Марк Мосевицкий - Распространненость жизни и уникальность разума?
Глава IV. Первые проявления жизни на Земле; Жизнь имеет земное или внеземное происхождение?
4.1. Палеонтологические и физико-химические данные о времени появления на Земле клеточных форм жизни
Возраст самых древних минералов на Земле 3800–3900 миллионов лет. К ним относятся уже образовавшиеся к тому времени в морях и океанах осадочные породы, а также более древние минералы, которые подвергались плавлению (претерпевали метаморфизм), но как бы заново рожденные в указанный период и позже серьезному метаморфизму не подвергавшиеся. Выходы древнейших пород обнаружены на разных континентах: в Австралии, Южной Африке, Гренландии, Восточной Сибири. К настоящему времени самые ранние отпечатки, которые с большой долей уверенности можно приписать клеточным организмам, обнаружены Дж. Шопфом в осадочных породах Северо-Западной Австралии, Южной Африки и Гренландии, возраст которых достигает 3.5 млрд лет (Schopf, 1993, 2006; Schopf and Packer, 1987). Естественно, эти отпечатки являются наименее сохранившимися и часто находятся на грани признания их биологического происхождения (см. Раздел 5.1). Тем не менее, общий вывод достаточно определенный: отпечатки принадлежат даже не примитивным (ранним) клеткам, а сложно организованным клеткам современного типа. Этот вывод становится еще более убедительным при прямом сопоставлении самых ранних отпечатков (возраст около 3.5 млрд лет) с более поздними (возраст 2–2.5 млрд лет) и, соответственно, лучше сохранившимися отпечатками. Обнаружены также столь же древние минералы, по составу и структуре весьма похожие на строматолиты и ныне производимые на мелководье колониями цианобактерий. Всего выявлено не менее 11 морфологических форм ранних микроорганизмов, как отдельных клеток круглой и вытянутой формы, так и клеток, организованных в форме цепочек (Schop and Barghoorn, 1967; Engel et al., 1968; Walsh and Lowe, 1985; Walsh, 1992; Schopf, 1993, 2006; Rasmussen, 2000; Shen, 2001; Tice and Lowe, 2004; Ueno et al., 2006). Некоторые ранние отпечатки показаны на Рис. 2. Присутствие 3.5 млрд лет тому назад такого разнообразия форм клеток свидетельствует, что жизнь на Земле зародилась существенно раньше (Awramik, 1992, см. также раздел 5.1).
Однако в породах, еще более древних, окаменелостей, которые можно было бы принять за клетки, не обнаружено. Не исключая такие находки в будущем, отметим, что существует непрямой способ обнаружения в минералах материала биологического происхождения. Он основан на том, что соотношение изотопов ряда элементов в молекулах, произведенных живой клеткой, отличается от такового в неживой природе в сторону повышения доли легкого изотопа. В частности, при изотопном анализе углерода в биологических молекулах обнаруживается относительное увеличение доли 12С по отношению к 13С. Дефицит 13С (513С) составляет 30–50%о. Однозначного объяснения этому явлению нет. Полагают, что оно обусловлено некоторым преимуществом при проникновении в клетку молекул-предшественников, в составе которых присутствует легкий изотоп, С учетом сказанного масс-спектрометрический микроанализ был применен к карбонатным включениям (керогенам), присутствующим в выходах древнейших пород в Гренландии, возраст которых превышает 3.85 млрд лет (Schidlowski, 1992; Mojzsis et al., 1996; Holland, 1997; Ueno et al., 2002). Было установлено, что дефицит 13С в этих керогенах достигает 40–50 %. Это практически полностью подтверждает биологическое происхождение керогенов. Таким образом, жизнь на Земле уже существовала 3.85 млрд лет тому назад. Однако ввиду того, что отпечатки самих клеток в этих породах не сохранились, ничего нельзя сказать об их морфологии, а следовательно, об их принадлежности известным или неизвестным видам клеточных организмов. Единственное, что можно утверждать, и это очень важно, что граница появления жизни на Земле отодвигается за черту 3.85 млрд лет. С другой стороны, достаточно обоснованные данные свидетельствуют о том, что только в этот период земная кора окончательно затвердела и океаны вернулись в свои ложа после массированной астероидной атаки, продолжавшейся свыше 100 млн лет (Holland; 1997; Chyba, 1993). Считается, что перед этим в условиях расплавленной коры и испарившихся океанов жизнь была невозможна (принято говорить, что Земля была стерильна). Следовательно, жизнь проявилась практически одновременно с созданием для нее приемлемых условий (Davies and Lineweaver, 2005). При доступной в настоящее время точности датировок вполне можно допустить зазор в 10–50 млн лет между установлением на Земле температурного режима, приемлемого для инициации и развития процессов, необходимых для возникновения жизни (100 °C и ниже), и реальным ее появлением. При этом речь идет о клетках не обязательно современного типа, но уже осуществляющих селекцию изотопов углерода. Мнения ученых резко разделились.
Рис. 2. Предполагаемые отпечатки (окаменелости) ранних клеток на Земле (возраст 3.5–3.2 млрд лет).
А-В. «Нитчатые» (filamentous) микроокаменелости. Г. Сфероидная микроокаменелость (Schopf, 1993; Schopf et al., 2007). Д. Сфероидная микроокаменелость (Barghoorn, 1971). Е. Слоистый минерал, по химическому составу и структуре соответствующий строматолитам, которые образуются при участии колоний микроскопических водорослей; возраст более 3.4 млрд лет. Ж. Фрагмент богатого углеродом слоя строматолита с отпечатком похожей на микроорганизм нитчатой структуры (Tice and Lowe, 2004). З. Микроокаменелость предположительно нитчатой бактерии (или группы палочкообразных бактерий) (Walsh and Lowe, 1985). И. Микроокаменелость предположительно группы нитевых бактерий термофильных хемотрофов (Rassmussen, 2000). А-Г, И – материал из скважин, пробуренных в Западной Австралии, Д-З – в Южной Африке. Размеры микроокаменелостей 20-100 микрон.
Лазкано и Миллер (Lazcano and Miller, 1996) выступили с утверждением, что вся эволюция до появления активно метаболировавших клеток не только могла, но должна была уложиться в сжатые сроки. В противном случае, утверждают авторы, деструктивные процессы взяли бы верх. Особое значение авторы придают выходам раскаленной лавы из трещин и кратеров на дне океана. По их расчетам, все содержимое мирового океана “пропускается” через эти сильно разогретые придонные области за 11 млн лет. При этом органические вещества разрушаются. Авторы полагают, что от начала химической эволюции до появления автономных самовоспроизводящихся структур могло пройти не более 10 млн лет. Сформировавшиеся организмы были способны выбрать себе определенные зоны обитания и закрепиться там, исключив себя таким образом из пассивного круговорота. Однако эта аргументация выглядит явно недостаточной. Трудно оценить, сколько вариантов молекулярных конгломератов было перебрано, прежде чем возникли структуры (примитивные клетки), оказавшиеся способными к самовоспроизведению в неограниченном количестве циклов, т. е. была запущена линия жизни, продолжающаяся до сих пор.
С другой стороны, многие исследователи полагают, что срок 10–50 млн лет недостаточен для осуществления всех этапов становления жизни, т. е. для образования 3.85 млрд лет тому назад клеточных структур, способных к регулярному самовоспроизведению.
Столь же малореальным представляется срок около 300 млн лет, отпущенный для эволюционного превращения ранних клеток в клетки современного типа, появившиеся не позже 3.5 млрд лет тому назад, когда их присутствие подтверждено палеонтологическими данными (см. выше в этом разделе). В настоящее время отсутствуют данные, которые позволили бы с уверенностью судить об этом вопросе. Остается неясным, сколько времени прошло в действительности от образования примитивных клеток до освоения ими высокоэффективной энергетики в форме хемосинтеза, фотосинтеза и окислительного фосфорилирования, до разработки сохранившегося поныне генетического кода, до создания сложных молекулярных комплексов (фабрик), осуществляющих высокоскоростной почти безошибочный синтез ДНК, РНК, белков, липидов, других структур, уже свойственных ранним клеткам современного типа (бактериям).
В качестве аргумента против возможности осуществления всего вышесказанного за указанный, казалось бы, значительный срок можно напомнить (и это уже документировано палеонтологическими находками), что клетки, подобные современным эукариотическим (ядерным) клеткам, появились почти через 2 млрд лет после того, как образовались бактерии. Однако новые структуры и функции, свойственные современным эукариотическим клеткам, отличающие их от бактерий, (цитоскелет, ядерная мембрана, ядерный матрикс, сложная организация хромосом, упорядоченные клеточные циклы и др.), хотя и являются весьма значимыми приобретениями, представляются по эволюционным меркам существенно менее масштабными по сравнению с отмеченными выше базовыми процессами и структурами, свойственными уже бактериям. При этом следует иметь в виду, что свои энергетические производства – митохондрии и хлоропласты – эукариоты приобрели благодаря поглощению бактерий и сохранению их в качестве органелл (эндосимбиоз). Более того, установлено, что значительное количество хромосомных (ядерных) генов также перенято эукариотами у бактерий (см. параграф 5.3.2). Эти прямые заимствования существенно облегчили формирование эукариотических клеток, которые, судя по отпечаткам, имели все признаки их современных потомков. И, тем не менее, этот процесс, как сказано выше, занял 2 млрд лет. Поэтому 300 млн лет как максимальный срок эволюционного приобретения базовых качеств, присущих современным клеткам, также кажется недостаточным.
