Зарождение жизни

На протяжении длительного времени, вероятно, около двух миллиардов лет, в водной среде происходили реакции взаимодействия растворенных органических и неорганических веществ с образованием все более сложных органических соединений вплоть до возникновения живой материи – жизни. При этом многие растворенные соли, как и не растворимые в воде осадки, на поверхности которых адсорбировались органические вещества, были катализаторами.

Устанавливались определенные закономерности суточной, сезонной и годовой изменчивости термического и химического состава вод. В заболоченных участках суши при наличии в атмосфере смеси газов водорода, аммиака, метана, паров воды под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца появились условия для возникновения жизни.

Среди сложных органических соединений в первичных водоемах до появления жизни возникли и находились в растворе: сахара, кислоты жирного ряда, липоиды, порфирины, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, органофосфорные соединения и др. Их полимеризация и дальнейшее усложнение состава привели в конце концов к возникновению сложных высокомолекулярных полимеров, до некоторой степени сходных по своему аминокислотному строению с белками. Процессу их полимеризации способствовало каталитическое действие глинистых частиц ила, кристалликов кварца, гидроокиси железа.

Возникновение этих сложных органических соединений шло, конечно, совсем иными путями, чем оно происходит теперь в живых организмах. Эта абиогенная очень длительная во времени (может быть, 2 млрд. лет) стадия органо-химической эволюции углеродистых соединений качественно отличалась от последующей биогенной стадии.

На поздней стадии абиогенной эволюции разнообразные сложные белково-подобные полимеры соединялись в многомолекулярные ассоциации. Эти ассоциации выделялись из общего раствора – сначала в виде плавающих капель (коацерватов), затем в виде масс, адсорбированных плавающими глинистыми частицами и скопляющихся на дне водоема, составляя более или менее значительную часть донного ила.

«Образование коацерватов в водах земной гидросферы, – пишет акад. А.И. Опарин, – явилось весьма важным этапом в эволюции первичных органических веществ и в процессе возникновении жизни. До этого органическое вещество было неразрывно слито с окружающей средой, равномерно распределено во всем объеме растворителя.

При образовании коацерватов молекулы органических полимеров сконцентрировались в определенных пунктах пространства и отделились из окружающей среды более или менее резкой границей. Только при этих условиях, вблизи границ не засыхающих водоемов могли возникнуть живые системы, мог возникнуть биологический обмен веществ и самовоспроизведение вещества.

Необходимым условием для возникновения жизни были неглубокие, не пересыхающие в течение года водоемы, равномерное распределение отсортированных, плавающих глинистых частиц и скопление сложных белково-подобных полимеров, которые соединялись в многомолекулярные ассоциации, а также присутствие электромагнитной энергии солнца в суточном ритме.

Академик А.И. Опарин выделяет четыре качественно различные ступени поступательной эволюции исходных коацерватных систем:

1) возникновение способности их к самосохранению в условиях постоянного взаимодействия с внешней средой;

2) возникновение систем, способных не только к самосохранению, но и к увеличению (росту) своей массы за счет веществ окружающей внешней среды;

3) приобретение системами не только динамической устойчивости, но свойств, все большей и большей динамичности, когда совершающиеся в них реакции стали протекать все с большей скоростью.

При быстром и массовом разрастании исходных систем начал происходить естественный отбор только тех из них, в которых реакции распада и синтеза согласовывались между собой так, что возникали стационарные, постоянно повторяющиеся цепи и циклы, что приводило к постоянно повторяющемуся новообразованию того или иного продукта обмена.

На этой основе и возникла характерная для живых существ способность к самовоспроизведению. «С этого момента, – пишет А.И. Опарин,— можно говорить о возникновении жизни, и на этой стадии эволюции материи естественный отбор в полной мере приобрел свой биологический смысл».

Значительно позже живое вещество приобрело свойство биогенного фотосинтеза, а вместе с тем и стало создавать те ярко выраженные окислительные условия на земной поверхности, которые характерны для настоящего времени. Эти окислительные условия возникли не сразу. Они создавались в течение длительного геологического времени, может быть в течение сотен миллионов лет. Следовательно, между этапом восстановительных условий в земной атмосфере и гидросфере и этапом окислительных условий выделяется переходная стадия.

Некоторые авторы (Г. Тоде, например) приходят к выводу, что коренной переход от восстановительных условий к окислительным в земной атмосфере наступил только 700-800 млн. лет назад, т.е. когда на Земле уже существовала значительно развитая жизнь и начался фотосинтез. По-видимому, это относится к середине протерозоя. Если возраст нашей планеты определяется в 3,4-5,3 млрд. лет, то, следовательно, на значительную часть ее существования приходится восстановительный характер атмосферы и гидросферы.

По мере того как в ходе эволюции организмов возникали фотоавтотрофные формы, способные при помощи длинноволновой радиации солнечного света разлагать воду, освобождая в молекулярной форме кислород, восстановительные условия на поверхности Земли постепенно заменились окислительными. Это был весьма существенный момент в истории нашей планеты, это была переломная стадия между двумя совершенно различными этапами в истории атмосферы – переход от восстановительного к окислительному периоду. Такой же переломной стадией это было и в жизни гидросферы и, в частности, подземных вод.

В эту переходную стадию «в атмосфере, – пишет А.И. Опарин, – в изобилии находились углекислый газ, водород, метан и другие газообразные вещества, образовавшиеся при различного рода брожениях. В водах морей и океанов в растворенном состоянии присутствовали этиловый спирт, различные органические кислоты и другие, не утилизируемые уже более отходы анаэробного обмена. Частично в растворе, частично в осадках находились карбонаты и ряд сохранившихся и заново восстановленных неорганических соединений (как, например, закись железа), а также первично сохранившиеся и возникшие биогенно аммиак, сероводород и т.д.

Все эти вещества в отсутствии свободного кислорода были малодоступными для живых существ. Только возникшие уже к этому времени первичные фотосинтетики могли весьма широко и почти монопольно использовать разнообразные органические отходы брожения и такие соединения, как метан и водород, для восстановления фиксируемой ими углекислоты, построения компонентов своей биомассы».

В этого время усиливается процесс совершенствования аппарата обмена веществ и общей эволюции фотоавтотрофных организмов. Начался процесс все более интенсивного биохимического поглощения СО₂ из атмосферы и выделения О₂. В результате этого процесса концентрация кислорода в атмосфере значительно возросла, а концентрация двуокиси углерода уменьшилась. С увеличением концентрации О₂ в атмосфере началось окисление многих газов (СО, SО₂, NH₃, Cl, HC1, углеводородов и других летучих органических веществ). Окисление СО и NH₃ расширило участие углерода и азота в циклических процессах, связанных с живым веществом. На поверхности Земли, в её атмосфере и гидросфере постепенно вместо восстановительной, возникла окислительная среда.

Вместе с этим начался процесс развития хемоавтотрофных организмов, использующих восстановленные неорганические соединения за счет энергии реакции окисления их свободным кислородом: окисление сероводорода серными бактериями, аммиака – микробами-нитрификаторами, перевод закисного железа в окисное железобактериями, окисление водорода и метана водородными и метановыми бактериями.

Резкое нарастание количества органического вещества на Земле в связи с возникновением биологического фотосинтеза, в свою очередь, явились причиной нового этапа обильного и многообразного развития гетеротрофных организмов, в т.ч. животных. Они питались готовым органическим веществом, но уже не в анаэробных, а аэробных условиях.

Со времени возникновения жизни на Земле живому веществу принадлежит исключительно большая роль в разделении изотопов таких элементов, как О, С, S, Н. Так, более тяжелый изотоп О¹⁸ углекислоты концентрируется в растительных тканях, а более легкий изотоп О¹⁶ воды в результате фотосинтеза и разложения воды поступает в атмосферу. В результате фотосинтеза происходит преимущественное поглощение и связывание органическим веществом легкого изотопа С¹². Тяжелый изотоп С¹³ углекислоты, наоборот, накопляется в таких её соединениях, как известняки, доломиты и др. Это приводит к минимальному содержанию С¹³ в углях, жидких и твердых битумах и т.д.

Благодаря оптимальной температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому облучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с веществами усложнялись и образовывались углеводы, аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты.

Возможность такого синтеза была доказана опытами А.М. Бутлерова, который еще в середине прошлого столетия получил синтетическим путем углеводы (сахар). В 1953-1957гг. химиками различных с (США, СССР, Германии) в целом ряде экспериментов из смеси (аммиака, метана, водяного пара, водорода) при 70-80°С и давлении несколько атмосфер под воздействием электрических разрядов напряжением 60 тыс. вольт и ультрафиолетовых лучей были синтезированы органические кислоты, в том числе аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), которые являются материалом для образования белковой молекулы. Таким образом, были смоделированы условия первичной атмосферы Земли, при которых могли образовываться аминокислоты, а при их полимеризации – и первичные белки.

Эксперименты в этом направлении оказались перспективными. В дальнейшем (при использовании других соотношений исходных газов и видов энергии) путем реакции полимеризации из простых молекул получали более сложные молекулы: белки, липиды, нуклеиновые кислоты и их производные, а позже была доказана возможность синтеза в условиях лаборатории и других сложных биохимических соединений, в том числе белковых молекул (инсулина), азотистых оснований нуклеотидов. Особенно важно то, что «лабораторные эксперименты совершенно определенно показали возможность образования белковых молекул в условиях отсутствия жизни».

Живому веществу на Земле за все время его существования принадлежит огромная роль в круговороте воды на Земле и в формировании химического состава природных водных растворов, особенно таких, как воды океана. На протяжении от второго и до последнего этапов истории земной атмосферы продолжался процесс выделения из магматических пород паров воды, инертных газов и распад радионуклидов. Выделявшиеся из магматических пород водяные пары, выпадавшие затем в виде осадков, создавали на поверхности Земли все расширявшиеся водоемы.

Образование океанических впадин. В начальный период существования твердой земной коры она не была столь гетерогенна или, употребляя термин В.И. Вернадского, асимметрична.

Суша прежде занимала гораздо больше поверхности; водоемы не носили характера современных океанов, а имели характер неглубоких эпиконтинентальных морей. Общее количество воды было значительно меньше. Современные океанические впадины развивались вследствие тектонических движений земной коры и стока поверхностных вод.

Геологические доказательства более широкого распространения суши в прошлом и факты недавних опусканий суши и дна океанов позволяют сделать выводы, что раньше на поверхности Земли глубоких океанов не было вообще, и на их месте находились мелководные морские бассейны, меньшие по площади, чем современные океаны. С течением времени происходил процесс углубления океанических впадин, охватывающий огромные площади и не компенсированный накоплением осадков. Он и привел к образованию океанических впадин. Все более подтверждающиеся в геологии факты молодости океанических впадин и более значительного распространения суши в былые времена приводят к выводу о прогрессивном увеличении количества воды на Земле в течение геологической истории. Это увеличение происходило за счет выделения из магм, сначала из гранитной магмы при формировании первичной гранитной коры (главным образом в архее), затем все более и более из базальтовой магмы.

Особенно заметное увеличение массы океанической воды произошло за время мезозоя и кайнозоя, особенно кайнозоя. Выделение воды в указанные эры происходило главным образом из базальтовой лавы при ее подъеме в процессе опускания дна океанических впадин. Видимо, так шло пополнение водами современного Мирового океана.

В архее (около 1-1,3 млрд. лет назад) дифференциация вещества во внешних сферах земной планеты заключалась в образовании гранитной коры на поверхности, с некоторым выделением воды из магмы и, следовательно, с образованием на гранитной коре гидросферы. Этот процесс особенно энергично стал протекать, начиная со времени около 200 млн. лет назад.

Подводя итог, можно выделить пять этапов в развитии литосферы, атмосферы и гидросферы Земли. В каждом из них атмосфера и гидросфера играли различную роль в ходе общих геологических процессов. При этом на каждом последующем этапе эта роль все более усложняется.

На первом этапе, на протяжении 1,5 млрд. лет (от 5 млрд. до 3,5 млрд. лет назад) гидросферы как отдельной составной части земной поверхности не существовало, водяные пары составляли лишь элемент земной атмосферы. Состав атмосферы менялся на разных стадиях этого этапа в зависимости от термического состояния Земли; в целом атмосфера имела восстановительный характер. Так называемые экзогенные геологические процессы стали возможны только во второй половине этого этапа, когда образовалась твердая земная кора.

На втором этапе, на протяжении следующих 1,5 млрд. лет (от 3,5 до 2 млрд. лет назад) температура на земной поверхности снизилась до 100С. Стало возможно существование капельножидкой воды и водоемов на поверхности Земли. К химической деятельности водяных паров атмосферы на поверхности Земли добавилась растворяющая деятельность горячей капельножидкой воды, как на поверхности, так и в недрах Земли.

На третьем этапе, на протяжении 1,2 млрд. лет (от 2 млрд. до 800 млн. лет назад) зарождается и развивается жизнь на Земле; возникает биосфера. По мере развития жизни меняется характер атмосферы и гидросферы. Увеличивается количество воды на поверхности Земли и в атмосфере. Все возрастающая роль свободного кислорода и геохимическая роль организмов резко меняют и очень усложняют характер всех геологических процессов на поверхности Земли и в недрах её твердой коры.

На четвертом этапе, на протяжении 600 млн. лет (от 800 до 200 млн. лет назад) от середины протерозоя до начала мезозоя на Земле уже существовала значительно развитая жизнь. Начался и все более интенсивно развивался органический фотосинтез, что привело в начале этого этапа к коренному переходу от восстановительных к окислительным условиям в атмосфере и гидросфере. За это время геологические и геохимические процессы на поверхности Земли и в недрах её коры по своему характеру делаются все более близкими к современным.

На пятом этапе, на протяжении последних 200 млн. лет (от 200 млн. лет назад до современности) происходит резкое увеличение воды на Земле – этого сильнейшего растворителя и фактора геохимической миграции элементов. Возникают океанические впадины. Создаются современные особенности взаимоотношений атмосферы, гидросферы и литосферы, в которых все большее значение имеет биосфера, а в самом конце этого этапа и ноосфера, т.е. преобразующая деятельность человека.

С момента появления человека начинается 6-й этап – антропогенный.