Происхождение жизни на Земле - один из наиболее трудных и в то же время актуальный и интересный вопрос в современном естествознании.
Земля сформировалась, вероятно, 4,5-5 млрд. лет назад из гигантского облака космической пыли. частицы которой спрессовались в раскаленный шар. Из него в атмосферу выделялся водяной пар, а из атмосферы на медленно остывавшую Землю в течение миллионов лет в виде дождей выпадала вода. В углублениях земной поверхности образовался доисторический Океан. В нем примерно 3,8 млрд. лет назад зародилась первоначальная жизнь.
Возникновение жизни на Земле
Как произошла сама планета и как на ней появились моря? По этому поводу существует одна широко признанная теория. В соответствии с ней Земля образовалась из облаков космической пыли, содержащей все известные в природе химические элементы, которые спрессовались в шар. Горячий водяной пар вырывался с поверхности этого раскаленного докрасна шара, окутывая его сплошным облачным покровом, Водяной пар в облаках медленно охлаждался и превращался в воду, которая выпадала в виде обильных непрерывных дождей на еще раскаленную, пылающую Землю. На ее поверхности она снова превращалась в водяной пар и возвращалась в атмосферу. За миллионы лет Земля постепенно потеряла так много тепла, что ее жидкая поверхность, остывая, начала твердеть. Так образовалась земная кора.
Прошли миллионы лет, и температура поверхности Земли еще больше понизилась. Ливневые воды перестали испаряться и стали стекать в огромные лужи. Так началось воздействие воды на земную поверхность. А потом из-за понижения температуры произошел настоящий потоп. Вода, которая до этого испарялась в атмосферу и превратилась в ее составную часть, беспрерывно низвергалась на Землю, с громом и молниями обрушивались из облаков мощные ливни.
Мало-помалу в самых глубоких впадинах земной поверхности скапливалась вода, которая уже не успевала совсем испариться. Ее было так много, что постепенно на планете образовался доисторический Океан. Молнии рассекали небо. Но никто этого не видел. На Земле еще не было жизни. Непрерывный ливень начал размывать горы. Вода стекала с них шумными ручьями и бурными реками. За миллионы лет водные потоки глубоко разъели земную поверхность и кое-где появились долины. В атмосфере уменьшалось содержание воды, а на поверхности планеты ее скапливалось все больше.
Сплошной облачный покров становился тоньше, пока в один прекрасный день Земли не коснулся первый луч солнца. Непрерывный дождь кончился. Большую часть суши покрыл доисторический Океан. Из ее верхних слоев вода вымывала огромное количество растворимых минералов и солей, которые попадали в море. Вода из него непрерывно испарялась, образуя облака, а соли оседали, и с течением времени происходило постепенное засоление морской воды. По-видимому, при каких-то существовавших в древности условиях образовались вещества, из которых возникли особые кристаллические формы. Они росли, как и все кристаллы, и давали начало новым кристаллам, которые присоединяли к себе все новые вещества.
Солнечный свет и, возможно, очень сильные электрические разряды служили в этом процессе источником энергии. Может быть, из таких элементов зародились первые обитатели Земли - прокариоты, организмы без оформленного ядра, похожие на современных бактерий. Они были анаэробами, то есть не использовали для дыхания свободный кислород, которого тогда еще не было в атмосфере. Источником пищи для них служили органические соединения, возникшие на еще безжизненной Земле в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца, грозовых разрядов и тепла, образующегося при извержении вулканов.
Жизнь существовала тогда в тонкой бактериальной пленке на дне водоемов и во влажных местах. Эту эру развития жизни называют архейской. Из бактерий, а возможно, и совершенно независимым путем, возникли и крошечные одноклеточные организмы - древнейшие простейшие животные.
Как выглядела первобытная Земля?
Перенесемся на 4 млрд лет назад. Атмосфера не содержит свободного кислорода, он находится только в составе окислов. Почти никаких звуков, кроме свиста ветра, шипения извергающейся с лавой воды и ударов метеоритов о поверхность Земли. Ни растений, ни животных, ни бактерий. Может быть, так выглядела Земля, когда на ней появилась жизнь? Хотя эта проблема издавна волнует многих исследователей, их мнения на этот счет сильно различаются. Об условиях на Земле того времени могли бы свидетельствовать горные породы, но они давно разрушились в результате геологических процессов и перемещений земной коры.
Теории происхождения жизни на Земле
В этой статье мы кратко расскажем о нескольких гипотезах возникновения жизни, отражающих современные научные представления. Как считает известный специалист в области проблемы возникновения жизни Стэнли Миллер, о возникновении жизни и начале ее эволюции можно говорить с того момента, как органические молекулы самоорганизовывались в структуры, которые смогли воспроизводить самих себя. Но это порождает другие вопросы: как возникли эти молекулы; почему они могли самовоспроизводиться и собираться в те структуры, которые дали начало живым организмам; какие нужны для этого условия?
Есть несколько теорий о происхождении жизни на Земле. Например, одна из давних гипотез гласит, что она занесена на Землю из космоса, но неоспоримых доказательств этого нет. Кроме того, та жизнь, которую мы знаем, удивительно приспособлена для существования именно в земных условиях, поэтому если она и возникла вне Земли, то на планете земного типа. Большинство же современных ученых полагают, что жизнь зародилась на Земле, в ее морях.
Теория биогенеза
В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает теория биогенеза - происхождение живого только от живого. Но многие считают ее несостоятельной, поскольку она принципиально противопоставляет живое неживому и утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни. Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 1924 г. известный биохимик А. И. Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 г. американский исследователь С. Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом, в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.
Теория панспермии
Теория панспермии - это возможности переноса органических соединений, спор микроорганизмов с одного космического тела на другое. Но она совершенно не дает ответа на вопрос, как зародилась жизнь во Вселенной? Возникает необходимость обоснования возникновения жизни в той точке Вселенной, возраст которой, согласно теории Большого взрыва, ограничен 12-14 миллиардами лет. До этого времени не было даже элементарных частиц. А если нет ядер и электронов, нет и химических веществ. Потом в течение нескольких минут возникли протоны, нейтроны, электроны, и материя вступила на путь эволюции.
Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО, наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сообщения якобы о встречах с инопланетянами. При изучении материалов метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» - такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, которые, возможно, сыграли роль «семян», падавших на голую Землю.
Сторонниками этой гипотезы были лауреаты Нобелевской премии Ф.Крик, Л.Оргел. Ф.Крик основывался на двух косвенных доказательствах: универсальности генетического кода: необходимости для нормального метаболизма всех живых существ молибдена, который встречается сейчас на планете крайне редко.
Зарождение жизни на Земле невозможно без метеоритов и комет
Исследователь из Техасского технологического университета, после анализа огромного объема собранной информации, выдвинул теорию о том, как же на Земле смогла образоваться жизнь. Ученый уверен, что появление ранних форм простейшей жизни на нашей планете было бы невозможно без участия упавших на нее комет и метеоритов. О своей работе исследователь поделился на 125-й ежегодной встрече геологического общества Америки, проходившей 31 октября в городе Денвер, Колорадо.
Автор работы, профессор геонауки в Техасском технологическом университете (ТТУ) и куратор музея палеонтологии при университете, Санкар Чаттерджи рассказал, что к такому выводу он пришел после анализа информации о ранней геологической истории нашей планеты и сопоставления этих данных с различными теориями химической эволюции.
Эксперт считает, что такой подход позволяет объяснить один из самых скрытых и не до конца изученных периодов в истории нашей планеты. По мнению многих геологов, основная масса космических «бомбардировок», в которых участвовали кометы и метеориты, приходилась на время около 4 миллиардов лет тому назад. Чаттерджи считает, что самая ранняя жизнь на Земле образовалась в кратерах, оставленных при падении метеоритов и комет. И вероятнее всего это произошло в период «Поздней тяжелой бомбардировки» (3,8-4,1 миллиарда лет назад), когда столкновение мелких космических объектов с нашей планетой резко возросло. На то время приходилось сразу несколько тысяч случаев падения комет. Что интересно, эту теорию косвенно поддерживает Модель Ниццы. Согласно оной реальное число комет и метеоритов, которые должны были упасть на Землю в то время, соответствует реальному числу кратеров на Луне, явившейся в свою очередь своего рода щитом для нашей планеты и не позволившей бесконечной бомбардировке ее уничтожить.
Некоторые ученые предполагают, что результатом этой бомбардировки является заселение жизнью океанов Земли. При этом несколько исследований на эту тему указывают на то, что наша планета имеет больше запасов воды, чем должна была. А излишек этот списывают на кометы, которые прилетели к нам с Облака Оорта, находящегося предположительно в одном световом годе от нас.
Чаттерджи указывает, что образовавшиеся в результате этих столкновений кратеры заполнились растаявшей водой из самих комет, а также необходимыми химическими строительными блоками, необходимыми для образования простейших организмов. При этом ученый считает, что те места, где даже после такой бомбардировки не появилась жизнь, просто оказались непригодны для этого.
«Когда около 4,5 миллиарда лет назад образовалась Земля, она была полностью непригодна для появления на ней живых организмов. Это был настоящий кипящий котел из вулканов, ядовитого горячего газа и постоянно падающих на нее метеоритов», - пишет онлайн-журнал AstroBiology, ссылаясь на ученого.
«А спустя один миллиард лет она стала тихой и спокойно планетой, богатой огромными запасами воды, населенной различными представителями микробной жизни - предками всех живых существ».
Жизнь на Земле могла возникнуть благодаря глине
Группа учёных под руководством Дань Ло (Dan Luo) из Корнеллского университета выступила с гипотезой, что концентратором для древнейших биомолекул могла служить обычная глина.
Изначально исследователи занимались не проблемой происхождения жизни – они искали способ повысить эффективность бесклеточных систем синтеза белка. Вместо того чтобы позволить ДНК и обслуживающим её белкам свободно плавать в реакционной смеси, учёные попробовали загнать их в частицы гидрогеля. Этот гидрогель, словно губка, впитывал реакционную смесь, сорбировал нужные молекулы, и в результате все нужные компоненты оказывались заперты в небольшом объёме – подобно тому, как это происходит в клетке.
Затем авторы исследования попытались использовать в качестве недорогого заменителя гидрогеля глину. Частицы глины оказались похожи на частицы гидрогеля, становясь своеобразными микрореакторами для взаимодействующих биомолекул.
Получив такие результаты, учёные не могли не вспомнить о проблеме происхождения жизни. Частицы глины с их способностью сорбировать биомолекулы могли бы на самом деле послужить самыми первыми биореакторами для самых первых биомолекул, пока те ещё не обзавелись мембранами. В пользу такой гипотезы говорит ещё и то, что вымывание силикатов и других минералов из скал с образованием глины началось, по геологическим прикидкам, как раз перед тем, когда, по мнению биологов, древнейшие биомолекулы начали объединяться в протоклетки.
В воде, точнее в растворе, мало что могло произойти, потому что процессы в растворе идут абсолютно хаотично, а все соединения очень неустойчивы. Глина современной наукой - точнее, поверхность частиц глинистых минералов - рассматривается как матрица, на которой могли образовываться первичные полимеры. Но это тоже только одна из многих гипотез, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Но чтобы смоделировать зарождение жизни в полном масштабе, нужно действительно быть Богом. Хотя на Западе сегодня уже появляются статьи с названиями «Конструирование клетки» или «Моделирование клетки». Например, один из последних нобелевских лауреатов Джеймс Шостак сейчас активно предпринимает попытки создания эффективных клеточных моделей, которые размножаются сами по себе, воспроизводя себе подобных.
Теория самопроизвольного (спонтанного) зарождения
Теория самопроизвольного зарождения жизни была широко распространена в Древнем мире - Вавилоне, Китае, Древнем Египте и Древней Греции (этой теории придерживался, в частности, Аристотель).
Ученые Древнего мира и средневековой Европы верили в то, что живые существа постоянно возникают из неживой материи: черви - из грязи, лягушки - из тины, светлячки - из утренней росы и т.п. Так, известный голландский ученый 17 в. Ван-Гельмонт совершенно серьезно описывал в своем научном трактате опыт, в котором он за 3 недели получил в запертом темном шкафу мышей непосредственно из грязной рубашки и горсти пшеницы. Впервые широко распространенную теорию решился подвергнуть экспериментальной проверке итальянский ученый Франческо Реди (1688). Он поместил несколько кусков мяса в сосуды и часть из них закрыл кисеей. В открытых сосудах на поверхности гниющего мяса появились белые червячки - личинки мух. В сосудах же, прикрытых кисеей, личинки мух отсутствовали. Таким образом Ф. Реди удалось доказать, что личинки мух появляются не из гниющего мяса, а из яиц, отложенных мухами на его поверхность.
В 1765 г. известный итальянский ученый и врач Ладзаро Спаланцани прокипятил в запаянных стеклянных колбах мясные и овощные бульоны. Бульоны в запаянных колбах не портились. Он сделал вывод, что под действием высокой температуры погибли все живые существа, способные вызывать порчу бульона. Однако опыты Ф. Реди и Л. Спаланцани убедили далеко не всех. Ученые-виталисты (от лат. vita - жизнь) считали, что в прокипяченном бульоне не происходит самозарождения живых существ, так как в нем разрушается особая «жизненная сила», которая не может проникнуть в запаянный сосуд, поскольку переносится по воздуху.
Споры но поводу возможности самозарождения жизни активизировались в связи с открытием микроорганизмов. Если сложные живые существа не могут самозарождаться, возможно, это могут микроорганизмы?
В связи с этим в 1859 г. французская Академия объявила о присуждении премии тому, кто окончательно решит вопрос о возможности или невозможности самозарождения жизни. Эту премию получил в 1862 г. знаменитый французский химик и микробиолог Луи Пастер. Так же как Спаланцани, он прокипятил питательный бульон в стеклянной колбе, но колба была не обычная, а с горлышком в виде 5-образной трубки. Воздух, а следовательно и «жизненная сила», могли проникать в колбу, но пыль, а вместе с нею и микроорганизмы, присутствующие в воздухе, оседали в нижнем колене 5-образной трубки, и бульон в колбе оставался стерильным (рис. 2.1.1). Однако стоило сломать горло колбы или ополоснуть стерильным бульоном нижнее колено 5-образной трубки, как бульон начинал быстро мутнеть - в нем появлялись микроорганизмы.
Таким образом, благодаря работам Луи Пастера теория самозарождения была признана несостоятельной и в научном мире утвердилась теория биогенеза, краткая формулировка которой - «все живое - от живого».
Однако, если все живые организмы в исторически обозримый период развития человечества происходят только от других живых организмов, естественно возникает вопрос: когда и каким образом появились на Земле первые живые организмы?
Теория креационизма
Теория креационизма предполагает, что все живые организмы (либо только простейшие их формы) были в определенный период времени сотворены («сконструированы») неким сверхъестественным существом (божеством, абсолютной идеей, сверхразумом, сверхцивилизацией и т.п.). Очевидно, что именно этой точки зрения с глубокой древности придерживались последователи большинства ведущих религий мира, в частности христианской религии.
Теория креационизма и в настоящее время достаточно широко распространена, причем не только в религиозных, но и в научных кругах. Обычно ее используют для объяснения наиболее сложных, не имеющих на сегодняшний день решения вопросов биохимической и биологической эволюции, связанных с возникновением белков и нуклеиновых кислот, формированием механизма взаимодействия между ними, возникновением и формированием отдельных сложных органелл или органов (таких, как рибосома, глаз или мозг). Актами периодическою «сотворения» объясняется и отсутствие четких переходных звеньев от одного типа животных
к другому, например от червей к членистоногим, от обезьяны к человеку и т.п. Необходимо подчеркнуть, что философский спор о первичности сознания (сверхразума, абсолютной идеи, божества) либо материи принципиально не разрешим, однако, поскольку попытка объяснить любые трудности современной биохимии и эволюционной теории принципиально непостижимыми сверхъестественными актами творения выводит эти вопросы за рамки научных исследований, теорию креационизма нельзя отнести к разряду научных теорий происхождения жизни на Земле.
Теории стационарного состояния и панспермии
Обе эти теории представляют собой взаимодополняющие элементы единой картины мира, сущность которой заключается в следующем: вселенная существует вечно и в ней вечно существует жизнь (стационарное состояние). Жизнь переносится с планеты на планету путешествующими в космическом пространстве «семенами жизни», которые могут входить в состав комет и метеоритов (панспермия). Подобных взглядов на происхождение жизни придерживался, в частности, основоположник учения о биосфере академик В.И. Вернадский.
Однако теория стационарного состояния, предполагающая бесконечно долгое существование вселенной, не согласуется с данными современной астрофизики, согласно которым вселенная возникла сравнительно недавно (около 16 млрд лет т.н.) путем первичного взрыва.
Очевидно, что обе теории (панспермии и стационарного состояния) вообще не предлагают объяснения механизма первичного возникновения жизни, перенося его на другие планеты (панспермия) либо отодвигая по времени в бесконечность (теория стационарного состояния).
Как зарождалась жизнь на Земле? Подробности человечеству неизвестны, но краеугольные принципы установлены. Существуют две основные теории и множество второстепенных. Итак, согласно главной версии, органические компоненты попали на Землю из космоса, по другой - все произошло на Земле. Перед вами несколько самых популярных учений.
Панспермия
Как появилась наша Земля? Биография планеты уникальна, и разгадать ее люди пытаются разными способами. Есть гипотеза о том, что жизнь, существующая во Вселенной, распространяется при помощи метеороидов (небесных тел, промежуточных по размеру между межпланетной пылью и астероидом), астероидов и планет. Предполагается, что имеются формы жизни, способные выдержать воздействие (радиацию, вакуум, низкие температуры и др.). Их называют экстремофилами (в их числе бактерии и микроорганизмы).
Они попадают в обломки и пыль, которые выбрасываются в космос после сохраняя, таким образом, жизнь после гибели малых тел Солнечной системы. Бактерии могут путешествовать в состоянии покоя в течение длительного периода времени до очередного случайного столкновения с другими планетами.
Они также могут смешиваться с протопланетными дисками (плотное газовое облако вокруг молодой планеты). Если на новом месте «стойкие, но сонные солдатики» попадают в благоприятные условия, то становятся активными. Начинается процесс эволюции. История разгадывается при помощи зондов. Данные с приборов, побывавших внутри комет, свидетельствуют: в подавляющем большинстве случаев подтверждается вероятность того, что все мы «немного инопланетяне», так как колыбель жизни - космос.
Биопоэз
А вот еще одно мнение относительно того, как зарождалась жизнь. На Земле есть живое и неживое. Некоторые науки приветствуют абиогенез (biopoesis), объясняющий, как в ходе естественного преобразования биологическая жизнь появилась из неорганической материи. Большинство аминокислот (их еще называют строительными блоками всех живых организмов) могут образовываться при помощи природных химических реакций, не имеющих отношения к жизни.
Это подтверждает эксперимент Мюллера-Юри. В 1953 году ученый пропустил электричество через смесь газов и получил несколько аминокислот в лабораторных условиях, имитирующих условия ранней Земли. Во всех живых существах аминокислоты трансформируются в белки под воздействием хранителей генетической памяти нуклеиновых кислот.
Последние синтезируются самостоятельно биохимическим путем, и белки ускоряют (катализируют) процесс. Какая же из органических молекул первая? И как они вступили во взаимодействие? Абиогенез находится в процессе поиска ответа.
Космогонические веяния
Это учение о в космосе. В определенном контексте космической науки и астрономии, термин относится к теории создания (и изучения) Солнечной системы. Попытки тяготения к натуралистической космогонии не выдерживают критики. Во-первых, существующие научные теории не могут объяснить главного: как появилась сама Вселенная?
Во-вторых, нет никакой физической модели, объясняющей самые ранние моменты существования Вселенной. В упомянутой теории отсутствует понятие квантовой гравитации. Хотя струнные теоретики гласит, что элементарные частицы возникают в результате колебаний и взаимодействия квантовых струн), исследующие происхождение и последствия Большого взрыва (петлевая квантовая космология), с этим не согласны. Они считают, что имеют формулы, позволяющие описать модель в рамках полевых уравнений.
При помощи космогонических гипотез люди объясняли однородность движения и состава небесных тел. Задолго до того, как появилась жизнь на Земле, материя заполняла все пространство и затем эволюционировала.
Эндосимбионт
Эндосимбиотическая версия была впервые сформулирована русским ботаником Константином Мережковским в 1905 г. Он считал, что некоторые органеллы возникли как свободноживущие бактерии и были приняты в другую клетку в качестве эндосимбионтов. Митохондрии развились из протеобактерий (в частности, Rickettsiales или близких родственников) и хлоропластов от цианобактерий.
Это позволяет предположить, что множественные формы бактерий вступили в симбиоз с образованием эукариотической клетки (эукариоты - клетки живых организмов, содержащие ядро). Горизонтальному переносу генетического материала между бактериями также способствуют симбиотические отношения.
Возникновению разнообразия форм жизни, возможно, предшествовал последний общий Предок (LUA) современных организмов.
Спонтанное зарождение
До начала 19 века люди, как правило, отрицали "внезапность" в качестве объяснения того, как зарождалась жизнь на Земле. Неожиданное самозарождение определенных форм жизни из неживой материи казалось им неправдоподобным. Зато они верили в существование гетерогенеза (смена способа размножения), когда одна из форм жизни происходит от другого вида (к примеру, пчелы из цветов). Классические представления о самозарождении сводятся к следующему: некоторые сложные живые организмы появились благодаря разложению органических веществ.
Согласно Аристотелю, это была легко наблюдаемая истина: тля возникает из росы, которая падает на растения; мухи - из испортившихся продуктов, мыши - из грязного сена, крокодилы - из гниющих бревен на дне водоемов и так далее. Теория спонтанного поколения (опровергаемая христианством) тайно просуществовала не один век.
Принято считать, что теория была окончательно опровергнута в XIX веке опытами Луи Пастера. Ученый не занимался изучением зарождения жизни, он изучал появление микробов, чтобы получить возможность борьбы с инфекционными болезнями. Однако доказательства Пастера носили уже не спорный, а строго научный характер.
Теория глины и Последовательное сотворение
Возникновение жизни на основе глины? Такое возможно? Шотландский химик по имени А. Дж. Кернс-Смит из университета Глазго в 1985 году является автором такой теории. Опираясь на аналогичные предположения других ученых, он утверждал, что органические частицы, оказавшись между слоями глины и взаимодействуя с ними, перенимали способ хранения информации и роста. Таким образом, ученый считал «глиняный ген» первичным. Изначально минерал и зарождающаяся жизнь существовали вместе, а на определенном этапе "разбежались".
Идея разрушения (хаоса) в зарождающемся мире проложила путь к теории катастрофизма как к одному из предшественников теории эволюции. Ее сторонники считают, что Земля в прошлом была затронута внезапными, недолговечными, бурными событиями, а настоящее является ключом к прошлому. Каждая очередная катастрофа разрушала существующую жизнь. Последующее творение возрождало ее уже отличной от предыдущей.
Материалистическое учение
А вот еще одна версия относительно того, как зарождалась жизнь на Земле. Ее выдвинули материалисты. Они считают, что жизнь появилась в результате растянутых во времени и пространстве постепенных химических преобразований, которые, по всей вероятности, происходили почти 3,8 млрд лет тому назад. Такое развитие называют молекулярным, оно затрагивает область дезоксирибонуклеиновых и рибонуклеиновых кислот и протеинов (белков).
Как научное течение учение возникло в 1960 годы, когда проводились активные исследования, затрагивающие молекулярную и эволюционную биологию, генетику популяций. Ученые тогда пытались понять и подтвердить недавние открытия, касающиеся нуклеиновых кислот и белков.
Одной из ключевых тем, которые стимулировали развитие этой области знаний, была эволюция ферментативной функции, использование дивергенции нуклеиновой кислоты в качестве "молекулярных часов". Ее раскрытие способствовало более глубокому изучению дивергенции (разветвления) видов.
Органическое происхождение
О том, как появилась жизнь на Земле, сторонники этого учения рассуждают так. Образование видов началось давно - более 3,5 млрд лет назад (цифра обозначает период, в который жизнь существует). Вероятно, сначала шел медленный и постепенный процесс преобразования, а затем начался быстрый (в рамках Вселенной) этап совершенствования, перехода из одного статического состояния в другое под влиянием существующих условий.
Эволюция, известная как биологическая или органическая, - это процесс изменения с течением времени одного или нескольких наследуемых признаков, обнаруженных в популяциях организмов. Наследственные черты - особые отличительные признаки, в том числе анатомические, биохимические и поведенческие, которые передаются от одного поколения к другому.
Эволюция привела к разнообразию и разностороннему развитию всех живых организмов (диверсификации). Наш красочный мир Чарльз Дарвин охарактеризовал как «бесконечные формы, самые красивые и самые замечательные». Складывается впечатление, что зарождение жизни - история без начала и конца.
Особое творение
Согласно этой теории, все формы жизни, которые существуют сегодня на планете Земля, созданы Богом. Адам и Ева - первые мужчина и женщина, созданные Вседержителем. Жизнь на Земле началась с них, - считают христиане, мусульмане и евреи. Три религии сошлись в том, что Бог создал вселенную в течение семи дней, сделав шестой день кульминацией труда: сотворил из праха земного Адама и из его ребра Еву.
На седьмой день Бог отдыхал. Затем он вдохнул в и отправил ухаживать за садом под названием Эдем. В центре росли Древо жизни и Древо познания добра. Бог разрешил есть плоды всех деревьев в саду, кроме Дерева познания («ибо в тот день, который вы вкусите их, умрете»).
Но люди ослушались. В Коране говорится, что попробовать яблоко предложил Адам. Бог простил грешников и послал обоих на землю в качестве своих представителей. И все же... Откуда на Земле появилась жизнь? Как видите, однозначного ответа не существует. Хотя современные ученые все больше склоняются к абиогенной (неорганической) теории возникновения всего живого.
Жизнь - величайшее чудо, которое только существует на нашей планете. Проблемы ее изучения в настоящее время занимают не только биологов, но также физиков, математиков, философов и прочих ученых. Конечно же, наиболее сложная загадка - само зарождение жизни на Земле.
До сих пор исследователи спорят о том, как же это произошло. Как ни странно, но немалый вклад в изучение данного феномена внесла философия: эта наука позволяет делать правильные выводы, обобщая огромные объемы информации. Какими версиями сегодня руководствуются ученые во всем мире? Вот какие в настоящее время существуют теории зарождения жизни на Земле:
- Концепция самопроизвольного зарождения.
- Креационизм, или теория божественного сотворения.
- Принцип стационарного состояния.
- Панспермия, сторонники которой утверждают о естественной «продуктивности» любой планеты, где существуют подходящие условия. В частности, эту идею в свое время развивал небезызвестный академик Вернадский.
- Биохимическая эволюция по А. И. Опарину.
Рассмотрим все эти теории зарождения жизни на Земле несколько более подробно.
Материализм и идеализм
Еще в Средние Века и ранее, в арабском мире, некоторые ученые, пусть даже с риском для собственной жизни, предполагали, что мир мог быть создан в результате каких-то природных процессов, без участия божественной сущности. Это были первые материалисты. Соответственно, все прочие точки зрения, которые предусматривали Божественное вмешательство в создание всего сущего, относились к идеалистическим. Соответственно, и зарождение жизни на Земле вполне возможно рассматривать с этих двух позиций.
Креационисты утверждают, что жизнь могла быть создана только Богом, в то время как материалисты продвигают теорию появления первых органических соединений и жизни из неорганических веществ. Их версия базируется на сложности или невозможности понимания тех процессов, результатом которых стала жизнь в современном ее виде. Интересно, но современная Церковь эту гипотезу поддерживает только частично. С точки зрения наиболее дружественных к ученым деятелей, основной Замысел Творца понять и правда невозможно, зато мы можем определить явления и процессы, благодаря которым возникла жизнь. Впрочем, от истинно научного подхода это все равно очень далеко.
В настоящее время превалирует точка зрения материалистов. Впрочем, они далеко не всегда выдвигали современные теории происхождения жизни. Так, изначально была популярна гипотеза о том, что зарождение и эволюция жизни на Земле произошли спонтанно, причем сторонники этого феномена встречались еще в начале 19-го века.
Сторонники данной концепции утверждали, что существуют некие законы естественной природы, которые обуславливают возможность произвольного перехода неорганических соединений в органические с последующим произвольным же формированием жизни. Сюда же относится и теория о создании «гомункула», искусственного человека. Вообще самопроизвольное зарождение жизни на Земле до сих пор рассматривается кое-какими «специалистами» всерьез… Хорошо хоть, что говорят они о бактериях и вирусах.
Конечно, впоследствии была доказана ошибочность такого подхода, но он сыграл важную роль, дав огромный объем ценного эмпирического материала. Заметим, что окончательный отказ от версии самостоятельного зарождения жизни произошел только в середине XIX века. В принципе, невозможность такого процесса была доказана еще Луи Пастером. За это ученый даже получил немалую премию от Французской Академии наук. Вскоре на передний план выдвигаются основные теории зарождения жизни на Земле, которые мы опишем ниже.
Теория академика Опарина
Современные представления о зарождении жизни на Земле базируются на теории, которая была выдвинута отечественным исследователем, академиком Опариным, еще в 1924 году. Он опроверг принцип Реди, который говорил о возможности только лишь биогенного синтеза органических веществ, указав, что эта концепция справедлива только для современного положения дел. Ученый указал на то, что в самом начале своего существования наша планета представляла собой гигантский каменистый шар, на котором в принципе не было органики.
Гипотеза Опарина состояла в том, что зарождение жизни на планете Земля - продолжительный биохимический процесс, сырьем для которого служат обычные соединения, которые могут встречаться на любой планете. Академик предположил, что переход этих веществ в более сложные оказался возможен под воздействием экстремально сильных физических и химических факторов. Опарин впервые выдвинул гипотезу о непрерывном превращении и взаимодействии органических и неорганических соединений. Он назвал его «биохимической эволюцией». Ниже приведены основные этапы зарождения жизни на Земле по Опарину.
Этап химической эволюции
Около четырех миллиардов лет тому назад, когда наша планета представляла собой огромный и безжизненный камень в глубинах космоса, на ее поверхности уже шел процесс небиологического синтеза углеродистых соединений. В этот период вулканы выбрасывали титаническое количество лавы и раскаленных газов. Остывая в первичной атмосфере, газы превращались в облака, из которых беспрестанно шли ливневые дожди. Все эти процессы протекали на протяжении миллионов лет. Но, позвольте, когда же началось зарождение жизни на Земле?
В то же самое время ливни дали начало огромным первичным океанам, воды которых были чрезвычайно насыщены солями. Туда же попадали первые органические соединения, образование которых шло в атмосфере под действием сильнейших электрических разрядов и УФ-облучения. Постепенно их концентрация увеличивалась, пока моря не превратились в этакий «бульон», насыщенный пептидами. А вот что произошло дальше и как из этого «супа» возникли первые клетки?
Образование белковых соединений, жиров и углеводов
И только на втором этапе в «бульоне» появляются истинные белки и прочие соединения, из которых построена жизнь. Условия на Земле смягчались, появлялись углеводы, белки и жиры, первые биополимеры, нуклеотиды. Так шло образование коацерватных капель, которые были прообразом настоящих клеток. Грубо говоря, так назывались капли из белков, жиров, углеводов (как в супе). Эти образования могли впитывать, поглощать те вещества, которые были растворены в водах первичных океанов. В то же время шла своеобразная эволюция, итогом которой стали капли, обладающие повышенной устойчивостью и стабильностью к воздействиям внешней среды.
Появление первых клеток
Собственно, на третьем этапе это аморфное образование превращалось в нечто более «осмысленное». То есть в живую клетку, способную к процессу самовоспроизводства. Естественный отбор капель, о котором мы уже говорили выше, становился все более жестким. Первые «продвинутые» коацерваты уже имели пусть примитивный, но метаболизм. Ученые предполагают, что капля, достигнув определенного размера, распадалась на более мелкие образования, которые обладали всеми чертами материнской «клетки».
Постепенно вокруг ядра коацервата возникал слой липидов, давший начало полноценной клеточной мембране. Так образовались первичные клетки, археклетки. Именно этот момент с полным на то правом можно рассматривать как зарождение жизни на Земле.
Реален ли небиологический синтез органики?
Что касается гипотезы зарождения жизни на Земле от Опарина… У многих сразу возникает вопрос: «Насколько вообще реально образование в природных условиях органики из неорганики?» Такие мысли посещали многих исследователей!
В 1953 году американский ученый Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли, с ее невероятными температурами и электрическими разрядами. В эту среду были помещены простые неорганические соединения. В результате там образовалась уксусная и муравьиная кислоты, прочие органические соединения. Вот так происходило зарождение жизни на Земле. Кратко этот процесс может охарактеризовать философский закон «Перехода количества в качество». Проще говоря, при накоплении определенного количества белков и прочих веществ в первичном океане эти соединения приобретают другие свойства и способность к самоорганизации.
Сильные и слабые стороны теории Опарина
У рассмотренной нами концепции есть не только сильные, но и слабые моменты. Сильной стороной теории является ее логика и экспериментальное подтверждение абиотического синтеза органических соединений. В принципе, так могло произойти зарождение и развитие жизни на Земле. Огромной же слабостью является тот факт, что пока никто не может объяснить, как же коацерваты смогли переродиться в сложную биологическую структуру. Даже сторонники теории признают, что переход от белково-жировой капли к полноценной клетке весьма сомнителен. Вероятно, мы что-то упускаем, не принимая во внимание неизвестные нам факторы. В настоящее время все ученые признают, что имел место какой-то резкий скачок, в результате которого стала возможной самоорганизация вещества. Как вообще такое могло произойти? Пока неясно… Какие еще существуют основные теории зарождения жизни на Земле?
Теория панспермии и стационарного состояния
Как мы уже говорили, в свое время эту версию горячо поддерживал и «продвигал» знаменитый академик Вернадский. В общем-то, теорию панспермии нельзя обсуждать в отрыве от концепции стационарного состояния, так как они рассматривают принцип зарождения жизни с одной и той же точки зрения. Следует знать, что впервые данную концепцию предложил еще немец Рихтер в конце 19 века. В 1907 году его поддержал шведский исследователь Аррениус.
Ученые, которые придерживаются этой концепции, считают, что во Вселенной жизнь попросту существовала и будет существовать всегда. С планеты на планету она переносится при помощи комет и метеоритов, которые играют роль своеобразных «семян». Недостаток такой теории в том, что сама Вселенная, как предполагают, образовалась примерно 15-25 миллиардов лет тому назад. На «Вечность» это никак не похоже. Учитывая же то, что потенциально пригодных для образования жизни планет во много крат меньше обычных каменистых планетоидов, вполне закономерным можно считать возникновение вопроса: «Когда и где образовалась жизнь и как она с такой скоростью распространилась по Вселенной, учитывая нереальные расстояния?»
Следует помнить, что возраст нашей планеты - не более 5 миллиардов лет. Кометы и астероиды летят намного медленнее скорости света, так что им могло бы просто не хватить времени для занесения «семян» жизни на Землю. Сторонники панспермии предполагают, что некие семена (споры микроорганизмов, к примеру) переносятся «на световых лучах» с соответствующей скоростью… Вот только десятилетия работы космических аппаратов позволили доказать, что в космосе довольно-таки мало свободных частиц. Слишком уж мала вероятность такого способа распространения живых организмов.
Некоторые исследователи сегодня предполагают, что на любой планете, которая подходит для жизни, в конце концов могут образоваться белковые тела, но механизм этого процесса нам неизвестен. Другие ученые говорят, что во Вселенной, быть может, существуют какие-то «колыбели», планеты, на которых может образовываться жизнь. Звучит, конечно, как какая-то научная фантастика… Впрочем, как знать. В последние годы у нас и за рубежом постепенно стала оформляться теория, положения которой гласят об изначально закодированной в атомах веществ информации…
Якобы эти данные и дают тот самый толчок, который приводит к превращению простейших коацерватов в археклетки. Если рассуждать логически, то это - та же теория самопроизвольного зарождения жизни на Земле! Вообще, концепцию панспермии сложно считать завершенным научным тезисом. Ее сторонники только лишь могут сказать, что на Землю жизнь была занесена с других планет. Но как она образовалась там? На это ответа нет.
«Подарок» с Марса?
Сегодня доподлинно известно, что на Красной планете действительно была вода и были все условия, благоприятствующие развитию белковой жизни. Данные, которые это подтверждают, были получены благодаря работе на поверхности сразу двух спускаемых аппаратов: Spirit и Curiosity. Но до сих пор ученые с жаром спорят: а была ли там жизнь? Дело в том, что информация, полученная с тех же марсоходов, говорит о кратковременном (в геологическом аспекте) существовании воды на этой планете. Насколько высока вероятность того, что там в принципе успели развиться полноценные белковые организмы? Опять-таки, ответа на этот вопрос нет. Опять-таки, даже если жизнь попала на нашу планету с Марса, это никак не объясняет процесс ее развития там (о чем мы уже писали).
Итак, мы рассмотрели основные концепции зарождения жизни на Земле. Какие из них абсолютно верные, неизвестно. Проблема еще и в том, что пока нет ни одного экспериментально подтвержденного теста, который бы мог подтвердить или опровергнуть хотя бы концепцию Опарина, не говоря уже про другие тезисы. Да, мы можем без особых проблем синтезировать белок, но белковую жизнь получить не можем. Так что работы ученым припасено еще на долгие десятилетия вперед.
Есть и другая проблема. Дело в том, что мы усиленно ищем жизнь, основанную на углероде, и пытаемся понять, как именно она возникла. А что, если понятие жизни куда шире? Что, если основана она может быть на кремнии? В принципе, такая точка зрения не противоречит положениям химии и биологии. Так что на пути поиска ответов нас встречают все новые и новые вопросы. В настоящее время ученые выдвинули несколько основополагающих тезисов, руководствуясь которыми, люди ищут потенциально обитаемые планеты. Вот они:
- Планета должна обращаться в так называемой «зоне комфорта» вокруг звезды: на ее поверхности не должно быть ни слишком жарко, ни слишком холодно. В принципе, хотя бы одна-две планеты в каждой звездной системе этому требованию отвечают (Земля и Марс, в частности).
- Масса такого тела должна быть средней (в пределах полутора размеров Земли). Слишком большие планеты или имеют нереально высокую силу тяжести, или представляют собой газовые гиганты.
- Более-менее высокоорганизованная жизнь может существовать только близ достаточно старых звезд (не менее трех-четырех миллиардов лет).
- Звезда не должна серьезно менять своих параметров. Искать жизнь около белых карликов или красных гигантов бесполезно: если она там и была, то уже давно погибла из-за крайне неблагоприятных условий среды.
- Желательно, чтобы звездная система была одинарной. В принципе, современные исследователи возражают против этого тезиса. Вполне возможно, что двойная система с двумя звездами, расположенными в противоположных концах, может содержать даже больше потенциально обитаемых планет. Более того, сегодня все больше говорят о том, что где-то на окраинах Солнечной системы есть газово-пылевое облако, предтеча так и не рожденного второго Солнца.
Итоговые выводы
Итак, что можно сказать в заключение? Во-первых, нам экстренно не хватает данных о точных условиях среды на только что возникшей Земле. Чтобы получить эти сведения, в идеале следует пронаблюдать за развитием планеты, которая аналогична нашей по прочим показателям. Кроме того, исследователи до сих пор затрудняются сказать, какие именно факторы стимулируют переход архекапель коацерватов в полноценные клетки. Быть может, дальнейшие углубленные исследования генома живых существ дадут какие-то ответы.
Вопрос о том, когда на Земле появилась жизнь, всегда волновал не только ученых, но и всех людей. Ответы на него
практически всех религий. Хотя точного научного ответа на него до сих пор нет, некоторые факты позволяют высказать более или менее обоснованные гипотезы. В Гренландии исследователями был найден образец горной породы
с крошечным вкраплением углерода. Возраст образца более 3,8 млрд лет. Источником углерода, скорее всего, было какое-то органическое вещество – за такое время оно полностью утратило свою структуру. Ученые полагают, что этот комочек углерода может быть самым древним следом жизни на Земле.
Как выглядела первобытная Земля?
Перенесемся на 4 млрд лет назад. Атмосфера не содержит свободного кислорода, он находится только в составе окислов. Почти никаких звуков, кроме свиста ветра, шипения извергающейся с лавой воды и ударов метеоритов о поверхность Земли. Ни растений, ни животных, ни бактерий. Может быть, так выглядела Земля, когда на ней появилась жизнь? Хотя эта проблема издавна волнует многих исследователей, их мнения на этот счет сильно различаются. Об условиях на Земле того времени могли бы свидетельствовать горные породы, но они давно разрушились в результате геологических процессов и перемещений земной коры.
В этой статье мы кратко расскажем о нескольких гипотезах возникновения жизни, отражающих современные научные представления. Как считает известный специалист в области проблемы возникновения жизни Стэнли Миллер, о возникновении жизни и начале ее эволюции можно говорить с того момента, как органические молекулы самоорганизовывались в структуры, которые смогли воспроизводить самих себя. Но это порождает другие вопросы: как возникли эти молекулы; почему они могли самовоспроизводиться и собираться в те структуры, которые дали начало живым организмам; какие нужны для этого условия?
Согласно одной из гипотез жизнь началась в кусочке льда. Хотя многие ученые полагают, что присутствующий в атмосфере углекислый газ обеспечивал поддержание тепличных условий, другие считают, что на Земле господствовала зима. При низкой температуре все химические соединения более стабильны и поэтому могут накапливаться в больших количествах, чем при высокой температуре. Занесенные из космоса осколки метеоритов, выбросы из гидротермальных источников и химические реакции, происходящие при электрических разрядах в атмосфере, были источниками аммиака и таких органических соединений, как формальдегид и цианид. Попадая в воду Мирового океана, они замерзали вместе с ней. В ледяной толще молекулы органических веществ тесно сближались и вступали во взаимодействия, которые приводили к образованию глицина и других аминокислот. Океан был покрыт льдом, который защищал вновь образовавшиеся соединения от разрушения под действием ультрафиолетового излучения. Этот ледяной мир мог растаять, например, при падении на планету огромного метеорита (рис. 1).
Чарлз Дарвин и его современники полагали, что жизнь могла возникнуть в водоеме. Этой точки зрения многие ученые придерживаются и в настоящее время. В замкнутом и сравнительно небольшом водоеме органические вещества, приносимые впадающими в него водами, могли накапливаться в необходимых количествах. Затем эти соединения еще больше концентрировались на внутренних поверхностях слоистых минералов, которые могли быть катализаторами реакций. Например, две молекулы фосфатальдегида, встретившиеся на поверхности минерала, реагировали между собой с образованием фосфорилированной углеводной молекулы – возможного предшественника рибонуклеиновой кислоты (рис. 2).
А может быть, жизнь возникла в районах вулканической деятельности? Непосредственно после образования Земля представляла собой огнедышащий шар магмы. При извержениях вулканов и с газами, высвобождавшимися из расплавленной магмы, на земную поверхность выносились разнообразные химические вещества, необходимые для синтеза органических молекул. Так, молекулы угарного газа, оказавшись на поверхности минерала пирита, обладающего каталитическими свойствами, могли реагировать с соединениями, имевшими метильные группы, и образовывать уксусную кислоту, из которой затем синтезировались другие органические соединения (рис. 3).
Впервые получить органические молекулы – аминокислоты – в лабораторных условиях, моделирующих те, что были на первобытной Земле, удалось американскому ученому Стэнли Миллеру в 1952 г. Тогда эти эксперименты стали сенсацией, и их автор получил всемирную известность. В настоящее время он продолжает заниматься исследованиями в области предбиотической (до возникновения жизни) химии в Калифорнийском университете. Установка, на которой был осуществлен первый эксперимент, представляла собой систему колб, в одной из которых можно было получить мощный электрический разряд при напряжении 100 000 В.
Миллер заполнил эту колбу природными газами – метаном, водородом и аммиаком, которые присутствовали в атмосфере первобытной Земли. В колбе, расположенной ниже, было небольшое количество воды, имитирующей океан. Электрический разряд по своей силе приближался к молнии, и Миллер ожидал, что под его действием образуются химические соединения, которые, попав затем в воду, прореагируют друг с другом и образуют более сложные молекулы.
Результат превзошел все ожидания. Выключив вечером установку и вернувшись на следующее утро, Миллер обнаружил, что вода в колбе приобрела желтоватую окраску. То, что образовалось, оказалось бульоном из аминокислот – строительных блоков белков. Таким образом этот эксперимент показал, как легко могли образоваться первичные ингредиенты живого. Всего-то и нужны были – смесь газов, маленький океан и небольшая молния.
Другие ученые склонны считать, что древняя атмосфера Земли отличалась от той, которую моделировал Миллер, и состояла, скорее всего, из углекислого газа и азота. Используя эту газовую смесь и экспериментальную установку Миллера, химики попытались получить органические соединения. Однако их концентрация в воде была такой ничтожной, как если бы растворили каплю пищевой краски в плавательном бассейне. Естественно, трудно себе представить, как могла возникнуть жизнь в таком разбавленном растворе.
Если действительно вклад земных процессов в создание запасов первичного органического вещества был столь незначителен, то откуда оно вообще взялось? Может быть, из космоса? Астероиды, кометы, метеориты и даже частицы межпланетной пыли могли нести на себе органические соединения, включая аминокислоты. Эти внеземные объекты могли обеспечить попадание в первичный океан или небольшой водоем достаточного для зарождения жизни количества органических соединений.
Последовательность и временной интервал событий, начиная от образования первичного органического вещества и кончая появлением жизни как таковой, остается и, наверное, навсегда останется загадкой, волнующей многих исследователей, равно как и вопрос, что. собственно, считать жизнью.
В настоящее время существует несколько научных определений жизни, но все они не точны. Одни из них настолько широки, что под них попадают такие неживые объекты, как огонь или кристаллы минералов. Другие – слишком узки, и в соответствии с ними мулы, не дающие потомства, не признаются живыми.
Одно из наиболее удачных определяет жизнь как самоподдерживающуюся химическую систему, способную вести себя в соответствии с законами дарвиновской эволюции. Это значит, что, во-первых, группа живых особей должна производить подобных себе потомков, которые наследуют признаки родителей. Во-вторых, в поколениях потомков должны проявляться последствия мутаций – генетических изменений, которые наследуются последующими поколениями и обуславливают популяционную изменчивость. И в-третьих, необходимо, чтобы действовала система естественного отбора, в результате которого одни особи получают преимущество перед другими и выживают в изменившихся условиях, давая потомство.
Какие же элементы системы были необходимы, чтобы у нее появились характеристики живого организма? Большое число биохимиков и молекулярных биологов считают, что необходимыми свойствами обладали молекулы РНК. РНК – рибонуклеиновые кислоты – это особенные молекулы. Одни из них могут реплицироваться, мутировать, таким образом передавая информацию, и, следовательно, они могли участвовать в естественном отборе. Правда, они не способны сами катализировать процесс репликации, хотя ученые надеются, что в недалеком будущем будет найден фрагмент РНК с такой функцией. Другие молекулы РНК задействованы в “считывании” генетической информации и передаче ее на рибосомы, где происходит синтез белковых молекул, в котором принимают участие молекулы РНК третьего типа.
Таким образом самая примитивная живая система могла быть представлена молекулами РНК, удваивающимися, подвергающимися мутациям и подверженными естественному отбору. В ходе эволюции на основе РНК возникли специализированные молекулы ДНК – хранители генетической информации – и не менее специализированные молекулы белка, взявшие на себя функции катализаторов синтеза всех известных в настоящее время биологических молекул.
В некий момент времени “живая система” из ДНК, РНК и белка нашла приют внутри мешочка, образованного липидной мембраной, и эта более защищенная от внешних воздействий структура послужила прототипом самых первых клеток, давших начало трем основным ветвям жизни, которые представлены в современном мире бактериями, археями и эукариотами. Что касается даты и последовательности появления таких первичных клеток, то это остается загадкой. Кроме того, по простым вероятностным оценкам для эволюционного перехода от органических молекул к первым организмам не хватает времени – первые простейшие организмы появились слишком внезапно.
В течение многих лет ученые полагали, что жизнь вряд ли могла возникнуть и развиваться в тот период, когда Земля постоянно подвергалась столкновениям с большими кометами и метеоритами, а завершился этот период примерно 3,8 млрд лет тому назад. Однако недавно в самых древних на Земле осадочных породах, найденных в юго-западной части Гренландии, были обнаружены следы сложных клеточных структур, возраст которых составляет по крайней мере 3,86 млрд лет. Значит, первые формы жизни могли возникнуть за миллионы лет до того, как прекратилась бомбардировка нашей планеты крупными космическими телами. Но тогда возможен и совсем другой сценарий (рис. 4).
Падавшие на Землю космические объекты могли сыграть центральную роль в возникновении жизни на нашей планете, так как, по мнению ряда исследователей, клетки, подобные бактериям, могли возникнуть на другой планете и затем уже попасть на Землю вместе с астероидами. Одно из свидетельств в пользу теории внеземного происхождения жизни было обнаружено внутри метеорита, по форме напоминающего картофелину и названного ALH84001. Первоначально этот метеорит был частичкой марсианской коры, которая затем была выброшена в космос в результате взрыва при столкновении огромного астероида с поверхностью Марса, происшедшего около 16 млн лет назад. А 13 тыс. лет назад после длительного путешествия в пределах Солнечной системы этот осколок марсианской породы в виде метеорита приземлился в Антарктике, где и был недавно обнаружен. При детальном исследовании метеорита внутри него были обнаружены палочковидные структуры, напоминающие по форме окаменелые бактерии, что дало повод для бурных научных споров о возможности жизни в глубине марсианской коры. Разрешить эти споры удастся не ранее 2005 г., когда Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям США осуществит программу полета на Марс межпланетного корабля для отбора проб марсианской коры и доставки образцов на Землю. И если ученым удастся доказать, что микроорганизмы когда-то населяли Марс, то о внеземном возникновении жизни и о возможности занесения жизни из Космоса можно будет говорить с большей долей уверенности (рис. 5).
Рис. 5. Наше происхождение от микробов.
Что мы унаследовали от древних форм жизни? Приведенное ниже сравнение одноклеточных организмов с клетками человека выявляет много черт сходства.
 1. Половое размножение |
 2. Реснички |
 3. Захват других клеток |
 4. Митохондрии
|
 5. Жгутики |
Эволюция жизни на Земле: от простого к сложному
В настоящее время, да, наверное, и в будущем, наука не сможет дать ответ на вопрос, как выглядел самый первый организм, появившийся на Земле, – предок, от которого берут начало три основные ветви древа жизни. Одна из ветвей – эукариоты, клетки которых имеют оформленное ядро, содержащее генетический материал, и специализированные органеллы: митохондрии, вырабатывающие энергию, вакуоли и др. К эукариотным организмам относятся водоросли, грибы, растения, животные и человек.
Вторая ветвь – это бактерии – прокариотные (доядерные) одноклеточные организмы, не имеющие выраженного ядра и органелл. И наконец, третья ветвь – одноклеточные организмы, именуемые археями, или архебактериями, клетки которых имеют такое же строение, как и у прокариот, но совсем другую химическую структуру липидов.
Многие архебактерии способны выживать в крайне неблагоприятных экологических условиях. Некоторые из них являются термофилами и обитают только в горячих источниках с температурой 90 °С и даже выше, где другие организмы попросту погибли бы. Превосходно чувствуя себя в таких условиях, эти одноклеточные организмы потребляют железо и серусодержащие вещества, а также ряд химических соединений, токсичных для других форм жизни. По мнению ученых, найденные термофильные архебактерии являются крайне примитивными организмами и в эволюционном отношении – близкими родственниками самых древних форм жизни на Земле.
Интересно, что современные представители всех трех ветвей жизни, наиболее похожие на своих прародителей, и сегодня обитают в местах с высокой температурой. Исходя из этого, некоторые ученые склонны считать, что, вероятнее всего, жизнь возникла около 4 млрд лет тому назад на дне океана вблизи горячих источников, извергающих потоки, богатые металлами и высокоэнергетическими веществами. Взаимодействуя друг с другом и с водой стерильного тогда океана, вступая в самые разнообразные химические реакции, эти соединения дали начало принципиально новым молекулам. Так, в течение десятков миллионов лет в этой “химической кухне” готовилось самое большое блюдо – жизнь. И вот около 4,5 млрд лет тому назад на Земле появились одноклеточные организмы, одинокое существование которых продолжалось весь докембрийский период.
Всплеск эволюции, давший начало многоклеточным организмам, произошел гораздо позже, немногим более полумиллиарда лет назад. Хотя размеры микроорганизмов столь малы, что в одной капле воды могут поместиться миллиарды, масштабы проведенной ими работы грандиозны.
Полагают, что первоначально в земной атмосфере и Мировом океане не было свободного кислорода, и в этих условиях жили и развивались лишь анаэробные микроорганизмы. Особым шагом в эволюции живого было возникновение фотосинтезирующих бактерий, которые, используя энергию света, превращали углекислый газ в углеводные соединения, служащие пищей для других микроорганизмов. Если первые фотосинтетики выделяли метан или сероводород, то появившиеся однажды мутанты начали вырабатывать в процессе фотосинтеза кислород. По мере накопления кислорода в атмосфере и водах анаэробные бактерии, для которых он губителен, заняли бескислородные ниши.
В древних ископаемых остатках, найденных в Австралии, возраст которых исчисляется 3,46 млрд лет, были обнаружены структуры, которые считают останками цианобактерий – первых фотосинтезирующих микроорганизмов. О былом господстве анаэробных микроорганизмов и цианобактерий свидетельствуют строматолиты, встречающиеся в мелководных прибрежных акваториях не загрязненных соленых водоемов. По форме они напоминают большие валуны и представляют интересное сообщество микроорганизмов, живущее в известняковых или доломитовых породах, образовавшихся в результате их жизнедеятельности. На глубину нескольких сантиметров от поверхности строматолиты насыщены микроорганизмами: в самом верхнем слое обитают фотосинтезирующие цианобактерии, вырабатывающие кислород; глубже обнаруживаются бактерии, которые до определенной степени терпимы к кислороду и не нуждаются в свете; в нижнем слое присутствуют бактерии, которые могут жить только в отсутствие кислорода. Расположенные в разных слоях, эти микроорганизмы составляют систему, объединенную сложными взаимоотношениями между ними, в том числе пищевыми. За микробной пленкой обнаруживается порода, образующаяся в результате взаимодействия остатков отмерших микроорганизмов с растворенным в воде карбонатом кальция. Ученые считают, что когда на первобытной Земле еще не было континентов и лишь архипелаги вулканов возвышались над поверхностью океана, мелководье изобиловало строматолитами.
В результате жизнедеятельности фотосинтезирующих цианобактерий в океане появился кислород, а примерно через 1 млрд лет после этого он начал накапливаться в атмосфере. Сначала образовавшийся кислород взаимодействовал с растворенным в воде железом, что привело к появлению окислов железа, которые постепенно осаждались на дне. Так в течение миллионов лет с участием микроорганизмов возникли огромные залежи железной руды, из которой сегодня выплавляется сталь.
Затем, когда основное количество железа в океанах подверглось окислению и уже не могло связывать кислород, он в газообразном виде ушел в атмосферу.
После того как фотосинтезирующие цианобактерии создали из углекислого газа определенный запас богатого энергией органического вещества и обогатили земную атмосферу кислородом, возникли новые бактерии – аэробы, которые могут существовать только в присутствии кислорода. Кислород им необходим для окисления (сжигания) органических соединений, а значительная часть получаемой при этом энергии превращается в биологически доступную форму – аденозинтрифосфат (АТФ). Этот процесс энергетически очень выгоден: анаэробные бактерии при разложении одной молекулы глюкозы получают только 2 молекулы АТФ, а аэробные бактерии, использующие кислород, – 36 молекул АТФ.
С появлением достаточного для аэробного образа жизни количества кислорода дебютировали и эукариотные клетки, имеющие в отличие от бактерий ядро и такие органеллы, как митохондрии, лизосомы, а у водорослей и высших растений – хлоропласты, где совершаются фотосинтетические реакции. По поводу возникновения и развития эукариот существует интересная и вполне обоснованная гипотеза, высказанная почти 30 лет назад американским исследователем Л.Маргулисом. Согласно этой гипотезе митохондрии, выполняющие функции фабрик энергии в эукариотной клетке, – это аэробные бактерии, а хлоропласты растительных клеток, в которых происходит фотосинтез, – цианобактерии, поглощенные, вероятно, около 2 млрд лет назад примитивными амебами. В результате взаимовыгодных взаимодействий поглощенные бактерии стали внутренними симбионтами и образовали с поглотившей их клеткой устойчивую систему – эукариотную клетку.
Исследования ископаемых останков организмов в породах разного геологического возраста показали, что на протяжении сотен миллионов лет после возникновения эукариотные формы жизни были представлены микроскопическими шаровидными одноклеточными организмами, такими как дрожжи, а их эволюционное развитие протекало очень медленными темпами. Но немногим более 1 млрд лет назад возникло множество новых видов эукариот, что обозначило резкий скачок в эволюции жизни.
Прежде всего это было связано с появлением полового размножения. И если бактерии и одноклеточные эукариоты размножались, производя генетически идентичные копии самих себя и не нуждаясь в половом партнере, то половое размножение у более высокоорганизованных эукариотных организмов происходит следующим образом. Две гаплоидные, имеющие одинарный набор хромосом половые клетки родителей, сливаясь, образуют зиготу, имеющую двойной набор хромосом с генами обоих партнеров, что создает возможности для новых генных комбинаций. Возникновение полового размножения привело к появлению новых организмов, которые и вышли на арену эволюции.
Три четверти всего времени существования жизни на Земле она была представлена исключительно микроорганизмами, пока не произошел качественный скачок эволюции, приведший к появлению высокоорганизованных организмов, включая человека. Проследим основные вехи в истории жизни на Земле по нисходящей линии.
1,2 млрд лет назад произошел взрыв эволюции, обусловленный появлением полового размножения и ознаменовавшийся появлением высокоорганизованных форм жизни – растений и животных.
Образование новых вариаций в смешанном генотипе, возникающем при половом размножении, проявилось в виде биоразнообразия новых форм жизни.
2 млрд лет назад появились сложноорганизованные эукариотные клетки, когда одноклеточные организмы усложнили свое строение за счет поглощения других прокариотных клеток. Одни из них – аэробные бактерии – превратились в митохондрии – энергетические станции кислородного дыхания. Другие – фотосинтетические бактерии – начали осуществлять фотосинтез внутри клетки-хозяина и стали хлоропластами в клетках водорослей и растений. Эукариотные клетки, имеющие эти органеллы и четко обособленное ядро, включающее генетический материал, составляют все современные сложные формы жизни – от плесневых грибов до человека.
3,9 млрд лет назад появились одноклеточные организмы, которые, вероятно, выглядели, как современные бактерии, и архебактерии. Как древние, так и современные прокариотные клетки устроены относительно просто: они не имеют оформленного ядра и специализированных органелл, в их желеподобной цитоплазме располагаются макромолекулы ДНК – носители генетической информации, и рибосомы, на которых происходит синтез белка, а энергия производится на цитоплазматической мембране, окружающей клетку.
4 млрд лет назад загадочным образом возникла РНК. Возможно, что она образовалась из появившихся на первобытной земле более простых органических молекул. Полагают, что древние молекулы РНК имели функции носителей генетической информации и белков-катализаторов, они были способны к репликации (самоудвоению), мутировали и подвергались естественному отбору. В современных клетках РНК не имеют или не проявляют этих свойств, но играют очень важную роль посредника в передаче генетической информации с ДНК на рибосомы, в которых происходит синтез белков.
А.Л. Прохоров
По материалам
статьи Ричарда Монастерски
в журнале National Geographic, 1998 г. No
3
Проблема возникновения жизни на Земле издавна интересовала и волновала человека. Существует несколько гипотез о происхождении жизни на нашей планете:
жизнь создана Богом;
жизнь на Землю занесена извне;
живое на планете неоднократно самозарождалось из неживого;
жизнь существовала всегда;
жизнь возникла как следствие биохимической революции.
Все многообразие различных гипотез сводится к двум взаимоисключаемым точкам зрения. Сторонники теории биогенеза полагали, что все живое происходит только от живого. Их противники защищали теорию абиогенеза – они считали возможным происхождение живого от неживого.
Многие ученые допускали возможность самозарождения жизни. Невозможность самопроизвольного зарождения жизни была доказана Луи Пастером.
Второй этап – образование из простых органических соединений в водах первичного океана белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. Разрозненные молекулы этих соединений концентрировались и формировали коацерваты, действующие как открытые системы, способные к обмену веществ с окружающей средой и росту.
Третий этап – в результате взаимодействия коацерватов с нуклеиновыми кислотами образовались первые живые существа – пробионты, способные, помимо роста и обмена веществ, к самовоспроизведению.