Зародження життя на Землі та перші кроки живого

– Ви впевнені, що ніколи тварину не приймете за рослину? – Запитав біолог.
– Наївне запитання, – образився небіолог. – Хто сплутає метелика з кульбабою? Тварини рухаються, рослини ні. Самого лінивого лінивця ніхто не прийме за гриб або я не знаю ще там за що. Біолог посміхнувся:
– Ви повторюєте помилки дитячого періоду природознавства. Раніше теж вважали: «що рухається – тварина, а все інше – рослини». І відносили до рослин губки тільки тому, що ті нерухомо прикріплені до дна.
– Ну, вже не такий я профан, дещо пам’ятаю зі шкільного курсу, про дещо читав, – обурився небіолог. – Звичайно, я неточно провів межу між рослинами і тваринами. Головне – спосіб харчування. Рослини не харчуються готовими органічними продуктами, вони самі їх створюють. З вуглекислого газу, повітря, води, мінеральних солей ґрунту. Тварини в порівнянні з ними дармоїди. Так, так, жеруть готовеньке: траву, листя, один одного…

– Якби все було так просто, – заперечив біолог. – Найважливішу ознаку відмінності ви намацали правильно. Але… Куди ви віднесете, наприклад, фрагеллят-хрізамеб? У тілі цих одноклітинних організмів виявлений жовто-зелений пігмент, властивий тільки рослинам. Але, втративши єдиний джгутик, ця «рослина», випускає псевдоподобну, зовсім як амеба . Харчується фрагеллят-хрізамеба теж як тварина. Воно заковтує їжу.

Або як бути з росянкою? На перший погляд стовідсоткове рослина. Харчується ж не тільки водою, вуглекислим газом і мінеральними солями, а й комахами. Захоплюючи їх, виділяє ферменти і спокійно перетравлює їжу.
– Дивуюся, – заперечив небіолог. – Зрештою, чи не все одно, тварина росянка або рослина? Небіолог зневажливо махає рукою і не слухає заперечень біолога. І дарма. Той каже ось про що.

… Ви хочете дихати свіжим повітрям, ви хочете, щоб у вас на столі завжди було вдосталь хліба, молока, м’яса. Все це, та багато іншого, якщо хочете, продукція «зеленої машини» нашої планети – її лісів, луків, полів, тварин, – так, тварин, птахів, комах, бактерій. Для своїх потреб ми вирубали вже масу лісів і виростили ліси в степах. Луги ми зробили ріллею. Ми винищуємо одні види тварин, рослин, комах і сприяємо розмноженню інших. Інакше кажучи, ми розбудовуємо механізм «зеленої машини» нашої планети. І будемо перебудовувати з ще більшим розмахом. А чи достатньо добре ми знаємо те, у що так рішуче втручаємося? Ні. Ви порівняли рослини з тваринами і останніх охрестили «дармоїдами». По-вашому виходить, рослини можуть існувати без тварин. Чи так це? Щоб розібратися в цьому, треба познайомитися з тим, як харчувалися перші представники життя на Землі – подібно рослинам, тваринам або вони поєднували в собі ознаки тих і інших?

І чому життя на нашій планеті взагалі дало дві течії, відокремивши тварин від рослин? Чому виникли клітини? Чому потім природа почала будувати організми з дедалі більшої кількості клітин замість збільшення розмірів і ускладнення однієї єдиної клітини? І, нарешті, навіщо природі знадобилося розділити багатоклітинні організми на дві статі? Науці ці чотири «акти творення природи» ще недавно малювалися вкрай смутно. Але зараз туман невідомості значною мірою розсіявся.

«Пиріг» існує тому, що його їдять

У первинній протоплазмі, по всій видимості, були молекули, які могли вловлювати сонячне світло і використовувати отриману енергію для розкладання води та побудови складних органічних сполук. Англійський вчений К. Гранік припустив, наприклад, що речовиною, яка уловлює світло, були мінерали, подібні окисленим залізним рудам. На поверхні таких мінералів міг виникати живильний «бульйон» для первинних організмів.

Ще більше значення могли мати молекули сполук фосфорної кислоти, які теж містяться у протоплазмі. Вони здатні поглинати світло в безкисневій атмосфері, а саме така атмосфера, що складається в основному з азоту, вуглекислого газу та аміаку, і огортала тоді Землю.

Отже, перші грудочки «живої» речовини харчувалися подібно рослинам. Але сонце щедро обсипало сушу і море своїми дарами. Земля отримувала більше енергії, ніж зараз, тому що не було «озонового екрану», який, як губка, вбирає велику частку згубної для всього живого ультрафіолетової радіації. А озонового екрану не було, бо не було або майже не було кисню в атмосфері. Надлишок енергії був для протоплазми і щастям і нещастям. Щастям, бо їй легше діставалася енергія. Нещастям – адже перші організми не могли «носа висунути» з води.

І все ж «сонячні батареї» цих першоорганізмів були занадто малопотужні. Білкові грудочки знаходилися в положенні людини з таким мікроскопічним ротом, що навіть водоспад не міг би допомогти їй втамувати спрагу. Організми боролися за більш високий к. п. д. поглинання сонячного світла сотні мільйонів років, поки, нарешті, їм не вдалося синтезувати у своїх клітинних майстернях хлорофіл.

Молекули хлорофілу називають «електронними насосами». Вони відбирають водень у молекул води і передають його молекулам вуглекислого газу. З цього починається створення рослинами складних органічних речовин свого тіла – цукру, жирів, білків, вітамінів. Енергію для цієї роботи вони за допомогою хлорофілу беруть у світлових променів і діють з разюче високим коефіцієнтом корисної дії.

Створення хлорофілу було одним з найбільших тріумфів життя. Земля «до» хлорофілу і «після» – дві різні планети. У земну атмосферу стали надходити значні кількості кисню, вивільнені рослинами при розкладанні молекул води. Виник озоновий екран, рослини змогли заселити сушу, почати вільно плавати по поверхні води. Кисень атмосфери підхльоснув окислювальні процеси. Ледве жевріюче в енергетичному відношенні первинне життя буквально розцвіло.

– Але дозвольте! – Міг би тут втрутитися небіолог. – Яке це має відношення до поділу живої природи на світ тварин і світ рослин?

Саме безпосереднє. Рослини – це «пиріг», начинений енергією сонця. Тварини не можуть існувати без рослин, це ясно. Але якщо рослини можуть існувати без тварин, то чому останні таки з’явилися? Ми начебто переконалися, що на початку всіх початків організми воліли рослинний спосіб харчування і магістральною лінією розвитку життя на Землі був, без сумніву, процес вдосконалення саме цього способу харчування.

Дійсно, рослини в надлишку забезпечені енергією сонця. Однак фотосинтез обмежений кількістю вуглекислоти. Зараз в атмосфері міститься всього три сотих відсотка цього газу. У минулі геологічні періоди його було більше. Куди ж він подівся? Нині у вугіллі, торфі, що виникли із залишків тварин організмів, міститься вуглекислого газу вже в двісті разів більше, ніж в атмосфері. Всього ж рослини зв’язують у органічні сполуки щорічно приблизно двісті мільярдів тонн вуглекислого газу. Якби цей процес посилився, життя могло б прийти до катастрофи: рослинам нічим було б харчуватися! До речі, саме в силу цього природа не подбала збільшити коефіцієнт поглинання хлорофілом сонячного світла, хоча останній і мізерно малий – не вище двох відсотків.

А тварини обмежують термін «консервації» газу в тілі рослин. Саме тому, завдяки диханню і розкладанню загиблих тварин, кругообіг вуглекислого газу в наш час залишається загально незмінним. Виходить парадокс: рослини – це той «пиріг», який існує тільки тому, що його їдять! Ось чому поділ первинних живих організмів на рослини і тварин був неминучою закономірністю.

Уявіть, що ви прочитали: «По полю стрибками рухалося щось живе, почасти схоже на зайця. Воно мало форму якогось студенистого туману, і марно погляд намагався знайти чітку межу між ним і навколишнім повітрям». Подібні організми існували в дійсності. Як це не незвично для нас, але первинне життя майже зливалося з навколишнім середовищем. Кордон між білковою грудочкою і поживним бульйоном був хитким, розпливчатим. Життя трималося у вузькому діапазоні температур, фізичного і хімічного складу середовища. Трохи вище, трохи нижче концентрація солей, трохи, більше, трохи менше тепла – і існуванню білкових грудочок загрожувала загибель.

Вони повинні були або обзавестися «одягом», або і далі цілком залежати від примх середовища без надії на подальший розвиток. Білкові грудочки боролися за життя. Ускладнювалася їх структура, окремі частини грудочок знаходили індивідуальність – так поступово за мільйони і мільйони років удосконалювалися засоби захисту.

Ім’я спорудженої ними цитаделі – клітина. У ній життя могло почувати себе більш-менш незалежно перед обличчям раптових фізико-хімічних катастроф середовища. Організмів, перехідних між одноклітинними і багатоклітинними тваринами, знайти поки не вдалося. І. Мечников свого часу припустив, що багатоклітинні з’явилися в результаті об’єднання одноклітинних організмів.

Проти цієї гіпотези було висунуто серйозне заперечення. Білки різних організмів отруйні один для одного. Саме тому не вдається приживляти органи і тканини, взяті від іншого організму. Їх руйнують сили імунітету. Однак чи існували такі захисні реакції проти чужорідних білків у найдавніших одноклітинних істот – невідомо. Можна лише припустити, що вони були слабо виражені і могли за деяких умов придушуватися. Так, в ряді дослідів вдалося отримати багатоклітинну тканину з окремих клітин , які до цього піддавалися різним хімічним і радіаційним впливам.

У 1954 році англійський вчений Хедз виступив з гіпотезою походження багатоклітинних організмів від многоядерної клітини. Ці ядра концентрували навколо себе деякі кількості протоплазми, і так, нібито, виник перший багатоклітинний організм. Чи вірно це, покаже майбутнє.

Яке значення мав стрибок до багатоклітинних організмів – можна легко зрозуміти шляхом такої аналогії: згадаймо, як зробила крок вперед справа будівництва, коли замість глини, піску з’явилися цеглини, а потім і більші блоки. Стало можливим швидко створювати величезні споруди. Так і в живій природі. Проведемо аналогію далі. Чим вище рівень виробництва, тим глибше його спеціалізація. Це робить виробництво більш продуктивним і економічним. Так само йде справа і в живій природі. У тілі багатоклітинних організмів у міру еволюції спеціалізація клітин, тканин, органів розвинулася до граничної досконалості. Це зробило можливим тонке пристосування організмів до різних умов життя, незвичайно підняло енергію життєдіяльності.

Стерті шифри

Ідеалом конструкторів може служити своєрідний «механізм», створений живою природою – знамениті нуклеїнові кислоти. У крихітному обсязі нуклеїнових кислот, що знаходяться в ядрах зародкових клітин, закладена програма розвитку дорослого організму, в якій передбачено все, аж до кольору очей і форми нігтів. Нуклеїнові кислоти утворюють в ядрах клітин складні комплекси з білком-хромосоми. Ці кислоти відіграють роль своєрідних матриць, за допомогою яких «штампуються» нові білкові молекули. Тому хромосоми можна вважати як би заводами білкових молекул. Заводи, які безперервно виробляють собі подібні заводи, не ухиляючись ні на йоту від програми, заводи, які треба розглядати в електронний мікроскоп! З точки зору техніки – це диво, для інженерів поки недосяжне.

Немає, проте, штампа, який під час роботи не зношується. Те ж саме відбувається і з живими «штампами». Стерті штампи дають неправильні копії. З покоління в покоління ці неправильності – спадкові зміни – посилюються, частішають. Уявімо собі, наприклад , штамп, на який нанесені всі букви алфавіту. Від тривалого вживання деякі букви (на штампі вони у нас рельєфні), припустимо «Г», «Л» і «Я», стерлися. Якщо ми з цього зіпсованого штампа робимо матрицю, а з матриці копію, то всі стерті літери потрапляють в цю нову копію. До кінця її роботи стирається, припустимо, ще буква – «С». На подальшій копії ми будемо, отже, мати ще більше стертих букв. Щось подібне відбувається і при розмноженні організмів способом клітинного поділу.

Поки в природі розмноження йшло шляхом ділення клітин, кількість «помилок» поступово зростала. Порушувалося вироблення потрібних ферментів, спотворювався обмін речовин, клітини втрачали життєздатність. Потрібен був інший шлях. І він був знайдений. Організми перейшли до статевого розмноження. Що це дало? При заплідненні, тобто при злитті чоловічої та жіночої клітин, зустрічалися хромосоми з різними дефектами. І дефекти ці, як правило, взаємно компенсувалися. Для наочності припустимо, що неостиглий метал матриці зіпсованого штампа ми відразу ж накладаємо на другий штамп. У того букви «Г», «Л» і «Я» збереглися, але зате стерті літери «К» і «М». У порожніх гніздах неостиглого металу нашої матриці чітко віддруковуються відсутні літери. А «К» і «М» матриці залишаються без зміни.

Наведене порівняння, звичайно, страждає великою неточністю, але зміст що відбувається воно передає: статеве розмноження стало засобом вічного оновлення організмів, воно рятує їх від помилок, що виникають при утворенні нових молекул ядерної нуклеїнової кислоти.

Порівняно недавно вважалося, що життя зародилося приблизно півмільярда років тому. Найбільш сміливі вчені називали цифру в мільярд років. Але останнім часом палеонтологи виявили сліди бактерій і водоростей у породах , вік яких обчислюється 2,5-3 мільярдами років. Значить, життя древніше, ніж припускали. До такого ж висновку прийшли багато вчених.

Вік самої Землі визначається в чотири з половиною – п’ять мільярдів років. І бактерії, і водорості – це вже дуже складні організми. Тому витоки життя деякі вчені відносять ближче до моменту становлення Землі. Дуже можливо, що перші проблиски життя таки з’явились на нашій планеті чотири мільярди років тому. Рано чи пізно людина побачить на власні очі картину зародження життя. Де, на якій планеті, в якій зоряній системі – сказати поки що важко. Але десь у Всесвіті життя ще тільки на початку чотирьох «актів творіння». І, ймовірно, астронавти майбутнього побачать на власні очі витоки життя, сліди яких ми розшифровуємо зараз на кам’яних сторінках геологічної історії Землі.

Автори: А. Еммі, Д. Біленкін.