Земля и жизнь - Александр Вологдин

Вещественная основа жизнедеятельности организмов создается производством и воспроизводством ими различных белковых соединений, в основном представляющих собой так называемые ферменты, белковые тела, которые вызывают процессы обмена веществ, характеризующие жизнь. Необходимо постоянное образование новых запасов таких тел в организме, чтобы он мог существовать и развиваться. Изменение в составе ферментов способно изменять свойства организмов, придавать им новые признаки.

Химия белковых тел в настоящее время располагает возможностями анализа белковых тел клеток организмов, которые представляют собой смесь весьма многочисленных различно построенных белковых соединений, выполняющих определенные функции. Белковые тела, это сложные, гигантские по сравнению с молекулами, известными неорганической химии, молекулы, в образовании которых принимают участие сотни более простых органических веществ - аминокислот. Предполагается, что из 25 типов различных аминокислот в разных качественных и количественных сочетаниях друг с другом можно получать бесчисленное множество самых разнообразных белковых тел с разнообразными свойствами. Установлена последовательность, с которой образуются такие вещества.

Всюду и везде, где на Земле проявляется жизнь, идет преобразование веществ под влиянием энергии, выделяемой внутри организмов или получаемой ими извне. В первом случае происходит превращение одних минеральных или органических веществ в другие, причем выделяется тепловая или химическая энергия, используемая организмом для его роста и размножения. Во втором случае организм должен располагать каким-то органом, который является "ловушкой" для энергии, поступающей извне. Это имеет место у некоторых бактерий и у всех растений, от самых низших до самых высших представителей. Этими "ловушками" у них являются вещества хлорофильного ряда - так называемые хлоропласты.

Итак, химический состав вещества земной коры - твердого и измельченного, неподвижного и перемещаемого бурями, ветрами, дождями и волнами первичных бассейнов - неизбежно и обязательно приводил к возникновению на самом раннем этапе истории Земли микроскопических примитивных организмов в тех районах, где для этого только-только сложились благоприятные условия температурного режима. На других участках поверхности планеты, преобладавших по площади, массовое проявление магматических и вулканических процессов, выбросы из недр остаточного тепла гравитационного происхождения и тепла от распада радиоактивных элементов поддерживали высокую температуру. Здесь падавшие на землю дождевые воды обращались в пар и снова поднимались в атмосферу. Бури и ураганы проносились над земной поверхностью. Волны первичных водных бассейнов разрушали выступы суши, превращая камень в мелкозем - гальку, песок и тонкий ил. Возникали химические связи между ними и некоторыми другими растворенными веществами земной коры.

Космические, преимущественно солнечные, излучения, пробиваясь через почти сплошную облачность тяжелой вторичной атмосферы, то дробили атомы химических элементов, то перестраивали их соединения, вызывали распад паров воды на водород и кислород, причем первый частично улетал в космическое пространство, а второй активно вступал в химическую связь с веществом земной коры, твердым и растворенным.

Огромное разнообразие веществ древнейшей литосферы (каменной оболочки Земли), находившихся в результате общего восстановительного характера химических процессов в закисном состоянии, представляло собой своего рода "топливо", к которому нужно было только поднести зажженную спичку. Этой "спичкой" послужили окислительные процессы при участии слабо связанного кислорода и его масс, возникавших при распаде паров воды. Процессы такого порядка всегда сопровождаются выделением свободной энергии. При химическом ходе реакций окисления эта энергия в виде тепла разными путями растрачивалась. Например, выбрасываемые на поверхности Земли при современных вулканических извержениях лавовые массы, всегда богатые закисями, приобретают еще более высокую температуру, чем имели в недрах. Встречаясь с кислородом атмосферы, они как бы загораются, начинают светиться, приобретают еще большую подвижность и иногда текут, подобно рекам, далеко по поверхности Земли. При недостатке же кислорода вулканические массы становились вязкими, как становятся вязкими и лавы, бедные закисями и богатые кремнеземом,- так называемые "кислые". Лавы древнейших фаз вулканизма образовывали огромные скопления каменных масс, наращивавших земную кору на суше и в водах, а пепел разносился вихрями древнего углекисло-метано-аммиачного воздуха молодой планеты с парами воды и осаждался на обширных площадях с теми или иными химическими изменениями его компонентов.

Угольная кислота была первым химическим агентом доорганического этапа истории Земли, имевшим биологическое значение. Она активно влияла на многие вещества, в частности образовывала разнообразные карбонаты, в числе которых преобладающее развитие получили карбонаты кальция и магния. В присутствии молекул воды эти карбонаты превращались в растворимые бикарбонаты, которыми обогащались водные массы древнейших бассейнов. Поэтому древнейшие воды гидросферы Земли содержали много углекислых и, вероятно, азотнокислых солей и очень мало хлористых. Другими словами, древние моря были почти не солеными. Их известковые воды по типу были близки к многим водам современной суши, связанным с карбонатными породами. Содержавшиеся в воде бикарбонаты были тоже "топливом", поскольку они способны переходить в твердые кальцит и доломит с выделением энергии.

Таким образом, вещество земной коры и геохимические процессы, включая химическую эволюцию углеродных соединений, неуклонно и необратимо вели к возникновению жизни и ее торжеству в последующие геологические времена.

Протекание и развитие микробиологических процессов в почвах представляет исключительный интерес, так как вообще почвенные условия являются издавна одной из самых распространенных сред питания микроорганизмов на земной поверхности. Как известно, новообразование, т. е. разрушение коренных скальных пород с превращением их в равномерно зернистый мелкозем в присутствии бактериального населения, протекает в 20 раз быстрее, чем в результате деятельности только агентов физического выветривания пород (колебаний температуры и растрескивания пород в присутствии воды при ее замерзании). В первом случае мелкозем образуется в сложной биогеохимической среде, где к деятельности микроорганизмов (бактерии, грибы, водоросли) добавляется геологическая деятельность выделяемых ими органических кислот.

Процесс отсортировки обломочного минерального материала в почвах обусловлен отделением кварцевых зерен изверженных пород от кристаллов полевых шпатов, которые под влиянием микроорганизмов (диатомовые водоросли) превращаются в глинозем, с образованием почвенных минеральных коллоидов; это может приводить и к переотложению этих коллоидов в виде "вторичных" глин на дне водных бассейнов. За счет этого материала в водах могут отлагаться глинистые минералы - бентониты, монтмориллониты. Железо- и марганецсодержащие минералы разрушаются в результате жизнедеятельности железобактерий.

Какие условия в природе наиболее подходят для развития сложных химических процессов при участии веществ, находящихся в трех фазах - твердой, жидкой и газообразной - под воздействием различных физических явлений, в частности излучений? Как уже отмечалось выше, таким местом оказываются почвы суши влажных районов, образованные за счет коренных пород, содержавших соответствующие химические элементы. Как известно, наиболее богаты биофильными химическими элементами некоторые типы изверженных пород. Наиболее бедными являются продукты переноса и переотложения почвенного материала, из которых активные химические элементы и их соединения удалены, но это имеет место в отношении песков и песчаников кварцевого состава.

Важнейшим агентом химических процессов является вода, которая служит и важнейшим компонентом живого вещества биосферы. Граница соприкосновения скальной горной породы с водой, содержащей в растворе углекислоту, кислород воздуха и азот, является местом взаимодействия между важнейшими компонентами биосферы. Здесь развиваются соответствующие реакции. Включение сюда же органических кислот или кислот минерального происхождения усиливает воздействие таких сред на вещество скальной горной породы, и она более или менее быстро разрушается. При этом продукты разрушения деятельностью силы тяжести, воды или ветра могут быть частью вынесены, частью вовлечены в раствор и унесены с водой. Здесь за счет минеральных веществ разрушаемой горной породы образуются новые минералы, часто содержащие воду.