7. Жизнь родилась в скороварке?
Как мы уже видели, юная Земля, видимо, не имела суши в нынешнем смысле: если не считать вертикальных скал, то вместо суши тогда была, вероятно, чуть ли не сплошная эквилибросфера: во-первых, то и дело высыхающие и вновь заливаемые отмели (см.
п. 4), а, во-вторых, бьющие повсюду из земли горячие источники, поставляющие материал на эти отмели. Первые, еще «не совсем живые» структуры (эобионты) следует искать в щадящих условиях. Ho что ими считать? В эпоху биопоэза океан был кислым (а не соленым) кипятком, дули метановые и аммиачные ветры при высоких давлениях. Понятно, что условия, комфортные для нас, для первых организмов были бы гибельными.
Если добавить, что для образования ДС необходимы устойчивые потоки подходящих веществ, то окажется, что лучшей колыбели жизни, чем горячие источники, нечего и искать. Об этих источниках как о поставщиках требуемых веществ думали давно, но лишь лет 30 назад стали искать жизнь прямо в них. И нашли нечто изумительное.
Источники горячих вод на суше и на дне океанов наделены своей особой жизнью -сообществами бактерий, неспособными жить при обычных для нас температурах. Сначала они были описаны как особое приспособление к жару, но затем стало ясно, что именно эти бактерии являются самыми древними. Большинство из них относят к обширной группе архебактерий, т.е. древних бактерий. Следовательно, вернее признать, что не они приспособились к жаре, а вся остальная современная жизнь приспособились к обитанию в условиях «холода».
Гидротерма (или гидротермаль) - это выброс горячих газов, растворов и взвесей из разломов океанического дна, чаще всего - в срединноокеанических хребтах, т.е. в зонах спрединга (п. 7-2). Их температура часто намного превышает 10OcC1 но вода в них не кипит, поскольку при огромных глубинных давлениях ее точка кипения может превышать 300°С.
Вокруг выброса формируется труба твердых осадков высотою до 20 м, а рядом часто располагается «белый курильщик» из светлых взвесей, не образующих труб, и в результате всего этого гидротерма в свете прожектора выглядит как сказочный подводный завод (рис. 44).
Каждый курильщик существует всего 50-100 лет - до тех пор, пока активен выброс, и все это время окружен совсем необычным биоценозом.
Известны литотрофные бактерии (п. 4), живущие в устьях гидротерм и имеющие оптимум роста при 110°С, как в скороварке. Они восстанавливают
углекислый газ и серу, окисляя водород и выделяя метан и сероводород, чем обеспечивается включение основных химических элементов в биологические круговороты. При этом
«нет оснований предполагать, что бактериальные обитатели реликтовых сообществ сколько-нибудь серьезно изменились со времени своего возникновения» (Сергеев В.Н., Холл Э.Х., Заварзин Г.А. Первые три миллиарда лет жизни: от прокариот к эвкариотам // Природа, 1996, № 6, с. 55, 57).
Последнее утверждение следует уточнить: имеется в виду сохранение древних экологических и физиологических функций микробов, о конкретных же биохимических реакциях ископаемых микроорганизмов мы почти ничего не знаем. Если признать, что первые живые организмы были столь же биохимически сложны и совершенны, как современные, это значит - признать творение, а не эволюцию.
Читатель может удивиться: сначала утверждалось, что биопоэз протекал в высыхающих лужах, а теперь - что на дне океана. Ho противоречия в этом нет - «условия скороварки» тогда вполне уживались с границей фаз (эквилибросферой): тогдашняя атмосфера из углекислого газа обеспечивала давление во много раз выше современного (как сейчас на Венере), а гребни “срединноокеанических” хребтов торчали из еще неглубокого тогда горячего океана, полного отмелей, плавно переходивших в сушу. Органические вещества легко засасывались с боков в наземные термальные источники или, смытые в океан, - в гидротермы.
Тем самым, термальные источники тоже включались в глобальные круговороты, что понемногу создало условия для превращения незамкнутых ценозов в замкнутые, т.е. в маленькие копии биосферы.Жизнь гидротерм подробно и увлекательно описал французский зоолог Люсьен Лобье, один из первых ее исследователей. Среди гидротермных сообществ существуют такие, которые только из недр получают необходимые им вещества; по-видимому, они представляют собой биоценозы, способные жить без остальной биосферы [Лобье]. Поясню сказанное.
Основная часть биосферы держится на противоположных реакциях: фотосинтез: СО2 + Н2О + свет = углевод + О2 дыхание: углевод + О2 = СО2 + Н2О + энергия.
Ho это возможно лишь потому, что уже есть биосфера, обеспечившая кислородную атмосферу, а также есть системы фотосинтеза и дыхания. Чтобы создать биосферу, надо было включить в органический круговорот первую порцию органических веществ, а для этого нужны литотрофы (по- гречески это значит - камнееды, хотя на самом деле основной пищей этим бактериям служат газы: H2, CO2 и т.п.); они являются первичными продуцентами, поскольку именно они делают органику из неорганики. Вот несколько литотрофных реакций (выбраны те, что идут в бактериях гидротерм, причем не любые, а те, что обеспечивают свой биоценоз энергией):
образование метана: 4Н2 + СО2 = СН4 + 2Н2О, образование сероводорода: H2 + S = H2S, (1)
образование дисульфида натрия: 5Н2 + Na2S03 = 2Na2S + ЗН2О.
Получив запас энергии в форме восстановителя, бактерия приступает к хемосинтезу (аналогу фотосинтеза), например делает глюкозу:
3H2S + 6С02 + 6Н2О = 3H2SO4 + С6Н-|20б- (2)
(Окислителем тут служит не кислород, а, как ни странно, углекислый газ.) Этой глюкозой пользуется и сама бактерия, и тот, кто ее съест. Ho
пользуется не путем дыхания (свободного кислорода вокруг нет), а путем
гликолиза.
Когда сделанное таким путем органическое вещество будет выброшено из гидротермы током кипятка в обычную воду, содержащую растворенный кислород, тогда оно может быть использовано окончательно (съевший аэроб превратит его в СО2 и Н2О).Гидротерма могла, в силу сказанного выше, оказаться и на поверхности вод. Как пишет Заварзин, по мере затухания активности нынешней гидротермы в ее выбросах начинает преобладать СО2, а среди ее обитателей - фототрофы. То есть, жизнь за счет недр переходит в жизнь за счет света и атмосферы, и условия гидротермы переходят в условия мата.
Роль фотосинтетиков в первых матах должны были играть не цианеи (появившиеся много позже), а фотобактерии с более простым (бескислородным) фотосинтезом. Из ныне живущих таковы, например, пурпурные серные бактерии, в которых на свету образуются, вместо сахара и кислорода, формальдегид и серная кислота (ср. с реакцией (2)):
2 CO2 + H2S + 2Н20 = 2СН20 + H2SO^
Как такой фотосинтез превратился в обычный кислородный фотосинтез (общий цианеям и растениям), неизвестно (замечу: вновь мы видим повторное использование старой идеи на новом субстрате - ср п. 6-15**). К счастью, для понимания биопоэза это знать и не нужно. Достаточно того, что путь от эобионта до подобия биосферы вчерне удалось наметить.
Подробнее о становлении фотосинтеза см. [Самуилов]. В частности, там сказано: «Скорее всего, фотосинтез формировался как мозаичный процесс», т.е. по-разному в разных группах организмов. Однако у всех высших (растений) он практически одинаков, так что налицо эквифинальность, но не онтогенетическая (п. 3-14), а эволюционная. То же мы увидим не раз.