Проблема возникновения жизни на Земле издавна интересовала и волновала человека. Существует несколько гипотез о происхождении жизни на нашей планете:
жизнь создана Богом;
жизнь на Землю занесена извне;
живое на планете неоднократно самозарождалось из неживого;
жизнь существовала всегда;
жизнь возникла как следствие биохимической революции.
Все многообразие различных гипотез сводится к двум взаимоисключаемым точкам зрения. Сторонники теории биогенеза полагали, что все живое происходит только от живого. Их противники защищали теорию абиогенеза – они считали возможным происхождение живого от неживого.
Многие ученые допускали возможность самозарождения жизни. Невозможность самопроизвольного зарождения жизни была доказана Луи Пастером.
Второй этап – образование из простых органических соединений в водах первичного океана белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. Разрозненные молекулы этих соединений концентрировались и формировали коацерваты, действующие как открытые системы, способные к обмену веществ с окружающей средой и росту.
Третий этап – в результате взаимодействия коацерватов с нуклеиновыми кислотами образовались первые живые существа – пробионты, способные, помимо роста и обмена веществ, к самовоспроизведению.
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
Панспермия
Панспермия (от греч. «смесь» и «семя») – очень авторитетная в наше время теория о появлении жизни на Земле в результате переноса «зародышей жизни» с других планет. Эту гипотезу выдвинул немецкий учёный Г. Рихтер в 1865 году, который имел в виду перенос спор микроорганизмов либо метеоритами, либо под действием давления света. Позже была открыта космическая радиация, которая действует на живые организмы не менее губительно, чем распад урана. И теория панспермии «припадала пылью» вплоть до первого полёта на Луну – когда на прилунившемся зонде «Сервейер-3» всё-таки были найдены живые микроорганизмы с Земли, которые благополучно пережили продолжительный полёт в открытом космосе.
В 2006 году было обнаружено присутствие в кометном веществе как воды, так и простейших органических соединений. Забавно, но это означает, что маленький метеорит со светящимся шлейфом, который приближается к гораздо большему шару планеты, - это нечто вроде космического аналога женской и мужской половых клеток, вместе дающих начало новой жизни.
Часть последователей панспермии полагает, что обмен бактериями произошёл между Землёй и Марсом в тот период, когда Красная планета ещё процветала и была частично покрыта океанами. Причём совсем не обязательно этому послужили метеориты – возможно, бактерии сюда завезли разумные посетители (но это уже отдельная тема). Но даже если такие события имели место в истории – мы вынуждены будем разгадывать, откуда жизнь взялась на другой планете.
Электричество и первичный бульон
Известный эксперимент Миллера-Урея в 1953 году доказал, что электрические искры могут генерировать основу жизни - аминокислоты и сахарозу – при наличии в атмосфере воды, метана, аммиака и водорода. Это значит, что обычные молнии могли создать основные строительные блоки жизни на древней Земле, называемые первичным бульоном. Этот термин ввёл в 1924 году советский биолог Опарин. Согласно его теории, этот «супчик» возник около 4 миллиардов лет назад в мелких водоёмах планеты под воздействием электрических разрядов, космического излучения и высокой температуры жидкости. Сначала в его составе преобладали нуклеотиды, полипептиды, азотистые основания и аминокислоты. Затем на протяжении миллионов лет в первичном бульоне формировались более сложные молекулы, пока не образовали простейшие одноклеточные организмы – бактерии.
Глиняная жизнь
Если верить религиозным источникам, Адам был создан из праха земного, а в Коране и у некоторых народов (например, японцев), боги слепили людей из глины. По мнению химика-органика Александра Грэм Кернс-Смит из Университета Глазго в Шотландии, это может быть не простой аллегорией: первые молекулы жизни могли образоваться именно на глине. Первоначально примитивные углеродные соединения не имели ДНК, а значит, не могли воспроизводить себе подобных – «размножение» могло быть стимулировано только источниками из внешней среды.
Таким источником могла быть глинистая порода, которая являет собой не просто некую массу земли – это организованная, упорядоченная последовательность молекул. Глиняная поверхность могла не только концентрировать и объединять органические соединения, но на микроскопическом уровне организовывать их в структуры, действуя наподобие генома. Со временем органические молекулы «запомнили» эту последовательность и научились самоорганизовываться. Впоследствии они усложнялись: у них появился прототип ДНК, РНК и других нуклеиновых кислот.
Жизнь из океанов
«Теория подводных гидротермальных источников» предполагает, что жизнь могла зародиться у истоков подводных вулканов, которые выбрасывали сквозь трещины в океаническом дне богатые водородом молекулы и много тепла. Эти молекулы объединялись на поверхности скал, которые обеспечивали минеральные катализаторы для новых химических реакций.
Так родились бактерии, образовавшие всемирно известную геологическую диковинку - строматолиты (от «строматос» - ковер и «литос» - камень). В окаменевшем виде эти образования сохранились до сих пор. А подводные источники такого типа в наше время продолжают играть важную роль в поддержании разнообразных морских экосистем.
Холод – катализатор эволюции
Кто бы из учёных ни был прав, но простые одноклеточные бактерии всё-таки заселили планету – и в таком виде они неизменно существовали на протяжении более миллиарда лет. Затем произошёл невероятно быстрый по меркам эволюции взрыв – начали развиваться гораздо более сложные формы жизни, которые освоили сначала океаны, а затем сушу, почвы и, наконец, воздух. Не так давно учёные сумели разобраться, что стало толчком для решающих перемен. Им оказался самый мощный ледниковый период за всю историю Земли, который наступил около 3 миллиардов лет назад. Планета была полностью покрыта льдом толщиной до одного километра – специалисты назвали это явление «Земля-снежок» (вроде тех, в которые играют дети).
Условия жизни для простейших микроорганизмов резко изменились – но, с другой стороны, под толщей льда выносливым бактериям-экстримофилам пришлось адаптироваться! Именно в этот «инкубаторный» период произошло первичное разделение бактерий по способам выживания: одни из них научились получать энергию из солнечного света, другие черпали силы, перерабатывая растворённые в воде вещества. Это положило начало царствам живой природы – первые в будущем станут растениями и одноклеточными фотосинтезирующими животными, вторые – многоклеточными животными и грибами.
Но однажды горячие вулканы снова пробудились, и выплеснули в атмосферу огромное количество углекислого газа, который стал причиной мощного парникового эффекта. Планета согрелась, льды растаяли и выпустили на волю «повзрослевшие» бактерии. Процесс фотосинтеза, происходящий в цианобактериях (сине-зелёных водорослях), дал новую реакцию - и атмосфера в короткие сроки насытилась кислородом. А попавшие в океан обломки минеральных пород, принесённых ледником, дали новые варианты химических реакций. Это, как уже становится понятно, позволило эволюционировать животным. Вскоре, вместо разделения бактерий на две новых, они начали делиться без ухода в «вольное плавание», и образовывать первые многоклеточные структуры. Примером могут служить древнейшие многоклеточные животные без нервной, кровяной и пищеварительной систем – морские губки.
Согласно с этой теорией, жизнь вполне вероятна под толстым слоем льда на одном из спутников Юпитера – в скрытых от космических зондов холодных океанах Европы. Группа исследователей из NASA так же установила, что под льдами спутника присутствует геотермальная активность. Поэтому вполне возможно, что Европа повторяет наш собственный путь, и когда наше солнце начнёт стареть и станет ярче, эволюция тоже возьмёт верх над вечным холодом.
Вопрос о том, когда на Земле появилась жизнь, всегда волновал не только ученых, но и всех людей. Ответы на него
практически всех религий. Хотя точного научного ответа на него до сих пор нет, некоторые факты позволяют высказать более или менее обоснованные гипотезы. В Гренландии исследователями был найден образец горной породы
с крошечным вкраплением углерода. Возраст образца более 3,8 млрд лет. Источником углерода, скорее всего, было какое-то органическое вещество – за такое время оно полностью утратило свою структуру. Ученые полагают, что этот комочек углерода может быть самым древним следом жизни на Земле.
Как выглядела первобытная Земля?
Перенесемся на 4 млрд лет назад. Атмосфера не содержит свободного кислорода, он находится только в составе окислов. Почти никаких звуков, кроме свиста ветра, шипения извергающейся с лавой воды и ударов метеоритов о поверхность Земли. Ни растений, ни животных, ни бактерий. Может быть, так выглядела Земля, когда на ней появилась жизнь? Хотя эта проблема издавна волнует многих исследователей, их мнения на этот счет сильно различаются. Об условиях на Земле того времени могли бы свидетельствовать горные породы, но они давно разрушились в результате геологических процессов и перемещений земной коры.
В этой статье мы кратко расскажем о нескольких гипотезах возникновения жизни, отражающих современные научные представления. Как считает известный специалист в области проблемы возникновения жизни Стэнли Миллер, о возникновении жизни и начале ее эволюции можно говорить с того момента, как органические молекулы самоорганизовывались в структуры, которые смогли воспроизводить самих себя. Но это порождает другие вопросы: как возникли эти молекулы; почему они могли самовоспроизводиться и собираться в те структуры, которые дали начало живым организмам; какие нужны для этого условия?
Согласно одной из гипотез жизнь началась в кусочке льда. Хотя многие ученые полагают, что присутствующий в атмосфере углекислый газ обеспечивал поддержание тепличных условий, другие считают, что на Земле господствовала зима. При низкой температуре все химические соединения более стабильны и поэтому могут накапливаться в больших количествах, чем при высокой температуре. Занесенные из космоса осколки метеоритов, выбросы из гидротермальных источников и химические реакции, происходящие при электрических разрядах в атмосфере, были источниками аммиака и таких органических соединений, как формальдегид и цианид. Попадая в воду Мирового океана, они замерзали вместе с ней. В ледяной толще молекулы органических веществ тесно сближались и вступали во взаимодействия, которые приводили к образованию глицина и других аминокислот. Океан был покрыт льдом, который защищал вновь образовавшиеся соединения от разрушения под действием ультрафиолетового излучения. Этот ледяной мир мог растаять, например, при падении на планету огромного метеорита (рис. 1).
Чарлз Дарвин и его современники полагали, что жизнь могла возникнуть в водоеме. Этой точки зрения многие ученые придерживаются и в настоящее время. В замкнутом и сравнительно небольшом водоеме органические вещества, приносимые впадающими в него водами, могли накапливаться в необходимых количествах. Затем эти соединения еще больше концентрировались на внутренних поверхностях слоистых минералов, которые могли быть катализаторами реакций. Например, две молекулы фосфатальдегида, встретившиеся на поверхности минерала, реагировали между собой с образованием фосфорилированной углеводной молекулы – возможного предшественника рибонуклеиновой кислоты (рис. 2).
А может быть, жизнь возникла в районах вулканической деятельности? Непосредственно после образования Земля представляла собой огнедышащий шар магмы. При извержениях вулканов и с газами, высвобождавшимися из расплавленной магмы, на земную поверхность выносились разнообразные химические вещества, необходимые для синтеза органических молекул. Так, молекулы угарного газа, оказавшись на поверхности минерала пирита, обладающего каталитическими свойствами, могли реагировать с соединениями, имевшими метильные группы, и образовывать уксусную кислоту, из которой затем синтезировались другие органические соединения (рис. 3).
Впервые получить органические молекулы – аминокислоты – в лабораторных условиях, моделирующих те, что были на первобытной Земле, удалось американскому ученому Стэнли Миллеру в 1952 г. Тогда эти эксперименты стали сенсацией, и их автор получил всемирную известность. В настоящее время он продолжает заниматься исследованиями в области предбиотической (до возникновения жизни) химии в Калифорнийском университете. Установка, на которой был осуществлен первый эксперимент, представляла собой систему колб, в одной из которых можно было получить мощный электрический разряд при напряжении 100 000 В.
Миллер заполнил эту колбу природными газами – метаном, водородом и аммиаком, которые присутствовали в атмосфере первобытной Земли. В колбе, расположенной ниже, было небольшое количество воды, имитирующей океан. Электрический разряд по своей силе приближался к молнии, и Миллер ожидал, что под его действием образуются химические соединения, которые, попав затем в воду, прореагируют друг с другом и образуют более сложные молекулы.
Результат превзошел все ожидания. Выключив вечером установку и вернувшись на следующее утро, Миллер обнаружил, что вода в колбе приобрела желтоватую окраску. То, что образовалось, оказалось бульоном из аминокислот – строительных блоков белков. Таким образом этот эксперимент показал, как легко могли образоваться первичные ингредиенты живого. Всего-то и нужны были – смесь газов, маленький океан и небольшая молния.
Другие ученые склонны считать, что древняя атмосфера Земли отличалась от той, которую моделировал Миллер, и состояла, скорее всего, из углекислого газа и азота. Используя эту газовую смесь и экспериментальную установку Миллера, химики попытались получить органические соединения. Однако их концентрация в воде была такой ничтожной, как если бы растворили каплю пищевой краски в плавательном бассейне. Естественно, трудно себе представить, как могла возникнуть жизнь в таком разбавленном растворе.
Если действительно вклад земных процессов в создание запасов первичного органического вещества был столь незначителен, то откуда оно вообще взялось? Может быть, из космоса? Астероиды, кометы, метеориты и даже частицы межпланетной пыли могли нести на себе органические соединения, включая аминокислоты. Эти внеземные объекты могли обеспечить попадание в первичный океан или небольшой водоем достаточного для зарождения жизни количества органических соединений.
Последовательность и временной интервал событий, начиная от образования первичного органического вещества и кончая появлением жизни как таковой, остается и, наверное, навсегда останется загадкой, волнующей многих исследователей, равно как и вопрос, что. собственно, считать жизнью.
В настоящее время существует несколько научных определений жизни, но все они не точны. Одни из них настолько широки, что под них попадают такие неживые объекты, как огонь или кристаллы минералов. Другие – слишком узки, и в соответствии с ними мулы, не дающие потомства, не признаются живыми.
Одно из наиболее удачных определяет жизнь как самоподдерживающуюся химическую систему, способную вести себя в соответствии с законами дарвиновской эволюции. Это значит, что, во-первых, группа живых особей должна производить подобных себе потомков, которые наследуют признаки родителей. Во-вторых, в поколениях потомков должны проявляться последствия мутаций – генетических изменений, которые наследуются последующими поколениями и обуславливают популяционную изменчивость. И в-третьих, необходимо, чтобы действовала система естественного отбора, в результате которого одни особи получают преимущество перед другими и выживают в изменившихся условиях, давая потомство.
Какие же элементы системы были необходимы, чтобы у нее появились характеристики живого организма? Большое число биохимиков и молекулярных биологов считают, что необходимыми свойствами обладали молекулы РНК. РНК – рибонуклеиновые кислоты – это особенные молекулы. Одни из них могут реплицироваться, мутировать, таким образом передавая информацию, и, следовательно, они могли участвовать в естественном отборе. Правда, они не способны сами катализировать процесс репликации, хотя ученые надеются, что в недалеком будущем будет найден фрагмент РНК с такой функцией. Другие молекулы РНК задействованы в “считывании” генетической информации и передаче ее на рибосомы, где происходит синтез белковых молекул, в котором принимают участие молекулы РНК третьего типа.
Таким образом самая примитивная живая система могла быть представлена молекулами РНК, удваивающимися, подвергающимися мутациям и подверженными естественному отбору. В ходе эволюции на основе РНК возникли специализированные молекулы ДНК – хранители генетической информации – и не менее специализированные молекулы белка, взявшие на себя функции катализаторов синтеза всех известных в настоящее время биологических молекул.
В некий момент времени “живая система” из ДНК, РНК и белка нашла приют внутри мешочка, образованного липидной мембраной, и эта более защищенная от внешних воздействий структура послужила прототипом самых первых клеток, давших начало трем основным ветвям жизни, которые представлены в современном мире бактериями, археями и эукариотами. Что касается даты и последовательности появления таких первичных клеток, то это остается загадкой. Кроме того, по простым вероятностным оценкам для эволюционного перехода от органических молекул к первым организмам не хватает времени – первые простейшие организмы появились слишком внезапно.
В течение многих лет ученые полагали, что жизнь вряд ли могла возникнуть и развиваться в тот период, когда Земля постоянно подвергалась столкновениям с большими кометами и метеоритами, а завершился этот период примерно 3,8 млрд лет тому назад. Однако недавно в самых древних на Земле осадочных породах, найденных в юго-западной части Гренландии, были обнаружены следы сложных клеточных структур, возраст которых составляет по крайней мере 3,86 млрд лет. Значит, первые формы жизни могли возникнуть за миллионы лет до того, как прекратилась бомбардировка нашей планеты крупными космическими телами. Но тогда возможен и совсем другой сценарий (рис. 4).
Падавшие на Землю космические объекты могли сыграть центральную роль в возникновении жизни на нашей планете, так как, по мнению ряда исследователей, клетки, подобные бактериям, могли возникнуть на другой планете и затем уже попасть на Землю вместе с астероидами. Одно из свидетельств в пользу теории внеземного происхождения жизни было обнаружено внутри метеорита, по форме напоминающего картофелину и названного ALH84001. Первоначально этот метеорит был частичкой марсианской коры, которая затем была выброшена в космос в результате взрыва при столкновении огромного астероида с поверхностью Марса, происшедшего около 16 млн лет назад. А 13 тыс. лет назад после длительного путешествия в пределах Солнечной системы этот осколок марсианской породы в виде метеорита приземлился в Антарктике, где и был недавно обнаружен. При детальном исследовании метеорита внутри него были обнаружены палочковидные структуры, напоминающие по форме окаменелые бактерии, что дало повод для бурных научных споров о возможности жизни в глубине марсианской коры. Разрешить эти споры удастся не ранее 2005 г., когда Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям США осуществит программу полета на Марс межпланетного корабля для отбора проб марсианской коры и доставки образцов на Землю. И если ученым удастся доказать, что микроорганизмы когда-то населяли Марс, то о внеземном возникновении жизни и о возможности занесения жизни из Космоса можно будет говорить с большей долей уверенности (рис. 5).
Рис. 5. Наше происхождение от микробов.
Что мы унаследовали от древних форм жизни? Приведенное ниже сравнение одноклеточных организмов с клетками человека выявляет много черт сходства.
 1. Половое размножение |
 2. Реснички |
 3. Захват других клеток |
 4. Митохондрии
|
 5. Жгутики |
Эволюция жизни на Земле: от простого к сложному
В настоящее время, да, наверное, и в будущем, наука не сможет дать ответ на вопрос, как выглядел самый первый организм, появившийся на Земле, – предок, от которого берут начало три основные ветви древа жизни. Одна из ветвей – эукариоты, клетки которых имеют оформленное ядро, содержащее генетический материал, и специализированные органеллы: митохондрии, вырабатывающие энергию, вакуоли и др. К эукариотным организмам относятся водоросли, грибы, растения, животные и человек.
Вторая ветвь – это бактерии – прокариотные (доядерные) одноклеточные организмы, не имеющие выраженного ядра и органелл. И наконец, третья ветвь – одноклеточные организмы, именуемые археями, или архебактериями, клетки которых имеют такое же строение, как и у прокариот, но совсем другую химическую структуру липидов.
Многие архебактерии способны выживать в крайне неблагоприятных экологических условиях. Некоторые из них являются термофилами и обитают только в горячих источниках с температурой 90 °С и даже выше, где другие организмы попросту погибли бы. Превосходно чувствуя себя в таких условиях, эти одноклеточные организмы потребляют железо и серусодержащие вещества, а также ряд химических соединений, токсичных для других форм жизни. По мнению ученых, найденные термофильные архебактерии являются крайне примитивными организмами и в эволюционном отношении – близкими родственниками самых древних форм жизни на Земле.
Интересно, что современные представители всех трех ветвей жизни, наиболее похожие на своих прародителей, и сегодня обитают в местах с высокой температурой. Исходя из этого, некоторые ученые склонны считать, что, вероятнее всего, жизнь возникла около 4 млрд лет тому назад на дне океана вблизи горячих источников, извергающих потоки, богатые металлами и высокоэнергетическими веществами. Взаимодействуя друг с другом и с водой стерильного тогда океана, вступая в самые разнообразные химические реакции, эти соединения дали начало принципиально новым молекулам. Так, в течение десятков миллионов лет в этой “химической кухне” готовилось самое большое блюдо – жизнь. И вот около 4,5 млрд лет тому назад на Земле появились одноклеточные организмы, одинокое существование которых продолжалось весь докембрийский период.
Всплеск эволюции, давший начало многоклеточным организмам, произошел гораздо позже, немногим более полумиллиарда лет назад. Хотя размеры микроорганизмов столь малы, что в одной капле воды могут поместиться миллиарды, масштабы проведенной ими работы грандиозны.
Полагают, что первоначально в земной атмосфере и Мировом океане не было свободного кислорода, и в этих условиях жили и развивались лишь анаэробные микроорганизмы. Особым шагом в эволюции живого было возникновение фотосинтезирующих бактерий, которые, используя энергию света, превращали углекислый газ в углеводные соединения, служащие пищей для других микроорганизмов. Если первые фотосинтетики выделяли метан или сероводород, то появившиеся однажды мутанты начали вырабатывать в процессе фотосинтеза кислород. По мере накопления кислорода в атмосфере и водах анаэробные бактерии, для которых он губителен, заняли бескислородные ниши.
В древних ископаемых остатках, найденных в Австралии, возраст которых исчисляется 3,46 млрд лет, были обнаружены структуры, которые считают останками цианобактерий – первых фотосинтезирующих микроорганизмов. О былом господстве анаэробных микроорганизмов и цианобактерий свидетельствуют строматолиты, встречающиеся в мелководных прибрежных акваториях не загрязненных соленых водоемов. По форме они напоминают большие валуны и представляют интересное сообщество микроорганизмов, живущее в известняковых или доломитовых породах, образовавшихся в результате их жизнедеятельности. На глубину нескольких сантиметров от поверхности строматолиты насыщены микроорганизмами: в самом верхнем слое обитают фотосинтезирующие цианобактерии, вырабатывающие кислород; глубже обнаруживаются бактерии, которые до определенной степени терпимы к кислороду и не нуждаются в свете; в нижнем слое присутствуют бактерии, которые могут жить только в отсутствие кислорода. Расположенные в разных слоях, эти микроорганизмы составляют систему, объединенную сложными взаимоотношениями между ними, в том числе пищевыми. За микробной пленкой обнаруживается порода, образующаяся в результате взаимодействия остатков отмерших микроорганизмов с растворенным в воде карбонатом кальция. Ученые считают, что когда на первобытной Земле еще не было континентов и лишь архипелаги вулканов возвышались над поверхностью океана, мелководье изобиловало строматолитами.
В результате жизнедеятельности фотосинтезирующих цианобактерий в океане появился кислород, а примерно через 1 млрд лет после этого он начал накапливаться в атмосфере. Сначала образовавшийся кислород взаимодействовал с растворенным в воде железом, что привело к появлению окислов железа, которые постепенно осаждались на дне. Так в течение миллионов лет с участием микроорганизмов возникли огромные залежи железной руды, из которой сегодня выплавляется сталь.
Затем, когда основное количество железа в океанах подверглось окислению и уже не могло связывать кислород, он в газообразном виде ушел в атмосферу.
После того как фотосинтезирующие цианобактерии создали из углекислого газа определенный запас богатого энергией органического вещества и обогатили земную атмосферу кислородом, возникли новые бактерии – аэробы, которые могут существовать только в присутствии кислорода. Кислород им необходим для окисления (сжигания) органических соединений, а значительная часть получаемой при этом энергии превращается в биологически доступную форму – аденозинтрифосфат (АТФ). Этот процесс энергетически очень выгоден: анаэробные бактерии при разложении одной молекулы глюкозы получают только 2 молекулы АТФ, а аэробные бактерии, использующие кислород, – 36 молекул АТФ.
С появлением достаточного для аэробного образа жизни количества кислорода дебютировали и эукариотные клетки, имеющие в отличие от бактерий ядро и такие органеллы, как митохондрии, лизосомы, а у водорослей и высших растений – хлоропласты, где совершаются фотосинтетические реакции. По поводу возникновения и развития эукариот существует интересная и вполне обоснованная гипотеза, высказанная почти 30 лет назад американским исследователем Л.Маргулисом. Согласно этой гипотезе митохондрии, выполняющие функции фабрик энергии в эукариотной клетке, – это аэробные бактерии, а хлоропласты растительных клеток, в которых происходит фотосинтез, – цианобактерии, поглощенные, вероятно, около 2 млрд лет назад примитивными амебами. В результате взаимовыгодных взаимодействий поглощенные бактерии стали внутренними симбионтами и образовали с поглотившей их клеткой устойчивую систему – эукариотную клетку.
Исследования ископаемых останков организмов в породах разного геологического возраста показали, что на протяжении сотен миллионов лет после возникновения эукариотные формы жизни были представлены микроскопическими шаровидными одноклеточными организмами, такими как дрожжи, а их эволюционное развитие протекало очень медленными темпами. Но немногим более 1 млрд лет назад возникло множество новых видов эукариот, что обозначило резкий скачок в эволюции жизни.
Прежде всего это было связано с появлением полового размножения. И если бактерии и одноклеточные эукариоты размножались, производя генетически идентичные копии самих себя и не нуждаясь в половом партнере, то половое размножение у более высокоорганизованных эукариотных организмов происходит следующим образом. Две гаплоидные, имеющие одинарный набор хромосом половые клетки родителей, сливаясь, образуют зиготу, имеющую двойной набор хромосом с генами обоих партнеров, что создает возможности для новых генных комбинаций. Возникновение полового размножения привело к появлению новых организмов, которые и вышли на арену эволюции.
Три четверти всего времени существования жизни на Земле она была представлена исключительно микроорганизмами, пока не произошел качественный скачок эволюции, приведший к появлению высокоорганизованных организмов, включая человека. Проследим основные вехи в истории жизни на Земле по нисходящей линии.
1,2 млрд лет назад произошел взрыв эволюции, обусловленный появлением полового размножения и ознаменовавшийся появлением высокоорганизованных форм жизни – растений и животных.
Образование новых вариаций в смешанном генотипе, возникающем при половом размножении, проявилось в виде биоразнообразия новых форм жизни.
2 млрд лет назад появились сложноорганизованные эукариотные клетки, когда одноклеточные организмы усложнили свое строение за счет поглощения других прокариотных клеток. Одни из них – аэробные бактерии – превратились в митохондрии – энергетические станции кислородного дыхания. Другие – фотосинтетические бактерии – начали осуществлять фотосинтез внутри клетки-хозяина и стали хлоропластами в клетках водорослей и растений. Эукариотные клетки, имеющие эти органеллы и четко обособленное ядро, включающее генетический материал, составляют все современные сложные формы жизни – от плесневых грибов до человека.
3,9 млрд лет назад появились одноклеточные организмы, которые, вероятно, выглядели, как современные бактерии, и архебактерии. Как древние, так и современные прокариотные клетки устроены относительно просто: они не имеют оформленного ядра и специализированных органелл, в их желеподобной цитоплазме располагаются макромолекулы ДНК – носители генетической информации, и рибосомы, на которых происходит синтез белка, а энергия производится на цитоплазматической мембране, окружающей клетку.
4 млрд лет назад загадочным образом возникла РНК. Возможно, что она образовалась из появившихся на первобытной земле более простых органических молекул. Полагают, что древние молекулы РНК имели функции носителей генетической информации и белков-катализаторов, они были способны к репликации (самоудвоению), мутировали и подвергались естественному отбору. В современных клетках РНК не имеют или не проявляют этих свойств, но играют очень важную роль посредника в передаче генетической информации с ДНК на рибосомы, в которых происходит синтез белков.
А.Л. Прохоров
По материалам
статьи Ричарда Монастерски
в журнале National Geographic, 1998 г. No
3
Оценочные обязательства в балансе — что это такое
Значение имени иван, происхождение, характер и судьба имени иван
Рецепты постного печенья: овсяного, лимонного, морковного, имбирного, кофейного, медового, с маком
Толкование сна браслет в соннике миллера
Увольнение переводом на другую должность, к другому работодателю или компанию