§ 1.1. Биосфера и происхождение жизни на земле

Возникновение жизни на Земле тесно связано с эволюцией планет. Поэтому, приступая к обсуждению этого вопроса, начнем издалека — с возникновения Солнечной системы. Произошло это около 5,5 млрд. лет назад. О том, как это было, можно лишь догадываться на основе новейших исследований в области астрофизики — взрыв пра-Солнца с последующей конденсацией межзвездного вещества. Во всяком случае взаимодействие центробежных сил и сил гравитации привело к кон­центрированию и расслоению вещества с образованием Солнца и газопылевых облаков — предшественников будущих планет.

На Солнце в условиях плотного сжатия и высоких температур начались термоядерные процессы, сопровождающиеся излучением огромнога количества энергии в виде радиационного и всего спектра электромагнитного излучений. В недрах Солнца температура достигает 15 млн.град., а на поверхности температура плазмы составляет около 6000°С.

Расслоившееся вещество в процессе гравитационного сжатия скон­центрировалось с образованием разноудаленных от Солнца планет.

В зависимости от расстояния от Солнца химический состав планет различен. Наиболее удаленные планеты (Плутон, Нептун, Уран) представляют собой сгустки самых легких элементов и простейших химических соединений (водород, гелий, аммиак, вода, метан, другие гидриды и оксиды). Температура на поверхности этих планет состав-ляет 40-55 К. Атмосфера у них (кроме Плутона, у которого атмосфера отсутствует) состоит в основном из гелия и водорода.

Напротив, ближайшая к Солнцу планета - Меркурий - состоит преимущественно из тяжелых элементов. Атмосфера у Меркурия от­сутствует. Поверхность этой планеты подвержена либо испепеляющему воздействию солнечного излучения (температура ее поднимается до нескольких сотен градусов), либо, напротив, воздействию космическо­го холода. Средняя температура здесь составляет 400 К, ни о какой органической жизни не может быть и речи.

И

На Венере, "планете бурь", удаленной от Солнца на расстояние 110 млн.км, очень высокая температура поверхности (700 К), что связано с "парниковым эффектом" — в густой атмосфере Венеры большое содер­жание СОг (90%). Атмосферное давление на поверхности Венеры дос­тигает 300 атм. Облака в атмосфере этой планеты состоят из кристал­лической серной кислоты, что придает Венере особенно яркое сияние на земном небе. Вода здесь в свободном виде практически отсутствует.

На Марсе (230 млн.км от Солнца) другая картина: атмосфера здесь очень разрежена. Средняя температура поверхности планеты составля­ет всего 200 К. Вода, содержание которой в атмосфере ничтожно мало, находится здесь либо в виде холодного пара, либо в виде полярных снежных "шапок".

А вот Земле всего досталось в меру: расстояние от Солнца оказа­лось оптимальным — 150 млн.км. Набор химических элементов на Земле включает практически всю периодическую систему, причем самый распространенный элемент — кислород. Он составляет 89 вес.% воды, около 50% песка, глины, известняка и горных пород вулкани­ческого происхождения, образующих основную массу земной коры. В земной коре много металлов, в частности железа, различных минера­лов, карбонатов. Но главное, на Земле много воды и температурный режим на ее поверхности таков, что вода здесь находится во всех трех агрегатных состояниях.

Возраст Земли сейчас насчитывает 4,6 млрд. лет. По геологической шкале Кэлдэра, согласно которой 100 млн. лет принимаются за один "год", Земле сейчас 46 "лет". Год "рождения" Земли установлен на основании измерения содержания изотопов свинца в древнейших породах, содержащих уран-238.

Молодая Земля*была совсем иная, чем сегодня. Очень активна была вулканическая деятельность. Формирование плотной атмосферы вокруг остывающей Земли происходило за счет паров и газов, выделяющихся в результате дегазации мантии вследствие саморазогрева и частичного расплавления материала планеты и выделения газообраз­ных веществ, существовавших в протопланетном газопылевом облаке в виде льда. Газы, извергавшиеся вулканами в течение первых 500 млн. лет существования нашей планеты, состояли главным образом из водорода, водяного пара, метана и оксидов углерода с примесью соединений серы. Конденсация водяного пара, приведшая к образова­нию Мирового Океана, произошла 4 млрд. лет назад.

Процессы испарения воды, выпадения ее на сушу в виде мокрых осадков и стекания вновь в Океан (гидрологический цикл) привели к растворению в воде множества минеральных солей. Растворение атмосферного углекислого газа в воде с образованием нерастворимых 12

карбонатов привело к образованию осадочных пород. Другие атмос­ферные газы также растворялись в воде, а наиболее легкие (водород, гелий) со временем диссипировали в открытый космос.

Важной отличительной особенностью атмосферы ранней Земли являлось отсутствие в ней свободного кислорода. Он не мог накапли­ваться в атмосфере, содержащей большие количества газов, обладаю­щих восстановительными свойствами (Н₂, СН₄, H₂S и др.), в условиях продолжающейся вулканической деятельности, тем более при высоком содержании в воде в растворенном виде восстановленных -ионов метал­лов (главным образом ионов железа).

Можно представить, какой гигантский химический газожидкостный реактор представляли атмосфера Земли и Океан. К тому же жесткий солнечный ультрафиолет почти беспрепятственно достигал поверхнос­ти Земли. В результате атмосферных электрических разрядов и вулканической деятельности в зоне высоких температур (900—1000° С) осуществлялось множество химических реакций. Плюс к этому — высокий уровень ионизирующего излучения. Не удивительно, это показали и модельные эксперименты, что в анаэробных условиях под влиянием всех этих факторов эффективно протекали абиотические процессы синтеза из простых газов разнообразных химических ве­ществ, в том числе и органических соединений, включая углеводоро­ды, альдегиды, кетоны, карбоновые и аминокислоты. В результате химической эволюции материи, круговорота органических соединений образовывались все более и более сложные структуры. Предпосылкой прогрессирующего усложнения структуры явилось отсутствие деструк­ции молекул органических соединений до углекислого газа и воды, как это происходит в современной атмосфере при участии кислорода. Под действием УФ-света, в результате разрыва связей и процессов ионизации происходило не окисление, а распад молекул на отдельные фрагменты (свободные радикалы), которые служили строительным материалом для образования других соединений. Так, энергия солнеч-ного излучения постепенно запасалась в виде все большего количества органического вещества все более сложных структур. Процессы дест­рукции органических веществ в водной среде под воздействием жест­ких УФ-лучей протекают не столь эффективно, как в атмосфере, так что стационарная концентрация органических веществ в условиях их образования и разрушения была, по-видимому, значительной. При этом происходил своего рода абиотический "естественный отбор" химических молекул в направлении усложнения молекулярных струк­тур и накопления в Океане наиболее устойчивых из них.

По оценкам специалистов, с учетом известных квантовых выходов реакций фотохимического синтеза амино- и оксикислот из простых

13

газов содержание органических веществ в водах первобытного Океана могло достигать 1%. Во всяком случае концентрация органических веществ в таком "бульоне" оказалась достаточной для возникновения и поддержания на первых стадиях эволюции примитивных форм жизни.

По мнению Фолсома (1982), самопроизвольное зарождение химичес­ким путем макромолекул, воспроизводящих себе подобных, несущих и передающих "наследственную" информацию, произошло 3,8 млрд. или более лет назад; такой возраст имеют породы, сохранившие остатки примитивных микроорганизмов. Земле, по Кэлдэру^ исполнилось тогда всего 8 "лет". В осадочных породах свазилендской системы (Южная Африка), возраст которых составляет 3,4 млрд. лет, обнаружены остатки уже сформировавшихся микроорганизмов.

Бурному развитию жизни в Океане способствовала высокая кон­центрация в воде различных растворенных веществ. Под воздействием солнечной радиации, мощного фактора радиационного мутагенного воздействия, началась эволюция жизни на Земле. Поначалу жизнь брала из окружающей среды все готовое, получала энергию путем ассимиляции органического вещества, образовавшегося в ходе абиоти­ческого синтеза. Это так называемые гетеротрофные, нефотосинтезирующие организмы, главным образом бактерии. Появились и автотрофные, фотосинтезирующие бактерии, использовавшие энергию солнеч­ного света для окисления растворенных в воде тазов. В качестве

окислителей эти бактерии использовали СОг, N2, SO4", NOg и другие богатые энергией неорганические молекулы. Донорами электрона (водорода) служили CBLj, NH3, H2S, растворенные в воде органические вещества.

Где-то около 3,5 млрд. лет назад произошло знаменательное, но, по-видимому, закономерное в ходе эволюции биологической жизни событие — в качестве донора водорода некоторые бактерии "научи­лись" использовать воду. Это ознаменовало появление автотрофных фотосинтезйрующих организмов, продуцирующих во внешнюю среду молекулярный кислород. До этого момента свободный кислород появлялся в атмосфере лишь за счет ультрафиолетовой радиации паров воды.

В результате деятельности таких фотосинтезйрующих микроорга­низмов началась перестройка химического состава атмосферы Земли: цианобактерии (или сине-зеленые водоросли — так называются древнейшие, живущие и поныне фотосинтезирующие организмы) начали извлекать из атмосферы СОг и выделять Ог- Кислород посте­пенно окислял восстановительные эквиваленты в воде и воздухе. На

14

основании изучения ископаемых остатков древних организмов и изменений процессов формирования осадочных пород удается опреде­лить момент перехода от анаэробной —• восстановительной — атмосфе­ры к аэробной — окислительной.

Процесс окисления восстановительной атмосферы продолжался долго, около 2 млрд. лет. Основным потребителем Ог являлись раство­ренные в водах древнего Океана в большом количестве ионы Fe²⁺. Растворимые соединения двухвалентного железа входили в состав минералов земной коры и включались в миграционные процессы вследствие выветривания и эрозии. Фактически ионы железа служили катализаторами окисления молекулярным кислородом веществ с выраженными восстановительными свойствами. Очевидно, формирова­ние собственно аэробной атмосферы Земли началось, когда были окислены все содержащиеся в воде запасы веществ-восстановителей и скорость поступления в окружающую среду свободного кислорода превысила скорость восстановления ионов железа или других переход­ных металлов — катализаторов процессов окисления молекулярным кислородом. Произошло это около 2 млрд. лет назад, когда Земле исполнилось 26 "лет".

Содержание свободного кислорода в атмосфере постепенно нараста-

к существованию в аэробной среде. Появление свободного кислорода в атмосфере Земли явилось факиром,' сшсобствукицин иояаленшо многоклеточных организмов. Обнаруженные в отложениях верхнего докембрия многие виды многоклеточных организмов, часть из которых существует и поныне, указывают, что произошло это около 700 млн. лет назад.

Рост содержания Ог в атмосфере привел к возникновению озоново­го слоя, защищающего поверхность Земли от жесткого ультрафиолето­вого излучения Солнца. Это дало новое направление эволюции жизни: 400 млн. лет назад жизнь вышла на сушу, поверхность Земли в ее 42 "года" покрылась пышной растительностью, появились животные. Появление растительности ускорило процесс фотосинтеза, состав атмосферы вскоре достиг стационарного, современного уровня.

В результате процессов жизнедеятельности состав атмосферы оставался постоянным на протяжении многих миллионов лет. Тем самым в ходе эволюции на Земли возникла саморегулирующаяся химико-биологическая система (гомеостаз), способная поддерживать благоприятные для существования жизни условия внешней среды. Согласно идее основоположника учения о биосфере В,И. Вернадского, "жизнь создает в окружающей ее среде условия, благоприятные для своего существования".

15

Биосфера (bios — жизнь, sfere — шар) представляет оболочку жизни планеты — область существования живого вещества.

В основе учения о биосфере лежит понимание диалектического единства, взаимосвязи и взаимообусловленности процессов, происходя­щих между минеральной, водной и газообразной оболочками Земли, всеобщими в них, или, как писал Вернадский, всюдности, живого вещества.

Живое вещество оказывает непрерывное воздействие на неживую природу, преобразуя и формируя облик планеты и создавая целост­ную динамическую систему.

Гипотеза о существовании глобального гомеостаза предполагает наличие в биосфере замкнутых механизмов биологического круговоро­та веществ и механизмов обратной связи, ответственных за достижение состояния устойчивого равновесия при изменении внешних условий. Выяснение этих механизмов позволило бы определить пределы устой­чивости как всей биосферы в целом, так и отдельных экосистем. О том, что резервы устойчивости биосферы велики, свидетельствует такой эпизод из "жизни" Земли. Около 65 млн. лет назад Земля попа­ла под метеоритный "ливень". В результате лесных пожаров резко возросла запыленность атмосферы, температура понизилась по мень­шей мере на 10° С, был разрушен защитный озоновый слой. Конечно же со "сцены" жизни ушли многие представители животного мира, в частности навсегда исчезли динозавры, но постепенно прежнее тепло-вое и радиационное равновесие восстановилось. Земля оправилась от метеоритной "атаки", и жизнь вновь начала бурно развиваться.

Миллион лет назад в эволюции жизни на Земле произошло очеред­ное "чудотворное" событие — появился человек, сознательно воздейст­вующий на окружающую среду. Поначалу человек был лишь одним из звеньев экологической цепи, его сознание было направлено в основном на добычу пищи, спасение от хищных зверей, поиск источников теп­ла — всего того, что существует в природе без него, но может быть полезным и необходимым для человека. Лишь совсем недавно (всего 30 "секунд" назад по шкале Кэлдэра), после изобретения паровой машины, человек начал стремительно набирать индустриальную мощь.