Иначе говоря, Пастер был прав, устанавливая фактическую сторону вопроса, но не прав, поскольку он вывел из поля зрения и химическую его сторону и фактор времени.
Однако гипотеза самозарождения настолько привлекательна, что поиски первичного организма, который мог бы возникнуть самозарождением, не прекратились. Так, в 1868 г. английский ученый Томас Гексли, исследуя ил, добытый со дна Атлантического океана еще в 1857 г. при прокладке морского телеграфного кабеля из Европы в Америку, нашел в нем тонкий слизистый осадок, который он признал за первичное живое существо и назвал батибием, т. е. жителем глубин.
Впоследствии, во время исследования океанских глубин, произведенного группой ученых на корабле "Челленджер", оказалось, что батибия найти не удается. Материал же, исследованный первоначально Гексли, был признан за хлопья осадка сернокислой извести, выпавшие из морской воды под влиянием крепкого спирта, в котором сохранялся ил.
В общем следует сказать, что в настоящее время мы самозарождения не наблюдаем, и все окружающие нас живые существа происходят от себя подобных. Мало того, пока все попытки химиков искусственно наладить образование белков протоплазмы, являющихся основою жизни, ее аппаратом, не удались. Мы все еще не знаем, чем отличается живой белок от неживого, и перед физиологической химией по-прежнему стоит задача решить этот основной вопрос.
Теперь, несмотря на все указанные трудности, попытаемся представить себе ту обстановку, при которой произошло появление жизни на Земле.
* * *
Где именно на Земле возникла жизнь и какие организмы могли быть первыми? Существует много сторонников того взгляда, что жизнь возникла на дне первобытного океана и уже оттуда распространилась на сушу. Часто говорят даже более определенно, что жизнь должна была возникнуть на дне, под сильным давлением, т. е. в наиболее глубоких частях океана, И. Вальтер возражает весьма основательно на это следующим образом:
"На теперешней поверхности Земли приходится почти три восьмых на долю материков, одна восьмая на мелководные моря и четыре восьмых на глубоководные. Если бы это отношение существовало всегда, то мы должны были бы находить в слоях земной коры отложения и фауну глубоководных морей в 4 раза чаще, чем признаки мелководья. Напротив, несмотря на многочисленные трансгрессии прежнего времени, не знают (не принимая во внимание небольших исключений) почти ни одного отложения более древних периодов, которое было бы равнозначно теперешним глубоководным отложениям".
Значит, в более древние геологические времена глубоководных морей не было.
Далее И. Вальтер считает, что среди представителей современных нам морских животных мы не находим ни одной животной формы, характерной для древней фауны; все они принадлежат к числу типов, возникших значительно позднее. Кроме того, глубокие моря лишены света и потому в них нет зеленых растений, что очень затрудняет питание всех остальных организмов.
Поэтому глубоководная фауна не могла возникнуть на месте, а произошла от выходцев из светлых мелководных частей моря. То же относится, по-видимому, и к глубинным микроорганизмам.
Наш выдающийся микробиолог акад. В. Л. Омелянский приводит, противно предположению, что местами возникновения первичных организмов были океаны, следующие факты: "Мюнц находил нитрифицирующих бактерий на известняках вершины Фаульгорна в Бернском Оберланде. Они гнездятся в мельчайших трещинах скал, среди дикой и мертвой природы, в мрачных пропастях и расселинах, лишенных каких-либо признаков органической жизни".
Таким образом, перед нами выбор: либо мелководные морские бассейны, либо вечно влажные скалы горных высот или морских берегов? Но прежде чем остановиться на определенном решении о том, где зародилась жизнь, надо еще выяснить, каковы именно были древнейшие поселенцы Земли.
Какие организмы могли появиться первыми и где это могло произойти? Животные для своего существования нуждаются все до одного в органической пище. Они питаются или другими животными, или растениями. Следовательно, они не могли появиться в первый момент осуществления жизни на Земле, когда есть им было нечего. Среди растений известна также немногочисленная группа так называемых хищных или насекомоядных растений, которые ловят и переваривают насекомых или мелких животных. Гораздо обильнее так называемые сапрофиты, т. е. растения, питающиеся мертвым органическим веществом; сюда главным образом относятся грибы, плесени и бактерии, хотя и далеко не все.
Эти организмы, даже и те из них, которые организованы чрезвычайно просто, также нуждаются для своего зарождения в готовом уже органическом веществе и не могут быть признаны первичными организмами. Большинство растений, как то: водоросли, мхи и высшие растения, имеющие зеленую окраску, питаются, как уже было указано выше, не органическими веществами, а газами воздуха, водными растворами, содержащими в себе минеральные вещества, и солнечным светом, как источником силы. Они могли бы, следовательно, возникнуть самостоятельно, как только на Земле создались гидросфера и атмосфера, а температура упала ниже точки кипения. Но между ними совершенно нет организмов, настолько просто организованных, чтобы мы могли допустить их прямое образование, а не происхождение от других, более просто построенных организмов.
Наконец, среди бактерий мы находим группу таких простейших организмов, которые не нуждаются для своего существования ни в кислороде воздуха, ни в органическом веществе. Они черпают свою жизнь из чисто химических процессов, происходящих при преобразовании сернистых, железных и азотных окислов. Культура этих организмов в лаборатории нередко требует полного отсутствия органического вещества (как то было в известных опытах С. Виноградского над бактериями почвы) и минимальных количеств кислорода.
Такие организмы мы называем хемотрофными, поскольку дело касается их питания, и анаэробами, поскольку они мало заинтересованы в присутствии кислорода в окружающей их атмосфере. Здесь и крайняя простота структуры (капля живого вещества без разделения на ядро и протоплазму), и крайне примитивный образ жизни, развивающейся в минеральных растворах, иногда даже без помощи кислорода воздуха и без какой бы то ни было необходимости в предсуществовании других организмов. Единственное условие, которое они ставят окружающему их миру, это наличие таких веществ, которые могли бы дать материал для экзотермических реакций, т. е. химических реакций, обусловливающих переход потенциальной энергии в динамическую и ее освобождение; проще сказать. реакций, сопровождающихся выделением тепла.
Правда, В. Л. Омелянский, указав на широкое распространение бактерий в ископаемых остатках животных и растений (работы М. Рено), прибавляет: "возможно и даже вероятно, что первыми представителями организованного мира явились и не эти простейшие из теперь известных существ, не бактерии, не амебы, а какие-то другие более примитивные организмы, покуда нам неизвестные".
Бактерия бактерии рознь: есть бактерии сравнительно высоко организованные (Achromatium, Beggiatoa), но есть и почти невидимые с совершенно неразличимыми деталями строения, особенно среди микрококков. Есть бактерии со сложным питанием, или приуроченные к паразитированию в крови высших животных или человека и погибающие вне питающего их организма. Такие бактерии, несомненно, позднего происхождения. Первичными можно считать только бактерий, черпающих энергию своих жизненных проявлений из простейших экзотермических превращений вещества, из минеральных растворов.
Итак, кандидатами на признание их первичными организмами можно признать хемотрофных бактерий. Остается вопрос об обстоятельствах, при которых они могли возникнуть.
Рассмотрим сначала наше предположение, что жизнь возникла в мелководных морях первичного океана. Сторонники этого взгляда основываются на том, что в истории Земли осадочные пласты с морскими организмами древнее, чем пласты с остатками наземных обитателей, а также на том, что простейшие организмы: бактерии, жгутиковые, корненожки, амебы. инфузории и пр., живут преимущественно в воде или же в различных водных настоях и растворах. Тем не менее не исключена возможность, что жизнь на Земле появилась и прошла первые этапы своего развития прежде, чем успел образоваться первичный океан.
В первый период совместного существования литосферы, атмосферы и гидросферы очень обыкновенны были, по мнению занимавшихся этим вопросом ученых, вулканические явления.
Все вулканические извержения сопровождаются обильным выделением газов и паров. Констатировано выделение паров воды, углекислоты, водорода, углеводорода, хлористого водорода, хлористого натрия, хлористого аммония, хлорного железа. фтора, борной кислоты, фосфатов и многочисленных других веществ. Вода, нагретая до температуры около 1000°, является сильнейшим растворителем и, проникая в трещины горных пород, через толщи которых проходит при извержении, является причиной многочисленных химических преобразований. Железо и кремнекислота принимают деятельное участие в вулканических извержениях. Словом, вулканизм ведет к образованию необыкновенно мощных химических лабораторий, в которых разнообразие обменных и синтетических реакций уступает только массовому масштабу, в котором происходят невулканические явления. Мне самому пришлось посетить некоторые из вулканов Камчатки. Стоя на вершине одного из таких вулканов, видишь настоящий хаос. Лавы причудливыми пузыристыми глыбами громоздятся кругом. Все они сравнительно недавно остыли, ранее же были огненным потоком расплавленной каменной массы. Ни единой травки, ни одного пятна лишайника. Все кругом сожжено огнем извержения пли отравлено парами хлористого водорода; черные, бурые или темно-красные камни целым лабиринтом преграждают дорогу. Местами они пересыпаны грядами серого железистого песка, также выброшенного из жерла вулкана. Кое-где из трещин вырывается горячий пар. На крутых склонах правильного вулканического конуса все это образует величественную, но крайне мрачную безжизненную картину. Проявлений жизни здесь не ищи, хотя горячие пары, оседая на холодной поверхности пузыристых и неровных лавовых глыб, образуют уже среду, пригодную для некоторых бактерий.
Но вот ниже, по склону, среди лав и пемзы выступает на дневную поверхность небольшой горячий ключ. Это круглый бассейн, на дне которого кипит вода и прорываются водяные нары, а от него вниз стекает по камням тонкая струя зарождающегося ручейка.
С точным термометром в руках начинаем мы наблюдения. В глубине ключевой воронки термометр показывает 99°, вода в ней совершенно чистая, синеватая. В канавке стока уже в полутора шагах от ее начала при температуре 85° на камнях дна появляются тонкие белые или сероватые пленки. Это колонии бактерий. Несколько ниже, при 82°, к ним присоединяются еще и темные сине-зеленые пленки так называемых циановых водорослей, считаемых справедливо за один из примитивных представителей класса водорослей и являющихся в то же время близкими родственниками класса бактерий.
Следовательно, после крупных вулканических катастроф жизнь легко заносится на склоны вулканов в виде бактерий, и первым ее осуществлением являются бактерии горячих ключей, перерабатывающие минеральные растворы ключевых вод.
В эпоху возникновения жизни на Земле горячие ключи, образовывавшиеся среди непрочной еще литосферы, легко могли стать первым пристанищем жизни. Ключи эти содержат в своих водах весьма разнообразные минеральные соединения, растворяемые перегретым паром и горячей водой на пути ее по трещинам литосферы. Взаимодействие встречающихся при этом растворов и способность их образовывать сложные соединения пока совершенно не изучены. Особенно неясна здесь роль первичных углеродистых соединений неорганического происхождения. Все это необходимо выяснить.
Морская вода представляет собою гораздо большую однородность и, вероятно, никогда не достигала точки кипения, разве в горячих же ключах, выбивающихся иногда в вулканических странах из-под берега.
Кроме того, глубины океана мало благоприятны для простейших организмов, обычно концентрирующихся у его поверхности, там, где в воду проникают и воздух и свет, при небольших давлениях воды.
Предполагая, таким образом, что жизнь зародилась первоначально в горячих ключах, богатых растворами солей, в том числе также и солей угольной и азотной кислот, мы охотнее допускаем зарождение ее простейших форм из неорганических осадков на дне ключей, чем занос из других звездных миров. Этого нельзя доказать, но, может быть, со временем химикам и удастся произвести синтез белков, и тогда вопрос станет гораздо доступнее нашему пониманию, чем это имеет место теперь.
В последнее время открыт ряд организмов (бактериофаг и другие), которые невидимы и о присутствии которых мы узнаем только по результатам их работы. Здесь имеют место характерные явления жизни в виде обмена и размножения, но нет определенной структуры, если не считать молекулярной. Такие организмы ближе к понятию о живом веществе, чем об организмах, так как именно организации-то в них и нельзя открыть.
Итак, жизнь некогда зародилась на Земле в виде простейших растительных организмов, не требовавших для своего существования ни света, ни кислорода воздуха, ни органического вещества. Зародилась в виде мельчайших бесструктурных существ, из которых впоследствии образовались остальные.
Отсюда тот живой интерес, с которым К. Маркс и Ф. Энгельс отметили в своей переписке извещение Гексли о якобы открытом им глубоководном организме батибии, состоявшем из белковой слизи. Хотя впоследствии химический анализ не подтвердил этого, самая идея не потеряла значения.
"Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования заключается по своему существу в постоянном обновлении их химических составных частей путем питания и выделения".
Ф. Энгельс
Глава IV
КРУГОВОРОТ ЖИЗНИ И КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА В ПРИРОДЕ
Известно, что если сжечь массу различных растении, предварительно высушив их до постоянного веса, то получится, с одной стороны, водяной пар и углекислый газ, а с другой стороны - зола. Если теперь разложить полученные вещества на элементы, то мы получим в процентах следующие соотношения:
Углерод….. 45
Кислород… 42
Водород…. 6,5
Азот………. 1,5
Остальные: сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо, хлор, кремний, иод, бром, натрий
В то время как первые 4 элемента составляют 95 % общего веса сухого вещества растений, все остальные встречающиеся в их золе простые вещества дают в сумме всего 5 %. Тем не менее, без серы, фосфора, калия, кальция, магния и железа, как показывают точные опыты с культурами на минеральных растворах, растения существовать не могут.
Жизнь растений тесно связана с поглощением элементов, составляющих их тело. Обмен веществ - главная и наиболее важная для нас работа растений. Посмотрим, откуда они заимствуют эти элементы и куда отдают их по использовании. Надо иметь в виду, что растения не поглощают твердой пищи, не имеют пищеварительной полости, а питаются водными растворами необходимых для их дыхания и роста веществ, которые поглощают путем всасывания корнями и внутренними частями мякоти листьев. Для того, чтобы выяснить значение и перемещения каждого из существенных для жизни растений элементов, прибегнем к методу выяснения того круговорота веществ, который постоянно происходит на Земле, то переводя интересующий нас элемент в свободное состояние, то снова связывая его в составе сложных соединений, входящих в состав тела растений или участвующих в их обмене с внешней средой.
1. УГЛЕРОД
Согласно сводке В. И. Вернадского (Геохимия, 1927), среднее содержание углерода в земной коре соответствует 0,4–0,5 % от общего ее веса. В странах, богатых известняками (углекислый кальций), количество углерода выше и достигает 10–12 %. Но во всех подобных случаях значительная часть этого запаса углерода образовалась за счет остатков живых существ и, особенно, растений, погребенных под слоями наносов.
Первичными соединениями углерода, возникшими помимо участия организмов в его накоплении, как показывают химические исследования продуктов вулканизма, являются углекислота, окись углерода, углеводороды, наконец, некоторые производные муравьиной кислоты, которая может образовываться при высоких температурах путем восстановления углекислоты в присутствии воды.
Угольная кислота, как уже упоминалось, выделяется вулканами в огромных количествах и затем более или менее равномерно распределяется в атмосфере. Как известно, она составляет 0,03 % общего веса нижних слоев атмосферы. И хотя углерод составляет только 3/11 веса углекислоты, а остальные 8/11 приходятся на кислород, тем не менее общий запас углерода в атмосфере исчислен в 800 биллионов кг.