Михаил Камшилов - Эволюция биосферы

• Название: Эволюция биосферы
• Автор: Михаил Камшилов
• Издательство: Наука
• Жанр: Экология
• Год: 1979

Книга доктора биологических наук М. М. Камшилова посвящена проблеме эволюции биосферы. В ней рассматриваются такие вопросы, как происхождение биосферы, ее организация, факторы и закономерности эволюции. Особое внимание уделено влиянию человека на атмосферу. Приведены обширные фактические данные по палеонтологии, биоценологии, генетике и молекулярной биологии.

---

Американский исследователь С. Л. Миллер показал в 1953 г., что в результате пропускания искрового разряда через смесь метана, аммиака, водорода и воды возникают аминокислоты: глицин, аланин, саркозин, β-аланин, α-аминомасляная кислота, N-метилаланин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота. Выход глицина составил 2,1% по отношению к исходному количеству углерода. Кроме аминокислот, в ходе реакции образовались и другие соединения, в частности такие органические кислоты, как муравьиная, уксусная, пропионовая, гликолевая, молочная.

Вслед за исследованиями Миллера другие авторы получили такие же результаты, использовав иные источники энергии: нагревание, бомбардировку β-частицами, облучение ультрафиолетовыми лучами. Выявилась очень интересная закономерность: различные источники свободной энергии приводили к образованию сходных веществ. Специфичность синтезов определялась не особенностью энергетического источника, а спецификой реагирующего материала.

В этих опытах были соблюдены те условия, которые в более отдаленное время привели к образованию химических элементов в недрах звезд:

1. Имелась масса относительно простых компонентов — газы примитивной атмосферы.

2. Взаимодействие компонентов приводило к образованию более сложных соединений.

3. Имелся источник свободной энергии, необходимой для осуществления синтезов.

4. Вновь образующиеся вещества поступали в воду и тем самым предохранялись от распада на исходные компоненты.

5. Взаимодействие вновь образующихся веществ друг с другом открывало возможность дальнейшей эволюции.

Как уже говорилось, самые различные источники энергии приводят к сходным результатам. Однако это вовсе не значит, что они равноценны. Из всех исследованных форм энергии преимущество следует отдать ультрафиолетовому излучению Солнца (спектральная область от 2000—2500 Å). В пользу такого вывода можно привести два довода. Во-первых, в экспериментальных условиях под влиянием ультрафиолетового облучения указанными длинами волн удается синтезировать практически все простейшие соединения, на основе взаимодействия которых могла происходить дальнейшая эволюция органических соединений. Во-вторых, это наиболее постоянный и вместе с тем достаточно мощный источник свободной энергии.

С. Л. Миллер и Г. С. Юри[23] приводят следующие данные о формах свободной энергии на нашей планете (в кал/см2 в год):

Солнечное излучение в целом 260 000 Ультрафиолетовое излучение на границе с атмосферой при длинах волн < 2500Å 570 < 2000 Å 85 < 1500 Å 3,5 Электрические разряды 4,0 Космические лучи 0,0015 Радиоактивность (на глубине до 1,0 км) 0,8 Вулканы 0,13

В настоящее время слой озона поглощает ультрафиолетовое излучение короче 2900 Å, поэтому поверхности Земли достигает лишь длинноволновый ультрафиолетовый свет. В предбиологическое время озонового экрана не было, так как содержание кислорода было ничтожным, и на поверхность планеты проникали ультрафиолетовые лучи области 2400—2900 Å. Американский исследователь К. Саган (1966) подсчитал, что образовавшееся за счет энергии этих лучей органическое вещество способно создать в водах океана раствор 1% крепости. Тот же исследователь пришел к выводу, что за счет энергии химических связей образующегося в результате ультрафиолетового облучения аденозинтрифосфата может существовать популяция бактерий кишечной палочки численностью 20 тыс. экземпляров в столбе воды сечением 1 см2.

Иначе говоря, ультрафиолетовое излучение Солнца — постоянный источник свободной энергии — способно на первых этапах формирования жизни на Земле обеспечить ход мощных синтетических процессов, неорганический фотосинтез.

Важнейшим условием синтеза сложных органических соединений было ничтожное содержание в атмосфере свободного кислорода (по расчетам Г. Юри, около 0,001 от содержания его в наше время). Во-первых, подобные соединения могли образоваться лишь в отсутствие кислорода и, во-вторых, их относительная стабильность обеспечивалась лишь в бескислородной среде. Содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от современного около 1 млрд. лет назад (Б. С. Соколов, 1976).

Начало эволюции химических соединений в направлении жизни датируется с момента образования земной коры, т. е. около 4,5 млрд. лет тому назад. Следовательно, этап биохимической эволюции, приведший в конце концов к формированию простейших организмов, превышает 2 млрд. лет!

Возникновение биотического круговорота

Итак, формирование первичных организмов из неорганических соединений типа сахаров, аминокислот, азотистых оснований, полифосфорных соединений, органических кислот и других относительно простых веществ заняло около двух миллиардов лет. По поводу того, как все это происходило, было высказано несколько точек зрения. Одно время широким распространением пользовалась точка зрения, согласно которой возникновение первичной живой молекулы из неживых компонентов — процесс чисто случайный. В результате взаимодействия простейших веществ вдруг, случайно возникла живая молекула, способная размножаться. Такого представления придерживался известный американский генетик лауреат Нобелевской премии Г. Меллер (1937). По его мнению, элементарная единица наследственности — ген — одновременно является и основой жизни. Жизнь возникла в форме гена, путем случайного сочетания атомных группировок и молекул, встречающихся в водах первичного океана.

Некоторые исследователи попытались подсчитать вероятность случайного возникновения сложной молекулы из простых соединений. Рибонуклеиновая кислота вируса табачной мозаики, например, содержит в своем составе 6000 расположенных определенным образом нуклеотидов. Немецкий биохимик Г. Шрамм (1966) привел расчет вероятности возникновения этого соединения в результате случайного сочетания нуклеотидов. Получается 1 : 102000. Масса Вселенной исчисляется величиной порядка 1080 протонов. Шрамм пишет, что за 109 лет, отведенных для синтеза простейшего организма, трудно рассчитывать получить одну молекулу рибонуклеиновой кислоты вируса табачной мозаики даже в том случае, если бы весь Космос представлял собою реагирующую смесь нуклеотидов. При современном уровне знаний биохимического строения субстрата жизни гипотеза внезапного случайного возникновения живой молекулы из неживых компонентов уже не может рассматриваться как серьезная.

Начиная с 1924 г. — года появления первой монографии А. И. Опарина о возникновении жизни на Земле — все большее значение приобретает другая точка зрения — эволюционное возникновение живого в результате взаимодействия простейших органических соединений, постепенно объединяющихся во все более и более сложные комплексы. Этому процессу благоприятствовало высокое содержание простых органических соединений в поверхностных водах молодой Земли, достигавшее концентрации от одного (К. Саган) до 10% (Т. Юри), наличие весьма разнообразных условий (различных глубин, мелких и крупных водоемов, районов повышенного вулканизма и т. д.), постоянный приток свободной энергии, в частности, ультрафиолетового излучения Солнца. На базе круговорота, включающего атмосферу, гидросферу, растворенные в воде минеральные элементы, который можно назвать большим абиотическим круговоротом, возник круговорот органического вещества. Если основным содержанием абиотического круговорота был перенос минеральных элементов с одного места на другое или изменение агрегатного состояния (круговорот воды), то в круговороте органических веществ существенными стали процессы синтеза и разрушения: сохранялись более устойчивые соединения, распадались малоустойчивые, оказывающиеся в силу этого своеобразной «пищей» для относительно устойчивых. Соотношение процессов синтеза и распада органических соединений зависело, однако, не только от их химической природы, но и от места в круговороте органического вещества.

В поверхностных слоях водоемов днем под влиянием интенсивного ультрафиолетового облучения преобладали процессы распада; на глубине, а также ночью и в поверхностных слоях преимущественно шел синтез. По мере обогащения водоемов органическим веществом, поглощающим ультрафиолетовое излучение Солнца, глубина зоны синтеза уменьшалась, а следовательно, увеличивалась вероятность возникновения все новых и новых, все более и более сложных органических соединений из относительно простых веществ.