История Земли - Ричард Флинт

Таблица 2. Основные события истории живого вещества и развития атмосферы и гидросферы. Заштрихованная площадь представляет относительное количество видов организмов. Звездочками обозначены ископаемые, возраст которых установлен калий-аргоновым методом. (Составлено по различным источникам.)

Следующие по возрасту ископаемые остатки были найдены в Онтарио в породах, насчитывающих два миллиарда лет. Они также представляли собой бактерии и сине-зеленые водоросли, как показано в таблице 2. Но в породах центральной Австралии, возраст которых предположительно около одного миллиарда лет, найдены ископаемые растения уже нескольких видов. Среди них, кроме простых одноклеточных организмов имеются также древнейшие из известных многоклеточных организмов. Там же найдены зеленые водоросли - тип растений, обладающих сложными клетками и допускающих уже половое размножение в отличие от простейшего воспроизводства. Эти свойства допускают генетическое разнообразие и тем самым открывают путь к развитию бесконечной дифференциации организмов. Такое явление очевидно, возникло не более миллиарда лет назад. Но к кембрийскому времени, в начале фанерозоя, приблизительно на 400 миллионов лет позднее, уже началось резкое увеличение количества и разнообразия животных организмов, процесс, который привел органический мир Земли к совремеиному состоянию. Это "взрывное" возрастание могло быть результатом возникновения полового размножения.

Фото 8. Древнейший из известных ископаемых организмов, возраст которого определяется 3,2 миллиардами лет. Бактерия (называемая Eobacterium isolation) из восточной части Южной Африки длиной менее 1/1000 мм. Фотография сделана с помощью электронного микроскопа

До сих пор мы упоминали только простейших и растения. А что мы знаем о появлении животных? В докембрийских слоях Южной Австралии, вероятно насчитывающих более 800 миллионов лет, были найдены остатки сотен примитивных морских животных. Все они представляют собой отпечатки на мягких отложениях древней илистой прибрежной равнины и пляжа животных, выброшенных в отлив на берег (фото 9, рис. 28). Животные имели мягкие тела без раковин или каких-либо твердых частей. Сохранившиеся в песчаниках отпечатки принадлежат животным типа медуз, каким-то ветвящимся формам, напоминающим полипы, и еще каким-то формам, не похожим ни на одно живущее сейчас животное. Наконец, были найдены также отпечатки червей и следы их движения на мелководье. В этом разнообразном сообществе -наиболее важным элементом являются именно черви, так как они представляют собой вид высокоразвитых кольчатых червей. Их наличие позволяет предполагать, что более простые животные существовали в море гораздо раньше - настолько раньше, что они успели развиться от простейших форм до более сложных, представленных кольчатыми червями.

Фото 9. Древнейшее ископаемое животное, найденное в Южной Австралии - Колокольчатый червь, Spriggina Floundersi диаметром около 5 см.

Фото 9. Древнейшее ископаемое животное, найденное в Южной Австралии - медузообразное животное, Cyclomedusa davidi, длиной около 2,5 см

Едва ли удивительно то, что мы не находим простейших животных, на существование которых указывают сложные формы, в более древних породах. Маленькие мягкотелые животные могли сохраниться лишь при сочетании условий, которое встречается исключительно редко: очень тонкозернистые отложения, спокойный, хорошо защищенный водоем, позднее заполненный осадками без размыва, и, наконец, гораздо позднее, эрозионные процессы, которые вывели эти отложения на поверхность, но не разрушили их. Вероятно, что большая часть еще более древних ископаемых была уничтожена и уцелевшие становятся нам известны лишь благодаря счастливому случаю.

Существование нескольких видов животных, найденных в Австралии, показывает, что в это время дыхание организмов стало уже обычным процессом в биосфере. В свою очередь наличие дыхания предполагает, что в гидросфере, а следовательно, и в атмосфере тогда уже содержался свободный кислород, элемент, отсутствие которого было столь характерным на первых этапах существования Земли. Как мы увидим, источником кислорода мог быть фотосинтез растений, которые существовали, по данным палеонтологии, к этому времени уже в течение двух миллиардов лет или более.

Рис. 28. Реконструкция облика группы древнейших животных, обитавших на мелководье у берегов Австралии

Хотя эти данные скудны, они все же дают нам надежную информацию не только о видах организмов, но также косвенным образом и об изменениях в составе вод океана. Имея в виду эти сведения, можно представить себе состав вод океана на более ранних этапах и реакции, которые протекали в нем в начале и на ранних этапах существования жизни.

Теория происхождения биосферы

В начале этой главы мы говорили, что живое вещество не содержит никаких элементов, которые отсутствовали бы в неорганическом мире Земли. Добавим к этому утверждению, что четыре главных элемента (водород, кислород, азот, углерод), входящие в состав живого вещества, преобладают на Земле. Поэтому живое вещество обычно.

Каким образом эти элементы объединялись, чтобы образовать биосферу? Этого мы еще не знаем. Но мы уже имеем достаточное количество информации, чтобы сузить круг возможностей и делать все более обоснованные предположения. Приводящий в изумление "набор" различных организмов, живущих сейчас, включает всевозможные градации от наиболее высокоорганизованных животных до простейших одноклеточных форм. Но на этом последовательность не кончается, а продолжается дальше вниз до одиночных крупных белковых молекул, представленных, например, различными вирусами, которые существуют то в инертной кристаллической форме, то в подвижном живом состоянии.

Но и сама белковая молекула состоит из более простых частей - соединений углерода, водорода, азота и кислорода, связанных между собой определенным образом и образующих так называемые аминокислоты. Эти кислоты входят в состав любого организма, но можно ли назвать их самих "живыми"? Ученым удалось образовать аминокислоты из соединений, которые предположительно входили в состав первичной атмосферы Земли, - газообразной смеси водорода (Н2), метана (СН4), аммиака (NH3) и водяного пара (Н2О). Эту смесь подвергали сильным электрическим разрядам, а затем конденсировали. В полученной жидкости были обнаружены аминокислоты и другие углеводородные кислоты. В других экспериментах из неорганических составных частей были получены многие компоненты живой материи.

Результаты этих экспериментов приводят нас к выводу о том, что организмы развились путем длительной химической эволюции из неорганического вещества, состоявшего из сочетаний химических элементов и неорганических соединений. Эти соединения, наиболее вероятно, находились в морской воде, которую биологи называют "теплым питательным бульоном", хотя это должен быть довольно жидкий суп. Но так или иначе морская вода была жидкой средой, в которой легче всего могли происходить химические реакции. Вода является растворителем и превосходной средой для реакций органических соединений, которые и сами представляют собой жидкие системы. Более того, атомы углерода обладают исключительной способностью соединяться друг с другом самыми различными способами. Поэтому все эти обстоятельства обеспечивали наиболее благоприятные условия для возникновения в высшей степени разнообразных соединений.

Как мы отмечали в шестой главе, первичная атмосфера и гидросфера (включая упоминавшийся "питательный бульон") не содержали свободного кислорода. Весь кислород существовал только в форме соединений с другими элементами.

Кислород не только необходим для жизнедеятельности животных; в верхних слоях теперешней атмосферы он создает экран, защищающий Землю от ультрафиолетового излучения Солнца, которое в противном случае убило бы все живые организмы (В атмосфере Земли под действием ультрафиолетового излучения Солнца молекулы кислорода (02) превращаются в молекулы озона (О3). Озон, скапливаясь в верхних слоях атмосферы, образует экран, защищающий Землю от ультрафиолетовых лучей. - Прим. ред). Сейчас, мы живем как бы под зонтиком, который образует свободный кислород, а на ранних этапах истории Земли этой защиты не существовало. Поэтому в безжизненном первобытном мире, даже если бы каким-то образом возник какой-нибудь современный организм, он не мог бы выжить, потому что тогда не было этого защитного экрана.

Прежде чем двигаться дальше, следует более внимательно изучить шкалу времени, которой нам предстоит пользоваться. Как мы уже говорили (см. табл. 2), ископаемые остатки, найденные в породах, показывают, что приблизительно 3,2 миллиарда лет назад в море уже существовали как простейшие, так и очень примитивные растения. Так как литосфера образовалась около 4,5 миллиарда лет назад, мы имеем промежуток времени продолжительностью около 1,3 миллиарда лет, в течение которого образовалось и развивалось живое вещество. Этот промежуток времени вдвое длиннее всего фанерозоя, со всей его долгой и сложной историей развития биосферы, что само по себе более чем достаточно. В течение этих 1,3 миллиарда лет в среде, лишенной свободного кислорода, должно было возникнуть и затем развиться до уровня простейших и примитивных растений живое вещество. Рассматривая эти события, мы должны также учитывать, что позднее кислород появился в атмосфере в больших количествах, потому что без этого не могли бы возникнуть животные.