Из более ста химических элементов, входящих в таблицу Менделеева, только шесть элементов определяют химический состав тел живых существ Земли, как бы они ни отличались друг от друга. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, получившие вследствие своей гегемонии в живых организмах название органогенов. В сумме эти элементы составляют не менее 97,4 % от веса тела каждого живого существа.
Каждая живая клетка строится в основном из элементов, которые в виде газов распространены в земной атмосфере. Около 70 % её вещества составляет кислород, 17 % – углерод, 10 % – водород, 3 % – азот. Все они обладают малым атомным весом, их соединения легко растворяются в воде.
Вода – не только великий растворитель, обеспечивающий протекание биохимических реакций, и не только среда, в которой протекают химические процессы. Она – постоянная участница этих процессов, обеспечивающая регулярный обмен веществ, теплообмен и терморегуляцию организмов. Внутри живых существ вне зависимости от среды, в которой они живут сейчас, сохраняется первобытный океан, из которого они произошли. Их тела на 60–90 % (и даже 99,7 %) состоят из воды. Вода обеспечивает транспортировку питательных веществ, придаёт телам упругость, способствует пространственному выстраиванию молекулярных структур.
Другим жизнеобразующим веществом является углерод. По своему происхождению и строению жизнь на нашей планете является углеродной. На основе углерода строятся десятки миллионов органических соединений. Эти соединения проявляют химическую активность при умеренных температурах. Многие из них подвижны, пропитаны водой, обладают низкой электропроводностью. Их молекулы образуют длинные скрученные цепи различной формы, при перестройке которых может резко возрастать их активность, особенно при наличии катализаторов. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, железом, фосфором и серой имеют ряд специфических свойств, способствующих катализу, гибким перестройкам, накоплению энергии и информации.
В настоящее время химиками обнаружено около 8 миллионов разнообразных химических соединений, причём около 96,6 % из них составляют органические соединения. Их, стало быть, насчитывается 7 млн. 680 тыс., тогда как неорганических – только 320 тыс.
Обычно считается, что такой достаточно узкий подбор химических веществ, входящих в состав любой формы земной жизни, является итогом естественного отбора, выделившего в течение миллиарда лет из огромного разнообразия веществ те, которые необходимы для осуществления и воспроизведения жизни самых разнообразных организмов. Имеется в виду, конечно же, внешний отбор. Однако в конструировании биологических структур на уровне биохимической эволюции огромную роль сыграл, по-видимому, внутренний отбор, т. е. восприятие протобионтами из внешней среды и синтез тех веществ, которые были способны поддерживать и воспроизводить жизнедеятельность.
Внутренний отбор продолжает играть одну из ведущих ролей и в биологической эволюции, способствуя самосовершенствованию одних организмов и деградации других. К сожалению, факторы внутреннего отбора и самосовершенствования совершенно не получили развития в современной синтетической теории эволюции с её гипертрофированием факторов мутаций и внешнего отбора. А ведь внутренний отбор, выбор стратегий поведения и способность к самоусовершенствованию сами регулируют и направляют внешний отбор, позволяя выживать и давать потомство в большинстве случаев наиболее жизнеспособным, успешно эволюционирующим организмам. Разумеется, речь идет не о некоей мистической устремленности к самосовершенствованию в духе Ламарка, а о спонтанно возникающем усовершенствовании целостных организмов в постоянно совершаемой ими работе для оптимизации своей жизнедеятельности и победы в борьбе за существование.
Ошибкой многих моделей биохимической эволюции было то, что они рассматривали протобионтов как пассивный объект химических изменений, совершенно игнорируя их мобилизационную активность, биохимическую работу, саморегулирование собственного состояния и внутренний отбор. Если бы не эти факторы, запустившие процессы самоконструирования, жизнь не возникла бы не только за миллиард лет, но и за миллиард миллиардов лет. Вывести чисто химическим путём жизнь из неживой материи невозможно. Химию направляла биохимическая мобилизация, возникшая из химической самоорганизации.
Глава 12. История жизни, её развитие и прогресс
12.1. Архейская эра
По современный представлениям, жизнь на Земле существует около 3,6 млрд. лет. Но очень может быть, что по мере расширения наших знаний этот срок также будет продляться подобно тому, как продляется на основе археологическо-палеонтологических исследований срок существования на Земле обезьяноподобных предков человека. Ибо возникновение жизни уходит своими «корнями» в тот «тёмный» миллиард лет, в который происходило формирование Земли, отвердевание и остывание её поверхности, формирование гидросферы и атмосферы, что сделало возможным образование протожизни и её трансформацию в наиболее примитивную жизнь.
За эти жизнетворческие 3,6 млрд. лет на Земле сменились пять геолого-палеонтологических эр: архейская, протерозойская, палеозойская, мезозойская и кайнозойская. Причём даже по названиям, как уже отмечалось выше, эти эры соответствуют не геологическим, а биологическим этапам истории Земли, ибо «зоя» по-гречески означает «жизнь».
Архейская эра (от греч. «архайос» – древний) – время становления и развития самой древней, наиболее примитивной жизни, первоначальный этап в истории биосферы. Архейская эра началась с подготовительного этапа, с возникновения преджизни и её превращения в неполную, ограниченную в своих функциях и возможностях жизнь. Этот этап относится к периоду, который получил название катархея, и некоторыми исследователями относится к особой, доархейской эре. В катархейский период биосфера первоначально сводилась к весьма широкому, по-видимому, многообразию биохимических форм, плавающих в первобытном океаническом «бульоне» и ставших частями великого эксперимента земной природы по самоорганизации предбиологических структур.
На базе этого многообразия постепенно выделялось и формировалось довольно узкое и ограниченное разнообразие первоначальных биологических форм – наиболее примитивных как функционально, так и генетически живых организмов. В разных частях первобытного океана Панталассы формируются сообщества таких одноклеточных организмов, гораздо более примитивных, чем современные бактерии и в то же время в чём-то подобных им. Такие сообщества составляют первичные геобиоценозы, которые, распространяясь по поверхности океана по мере размножения и диффузии составляющих их организмов, постепенно объединяются с другими сообществами и образуют широкую конкурентную среду взаимодействия различных видов бактериеподобных одноклеточных организмов. При этом некоторые из этих сообществ гибнут, на их месте нарождаются новые, и первобытная жизнь постепенно, очень постепенно распространяется вширь, захватывая всё новые пространства мирового океана.
После окончания катархея в продолжение архейской эры на базе наиболее ранних форм жизни развиваются и начинают борьбу за существование различные виды одноклеточных водорослей и бактериеподобных существ. Примитивность этих ранних форм жизни была связана с их прокариотическим строением, т. е. с отсутствием выраженного клеточного ядра, размытостью репродуктивных структур, отсутствием единого мобилизационного центра, управляющего процессами жизнедеятельности и размножения.
Проблема возникновения и начального развития жизни была во многом трансформирована под воздействием концепции В. Вернадского о биосфере и возникновения современной экологии. В основу теории биосферы при её разработке В. Вернадским в 20-е – 30-е годы прошлого века было положено представление о планетарной биогеохимической функции живого вещества и сложной организации биосферы, включающей взаимодействие самых различных вещественно-энергетических, геологических, информационных факторов и систем. С созданием этой концепции стало ясно, что живые существа на Земле могли возникнуть и функционировать только в определённой системе – биосфере, что эта система пронизывала собой всю историю Земли даже в самый архаический, «доисторический», первобытный период, что для существования даже простейших живых существ необходимо определённое разнообразие и конкуренция видов, что история возникновения и развития жизни – это история возникновения и эволюции биосферы.
До появления работы Вернадского в науке господствовало убеждение, что все живые существа произошли от одного-единственного общего для всех одноклеточного предка. Такое убеждение, в сущности, мало чем отличалось от веры в то, что все люди произошли от Адама и Евы. По этому поводу в работе 1931 г. В.И. Вернадский писал:
«Среди миллионов видов нет ни одного, который бы мог исполнить один все геохимические функции жизни, существующие в биосфере изначально. Следовательно, изначальный морфологический состав живой природы должен быть сложным. И первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде появления одного какого-то организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохимическим требованиям жизни» (Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста – М.: Наука, 1968, с. 38).
Первые достоверные свидетельства наличия жизни открытые палеонтологическими исследованиями, относятся к раннему катархею, ко времени, когда только что закончилось формирование земной поверхности. В кремнистых слоях западной части Австралии, в известковых сланцах Южной Африки (Трансвааль) и в песчаниках Канады были обнаружены остатки древнейших микроорганизмов в виде минерализовавшихся нитчатых и округлых структур. Анализируя эти структуры, палеонтологи выделили около десятка различных видов простейших бактерий, микроводорослей и органических молекул. Подобные тельца, оболочки и структурные элементы получили название микрофоссилий.
В несколько более поздних слоях обнаружены строматолиты (от греч. «строма» – подстилка, ковёр, «литос» – камень). Так, возраст строматолитов, содержавшихся в породах Булавайо (Зимбабве), составляет 3,2 млрд. лет. Строматолиты состоят из сотен или тысяч карбонатных плёнок и имеют слоистое строение. Они явились продуктами жизнедеятельности древнейших цианобактерий, колонии которых выделяли известковые отложения в виде карбонатных наростов, но плёнка извести мешала им же потреблять энергию, вследствие чего они переселялись на её поверхность, постепенно образовывая новую плёнку и т. д. Первые организмы питались готовыми органическими соединениями, накопленными в ходе биохимической эволюции. Они были неспособны к фотосинтезу с выделением кислорода. Это были анаэробные микроорганизмы, т. е. не пользующиеся воздухом, газами атмосферы для получения энергии, а получающие энергию посредством дрожжевого брожения.