О чём рассказывают архейские и протерозойские слои Море — колыбель жизни

О чём рассказывают архейские и протерозойские слои

Море — колыбель жизни

У известного английского писателя Герберта Уэллса есть фантастический роман «Машина времени». В этом романе рассказывается, как один учёный изобрел и построил машину, на которой можно путешествовать во времени. На своей машине изобретатель перенесся к людям, которые будут жить на Земле через 800 тысяч лет, испытал в этом будущем мире много необычайных приключений и вернулся обратно.

Роман Уэллса — чисто фантастический. Писатель придумал машину времени, чтобы в занимательной форме рассказать о том, как он представляет себе будущее человечества. А представлял Уэллс себе это будущее в мрачных красках. Он не верил в прогресс человечества и изобразил в своём романе упадок культуры, конечную гибель людей на Земле.

Описанную в романе машину ни изобрести, ни построить невозможно. Время — это последовательная смена минут, часов, дней, веков и т. д., и перенестись, скажем, в завтрашний день на несколько минут, исчезнув из сегодняшнего дня, человек не может: завтрашний день, пока он не наступил, просто не существует в природе.

Но совершать мысленно путешествия в прошлое мы можем. Наука, знание — это своего рода «машина времени». На могучих крыльях науки мысль человека устремляется вдаль прошедших времен.

Для мысли нет преград и расстояний. Геолог, изучающий строение окаменелых раковин, переносится мыслью на сотни миллионов лет назад. Округлый камень-валун, лежащий в степи, рассказывает нам о необозримом леднике, покрывавшем некогда эти места в продолжение тысячелетий. Оглаженная поверхность известнякового пласта, вскрытого экскаватором, рисует перед нами картину древнего моря: морской прибой огладил этот пласт, а в некоторых местах вымыл в нем ниши, заполненные сейчас песком.

Первые главы этой книги дали вам самое общее понятие о жизни Земли. Теперь мы начнем путешествие по ступеням веков с помощью чудесной «машины времени» — науки геологии.

Кусок минерала, отбитый от горного склона, раковина древнего моллюска, камень с отпечатком вымершего растения, окаменелая кость ископаемого животного будут теми волшебными ключами, которые откроют перед нами двери в давно исчезнувший мир прежних геологических эпох.

Путешественник, собирающийся в дальний путь, берет с собой различное снаряжение.

Наше «снаряжение» будет простым. Раскройте перед собой физическую карту мира. Она поможет вам наглядно представить себе и лучше уяснить то, о чем рассказывается дальше на страницах этой книги.

…Прекрасен закат в тихую погоду на южном океанском берегу. Сверкают золотом края далеких неподвижных облаков, из-под которых опускается к горизонту красноватый диск Солнца. С мерным шумом ложатся на белый песок неторопливо катящиеся волны, словно безбрежный океан дышит. Стихающий дневной бриз несет с океана свежесть водных пространств, колышет тёмно-зелёные перистые верхушки высоких пальм.

С этого берега, покрытого лесными, полными жизни зарослями, «машина времени» переносит нас в седую древность архейской эры, на два миллиарда лет назад. Мгновенно нас окутывает мрак, прорезаемый ослепительными вспышками молний. С ураганной силой дует жаркий, насыщенный влагой ветер. В блеске падающих молний мы видим пенистые гребни волн, разбивающихся о черные уступы береговых скал. Гористый берег освещен красным заревом вулкана. Тяжелый подземный гул прокатывается над сушей и морем, заглушая раскаты грома. Широкий поток лавы переливается через край жерла вулкана и устремляется к заливу. Быстро достигает он береговых скал и огненным потоком падает в океан. Гигантское облако пара с оглушительным шумом и свистом взлетает в воздух…

Безжизненные скалы первобытного материка.

Небо слегка светлеет, и мы видим быстро бегущие тучи. Но день так и не наступает: солнечные лучи не могут пробиться сквозь густую завесу облаков и вулканического дыма. Даль тонет в полумраке.

Но, может быть, дальше, за этой дымной завесой, мы увидим чистое небо, ясную морскую даль, покрытые зеленью равнины?

Перед нами проходит панорама первобытной Земли. Скалистые, пустынные материки, совсем не похожие по своим очертаниям на современные, поднимаются среди обширных морей. Их вид мрачен и дик. Повсюду мы видим угрюмые скалы, лавовые потоки, черные трещины и провалы — следы землетрясений. Нигде нет просвета в облаках. Клубящиеся тучи, пар, вулканический дым образуют почти непроницаемую для солнечных лучей завесу.

Часто проносятся ливни и грозы, и тогда маленькими водопадами стекает дождевая вода с гранитных уступов, вздуваются быстрые потоки, бегущие в своих каменных руслах.

Воздух насыщен углекислым газом, который в огромном количестве выбрасывают вулканы, и в нем нет кислорода. Как же могут существовать живые организмы в этой непригодной для дыхания атмосфере?

Но их нет совсем на поверхности архейских материков. Ни единой травинки не виднеется среди скал, на округленных лавовых глыбах, на берегах тускло поблескивающих озер. На тысячи километров простираются мертвые пустыни — мрачный мир камня, воды, огнедышащих гор и ураганов, проносящихся с неистовой силой над материками и морями.

Наш взор проникает сквозь толщу каменных пород в глубь Земли. Мы видим многочисленные светящиеся очаги раскаленной магмы. В ту отдаленную эпоху в земной коре содержалось значительно больше радиоактивных веществ, чем сейчас, так как они ещё не успели частично распасться. Следовательно, больше выделялось и радиоактивного тепла. По многочисленным трещинам поднималась вверх магма — расплав каменных пород сложного состава. Через жерла вулканов изливалась она на поверхность в виде лавы и, застывая, образовывала прочные горные породы: серо-зеленый диабаз, тёмные базальты. Выброшенная при вулканических взрывах в воздух магма осаждалась в виде мельчайшей пыли, образуя скопления вулканического пепла. С течением времени пепел уплотнялся и превращался в горную породу — вулканический туф.

Во многих местах поднимающаяся магма не изливалась наружу, она проникала в толщи поверхностных пластов земной коры и застывала, образуя так называемые интрузивные, то есть внедрившиеся, горные породы, главным образом граниты.

Сквозь чудесные стекла нашей «машины времени» мы видим рождение руд. Много различных химических элементов содержится в магме. При её остывании в магматических очагах образуются соединения железа, хрома, меди и других металлов. Из магмы, образующей граниты, выделяются в большом количестве летучие вещества: вода, соединения газов хлора и фтора, углекислоты. Нагретые до высокой температуры, эти летучие вещества уносят с собой различные химические элементы и скапливаются в трещинах и пустотах. Постепенно остывая, скопившиеся вещества вступают в соединения с подземными водами и минералами горных пород. Химические соединения осаждаются на стенках трещин, образуя рудные жилы. Мелкими вкраплениями пронизывают застывающий кварц соединения редких металлов — вольфрама, молибдена, олова. Возникают кварцевые жилы, содержащие золото, соединения меди, цинка, свинца, сурьмы, ртути…

А на поверхности Земли продолжается титаническая борьба двух стихий: огня и воды. Гигантскими факелами светятся вершины вулканов, и струи горячего дождя обрушиваются из низко летящих туч на потоки раскаленной лавы. Бесчисленные химические реакции непрерывно совершаются в воде первобытных морей, в минералах, слагающих материки, в атмосфере. Химические элементы вступают в соединения друг с другом, образуя все более сложные по составу и строению вещества.

Проходят миллионы и десятки миллионов лет. Вид архейских материков все так же пустынен и дик. Почему же это древнейшее время названо учёными эрой начала жизни?

Вглядимся в толщу воды одного из заливов. В ней плавают какие-то мельчайшие студенистые комочки — капельки слизи в прозрачной оболочке. Они напоминают современных микробов и бактерий — простейшие одноклеточные организмы, видеть которые можно только с помощью микроскопа.

Мы замечаем, что они поглощают частицы различных веществ, растворенных в воде, как бы питаются ими и увеличиваются в размерах — растут. Время от времени они делятся пополам, и каждая часть продолжает самостоятельно существовать.

Но ведь это и есть признаки жизни: питание, рост и размножение! Ими обладает любой живой организм, будь то микроскопическая клетка, дерево или человек.

В основе этих признаков жизни лежит обмен веществ с окружающей средой. Живой организм питается окружающими веществами, строит из них свое тело и выделяет то, что отработано и не нужно. Растения питаются углекислым газом; животные, поедая растения, питаются органическими веществами, из которых построены растительные ткани.

Непрерывным потоком проходят через организмы поглощаемые ими вещества, обновляя составные части их клеток. Организмы самообновляются в процессе обмена веществ, и в этом самообновлении заключается основное отличие живого от неживого. Обмен веществ наблюдается и в неорганической природе, но там он ведет не к самообновлению неорганических тел, а к их разрушению. Например, железо во влажном воздухе покрывается ржавчиной. Ржавчина появляется в результате поглощения железом кислорода и воды. При этом железо разрушается. Но можно ли сказать, что в нашей «машине времени» мы присутствуем при зарождении жизни на Земле? Нет! Эти мельчайшие примитивные организмы существуют на Земле уже миллионы лет. Обмен веществ стал их неотъемлемым качеством, и это качество отделяет их от всех других веществ и тел неорганической природы. Но как возникло в материи это свойство жизни — непрерывный обмен веществ? Какими были самые первые живые существа на Земле? Иными словами, как возникла жизнь на Земле? Ответить на этот вопрос с полной точностью наука в настоящее время ещё не может. Ведь никто не присутствовал при зарождении жизни и не наблюдал за возникновением живой материи.

В древнейших пластах земной коры не сохранилось никаких остатков первичных организмов. У них не было ни твердой оболочки, ни внутреннего скелета, и остатки их исчезли бесследно, распались на атомы, вернувшись в великий круговорот химических веществ на Земле. И только тогда, когда появились организмы с твердыми частями тела, в земной коре начали сохраняться их следы — например, в виде залежей известняков.

И все же наука с уверенностью утверждает, что жизнь является высшей формой развития материи, а совсем не представляет собой какое-то «божественное», духовное начало, как учит религия. Современная наука — физика, химия, биология, геология, астрономия — накопила огромный запас сведений об окружающем нас материальном мире. Бесчисленное множество научных наблюдений, лабораторных исследований и опытов дало учёным возможность изучить свойства веществ, законы природы, управляющие физическими и химическими процессами. И этот громадный фактический материал позволяет нам представить себе последовательное развитие материи, которое в далеком прошлом привело к появлению жизни.

Великий философ-материалист Фридрих Энгельс в своих трудах обосновал материалистическое, научное разрешение великой проблемы происхождения жизни на Земле. В течение сотен миллионов и миллиардов лет происходили химические превращения веществ, составляющих каменную, водную и воздушную оболочку Земли. В результате этих превращений возникали все более сложные химические соединения, и в конце концов образовалось живое белковое вещество, способное совершать обмен веществ. Взгляды Ф. Энгельса в наши дни развиваются академиком А. И. Опариным и другими советскими учёными.

Современная наука предполагает, что развитие материи и возникновение жизни на Земле происходили следующим образом.

Появляются углеводороды

При вулканических извержениях из недр планеты вырывались на поверхность расплавленные массы карбидов, то есть соединений металлов с элементом углеродом. Углерод всем хорошо известен. Сажа, скопившаяся в печной трубе, графит, из которого изготовляют карандаши, и драгоценный камень алмаз — все это углерод в свободном виде. С карбидами вступали во взаимодействие вода и водяные пары. При этом углерод соединялся с составной частью воды — водородом, образуя углеводороды.

Возникшие углеводороды в большом количестве растворились в первобытных водоемах, вошли в состав насыщенной влагой атмосферы.

В углеводородах, как показывают лабораторные опыты, таятся большие возможности химических превращений. Вот, например, какой опыт был проделан знаменитым русским химиком Бутлеровым: он растворил формалин, молекула которого состоит из одного атома углерода, одного атома кислорода и двух атомов водорода, в известковой воде. Через некоторое время раствор, постоявший в теплом месте, стал сладким. Это произошло потому, что шесть молекул формалина соединились между собой в одну, более сложно построенную молекулу сахара.

Образуется аммиак

Из недр Земли изливались не только соединения металлов с углеродом — карбиды, но и соединения металлов с газом азотом, так называемые нитриды.

При действии на них водяных паров нитриды образовывали соединение азота с водородом — газ аммиак (водный раствор аммиака всем известен под названием нашатырного спирта). Аммиак вошел в состав первичной атмосферы Земли.

Возникают простейшие органические вещества

Шло время. Многие углеводороды легко соединялись с водой, образуя спирты, жиры и другие вещества, содержащие углерод, водород и кислород. Это были простейшие органические вещества.

Первичные органические вещества образовались из неорганических чисто химическим путем. Учёные называют органическим веществом вообще все соединения углерода. Таких соединений в природе известно более миллиона. Из них только белки обладают признаком жизни — способностью к обмену веществ.

Органические вещества усложняются.

Возникают аминокислоты

Все сложнее и многообразнее становились химические реакции в веществах неорганической природы. Простейшие органические вещества присоединяли азот в форме аммиака. В результате появился новый тип органических веществ — аминовые кислоты, в состав которых входит, кроме углерода, водорода и кислорода, также азот.

Появление аминовых кислот сыграло исключительно важную роль в возникновении жизни. Учёные установили, что живой белок в телах животных и растений построен из отдельных звеньев — из различных аминокислот. Аминокислоты — это как бы кирпичики, из которых построено сложное здание молекулы белка. Огромная белковая молекула состоит из тысяч или десятков тысяч молекул аминокислот. Эти кислоты хорошо изучены в лабораториях. Они даже получены искусственно — из аммиака, воды, водорода и газа метана. На первобытной Земле в природных условиях тоже должны были образовываться различные аминокислоты.

Образуются носители жизни — белковые вещества

Если в лаборатории приготовить раствор аминокислот и подвергнуть его сильному давлению, то можно получить белковоподобные соединения.

Высокие давления распространены в природе — например, в недрах земли, в глубине морей и океанов. Следовательно, в первобытных морях имелись условия, при которых мог происходить синтез (соединение) аминокислот в молекулы белкового вещества.

В белках проявляются свойства, резко отличающие их от всей неорганической природы. В живом белке непрерывно происходят процессы восстановления и распада; они сочетаются между собой в определенном порядке и все направлены к единой цели: к постоянному самосохранению, к постоянному самовоспроизведению организма.

Белки — носители жизни. Ф. Энгельс говорит: «Когда химия порождает белок, химический процесс выходит за свои собственные рамки… он вступает в некоторую более богатую область — область органической жизни».

Как же возникли в материи признаки жизни, каким образом белковое вещество стало живым существом?

Ответить на этот вопрос помогают лабораторные опыты с коацерватными каплями.

Капли, способные «питаться» и расти

Смешаем растворы органических веществ, например желатина, с гуммиарабиком. До смешивания растворы этих веществ были прозрачны После смешивания они замутятся. Посмотрим на капельку помутневшего раствора в микроскоп. Мы увидим маленькие плавающие в жидкости, резко очерченные капельки. Учёные называют их коацерватами. Это название происходит от латинского слова, означающего «собираться в кучу, в рой».

Оказывается, что почти все находившиеся в растворе органические вещества собрались, сконцентрировались в этих каплях.

В коацерватах есть зачатки некоторой организации: они обладают способностью улавливать различные вещества из окружающего раствора, увеличиваться за их счёт. Если, например, добавить к жидкости, в которой плавают коацерваты, какую-нибудь краску, то можно наблюдать, как частицы краски быстро перейдут из жидкости в коацерватные капли.

Как показывают исследования, в коацерватных каплях идет и обратный процесс — процесс распада, разложения вещества. Если поглощение частиц из раствора, их объединение идет в капле быстрее, чем распад, то такая капля будет устойчивой, станет увеличиваться в объеме. Достигнув определенной величины, она делится.

Подобные коацерватные капли могли возникать в древних водоемах, где имелись растворы органических веществ.

Судьба капелек была различна. Одни росли сравнительно быстро, другие — медленнее, третьи, просуществовав короткое время, растворялись, исчезали. Причина этого ясна. На развитие капель влияли местные условия окружающей среды. Условия же эти были различны: в одном месте было больше тепла, в другом — меньше; одни капельки находились на ярком свету, другие — в темноте. Разными были также давление, количество растворенных в воде веществ. В зависимости от различных внешних условий каждая капля развивалась по своему собственному пути, и это привело к очень важным результатам.

Вот как рисует академик А. И. Опарин дальнейший путь развития первобытных коацерватных капелек, стоящих на грани живого и неживого:

«Если явления, происходившие в капле, ускоряли процесс распада или замедляли процессы синтеза (соединения), то такого рода формы коацерватных капель исчезали, а право на дальнейшее существование получали такие формы капель, которые были динамически устойчивыми и в которых эта динамическая устойчивость все более и более нарастала. Так возникла новая закономерность, являющаяся уже закономерностью биологического порядка; в неорганическом мире её нет. Это закономерность, которую мы можем обозначить как естественный отбор капель. Дальнейший прирост коацерватных капель шел под строгим контролем этого естественного отбора.

Постепенно менялось и качество организации коацерватных капель. Причем эти изменения совершались в определенном направлении все большей согласованности процессов распада и синтеза, что приводило к все более гармоничной организации коацерватных капель. Именно этот процесс и привел в конечном итоге к возникновению таких систем, которые можно смело назвать белковыми телами, наделенными обменом веществ, то есть к возникновению простейших организмов».

…И вот мы с вами снова на берегу древнего моря. Снова видим мы мрачные скалы первобытной Земли, катящиеся из мрака волны, тяжелую пелену низких туч. Но этот пустынный, сумрачный пейзаж уже не гнетет нас: мы знаем, что заря жизни занимается над нашей планетой.

Пока эта жизнь таится в водоемах — скудная, незаметная жизнь одноклеточных существ, похожих на современных амеб и бактерий. Эти существа во множестве живут в теплых водах мелких бассейнов, покрывают уступы скал слизистыми пленками своих колоний. Живут уже многие десятки тысячелетий…

Но ведь ничто в окружающем нас мире не находится в застое, вся материя, её любые формы находятся в непрерывном изменении и развитии.

Как же будет развиваться дальше жизнь? По какому пути пойдет её дальнейшее совершенствование?

Природа нашла поистине замечательный путь. В результате развития колоний одноклеточных появились многоклеточные существа, состоящие уже не из одной, а из многих клеток, объединенных в один организм.

В истории жизни на Земле было несколько особо важных событий, как бы поворотных пунктов в её развитии. Первым таким особо важным событием и было появление многоклеточных организмов.

Клетка-бактерия сама осуществляла все жизненные процессы и продолжала оставаться все тем же одноклеточным, сравнительно просто устроенным существом. В клеточных же сообществах жизненные процессы разделились между отдельными клетками. Одни клетки приспособились для обнаружения пищи, другие — для её поглощения, третьи — для её переваривания и так далее. Иными словами, у многоклеточных организмов постепенно появились щупальцы, рот, желудок и другие органы.

Каждая клетка в сообществе утрачивала былую универсальность, но зато свою узкую задачу стала выполнять гораздо лучше.

Многоклеточные существа стали активно охотиться за добычей, защищаться или прятаться от врагов-хищников. Они быстрее и лучше стали приспосабливаться к условиям окружающей среды.