следовательно, соображения о том, что жизнь на Земле или другой какой-либо планете могла начаться с помощью организмов, занесенных с других планет, лишены научного обоснования.
Однако мысль о том, что жизнь и даже разумные существа есть не только на Земле, верна. Ф. Энгельс писал: «...у нас есть уверенность, что материя во всех своих превращениях остается вечно одной и той же, что ни один из ее атрибутов никогда не может быть утрачен и что поэтому с той же самой железной необходимостью, с какой она когда-нибудь истребит на земле свой высший цвет — мыслящий дух, она должна будет его снова породить где-нибудь в другом месте и в другое время» ¹.

В последние годы советский ученый член-корреспондент Академии наук СССР Г. А. Тихов создал новую отрасль знаний — астроботанику, занимающуюся изучением растительности на других планетах. Опираясь на достижения астрофизики, он пришел к выводу, что на Марсе существует низкорослая растительность — стелющиеся кустарники голубого, зелено-голубого и синего цветов.
Остается разобраться в третьей гипотезе о том, что жизнь возникла на Земле. Этот взгляд — наиболее древний в науке.
Многие величайшие философы древности — Аристотель, Лукреций, Виргилий, Овидий, Плиний Старший — верили в зарождение, то есть в возникновение сложно устроенных организмов из неживого вещества или внезапное превращение простых организмов в сложные. В XVII веке Ван Гельмонт предложил знаменитый рецепт самозарождения мышей из грязного белья, положенного в горшок с зернами пшеницы или с кусочком сыра. Спустя некоторое время итальянец Буанони сделал не менее фантастическое сообщение. На некоторых сортах деревьев, утверждал он, после того как они сгниют, появляются черви, которые затем превращаются в бабочек, а эти бабочки превращаются в птиц.
Итальянский поэт и медик Франческо Реди решил тщательно проверить возможность подобных самозарождений. Для доказательства, что так называемые мясные «черви», представляющие личинки мух, не зарождаются самопроизвольно, он покрывал кусок мяса марлей. Мухи, привлеченные мясом, откладывали на марле яйца, из которых и развивались личинки мух. Этот простой и наглядный опыт вызвал определенный сдвиг в умах ученых. Сам Ф. Реди выдвинул принцип: «Все живое от живого», правильность которого для всех современных организмов подтверждена всем ходом дальнейшего развития науки. Позднее профессор медицины Валлисниери в Падуе (Италия) доказал, что черви в плодах растений, например яблоках, происходят также из яиц, откладываемых насекомыми в цветах до того, как из них начнут развиваться плоды.

Так появляются «мясные черви» — личинки мух (опыт Реди.)
Личинки мух появляются на мясе, не покрытом кисеей (А).
На мясе, покрытом кисеей, личинок нет (Б)

Теория зарождения организмов казалась побежденной. Но в конце XVII века был изобретен микроскоп, и при помощи его голландским натуралистом А. Левенгуком был открыт мир мельчайших организмов.
Откуда берутся эти бесчисленные и бесконечно малые существа? Естественно, их появление и бурное развитие в воде, во всех экстрактах из органических веществ пытались снова объяснить внезапным и быстрым зарождением из неживого вещества.
В середине XVIII века было начато разрешение этой проблемы, которое окончилось лишь 100 лет спустя благодаря работам Луи Пастера. Пастер был гением эксперимента, искусным испытателем живой природы. В 1862 году на дискуссии в Парижской академии наук Пастер доказал, что в поставленных им опытах микроорганизмы из неживой материи не возникали. Вот как рассказывал об этом сам Пастер на лекции, сопровождавшейся опытами, в Парижском университете Сорбонне¹. «Вот, — говорил Пастер, — настойка из органического вещества, прозрачная, как дистиллированная вода, но в то же время легко подвергающаяся изменениям. Она была приготовлена сегодня. Завтра в ней уже появятся мельчайшие существа — инфузории или хлопья плесени.

Я помещаю часть этой настойки из органического вещества в сосуд с длинным горлышком. Предположим, что я сначала кипячу этот сосуд, а затем остужаю его. Через несколько дней в этой жидкости появится плесень или инфузории. Прокипятив эту жидкость, я уничтожаю зародыши, которые, возможно, находились в жидкости или на поверхности стенок сосуда. Однако, как только эта настойка приходит в соприкосновение с воздухом, она немедленно изменяется, подобно всем настойкам.
Теперь предположите, что я повторяю опыт, но, прежде чем кипятить жидкость, при помощи паяльной лампы вытягиваю шейку сосуда, не запаивая его отверстия. Затем я довожу жидкость в сосуде до кипения и охлаждаю ее. Жидкость в этом сосуде останется неизмененной не только в течение двух, трех, четырех дней, одного месяца или года, но в течение трех и четырех лет, так как вот уже четыре года, как у меня поставлен опыт такого рода, и жидкость до сих пор остается прозрачной. В чем же разница между этими двумя сосудами? Оба содержат одну и ту же жидкость, оба содержат воздух, оба открыты. Почему же в одном сосуде жидкость изменяется, а в другом не изменяется? Между этими двумя сосудами имеется только одно различие, а именно: в одном из них пыль, взвешенная в воздухе, и содержащиеся в ней зародыши проходят через горлышко сосуда и приходят в соприкосновение с жидкостью, в которой они находят пищу, обеспечивающую их развитие. Отсюда и появление микроскопических существ.
В опыте же с другим сосудом, наоборот, невозможно или, во всяком случае, очень трудно, чтобы пыль, заключающая в себе зародыши, попала внутрь сосуда. Куда же она попадает? Она скапливается в изгибе шейки. Когда воздух по законам диффузии и вследствие разницы в температуре попадает в сосуд, то, если эта разница не особенно велика, он входит в сосуд достаточно медленно для того, чтобы содержащаяся в нем пыль и все плотные частицы, попадая в шейку сосуда, задерживались в месте сгиба.
Этот опыт очень поучителен. Заметьте, что все, содержащееся в воздухе, кроме пыли, может легко проникнуть внутрь сосуда и прийти в соприкосновение с жидкостью. Представьте себе, что все, что имеется в воздухе, электричество, магнетизм, озон и все то, чего мы еще не знаем, все это имеет полную возможность прийти в соприкосновение с настойкой. Только одно не так-то легко может проникнуть в сосуд — это пыль, взвешенная в воздухе. Это очень легко доказать: стоит только раз встряхнуть сосуд, и через два-три дня в нем появятся инфузории и плесень. Почему? Потому, что движение воздуха было резким, и в своем движении он увлек за собой пыль.
Следовательно, господа, я могу сказать, показывая вам эту жидкость: вот я взял эту каплю воды, полную элементов, которые необходимы для развития низших существ. Я жду, я наблюдаю, я спрашиваю, требую от нее, чтобы она начала свою основную созидательную работу. Но она молчит! Она молчит уже в течение нескольких лет, прошедших с момента начала этого опыта. И это потому, что я удалил из нее и удаляю до сих пор единственное, что не может создать человек; я удаляю из нее зародыши, носящиеся в воздухе, я удаляю из нее жизнь, так как жизнь — это зародыш, и зародыш — это жизнь! Никогда теория самопроизвольного зарождения не поднимется после того смертельного удара, который нанес ей этот простой опыт».
Эту лекцию Пастер закончил так: «Нет, в настоящее время нет оснований, которые давали бы право утверждать, что микроскопические существа появились на свет не из зародыша и без участия родителей, сходных с ними. Те, кто это утверждает, стали жертвой иллюзии, жертвой неправильно проведенных опытов, где были допущены ошибки, которых они не умели избегнуть».

Дрожжи размножаются почкованием, бактерии — делением (А).
Внутреннее тончайшее строение бактерий (Б)

Так Пастер опроверг предположение, что гниющие растворы и настои порождают микробов. Само гниение есть результат жизнедеятельности микробов, попавших извне в благоприятную среду.
После опытов Пастера теория самозарождения организмов была похоронена.
В 1892 году русский ученый Д. И. Ивановский в труде «О двух болезнях табака» впервые открывает так называемых ультрамикробов, или фильтрующихся вирусов. Ими были названы возбудители многих болезней растений, животных и человека. Вирусы устроены проще, чем любые микроорганизмы, некоторые из них имеют длину от 10 до 100 миллимикронов (тысячная доля миллиметра), то есть по размерам они занимают промежуточное положение между крупными молекулами белков и бактериями, и поэтому проникают через особые фарфоровые фильтры, которые задерживают микробов.
Имея весьма простое строение, вирусы, как показали многочисленные опыты возникают лишь от вирусов, то есть при заражении.
Таким образом, все известные нам организмы возникают в настоящее время только путем рождения от себе подобных.
Когда, как и где началась на Земле жизнь? Эта величайшая проблема еще не решена наукой, но уже многое сделано для ее разрешения, для создания правильной материалистической теории происхождения жизни.
В настоящее время уже доказана правильность слов Энгельса о том, что «...жизнь, обмен веществ... есть самосовершающийся процесс, присущий, прирожденный своему носителю — белку, процесс, без которого не может быть жизни»¹.

Биохимия — наука о химическом составе и химических отправлениях организмов — полностью подтвердила положение Энгельса о том, что в основе жизненных явлений лежит обмен веществ белковых и других сложных органических соединений. Белковые тела — носители жизни, без них ее нет — вот основное положение биологии. Они играют основную роль в обмене веществ организма. Прекращение этого обмена ведет к смерти. Возникновение живого белка было великим скачком в развитии материи на нашей планете, началом жизни на ней.
Когда началась жизнь на Земле? Это, казалось бы, наиболее легкий из поставленных нами вопросов. Но и на него, к сожалению, точно ответить мы не можем.
Самые древние отложения, относящиеся к так называемой архейской эре, не содержат остатков ископаемых организмов. Но это не значит, что жизни в те времена не было. Тогда жили бесскелетные организмы, от которых ничего не могло остаться: ведь в пластах Земли сохраняются, окаменев, обычно только одни скелеты.
Это отсутствие ископаемых организмов в самом начале геологической летописи объясняется и другими обстоятельствами. Если в этих пластах когда-то и были ископаемые, то, находясь на большой глубине, они испытывали давление верхних пластов, соприкасались с изверженной лавой, подвергались воздействию больших температур. Поэтому эти древнейшие пласты претерпели значительные превращения, как говорят геологи, метаморфизировались. Их состав, плотность изменились, и ископаемые в них не могли сохраниться.
Древнейшие пласты немы, то есть не несут следов жизни, ничего не говорят о начале и первых путях ее развития. Эти вопросы приходится решать другими путями. Остатки древнейших организмов, в том числе сложного строения, например различных водорослей, губок, членистоногих и других беспозвоночных животных, мы находим в пластах земной коры, возраст которых исчисляют примерно в 700—800 миллионов лет (об исчислении возраста пластов Земли см. стр. 35—40).
Итак, если в столь древних пластах мы находим остатки многообразных организмов, то жизнь на Земле началась более миллиарда лет назад, а быть может, и еще раньше.
Сейчас многие ученые склоняются к тому, что она началась более двух миллиардов лет назад.
Еще труднее ответить на вопросы: как, где и почему началась жизнь на Земле? как и из чего возникли первые живые существа?
Эти вопросы в настоящее время решаются целой армией ученых различных специальностей: биологов, геологов, химиков, физиков, астрономов.
Очень много сделано для понимания возникновения жизни на Земле советским биохимиком академиком А. И. Опариным.
Опираясь на определение Энгельсом жизни как способа существования белковых тел, обладающих обменом веществ, А. И. Опарин предпринял плодотворную попытку воссоздать последовательные этапы возникновения основных органических соединений, из которых состоят живые существа, и в первую очередь белка.
Мы уже знаем, что на первобытной Земле были другие, не похожие на современные, условия: иной климат, иная влажность, иной состав воздуха. В те времена могли, очевидно, происходить такие химические процессы, которые теперь в природных условиях уже не происходят. И вот они привели к тому, что на Земле, в каких-то определенных условиях, в результате сложных превращений частички вещества приобрели особое строение. Они стали живыми.
Сейчас мы уже приближаемся к тому времени, когда в наших лабораториях будут воссозданы те условия, в которых когда-то возникла жизнь.
Живые организмы не сразу возникли из неживого, неорганического вещества. Возникновению жизни на Земле предшествовало сложное развитие различных органических соединений.
Как же современная наука представляет пути развития материи, прежде чем возникла ее высшая форма существования — жизнь?
Академик А. И. Опарин различает три основных этапа в возникновении жизни: 1. Возникновение простейших органических веществ. 2. Возникновение белков. 3. Возникновение сложных белковых тел — первых носителей жизни на Земле.
Возникновение простейших органических веществ. Химический состав живой и неживой природы одинаков. Ни в одном из живых организмов не обнаружен элемент, которого не было бы в неживой природе. Из 100 известных элементов 60 уже обнаружены в составе организмов. Тело человека весом около 60 килограммов содержит следующие количества различных веществ (в килограммах): кислорода — 36, углерода — 13, водорода — 5, серы — 1,8, азота — 1,45, кальция — 0,84, фосфора — 0,46, магния — 0,3, натрия — 0,18, калия — 0,15, хлора — 0,13, железа — 0,005, иода и мышьяка — по 0,0001 и еще более малые количества других веществ.
Все организмы состоят в основном, помимо воды, из сложных органических веществ: белков, углеводов, жиров и др. Химическую основу их составляют четыре элемента: углерод, водород, кислород и азот в белке.
Для органических веществ обязательно наличие углерода. Но углерод может входить и в состав неорганических соединений, например в углекислоту, состоящую из углерода и кислорода, в так называемые карбиды — соединения углерода с металлами, нитриды — соединения углерода с азотом. Сейчас доказано, что простые соединения углерода в виде карбидов, нитридов, а также соединений углерода с водородом — углеводородов (например метана) имеются в атмосфере многих звезд, в том числе и Солнца, на поверхности планет, в составе метеоритов.
Следовательно, тогда, когда на Земле еще не было живых существ, на ней происходило и, вероятно, происходит сейчас в глубинных недрах образование простейших органических веществ — углеводородов и их производных. Нитриды под действием паров воды образовали аммиак — соединение азота с водородом, — водный раствор которого называется нашатырным спиртом.
Возникновение белков. Следовательно, с самого начала существования Земли на ее поверхности, в атмосфере, в водах находились простейшие органические вещества в виде углеводородов и их соединений с кислородом, азотом и другими элементами. Но в течение длительного времени на Земле не было белков. Однако температура древней Земли, освещение, состав атмосферы и другие условия благоприятствовали образованию белков из простейших органических веществ. Многие углеводороды могли легко соединяться с водой и другими веществами, образуя углеводы (сахар, крахмал) целлюлозу, спирты, жиры. Так могли образовываться органические вещества довольно сложного строения. Примеров таких преобразований простых органических веществ в более сложные можно привести много. Еще в 1814 году петербургский химик Кирхгоф выделил из проросшего ячменя органическое вещество, ускоряющее химическую реакцию в организме, — фермент амилазу. При помощи амилазы ему впервые удалось вне организма превратить крахмал в сахар, то есть совершить процесс, который характерен для живых организмов. В 1824 году немецкий химик Вёлер изготовил щавелевую кислоту, а в 1828 году — мочевину. В 1840-х годах были получены искусственные жиры. В 1861 году знаменитый русский химик А. М. Бутлеров искусственно приготовил сахар. Раствор формалина, в специальных условиях опыта, он оставлял в теплой известковой воде. Через некоторое время раствор становился сладким. Оказалось, что 6 молекул формалина соединялись между собой в одну более сложную и крупную молекулу сахара.
Сейчас получено уже множество искусственных органических соединений. Белковые молекулы состоят из многих тысяч и десятков тысяч атомов. Они построены из отдельных звеньев, так называемых аминокислот. Аминокислоты — это вещества, содержащие азот с относительно простым строением молекулы. Они легко могут выделяться в кристаллическом виде и хорошо поддаются изучению. В настоящее время науке известно около 30 различных аминокислот.
Оказалось, что любой белок состоит из аминокислот. Они представляют как бы кирпичи белковых молекул. В последние годы химиками доказано, что аминокислоты могут образовываться из аммиака, водорода, метана и воды в тех же условиях, при которых возникают более простые органические вещества. Аминокислоты способны взаимодействовать друг с другом и давать сложные соединения вплоть до громоздких и разнообразных молекул белков. Из десяти аминокислот возможно образование более 3,5 миллиона белковых молекул — таковы потенциальные возможности их химических связей. В природе существует очень много различных белков. Молекула каждого белка содержит от нескольких сот до нескольких тысяч молекул аминокислот. В состав организма каждого животного входят сотни тысяч различных белков, характерных для данного вида. И все же, несмотря на эти бесконечные комбинации, выражающиеся астрономическими цифрами, биохимики успешно пытаются осуществить синтез белков.
Вот почему так трудно изучать химию и свойства белков. Кроме того, аминокислоты в обычных условиях не соединяются между собой. Для того чтобы они могли соединяться друг с другом в так называемые полипептидные цепочки, требуется большое количество энергии. Но наука преодолела и эти трудности. Немецкий ученый Фишер создал неживой белок из 18 аминокислот. Советский физик С. Е. Бреслер использовал для синтеза белковых веществ высокое давление — до 7000 атмосфер. В природных условиях подобное давление было широко распространено как в прошлом, так и в настоящем.
Четыре года назад французский химик Реми, производя опыты над новыми видами синтетического волокна, получил вещество, сходное с каротином*, — белком, входящим в состав нашей кожи, волос, ногтей.

Сейчас установлено, что число комбинаций аминокислот определенного белка сравнительно ограниченно. Кроме того, каждая молекула белка представляет собой очень сложную цепь аминокислот, имеющих определенное расположение в пространстве. Поэтому, если биохимик будет наудачу подбирать аминокислоты и создавать из них белок, то создать его будет меньше шансов, чем вновь набрать текст «Евгения Онегина» из рассыпанного типографского шрифта.
Следовательно, прежде чем пытаться изготовить определенный вид белка, надо знать, из каких аминокислот он состоит, а также порядок, в котором они соединены. Пока это удалось установить только для некоторых простейших белков. Но успехи науки показывают, что выяснение строения и синтез других белков является лишь вопросом времени. Если будут созданы сложные белки, входящие в состав живой материи, то мы получим экспериментальное подтверждение современных гипотез о происхождении жизни на Земле.
Перед наукой встала задача искусственного синтеза белковых тел, наделенных обменом веществ.
Как же из белков, растворенных в водах древней Земли, могли возникнуть первые организмы — белковые тела? Это — третий и основной этап возникновения жизни на Земле.
Как мы уже говорили, обмен веществ — это основное свойство живой природы любого организма — от бактерии до человека.
Каждый организм живет, то есть питается, растет, выделяет негодные вещества, размножается.
В каждом организме, в любой его части, идет непрерывная работа — обмен веществ. Непрерывно он получает из окружающей среды питательные вещества и превращает их в вещества своего тела. В этом состоит процесс ассимиляции — одна сторона обмена веществ. Наряду с ним идет обратный процесс — процесс распада вещества — диссимиляция. В организме, особенно молодом и здоровом, эти процессы ассимиляции и диссимиляции идут согласованно, то есть жизнедеятельность протекает нормально.
По мере развития строения первичных белковых тел развивался и свойственный им обмен веществ.
Возникновение сложных белковых тел, наделенных обменом веществ и способных к воспроизведению себе подобных (размножению), было гигантским скачком в развитии природы от мертвой к живой материи.

Искусственно полученные коацерватные капельки (А) и сложный комплексный
коацерват (Б).
(Фотография сделана под микроскопом)

Как же это произошло? Безусловно, что жизнь возникла в водной среде, вероятно, в некоторых зонах древнего океана или небольших внутриконтинентальных водоемах. В них скорее всего образовались белки. Когда растворы, белков и прочих органических соединений смешивались между собой, происходила коацервация, скопление: возникали полужидкие, студенистые образования, так называемые коацерваты, коацерватные капельки. Таким образом, при смешивании различных белков белковые частицы объединяются в агрегаты, рои, подобные тем, которые образуются при смешивании растворов гуммиарабика и желатина. Когда молекулярные кучи включают в себя много миллионов белковых молекул и достигают большого размера, они становятся видными под микроскопом в виде капелек — коацерватов. Как доказали исследования А. И. Опарина и других ученых, они напоминают некоторыми своими свойствами протоплазму живых существ. Коацерваты уже обладают зачатками сложной внутренней структуры, благодаря чему они поглощают вещества из окружающего раствора. Такое поглощение совершается не механически. Внутри капелек происходят химические реакции. Одни из них могут ослабить коацерват, другие, наоборот, увеличить его объем и вес. Следовательно, идут процессы синтеза, новообразований и процессы распада. Подобный процесс, вероятно, наблюдался и у белков, возникших когда-то на Земле. Белки, растворенные в водах древней Земли, собирались в подобные коацерватные капельки. Могли возникнуть как «удачные» капельки, в которых процессы созидания шли быстрее, чем процессы распада, так и «неудачные», с преобладанием процесса распада. Первые капельки были наиболее стойкими, «жизнеспособными» в этом гигантском молекулярном растворе.

Прибрежные зоны морей и океанов. Здесь появились
древнейшие организмы

Далее возникали все более сложные капельки, лучше приспособленные к питанию и росту. Когда капельки достигали определенного объема, они делились. Вновь образовавшиеся дочерние капельки в наиболее благоприятных условиях продолжали все более и более усложняться. И дальнейший этот процесс усложнения коацерватных капелек привел к возникновению живого вещества белковых тел, имеющих обмен веществ, то есть к возникновению простейших организмов. Итак, жизнь появилась не сразу. Невозможно точно определить тот момент, тот этап, когда капельки коацерватов, простые сгустки белков, превратились в живые существа. Безусловно, что это произошло на основе постепенного накопления изменений и путем дальнейшего скачка к более сложной форме организации материи.
Что же представляли собой первичные носители жизни? Ф. Энгельс считал, что они должны были быть бесформенными белковыми образованиями. У одноклеточных организмов имеется, помимо протоплазмы, ядро, оболочки, пигменты и т. д. Даже у бактерии имеется оболочка и зачатки ядра. У первых живых существ не было клеточного строения. Они были близки к вирусам. В течение тысячелетий их строение становилось все сложнее, у них все время изменялось взаимодействие со средой обитания. Некоторые приобретали способность создавать органические вещества из углерода, содержащегося в атмосфере, используя солнечную энергию. Они питались простыми неорганическими веществами. Так появились простейшие растения — сине-зеленые водоросли, остатки которых находят в наиболее древних отложениях земной коры. Другие живые существа, давшие начало животному миру, продолжали питаться органическими веществами, получаемыми извне: их поставляли им теперь бактерии и водоросли. В дальнейшем благодаря естественному отбору организмы делались все сложнее и сложнее, и постепенно, как увидим далее, возник тот разнообразный мир живых существ, который мы наблюдаем в настоящее время. Об этом рассказывается в следующих главах.
Может ли человек создать жизнь и организмы? Весь ход развития науки о жизни показывает, что химики и биологи сумеют, и, возможно, в скором времени, осуществить синтез белков, способных расти за счет окружающей среды и делиться. Быть может, удастся получить искусственно живые организмы типа вирусов или даже простейших бактерий. Для этого необходимо хорошо выяснить строение белков, найти и научиться использовать формы энергии для синтеза белков из более простых веществ. Таким образом, можно искусственно создать жизнь, получить простейшие живые существа. Но мы знаем, что бездонная пропасть отделяет живой белок от первых организмов клеточного строения и, чтобы преодолеть ее, потребовались миллионы лет развития. Еще далее отстоят более высоко развитые организмы, возникшие в результате длительной и очень сложной эволюции. Создать их, конечно, невозможно. Синтез же белков будет иметь громадное значение для улучшения жизни человека.
Нам остается ответить еще на один вопрос. Где возникла жизнь? Ученые по-разному решают эту проблему. О месте зарождения первых форм жизни высказываются две противоположные точки зрения. Многие считают, что жизнь возникла в первичном океане или в некоторых его зонах. Этого взгляда придерживаются академик А. И. Опарин и многие другие ученые зоологи и палеонтологи. Это подтверждается, в частности, тем, что большинство низших организмов, особенно животных, в современную эпоху живут в морях и океанах. Кроме того, в самых древних отложениях земной коры мы не находим остатков наземных растений и сухопутных животных. Другие ученые считают, что жизнь возникла на суше. В мировом пространстве существуют, как уже говорилось, губительные для всего живого космические лучи. Они легко могли проникать через земную атмосферу, пока она содержала мало кислорода, а состояла из водяных паров, углеводородов и аммиака. Поэтому жизнь могла возникнуть только в местах, защищенных от губительного действия космических лучей. Однако вероятно, что и некоторые участки суши могли быть прародиной жизни. Таким образом, вопрос о месте происхождения жизни не ясен. Возможно, что она возникла в воде или во влажной среде, которая облегчала первым организмом усвоение питательных веществ, предохраняла от высыхания и резких колебаний температуры, например в лагунах некоторых зонах замкнутых водоемов, то есть на границе различных географических сред — литосферы, гидросферы и атмосферы. Это подтверждает тот факт, что все древние ископаемые организмы — простейшие, губки, кораллы, водоросли — были обитателями мелководий.

ОГЛАВЛЕНИЕ