Зарождение жизни на планете земля. Происхождение и начальные этапы развития жизни на земле

Наука

По подсчетам ученых, жизнь на земле зародилась около 3 миллиардов лет назад : за это время простейшие организмы развились в сложные формы жизни. Однако для ученых до сих пор остается загадкой, как зародилась жизнь на планете, и они выдвинули несколько теорий, объясняющих этот феномен:

1. Электрические искры

В ходе знаменитого эксперимента Миллера-Юри (Miller-Urey Experiment), ученые доказали, что молнии могли способствовать появлению основных веществ, необходимых для зарождения жизни: электрические искры образовывают аминокислоты в атмосфере, состоящей из огромного количества воды, метана, аммиака и водорода. Затем из аминокислот развились более сложные формы жизни. Эту теорию несколько изменили после того, как исследователи выяснили, что атмосфера планеты миллиарды лет назад была бедна водородом. Ученые предположили, что метан, аммиак и водород содержались в вулканических облаках, насыщенных электрическими зарядами.

2. Глина

Химик Александр Грэм Кэрнс-Смит (Alexander Graham Cairns-Smith) из университета Глазго, Шотландия, выдвинул теорию о том, что на заре зарождения жизни в глине содержалось много органических компонентов, находящихся недалеко друг от друга, и что глина способствовала организации этих веществ в структуры, подобные нашим генам.

ДНК хранит информацию о структуре молекул, и генетические последовательности ДНК указывает на то, как аминокислоты должны построиться в белки. Кэрнс-Смит предполагает, что кристаллы глины способствовали организации органических молекул в упорядоченные структуры, а позднее этим стали заниматься сами молекулы, "без помощи" глины.

3. Глубоководные жерла

Согласно этой теории, жизнь зародилась в подводных гидротермальных жерлах, выбрасывающих молекулы, богатые водородом. На их каменистой поверхности эти молекулы могли собраться вместе и стать минеральными катализаторами для реакций, которые и привели к зарождению жизни. Даже сейчас у таких гидротермальных жерл, богатых химической и термальной энергией, обитает довольно большое количество живых существ.

4. Ледяное начало

3 миллиарда лет назад Солнце светило далеко не так ярко, как сейчас, и, соответственно, тепла до Земли доходило меньше. Вполне возможно, что поверхность земли покрывал толстый слой льда, который защищал хрупкие органические вещества , находящиеся в воде под ним, от ультрафиолетовых лучей и космического воздействия. К тому же, холод помог молекулам дольше просуществовать, в результате чего стали возможны реакции, приведшие к зарождению жизни.

5. Мир РНК

ДНК нужны белки для формирования, а белкам для образования нужна ДНК. Как могли они сформироваться друг без друга? Ученые предположили, что в этом процессе участвовала РНК, которая, так же, как и ДНК, хранит информацию. Из РНК, соответственно, образовались белки и ДНК , которые заменили ее в виду своей большей эффективности.

Возник другой вопрос: "Как появилась РНК?". Некоторые считают, что она самопроизвольно появилась на планете, а другие отрицают такую возможность.

6. "Простая" теория

Некоторые ученые предположили, что жизнь развилась не из сложных молекул вроде РНК, а из простых, которые взаимодействовали друг с другом. Они, возможно, находились в простых оболочках, сходных с клеточными мембранами. В результате взаимодействии этих простых молекул появились сложные , которые эффективнее вступали в реакции.

7. Панспермия

В конце концов, жизнь могла зародиться не на нашей планете, а принесена из космоса : в науке этот феномен называется панспермией. У этой теории есть вполне прочная основа: из-за космического воздействия от Марса периодически отделяются обломки камней, которые долетают и до Земли. После того, как ученые обнаружили марсианские метеориты на нашей планете, они предположили, что эти объекты и принесли с собой бактерии. Если верить им, то все мы марсиане . Другие исследователи предположили, что жизнь принесли кометы из других звездных систем. Даже если они правы, то человечество будет искать ответ на другой вопрос: "А как жизнь зародилась в космосе?".

История жизни на Земле началась с момента появления первых живых организмов — примерно 3,7 миллиарда лет назад — и продолжается по сей день. Сходство между всеми организмами указывают на наличие общего предка, из которого все известные виды разошлись в процессе эволюции.

Цианобактериальные маты и археи были доминирующей формой жизни в начале архейского эона и были огромным эволюционным шагом того времени. Кислородный фотосинтез, появившийся тогда, около 3500000000 лет назад, в конечном итоге привел к оксигенации атмосферы, начиная примерно с 2400 млн лет назад. Первые свидетельства эукариот датируется 1850 млн лет назад, хотя, возможно, они появились раньше, их диверсификация ускорилась, когда они начали использовать кислород в метаболизме. Позже, около 1700000000 лет назад, стали появляться многоклеточные организмы с дифференцированными клетками выполнения специализированных функций.

Примерно 1200 млн лет назад появляются первые водоросли, а уже примерно 450 млн лет назад — первые высшие растения. Беспозвоночные животные появились в едиакарскому периоде, а позвоночные возникли около 525 000 000 лет назад во время кембрийского взрыва.

Возникновение жизни на Земле

В соответствии с современной концепцией мира РНК, рибонуклеиновая кислота (РНК) была первой молекулой, которая обладала способностью к самовоспроизведению. Могли пройти миллионы лет, прежде чем на Земле появилась первая такая молекула. Но после ее образования на нашей планете появилась возможность возникновения жизни.

Молекула РНК может работать как фермент, соединяя свободные нуклеотиды в комплементарную последовательность. Таким способом происходит размножение РНК.

Но эти химические соединения еще нельзя назвать живыми существами, поскольку они не имеют границ тела. Любой живой организм имеет следующие границы. Только внутри изолированного от внешнего хаотического движения частиц тела могут происходить сложные химические реакции, которые позволяют существу питаться, размножаться, двигаться и т. Д.

Появление изолированных полостей в океане довольно частым явлением. Их образуют жирные (алифатические) кислоты, которые попадают в воду. Все дело в том, что один конец молекулы гидрофильный, а другой — гидрофобный. Жирные кислоты, которые попадают в воду, образуют сферы таким образом, что гидрофобные концы молекул находятся внутри сферы. Возможно, молекулы РНК начали попадать в такие сферы.

Первый обмен веществ

Способность к самовоспроизведению и наличие границ тела — это еще не все признаки, которые отличают живое существо от неживой природы. Для воспроизведения внутри сферы из жирных кислот, молекулы РНК нужно было наладить процесс обмена веществ. Известно, что молекула РНК способна притягивать нужные нуклеотиды и отталкивать нужны. Поэтому ей ничего не мешало сделать это через мембрану. Скорее всего, процесс происходил так: нужен нуклеотид привлекался к мембране вплотную, как только он приближался на достаточно близкое расстояние, то начинал отталкивать от себя молекулы жирных кислот, из-за чего образовался проем по размерам нуклеотида, после чего он свободно проходил через него и присоединялся к создаваемому цепочки.

Первый деление клетки

Как начали делиться первые клетки, состоящие из молекулы РНК и мембраны из жирных кислот, в настоящее время неизвестно. Возможно, построенная внутри мембраны новая молекула РНК начинала отталкиваться от первой. В конце концов, одна из них прорывала мембрану. Вместе с молекулой РНК выходила и часть молекул жирных кислот, которые образовывали вокруг нее новую сферу.

докембрий

Докембрий длился около 3800000000 лет. В течение этого отрезка времени на Земле произошли значительные изменения: кора остыла, появились океаны и, что самое важное, появилось примитивная жизнь. Однако следы этой жизни в палеонтологической летописи редки, поскольку первые организмы были мелкими и не имели твердых оболочек.

На докембрий приходится большая часть геологической истории Земли. При этом его хронология разработана гораздо хуже, чем на следующий за ним фанерозоя. Причина этого в том, что органические остатки в докембрийских отложениях встречаются крайне редко, что является одной из характерных особенностей этих древних геологических образований. Поэтому палеонтологический метод изучения нельзя применять для докембрийских толщ.

архей

Охватывает временной промежуток 4,6-2,5 млрд лет назад.

Исследование метеоритов, горных пород и других материалов того времени показывают, что наша планета сформировалась примерно 4600000000 лет назад. К этому времени вокруг Солнца был только размытый диск, состоящий из газа и космической пыли. Затем, под действием силы тяжести пыль начал собираться в небольшие тела, которые со временем превратились в планеты.

В течение миллионов лет на Земле не существовало никаких форм жизни. После архейского эпизода расплавления верхней мантии и ее перегрева с возникновением в этой геосфере магматического океана вся начальная поверхность Земли вместе с ее первичной и сначала плотной литосферой очень быстро погрузилась в расплавы верхней мантии. Атмосфера в то время не была плотной и состояла из таких газов, как аммиак (NH 3), метан (CH 4), водород (H 2), хлор (Cl 2), пары серы. Температура ее достигала 80 ° C. Естественная радиоактивность была намного выше сегодняшней. Жизнь в таких условиях было невозможно.

4 млрд лет назад Земля столкнулась с планетой Тейя (ее размер был близок к размерам Марса). Столкновение было таким сильным, что образованные при столкновении обломки были выброшены в космос и образовали Луну. Образование Луны способствовало появлению жизни: он вызвал приливы, которые способствовали очищению и аэрации морей и стабилизировал ось вращения Земли.

Первые химические следы жизни возрастом около 3500000000 лет были обнаружены в горных породах Австралии (Пилбара). Возможно, жизнь зародилась именно в горячих источниках, где было много питательных веществ, в том числе и нуклеотидов.

Жизнь в археи развилось до бактерий и цианобактерий. Они вели придонный образ жизни: устилали дно моря тонким слоем слизи.

Катархей

Катархейський эон (др.-греч κατἀρχαῖος — «ниже древнейшего»), 4,6-3,8 миллиардов лет назад, известный как протопланетный этап развития Земли. Охватывает первую половину архея. Земля в то время была космическим телом без атмосферы и гидросферы. В таких условиях никакой жизни появиться не могло.

Во время катархею атмосфера не была плотной. Она состояла из газов и паров воды, появившиеся при столкновении Земли с астероидами.

В связи с тем, что Луна тогда был очень близко (всего на 17 000 километров) к Земле, сутки продолжалась недолго — всего 6:00. Но, по мере удаления Луны, сутки начала увеличиваться.

Эоархей

Охватывает время 4-3,6 млрд лет назад. Возможно, прокариоты появились уже в конце Эоархей. Кроме того, в еоархея относятся древнейшие геологические породы — формация Исуа в Гренландии.

палеоархея

Палеоархея (от др.-греч παλαιός — «старый» и ἀρχαῖος — «старый») продолжался с 3,6 по 3200000000 лет назад. В Австралии найдена древнейшая форма жизни, относится к этой эры — хорошо сохранившиеся остатки бактерий возрастом 3460000000 лет.

мезоархея

Мезоархея (от др.-греч μέσος — «средний» и ἀρχαῖος — «старый») продолжался 3,2-2,8 млрд лет назад. В мезоархеи уже встречаются строматолиты.

неоархей

Неоархей охватывает временной промежуток 2,8-2,5 млрд лет назад. В эту эру появился кислородный фотосинтез, который стал причиной кислородной катастрофы, которая произошла в палеопротерозоя. В этой эре активно развиваются бактерии и водоросли.

протерозойской эон

Охватывает временной промежуток 2500000000 — 543 млн лет назад. Протерозой (греч. Πρότερος — первый, старший, греч. Ζωή — жизнь) ознаменовался возникновением сложных растений, грибов и животных (например, губок). Жизнь в начале протерозоя, как и раньше, было сосредоточено в морях, так как условия на суше были не совсем благоприятными: атмосфера состояла преимущественно из сероводорода, CO 2, N 2, CH 4, и совсем малого количества O 2.

Однако, бактерии, которые жили в то время в морях, начали производить O 2 в качестве побочного продукта, и 2 млрд лет назад количество кислорода уже достигла устойчивого уровня. Но резкое увеличение количества кислорода в атмосфере привело к кислородной катастрофы, которая вызвала изменения органов дыхания у организмов, населявших в то время океаны (анаэробные изменились аэробными) и изменение состава атмосферы (образование озонового слоя). Вследствие ослабления парникового эффекта на Земле наступило длительное гуронское оледенение: температура опускалась до -40 ° С.

Дальнейшие ископаемые остатки первых многоклеточных встречаются уже после оледенения. В то время океаны населяли такие червеобразные животные, как сприггина (Spriggina). Такие животные, возможно, стали предками современных животных.

палеопротерозой

Палеопротерозой — геологическая эра, часть протерозоя, которая началась 2500000000 лет назад и закончилась 1600000000 лет назад. В это время состоялась первая стабилизация континентов. Эволюционировали цианобактерии — тип бактерий, использовал биохимический процесс фотосинтеза для производства энергии и кислорода.

Важнейшее событие раннего палеопротерозоя — кислородная катастрофа. К значительному повышению содержания кислорода в атмосфере почти все формы жизни, которые существовали в то время, были анаэробами, то есть обмен веществ в живых формах зависел от форм клеточного дыхания, не нуждались в кислороде. Кислород в больших количествах является губительным для большинства анаэробных бактерий, поэтому в настоящее время большая часть живых организмов на Земле исчезла. Формы жизни, которые остались, были или невосприимчивыми к действию кислорода, или жили в бескислородной среде.

мезопротерозой

Мезопротерозой — геологическая эра, часть протерозоя, которая началась 1600000000 лет назад и закончилась 1000000000 лет назад.

неопротерозоя

Неопротерозоя — геологическая эра (последняя эра протерозоя), которая началась 1000 млн лет назад и закончилась 542 млн лет назад. С геологической точки зрения характеризуется распадом древнего суперконтинента Родиния как минимум на 8 фрагментов, в связи с чем прекращает свое существование древней суперокеан Мировия. Во время криогению началось масштабное оледенение Земли — лед достигал экватора (Земля-снежок).

До позднего неопротерозою (Эдиакара) относятся древнейшие ископаемые остатки живых организмов, поскольку именно в это время в живых организмов начинает появляться что-то вроде твердой оболочки или скелета.

фанерозой

Фанерозойский эон (др.-греч φανερός ζωή — «явное жизни») начался примерно 543 млн лет назад и продолжается в наше время. В фанерозое появлялись и вымирали самые существа, в том числе гигантские насекомые и динозавры.

палеозойская эра

В начале палеозоя (греч. Πᾰλαιός — давний, греч. Ζωή — жизнь) появились животные с твердым наружным скелетом.

кембрийский период

Охватывает временной промежуток 543-490 млн лет назад. В кембрийский период внезапно появляется огромное разнообразие живых организмов — предков нынешних представителей многих подразделений царства животных (в отложениях, которые предшествовали кембрия, остатки таких организмов отсутствуют). Эта внезапная в геологическом масштабе событие, которое в реальности длилась миллионы лет, известная в науке как кембрийский взрыв.

Ископаемые остатки животных кембрийского периода находят довольно часто и во всем мире. В начале кембрийского периода (около 540 млн лет назад) в некоторых групп животных появляется сложно построенное глаз. Появление этого органа была огромным эволюционным шагом — теперь животные могли видеть окружающий мир. Так, жертвы теперь могли видеть охотников, а охотники — своих жертв.

В кембрийском периоде на суше жизни не существовало. Но океаны были густо населены беспозвоночными, например, губками, трилобитами, аномалокарамы. Время от времени огромные подводные оползни захоранивали группы морских существ под тоннами ила. Благодаря этим сдвигам мы можем наглядно представить себе, каким необычным был животный мир кембрийского периода, ведь в иле прекрасно сохранились в виде окаменелостей даже нежные мягкотелые животные.

В морях позднего кембрийского периода основными группами животных были членистоногие, иглокожие и моллюски. Но самым важным жителем морей того времени была бесчелюстные существо хайкоуихтис — у нее кроме глаз развилась хорда.

ордовикский период

Охватывает промежуток времени 490-443 млн лет назад. Во время ордовика суша оставалась необжитой, за исключением лишайников, которые первыми из растений стали жить на суше. Но основная жизнь развивалось достаточно активно в морях.

Основными жителями ордовикский морей были членистоногие, такие как мегалограпт. Они могли ненадолго выходить на сушу, чтобы отложить икру. Но были и другие жители, например, представитель класса головоногих ортокон камероцерас.

Позвоночные животные в ордовике сформировались еще не до конца. В морях плавали потомки хайкоуихтиса, в которых было образование, напоминавшей позвоночник.

Также в морях ордовикского периода жили представители кишечнополостных, иглокожих, кораллов, губок и других беспозвоночных.

силурийский период

Охватывает промежуток времени 443-417 млн ​​лет назад. В силуре на сушу выходят некоторые растения, например, куксония (Coocsonia), которые достигали в высоту не более 10 см, и некоторые виды лишайников. В некоторых членистоногих развились примитивные легкие, которые позволяли им дышать атмосферным воздухом, например, скорпион бронтоскорпио мог находиться на суше в течение четырех часов.

В морях через миллионы лет формируются огромные коралловые рифы, где находили приют мелкие ракообразные и членистоногие. В этом периоде членистоногие становятся еще больше, например, ракоскорпион птеригот мог достигать 2,5 метров в длину, однако, он был слишком большим, чтобы выползать на сушу.

В силурийских морях появляются полностью сформированы позвоночные животные. В отличие от членистоногих, у позвоночных был костяной хребет, позволявший им лучше маневрировать под водой.

девонский период

Охватывает промежуток времени 417-354 млн лет назад.

В девоне жизнь продолжает активно развиваться на суше и в море. Появляются первые примитивные леса, состоящие в основном из древнейших примитивных древовидных папоротников археоптерисив (Archaeopteris), которые росли в основном на берегах рек и озер.

Основное жизни в раннем девоне было представлено в основном Mesothelae и многоножками, которые дышали всей поверхностью тела и жили в очень влажных местах. Однако, к концу девона в древних артроподов появляется хитиновый панцирь, сокращается количество сегментов тела, четвертая пара лап превращается в усики и челюсти, в некоторых также развились крылья. Так появилась новая эволюционная ветвь — насекомые, которая смогла освоить самые разнообразные уголки планеты.

В середине девона на сушу ступили первые амфибии (например, гинерпетон, ихтиостега). Они не могли жить вдали от воды, так как их кожа была еще очень тонкой и незащищенной от пересыхания. К тому же, амфибии могли размножаться только при наличии воды — икринками. Вне воды потомство амфибии погибло бы: икру высушило бы солнце, ведь она не защищена никакой оболочкой, кроме тонкой пленки.

У рыб развились челюсти, которые позволяли им ловить быстрых жертв. Они начали стремительно увеличиваться в размерах. Уже к концу девона в морях появились первые костные рыбы, такие как гигантская хищная гинерия. Однако наиболее грозными обитателями девонских морей были представители группы плакодерм, такие как дунклеостей и динихтис, достигавшие в длину 8-10 метров.

каменноугольный период

Охватывает промежуток времени от 354-290 млн лет назад. В каменноугольном периоде почти по всей планете климат был жаркий и влажный. В болотистых лесах того времени росли преимущественно хвощи, древовидные папоротники и гигантские лепидодендроны, которые достигали в высоту от 10 до 35 метров, и в диаметре ствола — до одного метра.

Фауна была представлена ​​огромным количеством существ. Большое количество тепла, влаги и кислорода способствовала увеличению размера членистоногих, так, например, артроплевра могла достигать 2,5 метров в длину, а огромная стрекоза меганевра — 75 см в размахе крыльев.

Такие условия способствовали и расцвета амфибий. Они (например, протерогиринус) заняли все прибрежные области, практически окончательно вытеснив двоякодышащих и кистеперых. В каменноугольном периоде амфибии дали начало рептилиям. Первые рептилии были очень маленькими животными, которые напоминали современных ящериц, например, длина петролакозавра не превышала 40 сантиметров в длину. Рептилии могли откладывать яйца на суше — это было большим эволюционным шагом, к тому же их кожа была покрыта плотной чешуей, которая защищала кожу животного от высыхания, а следовательно, они могли спокойно отходить далеко от воды. Наличие таких приспособительных особенностей и определила их дальнейшее эволюционное успех в качестве наземных животных.

В морях каменноугольного периода также было много форм жизни. Акулы и костные рыбы (предки большинства современных рыб) доминировали в толще воды, а морское дно покрывали многочисленные коралловые рифы, которые простирались на многие километры вдоль побережья древних материков.

Конец карбона, около 290 млн лет назад, отметил длительный ледниковый период, который закончился в начале пермского периода. Ледники медленно подбирались к экватору с севера и юга. Многочисленные животные и растения не смогли приспособиться к таким климатическим условиям и вскоре вымерли.

Пермский период

Охватывает промежуток времени 290-248 млн лет назад. Через ледниковый период в конце карбона в пермском периоде климат стал холоднее и суше. Пышные тропические леса, болота изменились бескрайними пустынями и засушливыми равнинами. В таких условиях росли только самые стойкие растения — папоротники и примитивные хвойные.

Вследствие исчезновения болот резко сократилось количество амфибий, поскольку они могли жить только рядом с водой (например, амфибия-рептилиоморф сеймурия). Место амфибий заняли рептилии, поскольку они были хорошо приспособлены к жизни в сухом климате. Рептилии начали быстро увеличиваться в размере и численности, им удалось расселиться по всей суше, они дали начало таким крупным наземным животным, как пеликозавры (например, Диметродон и едафозавры). За холодного климата в таких рептилий развился парус, который помогал им регулировать температуру тела.

В эпоху поздней перми образовался единый суперконтинент — Пангея. В местах с особо сухим и жарким климатом начало образовываться все больше пустынь. В это время пеликозавры дали начало терапсид — звероподобным ящерам. Они отличались от своих предков прежде всего тем, что имели отличную от них строение зубов; во-вторых, эта группа имела гладкие кожные покровы (в процессе эволюции чешуя у них так и не развилась) в-третьих, у некоторых представителей этой группы развились вибрисы (а позже и шерстяной покров). Ряд терапсид включал как кровожадных хищников (например, горгонопсы), так и роющих растительноядных животных (например, дииктодона). Кроме терапсид на суше жили и представители семейства пареязаврив, например, покрытый толстой броней скутозавр.

В конце пермского периода климат стал намного суше, что привело к сокращению площади прибрежных зон с густой растительностью и увеличение площади пустынь. В результате из-за нехватки жизненного пространства, корма и кислорода, который производился растениями, многие виды животных и растений вымерли. Эта эволюционная событие получило название массового пермского вымирания, в процессе которого вымерло 95% всех живых существ. Ученые до сих пор спорят о причинах этого вымирания, и выдвигают некоторые гипотезы:

1. Падение одного или нескольких метеоритов, или столкновения Земли с астероидом диаметром в несколько десятков километров (одним из доказательств этой теории является наличие 500-километрового кратера в районе Земли Уилкса;
2. Усиление вулканической активности;
3. Внезапный выброс метана со дна моря;
4. Извержение трапов (базальтов), сначала относительно небольших Емейшанських трапов около 260 млн лет назад, затем колоссальных Сибирских трапов 251 млн лет назад. С этим могли быть связаны вулканическая зима, парниковый эффект из-за выброса вулканических газов и другие климатические изменения, которые повлияли на биосферу.

Однако, эволюция на этом не прекратилась: через некоторое время виды живых существ, которые выжили, дали начало новым, еще более удивительным формам жизни.

Мезозойская эра

Во время мезозоя на Земле обитали разнообразные причудливые организмы. Самые известные из них — динозавры. Они доминировали на протяжении 160 млн лет на всех континентах. Они имели самые разнообразные размеры: от совсем крошечного микрораптора, который достигал всего 70 см в длину и веса 0,5 кг, к гигантскому амфицелиаса, достигавший в длину 50 метров, а массы 150 тонн. В то время на Земле было большое разнообразие форм жизни, которые продолжали эволюционировать и совершенствоваться.

триасовый период

Охватывает временной промежуток 248-206 млн лет назад. В начале триасового периода жизни на планете продолжало медленно восстанавливаться после массового вымирания видов в конце пермского периода. Климат большей части земного шара был жарким и сухим, но достаточное количество осадков вполне могла обеспечить достаточно большое разнообразие растений. Наиболее распространенными в триасе были примитивные хвойные, папоротники и гинкговые, ископаемые остатки которых встречаются во всем мире, даже в полярных областях Земли.

Животные, которые пережили пермское массовое вымирание видов, оказались в очень выигрышной ситуации — ведь на планете почти не осталось ни их пищевых конкурентов, ни крупных хищников. Численность растительноядных рептилий начала быстро расти. То же самое произошло и с некоторыми хищниками. Вскоре большинство животных дали начало многочисленным новым и необычным видам рептилий. В раннем триасовом периоде некоторые рептилии вернулись жить в воду от них пошли нотозавры и другие полуводные существа.

В начале триасового периода жил и возможный предок динозавров — еупаркерия. Характерной особенностью еупаркерии от других ящериц было то, что она могла вставать и бегать на задних лапах.

В позднем триасовом периоде (227-206 млн лет назад) на Земле произошли события, которые определили развитие жизни в течение всей следующей части эры динозавров. В результате раскола гигантского суперконтинента Пангеи образовалось несколько материков. До позднего триаса на суше господствовали звероподобные (терапсиды) рептилии, представленные, например, плацериасом и листрозавром, а также несколько других групп причудливых пресмыкающихся, к которым относились танистрофей и протерозух. Но за сравнительно короткое время численность терапсид сильно сократилась (за исключением группы цинодонтов, которые дали начало млекопитающим). Их место заняли рептилии — архозавры, три основные группы которых вскоре стали господствующими. Этими группами животных были динозавры, птерозавры и крокодиломорфы рептилии. Быстро эволюционировали и морские рептилии, предки гигантских ихтиозавров.

Конец триасового периода отметило новое массовое вымирание видов, как и аналогичное событие в конце перми. Его причины остаются загадкой. В свое время ученые связывали его с падением на Землю астероида, оставившего после падения огромный кратер Маникуаган (Канада) диаметром 100 км, но, как оказалось, это событие произошло гораздо раньше.

Юрский период

Охватывает промежуток времени 206-144 млн лет назад. В раннем юрском периоде (206-180 млн лет назад) климат на Земле стал более теплым и влажным. В приполярных районах поднялись хвойные леса, а тропики покрылись зарослями хвойных растений, папоротников и саговников. По мере того, как континенты медленно расходились, в некоторых низменных уголках планеты формировался муссонный климат; образовались большие речные бассейны, которые регулярно затапливались водой. В раннем юрском периоде динозавры и птерозавры быстро увеличиваются в размерах, становятся более многочисленными и разнообразными и начинают расселяться по всему земному шару. Не отстают от них и морские рептилии (ихтиозавры и плезиозавры), а также моллюски (например, аммониты).

В среднем и позднем юрском периоде (180-144 млн лет назад) климат в некоторых тропических частях мира стал сухим. Возможно, изменение климата и была причиной того, что многие динозавры начали быстро превращаться в настоящих гигантов. Среди растительноядных динозавров — завропод — появляются диплодоки, брахиозавры и другие, а среди хищников — теропод — огромный алозавр. Но по суше бродили и представители других групп динозавров (например, стегозавры и отниелия). Крылатые птерозавры были представлены как рыбоядные видами (например, рамфоринхи), так и крошечными насекомоядными рептилиями (например, анурогнатом).

Теплые юрские моря изобиловали планктоном, который был кормом лидзихтисови и другим крупным рыбам. Хищные плезиозавры были представлены длинношеим криптоклидом и гигантским лиоплевродоном; в мелководных морях охотились древние морские крокодиломорфы (например, метриоринх).

меловой период

Охватывает временной промежуток 144-65 млн лет назад. В меловом периоде климат на планете по-прежнему оставался теплым; благодаря большому количеству сезонных дождей почти весь земной шар — от экватора до приполярных областей — была покрыта пышной растительностью. В позднем юрском периоде появились привычные сегодня цветочные (покрытосеменные) растения, а в меловом периоде они стали уже одной из господствующих групп растений на планете. В конце мелового периода цветочные вытеснили во многих регионах хвойные, папоротники и саговники, заявив свои права на господствующее положение в мире растений, которые они окончательно утвердят в кайнозойскую эру.

В результате различия континентов образовывались все новые протоки, моря и океаны, которые усложняли свободное перемещение животных по планете. Медленно на континентах начали появляться собственные виды растений и животных.

Меловой период был эпохой гигантов. В Южной Америке жили Гигантозавр и аргентинозавр — самые наземные животные, которые когда-либо жили на Земле, а в Северной Америке — огромные хищные тираннозавры и рогатые торозавра. Среди динозавров появились и специализированные виды; велоцираптор и протоцератопс, например, приспособились к жизни среди песчаных дюн монгольских пустынь, а лелинозавр — в южной полярной области. Млекопитающие (например, дидельфодон), как по-прежнему не играли в жизни планеты какой-либо существенной роли; они оставались небольшими животными, но их численность (особенно к концу мелового периода) начала заметно увеличиваться.

Большие изменения произошли и в морях. Их бывшие владельцы (ихтиозавры и плиозавры) уступили место быстрым хищным рыбам (например, ксифактинови) и мозазавров — новой группе гигантских рептилий, включавшей, например, тилозавра.

Увеличились размеры крылатых ящеров птерозавров. Орнитохейрус, птеранодон и большие птерозавры преодолевали по воздуху огромные расстояния и, возможно, даже перелетали с континента на континент. В воздухе летали примитивные птицы (например, иберомезорнис) некоторые морские пернатые (как, например, гесперорнис) летать не умели, но имели огромные размеры. Конец мелового периода (примерно 65 млн лет назад) был отмечен новым массовым вымиранием видов, которое стерло с лица Земли около 40% от всех существующих в то время семейств животных. Исчезли птерозавры, аммониты и мозазавры, но самыми знаменитыми жертвами этой катастрофы были, конечно же, динозавры. Едва оправились после этого испытания и много других групп живых существ.

Существуют и другие теории, касающиеся мел-палеогенового вымирания, но их придерживается лишь небольшое количество ученых.

Но, в конце концов, 65 млн лет назад на смену мезозойской эре — «возраста рептилий», пришла кайнозойская эра — «возраст млекопитающих».

кайнозойская эра

Массовое вымирание видов 65 млн лет назад отметило начало новой — кайнозойской эры, которая продолжается и сегодня. В результате катастрофических событий тех далеких времен с лица нашей планеты исчезли все животные, по размеру больше, чем крокодил. А уцелевшие небольшие животные оказались с началом новой эры в совершенно другом мире. В кайнозое продолжалось дрейф (расхождение) континентов. На каждом из них формировались уникальные сообщества растений и животных.

палеогеновый период

Палеогеновый период — геологический период, первый в кайнозое. Начался 65 млн лет назад, закончился — 24600000 лет назад, длился 40400000 лет.

В палеогене климат был равномерным тропическим. Практически вся Европа была покрыта вечнозелеными тропическими лесами, и только в северных областях росли листопадные растения. Во второй половине палеогена климат становится более континентальным, появляются ледяные шапки на полюсах.

В этом периоде начался бурный расцвет млекопитающих. После вымирания большого количества рептилий возникли многочисленные свободные экологические ниши, которые начали занимать новые виды млекопитающих. Были распространены яйцекладущие, сумчатые и плацентарные. В лесах и лесостепях Азии возникла так называемая «индрикотериева фауна».

В воздухе господствуют виялохвости беззубые птицы. Широко распространены крупные бегающие хищные птицы (диатрем). Увеличивается разнообразие цветковых растений и насекомых.

В морях процветают костистые рыбы. Появляются примитивные китообразные, новые группы кораллов, морских ежей, фораминифер — нумулитиды достигают нескольких сантиметров в диаметре, очень много для одноклеточных. Вымирают последние белемниты, начинается расцвет головоногих с редуцированной раковиной, или совсем без нее — осьминогов, каракатиц и кальмаров, которые вместе с белемнитами объединяются в группу колеоидей.

палеоценовую эпоха

Охватывает промежуток времени 65-55 млн лет назад.

С наступлением палеоцена опустела планета начинает медленно восстанавливаться от последствий катастрофы. Первыми преуспели в этом растения. Всего через несколько сотен тысяч лет значительная часть земной суши покрылась непроходимыми джунглями и болотами; густые леса зашумели даже в приполярных областях Земли. Животные, которые пережили массовое вымирание видов, оставались небольшими; они ловко лавировали между стволами деревьев и лазили по ветвям. Крупнейшими животными планеты в то время были птицы. В джунглях Европы и Северной Америки, например, охотился хищник гасторнис, который достигал высоты 2,2 метров.

Вымирание динозавров позволило млекопитающим широко расселиться по планете и занять новые экологические ниши. В конце палеоцена (около 55 млн лет назад) их разнообразие резко увеличилось. На Земле появились предки многих современных групп животных — копытных, слонов, грызунов, приматов, рукокрылых (например, летучих мышей), китов, сирен. Понемногу млекопитающие начинают покорять земной шар.

Эоцен

Охватывает промежуток времени 55-34 млн лет назад. В начале эоцена значительная часть суши все еще была покрыта непроходимыми джунглями. Климат оставался теплым и влажным. По лесной подстилке бегали примитивные млекопитающие (крошечный лошадь пропалеотерий, лептиктидий и др.). На деревьях жила годиноция (один из древнейших приматов), а в Азии жил амбулоцетус — примитивный кит, умел ходить по суше.

Около 43 млн лет назад климат на Земле стал холоднее и суше. На значительной части планеты густые джунгли уступили место редколесью и пыльным равнинам. Жизнь на открытой местности способствовало увеличению размеров млекопитающих.

Азия стала родиной гигантских бронтотерий (например, емболотерия) и массивных плотоядных животных (например, эндрюсарх, который достигал в длину 5,5 метров). В теплых морях плавали примитивные киты (например, базилозавр и дорудон), а на побережье Африки жили меритерий и странный арсинойтерий.

Около 36 млн лет назад начала замерзать расположена у южного полюса Антарктика; ее поверхность медленно покрывалась огромными ледовыми щитами. Климат на планете стал более холодным, а уровень воды в океанах упал. В разных частях света сильно изменился сезонных ритм дождей. Многочисленные животные не смогли приспособиться к этим изменениям, и всего через несколько миллионов лет примерно пятая часть всех видов живых существ, которые жили на Земле, вымерла.

олигоценового эпоха

Охватывает промежуток времени 34-24 млн лет назад. В начале олигоцена климат на планете был сухим и прохладным, что способствовало образованию открытых равнин, полупустынь и кустарниковых зарослей. В результате изменения климата в конце эоцена много древних семейств млекопитающих вымерли. Их место заняли новые виды животных, включая и прямых предков некоторых современных млекопитающих — носорогов, лошадей, свиней, верблюдов и кроликов.

Среди млекопитающих продолжают появляться гигантские вегетарианцы (индрикотерии, например, не уступали по размерам динозаврам — они могли достигать 8 метров в высоту и весить до 15 тонн) и хищники (например, энтелодонты и гиенодоны).

В результате различия континентов Южная Америка и Австралия полностью отделились от остального мира. Со временем на этих «островных» континентах сформировалась уникальная фауна, представленная сумчатыми млекопитающими и другими животными.

Около 25 млн лет назад в Азии образуются первые обширные равнины, поросшие злаками — степи. С тех пор злаки, которые когда-то были несущественным элементом наземных ландшафтов, во многих частях мира постепенно превращаются в господствующий тип растительности, покров наконец пятую часть поверхности суши.

неогеновый период

Неогеновый период начался около 25000000 лет назад, закончился лишь 2 миллиона лет назад. Продолжительность неогена — 23 миллионов лет. Млекопитающие осваивают моря и воздуха — возникают киты и рукокрылые. Плацентарные вытесняют на периферию остальное млекопитающих. Фауна этого периода становится все более похожей на современную. Но есть и отличия — все еще существуют мастодонт, гипарионы, саблезубый тигр. Большие нелетучие птицы играют большую роль, особенно в изолированных, островных экосистемах.

миоценовыми эпоха

Охватывает временной промежуток 24-5 млн лет назад. Чередование засушливых и дождливых сезонов привело к тому, что в миоцене значительная часть суши покрыта бескрайними степями. Поскольку злаки и другие травы перевариваются плохо, у травоядных млекопитающих сформировались новые типы зубов и изменился пищеварительный аппарат, что позволило им извлекать из этого легкодоступного корма максимум питательных веществ.

Степи стали родиной быков, оленей и лошадей. Многие из этих животных держались стадами и кочевали с места на место вслед за дождями. А за стадами травоядных шли следом и хищники.

Другие млекопитающие предпочитали ощипывания листьев деревьев и кустарников. Некоторые из них (например, Дейнотерий и Халикотерий) достигали очень больших размеров.

В миоцене образовались многочисленные горные системы — Альпы, Гималаи, Анды и Скалистые горы. Некоторые из них стали настолько высокими, что изменили характер циркуляции воздуха в атмосфере и начали играть важную роль в формировании климата.

плиоценовыми эпоха

Охватывает промежуток времени 5-2,6 млн лет назад. В плиоцене климат Земли стал еще разнообразнее. Планета разделилась на большое количество климатических регионов — от территорий, покрытых полярной льдом в жарких тропиков.

В поросших злаками степях каждого континента появлялись все новые виды травоядных животных и хищников, которые охотились на них. В восточной и южной частях Африки густые леса уступили открытым саваннам, что заставило первых гоминид (например, афарского австралопитека) спуститься с деревьев и добывать корм на земле.

Около 2500000 лет назад американский континент, примерно в течение 30 млн лет находился в изоляции от остального мира, столкнулся с Северной Америкой. С севера на территорию современной Аргентины проникли смилодон и другие хищники, а гигантские дедикуры, фороракосы и другие представители южноамериканской фауны перебрались в Северную Америку. Это переселение животных получило название «Большой обмен».

Антропогеновое (четвертичный) период

Это кратчайший геологический период, но именно в четвертичном периоде сформировалось большинство современных форм рельефа и произошло много существенных событий в истории Земли (с точки зрения человека), самые важные из которых — ледниковая эпоха и появление человека. Продолжительность четвертичного периода настолько мала, что привычные палеонтологические методы относительного и изотопного определения возраста оказались недостаточно точными и чувствительными. На таком коротком интервале времени используется, прежде всего, радиоуглеродный анализ и другие методы, большинство из которых базируется на распаде короткоживущих изотопов. Специфика четвертичного периода по сравнению с другими геологическими периодами вызвала появление особой ветви геологии — четвертичную.

Четвертичный период делится на плейстоцен и голоцен.

плейстоценовыми эпоха

Охватывает промежуток времени 2600000 — 11,7 тыс. Лет назад. В начале плейстоцена на Земле наступил длительный ледниковый период. В течение двух миллионов лет на планете многократно чередовались очень холодные и относительно теплые отрезки времени. В холодные промежутки, которые продолжались примерно 40000 лет, континенты покрывались ледниками. В промежутках теплее климатом (межледниковых) лед отступала, и уровень они в морях поднимался.

У многих животных холодных регионов планеты (например, у мамонта и шерстистого носорога) появился густой шерстистый покров и толстый слой подкожного жира. На равнинах паслись стада оленей и лошадей, на которых охотились пещерные львы и другие хищники. А около 180 000 лет назад на них начали охотиться и люди — сначала неандерталец, а затем и человек разумный.

Однако многие крупные животных не смогли приспособиться к резким колебаниям климата и вымерли. Около 10 000 лет назад ледниковый период закончился, и климат на Земле стал более теплым и влажным. Это способствовало быстрому увеличению численности человеческой популяции и расселению людей по всему земному шару. Они научились обрабатывать землю и выращивать культурные растения. Сначала маленькие сельскохозяйственные общины разрослись, появились города, а всего через несколько тысячелетий человечество превратилось в мировое сообщество, что использует все достижения высоких технологий. Однако многие виды животных, с которыми люди испокон веков делили планету, оказались на грани исчезновения. Ученые все чаще говорят о том, что по вине человека на Земле развернулось новое массовое вымирание видов.

голоценовом эпоха

Охватывает промежуток времени от 11,7 тыс. Лет назад и до наших дней. Жизнь животных и растений незначительно менялось в течение голоцена, но есть большие перемещения в их распределениях. Многие крупных животных, включая мамонтов и мастодонтов, саблезубых кошек (таких как смилодон и гомотерия) и гигантских ленивцев начали вымирать с позднего плейстоцена по ранней голоцен. В Северной Америке многочисленные животные, которые процветали в других краях (включая лошадей и верблюдов), вымирали. Некоторые объясняют сокращение американской мегафауны прибытия предков американских индейцев, но все же большинство ученых утверждают, что большее влияние оказало изменение климата.

Среди археологических культур того времени можно назвать гамбургскую культуру, культуру федермесер и натуфийской культуру. Возникают древнейшие города мира, например, Иерихон на Ближнем Востоке.

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.

Из архивов «Континента»

Хорошо известно, что наша Вселенная образовалась около 14 миллиардов лет тому назад в результате гигантского взрыва, известного в науке как Big Bang. Возникновение Вселенной “из ничего” не противоречит известным законам физики: положительная энергия вещества, образовавшегося после взрыва, в точности равна отрицательной энергии гравитации, так что полная энергия такого процесса равна нулю. В последнее время ученые обсуждают также возможность образования и других вселенных – “пузырей”. Мир, согласно этим теориям, состоит из бесконечного числа вселенных, о которых мы пока еще ничего не знаем. Интересно, что в момент взрыва образовалось не только трехмерное пространство, но, и что очень важно, и время, связанное с пространством. Время – причина всех тех изменений, которые произошли во Вселенной после Big Bang. Эти изменения происходили последовательно, шаг за шагом по мере возрастания стрелы времени, и включают в себя образование огромного числа галактик (порядка 100 млрд.), звезд (число галактик умноженное на 100 млрд.), планетных систем и в конечном счете самой жизни, включая разумную жизнь. Чтобы представить себе, как много звезд во Вселенной, астрономы приводят такое любопытное сравнение: число звезд в нашей Вселенной сравнимо с числом песчинок на всех пляжах Земли, включая моря, реки и океаны. Вселенная, замороженная во времени, была бы неизменной и мало интересной и в ней не было бы никакого развития, т.е. всех тех изменений, которые произошли потом и в конечном счете привели к существующей картине мира.

Возраст нашей Галактики 12.4 миллиардов лет, а нашей солнечной системы 4.6 млрд. лет. Возраст метеоритов и самых старых камней на Земле немного меньше 3.8-4.4 млрд. лет. Первые одноклеточные организмы, лишенные ядер прокариоты и зелено-голубые бактерии, появились 3.0-3.5 млрд. лет тому назад. Это простейшие биологические системы, способные образовывать протеины, цепи аминокислот, состоящие из основных элементов жизни С, Н, О, N, S, и ведущие независимый образ жизни. Простые зелено-голубые “аlgае”, т.е. водяные растения без сосудистых тканей и “archaebacteria” или старые бактерии (используемые для приготовления лекарственных препаратов) и сегодня важная часть нашей биосферы. Эти бактерии – первое успешное приспособление жизни на Земле. Интересно, что зелено-голубые бактерии и другие прокариоты почти не изменились в течение млрд. лет, в то же время исчезнувшие динозавры и другие виды уже никогда не могут возродиться снова, т.к. условия на Земле сильно изменились, и они уже не могут пройти через все те этапы развития, которые они прошли в те далекие годы. Если по тем или иным причинам жизнь на Земле прекратится (из-за столкновения с гигантским метеоритом, в результате взрыва соседней к солнечной системе суперновой или нашего собственного самоуничтожения), она не может начаться вновь в том же виде, ибо теперешние условия в корне отличаются от тех, которые были около четырех млрд. лет тому назад (например, наличие свободного кислорода в атмосфере, а также изменение фауны Земли). Эволюция, уникальная по своей сути, уже не может повториться в том же виде и пройти все те этапы, через которые она прошла за минувшие миллиарды лет. Доктор Пайсон из Лос-Аламосской Национальной Лаборатории США высказал весьма любопытную мысль о роли эволюции в организации системы живых структур: “Жизнь – это последовательность молекулярных взаимодействий. Если мы откроем в биологии принцип иной, чем эволюция, мы научимся создавать живые системы лабораторным путем и таким образом понять механизм образования жизни”. Причина, почему мы не можем лабораторным путем осуществить превращение видов (например, мухи дрозофилы в какой-нибудь другой вид), состоит в том, что в естественных условиях на это понадобились миллионы лет, и мы сегодня не знаем другого принципа, как вызвать такое превращение.

По мере увеличения количества прокариотов они “изобрели” явление фотосинтеза, т.е. сложную цепь химических реакций, в которых энергия солнечного света вместе с углекислым газом и водой преобразуется в кислород и глюкозу. В растениях фотосинтез осуществляется в хлоропластах, которые содержатся в их листьях, приводя к атмосферному кислороду. Атмосфера, насыщенная кислородом, появилась 2-2.5 млрд. тому назад. Эукариоты, многоклеточные клетки, содержащие ядро с генетической информацией, а также органеллы, образовались 1-2 млрд. лет тому назад. Органеллы содержатся в клетках прокариотов, а также в клетках животных и растений. ДНК – это генетический материал любой живой клетки, в которой содержится наследственная информация. Наследственные гены расположены в хромосомах, которые содержат протеины, связанные с ДНК. Все организмы – бактерии, растительный и животный миры – несмотря на гигантское разнообразие видов, имеют общее происхождение, т.е. имеют общего предка (common ancestor). Дерево жизни состоит из трех основных ветвей – Bacteria, Archaea, Eukaria. В последнюю группу входит весь растительный и животный мир. Все известные живые организмы образуют протеины, используя лишь 20 основных аминокислот (хотя общее количество аминокислот в природе равно 70), а также используют одну и то же молекулу энергии АТФ для запаса энергии в клетках. Они также используют молекулы ДНК для передачи генов из одного поколения другому. Ген – это фундаментальная единица наследственности, часть ДНК, который содержит информацию, необходимую для синтеза протеина. Различные организмы имеют сходные гены, которые могут подвергаться мутации или улучшаться в течение длительной эволюции. От бактерий до амеб и от амеб до человека) гены ответственны за характеристики организмов и улучшение видов, тогда как протеины поддерживают жизнь. Все живые организмы используют ДНК, чтобы передать свои гены другому поколению. Генетическая информация передается от ДНК протеину путем сложной цепочки превращений посредством РНК, которая подобна ДНК, но отличается от нее своей структурой. В цепочке превращений химия®биология®жизнь синтезируется органическая молекула. Биологам хорошо известны все эти превращения. Самое удивительное из них – расшифровка генетического кода (The Human Genome Project), которая поражает воображение как сложностью, так и совершенством. Генетический код универсален для всех трех ветвей дерева жизни.

Самый интересный вопрос, некоторый человечество ищет ответ в течение всей своей истории, это как возникла первая жизнь и, в частности, зародилась ли она на Земле или же была привнесена из межзвездной среды с помощью метеоритов. Все основные молекулы жизни, включая аминокислоты и ДНК, найдены и в метеоритах. Теория направленной пансмермии (panspermia) предполагает, что жизнь возникла в межзвездном пространстве (интересно, откуда?), мигрирует через огромное пространство, однако эта теория не может объяснить, как жизнь может сохраниться в суровых условиях космоса (опасная радиация, низкие температуры, отсутствие атмосферы и т.д.). Ученые придерживаются теории, согласно которой естественные, хотя и примитивные условия на Земле привели к образованию простых органических молекул, а также к развитию форм различной химической активности, которые, в конечном счете, запустили дерево жизни. В очень интересном эксперименте Miller and Urey, выполненном в 1953 году, они доказали образование сложных органических молекул (альдегидов, карбоксилов и аминокислот) путем пропускания мощного электрического разряда – аналога молнии в естественных условиях – через смесь газов CН4, NH3, H2O, H2, которые имелись в первичной атмосфере Земли. Этот эксперимент продемонстрировал, что основные химические компоненты жизни, т.е. биологические молекулы, могут быть естественным путем сформированы путем симуляции примитивных условий на Земле. Однако, никакие формы жизни, включая полимеризацию молекул ДНК, не были обнаружены которые, по-видимому, могли возникнуть только в результате длительной эволюции.

Тем временем стали появляться более сложные структуры, огромные клетки – органы и большие живые образования, состоящие из млн. и млрд. клеток (например, человек состоит из десяти триллионов клеток). Сложность системы зависела от прошедшего времени и глубины естественного отбора, который сохранял виды, наиболее приспособленные к новым условиям жизни. Хотя все простые эукариоты воспроизводились путем деления, более сложные системы образовывались половым путем. В последнем случае каждая новая клетка берет половину генов от одного родителя и вторую половину от другого.

Жизнь в течение очень длительного периода ее истории (почти 90%) существовала в микроскопических и невидимых формах. Примерно 540 млн. лет тому назад начался совершенно новый революционный период, известный в науке как Cambrian era. Это период бурного возникновения огромного количества многоклеточных видов с твердой оболочкой, скелетом и мощным панцирем. Появились первые рыбы и позвоночные, растения из океанов начали мигрировать по всей Земле. Первые насекомые и их потомки способствовали распространению по Земле и животного мира. Последовательно стали появляться насекомые с крыльями, амфибии, первые деревья, пресмыкающиеся, динозавры и мамонты, первые птицы и первые цветы (динозавры исчезли 65 млн. лет тому назад, по-видимому, вследствие гигантского столкновения Земли с массивным метеоритом). Затем наступил период дельфинов, китов, акул и приматов, прародителей обезьян. Примерно 3 млн. лет тому назад появились существа с необычайно большим и сильно развитым мозгом, hominids (первые предки людей). Появление первого человека (homo sapiens) датируется 200,000 лет тому назад. Согласно некоторым теориям, появление первого человека, который качественно отличается от всех других видов животного мира, возможно, является результатом сильной мутации hominids, которое явилось источником образования новой аллели (allele) – измененной формы одного из генов. Появление современного человека датируется примерно 100,000 лет – тому назад, исторические и культурные свидетельства нашей истории не превышают 3000-7 4000 лет, однако технологически – развитой цивилизацией мы стали совсем недавно, всего лишь 200 лет назад!

Жизнь на Земле – это продукт биологической эволюции, насчитывающей примерно 3.5 млрд. лет. Появление жизни на Земле – это результат большого числа благоприятных условий – астрономических, геологических, химических и биологических. Все живые организмы от бактерий до человека имеют общего предка и состоят из нескольких основных молекул, присущих всем объектам нашей Вселенной. Главные свойства живых организмов – они имеют реакцию, растут, размножаются и передают информацию от одного поколения другому. Мы, земная цивилизация, несмотря на свой юношеский возраст, многого достигли: освоили атомную энергию, расшифровали генетический код человека, создали сложные технологии, стали экспериментировать в области генной инженерии (синтетической жизни), занимаемся клонированием, работаем над увеличением продолжительности нашей жизни (уже сегодня ученые обсуждают возможность увеличения продолжительности жизни до 800 и более лет), начали летать в космос, изобрели компьютеры и даже пытаемся вступить в контакт с внеземной цивилизацией (программа SETI, Search for Extraterrestrial Intelligence). Т.к. другая цивилизация пройдет совершенно другой путь развития, она полностью будет отличаться от нашей. В этом смысле каждая цивилизация по-своему уникальна – возможно, – это одна из причин, почему программа SETI оказалась безуспешной. Мы стали вмешиваться в святая святых, т.е. в процессы, которые в естественной среде занимали бы миллионы и миллионы лет.

Чтобы лучше понять, как мы молоды, предположим, что полная история Земли равна одному году и что наша история началась 1 января. В этой шкале уже 1 июня появились прокариоты и зелено-голубые бактерии, которые вскоре привели к насыщенной кислородом атмосфере. Cambrion эра началась 13 ноября. Динозавры жили на Земле с 13 по 26 декабря, а первые hominids появились днем 31 декабря. К Новому году мы, уже современные люди, послали первое послание в космос – в другую часть нашей Галактики. Только примерно через 100,000 лет (или по нашей шкале через 15 минут) наше послание (не прочитанное еще никем) покинет нашу Галактику и устремится к другим галактикам. Будет ли оно прочитано когда-нибудь? Мы этого не узнаем. Вероятнее всего нет.

Для возникновения в другой части Вселенной цивилизации, подобной нашей, не только потребуются миллиарды лет. Важно, чтобы такая цивилизация имела достаточно времени для своего развития и превращения в технологическую, а главное не уничтожила себя (это другая причина, почему мы не можем найти другую цивилизацию, хотя мы ее ищем более 50 лет: она, возможно, погибает раньше, чем успевает стать технологической). Наша технология может оказать пагубное влияние на атмосферу. Уже сегодня мы озабочены появлением озоновых дыр в нашей атмосфере, которые сильно увеличились за последние 50 лет (озон – трехатомная молекула кислорода, которая, в общем, является ядом). Это – результат нашей технологической активности. Озоновая оболочка предохраняет нас от опасного ультрафиолетового излучения Солнца. Такое излучение, при наличии озоновых дыр, приведет к повышению земной температуры и как результат – к глобальному потеплению (global warming). Поверхность Марса сегодня стерильна из-за отсутствия озонового слоя. За последние 20 лет озоновая дыра в атмосфере Земли возросла до размеров большого континента. Увеличение температуры даже на 2 градуса приведет к таянию льдов, возрастанию уровня океанов, а также к их испарению и опасному увеличению углекислого газа в атмосфере. Затем произойдет новое потепление атмосферы, и этот процесс будет продолжаться, пока не испаряться все моря и океаны (ученые называют это явление runaway greenhouse effect). После испарения океанов количество углекислого газа в атмосфере увеличится примерно в 100,000 раз и составит около 100%, что приведет к полному и необратимому уничтожению не только озонового слоя земной атмосферы, но и всего живого на Земле. Такое развитие событий уже имело место в истории нашей солнечной системы на Венере. 4 млрд. лет тому назад условия на Венере были близки к земным и, возможно, даже там была жизнь, т.к. Солнце в те далекие времена светило не так ярко (известно, что интенсивность излучения Солнца постепенно увеличивается). Возможно, что жизнь с Венеры мигрировала на Землю, а с Земли, по мере возрастания солнечного излучения, мигрирует на Марс, хотя, по-видимому, такое развитие событий маловероятно из-за проблем миграции живой клетки через космос. Количество углекислого газа в атмосфере Венеры сегодня равно 98%, а атмосферное давление почти в сто раз превышает земное. Возможно, это результат глобального потепления и испарения венерианских океанов. Венера и Марс преподают нам важный урок, т.е. мы знаем сегодня, что может произойти и с нашей планетой, если не предпринимать никаких мер. Другая проблема связана с возрастанием излучения Солнца, которое, в конечном счете, обусловит runaway greenhouse effect на Земле с известным результатом.

Наше развитие идет по экспоненте, с ускорением. Население Земли удваивается каждые 40 лет и возросло примерно с 200 тысяч до 6 млрд. за последние 2000 лет. Однако, не содержатся ли в таком бурном развитии семена опасности нашему существованию? Не погубим ли мы свою цивилизацию? Успеем ли мы стать высокоразвитой цивилизацией и понять нашу историю? Сумеем ли мы летать глубоко в космос и найти другую цивилизацию, подобную нашей? Согласно Эйнштейну, самое удивительное в мире состоит в том, что мир познаваем. Пожалуй, эта одна из самых интригующих особенностей человеческой цивилизации – умение раскрывать тайны мира. Мы можем понять мир, в котором живем, и понять законы, управляющие им. Однако, почему эти законы существуют? Почему скорость света, например, равна 300,000 км/сек или почему хорошо известное в математике число я (отношение длины окружности к его диаметру) равно именно 3.14159…? Американский физик А. Майкельсон получил Нобелевскую премию за измерения скорости света с невиданной точностью (напомню, что это гигантская величина: двигаясь с такой скоростью мы бы оказались на Луне через примерно одну секунду, на Солнце через 8 минут, а в центре Галактики через 28,000 лет). Другой пример – расшифровка генетического кода, состоящего из 30 млн. кусочков, каждый длиной в 500-600 букв, потребовала 15 лет работы с использованием сложных программ и компьютеров. Оказалось, что длина всего кода равна длине 100 млн. писем. Это открытие было сделано на рубеже двух тысячелетий и показало, что, возможно, мы научимся лечить болезни любой сложности путем исправления ошибок соответствующего участка поврежденного гена. Математики с помощью быстрых компьютеров рассчитали число я с немыслимой точностью до триллиона знаков после запятой, чтобы знать точное его значение и описать это число с помощью какой-нибудь простой формулы. Кто придумал эти числа и почему они именно такие? Как генетический код мог оказаться столь совершенным? Как физические постоянные связаны с нашим мирозданием? Разумеется, они отражают геометрическую структуру нашей Вселенной и, по-видимому, имеют разное значение для разных вселенных. Мы не знаем этого сегодня, как, впрочем, много другого. Но мы стремимся найти общие законы нашего мира или даже единый закон, из которого могли бы получить все другие законы в частном случае, а также, что очень важно, понять смысл мировых постоянных. Мы также не знаем, связано ли наше существование с выполнением какой-то миссии.

Но вернемся к нашей истории и нашей эволюции. Закончилась ли она и в чем ее смысл? Что произойдет с нами через миллионы лет, если, конечно, мы сумеем решить намят технологические проблемы и не уничтожим себя? В чем смысл появления в нашей истории таких гениальных личностей, как Эйнштейн, Шекспир или Моцарт? Возможна ли новая мутация и создание другого более совершенного вида, чем человек? Может ли этот новый вид решить проблемы мироздания и понять смысл нашей истории? Мы открыли законы и измерили с захватывающей дух точностью мировые постоянные, но мы не понимаем, почему они такие и какова их роль во Вселенной. Если совсем немного изменить те постоянные, то вся наша история выглядела бы по-другому. Несмотря на всю сложность и загадочность генетического кода, загадки самой Вселенной выглядят бесконечными. В чем суть этих загадок и удастся ли нам расшифровать их? Безусловно, мы изменимся. Но как? Являемся ли мы высшим и последним звеном в длительной истории нашего развития? Является ли наша история результатом какого-то остроумного плана или же оно просто результат сотен и тысяч благоприятных условий, которые стали возможными благодаря времени и длительной эволюции? Вне сомнения, что нашему развитию нет предела и оно также бесконечно, как бесконечен мир, состоящий из миллионов и миллионов вселенных, которые постоянно и разрушаются и образуются вновь.

Илья Гулькаров, Профессор, доктор физико-математических наук, Чикаго
June 18, 2005

Трудно найти человека, который бы не задавался вопросом о том, как зародилась жизнь на Земле. Идей на этот счет предостаточно, от Библии и Дарвина до современной теории эволюции, которая непрерывно претерпевает изменения в соответствии с новейшими открытиями ученых.

Про динозавров, естественно, все слышали, видели их в фильмах и музеях, и мало кто оспаривает их историческое существование.

Хотя до 1842 года человечество даже и не догадывалось, что найденные в разных местах планеты кости гигантских животных принадлежали к одному типу, называя их “драконами” или приписывая останки титанам, которые сражались в Троянской войне. Понадобилось прозрение ученых, которые сопоставили данные и дали название диковинным останкам: динозавры. А сегодня мы прекрасно знаем, как выглядели эти вымершие миллионы лет назад исполинские ящеры, описали множество их видов, и каждый ребенок в курсе, кто они такие.

Тот факт, что эти гигантские пресмыкающиеся появились на Земле 225-250 миллионов лет назад и вымерли напрочь примерно 66 миллионов лет до нашего летоисчисления, не вводит в шок большинство простого народа, не интересующегося в деталях наукой. Естественно, мы также помним родственных динозаврам крокодилов, которые берут свое начало как вид 83 миллиона лет назад, и сумели выжить с тех незапамятных времен. Но все эти цифры редко соотносятся в нашем сознании в масштабе.

Сколько лет человечеству?

Не многим известен и возраст современного вида Homo Sapiens, что означает человек разумный, который ученые оценивают всего в 200 тысяч лет. То есть возраст человечества как вида в 1250 раз меньше, чем возраст класса рептилий, к которым принадлежали и динозавры.

Уместить в сознание и упорядочить эти данные необходимо, если мы хотим постигнуть, как появилась жизнь на нашей планете первоначально. И откуда взялись сами люди, которые сегодня пытаются понять эту жизнь?

Сегодня секретные материалы ученых стали достоянием публики. Шокирующая история экспериментов последних лет, которые переписали теорию эволюции и пролили свет на то, как началась жизнь на нашей планете, взорвали многолетние устоявшиеся догмы. Тайны генетики, обычно доступные лишь узкому кругу “посвященных”, дали однозначный ответ на предположение Дарвина.

Виду Homo Sapiens (человек разумный) всего 200 тысяч лет. А нашей планете 4,5 миллиарда!

Секретные материалы

Всего каких-то несколько столетий назад за подобные идеи можно было ожидать казни на костре. Джордано Бруно сожгли за ересь чуть больше 400 лет назад, в феврале 1600 года. Но сегодня подпольные исследования смелых первопроходцев стали достоянием общественности.

Еще 50 лет назад отцы по неведению частенько воспитывали детей других мужчин, даже сама мать не всегда знала правду. Сегодня же установить отцовство - рядовой анализ. Каждый из нас может заказать анализ ДНК и узнать, кто были его предки, чья кровь течет в его или ее жилах. След поколений навсегда запечатлен в генетическом коде.

Именно в этом коде и содержится ответ на самый животрепещущий вопрос, занимающий умы человечества: как началась жизнь?

Секретные материалы ученых раскрывают историю стремления найти единственно верный ответ. Это история об упорстве, настойчивости и потрясающей креативности, охватывающая величайшие открытия современной науки.

В своем стремлении понять, как зародилась жизнь, люди отправились на исследование самых дальних уголков планеты. В ходе этих поисков некоторые ученые получили клеймо «извергов» за свои эксперименты, а другим приходилось проводить их под пристальным вниманием тоталитарного строя.

Как же началась жизнь на Земле?

Пожалуй, это самый сложный из всех существующих вопросов. На протяжении тысячелетий абсолютное большинство людей объясняли это одним тезисом – «жизнь сотворили боги». Другие объяснения были попросту немыслимы. Но со временем ситуация изменилась. Весь прошлый век ученые пытались разобраться, каким же именно образом зародилась первая жизнь на планете, пишет Майкл Маршалл для BBC .

Большинство современных ученых, изучающих происхождение жизни, уверены, что они движутся в верном направлении – а проводимые эксперименты только закрепляют их уверенность. Открытия Ньютонов от генетики переписывают книгу знаний от первой страницы до последней.

• Не так давно ученые обнаружили древнейшего предка человека , жившего на планете примерно 540 миллионов лет назад. Именно от этого “зубастого мешка” и произошли все позвоночные, считают исследователи. Размер общего предка был всего с миллиметр.
• Современным исследователям даже удалось создать первый полусинтетический организм с фундаментальными изменениями в ДНК. Мы уже совсем рядом с синтезом новых белков, то есть полностью искусственной жизнью. Всего за какие-то пару столетий человечество сумело освоить создание нового типа живых организмов.
• Не только мы создаем новые организмы, но и уверенно редактируем уже существующие. Ученые даже создали “программное обеспечение”, позволяющее с помощью клеточных инструментов редактировать цепочку ДНК . Кстати, всего 1% ДНК несет генетическую информацию, считают исследователи. Для чего же нужны остальные 99%?
• ДНК настолько универсальна, что на ней можно хранить информацию, как на жёстком диске. На ДНК уже записали фильм и сумели скачать информацию обратно без проблем, как раньше брали файлы с дискеты.

Считаете себя образованным и современным человеком? Тогда вы просто обязаны это знать.

Хотя открытие ДНК датируется 1869 годом, только в 1986 эти знания впервые использовали в криминалистике.

Перед вами история зарождения жизни на Земле

Жизнь стара. Динозавры – это, пожалуй, наиболее известные из всех вымерших существ, но и они появились всего 250 миллионов лет назад. Первая же жизнь на планете зародилась намного раньше.

Самым древним окаменелостям, по оценкам экспертов, около 3,5 миллиардов лет. Иными словами, они в 14 раз старше первых динозавров!

Однако и это не предел. К примеру, в августе 2016 года были найдены ископаемые бактерии, возраст которых составляет 3,7 миллиардов лет. Это в 15 тысяч раз старше динозавров!

Сама Земля ненамного старше этих бактерий – наша планета окончательно сформировалась около 4,5 миллиардов лет назад. То есть первая жизнь на Земле зародилась довольно “быстро”, уже через каких-то 800 миллионов лет на планете существовали бактерии – живые организмы, которые, согласно ученым, сумели с течением времени усложниться и положить начало сперва простым организмам в океане, а в конце-концов, и самому человеческому роду.

Недавнее сообщение из Канады дает подтверждение этим данным: возраст самых старейших бактерий оценивается от 3,770 до 4,300 миллиардов лет. То есть жизнь на нашей планете, вполне возможно, зародилась “каких-то” 200 миллионов лет после ее образования. Найденные микроорганизмы жили на железе. Останки их были найдены в кварцевых породах.

Если допустить, что жизнь зародилась на Земле – что звучит разумно, учитывая, что на других космических телах мы ее еще пока не нашли, ни на других планетах, ни на осколках занесенных из космоса метеоритов, – то произойти это должно было в том временном промежутке, который охватывает миллиард лет между моментом, когда планета окончательно сформировалась, и датой появления найденных в наше время окаменелостей.

Итак, сузив интересующий нас период времени, опираясь на последние исследования, можно предположить, какой именно была первая жизнь на Земле.

Ученые воссоздали облик доисторических гигантов по скелетам, найденным при раскопках.

Каждый живой организм состоит из клеток (и вы тоже)

Еще в 19-м веке биологи установили, что все живые организмы состоят из «клеток» – крошечных сгустков органической материи различных форм и размеров.

Впервые клетки были обнаружены еще в 17-м веке – одновременно с изобретением относительно мощных микроскопов, но лишь спустя полтора века ученые пришли к единому выводу: клетки – это основа всей жизни на планете.

Разумеется, внешне человек не похож ни на рыб, ни на динозавров, но достаточно лишь взглянуть в микроскоп, чтобы убедиться, что люди состоят практически из тех же клеток, что и представители животного мира. Более того, те же клетки лежат в основе растений и грибов.

Все организмы состоят из клеток, включая вас.

Самая многочисленная форма жизни – одноклеточные бактерии

На сегодняшний день самыми многочисленными формами жизни можно смело назвать микроорганизмы, каждый из которых состоит лишь из одной единственной клетки.

Самый известный вид подобной жизни – это бактерии, обитающие в любой точке земного шара.

В апреле 2016 года ученые представили обновленную версию «древа жизни»: своего рода генеалогического древа для каждого вида живых организмов. Абсолютное большинство «ветвей» этого дерева занимают бактерии. Более того, форма дерева позволяет предположить, что предком всей жизни на Земле была бактерия. Иными словами, все многообразие живых организмов (в том числе и вы) произошло от одной-единственной бактерии.

Таким образом, мы можем точнее подойти к вопросу зарождения жизни. Чтобы воссоздать ту самую первоклетку, нужно максимально точно воссоздать условия, царившие на планете более 3,5 миллиардов лет назад.

Так насколько же это трудно?

Одноклеточные бактерии - самая распространенная форма жизни на Земле.

Начало экспериментов

На протяжении многих веков вопрос «с чего началась жизнь?» практически не задавался всерьез. Ведь, как мы уже вспомнили в самом начале, ответ был известен: жизнь создана Создателем.

Вплоть до 19-го века большинство людей верили в «витализм». Это учение основано на идее о том, что все живые существа наделены особой, сверхъестественной силой, отличающей их от неодушевленных предметов.

Идеи витализма часто перекликались с религиозными постулатами. В Библии говорится, что Бог с помощью «дыхания жизни» оживил первых людей, и что бессмертная душа – это одно из проявлений витализма.

Но есть одна проблема. Идеи витализма в корне неверны.

К началу 19-го века ученые обнаружили несколько веществ, которые имелись в наличии исключительно у живых существ. Одним из таких веществ была мочевина, содержащаяся в урине, и получить ее удалось в 1799 году.

Данное открытие, тем не менее, не противоречило концепции витализма. Мочевина появлялась лишь в живых организмах, так что, возможно, они были наделены особой жизненной энергией, которая и делала их уникальными.

Смерть витализма

Но в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер сумел синтезировать мочевину из неорганического соединения – цианата аммония, который никак не был связан с живыми существами. Его эксперимент смогли повторить другие ученые, и вскоре стало ясно, что все органические соединения можно получить из более простых – неорганических.

Это положило конец витализму как научной концепции.

Но избавиться от своих убеждений людям было довольно тяжело. Факт того, что в органических соединениях, свойственных только живым существам, на самом деле нет ничего особенного, для многих словно лишил жизнь элемента волшебства, превратив людей из божественных созданий чуть ли не в машины. Разумеется, это сильно противоречило Библии.

Даже некоторые ученые продолжали бороться за витализм. В 1913 году английский биохимик Бенджамин Мур горячо продвигал свою теорию «биотической энергии», которая, по сути, была тем же витализмом, но в другой обложке. Идея витализма нашла довольно прочные корни в человеческой душе на эмоциональном уровне.

Сегодня же ее отражения можно найти в самых неожиданных местах. Взять, к примеру, ряд научно-фантастических историй, в которых «жизненную энергию» персонажа можно пополнить или выкачать. Вспомните «энергию регенерации», которой пользовалась раса Повелителей Времени из сериала «Доктор Кто». Данную энергию можно было пополнять, если она подходила к концу. Хотя идея и выглядит футуристически, но на деле это отражение старомодных теорий.

Таким образом, после 1828 года у ученых, наконец, появились веские причины искать новое объяснение зарождению жизни, на этот раз отбросив домыслы о божественном вмешательстве.

Но искать они не начали. Казалось бы, тема исследований напросилась сама собой, но на деле к загадке происхождения жизни не подступались еще несколько десятилетий. Возможно, все по-прежнему были слишком привязаны к витализму, чтобы двигаться дальше.

Химик Фридрих Вёлер сумел синтезировать мочевину - органическое соединение - из неорганических веществ.

Дарвин и теория эволюции

Главным прорывом в области биологических исследований 19-го века стала теория эволюции, разработанная Чарльзом Дарвином и продолженная другими учеными.

Теория Дарвина, изложенная в работе «Происхождение видов» 1859 года, объясняла, каким образом все многообразие животного мира появилось от одного единого предка.

Дарвин утверждал, что Бог не создавал каждый вид живых существ по отдельности, а все эти виды происходят от первобытного организма, появившегося миллионы лет назад, который также называют последним универсальным общим предком.

Идея оказалась крайне противоречивой, опять же потому, что опровергала библейские постулаты. Теория Дарвина подверглась яростной критике, в частности, от оскорбленных христиан.

Но в теории эволюции не говорилось ни слова о том, как появился самый первый организм.

Как же появилась первая жизнь?

Дарвин понимал, что это основательный вопрос, но (возможно, не желая вступать в очередной конфликт с духовенством) затронул он его лишь в письме 1871 года. Эмоциональный тон письма показывал, что ученый осознавал все глубокое значение данного вопроса:

«…Но если бы сейчас [ах, какое большое если!] в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т. п., химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным превращениям…»

Иными словами: представьте себе небольшой водоем, наполненный простыми органическими соединениями и находящийся под солнцем. Некоторые из соединений вполне могут начать взаимодействовать, создавая более сложные вещества, вроде белка, которые, в свою очередь, также будут взаимодействовать и развиваться.

Идея была довольно поверхностной. Но, тем не менее, она легла в основу первых гипотез о происхождении жизни.

Дарвин не только создал теорию эволюции, но и предположил, что жизнь зародилась в теплой воде, насыщенной необходимыми неорганическими соединениями.

Революционные идеи Александра Опарина

И первые шаги в этом направлении были сделаны совсем не там, где вы могли бы ожидать. Вы, возможно, думаете, что такие исследования, подразумевающие свободу мысли, должны были проводиться в Великобритании или США, к примеру. Но на самом деле первые гипотезы о происхождении жизни были выдвинуты на родных просторах сталинского СССР, ученым, имя которого вы, вероятно, никогда не слышали.

Известно, что Сталин закрывал многие исследования в сфере генетики. Вместо этого он пропагандировал идеи агронома Трофима Лысенко, которые, как ему казалось, больше подходили для коммунистической идеологии. Ученые, проводившие исследования в сфере генетики, обязаны были публично поддерживать идеи Лысенко, в противном случае рискуя оказаться в лагерях.

Именно в такой напряженной обстановке приходилось проводить свои опыты биохимику Александру Ивановичу Опарину. Это было возможным потому, что он зарекомендовал себя надежным коммунистом: поддерживал идеи Лысенко и даже получил орден Ленина – самую почетную награду из всех существовавших в то время.

Советский биохимик Александр Опарин предположил, что первые живые организмы сформировались как коацерваты.

Новая теория возникновения первой жизни на земле

Опарин описывал, что собой представляла Земля в первые дни после своего формирования. Планета имела обжигающе горячую поверхность и притягивала небольшие метеориты. Кругом были лишь наполовину расплавленные камни, в которых содержался огромный спектр химических веществ, многие из них основывались на углероде.

В конце концов Земля достаточно остыла, и испарения впервые превратились в жидкую воду, создав таким образом первый дождь. Через некоторое время на планете появились горячие океаны, которые были богаты химическими веществами, основанными на углероде. Далее события могли развиваться по двум сценариям.

Первый подразумевал взаимодействие веществ, при котором появлялись бы более сложные соединения. Опарин предположил, что важные для живых организмов сахар и аминокислоты могли сформироваться в водяном бассейне планеты.

При втором сценарии некоторые вещества при взаимодействии начинали формировать микроскопические структуры. Как известно, многие органические соединения не растворяются в воде: к примеру, масло формирует слой на поверхности воды. Но некоторые вещества при контакте с водой образуют сферические глобулы, или «коацерваты», диаметром до 0,01 см (или 0,004 дюйма).

Наблюдая за коацерватами под микроскопом, можно заметить их сходство с живыми клетками. Они растут, меняют форму и иногда делятся на две части. Они также взаимодействуют с окружающими соединениями, так что внутри них могут концентрироваться другие вещества. Опарин предположил, что коацерваты были предками современных клеток.

Теория первой жизни Джона Холдейна

Спустя пять лет, в 1929 году английский биолог Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн независимо выдвинул свою теорию со схожими идеями, которая была опубликована в журнале «Rationalist Annual».

Холдейн к тому моменту уже внес огромный вклад в развитие теории эволюции, способствуя интеграции идей Дарвина в науку о генетике.

И человеком он был весьма запоминающимся. Однажды в ходе эксперимента в декомпрессионной камере он пережил разрыв барабанной перепонки, о чем позже написал следующее: “Перепонка уже заживает, и даже если в ней останется отверстие, то, несмотря на глухоту, оттуда можно будет задумчиво выпускать колечки табачного дыма, что я считаю важным достижением”.

Как и Опарин, Холдейн предположил, каким именно образом в воде могли взаимодействовать органические соединения: «(ранее) первые океаны достигли консистенции горячего бульона». Это создало условия для появления «первых живых или наполовину живых организмов». В этих же условиях простейшие организмы могли оказаться внутри «масляной пленки».

Джон Холдейн, независимо от Опарина, выдвинул схожие идеи о зарождении первых организмов.

Гипотеза Опарина-Холдейна

Таким образом, первыми биологами, выдвинувшими данную теорию, стали Опарин и Холдейн. Но мысль о том, что в формировании живых организмов не участвовал Бог или даже некая абстрактная «жизненная сила», была радикальной. Как и теория эволюции Дарвина, эта мысль была пощечиной для христианства.

Власть СССР этот факт полностью устраивал. При советском режиме в стране царил атеизм, а власть с радостью поддерживала материалистические объяснения таких сложных явлений, как жизнь. Кстати, Холдейн тоже был атеистом и коммунистом.

«В те времена на эту идею смотрели исключительно через призму собственных убеждений: религиозные люди воспринимали ее в штыки в отличие от сторонников коммунистических идей», рассказывает Армен Мулкиджанян, эксперт по вопросам происхождения жизни в Оснабрюкском университете Германии. «В Советском Союзе эту идею приняли с радостью, поскольку им не нужен был Бог. А на Западе ее разделяли все те же сторонники левых взглядов, коммунисты и т.д.»

Концепцию того, что жизнь сформировалась в «первичном бульоне» из органических соединений, называют гипотезой Опарина-Холдейна . Она выглядела достаточно убедительно, но была одна проблема. На тот момент не было проведено ни одного практического эксперимента, который доказал бы правдивость этой гипотезы.

Начались такие опыты только спустя почти четверть века.

Первые экперименты по созданию жизни “в пробирке”

Вопросом происхождения жизни заинтересовался Гарольд Юри, знаменитый ученый, уже получивший к тому времени Нобелевскую премию по химии в 1934 году и даже принявший участие в создании атомной бомбы.

В ходе Второй мировой войны Юри участвовал в Манхэттенском проекте, занимаясь сбором нестабильного урана-235, необходимого для ядра бомбы. После окончания войны Юри выступал за гражданский контроль над ядерными технологиями.

Юри заинтересовался химическими явлениями, происходящими в открытом космосе. А наибольший интерес для него представляли процессы, происходившие в период формирования Солнечной системы. На одной из своих лекций он указал, что в первое время на Земле, скорее всего, не было кислорода. И эти условия были идеальными для формирования «первичного бульона», о котором говорили Опарин и Холдейн, поскольку некоторые из необходимых веществ были настолько слабыми, что растворились бы при контакте с кислородом.

На лекции присутствовал студент докторантуры по имени Стэнли Миллер, который обратился к Юри с предложением провести эксперимент, основанный на этой идее. Поначалу Юри отнесся к идее скептически, но позже Миллер сумел его уговорить.

В 1952 году Миллер провел самый знаменитый эксперимент из всех, что были связаны с объяснением происхождения жизни на Земле.

Эксперимент Стэнли Миллера стал самым известным в истории изучения зарождения живых организмов на нашей планете.

Самый знаменитый эксперимент о происхождении жизни на Земле

Подготовка не заняла много времени. Миллер соединил ряд стеклянных колб, по которым циркулировали 4 вещества, предположительно существовавших на ранней Земле: кипящая вода, водород, аммиак и метан. Газы подвергались систематическим искровым разрядам – это была симуляция ударов молний, которые были привычным явлением на ранней Земле.

Миллер обнаружил, что «вода в колбе заметно порозовела после первого дня, а после первой недели раствор помутнел и приобрел темно-красный цвет». Налицо было формирование новых химических соединений.

Когда Миллер проанализировал состав раствора, он обнаружил, что в нем содержатся две аминокислоты: глицин и аланин. Как известно, аминокислоты часто описываются как строительные блоки жизни. Эти аминокислоты используются в формировании белков, которые контролируют большинство биохимических процессов в нашем организме. Миллер буквально создал с нуля два самых важных компонента живого организма.

В 1953 году результаты опыта были опубликованы в престижном журнале «Science». Юри благородным, хотя и не свойственным ученым его возраста, жестом убрал свое имя из заголовка, оставив всю славу Миллеру. Но несмотря на это, исследование обычно называют «Экспериментом Миллера-Юри».

Значимость экперимента Миллера-Юри

«Ценность эксперимента Миллера-Юри заключается в том, что он показывает, что даже в простой атмосфере может быть образовано множество биологических молекул», говорит Джон Сазерленд, ученый из Кембриджской лаборатории молекулярной биологии.

Не все детали эксперимента были точны, как выяснилось позже. На самом деле исследования показали, что в атмосфере ранней Земли находились другие газы. Но это никак не умаляет значимость эксперимента.

«Это был знаковый эксперимент, потрясший воображение многих, и именно поэтому на него ссылаются и по сей день», говорит Сазерленд.

В свете эксперимента Миллера многие ученые начали искать способы создания простых биологических молекул с нуля. Ответ на вопрос «Как началась жизнь на Земле?», казалось, был совсем рядом.

Но затем оказалось, что жизнь куда сложнее, чем можно себе представить. Живые клетки, как выяснилось, это не просто набор химических соединений, а сложные маленькие механизмы. Внезапно создание живых клеток с нуля превратилось в куда более серьезную проблему, чем того ожидали ученые.

Изучение генов и ДНК

К началу 50-х годов 20-го века ученые уже далеко отошли от мысли, что жизнь была подарком богов.

Вместо этого они начали изучать возможность стихийного и естественного возникновения жизни на ранней Земле – и, благодаря знаковому эксперименту Стэнли Миллера, у этой идеи начали появляться доказательства.

Пока Миллер пытался создавать жизнь с нуля, другие ученые разбирались, из чего состоят гены.

К этому моменту уже было изучено большинство биологических молекул. К ним относятся сахар, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, вроде “дезоксирибонуклеиновой кислоты” – она же ДНК.

Сегодня все знают, что в ДНК содержатся наши гены, но для биологов 1950-х годов это было настоящим шоком.

Белки имели более сложную структуру, из-за чего ученые полагали, что генная информация содержится именно в них.

Теория была опровергнута в 1952 году учеными из Института Карнеги – Алфредом Херши и Мартой Чейз. Они изучали простые вирусы, состоящие из белка и ДНК, которые размножались путем заражения других бактерий. Ученые выяснили, что в бактерии проникает вирусная ДНК, а не белок. Из этого был сделан вывод, что ДНК представляет собой генетический материал.

Открытие Херши и Чейз стало началом гонки, целью которой было изучение структуры ДНК и принципов ее работы.

Марта Чейз и Алфред Херши открыли, что ДНК несет генетическую информацию.

Спиральная стуктура ДНК - одно из важнейших открытий 20 века

Первыми к решению вопроса пришли Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон из Кембриджского университета, не без неодооцененной помощи своей коллеги, Розалинд Франклин. Произошло это через год после опытов Херши и Чейз.

Их открытие стало одним из важнейших в 20-м веке. Это открытие изменило взгляд на поиски истоков происхождения жизни, раскрывая невероятно сложное устройство живых клеток.

Уотсон и Крик обнаружили, что ДНК представляет собой двойную спираль (двойной винт), которая похожа на изогнутую лестницу. Каждый из двух «полюсов» этой лестницы состоит из молекул, называемых нуклеотидами.

Данная структура дает понять, каким образом клетки копируют свою ДНК. Иными словами, становится понятно, как родители передают копии своих генов детям.

Важно понять, что двойную спираль можно «развязать». Это откроет доступ к генетическому коду, состоящему из последовательности генетических оснований (A, T, C и G), обычно заключенному внутри «ступеней» лестницы ДНК. Каждая нить затем используется как шаблон при создании копии другой.

Этот механизм позволяет генам передаваться по наследству с самого возникновения жизни. Ваши собственные гены в конечном итоге берут свое начало у древней бактерии – и при каждой их передаче использовался тот самый механизм, что обнаружили Крик и Уотсон.

Перед общественностью впервые раскрылась одна из самых сокровенных тайн жизни.

Структура ДНК: 2 остова (антипараллельные цепочки) и пары нукледотидов.

Задача ДНК

Как выяснилось, задача у ДНК всего одна. Ваша ДНК сообщает клеткам вашего тела, как нужно создавать белки (протеины) – молекулы, выполняющие множество важных задач.

Без белков вы не смогли бы переваривать пищу, ваше сердце перестало бы биться, а дыхание остановилось бы.

Но воссоздание процесса формирования белков при помощи ДНК на деле оказалось ошеломительно трудной задачей. Каждый, кто пытался объяснить происхождение жизни, просто не мог понять, как нечто настолько сложное вообще могло самостоятельно появиться и развиться.

Каждый белок – это по сути длинная цепь аминокислот, сплетенных в определенном порядке. Этот порядок определяет трехмерную форму белка и, следовательно, его предназначение.

Данная информация кодируется в последовательности оснований ДНК. Так что, когда клетке необходимо создать конкретный белок, она считывает соответствующий ген в ДНК, чтобы построить потом заданную последовательность аминокислот.

Что такое РНК?

В процессе использования ДНК клетками один нюанс.

• ДНК – это самый драгоценный ресурс клетки. Поэтому клетки предпочитают не обращаться к ДНК при каждом действии.
• Вместо этого клетки копируют информацию из ДНК в малые молекулы другого вещества под названием РНК (рибонуклеиновая кислота) .
• РНК похожа на ДНК, однако у нее всего одна цепочка.

Если провести аналогию между ДНК и библиотечной книгой, то РНК здесь будет выглядеть как страничка с кратким содержанием книги.

Процесс преобразования информации через цепь РНК в белок завершается при помощи очень сложной молекулы под названием «рибосома».

Данный процесс происходит в каждой живой клетке, даже в самых простейших бактериях. Для поддержания жизни он важен так же, как пища и дыхание.

Таким образом, любое объяснение появления жизни обязано показать, как появилось и как начало работать сложное трио, куда входят ДНК, РНК и рибосомы .

Разница между ДНК и РНК.

Все гораздо сложнее

Теории Опарина и Холдейна теперь казались наивными и простыми, а эксперимент Миллера, в ходе которого было создано несколько аминокислот, необходимых для формирования белка, выглядел дилетантским. На длинном пути к созданию жизни его исследование, пусть и продуктивное, явно было лишь первым шагом.

«ДНК заставляет РНК делать белок, и все это в закрытом мешочке химических веществ», - говорит Джон Сазерленд. - «Вы смотрите на это и поражаетесь, насколько это сложно. Что нам сделать, чтобы найти органическое соединение, которое будет делать все это за один раз?»

Возможно, жизнь началась с РНК?

Первым на этот вопрос попытался ответить британский химик по имени Лесли Орджел. Он одним из первых увидел модель ДНК, созданную Криком и Уотсоном, а позже помогал НАСА в рамках программы «Викинг», в ходе которой на Марс были отправлены посадочные модули.

Орджел намеревался упростить задачу. В 1968 году при поддержке Крика он предположил, что в первых живых клетках не было ни белков, ни ДНК. Напротив, они практически целиком состояли из РНК. В этом случае первичные молекулы РНК должны были быть универсальными. К примеру, им необходимо было создавать собственные копии, вероятно, используя тот же механизм образования пар, что и ДНК.

Мысль о том, что жизнь началась с РНК, оказала невероятное влияние на все дальнейшие исследования. И стала причиной ожесточенных дебатов в научном сообществе, не утихающих и по сей день.

Допуская, что жизнь началась с РНК и еще одного некоего элемента, Орджел предположил, что один из важнейших аспектов жизни – способность самовоспроизведения – появился раньше прочих. Можно сказать, что он размышлял не только о том, как впервые появилась жизнь, а говорил о самой сути жизни.

Многие биологи согласились с идеей Орджела о том, что «воспроизведение было первым». В теории эволюции Дарвина способность к продолжению рода стоит во главе угла: это единственный способ для организма «выиграть» в этой гонке – то есть, оставить после себя многочисленных детей.

Лесли Орджел выдвинул идею, что первые клетки функционировали на основе РНК.

Разделение на 3 лагеря

Но для жизни характерны и другие особенности, при этом в равной степени важные.

Самая очевидная из них – метаболизм: способность поглощать окружающую энергию и использовать ее для выживания.

Для многих биологов метаболизм является определяющей характеристикой жизни, способность воспроизведения они ставят на второе место.

Итак, начиная с 1960-х годов, ученые, бьющиеся над загадкой происхождения жизни, начали делиться на 2 лагеря.

«Первый утверждал, что метаболизм появился раньше генетики, второй придерживался обратного мнения», объясняет Сазерленд.

Существовала и третья группа, утверждающая, что сначала должен был появиться некий контейнер для ключевых молекул, который не позволял бы им распадаться.

«Компартментализация должна была появиться первой, потому что без нее метаболизм клеток теряет всякий смысл», поясняет Сазерленд.

Иными словами, у истоков жизни должна была стоять клетка, как это уже подчеркнули Опарин и Холдейн за несколько десятков лет до этого, и, возможно, эта клетка должна была быть покрыта простыми жирами и липидами.

Каждая из трех идей обзавелась своими сторонниками и дожила до наших дней. Ученые порой забывали о хладнокровном профессионализме и слепо поддерживали одну из трех идей.

В результате, научные конференции по данному вопросу зачастую сопровождались скандалами, а журналисты, освещающие эти события, часто слышали нелицеприятные отзывы ученых одного лагеря о работе своих коллег из двух других.

Благодаря Орджелу, мысль о том, что жизнь началась с РНК, приблизила общественность еще на шаг вперед к разгадке.

А в 1980-х годах произошло потрясающее открытие, которое фактически подтвердило гипотезу Орджела.

Что было первым: контейнер, метаболизм или генетика?

Итак, в конце 1960-х годов в поисках ответа на загадку происхождения жизни на планете ученые разделились на 3 лагеря.

1. Первые были уверены, что жизнь началась с формирования примитивных версий биологических клеток.
2. Вторые полагали, что первым и ключевым шагом была система метаболизма.
3. Третьи же сфокусировались на важности генетики и воспроизведения (репликации).

Этот третий лагерь пытался понять, как мог выглядеть самый первый репликатор, держа в уме идею, что репликатор должен состоять из РНК.

Многоликая РНК

К 1960-м годам у ученых накопилось немало причин полагать, что РНК была источником всей жизни.

К этим причинам относился тот факт, что РНК могла делать то, чего не могла ДНК.

Будучи одноцепочной молекулой, РНК могла сгибаться, придавая себе различные формы, что было недоступно для жесткой ДНК с двумя цепями.

Складывающаяся словно оригами РНК сильно напоминала своим поведением белки. Ведь белки – это по сути такие же длинные цепочки, но состоящие из аминокислот, а не нуклеотидов, что позволяет им создавать более сложные структуры.

Это и есть ключ к самой поразительной способности белков. Некоторые белки могут ускорять, или «катализировать», химические реакции. Эти белки называют ферментами.

Например, в человеческих кишках содержится немало ферментов, разбивающих сложные молекулы еды на простые (вроде сахара) – то есть такие, которые в дальнейшем используются нашими клетками. Жить без ферментов было бы попросту невозможно. Например, недавняя смерть сводного брата корейского лидера в аэропорту Малайзии была вывана тем, что в его организме прекратил функционировать фермент (энзим), действие которого подавляет нервный реагент VX - в результате, парализуется работа системы дыхания и человек умирает в течение нескольких минут. Настолько важны для работы нашего организма ферменты.

Лесли Орджел и Фрэнсис Крик выдвинули очередную гипотезу. Если РНК могла складываться, как это делали белки, то могла ли она формировать еще и ферменты?

Если бы это оказалось так, то РНК могла бы быть оригинальной – и крайне универсальной – живой молекулой, хранящей информацию (как это делает ДНК) и катализирующей реакции, что свойственно некоторым белкам.

Идея была интересной, но за следующие 10 лет доказательств в ее поддержку так и не было найдено.

Ферменты РНК

Томас Чек родился и вырос в Айове. Еще в детстве его страстью были камни и минералы. И уже в старших классах школы он был постоянным гостем у геологов местного университета, которые показывали ему модели минеральных структур. В конце концов он стал биохимиком, сосредоточившись на изучении РНК.

В начале 1980-х годов Чек и его коллеги из Колорадского университета в Боулдере изучали одноклеточный организм под названием «Tetrahymena thermophile». Часть этого клеточного организма включала в себя цепи РНК. Чек заметил, что один из сегментов РНК иногда отделяется от прочих, словно его отделили ножницами.

Когда его команда исключила все ферменты и другие молекулы, которые могли выступать в роли молекулярных ножниц, РНК по-прежнему продолжала изолировать этот сегмент. Тогда же был обнаружен первый фермент РНК: маленький сегмент РНК, способный самостоятельно отделяться от крупной цепи, к которой он был присоединен.

Поскольку два фермента РНК нашли относительно быстро, ученые предположили, что их на самом деле может быть намного больше. Теперь все больше фактов говорило в пользу того, что жизнь началась с РНК.

Томас Чек нашел первый фермент РНК.

Мир РНК

Первым, кто дал имя данной концепции стал Уолтер Гилберт.

Будучи физиком, который неожиданно заинтересовался молекулярной биологией, Гилберт одним из первых выступил в защиту теории о секвенировании генома человека.

В 1986 году в своей статье в журнале «Nature» Гилберт предположил, что жизнь началась в так называемом «Мире РНК».

Первый этап эволюции, по словам Гилберта, состоял из «процесса, в ходе которого молекулы РНК выполняли роль катализаторов, собирая себя в бульоне из нуклеотидов».

Копируя и вставляя различные фрагменты РНК в общую цепь, молекулы РНК создавали более полезные цепочки на основе имеющихся. В итоге настал момент, когда они научились создавать белки и белковые ферменты, которые оказались намного полезнее РНК-версий, по большей части вытеснив их и дав начало той жизни, которую мы наблюдаем сегодня.

«Мир РНК» – это довольной изящный способ создания сложных живых организмов с нуля.

В этой концепции не нужно полагаться на одновременное формирование десятков биологических молекул в «первичном бульоне», достаточно будет одной-единственной молекулы, с которой все и началось.

Доказательства

В 2000 году гипотеза о «Мире РНК» обрела солидные доказательства.

Томас Стейц провел 30 лет, изучая структуры молекул в живых клетках. В 90-е годы он приступил к главному исследованию своей жизни: изучению структуры рибосомы.

В каждой живой клетке присутствует рибосома. Эта крупная молекула считывает инструкции из РНК и соединяет аминокислоты для создания белков. Рибосомы в клетках человека выстраивают практически каждый кусочек тела.

К тому моменту уже было известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейца представила детализированную модель структуры рибосомы, в которой РНК предстала в роли каталитического ядра рибосомы.

Это открытие было серьезным, особенно учитывая, насколько древней и фундаментально важной для жизни считалась рибосома. Факт того, что настолько важный механизм был основан на РНК, сделал теорию «Мира РНК» намного правдоподобней в научных кругах. Больше всего открытию радовались сторонники концепции «Мира РНК», а Стейц в 2009 году получил Нобелевскую премию.

Но после этого у ученых начали появляться сомнения.

Проблемы теории “Мира РНК”

В теории «Мира РНК» изначально было две проблемы.

Во-первых, могла ли РНК на самом деле выполнять все жизненно важные функции? И могла ли она сформироваться в условиях ранней Земли?

Прошло уже 30 лет с момента создания Гилбертом теории «Мира РНК», а у нас по-прежнему нет исчерпывающих доказательств того, что РНК действительно способна на все, что описано в теории. Да, это удивительно функциональная молекула, но достаточно ли одной РНК для всех приписываемых ей функций?

В глаза бросалась одна несостыковка. Если жизнь началась с молекулы РНК, то, значит, РНК умеет создавать свои копии, или реплики.

Но этой способности нет ни у одной из всех известных РНК. Для создания точной копии фрагмента РНК или ДНК необходимо множество ферментов и других молекул.

Поэтому в конце 80-х годов группа биологов начала довольно отчаянные исследования. Они намеревались создать РНК, способную к саморепликации.

Попытки создать самовоспроизводящуюся РНК

Джек Шостак из Гарвардской медицинской школы был первым из этих исследователей. С раннего детства он был настолько увлечен химией, что даже превратил свой подвал в лабораторию. К своей безопасности он относился с пренебрежением, что однажды привело к взрыву, который пригвоздил стеклянную колбу к потолку.

В начале 80-х Шостак наглядно продемонстрировал, как человеческие гены защищают себя от процесса старения. Это раннее исследование позднее приведет его в число лауреатов Нобелевской премии.

Но вскоре он проникся исследованиями Чека, связанными с ферментами РНК. «Я считаю, что это невероятная работа», – говорит Шостак. – «В принципе, весьма вероятно, что РНК может служить катализатором для создания собственных копий».

В 1988 году Чек обнаружил фермент РНК, способный формировать малую молекулу РНК длиной в 10 нуклеотидов.

Шостак же решил пойти дальше и создать новые ферменты РНК в лаборатории. Его команда создала набор случайных последовательностей и протестировала каждую, чтобы найти хотя бы одну, которая обладала бы способностями катализатора. Далее последовательности менялись, и тест продолжался.

После 10 попыток Шостак сумел создать фермент РНК, который в роли катализатора ускорял реакцию в 7 миллионов раз быстрее, чем это происходит в естественной среде.

Команда Шостака доказала, что ферменты РНК могут быть крайне мощными. Но их фермент не мог создавать свои реплики. Это был тупик для Шостака.

Фермент R18

В 2001 году следующий прорыв совершил бывший ученик Шостака – Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже.

Бартель создал фермент РНК под названием R18, который мог добавлять новые нуклеотиды в цепочку РНК на основе уже существующих.

Другими словами, фермент не просто добавлял случайные нуклеотиды, а точно копировал последовательность.

До самовоспроизводящихся молекул было еще далеко, но направление было верным.

Фермент R18 состоял из цепочки, куда входило 189 нуклеотидов, и мог добавлять в нее еще 11 – то есть, 6% от своей длины. Исследователи надеялись, что еще через несколько опытов эти 6% удастся превратить в 100%.

Самым удачливым на этом поле оказался Филипп Холлигер из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. В 2011 году его команда модифицировала фермент R18, создав фермент tC19Z, который мог копировать последовательность до 95 нуклеотидов. Это составляло 48% его длины – больше, чем у R18, но явно не необходимые 100%.

Джеральд Джойс и Трэйси Линкольн из Исследовательского института Скриппса в Ла-Холья представили альтернативный подход к вопросу. В 2009 году они создали фермент РНК, который создает свою реплику косвенно.

Их фермент объединяет два коротких фрагмента РНК и создает другой фермент. Тот, в свою очередь, объединяет два других фрагмента РНК, чтобы воссоздать оригинальный фермент.

При наличии исходных материалов этот простой цикл может продолжаться бесконечно. Но ферменты работают должным образом, только если есть нужные цепи РНК, созданные Джойсом и Линкольн.

Для многих ученых, относящихся скептически к идее «Мира РНК», отсутствие самостоятельной репликации РНК – это главная причина скепсиса. РНК попросту не справляется с ролью создателя всей жизни.

Не добавляют оптимизма и неудачи химиков в создании РНК с нуля. И хотя РНК – это намного более простая молекула, чем ДНК, ее создание оказалось невероятной проблемой.

Первые клетки, скорее всего, размножались делением.

Проблема в сахаре

Все дело в сахаре, присутствующем в каждом нуклеотиде, и основе нуклеотида. Их реально создать по отдельности, но связать их воедино не представляется возможным.

К началу 90-х эта проблема уже была очевидной. Многих биологов она убедила в том, что гипотеза «Мира РНК», какой бы привлекательной она ни казалась, все-таки остается лишь гипотезой.

• Возможно, на ранней Земле изначально существовала другая молекула: проще, чем РНК, и сумевшая собраться из «первичного бульона», а позже начать самовоспроизведение.
• Возможно, первой была именно эта молекула, а уже после нее появились РНК, ДНК и прочие.

Полиамидная нуклеиновая кислота (ПНК)

В 1991 году Петер Нильсен из Копенгагенского университета в Дании, казалось, нашел подходящего кандидата на роль первичного репликатора.

На самом деле это была значительно усовершенствованная версия ДНК. Нильсен оставил основу неизменной – стандартные A, T, C и G – но вместо молекул сахара использовал молекулы под названием полиамиды.

Получившуюся молекулу он назвал полиамидной нуклеиновой кислотой, или ПНК. Однако, со временем расшифровка аббревиатуры отчего-то превратилась в «пептидная нуклеиновая кислота».

В природе ПНК не встречается. Но ее поведение сильно напоминает поведение ДНК. Цепь ПНК даже может заменить цепь в молекуле ДНК, и основания спарятся как обычно. Более того, ПНК может закручиваться в двойную спираль, как ДНК.

Стэнли Миллер был заинтригован. С глубоким скепсисом относясь к концепции «Мира РНК», он полагал, что ПНК лучше подходит на роль первого генетического материала.

В 2000 году он подкрепил свое мнение доказательствами. К тому моменту ему уже было 70 лет и он пережил несколько инсультов, после которых мог бы оказаться и в доме престарелых, однако сдаваться он не собирался.

Миллер повторил свой классический эксперимент, описанный ранее, в этот раз используя метан, азот, аммиак и воду, и получил в итоге полиамидную основу ПНК.

Из этого следовало, что на ранней Земле вполне могли быть условия для появления ПНК, в отличие от РНК.

Поведение ПНК напоминает ДНК.

Треозо-нуклеиновая кислота (ТНК)

Тем временем другие химики создали собственные нуклеиновые кислоты.

В 2000 году Альберт Эшенмозер создал треозо-нуклеиновую кислоту (ТНК).

По сути это была та же ДНК, но с другим видом сахара в основании. Цепи ТНК могли образовывать двойную спираль, а информация могла передаваться из РНК в ТНК и обратно.

Более того, ТНК могла образовывать и сложные формы, в том числе и форму белка. Это намекало на то, что ТНК могла выполнять роль фермента, как и РНК.

Гликоль-нуклеиновая кислота (ГНК)

В 2005 году Эрик Меггерс создал гликоль-нуклеиновую кислоту, также способную образовывать спираль.

У каждой из этих нуклеиновых кислот находились свои сторонники: обычно сами создатели кислот.

Но в природе от подобных нуклеиновых кислот не осталось ни следа, так что даже если допустить, что их использовала первая жизнь, то на каком-то этапе она должна была отказаться от них в пользу РНК и ДНК.

Звучит правдоподобно, но не подкрепляется доказательствами.

Хороша была концепция, но…

Таким образом, к середине первого десятилетия 21-го века, сторонники концепции «Мира РНК» оказались в затруднительном положении.

С одной стороны, ферменты РНК существовали в природе и включали в себя один из важнейших фрагментов биологических механизмов – рибосому. Это неплохо.

Но, с другой стороны, в природе не было найдено самовоспроизводящейся РНК, и никто так и смог объяснить, как именно сформировалась РНК в «первичном бульоне». Последнее могло объясняться альтернативными нуклеиновыми кислотами, но и их в природе уже (или никогда) не существовало. Это плохо.

Вердикт ко всей концепции «Мира РНК» был очевиден: концепция хороша, но не исчерпывающа.

А тем временем, еще с середины 80-х годов, медленно развивалась другая теория. Ее сторонники уверяли, что жизнь началась не с РНК, ДНК или любой другой генетической субстанции. По их мнению, жизнь зародилась как механизм использования энергии.

Сначала энергия?

Итак, с годами ученые, занимающиеся вопросами происхождения жизни, разделились на 3 лагеря.

Представители первого были убеждены, что жизнь началась с молекулы РНК, но им не удалось выяснить, как молекулам РНК или схожим с РНК удалось спонтанно появиться на ранней Земле и начать самовоспроизведение. Успехи ученых поначалу восхищали, но в итоге исследователи пришли в тупик. Однако, даже когда эти исследования были в самом разгаре, уже нашлись те, кто был уверен, что жизнь зародилась совсем иначе.

Теория «Мира РНК» опирается на простую идею: самая важная функция организма – это способность к продолжению рода. С этим согласны большинство биологов. Все живые существа – от бактерий до синих китов – стремятся оставить потомство.

Тем не менее, многие исследователи данного вопроса не согласны, что репродуктивная функция стоит на первом месте. Они говорят, что до начала размножения организм должен стать самодостаточным. Он должен быть способен поддерживать жизнь в себе. В конце концов, ведь не получится завести детей, если до этого умереть.

Мы поддерживаем жизнь при помощи пищи, в то время как растения поглощают энергию из солнечного света.

Да, парень, с удовольствием уплетающий сочную отбивную, явно не похож на вековой дуб, но ведь по сути они оба поглощают энергию.

Поглощение энергии является основой жизни.

Метаболизм

Говоря об энергии живых существ, мы имеем дело с метаболизмом.

1. Первый этап – это получение энергии, допустим, из веществ, богатых энергией (например, сахар).
2. Второй – использование энергии для постройки полезных клеток в организме.

Процесс использования энергии чрезвычайно важен, и многие исследователи уверены, что именно он стал тем, с чего началась жизнь.

Но как могли выглядеть организмы с одной лишь функцией метаболизма?

Первое и самое влиятельное предположение было выдвинуто Гюнтером Вахтершаузером в конце 80-х годов 20-го века. По профессии он был патентным юристом, но имел приличные познания в области химии.

Вахтершаузер предположил, что первые организмы «разительно отличались от всего, что мы знаем». Они не состояли из клеток. У них не было ферментов, ДНК или РНК.

Для наглядности Вахтершаузер описал поток горячей воды, вытекающей из вулкана. Вода была насыщена вулканическими газами типа аммиака и содержала частички минералов из центра вулкана.

В местах, где поток протекал по скалам, начинались химические реакции. Металлы, содержащиеся в воде, способствовали созданию крупных органических соединений из более простых.

Метаболический цикл

Поворотным моментом стало создание первого метаболического цикла.

В ходе этого процесса одно химическое вещество превращается в несколько других, и так далее, пока в итоге все не приходит к воссозданию первого вещества.

Во время процесса вся система, участвующая в метаболизме, накапливает энергию, которую можно использовать для перезапуска цикла или же для запуска какого-то нового процесса.

Все остальное, чем наделены современные организмы (ДНК, клетки, мозг), появилось уже позже, причем на основе этих химических циклов.

Метаболические циклы не очень похожи на жизнь. Поэтому Вахтершаузер называл свои изобретения «прекурсорными организмами» и писал, что их «едва ли можно называть живыми».

Но описанные Вахтершаузером метаболические циклы всегда стоят в центре любого живого организма.

Ваши клетки – это на самом деле микроскопические заводы, беспрестанно расщепляющие одни вещества, превращая их в другие.

Метаболические циклы, несмотря на «механичность», фундаментально важны для жизни.

Две последние декады 20-го века Вахтершаузер посвятил своей теории, прорабатывая ее в деталях. Он описал, какие минералы подошли бы лучше прочих и какие химические циклы могли иметь место. Его рассуждения начали набирать сторонников.

Экспериментальное подтверждение

В 1977 команда Джека Корлисса из Университета штата Орегон совершила погружение в воды восточного Тихого Океана на глубину 2,5 километра (1,5 мили). Ученые изучали Галапагосский горячий источник в месте, где со дна поднимались хребты горных пород. Хребты, как было известно, были изначально вулканически активными.

Корлисс обнаружил, что хребты были практически усеяны горячими источниками. Горячая и насыщенная химическими веществами вода поднималась из-под морского дна и вытекала через отверстия в скалах.

Поразительно, но эти «гидротермальные жерла» были густо населены странными созданиями. Это были огромные моллюски нескольких видов, мидии и кольчатые черви.

Вода также была полна бактерий. Все эти организмы жили за счет энергии из гидротермальных жерл.

Открытие гидротермальных жерл создало Корлиссу отличную репутацию. Оно также заставило его задуматься.

Гидротермальные жерла в океане обеспечивают жизнь организмов сегодня. Возможно, они и стали ее первоисточником?

Гидротермальные жерла

В 1981 году Джек Корлисс предположил, что подобные жерла существовали на Земле 4 миллиарда лет назад и именно вокруг них зародилась жизнь. Всю свою дальшейшую карьеру он посвятил разработке данной идеи.

Корлисс предположил, что гидротермальные жерла могли создавать смесь химических веществ. Каждое жерло, утверждал он, было чем-то вроде распылителя «первичного бульона».

• Пока горячая вода текла сквозь скалы, тепло и давление заставляло простейшие органические соединения превращаться в более сложные, вроде аминокислот, нуклеотидов и сахара.
• Ближе к выходу в океан, где вода была уже не такой горячей, они начинали образовывать цепи, формируя углеводы, белки и нуклеотиды вроде ДНК.
• Затем, уже в самом океане, где вода значительно охлаждалась, эти молекулы собирались в простые клетки.

Теория звучала разумно и привлекла внимание.

Но Стэнли Миллер, чей эксперимент обсуждался ранее, не разделял энтузиазма. В 1988 году он писал, что жерла были чересчур горячими для образования в них жизни.

Теория Корлисса заключалась в том, что экстремальная температура могла запустить формирование веществ вроде аминокислот, но эксперименты Миллера показывали, что она также могла и уничтожить их.

Ключевые соединения типа сахара могли продержаться от силы несколько секунд.

Более того, эти простые молекулы вряд ли сумели бы образовать цепи, поскольку окружающая вода практически моментально разорвала бы их.

Тепло, еще теплее…

В этот момент в дискуссию вступил геолог Майк Расселл . Он полагал, что теория о жерлах идеально вписывается в предположения Вахтершаузера о прекурсорных организмах. Эти мысли привели его к созданию одной из самых популярных теорий о происхождении жизни.

Молодость Расселла прошла за созданием аспирина и изучением ценных минералов. А в ходе возможного извержения вулкана в 60-х он успешно координировал план реагирования, не имея за спиной опыта. Но ему было интересно изучать, как менялась поверхность Земли на протяжении различных эпох. Возможность взглянуть на историю с перспективы геолога и сформировала его теорию о происхождении жизни.

В 80-х он нашел окаменелости, свидетельствующие о том, что в древности существовали гидротермальные жерла, где температура не превышала 150 градусов по Цельсию. Эти умеренные температуры, как он утверждал, могли позволить молекулам продержаться намного дольше, чем считал Миллер.

Более того, в окаменелостях этих менее горячих жерл нашлось нечто любопытное. Минерал под названием пирит, состоящий из железа и серы, в виде трубочек длиной в 1 миллиметр.

В своей лаборатории Расселл обнаружил, что пирит может формировать еще и сферические капли. Он предположил, что первые сложные органические молекулы сформировались именно внутри структур из пирита.

Приблизительно в то же время Вахтершаузер начал публиковать свои теории, базирующиеся на том, что поток воды, богатой на химикаты, вступал во взаимодействие с неким минералом. Он даже предположил, что этим минералом мог быть пирит.

2+2=?

Расселлу оставалось только сложить 2 и 2.

Он допустил, что внутри теплых гидротермальных жерл в глубоком море, где могли образоваться пиритовые структуры, сформировались прекурсорные организмы Вахтершаузера. Если Расселл не заблуждался, то жизнь зародилась на глубине моря, а первым появился метаболизм.

Все это было изложено в статье Расселла, опубликованной в 1993 году, спустя 40 лет после классического эксперимента Миллера.

Резонанс в прессе возник куда меньший, но важность открытия это не умаляет. Расселл объединил две разные идеи (метаболические циклы Вахтершаузера и гидротермальные жерла Корлисса) в одну довольно убедительную концепцию.

Концепция стала еще более впечатляющей, когда Расселл поделился своими идеями, каким образом первые организмы поглощали энергию. Другими словами, он объяснил, как мог работать их метаболизм. Его идея опиралась на работу одного из забытых гениев современной науки.

“Нелепые” эксперименты Митчелла

В 60-х годах биохимик Питер Митчелл по причине болезни был вынужден покинуть Эдинбургский университет.

Он переоборудовал особняк в Корнуолле в личную лабораторию. Будучи отрезанным от научного сообщества, он финансировал свою работу, продавая молоко своих домашних коров. Многие биохимики, в том числе и Лесли Орджел, чьи исследования РНК обсуждались ранее, считали работу Митчелла в крайней степени нелепой.

Почти два десятка лет спустя Митчелл восторжествовал, получив Нобелевскую премию по химии в 1978 году. Знаменитым он так и не стал, однако его идеи прослеживаются в любом учебнике по биологии.

Митчелл посвятил свою жизнь изучению того, на что организмы тратят получаемую из пищи энергию. Другими словами, ему было интересно, как мы остаемся в живых от секунды к секунде.

Британский биохимик Питер Митчелл получил Нобелевскую премию по химии за свою работу по открытию механизма синтеза АТФ.

Как организм хранит энергию

Митчелл знал, что все клетки хранят энергию в конкретной молекуле – аденозинтрифосфат (АТФ). Важно то, что к аденозину прикреплена цепочка из трех фосфатов. На присоединение третьего фосфата уходит много энергии, которая позже заключается в АТФ.

Когда клетке нужна энергия (допустим, при сокращении мышцы), она отсекает третий фосфат от АТФ. Это превращает АТФ в аденозидифосфат (АДФ) и высвобождает накопленную энергию.

Митчелл хотел понять, как клеткам изначально удалось создать АТФ. Как они сконцентрировали достаточно энергии в АДФ для того, чтобы присоединился третий фосфат?

Митчелл знал, что фермент, образующий АТФ, находится на мембране. Он сделал вывод, что клетка закачивает заряженные частицы, называемые протонами, через мембрану, и поэтому по одну сторону можно увидеть множество протонов, в то время как с другой стороны их почти нет.

Затем протоны пытаются вернуться в мембрану, чтобы сохранить баланс с каждой стороны, но попасть они могут только в фермент. Поток снующих протонов и дает ферменту необходимую энергию для создания АТФ.

Митчелл впервые высказал эту идею в 1961 году. Следующие 15 лет он защищал свою теорию от нападок, несмотря на неопровержимые доказательства.

Сегодня известно, что процесс, описанный Митчеллом, свойствен каждому живому существу на планете. Он происходит в ваших клетках прямо сейчас. Как и ДНК, это фундаментальная часть той жизни, что мы знаем.

Для жизни было нужно естественное разделение протонов

Строя свою теорию жизни, Расселл обратил внимание на разделение протонов, показанное Митчеллом: множество протонов на одной стороне мембраны и лишь несколько – на другой.

Всем клеткам нужно такое разделение протонов, чтобы хранить энергию.

Современные клетки создают такое деление, выкачивая протоны из мембраны, но здесь задействована сложная молекулярная механика, которая не могла просто появиться в мгновение ока.

Так что Расселл сделал еще один логический вывод: жизнь сформировалась там, где есть естественное разделение протонов.

Где-то у гидротермальных жерл. Но жерло должно быть конкретного типа.

Ранняя Земля имела кислые моря, а кислая вода просто насыщена протонами. Для разделения протонов вода у гидротермальных жерл должна быть скудна на протоны: иными словами, она должна быть щелочной.

Гидротермальные жерла Корлисса не подходили под это условие. Они не только были слишком горячими, но и чересчур насыщенными кислотами.

Но в 2000 году Дебора Келли из Вашингтонского университета обнаружила первые щелочные гидротермальные жерла.

Доктор Дебора Келли.

Щелочные и прохладные гидротермальные жерла

Келли с большим трудом удалось стать ученой. Ее отец скончался, когда она была в старших классах, и ей приходилось работать после лекций, чтобы оплатить обучение в университете.

Но она преуспела, а позже загорелась идеей изучения подводных вулканов и горячих гидротермальных источников. Страсть к изучению вулканов и подводных горячих жерл привела ее в сердце Атлантического океана. Именно здесь в глубине находился величественный горный хребет, возвышающийся с океанского дна.

На этом хребте Келли обнаружила целую сеть гидротермальных жерл, которые назвала «Затерянным городом». Они не были похожи на те, что нашел Корлисс.

Из них текла вода температурой 40-75 градусов по Цельсию и с небольшим содержанием щелочи. Карбонатные минералы из такой воды образовывали крутые белые столбы, схожие со столбами дыма и возвышающиеся со дна подобно трубам органа. Несмотря на жутковатый и «призрачный» вид, эти столбы на самом деле были домом для колоний микроорганизмов, обитающих в теплой воде.

Эти щелочные жерла прекрасно подходили под теорию Расселла. Он был уверен, что жизнь началась в жерлах, похожих на жерла «Затерянного города».

Но была одна проблема. Будучи геологом, Рассел недостаточно много знал о биологических клетках, чтобы сделать свою теорию максимально убедительной.

Самая исчерпывающая теория возникновения жизни на Земле

Чтобы суметь преодолеть проблемы ограниченности своих знаний, Расселл объединился с американским биологом Уильямом Мартином. Любитель споров Мартин большую часть своей карьеры проработал в Германии.

В 2003 году они представили улучшенную версию ранней концепции Расселла. И, пожалуй, эту теорию о происхождении жизни на Земле можно назвать самой исчерпывающей из всех существующих.

Благодаря Келли они знали, что скалы щелочных жерл были пористыми: они были усеяны небольшими отверстиями, наполненными водой. Ученые предположили, что эти отверстия исполняли роль «клеток». В каждом из них содержались важные вещества, вроде минералов наподобие пирита. Добавьте сюда естественное деление протонов, которое обеспечивали жерла, и получите идеальное место для зарождения метаболизма.

Как только жизнь начала использовать химическую энергию воды из жерл, предположили Расселл и Мартин, она начала создавать молекулы наподобие РНК. В конце концов, она создала собственную мембрану, став настоящей клеткой, и покинула пористую скалу, направившись в открытые воды.

На сегодняшний день это одна из ведущих гипотез касательно происхождения жизни.

Последние открытия

Серьезную поддержку эта теория получила в июле 2016 года, когда Мартин опубликовал исследования, в ходе которых производилась реконструкция некоторых особенностей «последнего универсального общего предка» (ПУОП). Это условное название организма, существовавшего миллиарды лет назад, который и дал начало всему разнообразию современной жизни.

Нам, возможно, уже не удастся найти окаменелости этого организма, но на основе всех имеющихся данных мы можем предположить, как он выглядел и какие характеристики имел, изучив современные микроорганизмы.

Именно это и сделал Мартин. Он изучил ДНК 1930 современных микроорганизмов и выделил 355 генов, которые присутствовали почти в каждом из них.

Можно допустить, что именно эти 355 генов передавались из поколения в поколение, поскольку все эти 1930 микробов имели общего предка – предположительно с тех времен, когда еще существовал ПУОП.

Среди этих генов были те, что отвечали за использование разделения протонов, но не было отвечающих за создание этого деления – точно как в теории Расселла и Мартина.

Более того, ПУОП, похоже, сумел адаптироваться к веществам вроде метана, что подразумевало наличие вулканически активной окружающей среды вокруг. То есть, гидротермального жерла.

Не все так просто

Однако сторонники идеи «Мира РНК» нашли две проблемы в концепции Расселла-Мартина. Одну еще можно потенциально исправить, но другая могла означать крах всей теории.

Первая проблема заключается в отсутствии экспериментальных доказательств того, что описанные Расселлом и Мартином процессы реально имели место.

Да, ученые шаг за шагом выстроили теорию, но ни один из шагов не был пока воспроизведен в лабораторных условиях.

«Сторонники идеи о первичном появлении репликации регулярно предоставляют результаты опытов», говорит Армен Мулкиджанян, эксперт по вопросам происхождения жизни. «Сторонники же идеи о первичном появлении метаболизма этого не делают».

Но это может скоро измениться благодаря коллеге Мартина, Нику Лейну из Университетского колледжа Лондона. Лейн сконструировал «реактор происхождения жизни», который будет симулировать условия внутри щелочного жерла. Он надеется воссоздать метаболические циклы и, возможно, даже РНК. Но пока об этом рано говорить.

Вторая проблема заключается в том, что жерла расположены глубоко под водой. Как указал Миллер в 1988 году, молекулы с длинными цепями, вроде РНК и белков, не смогут сформироваться в воде при отсутствии ферментов, которые не позволят им распасться.

Для многих исследователей этот аргумент стал решающим.

«Имея образование в области химии, поверить в теорию с глубоководными жерлами не получится, поскольку вы знаете химию и понимаете, что все эти молекулы несовместимы с водой», говорит Мулкиджанян.

Тем не менее, Расселл и его сторонники не спешат отрекаться от своих идей.

Но в последнее десятилетие на передний план вышел третий подход, который сопровождался серией крайне любопытных экспериментов.

В отличие от теорий о «Мире РНК» и гидротермальных жерл, этот подход в случае успеха обещал немыслимое – создание живой клетки с нуля.

Как создать клетку?

К началу 21-го века существовало две ведущие концепции происхождения жизни.

1. Сторонники «Мира РНК» утверждали, что жизнь началась с самовоспроизводящейся молекулы.
2. Сторонники же теории о «первичном метаболизме» создали детальное представление о том, как могла зародиться жизнь в глубоководных гидротермальных источниках.

Тем не менее, на передний план вышла третья теория.

Каждое живое существо на Земле состоит из клеток. Каждая клетка – это по сути мягкий шарик с жесткой стенкой, или «мембраной».

Задача клетки – содержать все жизненно важные элементы внутри. Если порвется внешняя стенка, то выльются внутренности, а клетка фактически погибнет – как выпотрошенный человек.

Внешняя стенка клетки настолько важна, что некоторые ученые полагают, что именно она должна была появиться первой. Они уверены, что теория о «первичной генетике» и теория о «первичном метаболизме» в корне неверны.

Их альтернатива, «первичная компартментализация», опирается в первую очередь на труды Пьера Луиджи Луизи из Университета Рома Тре в Риме.

Теория протоклетки

Доводы Луизи просты и убедительны. Как можно представить себе процесс метаболизма или самовоспроизводящуюся РНК, где нужна уйма веществ в одном месте, если еще не существует контейнера, где молекулы находятся в безопасности?

Вывод из этого следующий: есть только один вариант происхождения жизни.

Каким-то образом посреди жары и бурь ранней Земли некие исходные материалы сформировали примитивные клетки, или «протоклетки».

Чтобы доказать эту теорию, необходимо провести опыты в лаборатории – попытаться создать простую живую клетку.

Корнями идеи Луизи уходили в труды советского ученого Александра Опарина, о котором шла речь ранее. Опарин подчеркнул, что некоторые вещества формируют пузыри, называемые коацерватами , которые могут удерживать другие вещества в своем центре.

Луизи предположил, что эти коацерваты и были первыми протоклетками.

Коацерваты могли быть первыми протоклетками.

Мир липидов

Любое жирное или масляное вещество образует пузыри или пленку на воде. Эта группа веществ называется липидами, а теория о том, что именно они дали начало жизни, зовется «Миром липидов».

Но одного формирования пузырей недостаточно. Они должны быть стабильными, иметь возможность деления, чтобы создавать «дочерние» пузыри, и хотя бы немного контролировать поток входящих и выходящих из них веществ – все это без белков, которые отвечают за данные функции в современных клетках.

Значит, необходимо было создать протоклетки из нужных материалов. Именно этим и занимался Луизи несколько десятилетий, но ничего убедительного так и не представил.

Протоклетка с РНК

Затем в 1994 году Луизи высказал смелое предположение. По его мнению, первые протоклетки должны были содержать РНК. Более того, эта РНК должна была уметь самовоспроизводиться внутри протоклетки.

Данное предположение означало отказ от чистой «первичной компартментализации», но у Луизи были на то веские причины.

Клетка с внешней стенкой, но без генов внутри, была лишена многих функций. Она должна была быть способной делиться на дочерние клетки, но не могла передавать информацию о себе своему потомству. Начать развиваться и становиться сложнее клетка могла лишь при условии наличия хотя бы нескольких генов.

Вскоре теория обрела солидного сторонника в лице Джека Шостака, чья работа по гипотезе «Мира РНК» обсуждалась ранее. Долгие годы эти ученые были по разные стороны научного сообщества – Луизи поддерживал идею «первичной компартментализации», а Шостак – «первичной генетики».

«На конференциях по вопросам происхождения жизни мы всегда вступали в долгие дебаты касательно того, что было важнее и что появилось раньше», вспоминает Шостак. «В конце концов, мы поняли, что клеткам необходимо и то, и другое. Мы пришли к выводу, что без компартментализации и генетической системы не смогла бы образоваться первая жизнь».

В 2001 году Шостак и Луизи объединили усилия и продолжили исследования. В статье в журнале «Nature» они утверждали, что для создания живой клетки с нуля необходимо поместить самовоспроизводящуюся РНК в простую каплю жира.

Идея была смелой, и вскоре Шостак полностью посвятил себя ее реализации. Справедливо рассудив, что «нельзя расписывать теорию без практических доказательств», он решил начать эксперименты с протоклетками.

Везикулы

Спустя два года Шостак с двумя коллегами объявили о большом научном прорыве.

Опыты проводились на везикулах: сферических каплях с двумя слоями жирных кислот снаружи и жидким ядром внутри.

В попытке ускорить создание везикул, ученые добавили частицы глинистого минерала под названием монтмориллонит. Это ускорило формирование везикул в 100 раз. Поверхность глины служила катализатором, по сути выполняя задачу фермента.

Более того, везикулы могли поглощать как частицы монтмориллонита, так и цепи РНК с поверхности глины.

Благодаря простой добавке глины, в итоге протоклетки содержали и гены и катализатор.

Решение добавить монтмориллонит возникло неспроста. Десятилетия исследований показывали, что монтмориллонит и другие глинистые минералы были очень важны при зарождении жизни.

Монтмориллонит – это обычная глина. Ныне он широко используется в быту, к примеру, в качестве наполнителя для кошачьих туалетов. Формируется он при расщеплении вулканического пепла под воздействием погодных условий. Поскольку на ранней Земле существовало немало вулканов, логично предположить, что монтмориллонита было в избытке.

Еще в 1986 году химик Джеймс Феррис доказал, что монтмориллонит – это катализатор, способствующий формированию органических молекул. Позднее он также обнаружил, что этот минерал ускоряет формирование малых РНК.

Это навело Ферриса на мысль, что невзрачная глина была в свое время местом появления жизни. Шостак подхватил эту идею и использовал монтмориллонит при создании протоклеток.

Формирование везикул при участии глины происходило в сотни раз быстрее.

Развитие и деление протоклеток

Спустя год команда Шостака обнаружила, что их протоклетки растут сами по себе.

По мере добавления новых молекул РНК в протоклетку, внешняя стенка прогибалась под нарастающим давлением. Выглядело это так, словно протоклетка набила себе живот и вот-вот лопнет.

Чтобы компенсировать давление, протоклетки выбирали наиболее жирные кислоты и встраивали их в стенку, чтобы продолжить безопасно раздуваться до больших размеров.

Но важно то, что жирные кислоты брались из других протоклеток с меньшим содержанием РНК, из-за чего те начали сжиматься. Это означало, что протоклетки соревновались, а выигрывали те, что содержали больше РНК.

Это вело к впечатляющим выводам. Если протоклетки могли расти, то могли ли они делиться? Сможет ли Шостак заставить протоклетки самостоятельно воспроизводиться?

Первые опыты Шостака показали один из способов деления протоклеток. При проталкивании протоклеток сквозь маленькие отверстия они сжимались в форму трубочек, которые после делились на «дочерние» протоклетки.

Эта было круто, ведь в процессе не было задействовано никаких клеточных механизмов, только обычное механическое давление.

Но были и минусы, поскольку в процессе опыта протоклетки теряли часть своего содержимого. Также получалось, что первые клетки могли делиться лишь под давлением внешних сил, которые проталкивали бы их сквозь узкие отверстия.

Существует много способов заставить везикулы делиться: например, добавить мощный поток воды. Но нужно было найти способ, при которым протоклетки делились бы, не теряя своего содержимого.

Принцип луковицы

В 2009 году Шостак и его студент Тинь Чжу нашли решение. Они создали чуть более сложные протоклетки с несколькими стенками, немного напоминавшими слои луковицы. Несмотря на кажущуюся сложность, создать такие протоклетки было довольно просто.

Пока Чжу подпитывал их жирными кислотами, протоклетки росли и меняли форму, удлиняясь и приобретая нитевидную форму. Когда протоклетка становилась достаточно крупной, хватало лишь небольшого приложения силы, чтобы она распалась на маленькие дочерние протоклетки.

Каждая дочерняя протоклетка содержала РНК из материнской протоклетки, и практически ни один элемент РНК не терялся. Более того, протоклетки могли и дальше продолжать этот цикл – дочерние протоклетки росли и делились уже самостоятельно.

В ходе дальнейших опытов Чжу и Шостак нашли способ заставить протоклетки делиться. Похоже, одна часть проблемы была решена.

Необходимость самокопирующейся РНК

Однако, протоклетки все еще не функционировали должным образом. Луизи видел протоклетки в роли носителей самовоспроизводящихся РНК, но пока что РНК просто находились внутри и ни на что не влияли.

Чтобы продемонстрировать, что протоклетки и правда были первой жизнью на Земле, Шостаку необходимо было заставить РНК создавать свои копии.

Задача была не из легких, поскольку десятилетия опытов ученых, о которых мы писали ранее, так и не привели к созданию самовоспроизводящихся РНК.

С этой же проблемой столкнулся сам Шостак в ходе своих ранних работ над теорией «Мира РНК». С тех пор ее, похоже, никто так и не решил.

Орджел провел 70-е и 80-е годы за изучением принципа копирования цепей РНК.

Суть его проста. Нужно взять одну цепь РНК и поместить ее в емкость с нуклеотидами. Затем использовать эти нуклеотиды для создания второй цепи РНК, которая дополнит первую.

К примеру, цепь РНК образца «CGC» сформирует дополнительную цепь образца «GCG». Следующая же копия воссоздаст оригинальную цепь «CGC».

Орджел заметил, что в определенных условиях цепи РНК копируются таким способом без помощи ферментов. Вполне возможно, что первая жизнь копировала свои гены именно этим образом.

К 1987 году Орджел уже мог создавать дополнительные цепи длиной в 14 нуклеотидов в цепочках РНК, чья длина была также равна 14 нуклеотидам.

Недостающий элемент

Адамала и Шостак обнаружили, что для реакции необходим магний. Это было проблематично, поскольку магний уничтожал протоклетки. Но был и выход: использовать цитрат, который практически идентичен лимонной кислоте, содержащейся в лимонах и апельсинах, и который присутствует в любой живой клетке.

В докладе, опубликованном в 2013 году, Адамала и Шостак рассказали об исследовании, в ходе которого в протоклетки был добавлен цитрат, накладывающийся на магний и защищающий протоклетки, не мешая при этом копированию цепочек.

Иными словами, они достигли того, о чем говорил Луизи в 1994 году. «Мы запустили самовоспроизведение РНК внутри жирно-кислотных везикул», говорит Шостак.

Всего за десять лет исследований команда Шостака достигла невероятных результатов.

• Ученые создали протоклетки, которые сохраняют свои гены, в то же время поглощая полезные молекулы из окружающей среды.
• Протоклетки могут расти и делиться и даже соревноваться друг с другом.
• В них существуют РНК, которые самовоспроизводятся.
• По всем параметрам, созданные в лаборатории протоклетки удивительно напоминают жизнь.

Они также были устойчивыми. В 2008 году команда Шостака обнаружила, что протоклетки могут пережить температуру до 100 градусов по Цельсию – температуру, при которой гибнет большинство современных клеток. Это лишь усилило уверенность в том, что протоклетки схожи с первой жизнью, которой необходимо было как-то выживать в условиях постоянных метеоритных дождей.

«Успехи Шостака впечатляют», – говорит Армен Мулкиджанян.

Однако, на первый взгляд, подход Шостака сильно отличается от прочих исследований происхождения жизни, продолжавшихся последние 40 лет. Вместо того, чтобы фокусироваться на «первичном самовоспроизведении» или «первичной компартментализации», он нашел способ совместить эти теории.

Это стало поводом для создания нового объединенного подхода к изучению вопроса происхождения жизни на Земле.

Данный подход подразумевает, что у первой жизни не было характеристики, появившейся раньше прочих. Идея о «первичном наборе характеристик» уже имеет немало практических доказательств и гипотетически может решить все проблемы существующих теорий.

Великое объединение

В поисках ответа на вопрос о зарождении жизни, ученые 20 века разделились на 3 лагеря. Каждый придерживался только своих гипотез и свысока отзывался о работах двух других. Такой подход определенно был результативным, но каждый из лагерей в итоге столкнулся с неразрешимыми проблемами. Поэтому в наши дни несколько ученых решились опробовать объединенный подход к данной проблеме.

Идея объединения берет свои корни в недавнем открытии, которое доказывает традиционную теорию о «первичном самовоспроизведении» «Мира РНК», но лишь на первый взгляд.

В 2009 году сторонники теории «Мира РНК» столкнулись с крупной проблемой. Они не могли создать нуклеотиды, строительные блоки РНК, таким образом, каким они могли бы самосоздаться в условиях ранней Земли.

Как мы видели ранее, это привело многих исследователей к мысли, что первая жизнь основывалась вовсе не на РНК.

Джон Сазерленд размышлял над этим еще с 80-х годов прошлого века. «Было бы здорово, если бы кто-нибудь сумел продемонстрировать, как самостоятельно собирается РНК», – говорит он.

К счастью Сазерленда, он работал в Кембриджской лаборатории молекулярной биологии (ЛМБ). Большинство исследовательских институтов постоянно тормошат своих работников в ожидании новых открытий, но ЛМБ позволяла сотрудникам серьезно поработать над проблемой. Поэтому Сазерленд мог спокойно размышлять о том, почему так сложно создать нуклеотиды РНК, и в течение нескольких лет разрабатывал альтернативный подход.

В итоге Сазерленд пришел к совершенно новым взглядам на происхождение жизни, заключавшимся в том, что все ключевые компоненты жизни могли сформироваться одновременно.

Скромное здание Кембриджской лаборатории молекулярной биологии.

Счастливое стечение молекул и обстоятельств

«В химии РНК не работали сразу несколько ключевых аспектов», – объясняет Сазерленд. Каждый нуклеотид РНК состоит из сахара, основания и фосфата. Но на практике заставить сахар и основание взаимодействовать оказалось невозможно. Молекулы были попросту не той формы.

Поэтому Сазерленд начал эксперименты с другими веществами. В итоге его команда создала 5 простых молекул, состоящих из другого вида сахара и цианамида, который, как видно по названию, родственен цианиду. Данные вещества пропустили через ряд химических реакций, что в итоге привело к созданию двух из четырех нуклеотидов.

Бесспорно, это был успех, мгновенно поднявший репутацию Сазерленда.

Многим наблюдателям показалось, что это очередное доказательство в пользу теории о «Мире РНК». Но сам Сазерленд смотрел на это иначе.

«Классическая» гипотеза «Мира РНК» концентрировалась на том, что в первых организмах РНК отвечала за все жизненные функции. Но Сазерленд называет это утверждение «безнадежно оптимистичным». Он считает, что РНК принимала в них участие, но не была единственно важным для жизнеспособности компонентом.

Сазерленд вдохновился последней работой Джека Шостака, который объединил концепцию «первичного самовоспроизведения» «Мира РНК» с идеями Пьера Луиджи Луизи о «первичной компартментализации».

Как создать живую клетку с нуля

Внимание Сазерленда привлекла любопытная деталь в синтезе нуклеотидов, поначалу казавшаяся случайной.

Последним шагом в опытах Сазерленда всегда было добавление фосфатов в нуклеотид. Но позже он понял, что добавлять его следует с самого начала , поскольку фосфат ускоряет реакции на ранних этапах.

Изначальное добавление фосфата, казалось, только увеличивает хаотичность реакции, но Сазерленд сумел понять, что эта хаотичность идет на пользу.

Это навело его мысли о том, что смеси должны быть хаотичными . На ранней Земле, скорее всего, в одной луже плавала уйма химических веществ. Разумеется, смеси не должны напоминать болотные воды, ведь нужно найти оптимальный уровень хаотичности.

Созданные в 1950 году смеси Стэнли Миллера, о которых говорилось ранее, были куда хаотичней смеси Сазерленда. Они содержали биологические молекулы, но, как говорит Сазерленд, их «было немного, и сопровождались они куда большим количеством не биологических соединений».

Сазерленд посчитал, что условия опыта Миллера были недостаточно чистыми. Смесь была чересчур хаотичной, из-за чего нужные вещества просто терялись в ней.

Поэтому Сазерленд решил подобрать «химию Златовласки»: не настолько перегруженную различными веществами, чтобы стать бесполезной, но и не настолько простую, чтобы она была ограничена в возможностях.

Требовалось создать усложненную смесь, в которой одновременно могли образоваться, а затем и объединиться все компоненты жизни.

Первобытный пруд и формирование жизни за несколько минут

Проще говоря, представьте себе, что 4 миллиарда лет назад на Земле существовал небольшой пруд. В течение многих лет в нем образовывались необходимые вещества, до тех пор, пока смесь не приобрела химический состав, который и нужен, чтобы запустить процесс. А затем сформировалась первая клетка, возможно, всего за несколько минут.

Это может звучать фантастично, словно утверждения средневековых алхимиков. Но у Сазерленда начали появляться доказательства.

С 2009 года он демонстрировал, что с помощью тех же веществ, на основе которых сформировались его первые два нуклеотида РНК, можно создать и другие молекулы, важные для любого живого организма.

Очевидным следующим шагом должно было стать создание других нуклеотидов РНК. С этим Сазерленд пока не справился, но в 2010 году продемонстрировал близкие к этому молекулы, которые потенциально могли превратиться в нуклеотиды.

А в 2013 году он собрал прекурсоры аминокислот. В этот раз для создания необходимой реакции он добавил цианид меди.

Вещества, основанные на цианиде, присутствовали во многих опытах, и в 2015 году Сазерленд вновь использовал их. Он показал, что с тем же набором веществ можно создать прекурсоры липидов – молекул, из которых состоят стенки клеток. Реакция проходила под воздействием ультрафиолета, и в ней участвовали сера и медь, помогавшие ускорить процесс.

«Все строительные блоки [сформировались] из общего ядра химических реакций», объясняет Шостак.

Если Сазерленд прав, то наша точка зрения на вопрос происхождения жизни была в корне неверной последние 40 лет.

С момента, когда ученые увидели, насколько сложной была конструкция клетки, все были сконцентрированы на мысли о том, что первые клетки собирались воедино постепенно, элемент за элементом .

С тех пор, как Лесли Орджел озвучил мысль о том, что первой появилась РНК, исследователи «пытались брать за основу один элемент, а затем заставлять его создавать остальные», говорит Сазерленд. Сам он считает, что создавать нужно все сразу .

Хаос – необходимое условие жизни

«Мы поставили под вопрос идею о том, что клетка слишком сложная, чтобы возникнуть сразу», – говорит Сазерленд. – «Как видите, можно одновременно создать строительные блоки для всех систем».

Шостак даже подозревает, что большинство попыток создать молекулы жизни и собрать их в живые клетки терпели неудачу по той же причине: слишком стерильные условия опытов.

Ученые брали необходимые вещества и совершенно забывали о тех, которые, возможно, также существовали на ранней Земле. Но работа Сазерленда показывает, что при добавлении новых веществ в смесь возникают более сложные соединения.

Шостак и сам столкнулся с этим в 2005 году, когда пытался внедрить фермент РНК в свои протоклетки. Ферменту нужен был магний, который уничтожал мембрану протоклеток.

Решение было элегантным. Вместо того, чтобы создавать везикулы из одной лишь жирной кислоты, создавать их из смеси из двух кислот. Получившиеся везикулы могли справляться с магнием, а значит, могли выполнять роль «носителей» ферментов РНК.

Более того, Шостак говорит, что первым генам, вероятно, была присуща хаотичность.

Современные организмы используют чистую ДНК для передачи генов, но, скорее всего, в самом начале чистой ДНК попросту не существовало. На ее месте могла быть смесь из нуклеотидов РНК и нуклеотидов ДНК.

В 2012 году Шостак показал, что подобная смесь может собираться в «мозаичные» молекулы, которые выглядят и ведут себя, как чистая РНК. И это доказывает, что теория о перемешанных молекулах РНК и ДНК имеет право на существование.

Эти опыты говорили о следующем – неважно, могли ли первые организмы иметь чистую РНК или чистую ДНК.

«На самом деле я вернулся к идее о том, что первый полимер был схож с РНК, но выглядел немного хаотичней», – говорит Шостак.

Альтернативы РНК

Вполне возможно, что альтернатив РНК теперь могло стать больше, вдобавок к уже существующим ТНК и ПНК, о которых рассказывалось ранее. Мы не знаем, существовали ли они на ранней Земле, но даже если и существовали, то первые организмы вполне могли использовать их вместе с РНК.

Это был уже не «Мир РНК», а «Мир чего-только-нет».

Из всего этого можно извлечь следующий урок – самосоздание первой живой клетки вовсе не было таким уж сложным делом, как нам раньше казалось. Да, клетки – это комплексные механизмы. Но, как выяснилось, они будут работать, пусть и не идеально, даже если их «слепить как попало» из подручных материалов.

Появившись, такие грубые в плане строения клетки, казалось бы, имели немного шансов выжить на ранней Земле. С другой стороны, у них не было конкуренции, им не угрожали никакие хищники, так что во многих смыслах жизнь на первозданной Земле была проще, чем сейчас.

Но есть одно “Но”

Но существует одна проблема, которую не смогли решить ни Сазерленд, ни Шостак, и она довольно серьезна.

У первого организма должна была быть некая форма метаболизма. С самого начала у жизни должна была иметься способность получить энергию, а иначе эта жизнь погибла бы.

В этот момент Сазерленд согласился с идеями Майка Расселла, Билла Мартина и других сторонников «первичного метаболизма».

«Сторонники теорий о «мире РНК» и «первичного метаболизма» зря спорили друг с другом. У обоих сторон хватало веских аргументов», – поясняет Сазерленд.

«Метаболизм так или иначе с чего-то начался», – пишет Шостак. – «Но вот что стало источником химической энергии – это большой вопрос».

Даже если Мартин и Расселл заблуждаются в том, что жизнь началась в глубоководных жерлах, многие части их теории близки к истине. Первая – это важная роль металлов при зарождении жизни.

Многие ферменты в природе имеют в своем ядре атом металла. Обычно это «активная» часть фермента, в то время как остальная часть молекулы – это поддерживающая структура.

В первой жизни не могли присутствовать сложные ферменты, поэтому скорее всего она использовала «голые» металлы в качестве катализаторов.

Катализаторы и ферменты

О том же говорил и Гюнтер Вахтеншаузер, когда предположил, что жизнь сформировалась на железном пирите. Расселл также подчеркивает, что вода в гидротермальных жерлах насыщенна металлами, которые могут быть катализаторами, а исследования Мартина на тему последнего универсального общего предка у современных бактерий свидетельствуют о наличии в нем многих ферментов на основе железа.

Все это говорит о том, что многие химические реакции Сазерленда протекали успешно лишь за счет меди (и серы, как подчеркнул Вахтершаузер), и что РНК в протоклетках Шостака нуждается в магнии.

Вполне может оказаться, что гидротермальные жерла также важны для создания жизни.

«Если взглянуть на современный метаболизм, то можно увидеть элементы, которые говорят сами за себя, вроде кластеров из железа и серы», – поясняет Шостак. – «Это вписывается в идею о том, что жизнь зародилась внутри или около жерла, где вода насыщена железом и серой».

С учетом сказанного можно добавить лишь одно. Если Сазерленд и Шостак на верном пути, то один аспект теории о жерлах определенно является заблуждением: жизнь не могла начаться в глубине моря.

«Открытые нами химические процессы сильно зависят от ультрафиолетового излучения», – считает Сазерленд.

Единственный источник такого излучения – это Солнце, так что реакции должны происходить непосредственно под его лучами. Это вычеркивает версию с глубоководными жерлами.

Шостак согласен, что глубины моря нельзя считать колыбелью жизни. «Хуже всего то, что они изолированы от взаимодействия с атмосферой, которая является источником исходных материалов, богатых энергией, вроде цианида».

Но все эти проблемы не делают теорию о гидротермальных жерлах бесполезной. Возможно, эти жерла располагались на мелководье, где имели доступ к солнечному свету и цианиду.

Жизнь зародилась не в океане, а на суше

Армен Мулкиджанян предложил альтернативу. Что, если жизнь зародилась в воде, но не в океане, а на суше? А именно – в вулканическом пруду.

Мулкиджанян обратил внимание на химический состав клеток: в частности, какие вещества они принимают, а какие отторгают. Выяснилось, что клетки любого организма содержат много фосфата, калия и других металлов, за исключением натрия.

Современные клетки сохраняют баланс металлов, выкачивая их из окружающей среды, но у первых клеток такой возможности не было – механизм выкачивания еще не был развит. Поэтому Мулкиджанян предположил, что первые клетки появились там, где имелся примерный набор веществ, из которых состоят нынешние клетки.

Это сразу вычеркивает океан из списка потенциальной колыбели жизни. В живых клетках намного больше калия и фосфата и намного меньше натрия, чем содержится в океане.

Под эту теорию больше подходят геотермальные источники вблизи вулканов. В этих прудах содержится та же смесь металлов, что и в клетках.

Шостак идею горячо поддерживает. «Мне кажется, идеально подходящим под все условия местом было бы мелкое озеро или пруд в геотермально активной области», – подтверждает он. «Нужны гидротермальные жерла, но не глубоководные, а скорее похожие на те, что есть в вулканически активных областях вроде Йеллоустона».

В таком месте могли бы протекать химические реакции Сазерленда. В источниках есть необходимый набор веществ, уровень воды колеблется, так что некоторые участки временами пересыхают, и нет недостатка солнечных ультрафиолетовых лучей.

Более того, Шостак говорит, что подобные пруды отлично подходят для его протоклеток.

«Протоклетки в основном сохраняют низкую температуру, что хорошо влияет на копирование РНК и другие виды простого метаболизма», – утверждает Шостак. – «Но время от времени они ненадолго нагреваются, что способствует разделению цепей РНК и подготавливает их к дальнейшему самовоспроизведению». Делиться протоклеткам также могут помочь потоки холодной или горячей воды.

Геотермальные источники у вулканов вполне могли стать местом зарождения жизни.

Жизни могли помочь метеориты

На основе всех существующих аргументов Сазерленд предлагает и третий вариант – место падения метеорита.

Земля регулярно подвергалась метеоритным дождям в первые 500 миллионов лет существования – они падают и по сей день, но значительно реже. Приличных размеров место падения метеорита могло создать те же условия, что и пруды, о которых говорил Мулкиджанян.

Во-первых, метеориты по большей части состоят из металла. А места их падения зачастую богаты металлами типа железа и серы. И, что самое главное, в местах падения метеорита продавливается земная кора, что ведет к геотермальной активности и появлению горячей воды.

Сазерленд описывает небольшие реки и ручейки, струящиеся по склонам новообразованных кратеров, которые вытягивают вещества, основанные на цианиде, из камней – и все это происходит под воздействием ультрафиолетовых лучей. Каждый ручеек несет в себе немного отличную от прочих смесь веществ, так что в итоге происходят различные реакции и производится целый ряд органических веществ.

В конце концов ручейки объединяются в вулканический пруд на дне кратера. Возможно, именно в таком пруду в свое время собрались все нужные вещества, из которых сформировались первые протоклетки.

«Это весьма специфический ход событий», – соглашается Сазерленд. Но он склоняется к нему на основании найденных химических реакций: «Это единственный ход событий, где могли бы протекать все реакции, показанные в моих опытах».

Шостак же еще не до конца уверен в этом, но он согласен, что идеи Сазерленда заслуживают пристального внимания: «Мне кажется, что эти события могли происходить на месте падения метеорита. Но мне также нравится идея с вулканическими системами. В пользу обоих версий есть крепкие аргументы».

Когда мы получим ответ на вопрос: как зародилась жизнь?

Дебаты, похоже, прекратятся еще не скоро, и к общему мнению ученые придут не сразу. Решение будет принято на основе опытов с химическими реакциями и протоклетками. Если выяснится, что в одном из вариантов не хватает ключевого вещества, или используется вещество, разрушающее протоклетки, то его признают неверным.

Это означает, что впервые в истории мы стоим на пороге наиболее полного объяснения того, как зародилась жизнь.

«Задачи уже не кажутся невыполнимыми», – оптимистично заявляет Сазерленд.

Пока что подход с условным названием «все и сразу» от Шостака и Сазерленда – это лишь грубые наброски. Но каждый из аргументов данного подхода был доказан десятилетиями экспериментов.

Эта концепция опирается на все подходы, существовавшие ранее. Она комбинирует в себе все удачные наработки, в то же время решая отдельные проблемы каждого подхода.

Например, не опровергает теорию Расселла о гидротермальных жерлах, а использует ее самые удачные элементы.

Что случилось 4 миллиарда лет назад

Мы не знаем наверняка, что происходило 4 миллиарда лет назад.

«Даже если создать реактор, откуда выскочит кишечная палочка… нельзя сказать, что это воспроизведение той самой первой жизни», – считает Мартин.

Лучшее, что мы можем сделать – это представить ход событий, подкрепив свое видение доказательствами: опытами в области химии, всеми знаниями о ранней Земле и всем тем, что говорит биология о ранних формах жизни.

В итоге, после столетий напряженных усилий, мы увидим, как начнет вырисовываться история реального хода событий.

Это значит, что мы приближаемся к величайшему разделению в истории человечества: разделению на тех, кто узнает историю зарождения жизни, и тех, кто не дожил до этого момента, а потому уже никогда не сможет ее узнать.

Все те, кто не дожил до публикации «Происхождения видов» Дарвина в 1859 году, умерли, не имея ни малейшего представления о происхождении человека, поскольку они ничего не знали об эволюции. Но сегодня каждый, за исключением ряда изолированных общин, может узнать правду о нашем родстве с другими представителями животного мира.

Точно так же все, кто родился после выхода Юрия Гагарина на орбиту Земли, стали членами общества, которое способно путешествовать к другим мирам. И пусть за пределами планеты побывал далеко не каждый ее житель, но космические путешествия уже стали современной реальностью.

Новая реальность

Эти факты незаметно меняют наше мироощущение. Они делают нас мудрее. Эволюция учит нас ценить любое живое существо, поскольку всех нас можно считать родственниками, пусть и далекими. Космические путешествия учат нас смотреть на свою родную планету со стороны, чтобы понять, насколько она уникальна и хрупка.

Некоторые из живущих сейчас людей вскоре станут первыми в истории из тех, кто способны рассказать о своем происхождении. Они будут знать о своем едином предке и о том, где он обитал.

Это знание изменит нас. С чисто научной точки зрения оно даст нам представление о шансах зарождения жизни во Вселенной и о том, где ее можно искать. Оно также раскроет перед нами сущность жизни.

Но нам остается только догадываться, какая мудрость предстанет перед нами в момент, когда секрет происхождения жизни будет раскрыт. С каждым месяцем и годом мы ближе к разгадке великой тайны зарождения жизни на нашей планете. Новые открытия совершаются прямо сейчас, когда вы читаете эти строки.

Прочтите также:

Share this article