Жизнь с начала времён
Кандидат биологических наук Римма Сейфулина. Фото автора
Наша планета живая в разных смыслах этого слова. с одной стороны, она обитаема, а с другой — сама ведёт себя подобно живому телу, непрерывно меняясь в ходе своей истории.
Наша планета живая в разных смыслах этого слова. с одной стороны, она обитаема, а с другой — сама ведёт себя подобно живому телу, непрерывно меняясь в ходе своей истории. Лицезреть воочию это действие нам не дано, слишком короток человеческий век. Однако существует каменная летопись, которую Земля хранит в своих недрах. И главное, что донесли до нас каменные страницы, — это то, что развитие живой природы отражает «биографию» самой планеты.
Живые организмы, появившиеся на первом миллиарде лет существования Земли, по-своему изменили её лик. Достаточно сказать, что кислородной атмосферой и защитным озоновым экраном планета обязана исключительно им. Примерно за полтора миллиарда лет микробы, освоившие фотосинтез, насытили воздух кислородом до таких пределов, которые позволили всем желающим перейти на энергетически более выгодное кислородное дыхание. Но то, что с позиции сегодняшнего дня кажется несомненным благом, тогда явилось настоящей катастрофой. Для большинства микроорганизмов их родная атмосфера была попросту отравлена кислородом, и это вынудило живой мир быстро меняться.
Вернёмся к самому началу. Первая земная атмосфера была бескислородной и возникла от «дыхания» самой планеты — из вулканических газов. При отсутствии кислорода, а значит и озона, поверхность Земли облучалась жёстким ультрафиолетом. Под действием этих лучей и грозовых разрядов из растворённых в воде газов получались первичные органические соединения — «кирпичики» для более сложных молекул. Весь вопрос в том, как собрать эти конечные молекулы из составных элементов. Главные фигуранты живой клетки — белки и нуклеиновые кислоты (РНК, ДНК) немыслимы друг без друга. Белки организуют синтез кислот, которые, в свою очередь, содержат «инструкции» по сборке белков. Так что из них первично?
В этом споре из разряда «яйцо или курица» современная наука отдаёт предпочтение нуклеиновым кислотам, а именно РНК. Поясним, что РНК, образно говоря, — это половинка застёжки-молнии, а ДНК — целая застёжка (с точки зрения геометрии, а не способности застёгиваться). Как выяснилось, молекулы РНК обладают уникальным свойством — могут руководить собственной сборкой, хотя в современных условиях редко это проявляют. Кроме того, в самой их структуре заложено умение удваиваться, то есть воспроизводить самих себя. Для наглядности представим половинку застёжки-молнии, которая из подходящих звеньев, в избытке имеющихся вокруг, собирает симметричную себе часть. При этом все РНК ещё и участвуют в конкурсе «на лучшего Самоделкина», то есть подвергаются естественному отбору.
Энергию для взаимодействия с другими органическими компонентами доисторические РНК, видимо, получали от того же ультрафиолета. А точнее, они таким способом избавлялись от возбуждения, в которое их приводил назойливый ультрафиолетовый квант. Вероятно, сначала РНК и её «пособники» по утилизации избыточной энергии образовывали плёнки, потом капельки внутри маслянистого пузырька, а там уже и до клеток было не так далеко.
Есть основания полагать, что пигменты, отвечающие ныне за фотосинтез, первоначально использовались именно для нейтрализации вредного ультрафиолетового излучения, то есть служили своего рода громоотводом или, вернее сказать, лучеотводом.
Потом клетки научились применять эту энергию во благо. Так микроорганизмы, обитающие в поверхностном слое воды, стали производителями органики. А те, кто жил глубже и не страдал от ультрафиолета, поглощаемого водой, стали, в большинстве своём, потребителями органики. Оба эти процесса — создание и разложение органического вещества — неразрывно связаны и не существуют один без другого, как две стороны монеты. Производство углеводов (фотосинтез) сопровождается выделением кислорода, тогда как при обратном действии газ поглощается.
Кислородная обстановка благоприятствовала появлению разнообразных одноклеточных и нитчатых водорослей, которые, в свою очередь, пополнили ряды производителей кислорода. Этот живительный газ продолжал поступать в атмосферу ударными темпами, чему способствовали разные факторы. Когда же и океанические глубины смогли насытиться кислородом, в них тоже забурлила жизнь. И вот, около 800 млн лет назад, появились многоклеточные животные. Приходится, однако, признать, что первые попытки оказались не вполне удачными. Возникавшая, по крайней мере, дважды фауна крупных бесскелетных морских существ канула в лету, не оставив прямых потомков.
Причины подобных катастроф туманны, но не последнюю роль здесь играют климатические изменения, причём необязательно в «плохую» сторону. Как ни странно это звучит, тёплый и ровный климат на планете не благоприятствует океанической жизни. В такие времена глубины страдают от недостатка кислорода, и, по крайней мере, трижды в истории Земли глубоководный мир практически полностью уничтожался, за исключением разве тех, кто не нуждался в кислороде.
В холодную эпоху поверхностный слой океана в приполярных районах охлаждается, и холодная вода, как более плотная и тяжёлая, опускается на дно. Происходит перемешивание океанических масс, при котором богатая кислородом поверхностная вода аэрирует остальные слои. Однако и в холодные времена не всё гладко — морская фауна беднеет оттого, что океан сильно мелеет. Ведь большое количество воды аккумулируется во льдах.
А теперь перенесёмся на 550 млн лет назад. К тому времени уже возникли почти все типы современных животных. Кислород перестал быть дефицитным, более того, его наконец-то стало вдоволь. Морские обитатели смогли позволить себе энергозатратные действия. И тогда многие из них, включая одноклеточных и растения, решили обзавестись твёрдыми защитными покровами. Кто-то при этом обошёлся простой «кольчужкой», а у кого-то вышел целый передвижной дом. Случился настоящий строительный бум, который учёные окрестили «скелетной революцией», он дал мощный толчок развитию жизни. Поводом к нему мог послужить усиливающийся пресс хищников — то был момент, когда потребности и возможности совпали. С тех пор панцири и раковины стали атрибутом беспозвоночных, и в сравнительно короткие по геологическим меркам сроки морской мир приобрёл уже вполне современные черты.
Известковые скелеты-трубочки встречались и у более ранних морских беспозвоночных. В большинстве своём они были мелкими существами, не более сантиметра, и, по крайней мере, некоторые из них жили колониями, изваявшими довольно внушительные рифы. Вероятно, твёрдые покровы были необходимы им для опоры больше, чем для защиты.
А что же в те далёкие времена происходило на суше? Она уже не была безжизненной. Бактерии и образующие корки микроскопические водоросли «выползли» на воздух почти за два миллиарда лет до обсуждаемых событий (видимо, как только заработала озоновая защита). Микробные поселения походили на рифы или войлочные маты. Самые первые из них были трёхслойными. Сверху сидели «зелёные» фотосинтезирующие бактерии, следом шли «пурпурные», которые потребляли красную часть солнечного спектра, легко проникающую сквозь зелёную массу. И те и другие питались углекислым газом и сероводородом. Нижний тёмный слой представлял собой «сборную солянку» из различных микробов, сбраживающих органику своих верхних подельников. Получающийся при этом водород тут же использовали другие для восстановления спущенных сверху «отработанных» соединений серы опять до сероводорода, который, как и углекислый газ от брожения, возвращался в цикл. Были тут и иные микроорганизмы, в том числе те, чья жизнедеятельность связана с метаном. Со временем наружная часть мата стала формироваться из цианобактерий (Cyanobacteria), которые вместо сероводорода берут воду, а выделяют кислород. Цианобактериальные маты существуют и по сей день, причём устроены они по тому же принципу.
Многоклеточные водоросли тоже слегка «высунулись» из воды, приспособившись к полуводной обстановке. А примерно 450 млн лет назад растения стали обживать и сушу. К этому моменту в почве уже обитали роющие норки беспозвоночные животные, неясно только, кольчатые черви (Annelida) это были или членистоногие (Arthropoda). Уточним, что древняя почва сильно отличалась от современной. По сути, она представляла собой подвижную массу выветренных минералов, практически лишённую органического компонента.
Вода и ветер, не сдерживаемые отсутствующей в те времена наземной растительностью, очень быстро разрушали горные породы, и у водоёмов не было чётких берегов. А значит, суша была лишь относительно сухой и, по меньшей мере, на окраинах материков непрерывно менялась. В таких условиях водным растениям имело прямой смысл осваивать новую среду. Тем более, что постоянные водные потоки — реки — тогда отсутствовали. И только с появлением высших растений, затормозивших эрозию и создавших собственно почву, рельеф постепенно приобрёл привычные черты, а пресные воды обособились от тверди. Плодородные земли нашего времени — это продукт совместной деятельности огромного числа почвенных обитателей и других организмов.
С тех пор экспансию жизни на сушу было не остановить. В последующие 50 млн лет возникли сугубо наземные группы организмов. За первопроходцами мхами появились сосудистые растения, научившиеся жить в условиях экономии воды. У них тоже была своя «скелетная революция»: чтобы крепко стоять на земле и не высыхать на воздухе, пришлось обзавестись жёстким восковым покрытием. Высшие растения (то есть не водоросли) сосуществовали с лишайниками, грибами и своими родоначальниками зелёными водорослями (Chlorophyta). Новые членистоногие — многоножки, паукообразные и насекомые, младшие из этой троицы, — умели дышать атмосферным воздухом. Произошли они от водных предков, однако формировались именно на суше. Развитие шло бурно и достигло огромного эволюционного успеха. Одно из самых удачных творений природы — насекомые. Иначе просто не объяснить их колоссальное количество. По очень скромным оценкам, на Земле живут не менее двух миллионов видов насекомых, а их общая численность составляет 1018 особей, то есть единица с 18 нулями, или квинтиллион, по принятой у нас системе счисления. Масса только одной стаи перелётной саранчи может превышать 10 тысяч тонн (вес примерно 100 гружёных углём вагонов).
(Окончание в следующем номере.)
Читайте в любое время
