Глава XVIII. Выводы

1. Что мы знаем (или думаем, что знаем) о происхождении жизни

Пора, наконец, подвести итог всему сказанному в этой книге, разобраться в результатах исследования возможности естественного возникновения жизни. В этой итоговой главе мы проведем различие между несомненными фактами и теми процессами и событиями, которые, по нашим представлениям, вполне могли иметь место. В нашем исследовании мы руководствовались принципом униформизма, который, как мы видели в гл. II, позволяет восстанавливать геологическую историю, сопоставляя данные о древних горных породах с тем, что известно об идущих в наше время геологических процессах.

Из гл. III мы узнали, как можно измерить возраст некоторых горных пород. Возраст древнейших горных пород коры, достоверно определенный современными методами, составляет 3,3-3,4 млрд. лет; может быть, эту цифру следует увеличить на несколько десятых. Назывались и более значительные цифры, но они были получены не прямыми методами, а с использованием так называемых изохрон и нуждаются еще в подтверждении. Тем же способом возраст древнейших пород мантии, лежащих под корой, оценен в 4,5 млрд. лет, а возраст Земли может составлять 4,5-4,75 млрд. лет. Хотя эти цифры, возможно, нуждаются в уточнении (а уточнение возраста обычно оборачивается его увеличением), они уже сейчас указывают нам те пределы, в которых умещается история жизни на Земле.

Из гл. IV мы узнали, что, согласно современным биологическим воззрениям, ранняя жизнь могла возникнуть естественным путем только после того, как в неорганических процессах были синтезированы "органические" вещества. Сейчас такие синтезы практически невозможны, так как на Землю больше не поступает мощный поток необходимой для них энергии. Более того, даже если бы в результате удачного стечения обстоятельств случайно образовалось "органическое" вещество, оно бы немедленно окислилось и неизбежно разрушилось.

Но это верно только для нашей современной, богатой кислородом среды. Если Земля когда-то обладала бескислородной атмосферой, то неорганические реакции с выходом "органических" веществ могли быть в порядке вещей. Необходимую энергию мог доставлять дальний солнечный ультрафиолет, который свободно проходил через бескислородную атмосферу и падал на поверхность нашей планеты. Хотя в действительности даже "бескислородная" атмосфера не была совершенно лишена кислорода, разрушительное действие окисления было тогда настолько незначительным, что им можно пренебречь. Значит, проблема естественного самопроизвольного возникновения жизни упирается в вопрос о возможности существования бескислородной атмосферы и об условиях, господствовавших в те времена на Земле.

Данные астрономии, кратко изложенные в гл. V, показывают, что и межзвездное вещество, и первичные атмосферы планет благодаря обилию в космосе свободного водорода имеют восстановительный характер. И хотя земная атмосфера в течение всей геологической истории была вторичной (первичной в строгом смысле слова можно назвать только атмосферу, возникшую непосредственно из межзвездного или солнечного вещества), к этой атмосфере, образовавшейся в результате обезгаживания недр Земли, на первом этапе ее развития также применимо общее правило. Следовательно, "первичная" атмосфера, окружавшая Землю в первые периоды геологической истории, была восстановительной. Сейчас Земля резко отличается от известных нам планет своей кислородной атмосферой. Очевидно, этот кислород является биогенным - он создан растениями в процессе органического фотосинтеза.

В гл. XIII мы рассмотрели геологические доказательства того, что в ранние периоды своей истории Земля обладала атмосферой с очень малым содержанием кислорода. Об этом свидетельствуют некоторые древние осадочные породы, особенно пириты золото-урановых "рифов" и полосчатые железорудные формации типа формации Верхнего озера. Возраст этих отложений указывает на то, что бескислородная первичная атмосфера существовала до конца среднего докембрия, 1800 млн. лет назад. Окисленные осадочные породы типа красноцветных толщ, появившиеся 1450 млн. лет назад, уже свидетельствуют о появлении кислорода в атмосфере. Значит, переход от первичной бескислородной к современной кислородной атмосфере произошел где-то между этими двумя датами. Но и после этого перехода содержание кислорода в атмосфере оставалось низким, значительно ниже, чем сейчас, достигнув к началу силура (около 440 млн. лет назад) всего 0,1 современного уровня.

Все эти соображения привели к постановке многочисленных и очень разнообразных экспериментов. В них под воздействием различных видов энергии в условиях, моделирующих первичную атмосферу и первобытный океан, происходил неорганический синтез многих "органических" соединений. Как показано в гл. VI, в этих условиях легко образуются не только малые "органические" молекулы, но даже такие сложные соединения, как нуклеотиды и протеиноиды, из чего можно сделать вывод, что подобные процессы синтеза были весьма распространены на первобытной Земле.

Следующий этап развития - переход от возникшей неорганическим путем преджизни к жизни - нам до сих пор мало понятен. Этот процесс гораздо труднее воспроизвести в эксперименте, чем синтез "органических" соединений. Предлагались различные теоретически возможные варианты перехода от преджизни к жизни, но пока повторить этот переход в лабораторных условиях не удалось. Следует отметить одно важное обстоятельство: ранняя жизнь обладала далеко не таким сложным метаболизмом, как современная. Появление даже самого простого механизма, ускоряющего реакции, могло дать формам ранней жизни решающие преимущества перед преджизнью - по пословице "в стране слепых и кривой - король".

Обращаясь к вопросу о том, где надо искать остатки ранней жизни, мы вновь становимся на твердую почву фактов. Возникновение жизни настолько далеко отодвинуто в геологическое прошлое, что в этих поисках нас могут интересовать только области докембрийских древних щитов. И даже в пределах древних щитов мы должны выбирать районы, в которых сравнительно неизменными сохранились осадочные горные породы, сформировавшиеся в самом начале геологической истории. Древнейшие из известных нам "кратонных" областей находятся в Южной Африке. Осадочные породы формаций Онвервахт и Фиг-Три системы Свазиленд, возраст которых составляет, видимо, более 3,2 млрд. лет, представляют собой древнейшие неметаморфизованные отложения, известные сейчас. Вряд ли в других древних щитах удастся найти еще более древние осадочные породы.

Древнейшие свидетельства жизни, обнаруженные в этих осадочных породах, можно разделить на две группы: 1) биогенные отложения - макроскопические (водорослевые известняки) и молекулярные (так называемые молекулярные ископаемые) - и 2) настоящие окаменелости. Биогенную природу углистого вещества и "организованных элементов" (глобулярных структур из этого вещества), найденных в отложениях Онвервахт и Фиг-Три, пока нельзя считать доказанной. Хотя не исключено, что эти соединения и структуры имеют органическое происхождение и что дальнейшие исследования принесут доказательства этого, мы пока не можем отбросить предположение о неорганической природе углистого вещества и "организованных элементов". Древнейшим отложениям, биогенная природа которых несомненна, - водорослевым известнякам Южной Родезии и молекулярным ископаемым из железорудной формации Соуден (Канадский щит) - более 2,7 млрд. лет. И если даже дальнейшее изучение пластов Трансвааля покажет, что данные осадочные породы тоже имеют биогенную природу, то это мало изменит общую картину. Ведь все эти формации относятся к самому раннему периоду геологической истории - к раннему докембрию, так что увеличение "зарегистрированного возраста жизни на Земле" не заставит нас пересмотреть наши современные представления.

Но есть и другие факты, заставляющие думать, что жизнь, и притом жизнь, способная к фотосинтезу, появилась гораздо ранее, чем 2,7 млрд. лет назад (минимальный возраст серии Доломит из Южной Родезии и железорудной формации Соуден Канадского щита). Полосчатые железорудные формации, которые, как мы узнали из гл. XIII, возникали, по-видимому, в условиях атмосферы, содержавшей примерно в сто раз меньше кислорода, чем современная, начали появляться более 3 млрд. лет назад. Поскольку за счет неорганической фотодиссоциации воды уровень содержания кислорода в атмосфере может достигнуть всего 0,001 современного (гл. XV), для превышения этого порога требовалось уже появление органического фотосинтеза. Значит, к периоду образования древнейших полосчатых железорудных формаций на Земле уже должен был существовать органический фотосинтез, фотосинтезирующая жизнь.

Древнейшие из известных сейчас истинных окаменелостей - очень разнообразная микроскопическая флора из формации Ганфлинт, Онтарио. Ее возраст должен весьма приблизительно составлять около 2 млрд. лет. Начиная с этого времени в различных древних щитах мы уже находим фрагментарные, но довольно многочисленные остатки древних флор; животные же появились, по-видимому, только в конце позднего докембрия. В начале кембрия некоторые группы животных приобрели способность выделять твердые раковины - возможно, появление этой способности связано с временным снижением содержания двуокиси углерода в воздухе (гл. XVI). Только благодаря этим твердым, хорошо фоссилизирующимся раковинам мы находим теперь множество остатков ранней жизни, относящихся к кембрию и более поздним периодам. Именно с появлением раковин обычно связывают начало фанерозоя. Наземная флора высших, сосудистых растений появилась только в начале силура.

Фанерозой, сравнительно богатый окаменелостями, обычно рассматривают в учебниках как "нормальный", хорошо документированный период геологической истории. Я хотел бы подчеркнуть, что фанерозой - лишь сравнительно краткий период дальнейшей эволюции жизни (фиг. 103); события же, связанные с возникновением жизни, заняли гораздо более длительный отрезок геологической истории (фиг. 104).

Фиг. 103. Схема эволюции жизни в фанерозое [5]. Этот период эволюции сравнительно хорошо документирован по ископаемым остаткам (он включает палеозой, мезозой и кайнозой)

Фиг. 104. Схема истории жизни в целом. Теперь ясно, что ранняя жизнь существовала гораздо дольше, чем более высокоорганизованная жизнь, которая развивалась всего лишь в течение последнего миллиарда лет истории Земли. Цифры на схеме расшифрованы на фиг. 49. Возникновение млекопитающих, о котором мало что известно, отмечено знаком вопроса