Н. Н. Непомнящий
100 великих тайн доисторического мира
Слепой случай или разумный умысел?
Этот девиз долгое время реял на знаменах науки. Происхождение жизни на Земле считалось вполне очевидным. Исследователи этой проблемы очертили магический биохимический круг, в рамках которого построили нехитрую модель, согласно которой около 4 млрд лет назад на Земле в результате естественных химических процессов из неживой материи зародились первые живые клетки. По сценариям советского академика А.И. Опарина и известного популяризатора науки англичанина Дж. Б.С. Холдейна, эти клетки образовались в первичном земном океане, который представлял собой настоящий химический бульон. Атмосфера Земли в то время была практически без кислорода и состояла из метана, аммиака, водорода и двуокиси углерода.
Правда, со временем исследования космического пространства показали, что оно само по себе является настоящим химическим бульоном и вовсе нет никакой необходимости выдумывать гипотетический океан: все необходимые для появления жизни компоненты существовали в космосе задолго до того, как Земля образовалась из облака космической пыли, кружащего вокруг Солнца. А группа нидерландских ученых в 1984 г. опытным путем получила сложные органические молекулы в гелиевом криостате, обеспечивающем космический холод и вакуум, то есть, повторимся, подобные соединения могут образовываться и без помощи океанов.
Френсис Крик, первооткрыватель генетического кода, считал, что живая клетка не могла зародиться в результате случайных химических реакций
Но дело, в конце концов, даже не в том, где появилась первая живая клетка, а в том, почему это случилось. Принято считать, что возникновение жизни – результат какого-то особого стечения обстоятельств, абсолютно случайных, в силу которых произошли некие биохимические процессы, приведшие к образованию живой клетки из неживой материи.
Но возможно ли такое? Нобелевские лауреаты Уотсон и Крик, открывшие существование генетического кода, доказали, что содержанием этого кода является абстрактная запись. Но мы до сих пор не имеем никакого понятия о том, например, по каким законам формируются «алфавит» и «слова» генетического кода и как образовались «записанные» ими химические типы белков. Упрощенно говоря, перед нами стоит такая проблема: мы имеем простейшие аминокислоты – аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Из этих «букв» (простейших аминокислот) составляются трехбуквенные «слова», например АТТ, ЦГА, ГАГ и т. д. Каждое из этих «слов» обозначает молекулу одной из тех двух десятков сложных аминокислот, которые образуют молекулу белка. Цепочка из нескольких сотен или нескольких тысяч таких трехбуквенных сочетаний и является «записью», задающей правила формирования этой молекулы белка. И вот вопрос: случайно ли формулируются эти правила?
После многих лет исследований на этот вопрос ответил, вероятно, лучше всех знающий проблему человек – сам Френсис Крик, первооткрыватель генетического кода, признанный авторитет мировой биологии: «Нет! Это невозможно!» И также невозможно представить себе, что живая клетка могла случайно зародиться сама по себе, в результате случайных химических реакций.
Хорошо, предположим, что клетка образовалась. Но откуда такое разнообразие форм жизни, возникших, получается, из одной-единственной клетки?
Тут палочкой-выручалочкой для дерзких естествоиспытателей долгое время служила так называемая «теория эволюции», разработанная в XIX столетии Чарлзом Дарвином.
Эта модель, вполне устраивавшая большую часть ученых сто лет назад, сегодня трещит по швам, не выдерживая потока новых открытий. Так, палеонтология после многих лет изучения тысяч окаменелых скелетов не нашла ни одного примера «переходных звеньев». Современной науке неизвестно ни одно ископаемое существо, о котором можно было бы сказать, что на следующем этапе из него развилось другое существо. Все известные организмы, как ископаемые, так и ныне существующие, значительно отличаются друг от друга. Если бы эволюция шла по Дарвину – мелкими шажками случайных изменений, – то сейчас мы могли бы любоваться самыми удивительными чудищами, например индюком с перепончатыми, как у гуся, лапами: что поделаешь, случайно мутировал, вдруг пригодится в случае Всемирного потопа?..
Не все гладко у дарвинистов и с межвидовой конкуренцией. Например, совсем недавно стало известно, что лес имеет собственную сеть коммуникаций, своеобразный Интернет, с помощью которой между растениями происходит обмен информацией, а иногда и пищей.
Это открытие окончательно меняет образ леса как места тихой борьбы, где каждая былинка живет своей собственной жизнью, постоянно покушаясь отнять у соседей часть влаги, света и воздуха. На самом деле, как утверждают британские и канадские исследователи, деревья «общаются» между собой через единую подземную коммуникационную сеть, только вместо медных или оптических кабелей используется грибок под названием микориза, который растет на волокнах корней. (Но это только один способ общения. Есть и другие.)
Ученым удалось установить, что с помощью микоризы осуществляется даже перенос питательных веществ, причем деревья, у которых интенсивней идет процесс фотосинтеза (например, береза), отдают «излишки» деревьям, у которых процесс фотосинтеза идет медленнее (типа хвойных).
Исследования показали, что лес – это взаимосвязанная сбалансированная экосистема, причем картина лесного мира во многом оказалась совершенно неожиданной. Так, выяснилось, что для успешного роста молодых деревьев взрослые деревья уступают им через «коммуникационную сеть» некоторые необходимые источники роста. Подземная сеть микориз обеспечивает оптимальное распределение питательных веществ между всеми деревьями леса, что особенно важно при оскудении почвы. Наличием «сети» объясняется факт симбиоза деревьев и грибов. Есть в «лесном Интернете» и свои «хакеры» – это низкорослые растения, которые не в состоянии обеспечить себя за счет собственного фотосинтеза и вынуждены паразитировать на больших деревьях.
Таким образом, вместо «борьбы за выживание», которая представлялась Дарвину одной из движущих сил эволюции, в мире растений царит кооперация самостоятельных единиц.
На сегодня нет ни одного факта, подтверждающего тезис Дарвина о происхождении новых видов в результате количественного накопления постепенных изменений. Среди ученых все большую популярность приобретает тезис о том, что образование видов происходит скачкообразно, в результате качественного изменения в течение очень короткого времени. Но и эта теория порождает массу труднейших вопросов. Как с ее помощью можно объяснить, например, факт превращения антилопы в жирафа. Это ведь не только процесс удлинения шеи и передних ног, увеличение мышечной массы, усиление скелета. Это и перестройка вестибулярного аппарата, чтобы в минуту, когда животное резко поднимает голову от земли на высоту около шести метров, кровь не отхлынула от мозга. Как за короткое время может происходить такое сложное превращение, если считать его «случайным»? Скорее, можно говорить о целенаправленном и запрограммированном превращении.
Окончательно роль «слепого случая» в эволюции исключило недавнее открытие того факта, что основная часть генетических мутаций осуществляется с четкой направленностью, а немногие факты случайных мутаций, как правило, являются нарушениями в организме и не несут в себе ничего созидательного. Так вместо «слепого случая» на авансцену эволюции выступает разумный замысел.
Окружающий нас мир перестает быть понятным – понятным с точки зрения естествознания XIX в., которое является фундаментом современной науки. За последнее столетие обнаружено огромное количество новых фактов, но объяснить многие из этих фактов и построить на их основании сколько-нибудь связные теории наука не в состоянии.
Иными словами, чем больше мы узнаем, тем меньше знаем.
Жизнь пришла с Марса?
Ряд специалистов придерживаются мнения, что неким инкубатором жизни на нашей планете послужил пояс астероидов, который был расположен где-то посередине орбит Марса и Юпитера. К тому же он был на очень большом расстоянии от тех планет, находящихся на стадии формирования, и именно по этой причине на них так и не создались простейшие молекулы.
При столкновении твердых тел различной величины внутри астероида некоторые осколки метеоритов отделяются от него и пускаются в долгие странствия по всей Солнечной системе. Считается, что такие метеориты, падая на Землю, и становились как бы отправной точкой зарождения на ней жизни.
Длительное, продолжающееся многие годы изучение всех космических «посланцев», что падают на Землю, позволило выяснить, что, к примеру, метеориты содержат многочисленные органические молекулы, в том числе и аминокислоты, из которых состоят белки, в свою очередь, главнейшие компоненты ДНК.
Ежегодно, по данным исследователей, на нашу планету падает не менее 50 тыс. тонн метеоритов и различного «мусора» из открытого космоса, которые могут нести в себе буквально что угодно. Например, в 1984 г. марсианский метеорит ALH 84001, обнаруженный в Антарктиде, как выяснилось, содержит в себе окаменевшие останки микробов космического происхождения.
По гипотезе уже известного нам исследователя из Британии Теда Нилда, жизнь на планете Земля зародилась как раз по причине глобальных стихийных бедствий, а вызвала их «бомбардировка» из космоса. По версии Нилда, около полумиллиарда лет назад в космосе развалился или взорвался гигантский астероид. Куски его начали падать на Землю, и по этой причине как бы ускорилась эволюция жизни и могли возникнуть новые ее формы.
По мнению геохимика и специалиста по синтетической биологии Стивена Беннера, вполне возможно, что жизнь на нашей планете не возникла на самой Земле, а может быть родом с Марса. По его словам, в прошлом на Марсе были более благоприятные условия для возникновения органики, а в пользу теории о том, что жизнь зародилась не на Земле, говорит несколько фактов. К примеру, ученый указывает, что в эпоху зарождения жизни (примерно 3,5 млрд лет назад) Земля была покрыта горячей водой, которая бы разрушала ДНК и РНК.
Кроме того, по словам ученого, первые биополимеры должны были разделять каталитические свойства и способность хранить генетическую информацию, а это, по словам Беннера, очень плохо сочетается с тогдашними условиями на Земле.
Что касается Красной планеты, то на ней, говорит ученый, были более благоприятные условия. Во-первых, Марс был суше Земли, также на нем были распространены бор и молибден, которые, по словам Беннера, направили синтез «в нужное русло», и впоследствии жизнь на Землю была перенесена на метеорите.
Отметим, что в настоящее время действительно существуют метеориты, которые научный мир идентифицирует как марсианские. Всего их насчитывается как минимум три десятка, и это при том, что геологи обнаруживают только малую часть упавших на Землю объектов. В одном из таких метеоритов был обнаружен углерод, однако анализы полностью исключили его биогенное происхождение, а еще в одном было найдено 0,6 % воды!
Откуда мы взялись? Не из нефти ли?
Открытия нового научного направления – бактериальной палеонтологии – поражают воображение: жизнь могла зародиться внутри любой планеты, в том числе и Земли, а братья по разуму могут существовать и на дне наших океанов, и спать во льдах Антарктиды, и путешествовать во Вселенной в ледяном ядре кометы…
Может быть, нефть и была источником жизни
Сравнительно недавнее открытие американского ученого Джеда Клампета и профессора астрономии Томаса Голда повергло монументальную науку в шок: они считают, что все живое на Земле произошло из нефти, происхождение которой раньше связывалось с фитопланктоном – простейшими организмами, жившими в океане 300 млн лет назад. Геологи и биологи всегда считали, что глубоко под землей не может быть жизни из-за недостатка солнечного света и воздуха, а также чрезвычайно высоких температуры и давления. Но не так давно ученые обнаружили подземные бактерии, которые не нуждаются в свете и могут производить энергию химическим путем. Томас Голд полагает, что «наука пала жертвой теории, предполагающей, что раз мы живем на поверхности Земли, то на поверхности все и началось».
Профессор считает, что первые организмы зародились глубоко под землей и только по воле случая оказались снаружи, что в итоге привело к возникновению человека. Сердцевина Земли, по его мнению, со дня рождения планеты содержит почти неограниченное количество «ископаемого топлива». В доказательство Голд пробурил скважину в Швеции – стране, где нефти никогда не было и быть не могло, и на глубине 4 миль обнаружил углеводородное сырье. Нефть – превосходный источник для таких микробов, которые, как думают теперь ученые, проживают на огромных глубинах в течение миллиардов лет.
«Пока мы думаем, что жизнь возможна только на планетарных поверхностях, земные условия вполне можно назвать уникальными. Но если говорить о жизни, которая существует глубоко под землей, то наша планета довольно стандартна в этом отношении, и именно такая форма жизни может быть присуща всем планетам Вселенной», – считает сотрудник Астробиологического института НАСА Дэвид Ноэвер. Эту идею поддерживает и профессор генетики из Лондона Стив Джонес: «Там, внизу, имеется неизвестная Вселенная, которая уже произвела организмы с настолько странным метаболизмом (обменом веществ. – Примеч. ред.), что по сравнению с ними человек и гриб практически не отличаются друг от друга».
Согласно последним сообщениям, на Земле существуют микроорганизмы под названием Methanococcus Jannaschii, которые живут в океане при температуре минус 185 градусов по Фаренгейту и под давлением 3700 фунтов на квадратный дюйм, не нуждаясь в солнечном свете. Пока что найдено более 500 разновидностей таких микроорганизмов, но не исключено, что их гораздо больше.
Ученые из американского Института генома человека обнаружили, что две трети генов этих организмов не знакомы биологической науке. Это значит, что они составляют «отдельную магистраль ветви жизни». И эта неизвестная форма жизни на нашей планете составляет до 50 % всей биомассы Земли.
«Ихтиандры» могут использоваться для создания новых чистых источников энергии и даже очищать зараженные территории: некоторые из них выдерживают невероятно высокий уровень радиации. Если учитывать, что они живут на Земле более 3 млрд лет и прекрасно себя чувствуют даже в растворе сверхконцентрированной серной кислоты, то такая устойчивая форма жизни может существовать и на других планетах.
«Это открытие эквивалентно обнаружению новой Вселенной прямо у нас под носом, – считает ученый Иллинойского университета Карл Воес. – Если гомо сапиенс исчезнет с лица Земли вследствие какой-либо катастрофы, то эти микроорганизмы выйдут на сушу, чтобы покорить планету».
Следы жизни были обнаружены под толщей льда в Антарктиде. Ученых эта находка наталкивает на мысль, что подобная жизнь подо льдом может существовать и на других замороженных планетах. В течение 150 дней ученые грели и освещали микроскопические пылинки, просуществовавшие под ледяной двухметровой шапкой в течение миллиона лет, после чего они превратились в морские водоросли, которые даже сохранили способность к фотосинтезу.
Наличие живых бактерий в метеорите, найденном в 1996 г. в Антарктиде, также наталкивает на вывод, что эти микроорганизмы сегодня могут обитать на всех планетах Солнечной системы, а значит, и жизнь на Землю могла быть занесена извне.
Точку над «i» поставил Роберт Поред, один из авторов сенсационного научного сообщения: «Если метеорит или комета способны принести неповрежденные атомы углерода на поверхность Земли, то, вероятно, и другие органические соединения могут пережить подобное воздействие. А это значит, что именно космос обеспечил нашу планету теми материалами, из которых затем появилась жизнь».
Эти открытия зарубежных ученых комментирует директор Палеонтологического института, один из родоначальников нового направления в бактериальной палеонтологии Алексей Розанов:
– Остатки жизни, найденные американским ученым Мак-Кеем в 1996 г. в осколке метеорита, оказались цианобактериями, известными как сине-зеленые водоросли, которых полно и в земных водоемах. После этого открытия президент Клинтон лично отдал распоряжение переориентировать работу НАСА на биологический аспект освоения космоса.
Действительно, оказалось, что даже нефть образована цианобактериями, продуктивность которых настолько огромна, что ее хватит, чтобы создать все месторождения мира. Многие руды тоже образуются бактериальным путем!
Но цианобактерии живут там, где есть солнечный свет, они дышат. А это значит, что на их планетах должна быть атмосфера. Академик Иванов из Института микробиологии предполагает, что жизнь на Марсе есть: бактерии там живут под грунтом.
Экспедиция под руководством Сабида Обызова, организованная Институтом микробиологии, пробурив льды Антарктиды, обнаружила бактерии, которые «спали» уже 300 тыс. лет. Оттаяв, они ожили прямо в научной лаборатории! Значит, бактериям вполне под силу живыми пyтeшecтвoвaть на ядре кометы миллионы лет, пересекая гaлактики.
Растения и животные: где начало всех начал?
Зарождение первоначальной жизни
Земля сформировалась, вероятно, 4,5–5 млрд лет назад из гигантского облака космической пыли, частицы которой спрессовались в раскаленный шар. Из него в атмосферу выделялся водяной пар, а из атмосферы на медленно остывавшую Землю в течение миллионов лет в виде дождей выпадала вода. В углублениях земной поверхности образовался доисторический океан. В нем примерно 3,8 млрд лет назад зародилась первоначальная жизнь.
Имеется ряд гипотез о происхождении жизни на нашей планете. К примеру, одна из наиболее старых версий утверждает, будто жизнь принесена на Землю из космоса, однако бесспорных доказательств в ее пользу нет. Нужно еще учитывать то обстоятельство, что та жизнь, которую мы имеем, на удивление ладно привязана именно к земным условиям. И если она и возникла где-то вне нашей планеты, то на очень похожей, что называется, «земного типа». Подавляющее же большинство сегодняшних исследователей считают, что жизнь зародилась именно на Земле, а точнее, в ее морях. Но как возникла сама наша планета и моря на ней?
На этот счет имеется лишь одна общепринятая версия. Если верить ей, Земля образовалась из облаков космической пыли, которая содержала в себе все химические элементы, распространенные в природе, которые сжались в некий шар. С поверхности этого раскаленного докрасна шара поднимался горячий водяной пар, при этом покрывая его сплошной облачностью. В облаках водяной пар постепенно охлаждался и в виде обильных и постоянных дождей без перерыва лился на еще горячую, огненную планету. А когда попадал на ее поверхность, то вновь превращался в водяной пар и поднимался наверх, в атмосферу.
За тысячи и миллионы лет Земля лишилась такого количества тепла, что ее поверхность, состоявшая из жидкости, начала твердеть, постепенно остывая. Земная кора появилась именно таким образом.
Примерно 450 млн лет назад появились первые рыбы. Тело одной из древнейших – цефаласписа – было покрыто панцирной чешуёй, а голова – панцирем
Миновали миллионы лет, и Земля еще больше остыла. Бесконечные ливни прекратили испаряться и стали образовывать гигантские лужи. А затем, когда температура еще больше снизилась, начался подлинный потоп. Вода, которая раньше уходила в атмосферу и стала ее главной частью, бесконечно падала на Землю. Громы и молнии сопровождали теперь мощные ливни. Постепенно в наиболее больших угублениях земной поверхности стала накапливаться та вода, что уже не успевала испаряться. Так на планете образовался огромный протоокеан. Однако он не был никем населен. Жизни в нем пока что не было.
Непрекращающийся дождь принялся превращать горы в настоящую кашу. Вода текла с них и бурными реками, и мелкими ручьями. За эпохи водяные потоки избороздили до неузнаваемости земную поверхность и изменили ее внешний вид. Постепенно в атмосфере уменьшилось содержание воды, а на поверхности планеты ее накопилось очень много. Непроницаемый, казалось бы, облачный покров все истончался, и вот в один прекрасный день к Земле прорвался первый солнечный луч. Ливень, который вроде бы не кончался, наконец прекратился. К этому времени большую часть суши уже покрывал древнейший океан. Из верхних слоев этой суши вода вымывала гигантское количество растворимых минералов и солей, и все они уходили в море. Вода устремлялась наверх, превращаясь в облака, а соли оседали на дно, и со временем морская вода становилась соленой.
По-видимому, при каких-то существовавших в древности условиях образовались вещества, из которых возникли особые кристаллические формы. Они росли, как и все кристаллы, и давали начало новым кристаллам, которые присоединяли к себе все новые вещества. Солнечный свет и, возможно, очень сильные электрические разряды служили в этом процессе источником энергии. Может быть, из таких элементов зародились первые обитатели Земли – прокариоты, организмы без оформленного ядра, похожие на современных бактерий. Они были анаэробами, то есть не использовали для дыхания свободный кислород, которого тогда еще не было в атмосфере. Источником пищи для них служили органические соединения, возникшие на еще безжизненной Земле в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца, грозовых разрядов и тепла, образующегося при извержении вулканов. Жизнь существовала тогда в тонкой бактериальной пленке на дне водоемов и во влажных местах. Эту эру развития жизни называют архейской. Из бактерий, а возможно, и совершенно независимым путем возникли и крошечные одноклеточные организмы – древнейшие простейшие животные.
Они и сейчас составляют основу жизни в морях и пресноводных водоемах. Они так малы, что их можно увидеть лишь с помощью микроскопа. В капле воды из небольшого пруда их тысячи и тысячи. С этих простейших одноклеточных началось развитие всей животной жизни. В конце протерозоя, следующей эры после архея, 1000—600 млн лет назад, уже существовала довольно богатая фауна: медузы, полипы, плоские черви, моллюски и иглокожие.
От более простых по строению животных и растений, населявших море в конце протерозоя, не сохранилось следов. Можно только предполагать, что это были организмы, состоявшие только из мягких тканей, которые после смерти быстро полностью разлагались. Настоящих рыб в кембрии еще не было, но уже жили кишечнополостные, губки, ныне вымершие археоциаты, плоские и многощетинковые черви, улитки, каракатицы, раки и трилобиты. Последние походили на раков длиной до 10 см. Для того времени это были настоящие гиганты, крупнее всех других существ. (На суше в то время жизни еще не было.) В конце кембрия, очевидно, уже появились первые хордовые, похожие на современных ланцетников. В течение последующих миллионов лет животные постепенно изменялись, и в следующем геологическом периоде – силуре, начавшемся 500–400 млн лет назад, кроме многочисленных трилобитов на морском дне появились новые обитатели – морские скорпионы.
В толще вод силурийского моря пассивно дрейфовали одноклеточные организмы и медузы. А по морскому дну ползали ракообразные и трилобиты, черви и животные, защищенные раковинами, например двустворчатые моллюски и улитки. Плавать могли лишь очень немногие из них. Даже первые позвоночные, внешне уже напоминавшие рыб, обитали на морском дне. В силуре в морях и пресных водах появились и странные «рыбы» – без челюстей и парных плавников. До наших дней дожили их родственники – миксины и миноги. В силурийский период уже появились первые настоящие рыбы. У этих похожих на акул пловцов было обтекаемое, покрытое панцирем тело, плавники, рот с подвижной челюстью, напоминавшей клюв и усаженной острыми зубами. Примерно 450 млн лет назад, в силуре, появились первые позвоночные животные – рыбы. Тело одной из древнейших – цефаласписа – было покрыто панцирной чешуей, а голова – костным панцирем. По-видимому, цефаласпис был плохим пловцом. За миллионы лет в том же геологическом периоде развились два больших класса рыб – хрящевые и костные (двоякодышащие, кистеперые и лучеперые). И хрящевым, то есть имеющим хрящевой скелет, относятся акулы и скаты. В отличие от них, скелет костных рыб частично или целиком состоит из костной ткани. К костным относятся почти все хорошо знакомые нам промысловые рыбы: сельдь, камбала, треска и скумбрия, карп, щука и многие другие. Всего на Земле в наши дни насчитывается 20 тыс. видов рыб, и населяют они не только моря, но и другие водоемы.
400 млн лет назад силур сменился девонским геологическим периодом, который длился около 60 млн лет. Тогда на суше появились первые растения – лишайники, которыми зарастали увлажненные берега водоемов. В течение девона от них произошли другие формы, в том числе и первые высшие растения – папоротники и хвощи. Кроме того, если прежде все животные дышали лишь кислородом, растворенным в воде, то теперь некоторые из них научились извлекать его из воздуха. Эти первые сухопутные животные – тысяченожки, скорпионы и бескрылые примитивные насекомые, вероятно, обитали поблизости от воды. Предком всех сухопутных позвоночных животных была кистеперая рыба с похожими на лапы грудными и брюшными плавниками. Постепенно у кистеперых рыб развились настоящие верхние и нижние конечности, и с течением времени появились земноводные (амфибии) и пресмыкающиеся (рептилии).
