ПЕРВЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ НА ЗЕМЛЕ
© 2009 г. Г.А. Заварзин
Институт микробиологии им. СИ. Виноградского РАН
Предположения о происхождении жизни на Земле должны исходить из представления, что обитаемость предшествует обитанию. Требуется составить представление о возможной жизнеобеспечивающей экосистеме, прежде чем строить предположения о первом организме. Экосистема обязательно должна включать первичных продуцентов-автотрофов и гидрогенотрофия представляется адекватным типом физиологии для примитивных экосистем. Рассматривая жизнь на Земле, следует различать возникновение организмов in situ и появление организмов извне и с космическими телами в рамках концепции жизни как универсального феномена Вселенной. В случае транспорта жизни с космическими телами нет ограничения на перенос сообщества, а не единичной клетки. В случае транспорта сообщества с «грязным льдом» проблема состоит в соответствии сообщества и его экосистемы на родительском теле с условиями на примитивной Земле, а не в функциональной дивергенции от первичного предка. Последующие события находятся в рамках наблюдаемой палеонтологически эволюции и могут быть описаны как биогеохимическая сукцессия без дополнительных спекуляций.
Рассматриваемая проблема происхождения жизни относится к виртуальной области гипотетических построений, которые должны быть непротиворечивыми и соответствовать фактическим данным, полученным из актуалистического материала. Гипотетические представления о происхождении жизни развивают представители самых разных дисциплин, часто ограничивающие свое внимание какой-либо узкой проблемой, например, абиогенным происхождением нуклеотидов. В таких построениях авторы исходят из некоторых презумпций, редко четко сформулированных, но чаще находящихся в области невысказанных положений, или, хуже, игнорируемых для простоты картины. Поэтому внимание должно быть обращено не на детали, иногда очень впечатляющие своей изысканностью, а на исходные посылки.
Относительно предыстории биосферы есть серия упрощенных представлений, как бы очевидных и само собой разумеющихся, которые, находясь за рамками собственно исследования, ограничивают поле логических построений, и, соответственно, поисков. Будучи неявными и вместе с тем базовыми, они оказывают определяющее влияние на поле возможных гипотез. Многие из этих догм у неспециалиста восходят к усвоенным чуть ли не в школе представлениям. Такие упрошенные представления о развитии биосферы можно упорядочить по логической альтернативной схеме.
Первая по порядку альтернатива касается рамок системы:
I. Земля — замкнутая по материальному балансу система, открытая в космос только по энергии, получаемой от Солнца;
II. Земля — открытая в космос по материальному балансу система.
Альтернатива 1 относится ко всей наблюдаемой геологической истории Земли в 3.8 млрд. лет. Замкнутость системы ограничивается потоком космической пыли в верхние слои атмосферы, оцениваемой в 10|: г/год. Этот порог можно принять при оценке материальных потоков в биосфере. Для каждого элемента в каждый момент существования соблюдается материальный баланс. Для биосферы есть, однако, существенное ограничение. Биосфера находится внутри географической оболочки Земли. Эту оболочку уже нельзя считать замкнутой, поскольку происходит обмен с глубинными слоями, обусловленный тектоникой, и потоки между географической оболочкой и корой необходимо принимать во внимание для значительных промежутков времени, условно говоря — миллионолетних. Говоря о балансе, следует учитывать, что на всем протяжении своей истории Земля открыта в космос по энергетическому балансу.
Альтернатива II определенно относится к периоду аккреции и догеологической истории Земли в первый миллиард лет ее существования. В этот период Земля открыта по материальному балансу и формируется из материала космического происхождения. Поскольку биосфера находится в пределах географической оболочки, то начало жизни на Земле следует отнести к периоду формирования этой оболочки.
Каждая из альтернатив достаточна для определенных условий и оказывается недостаточной для других. Вместе с тем, существуют и нарушения альтернатив, и их комбинации, требующие компромиссов в подходах.
В рамках альтернативы I развивалось все представление о биосфере Земли и, в особенности, о содержащемся в биосфере биоразнообразии. Такое представление достаточно для описания настоящего в рамках согласованной, «целесообразной» системы. Слово «целесообразная» вызывает множество споров из-за разного его толкования. В действительности речь идет о наблюдаемой в природе взаимно согласованной системе явлений. В XVIII в. для этого эмпирического обобщения употребляли слово Ubereinstimmung. Оно точнее отражает наблюдаемые факты, чем даже Zvveckmapigkeit, отражающее причинную зависимость. Заметим, что в английском языке не оказалось соответствующего слова. Взаимная согласованность включает понятие естественного отбора — исключение несогласованного.
Для расширенного, включающего историю и прошлое, понимания системы необходимо включение времени и понятия развития («эволюции»). Развитие обусловлено внутренними закономерностями системы; развитие системы может быть упорядочено последовательностью возникновения от простого к сложному. Традиционно предполагается, что для биоразнообразия механизмом возникновения служит дивергенция единичного объекта, позволяющая построить универсальное корневое дерево — порядок. Механизм ветвления обусловлен мутацией и отбором и рассматривается в традиционных взглядах на эволюцию живых существ.
Для геосферы принимается несколько иное представление о развитии на основании внутренних сил с эволюцией Земли от первоначального состояния под действием двух факторов:
А. Актуалистической интерпретации изменений географической оболочки под действием постоянно действующих факторов с ведущим процессом «выветривание — седиментогенез». Этот процесс обусловлен циркуляцией подвижных сред — атмосферы и гидросферы — с основным вкладом тепловой энергии Солнца. Такая интерпретация достаточна для относительно малого геологического времени и безусловно достаточна для настоящего в смысле «Глобальных изменений природной среды и климата».
К постоянно действующим геологическим факторам в другой временной шкале следует отнести дрейф континентов, приводящий к геологическому рециклу и метаморфизму пород, но этот периодический процесс имеет движущей силой внутренние причины, обусловленные энергией Земли. В особенности это относится к состоянию дна океана.
Б. Однонаправленная динамика глубоких слоев Земли от первоначально нагретого (или временно разогревшегося) к остывающему состоянию с характерными тектоническими циклами — волнами. По отношению к биосфере и вмещающей ее географической оболочке тектоника воспринимается как внешний возмущающий процесс. Она находится в иной временной шкале. Эти представления необходимы для понимания эволюции биосферы, но насколько они согласуются со временем происхождения жизни?
Представление о земной системе как замкнутой по материальному балансу очевидно достаточно и необходимо для настоящего, но оно так же необходимо и для описания каждого состояния прошлого. Более того, установление материального баланса служит критерием достаточности подхода. Характерное время составляет интервалы в десятки миллионов лет в зависимости от доступной детализации.
Достаточность сложившихся согласующихся взглядов на саморазвитие замкнутой системы Земли не вызывает сомнений, ни для геологической составляющей, ни для биологической. Согласование взглядов достигается ограничением рассматриваемого периода времени, вне которого находятся внешние к существующей системе факторы. Справедливость такого подхода основывается событиями фанерозоя, и понимание его постепенно распространяется на все более ранние периоды протерозоя. Ранние периоды развития прокариотной биосферы остаются в области неопределенности, но описываются именно в условиях замкнутого материального баланса.
Вторая альтернатива (II) основана на представлении о Земле как открытой в космос по материальному балансу системе. В материальный баланс не входит постоянное поступление в верхние слои атмосферы космического материала порядка 1012 г/год; здесь рассматриваются величины гораздо большего масштаба и, следовательно, необходимо иметь количественную границу. Но проблема состоит не только в количестве, но и в неравномерности поступления. Крупные импакты даже меньшего количества материала рассматриваются как нерегулярные катастрофические события в рамках альтернативы I, допустимой для периода ранее 3.8 млрд. лет назад. Напротив, предшествующий период аккреции Земли и последующая история импактов рассматривает Землю как открытую в космос по материальному балансу систему. Эти события находятся в рамках астрофизики и астрономической шкалы времени, хотя собственно аккреция занимает очень короткий промежуток. Описывается этот период в рамках астрофизики и ее, преимущественно расчетных, представлений. Из рассматриваемых здесь альтернативных гипотез существенны две: 1) гипотеза гомогенной «пылевой» аккреции и 2) гипотеза гетерогенной аккреции относительно крупных тел со значительным вкладом импактных событий. Эти взгляды не следует противопоставлять как несовместимые.
Пишете на своем сайте интересные научно-познавательные статьи, но Вас никто не читает? Значит, пришло время задуматься о раскрутке сайта! Лучше всего с этой задачей справятся опытные специалисты Netpeak™. За более полной информацией обращайтесь на сайт www.netpeak.ua.