Жизнь на Земле

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 раскалённый 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 нём 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 раскалённого 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 ещё раскалённую, пылающую Землю. На её поверхности она снова превращалась в водяной пар и возвращалась в атмосферу. За миллионы лет Земля постепенно потеряла так много тепла, что её жидкая поверхность, остывая, начала твердеть. Так образовалась земная кора.

Прошли миллионы лет, и температура поверхности Земли ещё 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 произошёл настоящий потоп. Вода, которая до этого испарялась в атмосферу и превратилась в её 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. Её было так много, что постепенно на планете образовался доисторический Океан. Молнии рассекали небо. Но никто этого не видел. На Земле ещё 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 её скапливалось всё 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 её верхних слоёв 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 всё 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 ещё не было в атмосфере. Источником пищи для них служили органические соединения, возникшие на ещё безжизненной Земле в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца, грозовых разрядов и тепла, образующегося при извержении вулканов.

Жизнь существовала тогда в тонкой бактериальной плёнке на дне водоёмов и во влажных местах. Эту эру развития жизни называют архейской. Из бактерий, а возможно, и совершенно независимым путём, возникли и крошечные одноклеточные организмы — древнейшие простейшие животные.

Как выглядела первобытная Земля?

Перенесёмся 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 счёт 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 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 её 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 учёных полагают, что жизнь зародилась на Земле, в её морях.

Теория биогенеза

В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает теория биогенеза — происхождение живого только от живого. Но многие считают её 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 осуществлён абиогенный синтез белковоподобных и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.

Теория панспермии

Теория панспермии рассматривает возможность переноса органических соединений, спор микроорганизмов с одного космического тела на другое. Но она совершенно не даёт 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 и Л. Оргел. Ф. Крик основывался на двух косвенных доказательствах: универсальности генетического кода и 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 объёма собранной информации, выдвинул теорию о том, как же на Земле смогла образоваться жизнь. Учёный уверен, что появление ранних форм простейшей жизни на нашей планете было бы невозможно без участия упавших на неё 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 пришёл 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 тяжёлой бомбардировки» (3,8–4,1 миллиарда лет назад), когда столкновение мелких космических объектов с нашей планетой резко возросло.

Некоторые учёные 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 году от нас.

«Когда около 4,5 миллиарда лет назад образовалась Земля, она была полностью непригодна для появления на ней живых организмов. Это был настоящий кипящий котёл из вулканов, ядовитого горячего газа и постоянно падающих на неё метеоритов», — пишет онлайн-журнал AstroBiology, ссылаясь на учёного. «А спустя один миллиард лет она стала тихой и спокойной планетой, богатой огромными запасами воды, населённой 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.

Гипотеза «мира РНК»

Одна из самых влиятельных современных концепций происхождения жизни строится вокруг молекулы РНК. В отличие от ДНК, которая хранит генетическую информацию, или белков, которые выполняют химические функции в клетке, молекула РНК способна делать и то и другое одновременно. Она может нести наследственную информацию и при этом работать как катализатор биохимических реакций — такие молекулы называют рибозимами. Это открытие сделал американский биохимик Томас Чек в 1980-х годах, за что в 1989 году был удостоен Нобелевской премии. Именно двойственная природа РНК привела учёных к мысли, что на заре жизни именно она могла быть первой «самодостаточной» молекулой, не нуждавшейся ни в ДНК, ни в белках.

Гипотеза «мира РНК» решает так называемый парадокс курицы и яйца в биохимии. Обычная клетка не может синтезировать белок без ДНК, но и скопировать ДНК она не может без специальных белков-ферментов. Что появилось раньше? Гипотеза «мира РНК» отвечает: ни то ни другое. Первичная молекула жизни была самодостаточной и обходилась без обоих. Со временем РНК передала функцию хранения информации более стабильной ДНК, а функцию катализа взяли на себя более эффективные белки. Сама РНК при этом стала посредником между ними — роль, которую она выполняет в клетке и по сей день.

Слабое место гипотезы состоит в том, что молекулы РНК крайне нестабильны и быстро разрушаются в воде. Учёные до сих пор ищут ответ на вопрос, каким образом первые цепочки РНК могли возникнуть и накапливаться в первичном океане. Тем не менее в лабораторных условиях уже удалось получить короткие цепочки РНК из неорганических предшественников, что подтверждает принципиальную возможность такого пути. Гипотеза «мира РНК» сегодня считается одной из наиболее обоснованных среди всех существующих.

Гипотеза гидротермальных источников

На дне современных океанов существуют гидротермальные источники, так называемые «белые курильщики», которые непрерывно выбрасывают в воду горячий раствор, насыщенный минералами. Именно такие места британский биохимик Майкл Рассел предложил считать вероятной колыбелью жизни на Земле. В отличие от «чёрных курильщиков» с их сверхвысокими температурами, «белые курильщики» — такие как поле Lost City в Атлантическом океане — создают щелочную среду и поддерживают умеренную температуру, что благоприятно для органической химии. Пористые минеральные структуры этих источников напоминают по своему строению сотовые камеры, каждая из которых по размеру сопоставима с живой клеткой.

Согласно этой гипотезе, именно такие минеральные «соты» сыграли роль первых протоклеток. Они удерживали органические молекулы внутри, концентрировали их и создавали химический градиент — разность концентраций между щелочным раствором источника и более кислым океанским дном. Этот градиент является источником энергии: живые клетки и сегодня используют принципиально похожий механизм для выработки молекул АТФ, универсального «топлива» жизни. Другими словами, жизнь могла просто «унаследовать» источник энергии, уже существовавший в природе, не изобретая его заново.

В пользу гидротермальной гипотезы говорит и то, что глубоководные экосистемы современных источников полностью независимы от солнечного света. Это показывает, что жизнь в принципе не нуждалась в фотосинтезе на начальном этапе. Гипотеза также хорошо сочетается с гипотезой «мира РНК»: минеральные поверхности внутри пор могли служить матрицей для сборки первых молекул РНК, защищая их от разрушения. Многие современные учёные рассматривают гидротермальные источники как наиболее перспективную модель для объяснения возникновения жизни.

Теория самоорганизации и диссипативных структур

В 1977 году бельгийский физик и химик российского происхождения Илья Пригожин получил Нобелевскую премию за исследование неравновесных термодинамических систем. Его открытие показало, что сложные упорядоченные структуры могут возникать спонтанно в системах, через которые непрерывно проходит поток энергии. Такие структуры Пригожин назвал диссипативными. Простейший пример — знакомые каждому шестигранные ячейки, возникающие при равномерном нагреве слоя жидкости снизу (конвекция Бенара). Никто не «строил» эти правильные структуры — они возникли из хаоса сами, как только поток тепла достиг определённого порога.

Применительно к происхождению жизни идеи Пригожина развили немецкие биохимики Манфред Эйген и Петер Шустер. Они предложили концепцию гиперциклов — систем молекул, которые взаимно катализируют воспроизводство друг друга. Представьте несколько молекул, каждая из которых помогает воспроизводиться соседней, образуя замкнутый круг. Как только такой круг замкнулся, система начинает самоподдерживаться и усложняться. Математически Эйген и Шустер показали, что при превышении определённого порога сложности подобная система неизбежно начинает эволюционировать — точно так же, как это делают живые организмы.

Теория диссипативных структур важна тем, что снимает одно из главных возражений против естественного происхождения жизни. Критики часто указывают на невероятную статистическую маловероятность случайного появления сложной живой молекулы. Но если порядок может рождаться из хаоса не случайно, а закономерно, при определённых физических условиях, то возникновение жизни перестаёт быть невероятным чудом и становится предсказуемым следствием законов природы. Согласно этому взгляду, жизнь не противоречит физике и химии — она является их закономерным продуктом.

Гипотеза «тёплого маленького пруда» и циклов высыхания

Идею о том, что жизнь зародилась не в огромном первобытном океане, а в небольших замкнутых водоёмах, высказал ещё Чарлз Дарвин в частном письме 1871 года. Он написал о гипотетическом «тёплом маленьком пруду» с питательными солями, светом и теплом, где могли образоваться первые органические соединения. Почти 150 лет спустя эта интуиция получила серьёзное научное обоснование в работах австралийского геохимика Джона Саттера из Монашского университета.

Ключевое отличие суши от океана — наличие циклов увлажнения и высыхания. Когда небольшой пруд или лужа пересыхает, все растворённые в ней вещества концентрируются. При повторном увлажнении они вступают в реакции в высококонцентрированном состоянии. Лабораторные эксперименты показали, что именно в таких условиях нуклеотиды — строительные блоки ДНК и РНК — способны самопроизвольно соединяться в длинные цепочки. В открытом океане, разбавленном огромным количеством воды, такая концентрация была бы невозможна. Горячие источники на суше, гейзеры и вулканические поля с лужами горячей кислой воды создают именно такие условия.

Дополнительным аргументом служит то, что суша 4 миллиарда лет назад уже существовала в виде небольших вулканических островов. На их поверхности было достаточно ультрафиолетового излучения, необходимого для активации химических реакций, и минеральных поверхностей для концентрации молекул. Эта гипотеза переживает сегодня настоящий ренессанс: ряд крупных лабораторий мира активно воспроизводит в эксперименте условия вулканических луж, получая всё более сложные органические соединения.

Гипотеза липидного мира и происхождение клеточной мембраны

Любая живая клетка окружена мембраной — тончайшей оболочкой из жировых молекул (липидов), которая отделяет её содержимое от внешней среды. Без мембраны невозможна никакая клетка. Но как она возникла впервые? Американский биолог Джек Шостак из Гарварда посвятил этому вопросу десятилетия исследований. Его открытие оказалось удивительно простым: жирные кислоты и подобные им молекулы при попадании в воду самопроизвольно собираются в замкнутые пузырьки. Этот процесс не требует никаких ферментов или специальных условий — он происходит в силу обычных физико-химических свойств молекул.

Такие липидные пузырьки, которые называют везикулами или протоклетками, способны расти, захватывая из окружающей среды новые жировые молекулы. При достаточном росте они начинают делиться под действием простого механического воздействия — например, течения воды. Шостак показал в лаборатории, что в подобные пузырьки могут проникать короткие цепочки РНК извне, а внутри — удваиваться. Таким образом возникает элементарная система, в которой генетическая молекула защищена от внешней среды и может воспроизводиться. Именно это является минимальным определением жизни.

Особая ценность этой гипотезы состоит в том, что она предлагает конкретный и экспериментально воспроизводимый механизм возникновения клетки без привлечения сложных белковых машин. Жирные кислоты, необходимые для образования первых пузырьков, были найдены в составе углистых метеоритов, в том числе в знаменитом метеорите Мёрчисон. Это означает, что строительный материал для первых клеточных оболочек мог прибыть на Землю из космоса вместе с другими органическими соединениями.

Криогенная гипотеза

Большинство гипотез происхождения жизни связаны с теплом — горячими источниками, вулканами, грозовыми разрядами. Однако существует и принципиально иная точка зрения: первые биологические молекулы могли возникнуть в морском льду. Лёд звучит как враждебная среда для химии жизни, но это обманчивое впечатление. Морской лёд пронизан тончайшей сетью каналов, заполненных очень концентрированным рассолом. В этих каналах вещества сконцентрированы в тысячи раз сильнее, чем в океанской воде, и при этом медленно движутся в жидкой фазе.

Низкая температура, которая кажется препятствием, на самом деле является преимуществом. Многие органические молекулы, в том числе нуклеотиды и фрагменты РНК, крайне нестабильны при высоких температурах и быстро разрушаются в тёплой воде. Лёд стабилизирует их, давая время для образования более сложных соединений. Немецкий биофизик Дитер Браун из Мюнхенского университета провёл серию экспериментов, продемонстрировавших, что в условиях льда короткие цепочки РНК способны объединяться в значительно более длинные молекулы, чем в жидкой воде.

Гипотеза получила дополнительный аргумент в связи с тем, что ранняя Земля в периоды так называемой «Земли-снежка» (около 2,4 и 0,7 миллиарда лет назад) могла быть покрыта льдом на значительной части поверхности. Впрочем, вопрос о том, насколько глубоко промерзали океаны в эти эпохи, до сих пор остаётся дискуссионным. Криогенная гипотеза не претендует на роль исчерпывающего объяснения, но убедительно показывает, что холод вовсе не является препятствием для возникновения жизни.