Книга: Эволюция биосферы

Планетарные предпосылки развития жизни

Образование химических элементов в недрах звезд — закономерный процесс эволюции материи. Но для ее дальнейшего развития в направлении жизни необходимы планетарные системы с условиями, благоприятными для возникновения живого.

Первое условие: жизнь может развиться на планете, масса которой не превышает определенной величины. Так, если масса планеты превысит 1/20 массы Солнца, на ней начнутся интенсивные ядерные реакции, поднимется температура, она начнет светиться. Даже планета с массой, составляющей 0,01 массы Солнца, по своим температурным данным непригодна для развития жизни. Планета, имеющая массу 0,001 массы Солнца, будет холодной, но в ее атмосфере сохранится водород, аммиак, метан в соотношениях, характерных для Космоса, а лучи Солнца не смогут проникать сквозь мощную атмосферу. Таковы Юпитер, Сатурн и другие крупные планеты солнечной системы. Следовательно, планеты большой массы непригодны для развития жизни.

Другая крайность — планеты малой массы типа Меркурия и Луны. Они в силу слабой интенсивности тяготения не способны удерживать в течение длительного времени атмосферу, необходимую для развития жизни. Из планет солнечной системы первому условию, таким образом, удовлетворяют лишь Земля, Венера и в меньшей степени Марс. А. И. Опарин и В. Г. Фесенков (1956) оценивают вероятность встречи в Космосе планеты подходящей массы в один процент.

Второе важное условие — относительное постоянство и оптимум радиации, получаемой от центрального светила. Для соблюдения этого условия планета должна иметь орбиту, приближающуюся к круговой, ее расстояние от звезды не должно быть слишком малым или слишком большим. Наконец, центральное светило должно характеризоваться относительным постоянством излучения. Переменные и тем более взрывающиеся звезды явно не подходят. Вероятность второго условия А. И. Опарин и В. Г. Фесенков оценивают в 0,01%.

Вычисления вероятности соблюдения первого и второго условий (оптимум массы и постоянства, оптимум радиации) дают величину, равную 0,001%. Это значит, что лишь около одной из 100 тыс. звезд или, как полагают А. И. Опарин и В. Г. Фесенков, даже около одной из миллиона можно найти планету с условиями, не препятствующими развитию жизни. В нашей Галактике, где насчитывается более 150 млрд. звезд, таких планет будет несколько сотен. Однако отсутствие космических препятствий к развитию жизни еще не означает, что жизнь на них обязательно разовьется.

В недрах звезд образовались химические элементы. Из них слагается Земля. В табл. 1 сопоставлено относительное содержание химических элементов в веществе звезд, в солнечном веществе и в телах растений и животных[21].

Основываясь на данных таблицы, можно сделать вывод о почти полном тождестве элементарного состава звездного и солнечного вещества и о существенном возрастании процентного содержания тяжелых элементов в телах растений и животных. Второй вывод, пожалуй, еще более примечателен: четыре элемента — водород, углерод, азот и кислород, наиболее широко распространенные во Вселенной, в организмах тоже представлены в наибольшем количестве — от 92,28 до 96,0% от общего числа химических элементов, составляющих их тела. Живые организмы, таким образом, построены из наиболее простых и наиболее распространенных в космосе атомов.

Таблица 1. Элементарный состав звездного и солнечного вещества при сопоставлении с составом растений и животных

Жизнь прежде всего использовала самые доступные атомы. Водород, углерод, азот и кислород находится в двух первых периодах таблицы Д. И. Менделеева. Атомы этих элементов имеют наименьшие размеры и способны к образованию устойчивых и кратных связей. Углерод способен, кроме того, образовывать длинные цепи, что обусловливает возможность возникновения сложных полимеров. Кратные двойные и тройные связи повышают реакционную способность атомов.

Два других химических элемента — фосфор и сера, занимающие место в третьем периоде таблицы Менделеева, также обладают способностью образовывать кратные связи. По мнению лауреата Нобелевской премии американского биохимика Дж. Уолда (1964), это делает их особенно пригодными для накопления энергии и ее переноса строго дозированными порциями. Кроме того, сера входит в состав белков, а фосфор — неотъемлемая составность также связана с фосфорным обменом.

Часто, особенно в популярной литературе, обсуждается вопрос возможности развития жизни на основе других химических элементов. В частности, дебатируется проблема замены углерода кремнием, а воды аммиаком. Уолд категорически отвергает обе эти возможности. Кремний не способен к образованию кратных связей. Соединение углерода с кислородом в форме углекислоты — легко растворимый в воде газ, хорошо используемый организмами или легко выделяемый ими в процессе обмена. Двуокись силиция — кварц — исключительно плотный, твердый, инертный материал, не способный к активным реакциям. Атомы кремния, подобно углероду, способны соединяться друг с другом, образуя длинные цепи. Однако эти цепи неустойчивы в присутствии воды, аммиака и кислорода. Так как жизнь без воды, по-видимому, невозможна, кремний не может заменить углерод. Всякие рассуждения о кремниевых организмах принадлежат к области малообоснованных фантазий. Не меньшие трудности возникают перед гипотезой замены воды аммиаком.

Кроме перечисленных шести химических элементов-органогенов, в состав живых организмов входят положительные ионы металлов натрия, калия, магния, кальция и отрицательный ион хлора, а также микроэлементы, встречающиеся в организмах в следовых количествах, — марганец, железо, кобальт, медь, цинк — и еще более редкие — бор, алюминий, ванадий, молибден, йод. Таким образом, в состав вещества жизни входит 21 химический элемент. Встречаются и другие атомы, но менее регулярно и, как правило, еще в меньших количествах.

Субстрат жизни, следовательно, построен из трех категорий атомов: из наиболее доступных, наиболее пригодных и имеющих специальное назначение. Кремний не входит в состав 21 элемента, из которых построены основы живого субстрата, однако он активно используется диатомовыми водорослями для формирования кремниевых створок, некоторыми губками для построения скелета и даже высшими растениями для придания прочности стеблю и т. д. Йод входит в состав гормона щитовидной железы позвоночных животных — тироксина, играющего большую роль в обмене веществ, и, в частности, в явлениях метаморфоза у амфибий. Включение в субстрат жизни не только самых распространенных элементов, но и элементов, особенно пригодных для осуществления жизнедеятельности, свидетельствует, что жизнь основывается на свойствах этих атомов. Они не просто части машины, которые без вреда можно заменить аналогичными частями, сделанными из другого материала, как, например, нередко в предметах домашнего обихода металл заменяется пластмассой. Для осуществления функций жизни важны химические свойства составляющих ее атомов, в которых, в частности, выражаются квантовые закономерности. Поэтому вряд ли можно согласиться с идеей о принципиальной возможности моделирования живой системы на основе других элементов, о чем несколько лет тому назад писали некоторые математики.

Эволюция вещества в направлении жизни обеспечивается совершенно определенными космическими и планетарными условиями, а также наличием на планете некоторых веществ и в первую очередь, конечно, жидкой воды.

Значение воды в жизнедеятельности организмов определяется целым рядом физических свойств этого соединения. Замечательны термические свойства воды — большая теплоемкость, высокая скрытая теплота плавления и испарения, низкая теплопроводность, расширение перед замерзанием. Эти свойства обеспечивают относительное постоянство температурного режима океанов, что обусловливает уменьшение амплитуды колебания температуры на земной поверхности. Особые отношения воды к температуре ответственны за ее круговорот в природе, играющий такую большую роль в геологической истории планеты. Температурная аномалия воды — расширение перед замерзанием — в сочетании с аномальным изменением плотности в интервале от 0 до 4° обеспечивает перемешивание водных масс и препятствует промерзанию водоемов. Не будь этих аномалий, водоемы были бы малопригодными для жизни. Образующийся в холодное время года лед, опускаясь на дно, превратил бы водные бассейны в залежи льда, оттаивающие летом лишь с поверхности.

Вода благодаря высокой теплоемкости и низкой теплопроводности обеспечивает относительное постоянство температуры океанов; она играет, в сущности, ту же роль и в организмах, способствуя сохранению температуры тела. Ни одно вещество не могло бы обеспечить постоянство температуры с большим успехом.

Замечательны свойства воды как растворителя. Эти свойства и исключительная подвижность делают воду основным фактором обмена веществ в неорганической природе. Ту же роль она исполняет и в организмах: растворенные неорганические и органические вещества поступают потребителям. Без этого свойства не могли бы существовать планктон, неподвижные организмы, в частности высшие растения. Особое значение вода как растворитель и переносчик питательных веществ, естественно, имела в раннем периоде существования жизни, до развития у организмов органов активного движения. С помощью воды осуществляется транспортировка веществ внутри организма, от одних частей тела к другим, с водой выделяются продукты распада.

Таким образом, органический обмен веществ, связанный с поглощением питательных веществ, их перестройкой и выделением продуктов метаболизма, имеет своим гомологом обмен в неорганической природе, осуществляющийся так же, как и в организме, с помощью воды.

Этим роль воды не ограничивается. Высокое поверхностное натяжение обеспечивает поднятие ее в капиллярах. Без этого свойства организмы вряд ли вышли бы из воды на сушу, сухопутная растительность не могла бы существовать, так как питание высших растений основано на капиллярности воды.

Адсорбционная способность коллоидов зависит от поверхностных свойств растворителя, определяющих особенности поглощения веществ из внешней среды и их распределения на поверхностях коллоидных систем. В силу этого поверхностные свойства воды оказываются весьма существенными для внутриклеточного обмена.

Практическая несжимаемость воды позволяет организмам населять большие глубины. Благодаря оптическим особенностям, в первую очередь прозрачности, в воде на значительных глубинах может идти фотосинтез.

Вода на Земле представляет собой раствор солей, газов, в частности углекислоты. Американский физиолог Л. Гендерсон (1924) считает углекислоту веществом, занимающим второе после воды место по «своей пригодности для жизни». Благодаря высокой растворимости углекислота так же подвижна, как и вода. Так как этот газ содержится в атмосфере, никакие химические процессы не могут его извлечь из вод океана. Важное свойство углекислоты — способность поддерживать в растворе со своими нейтральными солями постоянство концентрации водородных ионов, так называемую буферность. Большую роль играет углекислота и в поддержании реакции крови, близкой к нейтральной. Значение углекислоты как источника углерода в питании зеленых растений и некоторых хемотрофных бактерий общеизвестно.

Разбирая свойства таких веществ, как углерод, водород и кислород, составляющих главную массу вещества организмов, Гендерсон обнаруживает и у них ряд свойств, которые делают их исключительно подходящими как к образованию органических веществ, так и к построению веществ неорганической среды, в которой организм живет и развивается.

Следует еще остановиться на тех особенностях океана, которые способствовали развитию в нем жизни. В самом деле, воды океана обладают относительно постоянной температурой, весьма устойчивым составом минеральных солей, константной концентрацией водородных ионов, постоянным осмотическим давлением и подвижностью, обеспечивающей перенос питательных веществ и их разнообразие.

Океан, таким образом, представляет собой идеальную среду по исключительному постоянству физических условий жизни, по богатству и разнообразию источников питания. Трудно было бы ожидать возникновения жизни в условиях непостоянной, изменчивой среды.

Итак, около 4—4,5 млрд. лет назад на Земле создались космические, планетарные и химические условия для более специализированного пути эволюции — развития материи в направлении жизни.

Эволюция звездного вещества привела к образованию необходимых химических элементов, формирование солнечной системы обеспечило одной из планет — Земле — условия дальнейшего усложнения материи. Важнейшее из этих условий — планетарный круговорот воды, атмосферы, минеральных элементов, вызванный излучением центрального светила и тектонической деятельностью молодой планеты. Планетарный абиогенный круговорот веществ обусловил взаимодействие минеральных элементов, без которого невозможна эволюция материи в направлении жизни. Ясно, однако, что круговорот, будучи совершенно необходимым условием, вместе с тем не является условием достаточным. В той иди иной форме он может происходить и на планетах, лишенных других условий, необходимых для развития жизни, например при высоких температурах. Ведь факторы, вызывающие его, — неравномерность нагревания со стороны центрального светила, тектоническая деятельность, возмущающее влияние соседних планет и спутников, выражающееся в приливах и отливах, — в какой-то мере действуют везде.