Возникновение растительной формы жизни

Органические вещества, которыми питались первичные организмы, возникли в определённый период истории Земли и при определённых условиях, поэтому в первичных водоёмах их было ограниченное количество и они рано или поздно должны были исчерпаться в процессе питания живых существ. Изменение условий существования последних становилось всё более и более резким. Всё более и более возрастали противоречия между исторически сложившейся потребностью организмов в питании органическими веществами для построения своего тела и возможностью удовлетворить эту потребность из внешней среды. Это противоречие могло быть разрешено лишь изменением характера обмена веществ у организмов, связанным с приспособлением последних к питанию обильно представленными в окружавшей их среде неорганическими веществами. Способность приспособления к новым, изменённым условиям, несомненно, была присуща живой материи на всех этапах её развития. Энгельс писал по этому поводу: "Раздражение протоплазмы и реакция протоплазмы имеются налицо всюду, где есть живая протоплазма. А так как протоплазма, благодаря действию медленно изменяющихся раздражений, подвергается таким же изменениям, - иначе она бы погибла, - то ко всем органическим телам необходимо применить одно и то же выражение, а именно приспособление"^*.

^*(Фридрих Энгельс, Анти-Дюринг, 1960, стр. 321.)

Мы не знаем деталей реагирования протоплазмы первичных организмов на всё возраставший голод от недостатка привычной пищи и деталей её приспособления к новым условиям существования. Однако можно определённо утверждать, что организмы в своей эволюции на данном этапе прошли путь изменения характера обмена веществ в сторону усвоения новых пищевых ресурсов - неорганических веществ - и тем самым дали начало новой специфической форме живой материи - растительному миру.

Изучение биологии ряда ныне живущих растительных организмов из числа наиболее просто построенных позволяет представить некоторые важнейшие стороны в становлении растительной формы жизни.

Характернейшим для растительного мира образованием являются пигменты, главным образом зелёный пигмент - хлорофилл. При помощи пигментов, как мы уже говорили, растения улавливают световую энергию, используемую при образовании органических веществ из углекислоты и воды. Появление таких пигментов у живых существ поднимало на значительно более высокую ступень их организацию и обеспечивало органическому миру новые широчайшие возможности не только для выживания, но и для дальнейшего поступального развития органического мира. Понятно, какое важное значение для понимания путей, приведших к возникновению растительных организмов и их дальнейшего развития, имеет раскрытие истории возникновения пигментов в органическом мире.

При поисках наиболее простых организмов, имеющих пигментный аппарат для поглощения световой энергии, наш взор прежде всего останавливается на окрашенных серобактериях (рис. 5).

Рис.5. Окрашенные бактерии (1,2,3, 4) (пурпурные и зелёные) - колонии на искусственной питательной среде

Серобактерии широко распространены в природе. Они обитают обычно в серных источниках и водоёмах, где идёт гнилостное разложение растительных и животных остатков и где в силу этого постоянно выделяется сероводород. Лечебные серные грязи обязаны своими свойствами деятельности серобактерий.

Среди бесцветных в большинстве серобактерий были открыты и окрашенные формы. Пурпурная (красная) и зелёная окраски их зависят от пигментов, равномерно пропитывающих всю протоплазму.

Эти пигменты приближаются к характерным для растительного мира каротинидам и хлорофиллинам, т. е. к каротину и основному зелёному пигменту растений - хлорофиллу, хотя во многом они и отличаются.

Было установлено, что у некоторых пигментных сапрофитных серобактерий (как правило, серобактерии - самостоятельно питающиеся неорганическими веществами путем хемосинтеза организмы) на свету облегчается усвоение органических веществ. Это указывает на то, что появление пигмента у организмов, питающихся органическими веществами, является приспособлением к улавливанию из внешней среды световой энергии.

В данном случае эта энергия явилась дополнением к той энергии, которая получалась старым способом - за счёт окисления органических веществ.

Недавно путём опытов также установлено, что такие пурпурные серобактерии на свету могут окислять сероводород при отсутствии свободного кислорода (обычно же процесс окисления сероводорода, а также и серы в теле серобактерий идёт за счёт свободного кислорода, и при этом освобождается энергия). Опыты показывают, что световая энергия, поглощённая пигментом, используется для расщепления молекул воды. Происходит процесс так называемого фотолиза воды - разложение на свету молекулы воды на водород и гидроксил, состоящий из одной частицы водорода и одной частицы кислорода: Н20- Н + ОН. Это заставляет предположить, что на свету у пурпурных бактерий окисление идёт за счёт связанного кислорода, а отщепляющийся водород используется для восстановительных реакций.

Указанные наблюдения и опыты с пигментными бактериями имеют очень большую познавательную ценность для восстановления картины процессов, которые могли иметь место при зарождении растительных организмов. Эти наблюдения показывают: 1) что у организмов, питающихся ещё органическими веществами, могло появиться в протоплазме вещество типа пигментов, которое давало возможность улавливать энергию из внешней среды и использовать её при созидании живой материи, 2) что благодаря таким пигментам у организмов, живущих в бескислородной среде, появилась более широкая возможность для окислительных реакций и 3) что благодаря пигментам появилась возможность получать энергию для расщепления молекул воды.

Все вместе взятое указывает на возможные пути появления на арене жизни нового мощного фактора в обмене веществ - фотохимических реакций, т. е. реакций при участии света. Этим реакциям суждено было сыграть важнейшую роль не только в развитии растительного мира, но через него и во всей дальнейшей истории органической жизни на Земле.

Особенно важную роль сыграла приобретённая организмами благодаря пигментам возможность расщепления на свету молекул воды (фотолиз). Ряд добытых наукой за последнее время знаний о фотосинтезе позволяет считать, что в основе его лежит именно расщепление воды,, а не расщепление молекулы углекислоты, как предполагали ранее. Отщепившийся при фотолизе водород идёт, как мы уже говорили, на восстановительные реакции, он действует главным образом на углекислоту, связанную с пигментом, и это приводит в конечном счете к образованию органического вещества из неорганических веществ. Оставшийся же после отщепления из воды водорода гидроксил (ОН) после ряда превращений даёт снова воду, и, самое главное, при этом отщепляется свободный, кислород.

Таким образом, с появлением красящих веществ - пигментов - живая материя сделала огромный шаг вперёд: не только расширились возможности использования нового мощного источника энергии - света, что, прогрессивно развиваясь, привело к возникновению новых, более совершенных пигментов, как хлорофилл, и к более совершенному осуществлению синтеза органического вещества, но открылась возможность освобождения молекулярного кислорода.

В природе с этого момента появился свободный кислород, выделяемый организмами, появился весьма активный окислитель. Органические вещества, которые использовались первичными организмами для питания путём окисления их при помощи воды (анаэробный обмен), прогрессивно уменьшались в природе. Огромное же количество других веществ было недоступно для использования организмами. Появление кислорода в качестве нового и при этом мощного окислителя сделало многие из них доступными организмам. Только с этого времени могли появиться среди бесцветных (не имеющих пигментов) организмов самостоятельно питающиеся (автотрофные) бактерии, которых раньше ошибочно принимали за первенцев жизни на Земле. Возникли железобактерии, нитрифицирующие бактерии, серобактерии, добывающие внутри своего тела энергию за счёт окисления закиси железа, аммиака и сероводорода при помощи кислорода, поступающего извне. Так возник процесс хемосинтеза, который позволял организмам, не имеющим пигментов, использовать, при помощи энергии от окислительных процессов, неорганические вещества для построения своего тела.