…Жизнь готова самозародиться и развиваться везде, где для этого есть набор подходящих условий» (А. Гангнус).
И делается вывод: вселенная «содержит в себе, по крайней мере, сырье для будущих биохимических эволюции».
Даже на кометах есть такое «сырье»!
Больше того, именно на кометах и зародилась жизнь — утверждают известные ученые Ф. Хойл и Ч. Викрамсингх в гипотезе о происхождении жизни и… пандемий (эпидемий глобального масштаба).
На поверхности ядер комет, по мнению этих ученых, «идеальные» условия для превращения неживой материи в живую. Одна из форм такой трансформации — вирусы и бактерии. Они попадают на Землю, когда наша планета в движении по орбите пересекает остатки вещества комет. Тогда-то будто бы и возникают сразу во многих районах земного шара эпидемические заболевания. Их внезапное появление и быстрое распространение трудно объяснить передачей заразных микробов от человека к человеку или при посредстве паразитов-переносчиков — вшей, клещей, тараканов и прочих насекомых. Подсчеты показывают, что этот процесс гораздо более медленный, чем стремительное продвижение по странам и континентам всевозможных пандемий.
Ф. Хойл и Ч. Викрамсингх полагают, что страх и ожидание беды, которые испытывали прежде люди при появлении на небе комет, достаточно обоснованны: известные в истории губительные вспышки чумы, гриппа других заболеваний в основном совпадают с появлением на небосводе комет. Приносимая ими на земную поверхность инфекция сразу поражает многих людей. «Наша теория, если, конечно, она верна, будет иметь большое биологическое и медицинское значение. Возможно, что потребуется осуществлять в стратосфере постоянное микробиологическое наблюдение, чтобы предотвращать тот хаос, который в будущем может возникать от вторжения внеземных организмов» (Ф. Хойл и Ч. Викрамсингх).
Но это уже дело медиков — разобраться в причинной связи комет и пандемий (если таковая существует). Мы же продолжим нашу тему — зарождение жизни на Земле.
Научная ситематическая разработка этой веками загадочной темы началась в 1924 году, когда была опубликована книга академика А. Опарина «Происхождение жизни». Выдвинутая в этой весьма знаменательной книге теория легла в основу, можно сказать, почти всех современных гипотез о происхождении жизни.
«…Возникновение жизни на Земле следует рассматривать как закономерный процесс эволюции углеродистых соединений» (Большая Советская Энциклопедия).
Возраст нашей солнечной системы примерно 5 миллиардов лет, Земли (как твердого шара) — 4,5 миллиарда. Осадочные породы, в которых найдены несомненные остатки бактерий, датируются 3,1 миллиарда лет назад. На 300 миллионов лет позже на Земле уже жили первые сине-зеленые водоросли. Именно в эту эпоху появились в каменных летописях Земли их «коллективные» известковые постройки — строматолиты.
Значит, на химическую и биохимическую эволюцию и на создание из приготовленных ими материалов первых живых клеток потребовалось около 1,4 миллиарда лет. А на все дальнейшее развитие жизни — вдвое больше времени. Первый процесс, несомненно, более сложный, чем второй. Что-то уж очень мало времени ушло на созидание природой органического материала и на сборку из него живой клетки.
Субстрат жизни — белок. Составные части белка — аминокислоты. Их всего 20. Соединяясь в разных сочетаниях друг с другом, аминокислоты образуют молекулы белков. В нашем теле десятки тысяч разнообразных белков, и все они сложены из двух десятков аминокислот, соединившихся в каждом белке в характерной только для него последовательности.
Лишь недавно биохимики составили достаточно ясное представление о том, как идет такой синтез в организме. А как шел он на планете при зарождении на ней жизни — пока загадка. Но что касается происхождения аминокислот, то исследования последних десятилетий прояснили эту туманную картину.
В 1953–1955 годах биохимик С. Миллер экспериментировал с довольно простым устройством, главной составной частью которого была колба, наполненная первичной «атмосферой» Земли: исходными веществами служили метан, аммиак, вода и водород. Через эту смесь пропускались электрические разряды, имитирующие грозовые воздействия на атмосферу юной еще безжизненной Земли.
И что же получилось? Чем наполнилась пожелтевшая вода в колбе? Синильной кислотой, углеводородами и другими органическими соединениями и, наконец, аминокислотами!
В последующие годы опыты Миллера повторили другие ученые — у всех после электрических разрядов из метана, аммиака, воды и водорода образовались аминокислоты. (П. Абельсон получил их даже из иной смеси веществ: водорода, окиси углерода, углекислого газа, водорода и азота.)
Затем такую же смоделированную первичную атмосферу стали «обрабатывать» другими физическими агентами: облучением рентгеном, электронами повышенной энергии, ультрафиолетом, наконец, температурой в тысячу градусов. И во всех случаях синтезировались аминокислоты. Иногда даже их полимеры! А в некоторых опытах получались и нуклеиновые основания — химические «бусинки» — структурные и функциональные основы ДНК (носителя наследственного кода). Насколько важно последнее, ясно будет из дальнейшего нашего рассказа.
«Результаты доказали, что на примитивной Земле имелись важнейшие для возникновения жизни строительные материалы: аминокислоты, сахар, жирные кислоты и производные их соединения — пурин, пиримидиновые основания, даже нуклеозиды и нуклеотиды. Больше того, в немалом количестве и разнообразии встречались порфирины, к которым относятся гемоглобин и «зелень листьев» (хлорофилл), в общем, разный исходный материал, необходимый для образования высокомолекулярных соединений» (К. Дозе).
С 1964 года С. Фокс экспериментирует с микросферами. Это небольшие «шарики» (диаметром около двух миллиметров. Они образуются при растворении а затем конденсации протеиноидов — белковоподобных веществ, полученных химическим путем.
Микросферы интересны тем, что от внешнего мира отделены мембраной, хоть и отдаленно, но напоминающей оболочку живой клетки. При изменении определенных условий среды, в которой они находятся, микросферы диффундируют, просачиваются через мембрану наружу, оставляя последнюю совершенно пустой.
Их мембрана представляет отличный опытный объект для изучения обмена веществ и проникновения их через оболочки биологических клеток.
Извечный вопрос: что было раньше — курица или яйцо?
Этой иносказательной формулой определяется самый неясный пока процесс происхождения жизни: воссоединение в единое целое синтезированного из аминокислот белка и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), носителей наследственного кода и организаторов сборки из аминокислот определенного сорта белков. Без ДНК и РНК производство белков в живой клетке невозможно.
Тут вот ведь что получается: РНК действует в двух лицах — как транспортер активизированных предварительно аминокислот и как матрица, которая диктует порядок сборки белка из аминокислот. (Впрочем, как недавно установлено, в рибосомах несет она еще одну функцию — структурную.)
РНК-транспортер доставляет аминокислоту прямо к РНК-матрице. Аминокислота на ее поверхности может удержаться не где попало, а только на строго определенном месте. Для каждой из двадцати аминокислот на поверхности синтезирующей белок РНК приготовлена своя якорная стоянка. Никакая другая аминокислота ее занять не может.
Каждые полсекунды аминокислота ложится к аминокислоте, всегда на свое место. Десятки и сотни, даже тысячи аминокислот выстраиваются в ряд на поверхности РНК. Аминокислоты соединяются друг с другом в длинную цепь, и готовая молекула белка соскакивает с нуклеиновой матрицы.
Порядок построения аминокислот, а иначе говоря, формула будущего белка, зависит от химической структуры той РНК, на поверхности которой они выстраиваются. Эту структуру, эту матрицу как бы штампует по своему образу и подобию другая нуклеиновая кислота — ДНК.
РНК, химический шифр которой руководит синтезом белка, сама слепок, копия с ДНК. А ДНК — это оригинал. Это первоисточник генетической информации. В ДНК и скрыта наша наследственность. В ней не только план изготовления белков, но и вся последующая программа построения организма в целом.
Теперь, надеюсь, понятно, почему сейчас без нуклеиновых кислот невозможна жизнь. Но невозможна она и без белка.
Так что же раньше родилось: работники-сборщики и плановый отдел производства или готовый уже объект их труда — живой белок?
Возможно ли, чтобы он сам служил матрицей для синтеза себе подобных белков? И лишь позднее эту роль передал ДНК и РНК, которые действуют несравненно более точно, чем было нужно на первых этапах возникновения жизни?
Теперь ДНК и РНК никакими белковыми матрицами незаменимы, потому что организмы стали более сложными, чем в первых опытах природы по их созданию. А может быть, белок и нуклеиновые кислоты с самого начала объединились еще в предклетках и в дальнейшем работали слаженно, рука об руку?
Энергетические ресурсы жизни
Первые живые клетки взрастила Земля примерно три миллиарда лет назад. Все они были анаэробные, то есть обитали в бескислородной среде. Да и в атмосфере планеты, как уже говорилось, свободного кислорода не было. Его создатели — зеленые растения.
Пока еще одноклеточные, они довольно рано принялись за дело: уже через 300 миллионов лет после того, как явились в мир первые живые клетки, многие из них приобрели хлорофилловые зерна (вначале, возможно, как симбионтов).
Это великое событие! Не только качественно иной стала атмосфера, но и вся жизнь на Земле пошла путем, который без чудодейственного хлорофилла невозможен.
Растения, счастливые обладатели хлорофилла, в буквальном смысле слова питаются солнечным светом и воздухом. Вернее, углекислым газом, извлеченным ими из воздуха. Процесс этот называется фотосинтезом — созиданием с помощью света.
Из шести молекул углекислого газа и шести молекул воды создают растения одну молекулу глюкозы. Глюкоза соединяется с глюкозой. Шесть тысяч молекул образуют одну полимерную молекулу крахмала. Зерна крахмала, запасенные растениями в своих тканях, главным образом в клубнях и семенах, и есть необходимые для всего живого на Земле «солнечные консервы». В них в виде химических связей молекул глюкозы поймана и аккумулирована энергия Солнца.
Каждый год зеленые одеяния наших материков и водоросли рек, озер и морей улавливают и консервируют столько энергии Солнца, сколько могут дать 200 тысяч мощных электростанций, таких, как Куйбышевская ГЭС. Два квадрильона киловатт-часов!
Эта энергия питает все живые клетки, все живые организмы от вируса до человека (кроме некоторых хемотрофных бактерий, которые живут за счет химической энергии неорганических веществ). Это, если можно так сказать, валовая энергия жизни, потому что ее с избытком хватает не только для существования самих растений, но и всех животных, которые, не имея хлорофилла, вынуждены для поддержания жизни заимствовать энергетические ресурсы у растений. А те берут их у Солнца. Значит, все живые существа в конечном счете «едят» солнечный свет.
Что такое свет — первоисточник энергии, питающий жизнь? Шутники говорят, что свет — самое темное место в физике.
Действительно, много в его природе удивительного и непонятного. Однако физики неплохо в нем разобрались. Свет, говорят они, — это поток мельчайших из микрочастиц. Фотон — имя этой частицы. Называют ее и квантом света. Частица без заряда, без массы покоя — сплошной сгусток энергии в минимальной расфасовке.
Когда свет, иначе говоря, фотоны, падает сквозь полупрозрачную кожицу листьев на хлорофилловые зерна, молекулы хлорофилла их поглощают. Электроны эти молекул получают от фотонов дополнительную порцию энергии и переходят, как говорят физики, на более высокий энергетический уровень.
Состояние это для них необычное, вернее сказать, неустойчивое, и электроны стремятся вернуться в более устойчивую энергетическую фазу, отдав кому-нибудь избыток полученной от света энергии. Поэтому выделенный из клетки хлорофилл тут же испускает фотоны обратно — светится, как светятся все фосфоресцирующий вещества, в которых химическая энергия превращается в световую. Значит, хлорофилл в пробирке не может удержать пойманную энергию света. Она здесь быстро рассеивается, как в батарейке, если замкнуть накоротко ее электроды.
Иное дело в клетке — там в энергосистему хлорофилла включается длинная серия особых веществ, которые по замкнутой цепи реакций передают друг другу «горячие», то есть возбужденные, богатые энергией электроны. Проделав этот путь, электроны постепенно «остывают», избавляются от избытка энергии, полученной от фотонов, и возвращаются опять на старт — на свои места в молекуле хлорофилла. И она с этого момента снова способна поглощать фотоны.
А избыточная энергия, потерянная ими и аккумулированная в молекулах глюкозы, и есть та таинственная «жизненная сила», о которой много спорили натурфилософы прошлых веков. Питаясь ею, жизнь существует.
Четыре царства живой природы
Картина преобразования растениями земного шара требует некоторых уточнений.
Дело в том, что настоящие растения включились в процесс фотосинтеза довольно поздно: лишь два миллиарда лет назад (это меньше половины всей истории Земли). До них только наделенные хлорофиллом бактерии и сине-зеленые водоросли занимались фотосинтезом (однако бактерии при этом молекулярный кислород в окружающую среду не выделяли). Только они, бактерии и сине-зеленые водоросли, тогда и существовали на Земле. Никаких иных растений и животных еще не было. Теперь бактерии и сине-зеленые водоросли и растениями-то не считают! В особое царство и даже надцарство определили — доядерных организмов. У сине-зеленых водорослей и бактерий нет ядра. Нуклеиновая кислота (ДНК) рассеяна по всей клетке. А у прочих живых существ ДНК собрана в отделенном от цитоплазмы клетки мембраной ядре. Здесь помещается она в хромосомах — микроскопических тельцах, несущих наследственную информацию.
Биологами разработана новая система живого мира — не с двумя царствами, как прежде (животные и растения), а с четырьмя: дробянки (сине-зеленые водоросли и бактерии), животные, грибы и растения. В каждом царстве по два подцарства. У животных — простейшие (одноклеточные) и многоклеточные. У дробянок — бактерии и сине-зеленые водоросли. У грибов и растений — высшие и низшие грибы и растения.
К подцарству бактерий относят и такие микроорганизмы, как актиномицеты, спирохеты, микоплазмы, риккетсии и вирусы (последних определили сюда не без сомнений, условно, впредь до более полного их исследования).
Интересно вот еще что: грибы, неподвижные, питающиеся прахом земли создания, по новой системе, оказывается, более близкие родичи животных, чем растений! Вернемся на некоторое время к бактериям, чтобы рассказать о них подробнее. Ведь роль бактерий в существовании всего живого на Земле как прежде, так и теперь особенно велика.
У бактерий дурная слава. Всем известно, что они виновники опасных болезней: туберкулеза, брюшного тифа, дизентерии, холеры, проказы. Но многие ли знают, что есть и полезные бактерии? Мало даже сказать полезные, просто необходимые нам! Жизнь на Земле бы бы невозможна без бактерий.
Бактерии насыщают почву азотом, повышая ее плодородие, образуют и саму почву, помогают людям заквашивать огурцы, капусту и силос для скота, приготавливать сыры, простоквашу, уксусы, льняные ткани. Поселяясь в кишечнике, они переваривают за нас неудобоваримую пищу. Они уже освещают мрачную бездну моря призрачным сиянием живых огней, преобразуя в свет особые вещества, которые находят в «карманных фонариках» глубоководных рыб и кальмаров.
Форма клетки у бактерий бывает трех типов: круглая, спиральная и палочковидная.