Зарождение жизни на Земле и первые шаги живого

— Вы уверены, что никогда животное не примете за растение? — спросил биолог.
— Наивный вопрос,— обиделся небиолог.— Кто спутает стрекозу с одуванчиком? Животные двигаются, растения нет. Наиленивейшего ленивца никто не примет за гриб или я не знаю еще там за что. Биолог улыбнулся:
— Вы повторяете ошибки младенческого периода естествознания. Раньше тоже считали: «что движется — животное, а все прочее — растения». И относили к растениям губки только потому, что те неподвижно прикреплены ко дну.
— Ну, уж не такой я профан, кое-что помню из школьного курса, кое о чем читал,— возмутился небиолог.— Конечно, я неточно провел границу между растениями и животными. Главное — способ питания. Растения не питаются готовыми органическими продуктами, они сами их создают. Из углекислого газа, воздуха, воды, минеральных солей почвы. Животные в сравнении с ними тунеядцы. Да, да, жрут готовенькое: траву, листья, друг друга…

— Если бы все было так просто, — возразил биолог.— Важнейший признак различия вы нащупали правильно. Но… Куда вы отнесете, например, фрагеллят-хризамеб? В теле этих одноклеточных организмов обнаружен желто-зеленый пигмент, присущий только растениям. Но, лишившись единственного жгутика, это «растение», выпускает псевдоподобие, совсем как амеба. Питается фрагеллят-хризамеба тоже как животное. Оно заглатывает пищу.

Или как быть с росянкой? На первый взгляд стопроцентное растение. Питается же не только водой, углекислым газом и минеральными солями, но и насекомыми. Захватывая их, выделяет ферменты и спокойно переваривает пищу.
— Удивляюсь, — возразил небиолог. — В конце концов, не все ли равно, животное росянка или растение? Небиолог пренебрежительно машет рукой и не слушает возражений биолога. И зря. Тот говорит вот о чем.

…Вы хотите дышать свежим воздухом, вы хотите, чтобы у вас на столе всегда было вдосталь хлеба, молока, мяса. Все это, и многое другое, если хотите, продукция «зеленой машины» нашей планеты — ее лесов, лугов, полей, животных,— да, животных, птиц, насекомых, бактерий. Для своих нужд мы вырубили уже массу лесов и вырастили леса в степях. Луга мы сделали пашнями. Мы истребляем одни виды животных, растений, насекомых и способствуем размножению других. Иначе говоря, мы перестраиваем механизм «зеленой машины» нашей планеты. И будем перестраивать с еще большим размахом. А достаточно ли хорошо мы знаем то, во что так решительно вмешиваемся? Нет. Вы сравнили растения с животными и последних окрестили «тунеядцами». По-вашему выходит, растения могут существовать без животных. Так ли это? Чтобы разобраться в этом, надо познакомиться с тем, как питались первые представители жизни на Земле — подобно растениям, животным или они сочетали в себе признаки тех и других?

И почему жизнь на нашей планете вообще дала два побега, отделив животных от растений? Почему возникли клетки? Почему затем природа начала строить организмы из все большего числа клеток вместо увеличения размеров и усложнения одной единственной клетки? И, наконец, зачем природе потребовалось разделить многоклеточные организмы на два пола? Науке эти четыре «акта творения природы» еще недавно рисовались крайне смутно. Но сейчас туман неизвестности в значительной мере рассеялся.

«Пирог» существует потому что его едят

В первичной протоплазме, по всей видимости, были молекулы, которые могли улавливать солнечный свет и использовать полученную энергию для разложения воды и построения сложных органических соединений. Английский ученый К. Граник предположил, например, что веществом, улавливающим свет, были минералы, подобные окисленным железным рудам. На поверхности таких минералов мог возникать питательный «бульон» для первичных организмов.

Еще большее значение могли иметь молекулы соединений фосфорной кислоты, тоже содержащиеся в протоплазме. Они способны поглощать свет в бескислородной атмосфере, а именно такая атмосфера, состоящая в основном из азота, углекислого газа и аммиака, и окутывала тогда Землю.

Итак, первые комочки «живого» вещества питались подобно растениям. Но солнце щедро осыпало сушу и море своими дарами. Земля получала больше энергии, чем сейчас, так как не было «озонового экрана», который, как губка, впитывает большую долю губительной для всего живого ультрафиолетовой радиации. А озонового экрана не было, потому что не было или почти не было кислорода в атмосфере. Избыток энергии был для протоплазмы и счастьем и несчастьем. Счастьем, ибо ей легче доставалась энергия. Несчастьем — ведь первые организмы не могли «носа высунуть» из воды или тины.

И все же «солнечные батареи» этих первоорганизмов были слишком маломощны. Белковые комочки находились в положении человека с таким микроскопическим ртом, что даже водопад не мог бы помочь ему утолить жажду. Организмы боролись за более высокий к. п. д. поглощения солнечного света сотни миллионов лет, пока, наконец, им не удалось синтезировать в своих клеточных мастерских хлорофилл.

Молекулы хлорофилла называют «электронными насосами». Они отбирают водород у молекул воды и передают его молекулам углекислого газа. С этого начинается создание растениями сложных органических веществ своего тела — сахара, жиров, белков, витаминов. Энергию для этой работы они с помощью хлорофилла берут у световых лучей и действуют с поразительно высоким коэффициентом полезного действия.

Создание хлорофилла было одним из величайших триумфов жизни. Земля «до» хлорофилла и «после» — две разные планеты. В земную атмосферу стали поступать значительные количества кислорода, высвобожденные растениями при разложении молекул воды. Возник озоновый экран, растения смогли заселить сушу, начать свободно плавать по поверхности воды. Кислород атмосферы подхлестнул окислительные процессы. Еле тлевшая в энергетическом отношении первичная жизнь буквально расцвела.

— Но позвольте! — мог бы тут вмешаться небиолог.— Какое это имеет отношение к делению живой природы на мир животных и мир растений?

Самое непосредственное. Растения — это «пирог», начиненный энергией солнца. Животные не могут существовать без растений, это ясно. Но если растения могут существовать без животных, то почему последние все-таки появились? Мы вроде бы убедились, что в начале всех начал организмы предпочитали растительный способ питания и магистральной линией развития жизни на Земле был, без сомнения, процесс усовершенствования именно этого способа питания.

Действительно, растения в избытке обеспечены энергией солнца. Однако фотосинтез ограничен количеством углекислоты. Сейчас в атмосфере содержится всего три сотых процента этого газа. В минувшие геологические периоды его было больше. Куда же он делся? Ныне в углях, торфе, возникших из остатков животных организмов, содержится углекислого газа уже в двести раз больше, чем в атмосфере. Всего же растения связывают в органические соединения ежегодно примерно двести миллиардов тонн углекислого газа. Если бы этот процесс усилился, жизнь могла бы прийти к катастрофе: растениям нечем было бы питаться! Кстати, именно в силу этого природа не позаботилась увеличить коэффициент поглощения хлорофиллом солнечного света, хотя последний и ничтожно мал — не выше двух процентов.

А животные ограничивают срок «консервации» газа в теле растений. Именно поэтому, благодаря дыханию и разложению погибших животных, круговорот углекислого газа в наше время остается в общем неизменным. Получается парадокс: растения — это тот «пирог», который существует только потому, что его едят! Вот почему разделение первичных живых организмов на растения и животных было неизбежной закономерностью.

Представьте, что вы прочли: «По полю скачками двигалось нечто живое, отчасти похожее на зайца. Оно имело форму какого-то студенистого тумана, и тщетно взгляд пытался найти четкую границу между ним и окружающим воздухом». Подобные организмы существовали в действительности. Как это ни непривычно для нас, но первичная жизнь почти сливалась с окружающей средой. Граница между белковым комочком и питательным бульоном была зыбкой, расплывчатой. Жизнь держалась в узком диапазоне температур, физического и химического состава среды. Чуть выше, чуть ниже концентрация солей, чуть, больше, чуть меньше тепла — и существованию белковых комочков угрожала гибель.

Они должны были либо обзавестись «одеждой», либо и дальше всецело зависеть от капризов среды без надежды на дальнейшее развитие. Белковые комочки боролись за жизнь. Усложнялась их структура, отдельные части комочков обретали индивидуальность — так постепенно за миллионы и миллионы лет совершенствовались средства защиты.

Имя воздвигнутой ими цитадели — клетка. В ней жизнь могла чувствовать себя более или менее независимо перед лицом внезапных физико-химических катастроф среды. Организмов, переходных между одноклеточными и многоклеточными животными, найти пока не удалось. И. И. Мечников в свое время предположил, что многоклеточные возникли в результате объединения одноклеточных организмов.

Против этой гипотезы было выдвинуто серьезное возражение. Белки разных организмов ядовиты друг для друга. Именно поэтому не удается приживлять органы и ткани, взятые от другого организма. Их разрушают силы иммунитета. Однако существовали ли такие защитные реакции против чужеродных белков у древнейших одноклеточных существ — неизвестно. Можно лишь предположить, что они были слабо выражены и могли при некоторых условиях подавляться. Так, в ряде опытов удалось получить многоклеточную ткань из отдельных клеток, которые до этого подвергались различным химическим и радиационным воздействиям.

В 1954 году английский ученый Хэдзи выступил с гипотезой происхождения многоклеточных организмов от многоядерной клетки. Эти ядра концентрировали вокруг себя некоторые количества протоплазмы, и так, якобы, возник первый многоклеточный организм. Верно ли это, покажет будущее.

Какое значение имел скачок к многоклеточным организмам — можно легко понять путем такой аналогии: вспомним, как шагнуло вперед дело строительства, когда вместо глины, песка появились кирпичи, а затем и более крупные блоки. Стало возможным быстро создавать огромные сооружения. Так и в живой природе. Проведем аналогию дальше. Чем выше уровень производства, тем глубже его специализация. Это делает производство более производительным и экономичным. Так же обстоит дело и в живой природе. В теле многоклеточных организмов по мере эволюции специализация клеток, тканей, органов развилась до предельного совершенства. Это сделало возможным тонкое приспособление организмов к различным условиям жизни, необычайно подняло энергию жизнедеятельности.

Стертый шифр

Идеалом конструкторов может служить своеобразный «механизм», созданный живой природой — знаменитые нуклеиновые кислоты. В крохотном объеме нуклеиновых кислот, находящихся в ядрах зародышевых клеток, заложена программа развития взрослого организма, в которой предусмотрено все, вплоть до цвета глаз и формы ногтей. Нуклеиновые кислоты образуют в ядрах клеток сложные комплексы с белком — хромосомы. Эти кислоты играют роль своеобразных матриц, посредством которых «штампуются» новые белковые молекулы. Поэтому хромосомы можно считать как бы заводами белковых молекул. Заводы, которые непрерывно производят себе подобные заводы, не уклоняясь ни на йоту от программы, заводы, которые надо рассматривать в электронный микроскоп! С точки зрения техники — это чудо, для инженеров пока недостижимое.

Нет, однако, штампа, который во время работы не снашивался бы. То же самое происходит и с живыми «штампами». Стертые штампы дают неправильные копии. Из поколения в поколение эти неправильности — наследственные изменения — усиливаются, учащаются. Представим себе, например, штамп, на который нанесены все буквы алфавита. От длительного употребления некоторые буквы (на штампе они у нас рельефные), допустим «Г», «Л» и «Я», стерлись. Если мы с этого испорченного штампа делаем матрицу, а с матрицы копию, то все стертые буквы попадают в эту новую копию. К концу ее работы стирается, допустим, еще буква — «С». На последующей копии мы будем, следовательно, иметь еще больше стертых букв. Нечто сходное происходит и при размножении организмов способом клеточного деления.

Пока в природе размножение шло путем деления клеток, количество «ошибок» постепенно возрастало. Нарушалась выработка нужных ферментов, искажался обмен веществ, клетки теряли жизнеспособность. Нужен был иной путь. И он был найден. Организмы перешли к половому размножению. Что это дало? При оплодотворении, то есть при слиянии мужской и женской клеток, встречались хромосомы с различными дефектами. И дефекты эти, как правило, взаимно компенсировались. Для наглядности предположим, что неостывший металл матрицы испорченного штампа мы сразу же накладываем на второй штамп. У того буквы «Г», «Л» и «Я» сохранились, но зато стерты буквы «К» и «М». В пустых гнездах неостывшего металла нашей матрицы четко отпечатываются недостающие буквы. А «К» и «М» матрицы остаются без изменения.

Приведенное сравнение, конечно, страдает большой неточностью, но смысл происходящего оно передает: половое размножение явилось средством вечного обновления организмов, оно спасает их от ошибок, возникающих при образовании новых молекул ядерной нуклеиновой кислоты.

Сравнительно недавно считалось, что жизнь зародилась примерно полмиллиарда лет назад. Наиболее смелые ученые называли цифру в миллиард лет. Но в последнее время палеонтологи обнаружили следы бактерий и водорослей в породах, возраст которых исчисляется 2,5—3 миллиардами лет. Значит, жизнь древнее, чем предполагали. К такому же выводу пришли многие ученые.

Возраст самой Земли определяется в четыре с половиной — пять миллиардов лет. И бактерии, и водоросли — это уже очень сложные организмы. Поэтому истоки жизни некоторые ученые относят ближе к моменту становления Земли. Очень возможно, что первые проблески жизни забрезжили на нашей планете четыре миллиарда лет назад. Рано или поздно человек увидит воочию картину зарождения жизни. Где, на какой планете, в какой звездной системе — сказать пока трудно. Но где-то во Вселенной жизнь еще только в начале четырех «актов творения». И, вероятно, астронавты будущего увидят воочию истоки жизни, следы которых мы расшифровываем сейчас на каменных страницах геологической истории Земли.

Авторы: А. Эмме, Д. Биленкин.