Загадка происхождения жизни
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Классическая палеонтология была наукой о жизни в фанерозое. Так называется объединение трех последних геологических эр. Все, что мы знали о древних животных и растениях, всегда было связано только с ним. Воображение естествоиспытателя всегда поражало внезапное возникновение как бы «из ничего» сразу множества самых различных животных и растений, произошедшее на рубеже кембрия. Систематик мог обнаружить в раннекембрийских слоях едва ли не все известные ему типы беспозвоночных, а чуть позже началось бурное развитие и позвоночных. Словом, от начала кембрия и до наших дней просматривается непрерывная линия развития жизни. Но что же было до этого? Не в самом же деле все это множество форм возникло из ничего?..
Ведь историческая последовательность событий пронизывает геологическое и биологическое прошлое планеты. Все былые биосферы Земли оставили свой след в истории развития ее коры, а осадочные отложения — стратисфера — прямой продукт развития этих биосфер. Самая уникальная и примечательная особенность Земли как планеты Солнечной системы — стратисфера — заключает пока наиболее полную «запись» событий, касающихся как самой Земли, так и Вселенной на протяжении последних почти четырех миллиардов лет.
Должен сказать, что до сих пор эта крайне оригинальная черта жизни, ее исключительная длительность и непрерывность явно недооценивается многими исследователями, хоть и кажется очевидной. Мы как-то очень легко миримся с потерянными страницами в Книге жизни. Такая недооценка имела свое объяснение: интересы биологов-систематиков лишь отдаленно касались эволюции далекого прошлого, а морфологи либо не стремились приблизиться к начальной «точке отсчета» в эволюции живых существ, либо считали это дело безнадежным. К тому же мысль, сформулированная Дарвином, что геологическая летопись неполна, так сказать, изначально, воспринималась без проверки, как аксиома.
Быть может поэтому некоторые биологи, воссоздавая родственные корни, слишком безоговорочно предпочитают скудные сравнительные данные о строении ДНК ныне живущих групп животных или растений реальным фактам палеонтологической истории органического мира. А ведь мы далеко не все еще знаем о том, сколь ограниченно возможное разнообразие в природе, хотя бы биоминеральных структур, из которых строятся скелеты самых неродственных форм, как и о том, каким путем возникло биохимическое единство живой материи.
Лишь после того, как была создана основа радиометрической шкалы времени, удалось приподнять завесу над, казалось, навсегда скрытыми истоками классической панорамы эволюционного процесса и понять, каким гигантским было время, предшествовавшее эпохам, уже освоенным наукой.
Как стало ясно сейчас, осадочная оболочка планеты начала формироваться очень рано. Но, повторяю до недавнего времени история жизни на Земле связывалась лишь с палеозоем, мезозоем и кайнозоем, то есть с небольшим отрезком земной биографии. Вся предшествующая история получила лишь общее название докембрия. Это были эры «скрытой жизни», таинственный мир, в котором жизнь зародилась и развилась из преджизненных органохимических форм до уровня самостоятельно воспроизводящихся организмов.
И только сейчас мы начинаем разбираться и понимать стройный процесс усложнения живых систем, растянутый на целых три миллиарда лет — на шесть седьмых истории земной коры.
Теперь мы уже знаем о докембрии достаточно, для того чтобы ответить на многие из недоуменных вопросов прошлого. И хотя, увы, еще больше загадок остается пока скрытыми в толщах древнейших осадочных пород и нить жизни временами пока еще прерывается для нас… все же то что мы теперь узнали, значительно расширяет представления о том, как в основном шел эволюционный процесс. Вероятно, мы теперь чуть ближе и к главной загадке жизни, вопросу о ее происхождении. Строго говоря, палеонтологу предпочтительнее пользоваться выражением «появление жизни» на Земле, так как смелые и вполне материалистические гипотезы Опарина, Холдейна и Бернала — гипотезы химического предопределения жизни — все еще требуют дальнейшей экспериментальное разработки. И хотя воззрения этих ученых широко разделяются учеными многих других специальностей, реалистической базой наших рассуждений в конечном счете может служить лишь обнаружение древнейших следов активной, развивающейся в земных условиях жизни. Именно поэтому интересы палеонтологов, биохимиков и геохимиков все теснее переплетаются.
Толчком к основательному изучению докембрия после второй мировой войны послужило глубокое, так называемое опорное бурение. Оно дало в руки ученых некоторый новый фактический материал. А развивающаяся биохимия снабдила нас своими подходами. Но, повторяю, главным толчком огромного исследовательского интереса к докембрию послужило изменившееся представление о геологическом времени, о длительности предкембрийского процесса… Итак, что же мы знаем о трех миллиардах лет, предшествовавших кембрию?
Не буду перечислять все конкретные находки, они многочисленны — от углеродистых продуктов преобразования первых фотосинтезирующих организмов древнейшего докембрия, а также мельчайших органических телец, вероятно, бактериального происхождения и некоторых других следов жизни, которые свидетельствуют о том, что четыре — три с половиной миллиарда лет назад уже существовали организмы, и не в единственном варианте, до явных одноклеточных, наделенных не вполне еще понятными внутриклеточными структурами, и бесскелетных многоклеточных довольно крупных и разнообразных форм. Важно, что мы хорошо представляем себе сейчас систематическое разнообразие докембрийской жизни, можем выделить в ней хотя бы самые крупные таксоны — семейства, отряды, классы, типы.
С ошибками в сто — двести миллионов лет, но все-таки мы можем говорить и об интервалах времени, в которых формировались важнейшие стадии жизни. Например, появление прокариотических организмов в бескислородной атмосфере и образование кислородной атмосферы в результате усложняющегося биогенного процесса. Если бы не появились когда-то первые сине-зеленые водоросли и бактерии с аппаратом фотосинтеза, на Земле не было бы жизненно важных запасов кислорода и не было бы той картины жизни, что теперь перед нами. Достаточно много мы узнали и об уровнях организации живых систем, в особенности о позднейших стадиях, когда стали формироваться явно эукариотные простейшие организмы, а потом и явно многоклеточные растения и животные. Известен и момент, с которого начинается появление первых скелетных организмов. Известно, как шел процесс мобилизации минерального вещества — строительного материала скелетов — древнейшими беспозвоночными.
Довольно хорошо мы представляем себе и развитие окружающей среды: эпохи оледенений, историю углекислотой атмосферы, историю кислорода. Кое-что знаем об истории Мирового океана, о распространении платформенных морей. Прогреваемые Солнцем, переполненные живыми существами, они были особенно важны для развития жизни.
Палеонтология докембрия дает новый материал и для эволюционной теории. Можно утверждать, что темпы эволюции в докембрии и фанерозое были в существенной степени различны. Вся докембрийская эволюция вырисовывается как процесс более монотонный, чем эволюция фанерозойская.
И, тем не менее, наиболее фундаментальные события в развитии органического мира произошли именно в докембрии. Это может показаться парадоксальным, но кажется, что путь, который прошел органический мир от бактерии до нас с вами, более прост, чем путь, который связал сложные, но предбиологические молекулы с биологической эволюцией формированием первых самовоспроизводящихся прокариот и тем более наипростейших одноклеточных организмов, уже наделенных ядром и пластинами, управлявшими всем клеточным хозяйством.
Представляется на основании имеющихся в наших руках фактов, что общая картина развития органического мира значительно более сложна и многообразна, чем это считалось ранее. По-видимому, мы имеем дело с многократными попытками создания живых систем природой. Сине-зеленые водоросли, бактерии и грибы — три ствола, общности происхождения которых мы не знаем, и очень может быть, что они, все три, имеют совершенно разные корни, углубляющиеся вплоть до «преджизни». В целом становится ясным, что эволюционное развитие шло не одним-единственным путем. Мы не знаем и как связать в родственные стволы многих беспозвоночных: ниже границы кембрия сейчас «опущены» корешки целого ряда ветвей эволюционного древа, и они не сходятся… И сойдутся ли вообще?!
Интересно затронуть и еще один вопрос: мы нашли начало очень интересной книги, которую ученые читают давно и которая всех волнует, и вот оказывается, что, как всегда, в этой книге вырваны самые интересные страницы: переходы от одной главы к другой. В этом постоянном недостатке связующих звеньев должен быть смысл. В стратиграфии мы с этим сталкиваемся регулярно: в нормально пластующихся толщах остатки органического мира оказываются часто совершенно непохожими. Мы постоянно стоим перед вопросом — что это означает? Фазы резкого обновления? Результат миграции живых существ откуда-то из других мест? Нередко это объяснимо — в какой-то толще морских отложений жизнь просматривается как непрерывный процесс, потом дно осушилось, и новая трансгрессия моря принесла новую жизнь… Но иногда смена совершенно загадочна.
Эта проблема упирается, как мне кажется, в значительной степени в вопрос, как же вообще шел процесс видообразования. Был ли это процесс плавной трансформации или он носил хотя бы в отдельные эпохи взрывной характер. Я думаю, ударные события в эволюции все-таки были, без них нам очень трудно понять весь ее ход. Мы наблюдаем, скажем, как в совершенно разных «стволах» животного и растительного мира — но в близких возрастных интервалах — формируются новые таксоны, иногда на уровне вида, иногда рода или даже семейства. И это происходит очень быстро. Значит, действуют какие-то механизмы, общие для планеты. Что это может быть? Вероятно, крупные экологические воздействия, космическая радиация, которые пока мало привлекались для объяснения эволюционных непонятностей, но которые, несомненно, следует привлекать.
Ведь если это так, тогда легче понять, почему мы часто не видим переходные звенья, а «вдруг» встречаемся с уже обновленной жизнью. Если действуют эти ударные силы, то, конечно, процесс мутагенеза идет очень быстро. А наличие подходящих экологических ниш позволяет вновь образованным видам так же быстро и распространяться. В геологии мы имеем дело с миллионами и целыми миллиардами лет, и если эволюционная «встряска» охватывает, допустим, даже десятки тысяч лет, то мы можем этого и не заметить.
Открытие докембрийских животных и растительных организмов, естественно, натолкнуло геологов на мысль, а нельзя ли их использовать в практических целях, так, как используется палеонтологический материал фанерозоя. Ведь время, которое мы измеряем в геологии, по сути дела биологическое — отражающее ход эволюции. Раз в докембрии существовали организмы, значит, можно раздвинуть пределы применения палеонтологического метода. И это стали делать. Прежде всего, со стратиграфической точки зрения привлекли внимание так называемые строматолитовые постройки — остатки жизнедеятельности водорослей и бактерий: оказалось, что в грубых своих чертах они в ходе геологической истории меняются.
Например, для верхнего протерозоя около миллиарда лет можно выделить четыре подразделения: ранний рифей, средний рифей, поздний рифей и венд. Каждый из этих этапов характеризуется своим набором строматолитов. Вслед за строматолитами стали изучаться для «датировки» и другие организмы: фитопланктон, водоросли, а в венде — древнейшие бесскелетные многоклеточные позвоночные. Так что мы уже можем говорить о биостратиграфии докембрия. То есть возможности палеонтологического метода резко раздвинулись, и заслуга здесь прежде всего палеонтологов и стратиграфов.
Но до последнего времени нам все-таки не хватало углубления в палеобиологию докембрийских организмов. На первых порах практический эффект отодвинул на задний план понимание самой их природы. Сейчас это уже почти забыто, но ведь когда-то, лет 25 тому назад, древнейшие находки микрофитопланктона были интерпретированы как находки спор (!) наземных растений… Как видите, должны были пройти мучительные стадии размышлений, эмоций, споров, заблуждений, дискуссий, даже инфарктов, чтобы в конце концов добраться до истины. Теперь нам предстоит все более углубляться и в экологию, и в систематику, и в биологию древних организмов.
Мы должны точнее определить и ту эпоху, когда же наконец сформировался эукариотический организм. Ответить на вопрос, как он формировался; либо это был нормальный процесс внутреннего усложнения клетки, либо, как считают некоторые, этот процесс шел на основе симбиогенеза: скажем, в клетку зеленой водоросли внедрилась бактерия.
Массу загадок задают, конечно, и древнейшие многоклеточные. Тайна их происхождения — по-прежнему предмет дискуссий, то ли это превратившиеся в организм функционально специализированные агрегаты одноклеточных, то ли «недоразделившиеся » клетки с усложнением внутренних структур и их функций. Могли быть и другие пути. Но в любом случае огромная роль принадлежала половому размножению.
И вот все эти обстоятельства — необходимость глубокого изучения докембрийской жизни — и привели к убеждению, что надо не так уж спешить с прямыми практическими выводами, а сначала следует разобраться в самой биологической природе материала. Только тогда будут научно оправданы и возможности практических приложений.
Автор: Соколов Б. С., геолог.