Зарождение жизни на земле

Чему равна вероятность случайного возникновения жизни? Когда и как произошла жизнь на нашей планете? Куда направлена биологическая эволюция? Эти вопросы всегда будут волновать человечество.

СЕГОДНЯ – окончание интервью (начало в «АН» №1–3)с научным руководителем лаборатории эволюции и экологии биосистем, доктором биологических наук Валерием ЗЮГАНОВЫМ. Мы говорим о загадках зарождения жизни, о главных направлениях и основных путях биологической эволюции.

– И какая же цель этого эксперимента?

– Мне импонирует теория Зотина: «Предназначение человечества – тушить звёзды».

– Тушить звёзды?! Кто такой Зотин?

– Александр Ильич Зотин – крупный биофизик, завлабораторией биофизики развития ИБР РАН. Оппонент моей докторской диссертации, он даже любезно согласился поехать со мной в Санкт-Петербург на защиту весной 1994 года. Во время той поездки и позже мы не раз обсуждали его пионерские идеи. Спорили по частностям и по существу.

Зотина не устраивали основные положения господствующей тогда синтетической теории эволюции: постулат эволюционного прогресса в виде усложнения морфологической организации организмов и освобождения зависимости от среды, по мнению Зотина, страдал отсутствием чёткого критерия – что есть прогресс и как его измерить?

«Нужен параметр, который можно измерить у любого организма и сравнить, например, у инфузории, муравья и слона», – подчёркивал Зотин. И он нашёл такой универсальный параметр, по которому можно измерить эволюцию.

Но вначале о термодинамике. Без неё никуда. Биофизик Зотин использовал для своей теории эволюции два принципа термодинамики: наименьшей диссипации энергии и наискорейшего спуска.

– Валерий Валерьевич, у нас научно-публицистический «сериал»…

– Постараюсь, чтобы было понятно. Согласно второму началу термодинамики, при протекании необратимых процессов энтропия (беспорядок, хаос) изолированной системы возрастает и к состоянию равновесия достигает максимальной величины.

Например, представьте, что мы на девственном необитаемом острове построили добротный кирпичный дом, но не будем затем поддерживать его дальнейшее существование теплоснабжением, ремонтом и т.д. Со временем под влиянием солнца, ветра, мороза, снега, дождя и т.д. и т.п. он начнёт ветшать, сыпаться и в итоге превратится в груду кирпичей, которые тоже позже растворятся. В конце концов, что опять останется? Да, девственный остров. Система снова пришла к состоянию равновесия и максимальной энтропии путём наискорейшего спуска.

– Без организующей силы любая новая система деградирует до первичного состояния.

– Да. Теперь главный вопрос: почему с течением времени организмы и экосистемы на земле усложнились, а не остались каплями (или коацерватами, по А. Опарину) в бульоне? Ответить на этот вопрос поможет найденный Зотиным универсальный параметр энергетической меры эволюционного процесса – стандартный обмен.

Стандартный обмен – это потребление организмом кислорода единицей массы тела в единицу времени в состоянии покоя при температуре +20. Зотин экспериментально исследовал стандартный обмен на многих десятках животных и собрал из мировой литературы тысячи примеров. Оказалось, что стандартный обмен от простейших до млекопитающих и птиц увеличивается по мере протекания биологической эволюции в сотни раз. Происходит последовательное появление животных с всё более высоким уровнем стандартного обмена, то есть увеличиваются энергетические возможности организма.

Стандартный обмен дал возможность количественно оценить скорость эволюционного процесса в реальных величинах – ваттах за миллион лет.

– Как можно посчитать энергетический обмен у вымерших?

– Зотин взял данные о ныне живущих организмах и пересчитал на момент зарождения этих видов в соответствующую геологическую эпоху. В кембрий (570–500 миллионов лет назад) – скорость эволюции составляла приблизительно 0, 005 милливатта на грамм массы за миллион лет. Ордовик (500–440 млн лет) – 0, 011. Девон (410–350 млн лет) – 0, 014. Карбон (350–270 млн лет) – 0, 024.Триас (230–195 млн лет) – 0, 076. Юрский период (195–135 млн лет) – 0, 099. Меловой период (110–70 млн лет) – 0, 192. Плейстоцен (7–2 млн лет назад) – 0, 269 мВт/г.

И, хотя значения энергии определены недостаточно точно, всё равно они показывают, что биоэнергетический прогресс шёл с нарастающей скоростью. Усиление энергетического обмена было чрезвычайно полезным для выживания животных в их борьбе за существование. И в итоге привело к возникновению цивилизации. Ведь температура тела млекопитающих равна 36–38 градусам, птиц – 40–41. Дальнейшее усиление энергетического обмена и сопутствующее ему повышение температуры тела невозможны – существует «тепловой барьер», за которым происходит свёртывание ряда белков и гибель организма. Природа, однако, нашла другой путь – возникновение цивилизации, появление сознания.

– Природа? Не «некто», не Творец, а сама?

– Да, человечество научилось использовать не только энергию, заключённую в пище, но и энергию горючих материалов, рек, ветра и Солнца, атомную энергию. Расчёты показали, что первобытный человек получал с пищей и расходовал не более 2 тысяч килокалорий за сутки, с началом использования огня потребление энергии увеличилось до 5 тысяч, а сейчас в развитых странах оно превышает 200 тысяч. В США – 430 тысяч ккал/сутки.

Возникновение цивилизации – неизбежный результат прогресса, но вот что интересно – если бы не появился человек, на его месте, возможно, оказался бы другой вид. Об этом заставляют думать и данные о возрастании объёма мозга в разных классах и типах животных.

– Ага, цивилизация динозавров…

– Вполне. Есть такой объективный процесс, как изменение размеров мозга в процессе эволюции. В сравнительных исследованиях биологи используют так называемый коэффициент энцефализации – удельную массу мозга животного относительно массы его тела. Расчёт, по палеонтологическим данным, показал, что в процессе эволюции млекопитающих средняя величина этого коэффициента в эоцене была равна 0, 026, в плейстоцене – 0, 055, а у современных видов составляет 0, 115. Особенно этот коэффициент велик, конечно, у человека – 0, 77. Человек сильно обогнал другие виды и практически полностью перекрыл возможности для появления на Земле иных цивилизаций.

Но всё могло быть и по-другому, так как первыми среди позвоночных на путь увеличения массы мозга встали как раз представители класса рептилий – динозавры. Коэффициент энцефализации небольших хищных динозавров из отряда целурозавров близок к показателям для современных млекопитающих и равен приблизительно 0, 126. Не исключено, что эта группа динозавров могла бы ещё миллионы лет назад сформировать мозг, сопоставимый с человеческим, и, кто знает, сегодня на Земле существовала бы совсем иная цивилизация.

– А кто ещё мог бы образовать цивилизацию?

– Из беспозвоночных кандидаты – муравьи и головоногие моллюски – осьминоги. Из позвоночных – вороны. На островах Новой Каледонии вороны умеют сами изготавливать рыболовные крючки для ловли рыбы и пользоваться торговыми автоматами.

Таким образом, процесс возникновения цивилизации пошёл задолго до появления человека и продолжается до настоящего времени. Исчезновение человечества (по собственной глупости или по иной причине) не остановит его, пока на Земле сохраняются живые организмы и продолжается биологическая эволюция.

– И всё же – ваше мнение – конечная цель человечества?

– Спросили бы что полегче. Вся наша с вами сегодняшняя дискуссия – это скорее интеллектуальная игра ума. В ответ на ваши вопросы я просто пытаюсь систематизировать известные факты и гипотезы.

Но будем оптимистами. В целом развитие человечества сопровождается ростом уровня жизни, который требует всё больше энергии. По расчётам российского астрофизика И.С. Шкловского, количество производимой энергии за последние 200 лет удваивалось каждые 20 лет и в 80-х годах прошлого века составляло примерно 61012 ватт. При таких темпах через 200 лет оно дойдёт до 31015 Вт, а это уже один процент поступающей на Землю энергии Солнца. Дальнейшее увеличение производства энергии приведёт к заметному нагреву планеты и, вполне вероятно, к таким изменениям климата, что жизнь на Земле станет невозможной. Преодолеть этот «тепловой барьер» можно, видимо, только выведя в космическое пространство энергоёмкие производства.

– Получается, или человечество погибнет, или…

– Я думаю, что возможная цель «кураторов» – это выпестовать цивилизацию, способную потреблять энергию звёзд плюс обеспечить «незамусоренность» окружающих пространств.