Зарождение жизни на Земле
По широко распространенному научному предположению, первоначально зарождение жизни на Земле произошло в первобытном океане. Мириады мельчайших комочков - белковых тел, возникших на определенном этапе развития материи из сложных органических (белковых) соединений, переносились волнами, морскими течениями с одного места на другое, скапливались в тихих заливах.
Белковые тела
Живые комочки - белковые тела - возникали по одним и тем же естественным законам, но существовали в несколько различных условиях, а потому не могли быть совершенно одинаковыми. Результатом такой их изменчивости явилось то, что Дарвин в свое время назвал естественным отбором: сохранялись, выживали, те комочки, у которых обмен веществ проходил энергичнее и благодаря этому могли возникать и другие проявления жизни.
Так, простое увеличение вещества комочка в результате преобладания ассимиляции над диссимиляцией можно рассматривать как явление роста первичного организма, (подробнее: Как устроен организм человека). Но такой рост должен был иметь какие-то границы, определяемые физическими условиями жизни белкового тела и особенностями его обмена веществ.
В процессе жизни усложнялась также связь между организмом и средой, вследствие чего развивалось свойство раздражимости. В свою очередь, это привело к возникновению все более сложных систем белков. Разные белки стали осуществлять различные функции - развивалась и усложнялась протоплазма.
В то же время у белков вырабатывалась относительная устойчивость, постоянство, вытекающее из свойств белка, распадаясь, восстанавливать молекулы, подобные разрушившимся. Таким образом, изменчивость и наследственность - эти основные свойства живых тел - проявились уже на первых порах развития жизни. Важнейший этап развития - возникновение простейших клеточных форм.
Несомненно, такие формы отражали более высокую ступень развития жизни, ее непрерывное движение вперед.
Изучение микробов
Понять, как развивались одноклеточные формы, как возникли первые зеленые (содержащие хлорофилл) растения, во многом помогают современные простейшие одноклеточные существа, известные под названием микроорганизмов, или микробов. Изучение микробов показывает, что обмен веществ у разных видов происходит по-разному.
А это свидетельствует, в свою очередь, об исключительном разнообразии их приспособляемости к различным условиям существования. В самом деле, как велико многообразие микробов в природе! Одни нуждаются в газообразном кислороде, для других он смертелен; одни живут, разрушая органическое вещество и превращая его в минеральное, другие, наоборот, из минеральных веществ создают органическое, и т. д.
Очень разнообразны микробы, живущие в почве. Множество микробов живет в воде, некоторые на глубине в несколько километров. Есть микробы, ассимилирующие органическое вещество при низких температурах на снегу полярных стран и в зоне вечной мерзлоты, но есть и такие, которые живут в горячих источниках.
Микробы брожения
Наиболее простыми по обмену веществ являются широко распространенные в природе микробы брожения:
- скисает молоко,
- квасится капуста,
- приготовляется хлебное тесто на закваске или дрожжах,
- получается вино из сока винограда
- все это результат жизнедеятельности микробов брожения, превращающих одни органические вещества в другие.
Так, при скисании молока молочнокислые бактерии превращают содержащийся в молоке сахар в молочную кислоту. И сахар и молочная кислота - органические вещества, содержащие химическую энергию, но в сахаре ее больше, чем в молочной кислоте. Жизнедеятельность микробов брожения в том и проявляется, что они используют эту разницу энергии, получающуюся при переходе одних органических веществ в другие.
Есть серьезные основания полагать, что древнейшие организмы имели обмен веществ, сходный с тем, который мы наблюдаем у микробов брожения. Более сложные формы обмена веществ в те времена, очевидно, существовать не могли, так как в атмосфере отсутствовал свободный кислород (он был связан в разнообразных кислородных соединениях).
Они возникли лишь позднее, когда состав атмосферы изменился. Зарождение жизни на Земле, таким образом, происходило за счет первозданных органических веществ, образовавшихся в древних водоемах, причем расход энергии этих веществ происходил очень медленно.
Однако как бы медленно ни расходовались органические вещества и как бы ни были велики их запасы, условия существования жизни, несомненно, ухудшались, так как новые органические вещества образовывались все в меньшем и меньшем количестве.
Но жизнь уже достигла такого разнообразия, сложности и способности к приспособлению, что неизбежно должны были возникнуть, и действительно возникли, организмы, создающие в процессе обмена веществ органическое вещество из неорганического.
Хемотрофные бактерии
В настоящее время известны две группы таких организмов. Первая - это так называемые хемотрофные бактерии, которые образуют органическое вещество за счет энергии, освобождающейся при окислении серы, некоторых соединений железа и других неорганических веществ. Окисление происходит в результате деятельности протоплазмы ничтожно малых и простых клеток этих бактерий.
Никаких сложных форм такие организмы по характеру своего обмена веществ не дали и дать не могли: слишком однообразно и бедно развивалась их жизнь. В процессе жизнедеятельности они оказались очень «специализированными», могли жить лишь в строго определенных условиях. Никаких запасов органического вещества хемотрофные бактерии, естественно, не создавали.
На протяжении сотен миллионов лет они оставались существами чрезвычайно низко организованными, а поэтому роль их в развитии жизни была ничтожной.
Однако благодаря особенностям жизнедеятельности хемотрофные бактерии явились «собирателями» отдельных химических элементов и могут считаться создателями некоторых рудных скоплений, например пород, содержащих железо, марганец, серу, (подробнее: Черные и цветные металлы и их руды).
Хлорофилловые растения
Другая группа организмов - хлорофилловые растения - дала могучую ветвь жизни.
Хлорофилл - это, быть может, самое интересное из веществ во всем органическом, мире.
Ч. Дарвин Существовавшие первоначально организмы жили за счет энергии готовых органических веществ; хемотрофные и подобные им бактерии - за счет энергии, освобождающейся при переходе одних минеральных веществ в другие; зеленые же, хлорофилловые, растения, используя для своей жизнедеятельности энергию солнечного света, сами начали создавать органические вещества.
Представление о том, как могло это произойти, раскрывает изучение вопроса об усложнении обмена веществ у различных организмов. Известно, что в усложнении процессов обмена веществ большую роль играют различные включения, находящиеся в протоплазме и являющиеся продуктами ее деятельности.
Ферменты
Среди этих включений особенно большое значение имеют так называемые ферменты, которые ускоряют и регулируют обмен веществ в организме. Поэтому чем сложнее у организма обмен веществ, тем больше ферментов участвует в его жизнедеятельности.
У микробов брожения, например, известно очень немного ферментов. Так, у молочнокислых бактерий есть только один фермент, превращающий сахар в кислоту. У одноклеточного животного амебы уже много ферментов, которые участвуют в ее питании, дыхании, выделении и других жизненных процессах. У высших животных ферментов бесчисленное множество.
Они совершают многообразные преобразования веществ в организме: превращают сахар в крахмал, крахмал в сахар, одни виды белков в другие и т. д.; участвуют в самых сложных физиологических процессах деятельности высшей нервной системы.
Катализаторы
Химикам уже давно известны вещества, которые, присутствуя при химических процессах, сами не изменяются, но ускоряют течение реакций. Эти вещества называются катализаторами, а процесс- катализом. Прибавление к веществам, участвующим в различных химических реакциях, ничтожно малого количества определенного катализатора может во много сотен раз ускорить реакцию.
Подобное же действие в организме совершают ферменты. И катализаторы действуют лишь в определенных условиях и только с определенными веществами, то-есть действие их строго специфично. Так же действуют в организме и ферменты. Но катализаторами в химии могут быть и очень простые вещества, ферменты же - это белки (то более сложные, то более простые), в составе их обязательно присутствует небелковая группа атомов, обычно содержащая элементы металлов.
Возникновение и развитие обмена веществ, очевидно, с самого начала жизни было связано с явлениями катализа. Участие простых катализаторов в виде каких-то неорганических веществ в химических процессах, происходивших в первозданных белках, привело к возникновению сложных белков-катализаторов, то-есть ферментов.
Взаимосвязь различных составных частей протоплазмы в живой клетке складывалась и усложнялась, очевидно, на основе участия в процессе развития все более разнообразных ферментов. Проникая вглубь эпох, ко времени возникновения зеленых растений, нельзя не поставить в связь появление растений с развитием у них ферментативной деятельности.
Кроме ферментов, в жизнедеятельности организмов участвуют различные другие вещества. Таковы, например, витамины, разнообразные пигменты (вещества, придающие ту или иную окраску тканям) и другие включения. Все они образовались благодаря деятельности протоплазмы. Как правило, они являются полезными приспособлениями, помогающими организму в его взаимодействии со средой.
Возникновение хлорофилла, несомненно, связано с деятельностью пигментов. Вероятно, когда-то роль какого-либо пигмента в связи, быть может, с недостатком органической пищи усложнилась: он не только стал способствовать удержанию энергии солнечного луча, но и явился прямым участником химических процессов - стал играть роль своеобразного катализатора в процессе перехода действующей энергии солнечного света в энергию химическую - энергию органических веществ.
Благодаря рождению хлорофилла жизнь вступила на новую, более высокую ступень существования, создав условия для своего дальнейшего развития. Величайший исследователь «тайны зеленого листа» К. А. Тимирязев писал об этой победе жизни:
Когда-то где-то упал луч солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на... хлорофилловое зерно. Ударясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез. Он только затратился на внутреннюю работу.
Дальнейшее развитие и усовершенствование первозданных форм белковых тел освещается в статье "Как зарождалась жизнь в древние эры Земли".