Когда возникла жизнь на земле


Биосфера выглядит тонкой плёнкой жизни, только если её сопоставлять с параметрами планеты. Но мы ведь обычно смотрим на биосферу не из космоса, а с земной поверхности, и на взгляд человека наш биосферный дом не так уж и мал. Попробуем определить его границы. Все этажи этого огромного здания под названием биосфера заселены. Некоторые этажи отличаются очень большим количеством обитателей, другие заселены не столь плотно. И архитектура здания, и стройматериалы, и распределение в нем жителей — всё имеет общие закономерности. Биосфера — это жизнь, а жизнь пронизывает различные «этажи» Земли: нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу (водную оболочку) и литосферу (верхнюю часть земной коры). Границы биосферы совпадают с границами жизни на Земле: нижний предел — дно океана или глубинные геологические слои, верхний предел ограничен жёстким излучением ультрафиолетовых лучей. Именно благодаря способности озонового экрана поглощать опасные ультрафиолетовые лучи жизнь на Земле и существует. Другим условием, определяющим верхние границы биосферы, является понижение давления и уменьшение температур по мере набора высоты.


к, критический порог кратковременного пребывания человека без кислородной маски ограничивается высотой 6–7 тыс. м над уровнем моря. А верхней границей растений является высота около 6200 м. Насекомые могут жить и выше, питаясь заносимой на высоты пыльцой и другой органикой. Таким образом, если не иметь в виду случаи рекордных подъемов (птицы до 13–14 км, бактерии до 75–85 км), верхней границей реального распространения жизни следует считать высоту около 8–10 км.

В течение длительного времени исследователи спорили: до какой глубины простирается жизнь в океане? Так, английский натуралист Э. Форбс в 1841 г. категорически заявил, что ниже 540 м на глубине морей жизни нет, обосновывая свою уверенность результатами наблюдений в Средиземном море. Но через 20 лет с глубины 2160 м в этом море был поднят кабель, который был усеян ракушками и устрицами. И по современным представлениям вся толща Мирового океана, в том числе и самая глубокая Марианская впадина (11 022 м), занята жизнью. Так, в пробе грунта, взятого японским автоматическим батискафом «Кайко» на глубине 10 900 м, японские исследователи обнаружили 13 видов неизвестных науке одноклеточных организмов размером 0,5– 0,7 мм, существующих в неизменном виде уже почти миллиард лет! Изменение привычных границ существования живых организмов обусловлено умением некоторых из них приспосабливаться к жизни в экстремальных условиях.
иболее легко приспосабливаются бактерии: чем проще устроен организм, тем меньше усилий ему потребуется, чтобы адаптироваться к окружающему миру. Среди этих одноклеточных организмов встречаются бактерии, живущие в горячих источниках, кислых средах, солевых концентрированных растворах. Ранее, например, считалось, что жизнедеятельность живых организмов ограничена температурой около 100°С, поскольку при более высоких температурах происходит потеря белковыми веществами их естественных свойств вследствие нарушения структуры молекул, но в срединно-океанических хребтах океанического дна в местах выхода гидротермальных источников были найдены хемосинтезирующие бактерии, живущие при температурах 350°С. Эти гидротермальные источники, названные «черными курильщиками» и «белыми курильщиками», на глубинах более 2,5 км при полном отсутствии света дают начало богатейшему всплеску жизни — уникальному оазису среди пустынных экосистем морских глубин.

В литосфере на глубине 4,5 тыс. м в нефтеносных водах также обнаружены микроорганизмы. Но на «пределах» биосферы можно найти лишь отдельные проявления жизни (споры, бактерии, мицелии грибов), а основная концентрация жизни наблюдается в местах соприкосновения различных геосфер. Кроме этого, в пределах биосферы существуют холодные полярные безжизненные пространства или жаркие и сухие безводные пустыни, где активная жизнь «замирает», но и там существуют живые организмы. Но когда же зародилась жизнь на планете Земля?


В литосфере на глубине 4,5 тыс. м в нефтеносных водах также обнаружены микроорганизмы. Но на «пределах» биосферы можно найти лишь отдельные проявления жизни (споры, бактерии, мицелии грибов), а основная концентрация жизни наблюдается в местах соприкосновения различных геосфер. Кроме этого, в пределах биосферы существуют холодные полярные безжизненные пространства или жаркие и сухие безводные пустыни, где активная жизнь «замирает», но и там существуют живые организмы. Но когда же зародилась жизнь на планете Земля?

Возникновение жизни на Земле — один из интереснейших вопросов, но однозначного ответа на него до сих пор нет. Одна из первых гипотез зарождения жизни была высказана ещё Аристотелем, который придерживался теории спонтанного (самопроизвольного) зарождения жизни. Согласно Аристотелю, определённые частицы содержат некое активное начало, которое при благоприятных условиях может создать живой организм. Аристотель предполагал, что примером активного начала является яйцо, но он также считал, что это и солнечный свет, и гниющее мясо. Затем основополагающей стала теория креационизма, утверждающая божественное творение жизни на Земле и мира в целом. Дискуссии продолжаются до сих пор. Предполагается, например, что жизнь могла быть занесена извне. Теория возникновения жизни вне планеты Земля называется гипотезой панспермии. Так, предполагается, что во Вселенной постоянно путешествуют зародыши жизни, которые — например, с метеоритами — и заносят жизнь из других планет. мира в целом. Дискуссии продолжаются до сих пор. Предполагается, например, что жизнь могла быть занесена извне. Теория возникновения жизни вне планеты Земля называется гипотезой панспермии. Так, предполагается, что во Вселенной постоянно путешествуют зародыши жизни, которые — например, с метеоритами — и заносят жизнь из других планет.


Возраст Земли как планеты Солнечной системы оценивается в 4,5–4,6 млрд лет. Представим всю прошлую историю планеты в виде 24 часов. Итак, согласно нашим часам образование планеты произошло в полночь. Тогда планета была безжизненна и холодна: суровая пустыня, покрытая тёмно-серым первичным веществом, с чёрным небом, огромным диском красной Луны и слабо греющим Солнцем. В условиях ледяного холода и проникающего ультрафиолетового излучения трудно себе представить даже наличие будущей гипотетической жизни на планете. Между 2 и 3 часами ночи (около 4 млрд лет назад) появились древнейшие из известных горных пород, в океанах начали образовываться железные руды. Между 5 и 6 часами утра (около 3,5 млрд лет назад) появились первые микроорганизмы. Очевидно, что появлению жизни на планете предшествовала химическая эволюция, но этот вопрос до сих пор является научной загадкой: даже самые примитивные организмы не могли образоваться непосредственно из простых химических веществ. В это время планета была совершенно иной: безжизненные реки и тёмно-бурый океан, заселённый огромным количеством цианобактерий. Именно цианобактерии, средний размер которых намного меньше миллиметра, явились «творцами» кислорода в атмосфере, поскольку первыми на Земле освоили таинственный процесс фотосинтеза.
агодаря цианобактериям в час дня (2 млрд лет назад) появился свободный кислород в атмосфере. Таким образом, более половины времени Земля существовала без свободного кислорода. В результате в атмосфере начинает возникать озоновый слой, преграждающий путь губительным ультрафиолетовым лучам. По мере увеличения кислорода в атмосфере небо становилось всё более голубым, океаны очистились от железа — и жизнь на планете стала расширять свои границы. И только вечером, между 8 и 9 часами (около 700 млн лет назад), появились многоклеточные организмы, около 10 вечера (450 млн лет назад) растения захватили сушу, перед 11 вечера планета была уже с цветковыми растениями (200 млн лет назад). Чем ближе к современности, тем сложней и разнообразней становились живые организмы. А первый человек появился всего за 30 секунд до полуночи! И за последние несколько секунд он сильно изменил облик планеты. Вопрос, когда и как возник человек, до сих пор не имеет однозначного ответа. В прошлые века существовало ровно два ответа: первый описан в Библии, второй — в теории Чарльза Дарвина. При этом Дарвин не отрицал первичного божественного начала, но предполагал, что Бог сотворил первые виды живых организмов, которые впоследствии эволюционировали в другие. Если принять за основу дарвиновскую теорию происхождения человека, то в настоящий момент предполагается, что разделение ветвей человека и обезьян произошло во временном интервале от от 5 до 7 млн лет назад.
лгое время ученые считали, что эволюция человека была более-менее линейной: одна форма сменяла другую, и каждая новая была прогрессивнее, ближе к современному человеку, чем предыдущая. Сейчас очевидно, что всё было гораздо сложнее: формирование «человеческих» черт шло одновременно у нескольких видов гоминид и временные интервалы существования многих видов сильно перекрываются. Иногда несколько разных видов гоминид, находящихся на разных уровнях близости к человеку, сосуществовали одновременно. Например, ещё в сравнительно недавнем прошлом (всего-навсего 50 тыс. лет назад) на Земле существовали как минимум 4 вида гоминид: Homo sapiens, Homo neanderthalensis, Homo erectus и Homo floresiensis. И если история возникновения человека ещё изучается, то уж что действительно очевидно, так это то, что именно он абсолютно поменял все детали отлаженного механизма эволюции природной среды. Но для того, чтобы определить роль человека в изменении природы, надо понять детали природного конструктора. Пусть не всё, но хоть бы некоторые.

 

Источник: www.rgo.ru

Как появилась жизнь на земле: этапы

В современном мире существует несколько научных гипотез о появлении жизни на Земле. Но широкое признание получила только одна из них. Согласно этой теории, наша планета была сформирована и спрессована в форму шара из космической пыли, содержащей все химические элементы.

Этапы появления предков первых живых организмов:


  1. Поверхность молодой планеты была раскаленной и разжиженной, а сверху ее заливали непрекращающиеся дожди. Процесс длился миллионы лет, пока поверхность Земли не остыла и не затвердела, образовав земную кору.
  2. Когда планета остыла еще больше, вода с нее перестала испаряться, а затем из-за продолжающихся ливней и понижения температуры случился потоп и появился океан.
  3. Вода размывала горы и скалы, стекала по ущельям, формировала русла рек.
  4. Прошло еще несколько миллионов лет прежде, чем на планете появились местности, не покрытые водой.
  5. Менялся баланс воды в атмосфере и на планете. На поверхности Земли влаги было много, а в облаках — мало. Этот фактор открыл доступ к поверхности планеты солнечным лучам. В таких условиях и возникли предки первых живых организмов на Земле, которых принято называть — прокариотами.

Прокариоты — это прототип современных нам бактерий, обладающих следующими свойствами:

  • отсутствие ядра;
  • анаэробный тип питания;
  • дыхание без кислорода (его еще не было на Земле);
  • питание органическими соединениями (которые возникали за счет извержения вулканов, разрядов молний и солнечного ультрафиолета);
  • возникновение во влажной среде, на дне водоемов;
  • наличие защиты в виде тонкой бактериальной пленки.

По мнению большинства ученых, простейшие одноклеточные микроорганизмы произошли от этого вида бактерий.

Ископаемые доказательства зарождения жизни

Археологические раскопки по всему миру подтверждают данную теорию. В Западной Австралии учеными были обнаружены первые ископаемые останки, возраст которых составил 4,1 миллиарда лет. Этими ископаемыми оказались сине-зеленые водоросли или цианобактерии. Они были найдены в горных слоях, возраст которых насчитывает около 3500 миллионов лет.

Этапы развития жизни на земле

Согласно всем известным на сегодня фактам и исследованиям, ученые выделили следующие этапы развития жизни на Земле:

  1. Архейская эра.
  2. Протерозойская эра.
  3. Палеозойская эра.
  4. Мезозойская эра.
  5. Кайнозойская эра.

Архейская эра

Длилась приблизительно 1000 миллионов лет. Для этого периода характерны напряженная вулканическая деятельность и появление примитивных одноклеточных бактерий.

Протерозойская эра

Длительность протерозойской эры составила 2000 миллионов лет. Это период мощного вулканизма, время бактерий и водорослей.

Палеозойская эра

Эта эра длилась 330 миллионов лет. Она подразделяется на периоды:


  1. Кембрийский (длительность — 80 миллионов лет). В это время обширные пространства планеты затоплены морями, происходит расцвет морских беспозвоночных животных.
  2. Ордовикский (длительность — 65 миллионов лет). В этот период происходит уменьшение площади морских бассейнов, появляются первые наземные беспозвоночные животные.
  3. Силурийский (длительность — 35 миллионов лет). Период характеризуется появлением первых наземных растений.
  4. Девонский (длительность — 55 миллионов лет). В это время происходит уменьшение площади морей, на планете царит жаркий климат, появляются первые пустыни, первые земноводные и многочисленные рыбы.
  5. Каменноугольный период (длительность — 65 миллионов лет). В этот период широко распространены заболоченные низменности, климат становится влажным и жарким, из древовидных папоротников и хвощей развиваются леса, появляются первые рептилии. Это период расцвета земноводных.
  6. Пермский (длительность — 45 миллионов лет). В это время на Земле царит сухой климат, возникают первые голосеменные растения.

Мезозойская эра

Мезозойская эра продолжалась порядка 165 миллионов лет. Внутри нее выделяют несколько периодов:

  1. Триасовый (длительность — 50 миллионов лет). В этот период происходит поднятие материков над океанами, появляются обширные пустыни и первые млекопитающие.
  2. Юрский (длительность — 53 миллиона лет). В это время образуются современные океаны, климат становится жарким и влажным. Это период расцвета рептилий, господства голосеменных растений, появления примитивных птиц.
  3. Меловый (длительность — 66 миллионов лет). Период характеризуется вымиранием гигантских рептилий, развитием птиц и млекопитающих.

Кайнозойская эра

Кайнозойская эра длилась приблизительно 70 миллионов лет. Она делится на 3 периода:

  1. Палеогеновый (длительность — 41 миллион лет). Характеризуется широким распространением цветковых растений, многообразием и развитием птиц и млекопитающих.
  2. Неогеновый (длительность — 25 миллионов лет). В этот период на Земле господствуют цветковые растения.
  3. Антропогеновый период (длительность — 2 миллиона лет). Период характеризуется появлением на планете человекоподобных существ и современного человека.

Теории

Существует несколько теорий, объясняющих происхождение жизни на Земле. Некоторые из них в своих выводах опираются на исследования ученых, другие — нельзя назвать научными. Но каждая из них предлагает интересную версию происхождения и развития всего живого на нашей планете.

Рассмотрим каждую из них подробнее.

Самозарождение жизни

Научная версия о самозарождении живых существ впервые появилась в философских идеях Аристотеля и была одной из главных теорий в Европе в эпоху Средневековья. Сводилась она к тому, что живые организмы более сложной структуры смогли появиться на планете благодаря разложению органических соединений. В качестве примера появления развитых живых организмов из неживой материи Аристотель приводил появление личинок мух в гниющем мясе.

В XIX веке французский микробиолог Луи Пастер доказал ее несостоятельность, наглядно показав в ходе своих экспериментов, что для появления личинок мух в мясе все-таки нужны мухи-родители.

Стационарное состояние

Сторонники версии стационарного состояния или теории этернизма считают, что наша планета существовала всегда и на ней все это время были живые организмы. Данную гипотезу в 1880 году выдвинул немецкий врач Тьерри Вильям Прейер.

У адептов этой теории есть свои четкие представления о мире, нашей планете и космосе:

  1. Вселенная, как и Земля, существовала всегда (отрицание теории Большого Взрыва).
  2. Если планета и склонна к видоизменению, то незначительному. То же касается и живых организмов на ней.
  3. У любого вида на планете существуют 2 пути развития: изменение численности или вымирание (отрицание эволюционной теории и теории Чарльза Дарвина о переходе одного вида в другой).

В качестве доказательств истинности этой теории, ее сторонники указывают на недочеты и белые пятна в эволюционных теориях развития живого мира на Земле:

  1. В 1939 году у побережья острова Мадагаскар была выловлена латимерия. Этот вид в научном сообществе считался, во-первых, вымершим, во-вторых, переходным видом от рыб к земноводным. Его обнаружение подтвердило идеи сторонников этернизма о стационарном состоянии (вид совершенно не изменился, хотя считался вымершим порядка 60-70 миллионов лет назад). Также эта находка опровергает теории эволюционистов о существовании переходных видов.
  2. В 1977 году в Колорадо обнаружили останки птиц, возраст которых был более древним, чем скелет археоптерикса, который в научном сообществе считался переходным видом от рептилий к птицам. Эта находка дала понять, что никаким переходным видом археоптерикс не был.
  3. Теорию стационарного состояния косвенно подтверждают находки живых животных, которые считались давно вымершими: лингулов, туатаров, солендонов и др.

Тем не менее, в научных кругах данную гипотезу считают скорее философским течением, нежели научной теорией, так как она вступает в глубокие противоречия с открытиями, полученными на рубеже XX-XXI веков, прежде всего с астрономическими исследованиями и понятием сингулярности.

Опарина-Холдейна

В 1924 году советский ученый Александр Иванович Опарин в книге «О возникновении жизни» представил общественности свои взгляды на происхождение жизни на планете.

Опарин считал, что поверхность молодой Земли была покрыта горячими океанами, богатыми химическими веществами. Под воздействием ультрафиолета и разрядов молний, на планете были созданы необходимые условия для формирования живых организмов. Зная, что многие органические соединения не растворяются в воде, ученый полагал, что на поверхности океана возникли крошечные «коацерваты» или скопления белков, способные притягивать к себе молекулы других веществ: жира и воды. Рассматривая коацерваты в микроскоп, Опарин заметил их сходство с живыми клетками: они способны расти, менять форму и делиться на две части, взаимодействовать с другими соединениями. Ученый посчитал, что коацерваты могли быть предками современных клеток.

В 1929 году биолог из Англии Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн опубликовал схожую теорию в научном издании «Rationalist Annual».

Версия о том, что жизнь на планете появилась в «бульоне» из органических соединений, получила название гипотезы Опарина-Холдейна. Долгое время она была только теорией, без экспериментальных доказательств.

Но в 1952 году ученый и обладатель Нобелевской премии по химии Гарольд Юри совместно со своим студентом Стэнли Миллером провели знаменитый эксперимент в поддержку идеи Опарина-Холдейна. Опыт был несложным: между собой были соединены стеклянные колбы, по которым циркулировали вещества, существовавшие на ранней Земле по предположению ученых: кипящая вода, аммиак, водород и метан (кислорода на этой стадии развития на планете не было). Газы в колбах были подвергнуты систематическим искровым разрядам, которые имитировали удары молний, распространенного явления в период раннего развития Земли. В ходе опыта раствор поменял свой цвет, что стало признаком формирования в нем новых химических соединений. Анализ раствора показал, наличие в нем глицина и аланина — двух аминокислот, которые принимают активное участие в формировании белков и контролируют многие процессы в живом организме.

В 1953 году престижный журнал «Science» опубликовал результаты опыта, который принято называть «Экспериментом Миллера-Юри».

Зарождение в горячей воде

В 1970-х годах советский ученый Лев Михайлович Мухин предположил, что жизнь на планете могла возникнуть поблизости от подводных вулканов. Впоследствии ученые развивали эту версию и пришли к выводу, что наиболее вероятным было зарождение жизни в минеральной воде и гейзерах. Ими было доказано, что минеральная вода и насыщенные солями горячие гейзеры успешно поддерживают простейшие формы жизни.

В 2005 году академик Юрий Викторович Наточин предположил, что первые протоклетки возникли не в океане, а в теплом водоеме с преобладанием ионов калия. В то время, как в морской воде доминируют ионы натрия.

В 2009 году Михаил Гальперин и Армен Мулкиджанян провели анализ элементов, содержащихся в клетке и пришли к тем же выводам.

В 2011 году японец Тадаси Сугавара воспроизвел живую клетку в горячей минерализованной воде. Также учеными было доказано, что примитивные образования бактерий — строматолиты — образуются и в наши дни в естественной среде в гейзерах Гренландии и Исландии.

В 2011 году исследования такого минерала как серпентин доказали возможность появления жизни в грязевых вулканах.

Группа ученых во главе с Евгением Куниным провела анализ химического состава цитоплазмы в клетке современных живых организмов и сравнила их с набором микроэлементов, содержащихся в современном океане и геотермальных озерах. По результатам исследования выяснилось, что вулканические озера создают оптимальные условия для появления в них жизни.

Современные научные гипотезы

Современные научные гипотезы о происхождении жизни на планете базируются, как правило, на научных открытиях и явлениях, доказанных многочисленными экспериментами.

Химическая эволюция

Благодаря многочисленным опытам и экспериментам, ученым стало ясно, что зарождение жизни на Земле стало возможно благодаря химической эволюции. Процесс возник на неживой планете, когда из неорганических молекул под воздействием энергетических и селекционных факторов появились органические вещества.

Согласно данной версии, сначала на планете появились углеродсодержащие молекулы, затем выделился углерод, который имел огромное значение как для возникновения, так и для дальнейшего развития живых организмов. В основе теории химической эволюции лежат уникальные свойства, которые возникают при взаимодействии углерода с водородом. Ученые считают, что этих условий было достаточно, чтобы на планете появились первые живые микроорганизмы.

Сторонники теории не могут точно сказать, в какой именно период случилась химическая эволюция, называя лишь примерные рамки: от 0,5 – 1,5 миллиардов лет после Большого Взрыва.

Точно так же адепты теории не могут определить точное место зарождения жизни, считая, что при наличии благоприятных условий она могла зародиться где угодно: в недрах планеты, на глубине или поверхности океанов.

Генобиоз и голобиоз

Генобиоз и голобиоз относятся к теории биохимической эволюции.

Изучая вопрос о появлении жизни на планете, ученые пришли к выводу, что на каком-то этапе развития в обязательном порядке должны были появиться нуклеиновые кислоты (основа генетического кода) и белки-ферменты. Причем, одновременно, так как белки необходимы для саморепродукции нуклеиновых кислот, а а нуклеиновые кислоты нужны для синтеза белков. Но глубокие различия в строении белков и нуклеиновых молекул говорят о невозможности их одновременного возникновения и сосуществования в тот период времени.

Поэтому в ХХ веке развернулась научная дискуссия о том, что возникло раньше — белки или нуклеиновые кислоты, появились понятия генобиоза и голобиоза.

До 1980-х годов две эти теории противостояли друг другу, затем теория генобиоза стала более популярной, благодаря открытиям функций и роли рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Мир РНК как предшественник жизни

Гипотеза «мира РНК», которая появилась в конце 1960-х и окончательно сформировалась к 1986 году, как раз и позволила утвердиться версии генобиоза в научном сообществе.

Споря о том, что появилось раньше: белки или структуры, несущие генетический код — ученые под этими структурами подразумевали молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) или рибонуклеиновой кислоты (РНК). Однако научных данных для того, чтобы определить, какая из них была первичной, не было.

Но в конце 80-х годов были открыты свойства молекулы РНК, которые позволили ученым говорить о ее первичности:

  1. На Земле нет организмов, в которых бы не присутствовала РНК, при том, что молекула ДНК отсутствует в вирусах.
  2. РНК может осуществлять перенос генетической информации к ДНК при участии специального фермента, открытого в 1970 году. До этого времени считали, что перенос генетической информации возможен только от ДНК к РНК.
  3. Молекула РНК обладает способностью к саморепродукции без помощи белковых ферментов.

Таким образом, ученые установили, что процесс химической эволюции двигался от РНК к белкам. А значительно позже, благодаря естественному отбору и генетическим преобразованиям, возникла молекула ДНК и современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной от внешней среды.

Полиароматические углеводороды как предшественники «мира РНК»

С помощью гипотезы о «мире полиароматических углеводородов» ученые пытаются ответить на вопрос, каким именно образом возникли первые РНК, рассматривая возможный вариант химической эволюции от полиароматических углеводородов до РНК-подобных цепочек.

Свойства полиароматических углеводородов объясняют, как для образования первичной РНК на нужном расстоянии в 0,34 нм могли оказаться нуклеотиды в одной цепочке. Свойства кольцевых молекул полициклических ароматических углеводородоров как раз обладают эффектом самопроизвольно собираться в цепочки на расстоянии 0,34 нм друг от друга и присоединять к себе нуклеодиды за их азотистое основание.

Эта версия хотя и является высоко вероятной, но не имеет экспериментальных доказательств. Косвенно на ее достоверность указывает расстояние в 0,34 нм, характерное как для РНК, так и для полиароматических углеводородов. Еще одним аргументом в пользу этой версии выступает широкое распространение полиароматических углеводородов во Вселенной.

«Заражение» Земли из космоса — альтернативная концепция

Несмотря на явные успехи науки в разгадке происхождения жизни на нашей планете, большой популярностью пользуется альтернативная концепция — теория панспермии.

Сторонники гипотезы панспермии считают, что в космическом пространстве присутствуют особые формы жизни, которые способны сохраняться в вакууме, при воздействии радиации и низкой температуре. Эти микроорганизмы получили название экстремофилов. Они находятся в каменистых обломках и космической пыли и могут долго перемещаться по Галактике до тех пор, пока не попадут на планету. Это происходит за счет метеоритов, комет и астероидов. Если в их «новом доме» сложатся благоприятные условия, космические организмы запускают процесс эволюции.

Адептами этой версии стали немецкий ученый Герман Гельмгольц, английский лорд и ученый-физик Кельвин, шведский химик Сванте Аррениус, российский мыслитель Владимир Вернадский.

В настоящее время на кометах и астероидах, в газопылевых скоплениях в космосе обнаружены различные органические соединения, которые не позволяют вычеркнуть эту теорию из списка вероятных.

Источник: wiki.fenix.help

Ранняя Земля

Во время первых стадий своего формирования Земля кардинально отличалась от той картинки, с которой она ассоциируется у большинства из нас. Было время, когда не существовало жизни и даже намеков на нее. Внешний вид планеты и условия на ней представить довольно сложно, но возможно. После столкновения с Тейей (рис. 1), в результате которого образовалась Луна [1], вся поверхность Земли превратилась в магму с температурой выше 2000 °С. Началось испарение силикатов и водяного пара. В такой протоатмосфере были метан и углекислый газ, благодаря которым создавался сильнейший парниковый эффект.

Впоследствии CO2 начал осаждаться в виде карбонатов, ослабляя парниковый эффект, — происходило так называемое «химическое выветривание». В результате конденсировалась влага и формировала первые океаны. Атмосфера состояла преимущественно из остаточного CO2 и водяного пара. С уменьшением парникового эффекта падала и температура, дав возможность образованию твердой поверхности Земли. Со временем температура падала все быстрее, достигнув в итоге пригодных для жизни ~40 °С [2].

Когда возникла жизнь?

В 2015 году американский журнал Proceedings of the National Academy of Sciences опубликовал статью, которая подтверждает, что на Земле жизнь зародилась ~4,1 миллиарда лет назад [3]. Геохимик Элизабет Белл и ее коллеги анализировали породы массива Джек Хиллс в Западной Австралии и нашли в одном из цирконов (его датируют 4,1 миллиардами лет) включения углерода. Авторы статьи настаивают на том, что этот циркон образовался среди органических соединений, попадавших в мантию в ходе столкновения тектонических плит. Возможно, именно в этом районе Земли впервые зародилась жизнь.

На вопросы «Когда, где и как появилось первое живое существо?», научное сообщество еще не может дать точного ответа, но оно может рассказать о ранних стадиях эволюции.

Мир РНК

Появление теории и ее предшественники

После открытия структуры ДНК и подробного цитологического анализа современных эукариот ученые пришли к выводу, что для формирования подобной структуры из первичного бульона ушло бы больше времени, чем существует Вселенная! Также было выяснено, что на тогдашней Земле отсутствовали в нужном объеме многие химические элементы, в частности фосфор, необходимые для формирования такой сложной структуры как эукариотическая клетка [2]. По этим и другим причинам господствующая теория абиогенеза отошла на второй план, и начались поиски другой теории, объясняющей появление современной клетки.

Самой очевидной и простой была теория панспермии (см. врезку) — внеземного происхождения жизни на более пригодной планете и ее распространения на Землю с одним из небесных тел (рис. 2) [4]. Одним из главных аргументов является малое количество на Земле молибдена — элемента, содержащегося во многих жизненно необходимых ферментах. Но все же гипотеза не объясняет происхождение самой жизни, а только указывает возможный путь ее попадания на нашу планету в далеком прошлом из неизвестного уголка Вселенной.

Радикальная гипотеза

Концепцию РНК-мира предложили Френсис Крик [9], Лесли Орджел [10] и Карл Вёзе [11]. Согласно теории, первые молекулы РНК были синтезированы силами неживой природы — при помощи минералов, солнечного света и самопроизвольно идущих химических реакций. После возникла некая молекула РНК, способная копировать другие РНК-молекулы, и с этого момента началась эволюция под действием естественного отбора. Но для выполнения подобных действий РНК должна была обладать каталитической активностью. И это предположение основывалось на том, что РНК способна образовывать сложную вторичную структуру. Позже гипотезу подтвердили результаты исследования Томаса Чека. В 1982 году он изучал механизм сплайсинга РНК у инфузории Tetrahymena thermophila и открыл РНК, катализирующую сплайсинг самой себя (аутосплайсинг) [12]. Это исследование дало возможность представить РНК не только как посредника между ДНК и белками, а как нечто более функционально значимое. Так были открыты рибозимы (от слов «рибонуклеиновая кислота» и «энзим») — молекулы РНК с каталитической функцией (рис. 4).

Итак, теория мира РНК гласит, что первыми прообразами организмов были автокаталитические циклы, состоящие из этих самых рибозимов и работающие в тем или иным образом ограниченном пространстве [13]. Как мы уже сказали выше, в какой-то момент нуклеотиды, самопроизвольно образовавшиеся в первичном бульоне, под действием высоких температур начали соединяться, и образовали макромолекулы — молекулы РНК, которые были способны копировать друг друга. Кроме такой уникальной возможности, РНК могла синтезировать белки на основе структуры других молекул РНК и хранить информацию. То есть все жизненно важные процессы проходили тогда исключительно на основе РНК.

Однако рибонуклеиновая кислота оказалась довольно плохим накопителем информации из-за своей нестабильности и склонности к быстрой деградации. (Исключение могут составлять, например, РНК-вирусы, генетический материал которых защищен капсидом от разрушительного воздействия окружающей среды. Такие вирусы имеют специальный фермент — обратную транскриптазу, — катализирующий синтез ДНК по матрице РНК после попадания вирусного генетического материала в клетку. Однако не стоит забывать, что вирусы не проявляют признаков жизнедеятельности за пределами клетки и полностью зависят от нее.) И впоследствии, с ходом эволюции, РНК передала свои ферментативные функции белкам, а длительное хранение генетической информации — ДНК.

К сожалению, пока исследования показывают, что ни один природный рибозим не может создать копию себя [14] (хотя синтетические уже могут), и поэтому теория мира РНК еще не является полностью доказанной.

Об особенностях РНК-мира вы можете прочитать в этой статье: «РНК у истоков жизни?» [15]. А на тему рибозимов также существует интересный комикс: «РНК: начало (мир РНК)» [16].

Возникновение клетки

Существуют две основные теории происхождения первой протоклетки, которую можно определенно назвать организмом в современном понимании. Оба предположения могли быть реализованы в условиях молодой Земли.

Сторонники первой теории утверждают, что первая протоклетка могла появиться в зонах с геотермической активностью. Под воздействием врéменных высоких температур вода на какой-то период почти полностью испарилась, и полимеры сконцентрировались в скоплениях жирных кислот — образовался прототип клетки. После сухого периода снова вернулась водная среда, и организм мог начать полноценно функционировать. Подобные геоактивные зоны сейчас находятся на Камчатке и в Йеллоустонском парке [17].

Вторая теория подразумевает, что первый организм мог образоваться в зоне океанических гидротермальных источников. Минеральная полупроницаемая оболочка, покрывающая горные породы жерла источника и поры в нем, эффективно отделяла щелочную среду от более кислой. В результате создавался градиент pH, с помощью которого могли синтезироваться первые органические вещества, такие как углекислый газ [17]. Сходство с живым организмом заключается в том, что гидротермальные источники также частично изолированы от внешней среды. Существование жизни в подобных геотермальных неорганических ячейках поддерживалось постоянным притоком необходимых биогенов, особенно водорода, которой не так легко найти где-то в чистом виде, и температурой магмы, шедшей из недр Земли. Сегодня эта гипотеза Уильяма Мартина и Майкла Рассела считается более правдоподобной и реалистичной [18], [19]. Современным аналогом гидротермальных источников могут служить черные курильщики, которые и сейчас являются оазисами жизни посреди пустынного океанского дна (более подробно курильщики описаны под рисунком 7).

Об исследованиях Майкла Рассела рассказывает статья «К вопросу о происхождении жизни» [37]. — Ред.

Прогеноты

В 1977 году Карл Вёзе и Жан Фокс определили прогенота как гипотетическую допрокариотную стадию эволюции клетки:

Эукариоты возникли из прокариот, но только с организационным различием, не филогенетическим. Аналогично прокариоты появились из более примитивных форм жизни. Самые эволюционно ранние организмы называются прогенотами, потому что они еще в процессе развития отношений между генотипом и фенотипом.

The concept of cellular evolution [20]

Как мы видим, термин «прогеноты» охватывает абсолютно всю допрокариотную клеточную организацию без строгой связи между гено- и фенотипом, и в современной литературе прогенотов ставят эволюционно выше представителей РНК-мира (рис. 6), тем самым обозначая все те промежуточные шаги, которые ведут к последнему общему предку (LUCA).

Вопрос о строении прогенотов остается открытым, но кое-что можно сказать уже сейчас. Это были куски генетической информации в виде рибозимной РНК без строго определенного количества генов, изолированные от внешней среды спонтанно собранными фосфолипидными мицеллами (в первичном бульоне содержались все компоненты для образования подобной структуры) [15], [16]. С этой РНК происходили все необходимые для жизнедеятельности процессы — трансляция, репликация и репарация, — но существовала одна значительная проблема. Внутриклеточные процессы зависели от множества факторов внутри- и внеклеточной сред, и по большей части от того, что РНК непригодна для длительного хранения генетической информации, поскольку в агрессивной среде очень быстро деградирует [15].

Однако мы видим явное преимущество прогенотов перед одинокими рибозимными молекулами (и даже их группами) в том, что:

  1. Прогеноты содержат разнообразные и функционально специализированные РНК-молекулы (информационная РНК, хранящая генетический код, и, например, ферментативная РНК, осуществляющая синтез чего-либо).
  2. Прогеноты изолированы от внешней среды, что дает базис для возможного развития внутриклеточной структуры и появления настоящей прокариотной клеточной мембраны.

Следующая стадия клетки должна была уже модернизировать внутреннюю систему, создать полупроницаемую мембрану и развить отношения между генотипом и фенотипом, то есть стать прокариотом.

LUCA

Последним универсальным общим предком всего живого на Земле является LUCA (от англ. Last Universal Common Ancestor). LUCA («Лука») — это гипотетический прокариотный организм, от которого могли бы произойти все три современных домена существ. Теорию последнего универсального общего предка предложил еще Чарльз Дарвин в книге «Происхождение видов» 1859 года (рис. 5).

Насколько он древний?

LUCA жил еще до появления любого из современных представителей земной жизни (рис. 6), до разделения всего живого на эукариот, бактерий и архей (по трехдоменной системе Вёзе) [21–23]. LUCA появился в палеоархее, около 3,6 миллиардов лет назад [24]. Учитывая тот факт, что Земле 4,5 миллиарда лет [25], его можно считать эволюционно очень ранним организмом. Для примера, эукариоты появились только 1,84 миллиарда лет назад, в орозирии [25].

В старой эволюционной парадигме мы видим только одну, одностороннюю, стрелочку, перпендикулярную трем ветвям-доменам — она иллюстрирует теорию эндосимбиогенеза (рис. 6). Теория гласит, что предшественники некоторых органоидов современных эукариот были свободноживущими бактериями, которые попали в эукариотическую клетку и как-то смогли выжить, наладив отношения с клеткой-хозяином. Примером может служить митохондрия, которая до фагоцитоза была свободной альфа-протеобактерией, или же первичные хлоропласты — в прошлом цианобактерии . Первые предположения о внутриклеточном симбиозе высказывали еще в 19 веке по аналогии с недавно открытым лишайником (симбиозом гриба и бактерии) [27]. Подтверждение теория нашла уже во второй половине 20 века одновременно с резким скачком в генетике, цитологии и микробиологии в целом. Кроме аргумента о несинхронности жизненных циклов симбионта и хозяина, появились цитологические и молекулярные, такие как собственный генетический материал симбионтов или рибосомы.

Как происходило приручение митохондрий, в сказочной форме рассказывает статья «Как появились митохондрии (рассказ, похожий на сказку)» [38]. — Ред.

Новая парадигма обзавелась еще одной перпендикулярной стрелкой — LGT (от англ. lateral gene transfer), или горизонтальным переносом генов (рис. 6). Это одна из главных проблем определения генома LUCA. Горизонтальный перенос генов и слияние ранее независимых линий превратили дерево жизни в сеть жизни. Если мы определим общий ген для архей и бактерий, то будет ли он присутствовать у LUCA как последствие обычной вертикальной передачи генов (по наследству) или же из-за этого самого горизонтального переноса? Приведем яркий пример, не пользуясь понятием LGT: у аэробных архей бактериальный тип дыхания. Значит ли это, что археи — потомки (или предки) аэробных бактерий? Как мы знаем, кислород вырабатывается цианобактериями, следовательно, аэробные археи должны были появиться позже них, и тогда о трех доменах не может идти и речи, т.к. у корня биологического древа следует поставить цианобактерий. Но если включить в систему горизонтальный перенос генов, то всё становится на свои места.

Условия обитания

Благодаря тогдашним климатическим условиям нашей планеты, можно считать LUCA крайним экстремофилом, в связи с чем связано наличие некоторых особенностей его физиологии:

  • Учитывая высокие температуры, можно утверждать о присутствии у него гена, кодирующего обратную гиразу, — фермент, обнаруженный преимущественно у всех гипертермофилов [24], [29].
  • LUCA точно был хемоавтотрофом, ведь оксигенный фотосинтез появился только через два миллиарда лет. Метаболический путь базировался на водородозависимости LUCA и его автотрофности с возможностью CO2— и N2-фиксации и их последующим превращением в метан [30]. Газообразный водород сложно найти на поверхности земли, но он есть под землей, а точнее под водой. Скорее всего, LUCA жил около гидротермальных источников (рис. 7), схожих с сегодняшними черными курильщиками срединно-океанических хребтов. Кроме водорода, «Луке» были необходимы железо, никель и молибден, которые также можно найти у гидротермальных источников.

Как выглядел LUCA

Стоит отметить, что LUCA — прокариот [26] и стоит на эволюционно более высоком уровне, чем прогеноты. Время, ушедшее на преобразование из прогенотов в такой сравнительно сложный организм, было просто колоссальным. За этот период LUCA приобрел ряд усовершенствований, связанных в первую очередь с метаморфозами клеточной мембраны и генома. Наследственная информация была строго упорядочена и представлена в виде правильно оформленной молекулы ДНК (или РНК) в отличие от хаотично плавающих в замкнутом пространстве мицелл кусков РНК прогенотов.

Формированию внутриклеточных структур прогенотов препятствовала их зависимость от внешней среды. Отсутствие частично проницаемой мембраны не давало допрокариотам оставлять все нужные вещества внутри клетки. Но уже на уровне LUCA появляется частичная независимость от внешних факторов, фосфолипидная полупроницаемая мембрана [31], закодированная в геноме, и определенный клеточный цикл [32], [33].

Генетика LUCA

О генетике «Луки» на «Биомолекуле» уже писали [28]. Но все-таки напомним, о чем идет речь.

Точного подтверждения существования LUCA в виде секвенированного генома или каких-то окаменелостей, не существует, но его генетическая информация содержится в любом ныне живущем существе (рис. 6).

Для решения проблемы определения состава генома LUCA нужно установить:

  1. Общие гены для доменов бактерий и архей.
  2. Какие гены появились из-за горизонтального переноса.
  3. Какие гены прямо наследованы от LUCA[24].

Затем для генов бактерий и архей можно построить филогенетическое дерево. И если мы учтем все возможные потери и приобретения генов за время эволюции, то есть выясним историю каждого отдельно взятого гена, то свободно проследим путь прямиком до LUCA. При этом ограничение размера генома с учетом гипотетического местообитания LUCA, условий среды и т.п. сильно упрощает задачу [24], [34].

Профессор Дюссельдорфского университета Уильям Мартин на протяжении последних 20 лет собирал огромный генетический банк (шесть млн генов), на основе которого немецкие исследователи выявили 355 необходимых для выживания генов — так называемый «минимальный геном» (гипотетический геном LUCA) [35], [36]. Для примера, кишечная палочка имеет ~5 тысяч генов, а человек ~25 тысяч. Разумеется, у LUCA, скорее всего, генов было больше, чем 355, но гены «минимального генома» — основные, то, без чего клетка бы не выжила. Впоследствии, при изменении условий обитания у потомков LUCA многие его гены могли редуцироваться за ненадобностью, поэтому говорить о них можно только на основе местообитания LUCA, расширяя тем самым его «минимальный геном».

И еще немного о LUCA

До сих пор сложно говорить об эволюционном положении общего древнейшего предка. Был ли у него ДНК-геном? Какие приспособления давали ему возможность выжить в таких экстремальных условиях? Что двигало клеточную эволюцию? На многие вопросы еще не даны ответы, но точно можно сказать одно: LUCA — связующее звено между «миром прогенотов» и современностью, необходимое для понимания общей картины эволюции в целом.

Последующие преобразования LUCA привели к возникновению организмов, которые сейчас мы можем разделить на три домена жизни. LUCA является своеобразным стартом активного развития и дифференцировки организмов. Чем дальше, тем сложнее найти начало. Именно эта гипотетическая модель дает нам понять, как двигалась эволюция, и найти связь между совершенно разными на первый взгляд существами. Освоение фотосинтеза, расширение ареала обитания, метаморфозы мембраны [31] — все это длилось миллионы и миллиарды лет, чтобы дать начало всем существам, с которыми у нас ассоциируется понятие «жизнь».

Заключение

На ранних эволюционных стадиях мы можем видеть разительное отличие общего устройства и функционала некоторых структур в сравнении с современными. РНК-молекулы, выполнявшие все функции организма, и которые сами, по сути, были целыми организмами на первых стадиях, с ходом эволюции кардинально меняют свое назначение. Раньше РНК полностью заменяла и ДНК, и ферменты, поддерживала жизнь всего организма на основе своего огромного функционала. Однако время идет, жизнь склонна усложняться. Появляется клеточная мембрана, а значит, вскоре появятся и органоиды, и вот уже оказывается, что теперь нет времени на долгий катализ рибозимами, и необходимого срока хранения генетической информации РНК предоставить уже не может в связи с интенсивным увеличением генома. И вот организм вынужден образовывать новые структуры, новые органеллы, прибегать к помощи симбионтов. Таким образом, всего через пару миллиардов лет мы можем лицезреть эукариот, в основе эволюции которых лежит одна лишь макромолекула.

С течением времени и развитием технологий изучение ранних стадий эволюции становится проще, но все так же остается одной из сложнейших задач науки. В последние годы все больше старых гипотез доказывается или опровергается на новой научной базе. Столетие назад никто и подумать не мог об орбитальных экспериментах и космических исследованиях, но человечество и это делает возможным. Мы устанавливаем родство на основе генетики, ищем древнейших предков с помощью молекулярной биологии и пытаемся узнать непостижимое — тайну происхождения жизни.

Источник: biomolecula.ru

Возникновение жизни на Земле — одна из самых впечатляющих загадок, которая будоражит умы человечества в течение всей нашей разумной истории. Сегодня мы хорошо знаем, когда появилась первая жизнь на нашей планете.

Это произошло около 4 млрд. тому назад, тогда как Cambrian explosion, т.е. период бурного появления многоклеточных организмов, соответствует времени 540 миллионов лет тому назад. С тех пор жизнь на Земле совершенствовалась в течение длительного времени, вследствие Дарвиновской эволюции. Огромные изменения, которые произошли в жизни человечества и во Вселенной, показывают, что наша эволюция даже ускоряется. Наша технология и сама жизнь становятся всё более и более совершенными. Мы движемся вперёд с огромным ускорением, и мы не знаем сегодня, что может стать результатом этих ускорений.

Когда возникла жизнь на земле

Как же возникла первая жизнь на Земле? В Книге Бытия утверждается, что жизнь, включая самого человека, была создана богом из земной пыли (“The God formed man of dust of the ground”, Genesis). Любопытно, что, в общем, это соответствует действительности, хотя естественно и не объясняется как же это произошло на самом деле. Ответ на этот вопрос может быть найден с помощью науки, задачей которой является объяснение естественных процессов внутри нашей Вселенной. Наука не оперирует не доказанными утверждениями. Цель науки не только проследить все этапы возникновения жизни на Земле, но и воспроизвести эти этапы в лабораторных условиях, как, например, физики не только объяснили механизмы термоядерных реакций внутри Солнца, высвобождающие гигантскую энергию, но и создали водородную бомбу, работающую на основе тех же принципов. Физики называют её маленькое Солнце на Земле. Немецкий учёный Г. Бете стал лауреатом Нобелевской премии за объяснение термоядерных процессов внутри Солнца.

Сегодня учёными доказано, что живые организмы возникли из неживой материи в длинной цепочке превращений от простых молекул до первой жизни — бактерии. Бактерия — это одноклеточный организм, тогда как сложные живые структуры являются многоклеточными. Например, человек состоит из триллиона клеток, в то время как бактерия лишь из одной. Более того, используя эти цепочки, учёные пытаются создать в лабораторных условиях полностью самовоспроизводящие искусственные организмы. Эти исследования позволяют проверить: является ли правильным наше понимание сложных процессов, приведших к возникновению первой жизни. В 2009 г. учёные создали в лаборатории первую молекулярную систему, которая копировала себя и могла эволюционировать.

Биологи нашли способ формирования сложных генетических молекул (РНК и ДНК), используя простые молекулы (О, С, N, Р), существовавшие на ранней стадии развития Земли несколько миллиардов лет тому назад. Открытие структуры РНК и ДНК позволяет понять ключевую особенность биологических молекул — копировать себя и эволюционировать. ДНК — это сложная молекула с молекулярной массой в один триллион, тогда как РНК имеет молекулярную массу всего 35000. Напомню, что молекулярная масса воды равна 18, а углерода 12. Основными элементами жизни на Земле являются вода и углерод. Углерод способен вступать в различные химические связи с другими элементами и производить сложные органические молекулы, включая липиды, карбогидраты, протеины и генетические молекулы РНК и ДНК, которые являются основными молекулами жизни. Поэтому жизнь на нашей Земле — это carbon — based life, хотя в других местах Вселенной возможны и другие формы жизни, например, silicon — based life.

Когда возникла жизнь на земле

Известно, что основными элементами во Вселенной являются водород и гелий. Внимательный читатель может спросить, каким же образом сложные молекулы или тяжёлые элементы, отличные от водорода и гелия, появились на нашей планете. Кто их «принёс» на Землю? Ответ на этот вопрос нам хорошо известен из астрономии: так называемые сверхмассивные звёзды производят в своих недрах многие известные нам химические элементы вследствие различных термоядерных реакций. После гибели таких звёзд они выбрасывают эти элементы внутрь галактики, которые становятся частью межзвёздной пыли и планет. Все тяжёлые элементы на Земле — это результат взрыва сверхновых звёзд, которые в конечном счёте обусловили появление первой жизни на Земле.

Без этих элементов жизнь была бы просто невозможной. Мы можем даже утверждать (возможно, с гордостью!), что являемся частью звёздного вещества (“We are star stuff!”). Например, наличие железа в нашем организме, которое определяет цвет нашей крови, является результатом производства железа внутри звёзд, который высвобождается после гибели звезды. Спекральный анализ вещества внутри звёзд и галактик показывает, что все тела во Вселенной состоят из одинакового набора элементов, составляющих таблицу Менделеева, а все живые организмы, включая растительный мир, имеют единого предка (a common ancestor), т.е. они появились из одного и того же корня дерева жизни. Само дерево жизни состоит из трёх основных частей (eukarya, archaea, bacteria) и лишь две ветки “eukarya” включают в себя весь растительный и животный миры. Жизнь на Земле возникла не сразу, а после почти 10 млрд. лет с момента Big Bang, когда появились все необходимые условия для возникновения первой жизни. Интересно, что наша Вселенная также произошла в результате гигантского взрыва из одной «точки». Эта «точка», которую физики называют “singularity”, имела чрезвычайно маленький размер и почти бесконечную плотность. Вследствие инфляции (быстрое расширение) и ускорений наша Вселенная стала сегодня гигантской. Свет может пересечь Вселенную лишь за 14 млрд. лет, хотя и покрывает расстояние от Земли до Солнца всего за восемь минут.

Вернёмся однако к основному вопросу этой статьи — как возникла первая жизнь на Земле. Два выдающихся учёных из the University of Chicago L.Miller and H.Urey ещё в 1950-х годах провели интереснейший эксперимент, который продемонстрировал, что жизнь могла быть сформирована естественным путём из набора различных молекул (H2. H2O, CH4, NH3), существовавших на ранней Земле, и серии химических реакций. Эксперимент показал, что основные молекулы жизни — аминокислоты (протеины) и нуклеиновые кислоты (основания РНК и ДНК) — могут быть легко получены из молекул, которые имелись в первичной атмосфере ранней Земли. Они поместили в стеклянную трубку воду, водород, метан и аммоний и пропустили через неё сильный электрический ток, который является аналогом молнии в природе. Через неделю в трубке были обнаружены различные органические молекулы, включая протеины. Последние ответственны за все сложные метаболические функции живой клетки. Однако, подобные эксперименты, хотя и явились первым важным шагом на пути от неживой материи к первой жизни, они не могли объяснить многие другие процессы, включающие переход от аминокислот (протеинов) к первой жизни и, в частности, каким образом примитивная клетка могла воспроизводить себя, эволюционировала, т.е. как она приводила к появлению новой жизни.

Когда возникла жизнь на земле

В последнее время учёные сумели объяснить все основные процессы, каким образом первые живые организмы на Земле возникли из неживой материи (например, журнал “Scientific American”, September, 2009). Эти процессы включают формирование нуклеотидов, состоящих из сахаров, фосфатов, оснований цианидов, ацетилена и воды, генетические молекулы РНК и ДНК, а также протоклетки, дающей рост первой жизни. Молекула РНК может быть сформирована из простых молекул имеющихся на ранней Земле до формирования первой жизни. Она была первым генетическим материалом сформировавшим жизнь на Земле вместе с ДНК, явившимся результатом эволюции позже. РНК порождает ДНК, которая в свою очередь порождает протеины. «РНК мир» включает в себя появление первого живого организма — протоклетки с РНК геномом, способной к самокопированию и Дарвиновской эволюции, тогда как «ДНК мир» включает бактериальную клетку с ДНК геномом, протеины и начало дерева жизни с общим предком для всего живого на Земле. Оба РНК и ДНК имеют длинные основания (от 2 до 40 в случае РНК и от 1000 до миллиона в случае типичного гена), которые включают сахара, фосфаты и простые молекулы — цианид, ацетилен, формальдегид и воду, имевшихся в ранней Земле. Нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК) ответственны за генетический код и дают инструкции для всех процессов внутри клетки. Чтобы образовать протеины, нуклеиновые кислоты должны сформировать длинные и сложные цепи. Все молекулы ДНК во всех живых организмах на Земле имеют одинаковую структуру, хотя и разный набор генов, и отличаются друг от друга различным подключением их ДНК.

Итак, на первом этапе простые и органические молекулы, а также различные химические реакции привели к образованию нуклеотидов. Три компоненты нуклеотидов — сахара, фосфаты и нуклеиновые основания — образовались спонтанно из простых молекул. Затем нуклеотиды соединившись дали начало первой генетической молекуле — РНК, а затем, на более поздней стадии развития, молекулу ДНК. Нуклеиновые кислоты, представляющие совокупность нуклеотидов, содержат генетическую информацию. Следующий этап — образование примитивной клетки с РНК геномом, включающая мембрану и способной к самокопированию путём деления. Протоклетка начала эволюционировать. Метаболизм, включающий серию химических реакций, позволил протоклетке получать энергию из окружающей среды. Следующий этап — образование ДНК и появление новой клетки с ДНК геномом, играющей роль первичной генетической молекулы. РНК теперь выполняет промежуточную роль между ДНК и протеином. Возникает первая бактерия с ДНК геномом и мембраной. Она способна к самокопированию и способна эволюционировать. Если раньше РНК была ответственна за образование протеинов, теперь протеины принимают на себя функции РНК в осуществлении самокопирования клетки и метаболических процессов. Интересно, что старый парадокс — что появилось раньше «курица или яйцо» — находит на основе этих процессов простое объяснение: сначала была курица (нуклеиновые кислоты), а затем уже появилось яйцо (протеины). Затем протеины (яйцо) служили началом образования нуклеиновых кислот (курица).

Жизнь — это химическая система способная к самокопированию и Дарвиновской эволюции. Э. Шредингер, один из основателей квантовой механики, в своей книге «Жизнь с Точки Зрения Физика» дал следующее определение жизни: “The living systems is self-assemble against nature’s tendency toward disorder, or entropy”.

Когда возникла жизнь на земле

Подведём итоги. Жизнь началась после того как химические молекулы ранней Земли сформировали нуклеотиды, важные элементы РНК. Затем образовалась протоклетка с РНК геномом, на следующем этапе образовалась ДНК и первая бактерия с ДНК геномом. Бактерии оставались без изменений миллиарды лет и начали эволюционировать в более сложные организмы, когда началась эра под названием Cambrian explosion, когда мир животных эволюционировал из маленьких и примитивных организмов в многоклеточные организмы. В это же время на основе Дарвиновской эволюции появилось огромное разнообразие мира животных и около 5 млн. лет тому назад появились первые человекоподобные существа hominids. Недавно был обнаружен hominid Ardi, которому 4.4 млн. лет и который, возможно, является первой фазой в эволюции человека. Современный человек homo sapiens появился примерно 50,000-100,000 лет тому назад на юго-востоке Африки и позднее распространился по всему миру. 5000 лет тому назад были построены Египетские пирамиды. Около двести лет назад мы стали технологической цивилизацией, когда было открыто электричество, появились паровые машины и самолёты. Если это время сравнить с возрастом нашей Вселенной (14 млрд. лет), то оно составляет лишь 0.00001% от этого времени, т.е. мы являемся молодой цивилизацией, хотя и во многом преуспели. Другое сравнение основано на использовании космического календаря. Если принять, что вся история Вселенной равнялась одному году, то первые современные люди появились лишь две минуты назад, 11 секунд назад были построены египетские пирамиды, одну секунду назад Галилей и Кеплер доказали, что солнечной система является гелиоцентрической и лишь полсекунды назад мы стали технологической цивилизацией.

Давайте заглянем в наше будущее и зададим себе вопрос — закончилась ли наша эволюция. Чтобы ответить на этот вопрос нам следует понять, почему происходит эволюция, т.е. изменения в нашем организме во времени, и появляются ли в нашем геноме новые гены. Ответ на второй вопрос найден — да, дополнительные гены появляются и наша эволюция не только продолжается, но и ускоряется во времени. Ева Яблонски, теоретик в области биологии из Тель-авивского университета, опубликовала результаты своих исследований, согласно которым имеется более ста наследственных изменений, которые отсутствовали в последовательности ДНК. Эти изменения охватывают бактерии, грибы, растения, а также животных. Токсические вещества, диета и даже стресс могут быть причиной изменений в геноме. Мутации — причина возникновения новых ген. Сегодня мы изменяемся быстрее, чем за любые предыдущие периоды нашей истории.

Когда возникла жизнь на земле

Интересно, что сравнительно недавно было открыто ускорение нашей Вселенной. Нет ли какой-либо взаимосвязи между ускорениями Вселенной и ускорением нашей эволюции? Чтобы объяснить причину ускорения Вселенной, физики предположили существование тёмной энергии, т.е. особой силы отталкивания (a repulsive force), которая обусловливает ускорение Вселенной. Сегодня мы знаем немного о природе этой силы, несмотря на то, что сотни учёных around the world пытаются разгадать её структуру.

Время — самая фундаментальная характеристика Вселенной и оно ответственно за все изменения в нашем мире. Причина изменений в мире, возможно, состоит в том, что температура космоса сильно изменилась — от 1032К во времена Big Bang (эта температура триллион триллионов раз превышает температуру в центре самых горячих звёзд) до 3К сегодня (-270С) в течение 14 млрд. лет. Эта температура измерена по спектру остаточного излучения космоса, которое заполняет всю нашу Вселенную и которое является ярким доказательством реальности Big Bang и того факта, что было начало мира. Такое резкое уменьшение температуры космоса связано с её расширением (inflation). Разумеется, это расширение и спад температуры не могут не отражаться на скорости всех процессов внутри Вселенной, обусловливая изменения не только Вселенной, но и влияют на темпы нашей эволюции, которая будет продолжаться всегда, пока наша Вселенная существует и изменяется во времени. Если температура космоса упадёт до нуля, наша Вселенная погибнет, что будет означать конец эволюции и самой жизни. Любопытно, что из четырёх сценариев развития нашей Вселенной, которые рассматриваются в астрономии, имеется доказательство, что наша Вселенная в конечном счёте погибнет, вследствие безудержного расширения и спада температуры до абсолютного нуля. Такой вывод основан на анализе данных о взрывах так называемых «белых карликов» (white dwarf supernova explosion).

Тогда другой Big Bang возвестит о начале новой вселенной и нового мира. Эта новая вселенная пройдёт совершенно другой путь развития и в ней будут другие законы физики с другими фундаментальными постоянными, такими как скорость света, масса электрона, гравитационная постоянная и т.д., и, разумеется, другой жизнью. Сегодня учёные обсуждают вероятность существования других вселенных (multiverse), в которых также возможна жизнь, но основанная на других принципах и других законах природы.

Илья Гулькаров, Чикаго

Источник: www.kontinent.org


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.