Проявляемая довольно отчетливо эта разница позволяет по изотопному составу углерода заключить, имеет ли он органическое или неорганическое происхождение. Это же касается процесса фотосинтеза. Поглощая углекислый газ, живые организмы с помощью солнечного света вырабатывают органические соединения, выделяя кислород. Если учесть только превращение элементов, то этот процесс можно описать так: атом углерода неорганического происхождения, попадая внутрь организма, превращается в органический углерод, выделяя наружу одну молекулу кислорода. Тогда одному атому углерода органического вещества соответствует одна молекула кислорода.
Поскольку органический углерод характеризуется изотопным составом, обогащенным углеродом-12, его существование можно оценить вполне достоверно. Основываясь на этом, Сидоровски решил оценить изотопное отношение углерода, входящего в состав докембрийских осадочных пород. Сопоставление результатов анализа, полученных различными исследовательскими группами и относящихся к образцам пород, собранных по всему свету (их число достигало 53), показало, что все образцы пород четко делятся на две большие группы относительно содержания углерода-13 — с большим содержанием (неорганическое происхождение)и с малым содержанием (органическое происхождение).
В настоящее время существование кислорода в атмосфере обычно связывают с процессом фотосинтеза зеленых растений. Хотя рассматривались и другие возможные механизмы (как, например, выделение кислорода при расщеплении молекул паров воды под действием ультрафиолетового излучения), их интенсивность оказалась недостаточной, чтобы объяснить наблюдаемое сейчас высокое содержание кислорода в атмосфере Земли. Низкое содержание молекул кислорода в атмосфере Марса еще раз подтвердило, что органические процессы, связанные с жизнедеятельностью организмов, существенно влияют на присутствие кислорода в атмосфере.
Количество кислорода в докембрийской атмосфере Земли можно поэтому оценить по следам жизнедеятельности живых организмов. Исходя из этих позиций, немецкий ученый Сидоровски попытался решить проблему атмосферного кислорода, используя изотопное отношение углерода. Природный углерод представлен двумя стабильными изотопами — углеродом-12 (99%) и углеродом-13 (1%). Их отношение в зависимости от обстановки может изменяться на несколько процентов. Причем в углероде неорганического происхождения по сравнению с углеродом из живых организмов имеется большая доля углерода-13.
Из факта существования полосчатых руд железа Клауд сделал заключение о том, что в докембрийской атмосфере Земли должен был присутствовать кислород. Ведь для отложения окисла железа необходимо, чтобы в морской воде была достаточно высока концентрация кислорода. Если бы эта концентрация была бы недостаточно высокой, железо растворялось бы в воде и отложение его стало бы невозможным. С другой стороны, наличие полосчатости в докембрийских рудах железа указывает на то, что в те времена концентрация кислорода в морской воде периодически очень сильно менялась. В некоторые моменты она была достаточно высокой и начиналось отложение окислов железа, но затем вновь снижалась так, что их отложение прекращалось.
Таким образом, полосчатые руды железа свидетельствуют о том, что в среднем докембрии (около 1,5—2,0 миллиардов лет назад), когда в основном отлагались эти руды, в земной атмосфере, видимо, еще не накопилось достаточно большого количества кислорода, содержание которого периодически изменялось в очень широких пределах. Правда, колебания содержания кислорода в атмосфере могли и не быть причиной изменений концентрации кислорода в морской воде. Можно, например, в качестве такой причины рассматривать выделение кислорода в процессе фотосинтеза появившимися в морской воде водорослями.
Изучение изотопных отношений углерода из докембрийских карбонатов, как утверждают исследователи, как раз и позволяет проследить присутствие кислорода в морской воде достаточно далеко в глубь докембрия.
Появление кислорода на Земле является наиболее фундаментальным ограничительным условием при рассмотрении вопросов, связанных с происхождением жизии. Как специалистами в области наук о Земле, так и биологами выдвигались различные предположения по этому поводу. Давайте познакомимся с обнаружением Престоном Клаудом связи между залежами полосчатых руд железа и существованием кислорода в ранней атмосфере Земли. Обратив внимание на полосчатые руды железа, один из видов осадочных пород, характерных только для докембрия, Клауд привел доводы в пользу того, что их образование связано с наличием кислорода в докембрийской атмосфере Земли.
Полосчатые руды железа состоят из чередующихся слоев, образованных главным образом микрокристаллами кварца и окислами железа (гематитами). Руды железа столь примечательного минерального состава встречаются лишь в залежах, возраст которых не позже кембрия. Залежи полосчатых руд железа встречаются среди самых древних пластов (образовавшихся около 3,7 миллиарда лет назад), найденных на западном побережье Гренландии. Таким образом, допустимо предположить, что существование залежей, подобных полосчатым рудам железа, отражает характерную для докембрия обстановку осадконакопления.
Высказывается и еще одно предположение, сторонники которого пытаются найти источник происхождения жизни за пределами Земли. По их мнению, жизнь, зародившаяся на других планетах, затем каким-то путем была перенесена на Землю. Однако в этом случае необходимо объяснить, как она сумела защититься от жесткого излучения в Солнечной системе.
Кроме того, существует предположение о том, что в начальной атмосфере, кроме двуокиси углерода, локально существовала окись углерода. Дело в том, что в смеси из окиси углерода, азота и воды образование органических соединений под действием электрических разрядов уже не является невозможным.
Однако представляется, что в любом случае до окончательного решения проблемы еще далеко. И уже сейчас ясно, что это не по силам решить наукам о Земле и биологии самостоятельно, то есть оставаясь только в своих границах. При рассмотрении истории Земли возникновение на ней жизни является важным ограничительным условием. С другой стороны, при изучении проблемы происхождения жизни невозможно игнорировать условия, существовавшие тогда на Земле, ставшей домом, где обитает все живое.
В настоящее время с целью решения этой проблемы выдвинуто несколько альтернативных гипотез. Обращает на себя внимание предположение об особом состоянии земной поверхности на ранних стадиях существования Земли. Это состояние было похоже на современный лунный грунт (представляющий собой мельчайшие обломки пород), слагающий поверхностный слой Луны. Как полагают сторонники этой гипотезы, в период завершения формирования Земли (более 4 миллиардов лет назад) ее атмосфера была очень тонкой. А поскольку она была очень разреженной, солнечный ветер и ультрафиолетовое излучение, по-видимому, почти беспрепятственно могли достигать земной поверхности. В результате поверхностные породы Земли разрушались, образуя мельчайшие частицы (земной реголит).
Однако решающим моментом являлось то, что тогда у Земли в отличие от Луны уже существовала атмосфера, хотя и довольно разреженная. Эта атмосфера, по-видимому, в основном состояла из углекислого газа, воды и азота, которые проникали в щели и трещины зерен реголита. Попадающие в поры и трещины молекулы воды и углекислого газа плотно прилегали к стенкам трещин. И за счет того, что при этом увеличивалась площадь контакта реагирующих веществ, вероятность возникновения химических реакций увеличивалась. Воздействие солнечного ветра и ультрафиолетового излучения, легко проходящих сквозь разреженную атмосферу, еще более форсировали химические реакции. В таких условиях стало возможным возникновение сложных органических соединений в атмосфере.
Во-первых, вызывает сомнение предположение Юри — Миллера о том, что химический состав ранней атмосферы был близок к составу протосолнечной туманности. Ранее приводились данные о том, что атмосфера Земли могла образоваться из газов, выделившихся из недр планеты. Химический состав этих газов должен был отличаться от состава протосолнечной туманности. Например, во время аккумуляции вещества Земли из протосолнечной туманности инертные газы должны были захватываться в относительно меньших количествах. Действительно, как уже говорилось, по сравнению со средним химическим составом Солнечной системы содержание инертных газов в атмосфере Земли крайне ничтожно.
Во-вторых, Юри и Миллер в качестве температуры, определявшей формирование химических соединений в начальной атмосфере, предполагали комнатную температуру. Однако если атмосфера выделилась из недр, температура, соответствующая началу выделения газов, вероятно, равнялась 1000°С и более.
Если же попытаться определить состав атмосферы, выделившейся из внутренних недр Земли при этой температуре, из расчетов получится, что она должна состоять из углекислого газа, азота и паров воды. С другой стороны, такая атмосфера не позволяет получить органическое вещество с помощью электрических разрядов.
В том, что Миллер и Юри выбрали в качестве материала для опыта такую, на первый взгляд, странную смесь, как аммиак, метан и пары воды, были свои причины. Ученые тогда предполагали, что ранняя атмосфера имела именно такой состав. В то время считалось, что первоначально, при возникновении Земли, ее атмосфера имела химический состав, схожий с составом протосолнечной туманности. В этой ранней атмосфере содержались водород, кислород, а также азот и углерод, которые, вступая в реакции между собой, образовывали устойчивые химические соединения. Какие конкретно химические соединения возникали при этом, зависело от температуры такой начальной атмосферы.
Миллер и Юри, разделяя общее в то время мнение о том, что аккумуляция вещества Земли происходила при сравнительно низкой температуре, в качестве температуры ранней атмосферы приняли комнатную (25°С). Если исходить из этой температуры, то с помощью термодинамических расчетов можно получить состав начальной атмосферы, состоящей из метана, аммиака, паров воды.
Во время гроз, происходящих в такой атмосфере, благодаря электрическим разрядам могло образоваться сложное органическое вещество. В результате постепенной эволюции, согласно предположению Юри — Миллера, из него образовались первые простейшие организмы. Однако сама идея о метано-аммиачно-водяной первоначальной атмосфере Земли сталкивается с некоторыми затруднениями.
Приведенные здесь данные, основывающиеся на геохронологическом подходе, свидетельствуют в пользу того, что атмосфера и гидросфера Земли достигли состояния, близкого к современному, уже на ранних стадиях существования нашей планеты. Однако, думается, состав атмосферы того времени все же довольно существенно отличался от современного. И действительно, ведь одну четвертую часть атмосферы сегодня занимает кислород, образующийся в процессе жизнедеятельности организмов. А могла ли атмосфера, образовавшаяся за счет выделения газов из земных недр, иметь такой состав?
Различные предположения о составе атмосферы ранних стадий земной истории (до возникновения жизни) уже довольно давно выдвигались биохимиками, изучающими вопросы происхождения жизни. Одно из наиболее выдающихся исследований по этому вопросу принадлежит работавшему в то время в Чикагском университете лауреату Нобелевской премии X. Юри. Он и его ученик С. Миллер, исследуя факторы, способствовавшие возникновению жизни на Земле, пытались получить органические молекулы из неорганических. Они установили, что сложные органические молекулы можно синтезировать, если пропускать электрический разряд через смесь газов, состоящую из метана, аммиака и паров воды. Это был известный опыт Юри — Миллера.
Изотопные отношения инертных газов, в частности гелия и аргона, в алмазах оказались сильно отличающимися от атмосферных значений. В то же время они близки к значениям, характерным для вулканических горных пород. При анализе инертных газов и в вулканических породах и в алмазах отношение содержания аргона-40 к содержанию аргона-Зб превышало 5000. Из этого следует, что выделение основной массы атмосферного аргона (более 80%) должно было произойти в самом начале истории Земли, вероятно, в течение первых 500 миллионов лет. Оставшиеся 20%, видимо, выделились впоследствии в результате вулканической деятельности (и это, по-видимому, относится и к другим составляющим атмосферы).
Итак, основываясь на изотопном составе аргона, стало возможным получить количественные характеристики времени и способа выделения газов атмосферы из земных недр. Если процесс выделения газов был взрывоподобным, он должен был бы охватывать всю планету. С каким конкретным событием в истории Земли это могло бы быть связано? Дать ясный ответ на этот вопрос мы сегодня не в состоянии. С наиболее высокой вероятности) таким событием, охватившим всю Землю и сопровождавшимся крупномасштабным выделением газов, мог быть процесс расслоения Земли на ядро и мантию. Однако в настоящее время это утверждение не выходит за рамки гипотезы.