Книга: Земля и жизнь

Среда жизни

Среда жизни

Средою жизни издавна являются моря и океаны. Растворяющие свойства в жидком состоянии, способность в парообразном состоянии соединяться с различными химическими элементами и их соединениями делают воду важнейшим фактором и компонентом в химических и биологических процессах в природе. В воде растворяются газы атмосферы и газы, поднимающиеся из земных недр. Поэтому воды суши, морей и океанов до самого их дна являются продолжением атмосферы, обеспечивая тем самым существование организмов - растений, животных и бактерий. Поэтому влажному почвенному покрову суши, с его богатыми проявлениями бактериально-водорослево-грибной жизни, вполне соответствует верхний слой рыхлых донных осадков. Ниже, на суше и в водах, органическая жизнь прослеживается, но в количественном отношении оказываете более скудной.

Важно отметить, что воздух, растворенный в воде, содержит кислорода относительно больше, чем воздух газообразный, так как растворимость кислорода в воде лучше, чем растворимость азота. Высокую растворимость в воде имеет и углекислота, запасы которой в водах гидросферы во много раз превосходят ее запасы в атмосфере, обеспечивая тем самым существование и развитие водных растений.

Водная масса Земли всегда находится в непосредственном, теснейшем контакте с твердым веществом земной коры, с горными породами и минералами и продуктами их выветривания на суше и на дне моря. Поэтому воды гидросферы обычно насыщены минеральными веществами или содержат их в том или ином количестве.

Вода - основной компонент живого вещества - протоплазмы клетки, крови, лимфы. Она совершенно необходима для жизнедеятельности - процессы питания и выделения немыслимы без нее. Особо важную роль вода играет для водных организмов, являясь не только средой их жизни и эволюции, но и происхождения.

Вода - минерал, как считают геологи и минералоги. Химики говорят, что вода - самое распространенное на Земле вещество, имеющее определенный химический состав и физические свойства (текучесть, отсутствие цвета и запаха, определенную плотность и т. д.) и являющееся активным растворителем газов и твердых веществ.

Процессы растворения в воде твердых веществ связаны с разрушением их структуры, с образованием связей между их молекулами и молекулами воды. Оказывается, абсолютно нерастворимых веществ в природе не существует, но растворимость разных элементов и их соединений проявляется в разной степени в зависимости от их свойств. В результате высокой растворяющей способности воды в природе она всегда оказывается обогащенной веществами, с которыми входит в соединения, чаще в так называемые гидраты (сольваты). Образование гидратов вызывается наличием у молекул растворенных веществ электрического заряда и притяжением их к молекулам растворителя обычно с выделением при этом тепловой энергии.

В природных водах, таким образом, оказываются в взаимосвязи и во взаимовлиянии самые разнообразные по свойствам химические элементы и соединения, на взаимоотношениях которых сказываются температура, ее изменение, изменение давления. Между растворенными в воде веществами возможны самые разнообразные химические связи. При пересыщении раствора каким-нибудь компонентом выпадает осадок, качественно отличный от первично растворенных веществ,- то в виде гидратов окислов элементов, то в виде их фосфатов, сульфатов, галоидных солей, с тем или иным количеством молекул воды на молекулу осажденного из раствора соединения.

Таким образом, вода в природе - это сложнейшая химическая лаборатория, где встречаются и входят во взаимодействие разнообразные химические элементы земной коры и атмосферы. Поэтому в природе не было более благоприятной обстановки, чем водная среда, для предбиологического этапа химического развития углеродных соединений и для возникновения первичных организмов.

Роль воды в природе оценивалась человеком различно в странах с различным климатом. В условиях жаркого климата южных стран вода - благо, без которого не может обойтись ни одно живое существо. Например, древние индийские сказания гласили, что вода - основа всей жизни мира, из которой произошло все остальное. Древний Египет с его своеобразной историей и культурой, существовавшей благодаря Нилу, был всем обязан этой реке, ее периодическим разливам, увлажнявшим и улучшавшим почву долины, и, естественно, представлял ее божеством. Аналогичное отношение к воде других древних народов Северной Африки, Ближнего Востока и Южной Азии являлось основой представлений о мироздании. Возникали учения древних мыслителей, по которым даже звезды, Луна и Солнце признавались вызванными к жизни испарением вод. В странах же с влажным климатом, с периодическими ливнями, разливами рек, затопляющих обширные участки суши, вода представлялась злым началом, олицетворяла злое божество, приносящее людям иногда большие несчастья. Началом мира здесь признавалось Солнце и его свет, породившие Землю. В них видели и начало жизни.

Некоторые мыслители (III-II в. до н. э.) полагали, что мир состоит из пяти элементов: воды, огня, дерева, металлов и земли, что изменения в природе происходят под влиянием взаимного уменьшения или увеличения этих пяти материальных сил. Позднее возникло учение, по которому все вещи произошли от первоначального жизненного "эфира".

Философские обобщения XVII-XVIII вв. в странах Западной Европы были первыми попытками создать представление о космосе. В XVIII в. французский естествоиспытатель Ж. Бюффон говорил о воде, что она может уходить с поверхности в глубины и вновь появляться на свет, что воды неба, падая на землю и стекая в океаны, разрушают ее поверхность. Тогда же высказывались и мысли о расплавленной массе Земли, о разрушительной силе небесной воды и созидающей силе вод океанов.

Постепенно, побеждая религиозную трактовку вопросов устройства Вселенной, научная мысль приближалась к современному мировоззрению. Уже в XIX в. стало общепризнанной истиной суждение о круговороте воды в природе, складывающемся из двух циклических процессов. Один из них, "внешний" цикл выражается в испарении воды под действием солнечных лучей с поверхности суши, морей и океанов, затем вода осаждается, стекая в ручьи и реки, пока не собирается вновь в водные бассейны земной поверхности. Второй, "внутренний" цикл состоит в просачивании воды в землю, где она проникает в глубины земной коры, в область высоких температур. Там, близ очагов расплавленной магмы, вода переходит в пар с высокой температурой и давлением, в результате чего создаются мощные запасы энергии, проявляющиеся затем при вулканических извержениях и при образовании гейзеров. Пары воды способствуют поднятию лавы на поверхность и выбросу пепла в атмосферу. При этом они поднимаются над жерлами вулканов на большие высоты, образуя облака. Вулканизм тогда связывался именно с деятельностью воды в этом "внутреннем" цикле ее движения и объяснялся проникновением морских вод в глубь земной коры по трещинам.

В XX в. новая наука уже по-новому трактует происхождение вод. Появилось представление о существовании вод земной поверхности, так называемых вадозных, и вод глубинных, поднимающихся из недр, где они были связаны с веществом земной коры,- вод ювенильных, или молодых. На эту мысль Э. Зюсса натолкнуло исследование поднятия горячей трещинной воды до высоты в 12-15 м известного гейзера Шпруделя в Карловых Варах. Воды ювенильные, подмешиваясь к вадозным, таким образом увеличивают количество воды в биосфере. Отсюда пришла идея о том, что гидросфера Земли создана глубинными процессами земной коры, которые, протекая в течение долгих геологических периодов, и создают на Земле запас вод атмосферы, морей и океанов, непрерывно пополняемый и в настоящее время. Вместе с парами ювенильной воды в биосферу тем же путем поступали и поступают разнообразные ювенильные газы, так называемые "благородные" - гелий, аргон, а также и "неблагородные" - сернистый газ, окись углерода, закись углерода, водород и др. В соответствии с этой идеей, ныне прочно вошедшей в представления геологов, вся вода земной поверхности является наследием догеологической и геологической истории Земли.

А. П. Павлов следующим образом рисует историю образования морей и океанов. "Суша, неравномерно нагретая, с многочисленными вулканами несколько иного типа, чем теперь, и с горячими источниками владела почти нераздельно поверхностью планеты. Это и была древнейшая на земле пустыня... Первобытные бури потрясали атмосферу Земли могучими страшными концертами. По временам разражавшиеся ливни выметали из диких скалистых горных долин в необозримые безжизненные и голые равнины разнообразные продукты дробления... Солнце льет свой жар сверху в тех местах, где холодные верхи гор не сгущают паров в тучи. Море еще не родилось или только еще нарождалось в наиболее глубоких впадинах... Снизу, еще близко к поверхности, недавно заключенный в каменную оболочку отрывок солнечной массы - раскаленная магма Земли. Местами она льется по Земле могучими потоками, доставляя свежий каменный материал для грядущих процессов разрушения, или выбрасывает из глубин новые массы паров - созидателей будущего моря".

Первичная гидросфера и атмосфера Земли еще не заслуживали название биосферы, но уже были средой ее зарождения.

Что же представляла собой древняя среда жизни?

Изучение ферментативных процессов обмена веществ у организмов приводит к выводу, что они у разных групп сходны по своему характеру, хотя и отличаются по структуре, и что они всегда связаны с восстановительной обстановкой. Следовательно, первичная среда, создавшая их, тоже должна была иметь восстановительный характер. Значит первичный обмен у организмов был бескислородным.

Жизнь на Земле связана с большим количеством так называемых "биофильных" химических элементов, среди которых виднейшее место занимают углерод, кислород, водород, азот и сера.

Появлению жизни на Земле предшествовала длительная и сложная эволюция веществ, состоящих из этих элементов,- от простых соединений к сложным, с их новыми свойствами и поведением в "добиосфере".

Уже давно возникло представление о "главном слое жизни", за который принимается в гидросфере Земли самый верхний "слой" водной среды с многообразным комплексом организмов планктона, среди которых основное место занимают микроскопические одноклеточные водоросли - фитопланктон. На суше роль главного слоя жизни играют поверхность и верхний слой почвы. В прибрежных зонах, по краям выступов суши, у границы их с водными бассейнами эти два типа главного слоя жизни совмещаются.

В геологической жизни Земли такие районы оказывались, в частности, основными производителями больших запасов углерода и, вообще, органического вещества. Исследователи отводят побережьям древнейших морей и океанов особое место, поскольку здесь, в условиях больших колебаний температуры, взаимодействовали самые разнообразные компоненты состава биосферы: горные породы, вода, солнечная и космическая радиация, углеводородные и иные жидкие и газообразные соединения.

Таким образом, древнейшая среда на Земле, в частности водная, представляла собой концентрированный раствор сложных органических соединений, механически и химически тесно связанный с твердым веществом земной коры и Находившийся под воздействием мощных излучений. Эта среда - колыбель первичных организмов - была восстановительной, бедной кислородом. Это была арена разнообразнейших химических и геохимических реакций, из которых многие шли с выделением тепловой энергии.

В такой обстановке должны были успешно развиваться многие микробиологические процессы, в частности, окисление водорода кислородом углекислоты с одновременным образованием метана и многие аналогичные процессы с участием других исходных веществ древнейшей природы.

Создается впечатление, что древнейшая среда на поверхности нашей планеты не была гибельной для многих групп микроорганизмов. Наоборот, можно полагать, что все главнейшие компоненты первичного состава биосферы, каждый в отдельности, могли быть основой, жизненным субстратом соответствующих проявлений жизни. В отношении типов сред, способствовавших возникновению жизни и ее развитию, между учеными существуют значительные расхождения во взглядах. Известны весьма решительные высказывания в пользу почвенных растворов в качестве предполагаемой среды возникновения жизни, притом в условиях высыхания мелких материковых водоемов.

Имеются высказывания в пользу прибрежных зон мелководных бассейнов, где этому могло благоприятствовать сочетание природных факторов: увеличения запасов углекислоты, влияния химически действующих солнечных лучей, одновременного присутствия в растворах усложненных углеродных соединений и минеральных веществ земной коры. Под защищающим от гибельных лучей слоем почвы или на малых глубинах водоемов средой жизни в основном была, конечно, вода.

Итак, средой жизни является вода. Она же является обязательным компонентом в веществе живой клетки - внутриклеточной средой при процессах обмена, а также материалом в этих процессах.

Зародыши жизни - коацерваты - представляли собой полужидкие коллоидные вещества, проницаемые для некоторых растворенных в водной среде солей, газов и самой воды. Как известно, коллоидным веществом весьма свойственна способность к поглощению и связыванию различных веществ из окружающей среды. К сожалению, природные коллоиды, в частности минеральные, в специальных исследованиях, касающихся иногда явно органогенных образований, как железо-марганцевые конкреции на дне современных морей и океанов, вещества фосфоритового состава, кремниевый гель (силикогель) и другие, обычно пока трактуются авторами вне связи с биологическими явлениями.

Между тем в вопросе первичной среды жизни и ее возникновения Н. Г. Холодный придавал большое значение коллоидным органическим соединениям. Поэтому, подытоживая изложенное выше, можно сказать, что средой возникновения жизни на Земле были природные водные растворы сложных органических и минеральных соединений с соответствующими температурами и давлениями, создававшиеся в результате сложного химического взаимодействия вещества земной коры, гидросферы и атмосферы.

В связи с этим можно признать, что средой и местом массового возникновения жизни были влажные почвы, водная среда прибрежной зоны морских бассейнов, лагун и внутриконтинентальных водоемов, их зоны прибоя, в особенности зона приливов и отливов.