Это случилось, считают ученые, примерно 3,5–4 миллиарда лет назад. Комочек, состоящий из молекулы РНК (а может быть, ДНК) и «насинтезированных» ею белков, обзавелся наружной оболочкой – мембраной, состоящей из жироподобных веществ – липидов. В результате получилось нечто, что уже можно было назвать живым организмом. Это нечто ученые считают первой, очень примитивной клеткой и называют такую клетку «прокариот» («доядерная»), потому что, в отличие от настоящих клеток, из которых состоит все живое, она не имела ядра.
Тем не менее эти самые прокариоты были уже вполне живые.
Во-первых, они питались. Пищей им служили полипептиды, которые беспрестанно образовывались из аминокислот в «первичном бульоне», – примерно такие же, как те, что профессор Фокс получил в своих опытах и скармливал крысам. Еще такие прокариоты могли питаться своими несостоявшимися собратьями – «белково-нуклеиновыми комочками», которые не успели обзавестись наружной мембраной и поэтому были совершенно беззащитны. Организмы, которые питаются за счет других организмов, называются гетеротрофными (от греческих слов heteros – «другой» и trophe – «пища»). Гетеротрофными являемся и мы с вами, и вообще все животные.
Во-вторых, живой организм вообще-то должен дышать. За счет дыхания он получает кислород, который необходим для того, чтобы в результате сложных химических реакций в клетке образовался собственный источник энергии, своего рода аккумулятор. Такими аккумуляторами являются молекулы АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).
Дышать прокариоты, конечно, не могли – на Земле тогда не было кислорода. Однако и сейчас есть организмы, которые обходятся без кислорода, и называются они анаэробные. Они получают энергию, необходимую для жизни, не за счет дыхания, а за счет брожения. Этот способ гораздо менее эффективный, чем дыхание, – примерно в 15–20 раз, но все-таки жить можно и так. Так что прокариоты хоть и не дышали, но «бродили».
В-третьих, прокариоты размножались, создавая себе подобных, ведь у них была для этого ДНК – в виде единственной молекулы, замкнутой в кольцо и «плавающей» посредине цитоплазмы.
Жили прокариоты в водоемах, вероятно, на глубине 10–50 м. Десятиметровый слой воды может защитить от губительного действия ультрафиолетовых лучей.
Прошло не так уж много времени (конечно, по космическим масштабам) – всего лишь несколько сотен миллионов лет – и прокариотов на Земле стало очень много, а поскольку все они ели, запас еды (органических соединений) в «первичном бульоне» постепенно истощался. Жить становилось все труднее, и, как это будет повторяться впоследствии на всех этапах эволюции, выживали те, кому удавалось лучше приспособиться к изменившимся условиям. (Это называется естественный отбор.) Такие особи жили дольше, а значит, успевали оставить больше потомков, которые, как и все дети, обладали качествами родителей.
Некоторые прокариоты решили, что не стоит ждать «милостей» от природы. Они перестали гоняться за готовыми органическими веществами и научились сами создавать их из воды и углекислого газа. А поскольку для этого требуются немалые затраты энергии, они научились заодно «совершать» такие химические реакции, при которых выделяется лишняя энергия, и тогда уже пускать эту энергию на строительство необходимых им органических веществ. Среди современных бактерий тоже есть такие организмы – они используют для подобных реакций либо азот атмосферы (азотфиксирующие бактерии), либо железо (железобактерии, или, иначе, ферробактерии), либо сероводород (серобактерии). Называются все они хемосинтезирующими бактерияими.
Нашлись среди прокариотов и такие, которые пошли еще дальше: в качестве источника энергии, необходимой для построения сложных веществ из простых, они стали использовать солнечный свет, да к тому же еще и выделять кислород в атмосферу. Иными словами, они научились фотосинтезу. Эти прокариоты получили название цианобактерии, но чаще их называют сине-зелеными водорослями.
Колония сине-зеленых водорослей
Сине-зеленые водоросли под микроскопом
Собственно, именно сине-зеленым водорослям мы должны быть благодарны за то, что живем. Именно они первыми приступили к созданию такой атмосферы, в которой могут существовать другие живые организмы. С тех пор так поступают все растения: забирают из атмосферы углекислый газ и превращают его в кислород, который отдают обратно в атмосферу.
Наконец, наиболее «консервативные» прокариоты ничего не стали менять в своей жизни (то есть в способе питания) и положились на судьбу. Судьба, впрочем, оказалась к ним благосклонна: вокруг них теперь были гораздо более «питательные» органические вещества, создаваемые сине-зелеными водорослями и хемосинтезирующими бактериями. Вообще с этого времени источником органических веществ в окружающей среде были уже только сами живые организмы (как в прямом смысле слова живые, так и умершие).
Сегодня мы называем всех прокариотов (кроме сине-зеленых водорослей) бактериями. Бактерии все разные – и по форме тела, и по способу питания. Некоторые, подобно растениям, способны к фотосинтезу и ведут совершенно «самостоятельный» образ жизни – то есть не нуждаются в других живых организмах, а используют энергию солнечного света. Правда, в отличие от растений (и сине-зеленых водорослей), они не выделяют кислород в атмосферу. Другие используют для жизни простые неорганические вещества – аммиак, соединения серы или железа. Третьим – таких большинство – необходимы органические вещества – углеводы, белки, жиры. Причем лишь немногие из этих бактерий такие «вредные», что вызывают различные заболевания у человека и животных.
Клетки сине-зеленых водорослей
По потребности в свободном кислороде (то есть в дыхании) бактерии тоже различаются. По этому признаку их можно разделить на три группы. Аэробным бактериям кислород необходим. Анаэробным – он не нужен и даже может быть вреден. А некоторым все равно, есть кислород или нет, они могут выжить и в кислородной, и в бескислородной среде. Их называют факультативными анаэробами.
Но среди первых бактерий аэробов не было, потому что не было еще кислорода в атмосфере.
По форме бактерии бывают шаровидные (кокки), палочковидные (бациллы) и извитые (вибрионы, спириллы).
Сине-зеленая водоросль – это одна-единственная клетка, то есть такой студенистый шарик диаметром 17–20 микрон (один микрон – это одна тысячная миллиметра). Клетка имеет толстую многослойную стенку, а иногда еще и «одета» в своеобразный слизистый чехол. И такая малютка умеет превращать внутри себя простейшие неорганические соединения в сложнейшие органические. Для этого ей необходимы только вода, углекислый газ и солнечный свет. В цитоплазме клетки сине-зеленой водоросли свободно лежат мембраны, содержащие хлорофилл и дополнительные пигменты. У многих клеток есть также вакуоли, наполненные азотом, которые регулируют плавучесть клетки и позволяют ей «парить» в толще воды.
Жили сине-зеленые водоросли и «одинокими» клетками, и нитчатыми колониями, которые представляют собой цепочки, образовавшиеся в результате последовательного деления клеток в одном направлении.
Cине-зеленые водоросли: 1, 2 – сверлящие; 3, 4 – туфообразующие
Сине-зеленые водоросли благополучно «дотянули» до наших дней и почти не изменились. Они предпочитают в основном пресноводные водоемы, но вообще-то живут везде. Еще и сегодня они первыми осваивают безжизненные прежде места – вулканические острова, лавовые потоки и т. п. Некоторые из них очищают воду – за счет того, что питаются продуктами гниения; многие входят в состав лишайников и планктона.
Многоклеточный организм, если он не имеет скелета, как правило, не оставляет после себя никаких следов. И даже организм, имеющий скелет, как мы уже говорили, совсем не обязательно будет найден в виде ископаемого. Что же говорить о таком «ископаемом», как одна клетка!
Но все-таки ученым повезло. Дело в том, что иногда, очень редко, «мягкие» организмы после своей смерти оказываются захороненными в иле так, что разлагаются очень медленно и их тела постепенно замещаются твердым веществом (кремнием). В этом случае есть шанс их найти – вернее, случайно «наткнуться» на них.
Самые древние живые организмы – сине-зеленые водоросли и бактерии – обнаружены в археозойских породах, имеющих возраст 3,1–3,8 миллиарда лет, в различных районах земного шара – Гренландии, Южной Африке, Западной Австралии. Так, в кремнистых сланцах Свазиленда (Восточный Трансвааль, Южная Африка) встречаются разные микроскопические структуры. Одни имеют форму шариков диаметром 17–20 микрон – это сине-зеленые водоросли; другие – форму палочек длиной 0,5–0,7 микрон и толщиной 0,2–0,3 микрон – это бактерии.
Ископаемые остатки организмов из формации Ганфлинт (Канада)
Образование строматолитов
Строматолит
И все-таки про все эти находки нельзя сказать точно, что они – ископаемые, то есть когда-то были живыми организмами. Может быть, это какие-то причуды неживой природы. Но к счастью, есть находки другого рода. Оказывается, сине-зеленые водоросли умели выделять известь и строить нечто вроде современных коралловых рифов. Эти их постройки называются строматолиты, что в переводе с греческого означает «ковровый камень». Так, в 1950 году возле озера Верхнее американский биолог Элсо Баргхоорн нашел следы окаменевших колоний сине-зеленых водорослей в породах, датируемых возрастом 1,9–2 миллиарда лет. Здесь есть довольно разнообразные микроорганизмы: и нитчатые, и одноклеточные.