Как и где зародилась жизнь?

Происхождение жизни

Земля возникла совсем недавно. Ее поверхность, сотрясаемая внутренними толчками, ходит ходуном. Из расселин вырываются газы и постепенно образуют атмосферу, поначалу очень разреженную. Притяжение планеты удерживает эту бурлящую оболочку, крайне ядовитую. Палит солнце, повиснув над бесплодными скалами. Окажись здесь живое существо, любое из нам известных, — его убьют ультрафиолетовые лучи, если оно не успеет погибнуть при первом же вдохе. Новорожденной планете предстоит претерпеть ряд коренных изменений, прежде чем на ней сможет появиться жизнь.

Никто не ведает, как все началось. Возможно, Вселенная возникла 10—15 миллиардов лет назад в результате гигантского взрыва, а возможно, она существовала всегда. Могло случиться так, что около пяти миллиардов лет назад Солнце, затем Земля и другие планеты образовались в результате конденсации холодного облака пыли и газа.

Во всяком случае земная атмосфера, океаны и «сырье», из которого возникла жизнь, должно быть, появились из земных недр. Газы, находившиеся в камнях и между ними, поднимались на поверхность благодаря своему малому весу. Углекислый газ и водяной пар выходили наружу — через вулканы, фумаролы и расселины в земной коре.

Водяной пар, конденсируясь, превращался в водяные капли, которые постепенно скапливались в низинах. Наличие воды было чрезвычайно важным фактором, поскольку, поглощая ультрафиолетовые лучи, вода могла защитить от их смертоносного воздействия живые существа. Сначала это были всего лишь лужи и пруды. Затем они, увеличиваясь, сливались в озера, а те, в свою очередь, расширялись, становились глубже и превращались в моря. В конце концов глубокие выемки в земной коре наполнились до краев.

Ученым до сих пор неизвестно, сколько времени ушло на все эти процессы. Одни утверждают, что океаны образовались сразу же и их уровень стал близок к нынешнему уже в течение первых одного-двух миллиардов лет. Другие полагают, что они наполнялись постепенно. Доктор Уильям У. Рубей, сотрудник американского Управления геологоразведки, подсчитал, какое количество влаги вырывается на поверхность Земли через вулканы, фумаролы и горячие источники в наше время. По его расчетам, если в ту пору вода накапливалась с такой же скоростью, что и теперь, то четырех с половиной миллиардов лет было бы достаточно для того, чтобы в Мировом океане, содержащем ныне два миллиона триллионов тонн воды, скопилось такое количество влаги.

Но, как бы то ни было, ежегодно океан получает ничтожно малое количество влаги. Влияние ее на уровень океана заметить невозможно, так как уровень этот сильно колеблется под воздействием других причин, таких как образование и таяние льдов, опускание и поднятие суши и оседание океанского ложа под тяжестью воды.

Углекислый газ, просачиваясь наружу из недр новорожденной планеты, поступал в атмосферу и растворялся в совсем недавно возникшем океане. Конечно, имелся и водород — элемент, самый распространенный во Вселенной. Поскольку углерод, находящийся в углекислом газе, соединяется с великим множеством прочих элементов, он вступил в реакцию с водородом и образовал углеводороды — простейшие типы органических соединений, то есть соединений, встречающихся в природе в живых существах.

Вот уже перед нами первая ступень лестницы жизни. Из углеводородов можно создать более сложные органические вещества — это своего рода строительный материал, из которого состоит все живое.

Каким же образом могли возникнуть эти более сложные вещества в ранний период возникновения атмосферы и Мирового океана? Увлеченный возможностью сделать важное открытие, Стэнли Л. Миллер, в ту пору выпускник Калифорнийского университета, задался целью во что бы то ни стало выяснить этот вопрос. В 1952 году он провел свой знаменитый опыт. Миллер воссоздал первобытную атмосферу Земли в герметической камере, где циркулировала нагретая смесь водяного пара, водорода, аммиака (соединение азота и водорода) и метана (углеводород). Чтобы эти газы могли соединиться между собой, нужна была энергия, которая бы заменила молнию или ультрафиолетовое излучение. Для этого Миллер использовал электрическую искру. Нагретые газы, через которые пропускалась электрическая искра, остывая, превращались в жидкость. Жидкость нагревалась до кипения, и Миллер снова пропускал электрическую искру через образовавшиеся газы. Такая операция повторялась неделю, пока жидкость не изменила первоначальный цвет. Затем Миллер исследовал ее и обнаружил множество различных органических соединений, и в том числе аминокислоты. Эти кислоты являются строительными блоками протеинов, составляющих основу всех живых существ. Именно комбинация протеинов в данном организме и определяет, что он такое — растение, насекомое, динозавр или человек.

Аналогичные опыты производились русскими учеными, использовавшими в качестве источника энергии ультрафиолетовые лучи. Миллиарды лет назад степень ультрафиолетового облучения, получаемого Землею, была во много раз выше нынешней. Поэтому оно вполне могло послужить источником той самой энергии, которая была необходима для связывания между собой органических соединений.

Вулканическое тепло, радиоактивное излучение, атмосферное электричество — другие возможные источники такой энергии. Биохимики воссоздавали их в своих лабораториях с помощью электронных лучей, гамма-лучей и тепла. Ученые Флоридского университета опытным путем получили 14 видов встречающихся в природе аминокислот путем нагревания смеси, состоящей из метана, аммиака и воды, до температур, обычных для вулканических районов.

Один из ученых, доктор Сидней У. Кокс, соединив некоторые из образовавшихся аминокислот, получил более сложные вещества. Он добился этого, поместив аминокислоты в горячую лавовую породу, которую омывал кипящей стерилизованной водой, выполнявшей роль дождя, приливов и отливов.

Эти опыты доказывают, что простые элементы, находящиеся в Земле и близ ее поверхности, могут быть превращены в молекулы [Наименьшая единица любого химического соединения. Если раздробить молекулу воды, то вместо воды мы получим два атома водорода и один атом кислорода. (Здесь и далее все примечания, кроме особо оговоренных, принадлежат автору.) — прим. автора в эл. версии книги выделены серым цветом], обладающие некоторыми свойствами живых организмов, гораздо легче, чем это прежде считалось возможным. Вполне вероятно, что часть таких молекул или все они сначала возникли в атмосфере, но впоследствии попали в океан или были смыты на землю дождем.

Мировой океан в ранний период его существования, должно быть, представлял собой теплую, устойчивую среду, в которой эти химические соединения могли долго оставаться без изменения — использовать их в пищу было некому: микроорганизмов, которыми в наше время кишат моря, еще не было. Не было тогда и свободного кислорода, способного разложить эти соединения на их составные части. Первобытный океан можно себе представить, как некий жидкий бульон; хрупкие молекулы сохранялись в нем. в тех же условиях, какие мы считаем идеальными для консервирования продуктов,— стерильность и отсутствие доступа кислорода.

Однако этот океанический бульон отнюдь не был густым. Понадобилось какое-то средство, чтобы сблизить молекулы: ведь лишь при таком условии они могли, соединяясь между собой, становиться все крупнее и сложнее.

Гипотеза, выдвинутая доктором Питером Дж. Уонгерски, проводившим опыты в Йельском университете, объясняет, как это могло происходить. Пропуская пузырьки воздуха через смесь, состоящую из искусственно созданной морской воды и растворенных в ней органических соединений, включая аминокислоты, он обнаружил, что эти соединения выделяются из раствора и в виде пленки скапливаются на пузырьках воздуха. При подаче новых порций воздуха возникали все более крупные сгустки таких частиц. Исследуя получившиеся сгустки, доктор Уонгерски обнаружил полипептиды — молекулы, представляющие собой шаг от аминокислот к протеинам.

По мнению доктора Уонгерски, подобный процесс мог сыграть значительную роль в длительной эволюции от неорганических химических соединений к живым организмам, обитающим в море. Ветры и штормы, взбаламучивая воду первобытного океана, могли образовать в ней пузырьки, Подобно тому, как это происходит и теперь. Элементарные частицы, растворенные в воде, могли превратиться в сгустки твердого вещества, которое прилипало к пузырькам воздуха. После того как эти пузырьки лопались, такие сгустки, дрейфуя, по-видимому, продолжали собирать все новые органические вещества. Такие органические соединения, по словам П. Уонгерски, возможно, явились прародителями всего живого на Земле, в том числе и человека.

Пусть даже жизнь и не обязана своим происхождением этим катышам, однако, как полагает доктор Гордон Райли, без них живые вещества были бы ныне менее многочисленны. Органические сгустки, вероятно, с давних времен пополняли запасы пищи. И по сей день, считает Райли, такие органические сгустки служат основным источником пищи для многочисленных видов планктонных организмов, живущих как в глубинах океана, так и вблизи его поверхности.

Доктор Дж. Д. Бернал из Лондонского университета также считает, что «жизнь, подобно Афродите, возникла из пены морской». Он полагает, что органических веществ, скапливающихся близ поверхности, вероятно, было в сто, а то и в тысячу раз больше обычного в воздушных пузырьках, образующихся в волнах прибоя. «При ветре, дующем в сторону берега, — пишет Бернал,— все то, что находится на поверхности моря протяженностью в сотни и тысячи миль, может уместиться на полосе побережья длиной всего в несколько миль». По его образному сравнению, как бы неведомый исполинский повар снимает навар с поверхности гигантского океанского котла и стряхивает его на побережье.

Нам хорошо известно, что может произойти, если у нефтеналивного танкера, поблизости от излюбленного нами пляжа, появится течь.

По теории Бернала, тонкий слой органической слизи, приносимый очередным приливом, увеличиваясь с каждым разом, должен был достигнуть значительной толщины. Молекулы соединялись с частицами глины, находящейся в иле эстуариев и участков суши, затопляемых приливами. Частицы эти то увлажнялись, то высыхали, подвергались воздействию ультрафиолетовых лучей, перемещались с места на место потоками воды. Благодаря все новому и новому воздействию сил природы возникали все более сложные соединения.

Таким образом, говорит Бернал, вполне возможно, что жизнь возникла на побережье океана неорганическим путем, как следствие накопления огромных запасов «строительного материала». Эти гигантские молекулы каким-то образом смогли отделиться от ила и оказаться в море, где с ними стали происходить определенные химические реакции — метаболические процессы [Метаболизм, или обмен веществ, — совокупность химических реакций, делающих жизнь возможной. Он состоит в превращении пищевого сырья в живую материю и распаде этой материи с целью получения энергии для дыхания, перемещения, переваривания пищи и др.].

Однако Бернал не считает, что все произошло именно таким образом. «Процесс метаболизма развивался совершенно параллельно процессу концентрации органического вещества,— пишет он.— Я полагаю, что метаболизм в широком смысле этого слова происходит непрерывно». Даже в то время, когда молекулы были сцеплены с частицами глины, происходили уравновешенные химические реакции. По словам Бернала, «способ существования жизни возникал одновременно с созиданием материала для построения этой жизни».

Многие ученые разделяют его мнение. Доктор Барри Коммонер из Вашингтонского университета полагает, что метаболизм является единственной важной функцией жизни, которая может осуществляться без наличия живой клетки, однако результаты, получаемые при этом, в значительной мере напоминают процессы, происходящие в живой клетке. Поэтому, говорит он, «перед нами начало… наиболее вероятная отправная точка возникновения жизни».

В докладе, сделанном в Национальной Академии наук в апреле 1965 года, доктор Коммонер выдвинул следующую гипотезу развития жизни. Сначала в сложных молекулах, находившихся в океаническом бульоне, происходили химические реакции, сопровождаемые выделением энергии. Благодаря этой энергии молекулы могли приобретать больше материала и таким образом превращались в более крупные, более сложные соединения. Эти соединения сочетались друг с другом и постепенно образовывали организованные структуры. Такие структуры впоследствии приобрели способность размножаться и передавать свою организацию «потомкам».

Эволюция недр Земли

Попытаемся выяснить, как изменялась в течение истории Земли ее внутренняя структура. Главным процессом в эволюции недр планеты является гравитационная дифференциация веществ различного веса, при которой более тяжелые (т. е. имеющие при том же давлении большую плотность) вещества опускаются вниз, к центру планеты, а более легкие поднимаются наверх. В результате этого процесса планета должна расслоиться на оболочки так, чтобы более глубокие оболочки состояли из более тяжелых веществ.

В нижней мантии вещество находится в особенно плотном кристаллическом состоянии и имеет очень высокие температуры плавления. Как же осуществляются там вертикальные перемещения легких и тяжелых веществ в процессе их гравитационной дифференциации? Для ответа на этот вопрос надо учесть, что вещество в мантии Земли ведет себя как твердое тело только при быстро меняющихся нагрузках, а при очень долго действующих нагрузках оно обретает способность течь как вязкая жидкость. Поэтому, например, под действием центробежных сил, создаваемых вращением, Земля приобрела форму сжатого по оси эллипсоида вращения, почти в точности такого, как равновесная фигура вращающейся самогравптнругощей жидкости.

Крошечная разница между фактическим сжатием Земли (0,0033528) и чуть меньшим сжатием (0,0033370) фигуры равновесия жидкости при современной скорости вращения Земли объясняется тем, что мантия течет как жидкость с очень большой вязкостью, порядка 1026 пуаз, и поэтому из-за приливного трения не вполне успевает приспосабливаться к вековому замедлению вращения Земли, составляющему около 0,2% за 107 лет; вследствие этого сейчас фигура Земли совпадает с фигурой равновесия при большей скорости вращения — такой, как 107 лет тому назад.

В интересующих нас процессах долгодействующими нагрузками являются архимедовы силы плавучести, действующие на объемы мантии, потерявшие часть «ядерного» вещества при контакте с поверхностью ядра и потому обладающие пониженной плотностью и положительной плавучестью, а также па объемы, уплотнившиеся в результате выплавки из них в верхних слоях Земли некоторой доли легкого вещества земной коры и охлаждения из-за теплоотдачи наружу, а потому обладающие отрицательной плавучестью. Под действием архимедовых сил в мантии могут развиваться очень медленные конвективные движения (со скоростями, по-видимому, порядка всего лишь нескольких сантиметров в год).

Установившиеся (т. е. не изменяющиеся со временем) медленные конвективные движения в том или ином слое вещества организуются по горизонтали в ячейки. По краям так называемых открытых ячеек происходит подъем, а в центрах — опускание вещества; у верхней границы слоя в открытых ячейках вещество движется от их краев к центрам, а у дна слоя — от центров к краям (возможны также закрытые ячейки с противоположным направлением движения).

Конвективные движения должны, по-видимому, пронизывать всю мантию от поверхности ядра до астеносферы. Движения вещества мантии в верхнем слое конвективных ячеек должны увлекать литосферные плиты вместе со «впаянными» в них континентами, заставляя их двигаться по горизоптали от областей подъема к областям опускания вещества маптии. Таким образом, если наблюдаются горизонтальные перемещения литосферных плит, по ним можно пытаться восстанавливать очертания мантийных конвективных ячеек.

Простейшим случаем будет одна конвективная ячейка, охватывающая всю мантию, с одним полюсом подъема вещества и одним полюсом опускания и с движениями литосферных плит от полюса подъема к полюсу опускания, благодаря которым континенты должны собираться воедино вокруг полюса опускания, освобождая океанское полушарие вокруг полюса подъема. Таким могло быть, например, происхождение гипотетической Мегагеи Г. Штилле в конце среднего протерозоя и Паигеи А. Вегенера в палеозое.

Следующим по сложности случаем будет пара конвективных ячеек, например открытых, с двумя приблизительно противоположными полюсами опускания вещества и с зоной подъема приблизительно по соответствующему экватору между ними или но линии, получающейся в результате волнообразного изгибания экватора с образованием на нем двух гребней и двух ложбин,— так выглядит шов на поверхности теннисного мяча, склеенного из двух лоскутов. По этому шву должна образовываться глобальная зона растяжения с цепочкой срединно-океанских хребтов, а континенты должны собираться в две группы по осям лоскутов. Нечто похожее мы наблюдаем на современной Земле, где одну группу континентов образуют Африка, Евразия и Австралия, а другую — Северная и Южная Америка и Аптарктида, и эти два континентальных «лоскута» разделены глобальным «швом» срединно-океанских хребтов.

При одноячеистой конвекции в мантии образуется застойная область, в которой вещество не теряет железа и поэтому постепенно оказывается тяжелее окружающей среды. Его оседание превращает конвекцию в двухъячеистую, постепенное ослабление которой приводит к обратной перестройке в одноячеистую конвекцию. Такие перестройки можно сопоставить с тектоно-магматическими эпохами. Промежутки времени между ними должны быть сравнимы с периодом полного перемешивания мантийного вещества (т. е. его прохождения через слой активной дифференциации у поверхности ядра), которое можно назвать конвективным циклом.