Палеоэкология: учебное пособие

Однако время и место перехода преджизни в жизнь, а химической эволюции – в биологическую представляют собой загадку, к решению которой мы только подходим. Возможно даже, что Земля и жизнь – почти ровесники, и длительного периода «безжизненной Земли» просто не было. Так, по мнению некоторых ученых, возраст Земли – 4,5 млрд лет, что согласуется с основными современными космогоническими теориями, но возраст жизни чаще всего определяют в 4,25 млрд лет. Следовательно, безжизненный период длился «всего» 250 млн лет, т. е. 5,6 % всего времени ее существования.

Для решения этого вопроса необходимо учитывать последние данные палеонтологии и палеогеохимии, подтверждающие наличие жизнедеятельности организмов прошлых геологических эпох.

2.2. Наши знания о ранее живших организмах представляются довольно жалкими. Миллиарды особей предков современного растительного и животного мира безвозвратно исчезли в прошлом, не оставив после себя остатков в виде тех или иных форм ископаемых. По оценкам ведущих палеонтологов, в геологической летописи сохранилось всего лишь около 0,1 % от числа видов, некогда населявших поверхность Земли в течение ее истории (а некоторые ученые считают, что осталось всего 0,01 % от числа видов). Наглядно это можно представить себе так. Человеку, не читавшему «Войну и мир» (более 62 тыс. строк), дали наугад выбранные 60–70 строк из этой книги и попросили восстановить сюжет.

Связаны такие «пробелы» в геологической летописи с плохой сохранностью организмов, особенно беспозвоночных животных и травянистых растений, после их гибели. Следы существования, которые оставляют после себя организмы прошлых эпох, подразделяются на морфологические и геохимические.

Морфологические следы наиболее очевидны. Они встречаются в виде естественных мумификаций, окаменелостей и отпечатков. При естественной мумификации организм сохраняется наиболее полно. Однако естественные мумии образуются редко, в основном при замерзании трупов животных и остатков растений в вечной мерзлоте (трупы мамонтов и других животных, найденных в Сибири).

Окаменелостями чаще всего оказываются твердые части тела: раковины, скелеты губок и кораллов, кости позвоночных животных, стволы деревьев. Реже и мягкие части тела могут подвергаться процессу окаменения (фоссилизации). При этом различные минеральные вещества, растворенные в природных водах, проникают в тело погибшего организма и замещают его ткани и даже отдельные клетки. Это пирит, кремний, соли железа и др. Процессу фоссилизации подвержены не только остатки растений и животных, но даже и микроорганизмы. Однако фоссилизация последних происходит в условиях, когда останки захораниваются в исключительно тонких осадках либо в коллоидных отложениях кремнезема. При этом находят отдельные клетки, строение которых сходно со строением современных микроорганизмов (бактерий, одноклеточных водорослей, простейших). Наиболее древние из таких находок имеют возраст 3–3,5 млрд лет.

Отпечатки представляют собой окаменелые признаки формы организмов, которые зафиксировали свою тонкую структуру на поверхности тонкозернистого осадка. Впоследствии этот осадок превратился в твердый камень. Отпечатываются чаще всего листья растений, следы животных, иногда животные, состоящие только из мягких тканей, в частности медузы, черви и пр.

Фоссилизированные остатки встречаются в основном в отложениях, охватывающих последние 570 млн лет геологической истории. Этот этап (сейчас принято наименование «эон») назван американским палеонтологом Ч. Шухертом «Фанерозоем», эоном явной жизни (от «фанерой» – явный, ясный). К Фанерозою относятся три последние эры жизни – Палеозой («древняя жизнь», «палеос» – древний), Мезозой («средняя жизнь», «мезос» – средний) и Кайнозой («новая жизнь», «кайнос» – новый). Более древняя и продолжительная часть геологической истории Земли (от возникновения жизни примерно 4,25 млрд лет назад до начала Фанерозоя 570 млн лет назад) именуется Криптозоем – эоном скрытой жизни («криптос» – скрытый). К нему относятся две эры – Архей, или Археозой («древнейшая жизнь», «археос» – древний), и Протерозой («ранняя жизнь», «протерос» – ранний). Поскольку первый период Фанерозоя называется Кембрий, весь Криптозой иногда именуют Докембрием.

Докембрийские (криптозойские) организмы не имели твердых скелетов и представлены преимущественно микрофоссилиями (окаменевшими остатками микроскопических организмов) и их выделениями и постройками в форме так называемых строматолитов («подстилочных камней») и онколитов («камней-наростов»). Это полушаровидные, шаровидные или конические образования со сложной слоистостью, состоят они в основном из извести (СаСОз). Их строителями были обитающие на мелководьях бактерии и сине-зеленые водоросли. Древнейшие строматолиты найдены в Австралии, в формации Варравуна, их возраст около 3,5 млрд лет.

Геохимические следы существования живых организмов остаются в виде органических соединений в осадочных породах земной коры. Они широко распространены по Земле и состоят в разных пропорциях из углеводов, жиров, аминокислот преимущественно растительного происхождения и возникли из мелких растительных организмов, ранее слагавших планктон древних водоемов. Наиболее древние следы деятельности фотосинтезирующих микроорганизмов – сине-зеленых водорослей (цианобактерий) в виде геохимических следов найдены в сланцах системы Онвервахт в Южной Африке, их возраст 3,44 млрд лет.

Важное место в современной геохимии и палеогеохимии занимают изотопные методы исследований, позволяющие установить следы жизнедеятельности в самых древних метаморфизированных породах земной коры. В процессе жизнедеятельности при обмене с веществами внешней среды происходит фракционирование изотопного состава некоторых элементов, в частности углерода и серы. Особенно показательными являются данные по изотопному составу углерода, главного элемента жизни, и кислорода – в последнем случае можно по изотопному составу установить кислород биогенного происхождения (выделявшийся при фотосинтезе). Так, в древнейшем известном геологам участке земной коры, комплексе пород Исуа в Гренландии, возрастом в 3,8 млрд лет, найдены соединения углерода, по изотопному составу отнесенные к фотосинтетическим по происхождению, а также окисленное железо, окислить которое мог кислород, выделявшийся при фотосинтезе.

Это – следы деятельности примитивных фототрофов, сине-зеленых водорослей. Но появлению фототрофов должно было предшествовать довольно долгое существование гетеротрофов, так как их способ питания готовым органическим веществом более прост. Тем более, в начальные периоды геологической истории Земли ее атмосфера была непрозрачна для солнечных лучей.

Таким образом, сочетание новейших данных микропалеонтологии, биогеохимии, химии изотопов свидетельствует о том, что возникновение жизни на Земле относится на 4 млрд лет назад и становится сопоставимой со временем образования Земли как планеты. В. И. Вернадский еще в 1930-е гг. писал: «Для нашей планеты эмпирически установлено существование жизни в самых древних доступных нам отложениях, нам на нашей планете известных. С другой стороны, нигде мы не нашли в биосфере горных пород, которые указывали бы на их образование в течение геологического времени в отсутствии живого вещества. Даже массивные горные породы, как вулканические, так и плутонические, носят в себе несомненные следы существования живого вещества в условиях их образования». И далее: «Эмпирически, таким образом, мы не нашли указаний на время, когда живого вещества на нашей планете не было. Жизнь на ней геологически вечна».

2.3. В свете новейших данных неизбежно следует вывод о раннем зарождении преджизни в пределах хотя бы Солнечной Системы (или иной планетной системы). Химическая эволюция вещества Земли и других планет должна была совершаться еще в космических условиях, в период, предшествовавший (или совпадавший) их образованию. Возникает новая проблема – выяснение способов возникновения ближайших предшественников жизни – органических веществ в процессах планетогенеза.

По данным космохимии, наиболее обильным газом в первичной атмосфере Земли был углекислый газ (СОг). Однако этот газ не способен самостоятельно превращаться в органические соединения. Скудность водорода и его быстрая потеря в условиях атмосферы ранней Земли также снижала возможность образования органических веществ в атмосфере.

Но известно, что органические вещества довольно большой степени сложности содержатся в метеоритах, особенно в так называемых углистых хондритах. Впервые органические вещества в них обнаружил знаменитый шведский химик И. Берцелиус в 1834 г. В настоящее время в углистых хондритах обнаружены углеводороды, среди которых наиболее распространены соединения с 16 атомами углерода в цепочке; из кислородосодержащих соединений найдены спирты (СН₃ОН и др.), карбамид (мочевина; 0, Hr, N) и алифатические карбоксиловые кислоты (R-COOH). Встречены пурины и пиримидины с молекулярным весом 300–500 (в том числе аденин и гуанин), сернистые и хлористые органические соединения, органические полимеры и, наконец, 12 из 20 входящих в состав белков аминокислот. По весу эти органические соединения составляют до 3,6 % от общего веса метеорита да еще до 2,2 % составляет чистый углерод в виде графита или сажи.