Владимир Печенкин – Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения (страница 8)
В момент разряда в канале молний химические элементы ионизируются: электроны получают свободу. Дотошные исследователи подсчитали, что каждая молния выбрасывает в окружающее пространство 1х1020 свободных электронов!
В пепло-газовом вулканическом столбе есть все необходимые для образования жизни компоненты: водяной пар, водород, аммиак, углеводороды, СО, СО2, соединения серы и т. д. По мнению отечественного геолога Е. К. Мархинина – основателя биовулканологии, – «Вулканические извержения, и в первую очередь пепло-газовые вулканические столбы, явились мощными природными химическими реакторами, в которых в большом масштабе образовывались сложные, биологически важные органические соединения – „молекулы жизни“. Именно с образования этих вулканогенных „молекул жизни“ на Земле началась молекулярная эволюция по пути к преобразованию неживой материи в живую, приведшая впоследствии к возникновению жизни»26. Но, с другой стороны, если разряд электричества способен породить органические молекулы, то он же может и растерзать их в клочья.
Современные исследователи полагают, что добиологические молекулы, давшие впоследствии старт Жизни, образовались в ходе менее затратных химических реакций. Например, Михаил Никитин, научный сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского полагает, что жизнь возникла в грязи, точнее вокруг грязевых вулканов (такие вулканы «извергаются» не благородной лавой, а жидкой глиной)27, а известный популяризатор науки, британский биохимик Ник Лейн считает, что для возникновения Жизни и вовсе необходимо и достаточно было всего лишь трех компонентов: горной породы, воды и углекислого газа28. То есть жизнь возникла на грани трех агрегатных состояний вещества – твердого, жидкого и газообразного. Но американские ученые палеонтолог Питер Уорд и геобиолог Джо Киршвинк все же уверены, что именно катаклизмы способствовали появлению жизни, причем больше, чем все остальные силы вместе взятые29. Есть мнение, что основной вклад в этот процесс внес уран30, но это представляется малоубедительным – ведь в раннем архее уран еще не накопил значительных концентраций и не обзавелся собственными минералами, чтобы дать толчок зарождающейся Жизни. Все это занимательно, но… не наша тема.
Так возникла жизнь или эдак – не принципиально, для нас важнее, как она «работает». Для ее поддержания нужен постоянный приток энергии. Для всех живых организмов (и для нас, людей, в том числе) это потенциальная химическая энергия, заключенная в пищевых веществах. Мы заряжаемся пищей, которая содержит избыточные электроны и вдыхаем кислород, который их принимает. Организм расщепляет пищу, отрывая электроны, которые проходят сквозь клетки, участвуя в сложном комплексе химических реакций. В ходе этого процесса клетки вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) – молекулу, которая действует как накопитель энергии почти во всех живых организмах. То есть для получения энергии организм постоянно должен пропускать через себя поток электронов, получая их с пищей. Мы живем, заряжаясь электронами.
На заре Жизни мир был полон свободных электронов и некоторые организмы приспособились питаться электрической энергией, вкушая голые электроны «без гарнира». Сегодня выявлено около десятка разновидностей древнейших бактерий, потребляющих электричество напрямую31. Причем при закислении среды до рН=2 (что примерно соответствует кислотности первобытного океана и архейской атмосферы) «прожорливость» этих микробных сообществ возрастает на два порядка32. Косвенно это может означать, что разнообразие подобных микроорганизмов в те эпические времена было значительно больше, но, не сумев приспособиться к изменяющейся обстановке, далеко не все из них дожили до наших дней.
Со временем вулканическая вакханалия молодой планеты стала утихать, количество «неприкаянных» электронов в окружающей среде снизилось, и бактериям пришлось переходить на новый рацион питания. Выжили те, которые приспособились встраиваться в геохимические циклы, и использовать электроны, которыми обмениваются химические элементы во время реакций.
В ходе геохимического круговорота, запущенного Луной, первородные космические породы и минералы вступали в химические реакции с образованием новых, уже сугубо земных отложений. Процессы сопровождались выделением или поглощением тепла и энергии, при этом преобладали окислительно-восстановительные реакции, происходящие благодаря обмену электронов между веществами. К чисто химическим реакциям начали присоединяться непрошенные участники – микроорганизмы – так называемые хемоавтотрофы33, используя электроны для своих нужд. С помощью белков-ферментов они научились многократно ускорять реакцию, и, если реакция идет с выделением энергии, она подхватывается живым веществом и используется для синтеза АТФ. Имея запас АТФ хемоавтотрофы получают возможность осуществлять уже те реакции, которые идут с поглощением энергии, например, синтез органики из углекислого газа.
Донорами электронов для хемоавтотрофов архея могли выступать водород и сероводород, двухвалентное железо или соединения аммиака. В поисках пропитания – необходимых электронов и микроэлементов – бактерии с энтузиазмом принялись разлагать горные породы. С той поры хемоавтотрофы ведут с горными породами настоящую войну, воздействуя на них богатым арсеналом химического оружия. Некоторые бактерии в процессе жизнедеятельности выделяют муравьиную, уксусную, пропионовую, азотную, серную (вплоть до 10%-ого раствора, способного прожечь бумагу!) и другие кислоты, разрушающие минералы.
В течение первого миллиарда лет существования биосферы прокариоты здорово «пощипали» каменную оболочку Земли и между делом сократили свою кормовую базу. Но Жизнь не стояла на месте: все это время одна за другой появлялись новые формы микробов и бактерий со своими способами получения энергии из окружающего пространства.
Примерно 3,7—3,2 млрд лет назад некоторые микробы научились немного «подкармливаться» солнечным светом. Да, это уже был фотосинтез, но пока еще не полноценный – аноксигенный, в ходе которого не происходит выделения кислорода. Световую энергию солнца бактерии научились переводить в разность электрохимических потенциалов, которая использовалась клеткой для синтеза АТФ. Конечно, это был гораздо менее эффективный способ утилизации солнечной энергии по сравнению с настоящим фотосинтезом, но зато и более простой.
Живые существа, овладевшие секретом аноксигенного фотосинтеза, получили доступ к неисчерпаемому источнику энергии – солнечному свету. Но их зависимость от дефицитных химических веществ все еще сохранялась, ведь для фотосинтеза одного света мало – нужна еще какая-нибудь субстанция, от которой можно оторвать электрон: например, сероводород или железо.
Ориентировочно в это же время (свыше 3,2 млрд лет назад) появились и гетеротрофы. Это значит, что к этому времени микробы-первопроходцы накопили «жирок» и Земля обзавелась достаточным количеством органики, способным прокормить новое поколение Жизни. Появились так называемые бродильщики. Кислород в то время еще был в жутком дефиците, поэтому они приспособились получать энергию за счет бескислородной ферментации (сбраживания) отмерших собратьев.
«Сообразив», что в одиночку прожить трудно, микробы на самых ранних этапах развития Жизни начали сотрудничать, сообща решая задачи выживания. Высшим достижением первого миллиардолетия жизни стали сложные микробные сообщества – бактериальные маты, которые появились предположительно 3,55 млрд лет назад. В основе их жизнедеятельности еще лежал аноксигенный фотосинтез. Эта форма жизни господствовала на планете в неизменном виде сотни миллионов лет, пока Жизнь не совершила новое открытие: примерно 2,7 млрд лет назад появились цианобактерии, открывшие миру кислородный фотосинтез. Жизнь приспособилась перерабатывать лучевую энергию солнца с бо́льшим КПД. Это «изобретение» стало важнейшим поворотным пунктом: в ходе оксигенного фотосинтеза донором электрона является уже не горная порода, а поистине неисчерпаемый земной ресурс – обычная вода, а побочным продуктом – кислород. Кислородный фотосинтез сделал бактерии независимыми от соединений серы и железа и открыл перед ними небывалые возможности. Но за все надо платить – кислород оказался настоящим ядом для существовавших на тот момент форм жизни. Спокойному существованию анаэробных организмов на планете пришел конец: началась борьба за выживание. И все-таки, несмотря на появление цианобактерий, господство прокариот на Земле продолжалось еще почти два миллиарда лет.
Возникшие в архее бактериальные маты по уровню целостности вплотную приблизились к настоящему организму, но все-таки не достигли этого уровня. Прокариоты так и не смогли дать начало многоклеточным организмам, для этого они были слишком эгоистичны: каждый отдельный микроб «был сам за себя» и теоретически имел возможность вернуться к самостоятельной жизни вне коллектива. В этом сообщество мата схоже с муравейником – каждый муравей тоже может в любой момент покинуть собратьев – но долго ли он протянет в этом жестоком мире? Как и в муравейнике, жильцы бактериальной колонии имели свои обязанности. «Настройка» этого сообщества происходила в зависимости от меняющихся условий среды.