Бактериальная трофическая система

Предварительным условием для возникновения любого вида организмов является появление условий для его существования, экологической ниши, соответствующей его функциональным характеристикам. В случае бактерий, признанных древнейшей группой обитателей Земли, вопрос приобретает особую остроту: ниша должна быть сформирована не в результате биологической эволюции, а иным путем.

Принято делить организмы на продуцентов, консументов, деструкторов («редуцентов»). Всякая биологическая система представляет пирамиду, в основании которой лежат продуценты. Однако в бактериологии долгое время господствовала идея о том, что первоначальная трофическая система состояла из деструкторов, пожиравших абиогенное органическое вещество. Это построение было необходимо для того, чтобы оправдать эволюцию физиологии бактерий от простого к сложному, от организмов с ограниченными биосинтетическими возможностями к такой полноценной системе обмена, которая имеется у наиболее сложных прокариот — фотоавтотрофных цианобактерий. Сторонники этих взглядов не замечали, что вопрос об эволюции от простого к сложному здесь отнюдь не решается. Сложность системы организм—среда остается постоянной, и все, что организм не может синтезировать сам, должно синтезироваться в среде его обитания. Принципиальная возможность абиогенного синтеза разнообразных органических веществ показана достаточно убедительно, но вопрос состоит в том, насколько реализовалась такая возможность в первоначальной трофической системе.

Сейчас накоплен достаточный материал за всю историю осадочных оболочек Земли, чтобы утверждать, что органического углерода всегда было много и некоторые древние породы сильно графитизированы (Сидоренко, Сидоренко, 1975); что органический углерод за 3,5 млрд. лет существования осадочных пород на Земле образовался путем автотрофной ассимиляции углекислоты (Галимов, 1981; Biogeochemistry..., 1980).

Последний вывод основан на том, что включение СО2 в обмен под действием рибулозобисфосфаткарбоксилазы приводит к облегчению изотопного состава органического углерода 13С/12С = —25‰. Именно такое облегчение, если отвлечься от более тонких закономерностей (Галимов, 1981), наблюдается на всем протяжении осадочной летописи. Поскольку иные способы ассимиляции СО2, например анаэробами, дают иной изотопный состав, то можно утверждать, что органический углерод во все это время синтезировался таким же путем, как сейчас. Это значит, что в рассматриваемый период трофическая пирамида имела нормальную структуру: продуценты — деструкторы. Более того, с меньшей надежностью можно полагать вероятным, что продуценты были аналогичны современным цианобактериям, поскольку анаэробные фототрофы и хемоавтотрофы дают отличающееся разделение изотопов.

{154}

Поиски ископаемых остатков бактерии в древнейших породах Земли в последние годы очень успешны. Находки ископаемых остатков бактерий лимитировались наличием неметаморфизированных осадочных пород соответствующего возраста. Правильная датировка находки представляет сложную задачу, требующую не меньшего профессионализма, чем установление последовательности нуклеотидов. Особенно важно учитывать точное положение находки на месте. Несмотря на все погрешности, надо отметить, что в породах возрастом 3,5 млрд. лет наблюдаются и микрофоссилии, и макроскопические остатки деятельности бактерий — строматолиты. Таким образом, независимые пути исследования приводят к выводу, что 3,5 млрд. лет назад микробная система функционировала.

Можно ли считать, что эта система функционировала ранее? Осадочные породы Исуа возрастом 3,8 млрд. лет метаморфизованы, и опубликованные оттуда находки не убедительны. Данные по Алдану недостаточно систематизированы. Тем не менее по сумме косвенных свидетельств возможно, что бактериальная система действовала 3,8 млрд. лет назад. Более древние породы пока неизвестны, найдены лишь обломочные минералы. Принципиальный вопрос состоит в том, имеем ли мы право, обсуждая эволюцию бактерий, двинуться ранее даты, зарегистрированной геологической летописью. Это зависит от тех причин, которыми обусловлен перерыв в летописи. Возможны следующие объяснения.

1. Более древние осадочные породы пока не найдены, поскольку они скрыты под более поздними отложениями.

2. Древнейшие осадочные породы уничтожены событиями, имевшими место 3,9 млрд. лет назад, но тогда возникает вопрос: могли ли пережить эти события живые существа?

3. Осадочные породы ранее 3,9 млрд. лет назад вообще не образовывались, так как условия на Земле еще не стабилизировались, и, следовательно, развитие жизни маловероятно.

Время образования Земли предполагается 4,6 млрд. лет назад. В период до появления первых осадочных пород и жизни необходимо включить завершение аккреции, формирование атмосферы и гидросферы и модификацию их состава до пределов, сопоставимых с деятельностью живых существ уже 3,8 млрд. лет назад. Отсюда появление жизни относят к времени около 4 млрд. лет назад. О физико-химических условиях на Земле в этот момент пока практически ничего неизвестно.

Как бы то ни было, дефицит времени заставляет допускать необычайно быструю эволюцию бактерий, несопоставимую с дальнейшими темпами эволюции этой же группы организмов. Не следует забывать, что каждая функциональная система бактериальной клетки, будь то белок-синтезирующая система или система фотосинтеза, практически исключает возможность случайного возникновения. Поэтому допустимо искать возмещения наблюдаемого дефицита времени в возможности того, что некоторые этапы происходили в космическом пространстве.

Эти гипотезы также допускают экспериментальную проверку.

Таким образом, в индуктивном исследовании эволюции бактерий при современном состоянии знаний бактериолог вынужден принять время 3,8–3,5 млрд. лет назад за отправной пункт своей работы.