Палеоэкология: учебное пособие - Богданов Игорь Алексеевич. Страница 4

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.

Установлено, что большинство астероидов Солнечной Системы по своему составу близки к углистым хондритам, следовательно, тоже должны содержать органические вещества. Таким образом, можно с большой долей вероятности предположить, что образование органического вещества в Солнечной Системе на ранних стадиях планетогенеза было типичным и массовым явлением.

На той стадии планетогенеза, когда тугоплавкие вещества уже образовали пылевые частицы, начался процесс образования органических молекул. Эти процессы протекали при понижении температуры планеты ниже 500 °К, при этом совершались реакции между водородом, угарным газом (СО) и простейшими соединениями азота (NO, NH₃). Такие реакции идут очень медленно, однако они резко ускоряются в присутствии неорганических катализаторов типа магнетита (Fe₃0₄) и гидратированных силикатов (например, каолинит, Al₄[Si40io](OH)₄), которые возникли ранее, в ходе эволюции вещества околосолнечной туманности, из которой впоследствии конденсировалось вещество планет Солнечной Системы. Структура некоторых хондритов определенно указывает на то, что органические соединения были синтезированы на поверхности силикатных зерен и магнетита, которые позже вошли в состав углистых хондритов. Органические включения в них имеют вид округлых частиц диаметром от 1 до 3 мкм, в центре которых имеются ядрышки из магнетита или гидратированных силикатов.

Первоначально возникавший в процессе образования Вселенной «космический газ» – вещество, наполняющее космическое пространство, по числу атомов состоит из водорода (1 место), гелия (2 место), кислорода (3 место) и углерода (4 место). В живой же органике на первом месте стоит водород, на втором – кислород, на третьем – углерод, т. е. ее состав очень близок к составу «космического газа» (гелий химически инертен и его можно не считать). Вероятно, первоначально возникали простейшие соединения в таких реакциях:

2СО + 2Н₂ = СН₄ + С0₂

С0₂ + 4Н₂ = 2Н₂0 + СН₄

N₂ + ЗН₂ = 2NH₃

В связи с этим возникла водородно-метано-аммиачная первичная пневматосфера Земли. Дальнейшим этапом возникновения жизни из преджизни стало разделение пневматосферы на атмосферу и гидросферу, образование Первичного Океана. Именно попадание первичных органических веществ в жидкую среду с растворенными в ней многочисленными солями, содержащими ионы таких важных биогенных элементов, как азот, фосфор, калий, натрий и многие другие, дало мощный толчок ускорению химической эволюции и превращению ее в биологическую – переход от преджизни к жизни.

Астероиды и метеориты являются, видимо, остатками планетного материала, не прошедшего этапа образования гидросферы, показатель того, что в их родоначальных телах химическая эволюция прекратилась, не перейдя в биологическую, т. е. на весьма ранних стадиях. Последние исследования верхних слоев мантии Земли показали, что по ряду геохимических и изотопных данных их состав также близок к углистым хондритам.

Итак, примерно через 250 млн лет после образования Земли как планеты произошел ряд очень важных событий. В это время разделилась первичная парогазовая оболочка (пневматосфера) на атмосферу и Первичный Океан, началось образование двух типов земной коры: океанической базальтовой и континентальной гранитной. Почти одновременно с этим началось движение континентальных плит и морского дна.