Ред. Галимов Э.М. Проблемы ЗАРОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ

Оглавление

Предисловие

По определению биосфера – геологическая оболочка Земли, населенная живыми организмами. Поэтому проблема зарождения и эволюции биосферы – есть проблема прежде всего геологическая. Современные геологические проблемы давно уже не решаются классическими методами наблюдений и опробования. Они решаются средствами физики, химии, биологии и математики. Именно такой многодисциплинарный подход был изначально положен в основу выполнения программы, названию которой отвечает название этой книги.

Программа возникла в 2003 году, когда, после нескольких лет совершенно бедственного положения науки в стране, Академия наук получила небольшие средства и Президиум Российской академии наук направил их на целевое финансирование ряда исследовательских программ. Одной из них стала Программа N 18 Президиума РАН "Проблемы зарождения и эволюции биосферы" (первые два года она имела номер 25). Так сложилось, что организационно она подразделилась на две подпрограммы. В первую входили преимущественно академические институты Москвы и Санкт-Петербурга, во вторую – преимущественно институты Сибири, Урала и Дальнего Востока.

Координаторами подпрограммы N 1 были назначены академики М.В.Виноградов и Э.М.Галимов. К великому сожалению, выдающийся биолог, один из главных инициаторов Программы Михаил Евгеньевич Виноградов в мае 2007 года ушел из жизни. Был избран совет подпрограммы: академики В.В.Адушкин, В.Т.Иванов, М.Я.Маров, Ю.В.Наточин, М.А.Семихатов, М.А.Федонкин, члены-корреспонденты С.Д.Варфоломеев, Л.А.Грибов, профессора А.Л.Верещака, А.А.Кадик, О.Г.Сорохтин. В работе принимали участие более 30 научных групп из 15 академических институтов: Института геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского, Института биохимии им.А.Н.Баха, Геологического института, Института биоорганической химии им.М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова, Института океанологии им.П.П.Ширшова, Института прикладной математики им М.В.Келдыша, Института физиологии и биохимии им.И.М.Сеченова (С.-Петербург), Института биохимической физики им.Н.М.Эмануэля, Института проблем машиностроения (С.-Петербург), Института геологии Карельского научного центра и др.

По тематике Программы ежегодно проводились конференции, в том числе с международным участием (в С.-Петербурге в 2006 году и Терсколе в 2007 году).

В этой книге представлены работы, которые поддерживались финансово Программой N 18 (подпрограмма N 1) Президиума РАН. Конечно, в течение последних лет были выпущены многие десятки статей, несколько монографий, в которых были опубликованы результаты, полученные в ходе работ по Программе. Поэтому этот сборник нельзя назвать итоговым собранием всех выполненных работ. Тем не менее содержание его отражает наиболее заметные результаты, структуру, идеологию и основные направления исследований.

Книга состоит из пяти глав. Многие вошедшие в нее работы обсуждались в ходе их выполнения, рассматривались на конференциях и семинарах. Поэтому книгу скорее следовало бы рассматривать не как сборник отдельных статей, а как коллективную монографию, написанную с участием более 120 авторов.

Ключевое место занимает проблема происхождения жизни. Что такое жизнь и можно ли понять ее зарождение и развитие, оставаясь в пределах известных нам законов физики и химии? Значительное число работ посвящено экспериментальным исследованиям по синтезу органических соединений, значимых для предбиологической эволюции, в том числе фотоактивных систем. Особенностью построения нашей программы было рассмотрение проблемы происхождения жизни в контексте зарождения и эволюции Солнечной системы, начиная с допланетной стадии и включая события ранней истории Земли. Последняя глава объединяет работы, отражающие современные проблемы и подходы к исследованию разных сторон биологической эволюции.

Программные исследования в отличие от инициативных исследований по определению выполняются ведущими коллективами под руководством ведущих ученых соответствующих направлений. Поэтому можно говорить о том, что эта книга в затронутых вопросах отражает позицию Российской научной школы. В отдельных случаях эта позиция расходится с западными парадигмами. Это касается, например, "мира РНК", роли АТФ, гипотезы "мегаимпакта" в происхождении Луны, теории аккумуляции планет и др. Высказано много новых идей. Представленные работы подвергались тщательному рецензированию. Книга публикуется по постановлению Совета Программы N18 (Подпрограммы N1).

Что такое жизнь? Вместо введения (Э.М.Галимов)

Не существует общепринятого определения понятия жизнь. Энциклопедия Britannica дает следующее определение – "состояние материального комплекса или индивидуума, характеризующееся способностью выполнять определенные функциональные действия, включая метаболизм, рост, воспроизведение и некоторые формы реагирования и адаптации". Энциклопедия, однако, признает, что этими свойствами могут быть наделены и искусственно созданные механизмы. Часто цитируемое определение, принадлежащее Франсуа Джекобу – "живые организмы представляют собой объекты, где встречаются три потока: вещества, энергии и информации", – подходит и к токарному станку с программным управлением.

По-видимому, нельзя определить жизнь через свойства или состояния живых организмов и систем. Принципиальное различие организма и машины состоит не в различии их свойств, а в их предшествующей истории. Поэтому предпочтительны определения жизни, включающие участие фактора эволюции. Например, известный американский биолог Джерри Джойс дает следующее определение, разделяемое многими исследователями: "Жизнь это система саморегулирующихся молекул, которая способна подвергаться дарвиновской селекции и эволюции". Однако дефиниция обычно содержит наблюдаемую характеристику без ее интерпретации. Например, "дарвиновская селекция" или какой-то иной механизм эволюции – это вопрос интерпретации явления, а не его характеристика. Очевидной и наиболее общей характеристикой жизни является наблюдаемое возрастание упорядочения вовлеченного в процессе жизнедеятельности материала, как в течение жизни индивидуума (онтогенезе), так и в течение всей истории эволюции жизни, начиная с ее зарождения миллиарды лет назад. Де Дюве (de Duve) с юмором отметил: "жизнь это то, что является общим для всех живых существ". Между тем в сказанном есть большой смысл. Наиболее общим является то, что в своей основе они представляют соединения углерода. Из всех химических элементов только углерод обладает набором химических свойств, обеспечивающих строение и функции живых организмов, включая биополимерные структуры, ферментативный катализ и способность к репликации.

Отсюда наиболее общим определением жизни мне представляется следующее: жизнь – это явление возрастающего и наследуемого упорядочения, присущее при определенных условиях химической истории соединений углерода. В этом сборнике представлены работы, раскрывающие это определение.

В науке и обществе были и сохраняются до сих пор разные мировоззренческие позиции в отношении сущности и происхождения жизни. Сложное, не похожее на объекты неорганического мира, поведение живых существ, наличие у высших организмов самосознания порождали представления о том, что жизнь нельзя объяснить только в рамках физических и химических законов, что существует некая жизненная сила ("vital force"), управляющая процессами в организме. Это направление мысли, названное витализмом, не получило подтверждения в науке.

В 1859 г. Ч.Дарвин опубликовал свой знаменитый труд: "Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение избранных рас в борьбе за жизнь". Эта работа оказала огромное влияние на естественно-научное мышление в последующие полтора столетия. Д.Денет, пожалуй, наиболее ярко определил современный рейтинг дарвинизма: "Если бы я присуждал награду за когда-либо и кем-либо выдвинутую наилучшую идею, я бы отдал ее скорее Дарвину, чем Ньютону, Эйнштейну или кому-либо еще. В одной строке идея эволюции путем естественного отбора связывает воедино область понятий жизни, причины и следствия, механизма и физического закона".

Дарвинизм предлагает естественный механизм превращения случайных изменений в направленный процесс эволюции. Отпадает необходимость постулирования заданной целесообразности, изначального замысла, неизбежно связанного с идеей Творца. Указывается способ, которым "слепая" природа эволюционирует от простого к сложному, действуя как бы против течения, предписываемого общим законом развития материи. Дарвиновская теория была изложена почти одновременно с введением понятия энтропии и формулировкой Клаузиусом второго закона термодинамики. Следует уточнить, что дарвиновский отбор не тождественен понятию отбора вообще. В биологии Ламарк, еще до Дарвина, развивал представления о естественном отборе и адаптации как движущей силе эволюции. Суть дарвиновского учения состоит в том, что случайные изменения, будучи подвергнуты проверке отбором, распространяются на всю популяцию и становятся новым шагом в эволюции, если они обеспечивают преимущества их носителям в конкурентной борьбе за выживание. В той мере, в какой Дарвиновская концепция применяется к явлениям адаптации и биологического разнообразия, она справедлива и подтверждается многочисленными наблюдениями. Но как общая теория эволюции она сталкивается с трудностями. Эти трудности в конечном счете проистекают из того, что дарвинизм не является теорией упорядочения, а естественный отбор не является фактором упорядочения. Поэтому, в частности, дарвинизм оказывается непродуктивным применительно к объяснению происхождения жизни. К понятию упорядочения обращались в разной интерпретации И.Пригожин, М.Эйген, С.Кауффман.

Открывшаяся в результате успехов молекулярной биологии исключительная сложность и видимая целевая предназначенность молекулярных механизмов, не находящая правдоподобного объяснения в рамках дарвинизма, – механизмов, как бы спроектированных в соответствии с неким замыслом, привела к возрождению теологических концепций: "дизайнера", "творца" и т.п. Вообще, противоречие между основополагающей для науки идеей о принципиальном отсутствии внешнего замысла и цели в развитии материального мира и очевидным присутствием цели в мире живых существ Жак Моно (J.Monod) назвал "глубоким эпистемологическим противоречием, с которым фактически связана основная проблема биологии". В действиях даже самых примитивных организмов присутствует цель, не говоря уже о поведении разумных существ. Если цель (замысел) присутствует в природе, то почему не допустить присутствие изначального замысла?

Считается, что коренное различие между научным и религиозным миропониманием состоит в том, что научное утверждение требует доказательств, а религиозное принимается на веру. Нужно заметить, однако, что в основе всех фундаментальных наук лежат принятые на веру утверждения – аксиомы. Всем известны аксиомы евклидовой геометрии. Закон Кулона – тоже аксиоматическое обобщение наблюдений. Если его дополнить одним из законов, охватывающих магнитные явления, приняв его за аксиому, то, основываясь на них, можно логически вывести всю теоретическую электродинамику. Закон сохранения энергии также ни из чего не выводимм. Мы в него верим. Второй закон термодинамики, утверждающий, что развитие любой изолированной системы всегда ведет к деградации и установлению наиболее примитивного равновесного состояния, – это также аксиоматическое утверждение, не выводимое в рамках термодинамики. Главным свойством научных аксиом в отличие от религиозных верований является то, что выводы, предсказанные на их основе, отвечают наблюдениям, и эти наблюдения воспроизводимы. Но на вопрос, почему имеет место данная аксиома, нам нечего ответить, кроме того, что "так устроен мир". С равным правом можно сказать: "так устроил бог". Существуют явления, несводимые, или которые мы не умеем сводить, к установленным в науке законам. Например, почему известные нам физические константы имеют именно эти значения, а не иные? Что означает конечность или бесконечность Вселенной? В ответах на эти вопросы у науки нет преимущества перед религией, Наука не может претендовать на истину там, где она не может предложить свойственные ей доказательные и проверяемые утверждения. Способна ли наука объяснить феномен жизни, т.е. свести объяснение явления возрастающего упорядочения к известным законам, или это требует введения новой аксиомы, иначе говоря, признания того, что "так устроил бог"?

Мы должны согласиться с тем, что вопрос о происхождении жизни затрагивает способ мышления и мировоззренческие позиции людей. Попробуем, однако, искать ответ, просто исследуя физику явления.

Я полагаю, что жизнь как явление может быть вполне адекватно описана в рамках определенной интерпретации известных законов природы. Этому посвящена моя статья в первой части сборника, которая написана в развитие концепции, изложенной в опубликованной ранее книге "Феномен жизни". Суть ее состоит в том, что в пределах любой изолированной системы наряду с доминирующей тенденцией к разупорядочению может иметь место устойчивое возрастание упорядочения, при условии, что процессы упорядочения и разупорядочения микроскопически сопряжены, что они составляют стационарную систему и что имеется источник энергии, поддерживающий стационарное состояние. Предполагается, что ключевую роль в этом процессе, с предбиологического времени до сегодняшнего дня, играла молекула аденозитрифосфата (АТФ).

Целевое поведение вполне совместимо с представлением о происхождении и развитии жизни как объективного природного процесса, если стоять на почве вышеприведенного определения жизни как эволюционирующего упорядочения. Целевое поведение налагает ограничение на свободу поведения. Ограничение степеней свободы есть не что иное, как упорядочение. Поэтому присущие живым организмам действия в соответствии с целью являются проявлением одной из форм упорядочения, которое может быть структурным, поведенческим, системным.

События упорядочения, сопряженные с разупорядочением, повсеместно встречаются в природе, как в органическом, так и в минеральном мире. В неорганическом мире, однако, эволюция упорядочения не может пройти слишком далеко. Напротив, в мире органических соединений упорядочение может развиваться в течение миллиардов лет. Это обусловлено уникальными свойствами определенных соединений углерода.

Такими соединениями являются аминокислотные цепочки (пептиды), являющиеся главными агентами процесса упорядочения, и цепочки нуклеотидов, являющиеся главными агентами воспроизводства пептидов и, следовательно, наследуемого развития упорядочения.

Еще раз подчеркнем, что жизнь, достигшая невероятной степени упорядочения на Земле, могла развиться только на базе уникальных свойств химии углерода. Л.А.Грибов и В.И.Баранов (Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского РАН) в этом сборнике рассматривают еще один аспект. Они показывают, что жизнь могла развиться только на основе молекулярных систем. Только они обладают достаточной информационной емкостью.

Катализатор, кристаллическая подложка ограничивают характер взаимодействий и селективно предопределяют тот тип реакций, который возможен в поле их локального влияния. Образование или включение катализатора в систему всегда есть акт системного упорядочения.

Особенностью развития живой материи является то, что упорядочение происходит на микроскопическом уровне, а путем размножения переводится на макроскопический уровень. Этот принцип действует на всех иерархических уровнях: клетка – многоклеточный организм, индивидуум – популяция. Это определяет, с одной стороны, устойчивость системы, с другой – изменчивость.

С.Д.Варфоломеев с сотрудниками (Институт биохимической физики) представили работу, в которой они изучили экспериментально процесс каталитической селекции микромолекул в условиях термоциклирования и рассматривают значение этого процесса в предбиологической эволюции.

Концепция упорядочения дает новую интерпретацию понятию генетический код. На этом я также остановлюсь чуть подробнее при кратком изложении концепции упорядочения в специальной статье в этом сборнике. В.А.Дементьев (Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского РАН) разработал компьютерную программу, имитирующую процесс упорядочения. Одной группе частиц были приписаны свойства аминокислот и способность к упорядочиванию, другой – свойства нуклеотидов и способность к репликации. При задании определенным образом общего вектора к упорядочиванию, исследовался вопрос, в состоянии ли система обнаружить в качестве оптимального пути развития установление соответствия между "аминокислотами" и "нуклеотидами", т.е. установление генетического кода. Соответствующая статья публикуется в этом сборнике.

Ряд глубоких теоретических и экспериментальных работ, связанных с анализом путей синтеза АТФ и других структур, выполнен в Институте биоорганической химии РАН В.Н.Бовиным с сотрудниками (И.В.Михура и др., А.А.Чинарев и др.). Отдельные стороны синтеза АТФ обсуждаются в работах О.С.Неделиной с соавторами (Институт биохимической физики РАН) и В.М.Лупатова с соавторами (Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского РАН).

Немаловажное значение для логической замкнутости АТФ-модели имеет вопрос о механизме фосфорилирования, т.е. восстановлении работоспособности АТФ в качестве источника энергии в стационарной системе. Этот вопрос был исследован М.С.Крицким с сотрудниками, и найдено, что имеет место простой и эффективный механизм фотофосфорилирования АДФ. Соответствующая статья помещена в этом сборнике (Крицкий и др., Институт биохимии им.А.Н.Баха).

Процесс возникновения и эволюции жизни можно подразделить на три этапа (рис.1). На первом происходит накопление разнообразных органических соединений, образующихся во многих процессах на Земле или привносимых на ее поверхность из космоса. На этом этапе еще нет эволюции. Это – доэволюционный этап, он представляет просто формирование химической среды. Начиная с опытов С.Миллера и Г.Юри в пятидесятые годы, усилия многих исследователей, обращавшихся к проблеме происхождения жизни, были сосредоточены на синтезе органических соединений, которые могли бы иметь предбиологическое значение.

Подобные эксперименты не потеряли своего значения и теперь. Они помогают конкретизировать условия и обстановки, в которых могла зародиться жизнь. Во II главе этого сборника помещены статьи ряда авторов, проводивших исследования в этом направлении (Е.А.Кузичева с соавторами, Институт цитологии РАН, С.-Петербург; М.В.Герасимов и Э.Н.Сафонова, Институт космических исследований РАН; И.Ю.Зецер с соавторами, Институт динамики геосфер РАН). Интересные репликативные возможности стэкинг-агрегатов нуклеатидов продемонстрированы В.Л.Рапопортом с соавторами (Институт физики им.В.А.Фока, С.-Петербург).

Сегодня хорошо известно, что органические соединения могут возникать в разных процессах и условиях: электрическом разряде, гидротермах, в вулканических газах, под действием радиоактивности и т.д. Они могли быть также доставлены на Землю в составе комет, метеоритов, межзвездных частиц, где обнаружены самые разнообразные, в том числе достаточно сложные, органические соединения.

Собственно предбиологическая эволюция начинается с упорядочения органических структур, при ключевой, как мы полагаем, роли АТФ, и включает формирование полимеров, способных к катализу и репликации, появление посредника между структурой пептидов и нуклеотидов типа транспортной РНК (т-РНК) и в конечном счете формирование генетического кода. С возникновением генетического кода завершается стадия предбиологической эволюции и начинается собственно эволюция жизни.

Основой жизненных процессов является клетка. Живой организм начинается с клетки. В понятие живого не включаются вирусы и другие организованные структуры (компоненты), если они не способны самостоятельно функционировать. Для живого организма характерны фазовая обособленность, способность к самовоспроизведению, рождение и смерть, функционирование посредством обмена веществом и энергией с окружающей средой, способность к изменчивости и адаптации, способность воспринимать информацию (сигналы) в разной форме и способность реагировать. Между клеткой и ее окружением происходит непрерывный обмен веществ (метаболизм), являющийся одной из важных характеристик живого организма. Созидательные процессы в клетке требуют притока энергии и вещества.

А.И.Опарин в 20-е гг. прошлого века впервые предложил научно обоснованную концепцию происхождения жизни, подчеркнув значение фазово-обособленных структур, способных к делению и размножению. Он назвал их коацерватными каплями в "первичном органическом бульоне". Молекулярные структуры и механизмы, которые могут сегодня рассматриваться как присущие этапу предбиологической эволюции, тогда не были известны и осознаны.

Простейшие одноклеточные организмы представлены прокариотами, эвкариотами и археями, различающимися внутриклеточной организацией. Человеческий организм содержит 10¹⁴ клеток. Человеческие клетки во многих основных аспектах подобны тем, что образуют другие животные и растения на Земле.

Организм представляет собой систему, находящуюся вблизи стационарного состояния. Поддержание стационарного состояния требует притока энергии. Эволюция привела к версификации источников энергии. Фотоавтотрофы и хемоавтотрофы потребляют энергию соответственно света и неорганических соединений. Возникли организмы, называемые гетеротрофами, для которых источником энергии служит окисление органических веществ (пищи), поставляемых, как правило, другими организмами. Во всех случаях, однако, утилизация энергии осуществляется посредствам АТФ.

Надо полагать, что солнечный свет служил основным источником энергии в становлении как предбиологических, так и первых биологических систем. Исследованию фотоактивных систем посвящены работы Г.Г.Комисарова с сотрудниками, выполненные в Институте биохимической физики им Н.М.Эммануэля РАН (И.А.Наговицин и др.; А.В.Лобанов и др.; В.А.Илатовский и др.).

М.А.Федонкин (Институт Палеонтологии РАН и Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского) исследовал особую роль водорода в формировании энергетической основы жизни, становлении и эволюции метаболических систем.

Анализ проблемы зарождения жизни и возникновения биосферы требует в качестве обязательной предпосылки реконструирование обстановки, в которой эти процессы могли развиться. К сожалению, мы очень мало знаем о ранней истории Земли.

Мы не знаем достоверно, каков был состав древней атмосферы, существовал ли океан, если да, то каков был его облик и солевой состав, каким образом он возник. Неизвестно, существовала ли земная кора, если да, то какими породами она была сложена. Каков был температурный режим ранней Земли? Незнание этих фундаментальных фактов геологической истории является поразительным на фоне современного понимания весьма тонких подробностей строения вещества на уровне атомов, элементарных частиц и т.п. Мне думается поэтому, что уже в первые десятилетия этого века должны быть сделаны прорывные шаги в направлении реконструкции событий ранней истории Земли.

Может показаться неожиданным, что среди этих фундаментальных вопросов геологической истории Земли ключевое место занимает проблема происхождения Луны. Во-первых, в зависимости от того, как образовывалась Луна – совместно с Землей или в результате гигантского удара после аккреции Земли, – совершенно по-разному должна была сложиться обстановка на Земле в первые сотни миллионов лет. Во-вторых, на Земле не сохранились материальные свидетельства первых 500–600 млн лет ее истории. Они стерты последующими геологическими процессами (за исключением отдельных зерен циркона с возрастом, превышающим 4 млрд лет). А на Луне имеются породы, возраст которых (около 4,5 млрд лет) приближается ко временам возникновения Земли. Поэтому путь к реконструкции ранней истории Земли лежит через изучение Луны, в первую очередь через понимание ее происхождения.

Состояние этого вопроса я рассматриваю в отдельной статье, помещенной в этом сборнике (глава III). В настоящее время доминирующей является гипотеза мегаимпакта, согласно которой Луна образовалась в результате столкновения Земли с огромным телом, размером с планету Марс. Это предполагает катастрофическое развитие событий на ранней Земле, сопровождаемое образованием расплавленного океана магмы, испарением и, скорее всего, полной утратой первичной газовой и водной оболочки и т.п. Эта гипотеза обнаруживает, однако, ряд существенных слабостей при геохимическом рассмотрении. Ей может быть противопоставлена развиваемая нами гипотеза образования Луны в результате коллапса пылевого сгущения, одновременно и параллельно с Землей. Понятно, что это предполагает совершенно иные предпосылки для реконструкции условий зарождения биосферы.

Исследование динамики коллапса протопланетного сгущения, которое могло бы привести к формированию системы Земля–Луна, мы начали в сотрудничестве с Т.М.Энеевым и А.В.Забродиным из Института прикладной математики РАН, а затем с группой А.М.Кривцова из Института механики в Санкт-Петербурге. В дни, когда я дописывал эти строки, умер член-корреспондент РАН А.В.Забродин. В прошлом году мы потеряли доктора Ю.И.Сидорова, также участника нашей работы. Исследование динамики формирования системы Земля–Луна, соответствующей нашей модели, приведено в работах: Галимов Э.М. О происхождении вещества Луны // Геохимия. 2004. 691–706; Галимов Э.М., Кривцов А.М., Забродин А.В., Легкоступов М.С., Энеев Т.М., Сидоров Ю.И. Динамическая модель образования системы Земля–Луна // Геохимия. 2005. 1139–1150). В данном сборнике публикуется также статья Ле-Захарова и А.М.Кривцова (Институт проблем машиноведения РАН, С.-Петербург), в которой рассмотрены некоторые теоретические аспекты модели.

Предложенная нами модель позволила объяснить главную особенность системы Земля–Луна: гораздо меньшее содержание железа в составе Луны по сравнению с Землей, а также относительную обедненость Луны летучими и обогащенность тугоплавкими элементами при совпадении изотопных составов Земли и Луны. В то же время модель образования Луны и Земли (точнее, их зародышей) из протопланетного сгущения требовала пересмотра принятой концепции образования планет за счет аккумуляции планетезималей. Возник вопрос, может ли первичная эволюция протопланетного облака идти не по пути (или не только по пути) роста твердых образований сначала метрового, потом километрового и стокилометрового размера, как предполагала принятая модель Шмидта–Сафронова–Каулы–Везерилла, но и по пути аккумуляции и роста крупных пылевых сгущений, возможность чего в свое время рассматривалась в моделях Гуревича–Лебединского и Энеева–Козлова. Для исследования этих задач были привлечены в программу N 18 наши крупные отечественные специалисты в этой области: М.Я.Маров, А.В.Колесниченко из Института прикладной математики РАН, группа А.В.Забродина из того же института, В.В.Адушкин, А.В.Витязев, Г.В.Печерникова из Института динамики геосфер РАН. В этом сборнике публикуются их статьи, в которых показано, что соответствующая модель эволюции протопланетного облака действительно могла иметь место. Эволюция протопланетного облака по пути формирования и коллапса крупных сгущений не исключает одновременного образования консолидированных тел разной размерности, которые могли сыграть роль в аккумуляции планет на заключительной стадии аккреции.

Несколько групп из Института геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского пытались осветить вопросы формирования древней доархейской коры (А.А.Арискин с соавторами, С.А.Силантьев с соавторами). Здесь пока, к сожалению, еще мало сведений для создания достоверных моделей, на которые можно было бы уверенно опереться.

Жизнь должна была возникнуть в условиях восстановленной атмосферы. Однако долгое время доминировало представление, что древняя атмосфера не могла быть восстановленной. Во-первых, считалось что такие соединения, как СН_4 и NH_3, легко разлагаются ультрафиолетом и не могут долгое время присутствовать в атмосфере. Во-вторых, известно, что мантия Земли относительно окислена (QFM-буфер). С такой мантией не может находиться в равновесии восстановленная атмосфера. Однако выяснилось, что присутствие СН_4 в атмосфере порождает органический аэрозоль, который поглощает свет на частоте разложения СН_4 и защищает его от дальнейшей деструкции. Это показали американские исследователи К.Саган и К.Чиба. Было показано также, что первоначально мантия не была окислена, а достигла современного окисленного состояния в процессе наращивания металлического ядра. Могу сослаться на свою статью, опубликованную в журнале Earth Planetary Science Letters в 2005 г. (Galimov E.M. Redox evolution of the Earth caused by a multi-stage formation of it's core EPSL. P.263–276). Эта тема не вошла в сборник, хотя работа была сделана в период выполнения исследований по Программе N 18. Согласно этой работе первоначально мантия могла быть восстановлена и находиться в равновесии с восстановленной атмосферой. Однако в первые сотни миллионов лет после завершения аккреции Земли происходило нарастание ядра в условиях интенсивной конвекции в мантии. При этом закисное железо (FeO), входящее в силикатный состав мантии, в условиях высоких давлений, господствовавших на границе ядра и мантии, разлагалось на металлическое железо (Fe) и окисное железо (Fe_2O_3). Fe присоединялся к металлическому ядру, а Fe_2O_3 выносился восходящим конвективным потоком в мантию. Так в мантию постепенно накачивался кислород. Восстановленный режим существовал относительно недолго. Уже к рубежу 4,0 млрд лет назад земная мантия приобрела уровень окисления, отвечающий современному. К этому времени предбиологическая эволюция должна была завершиться. Экспериментальные исследования, связанные с окислительно-восстановительным режимом мантии, рассматриваются в статье А.А.Кадика (Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского РАН).

Интересно также, что, приняв предположение о восстановленном характере первичной атмосферы, удалось разрешить биогеохимический парадокс K/Na соотношения. Эта работа была выполнена совместно с Ю.В.Наточиным (Институт физиологии и биохимии им.И.М.Сеченова, С.-Петербург).

Время появления живых организмов на Земле неизвестно. Возраст Земли 4,56 млрд лет. Наиболее древние сохранившиеся породы имеют возраст 3,9–4,0 млрд лет. Идентифицируемые формы жизни в самых древних породах отсутствуют. Однако геохимические данные, в том числе исследования изотопного состава углерода, позволяют предположить, что жизнь в наиболее примитивных формах уже могла присутствовать на Земле к рубежу 4 млрд лет. Фотосинтезирующие, т.е. достаточно сложные организмы возникли по крайней мере 3,5 млрд лет назад.

Присутствие живого вещества на Земле является одним из основных геохимических факторов, формирующих лик планеты. На 99 % организмы состоят из четырех элементов: С, Н, О, N. Существенную роль играет также фосфор, дефицит которого в экосистеме скорее, чем любого другого элемента, ограничивает размеры биомассы популяции. Организмы являются концентраторами элементов. Например, морской планктон содержит Fe, Zn, V, Cu и др. в концентрации в тысячу раз, иногда в десятки тысяч раз более высокой, чем морская вода. Живые организмы повсеместны на поверхности Земли и в гидросфере. Они обитают в недрах осадочных пород до глубины более тысячи метров, в толще океана (на многокилометровой глубине) и в донных отложениях. Живые существа демонстрируют способность к выживанию иногда в экстремальных условиях. Например, водоросль Cyanidium caldarium может расти в концентрированном растворе серной кислоты (pH = 0). Сульфатредуцирующие бактерии растут при температуре более 100^oС.Микроорганизмы, обитающие на поверхности Земли, в почвах и породах принимают активное участие в геохимических процессах, существенно ускоряя их. Жизнедеятельность организмов приводит к формированию соединений и минералов, которые в их отсутствие не могли бы возникнуть. Например, деятельность сульфатредуцирующих бактерий приводит к формированию сульфидных минералов, метангенерирующие бактерии производят метан путем восстановления двуокиси углерода и т.д. Кислород атмосферы образован фотосинтезирующими организмами. В отсутствие живых организмов кислород атмосферы был бы быстро исчерпан. Основная масса карбонатных и кремнистых осадков в океане сформирована за счет аккумуляции кальцит-арагонитовых и силикатных скелетов выпавших на дно отмерших организмов. Органическое вещество, накапливавшееся в осадочных отложениях в течение длительного геологического времени, стало источником органических форм углерода, добываемых в качестве полезных ископаемых: угля, нефти, углеводородных газов. При погружении в высокотемпературные зоны земной коры органический углерод становится активным восстановителем, влияющим на окислительно-восстановительную обстановку в недрах, и приводит к процессу рудоотложения. Так образовались многие месторождения урана, золота, меди, марганца и др.

В главе V представлены работы, касающиеся некоторых факторов и событий эволюции биосферы. Проблемы, связанные с этим, обширны, и эта глава не может претендовать на сколько-нибудь систематическое рассмотрение их. Тем не менее здесь присутствует квалифицированное рассмотрение ряда важных аспектов эволюции биосферы. Я уже упоминал статью М.А.Федонкина. Весьма современные взгляды высказаны А.Л.Верещакой (Институт океанологии им.П.П.Ширшова РАН) при изложении его представлений о нанобиоте Мирового океана. Они хорошо корреспондируют с концепцией упорядочения, которой проникнута эта книга. Важна статья Г.Н.Батурина, да и все другие работы, представленные в этом разделе книги.

Упорядоченными могут быть не только объекты, состоящие из соединений углерода. Организмы включают минеральные структуры: раковины, зубы, скелеты и т.п. Более того, жизнь вовлекает в упорядоченное состояние материалы среды: термитники, гнезда, наконец, машины, сооружения, города. Однако все эти формы упорядочения разного состава и строения не могут быть достигнуты вне химической истории органических соединений углерода, вне предшествующей их появлению эволюции жизни.

Жизнь, представляющая собой определенную и достаточно распространенную форму эволюции материи, не может быть ограничена только Землей. Однако принципы реализации ее в разных мирах должны быть схожи. Из элементов, слагающих Вселенную, только углерод обладает свойствами, необходимыми для образования биополимеров, только водород, способный к образованию "мягких" водородных связей, обеспечивает функционирование трехмерных органических структур. Только пептиды из всего огромного разнообразия органических соединений могут сформировать универсально построенные, но при этом способные к бесконечному разнообразию формы селективного катализа. Только нуклеотиды обладают уникальной в мире органических соединений способностью к самовоспроизведению. Это значит, что где бы жизнь ни возникала в нашей Вселенной, молекулярно она должна быть построена сходным образом. Может быть, не АТФ, но близкая по свойствам молекула, может быть, несколько иной набор аминокислот, может быть, другие нуклеиновые основания. Гипотетическая жизнь, построенная на иных принципах, из других химических элементов, на основе других химических соединений, чем белково-нуклеиновая форма, не осуществима. Процесс упорядочения материи заключен в сравнительно узком диапазоне возможностей.

Жизнь требовательна к условиям своего первичного возникновения: требуется определенный фон органических соединений; восстановительная обстановка, источник энергии, мягко взаимодействующий с органическими соединениями; наличие воды; циклический характер некоторых процессов, например, чередование высушивания и увлажнения, более высокой и более низкой температуры и т.п. Однако, раз возникнув и пройдя стадию становления генетического кода, жизнь приобретает удивительную способность к адаптации и может сохраняться в условиях, в которых она не могла бы возникнуть. Поэтому, если имеются условия перенесения ее с планеты на планету в пределах Солнечной системы, то имеется вероятность обнаружения ее в условиях, существенно отличных от земных. На Земле обнаружены фрагменты пород Марса (марсианские метеориты типа SNC) и пород Луны (лунные метеориты). Поэтому обмен веществом между телами Солнечной системы возможен. Возникла концепция литопанспермии, которая рассматривает возможность перенесения и выживания в космосе микроорганизмов, запечатанных в обломках пород, выброшенных с поверхности планет при ударах крупных метеоритов и астероидов.

Вполне возможно, что на Марсе в ранний период его истории были условия для возникновения жизни, в том числе жидкая вода, восстановленная атмосфера и др. В последующем условия существенно изменились, но жизнь могла приспособиться к ним и в латентном виде, пусть в самой примитивной форме, сохраниться до сегодняшнего дня.

Астрономические наблюдения с помощью мощных современных телескопов позволили установить существование планетных систем у многих звезд нашей Галактики. Нельзя исключать, что на некоторых из этих планет развивается жизнь. До сих пор нигде в окрестной вселенной мы не наблюдали следов разумной жизни. Но нужно иметь в виду, что на Земле эволюция жизни, приведшая к появлению разума, длилась более 4 млрд лет, а период, когда жизнь на Земле достигла интеллектуального и технического уровней, делающих заметным присутствие земной жизни в космосе, длится лишь мгновение – менее сотни лет. Вероятно, миллиарды лет – это тот масштаб времени, который требуется в любых условиях и на любых мирах для достижения эволюцией подобного уровня организации. Трудно представить, что Земля – единственное место во Вселенной, где возникла разумная жизнь. Я уже высказывал мысль о том, что ненаблюдаемость космического разума, вероятнее всего, связана с исторической краткостью существования цивилизации. Появляясь в разных точках вселенной как результат эволюции, занимающей миллиарды лет, разумная жизнь, в своей высшей фазе, вероятно, длится недолго – может быть, лишь тысячелетия. В необъятном пространстве она вспыхивает и гаснет, подобно искрам, так что одновременное существование даже нескольких искр в обозримой вселенной маловероятно (Галимов Э.М. Феномен жизни. М.: URSS, 2001. 256 с.).

Обсуждая проблему происхождения жизни, нельзя не коснуться сакраментального вопроса о "смысле жизни" – вопроса, которым почти всегда задается осознающая себя личность. Подобно тому как человек – есть многоклеточный организм, человечество в целом – есть "много-индивидуумный организм" (структура жизни). В течение жизни человека рождаются и умирают миллиарды его клеток, исполняя свою функцию в предназначенном им месте. Скоротечная жизнь клетки, так же как и конечная жизнь индивидуума – необходимая цена непрерывного обновления и поддержания жизнеспособности (роста упорядочения) структуры жизни более высокого порядка (организма, популяции). Самосознающий индивидуум (мыслящая личность) отказывается принять это скромное предназначение, уготованное ему природой, изобретая успокоительные мифы. Но такова жизнь!

О редакторе

Галимов Эрик Михайлович

Академик Российской академии наук, член Президиума РАН. Директор Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского (ГЕОХИ РАН). Председатель Комитета по метеоритам РАН, член бюро Совета по космосу РАН. Заслуженный профессор МГУ имени М. В. Ломоносова. Главный редактор журнала «Геохимия». Президент (2000–2004 гг.) и вице-президент (1996–2000 гг.) Международной ассоциации геохимии и космохимии (IAGC).

Э. М. Галимов — один из ведущих современных геохимиков, член иностранных академий, создатель теории биологического фракционирования изотопов, участник и руководитель меж-дународных океанологических экспедиций, автор известных работ по происхождению Луны и планет, химии изотопов, геологии и геохимии нефти и газа, происхождению алмазов. В последние годы особое место занимают работы, посвящен-ные проблемам происхождения жизни («Феномен жизни: Между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции»; 4-е изд. URSS, 2013), органической геохимии («Isotope organic geochemistry»; 2006), возникновению системы Земля—–Луна и эволюции биосферы («Кому нужны лунные камни? Выступления, интервью, научно-популярные публикации: 50 лет в науке»; URSS, 2012).