История появления жизни на земле. Происхождение и начальные этапы развития жизни на земле. Реален ли небиологический синтез органики

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

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

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

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

Сколько лет человечеству?

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

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

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

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

Секретные материалы

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

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

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

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

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

Как же началась жизнь на Земле?

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

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

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

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

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

Перед вами история зарождения жизни на Земле

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

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

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

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

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

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

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

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

Каждый живой организм состоит из клеток (и вы тоже)

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

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

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

Все организмы состоят из клеток, включая вас.

Самая многочисленная форма жизни – одноклеточные бактерии

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

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

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

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

Так насколько же это трудно?

Одноклеточные бактерии - самая распространенная форма жизни на Земле.

Начало экспериментов

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

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

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

Но есть одна проблема. Идеи витализма в корне неверны.

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

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

Смерть витализма

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

Это положило конец витализму как научной концепции.

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

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

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

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

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

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

Дарвин и теория эволюции

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

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

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

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

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

Как же появилась первая жизнь?

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

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

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

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

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

Революционные идеи Александра Опарина

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

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

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

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

Новая теория возникновения первой жизни на земле

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

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

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

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

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

Теория первой жизни Джона Холдейна

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

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

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

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

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

Гипотеза Опарина-Холдейна

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

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

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

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

Начались такие опыты только спустя почти четверть века.

Первые экперименты по созданию жизни “в пробирке”

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

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

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

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

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

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

Самый знаменитый эксперимент о происхождении жизни на Земле

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

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

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

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

Значимость экперимента Миллера-Юри

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

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

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

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

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

Изучение генов и ДНК

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Спиральная стуктура ДНК - одно из важнейших открытий 20 века

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

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

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

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

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

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

Перед общественностью впервые раскрылась одна из самых сокровенных тайн жизни.

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

Задача ДНК

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

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

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

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

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

Что такое РНК?

В процессе использования ДНК клетками один нюанс.

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

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

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

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

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

Разница между ДНК и РНК.

Все гораздо сложнее

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

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

Возможно, жизнь началась с РНК?

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

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

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

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

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

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

Разделение на 3 лагеря

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Что было первым: контейнер, метаболизм или генетика?

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

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

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

Многоликая РНК

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ферменты РНК

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

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

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

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

Томас Чек нашел первый фермент РНК.

Мир РНК

Первым, кто дал имя данной концепции стал Уолтер Гилберт.

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

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

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

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

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

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

Доказательства

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

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

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

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

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

Но после этого у ученых начали появляться сомнения.

Проблемы теории “Мира РНК”

В теории «Мира РНК» изначально было две проблемы.

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

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

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

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

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

Попытки создать самовоспроизводящуюся РНК

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

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

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

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

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

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

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

Фермент R18

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Первые клетки, скорее всего, размножались делением.

Проблема в сахаре

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

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

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

Полиамидная нуклеиновая кислота (ПНК)

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

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

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

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

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

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

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

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

Поведение ПНК напоминает ДНК.

Треозо-нуклеиновая кислота (ТНК)

Тем временем другие химики создали собственные нуклеиновые кислоты.

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

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

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

Гликоль-нуклеиновая кислота (ГНК)

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

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

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

Звучит правдоподобно, но не подкрепляется доказательствами.

Хороша была концепция, но…

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

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

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

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

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

Сначала энергия?

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

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

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

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

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

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

Поглощение энергии является основой жизни.

Метаболизм

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

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

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

Но как могли выглядеть организмы с одной лишь функцией метаболизма?

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

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

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

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

Метаболический цикл

Поворотным моментом стало создание первого метаболического цикла.

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

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

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

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

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

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

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

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

Экспериментальное подтверждение

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

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

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

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

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

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

Гидротермальные жерла

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

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

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

Теория звучала разумно и привлекла внимание.

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

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

Ключевые соединения типа сахара могли продержаться от силы несколько секунд.

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

Тепло, еще теплее…

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

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

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

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

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

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

2+2=?

Расселлу оставалось только сложить 2 и 2.

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

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

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

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

“Нелепые” эксперименты Митчелла

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

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

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

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

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

Как организм хранит энергию

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

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

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

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

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

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

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

Для жизни было нужно естественное разделение протонов

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

Всем клеткам нужно такое разделение протонов, чтобы хранить энергию.

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

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

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

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

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

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

Доктор Дебора Келли.

Щелочные и прохладные гидротермальные жерла

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

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

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

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

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

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

Самая исчерпывающая теория возникновения жизни на Земле

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

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

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

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

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

Последние открытия

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

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

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

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

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

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

Не все так просто

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

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

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

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

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

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

Для многих исследователей этот аргумент стал решающим.

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

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

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

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

Как создать клетку?

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

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

Тем не менее, на передний план вышла третья теория.

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

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

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

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

Теория протоклетки

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

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

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

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

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

Луизи предположил, что эти коацерваты и были первыми протоклетками.

Коацерваты могли быть первыми протоклетками.

Мир липидов

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

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

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

Протоклетка с РНК

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

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

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

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

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

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

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

Везикулы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Формирование везикул при участии глины происходило в сотни раз быстрее.

Развитие и деление протоклеток

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип луковицы

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

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

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

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

Необходимость самокопирующейся РНК

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Недостающий элемент

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

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

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

Всего за десять лет исследований команда Шостака достигла невероятных результатов.

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

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

«Успехи Шостака впечатляют», – говорит Армен Мулкиджанян.

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

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

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

Великое объединение

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

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

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

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

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

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

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

Скромное здание Кембриджской лаборатории молекулярной биологии.

Счастливое стечение молекул и обстоятельств

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

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

Бесспорно, это был успех, мгновенно поднявший репутацию Сазерленда.

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

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

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

Как создать живую клетку с нуля

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

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

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

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

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

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

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

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

Первобытный пруд и формирование жизни за несколько минут

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Хаос – необходимое условие жизни

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Альтернативы РНК

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

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

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

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

Но есть одно “Но”

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

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

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

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

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

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

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

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

Катализаторы и ферменты

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Жизнь зародилась не в океане, а на суше

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Геотермальные источники у вулканов вполне могли стать местом зарождения жизни.

Жизни могли помочь метеориты

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

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

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

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

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

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

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

Когда мы получим ответ на вопрос: как зародилась жизнь?

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

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

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

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

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

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

Что случилось 4 миллиарда лет назад

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

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

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

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

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

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

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

Новая реальность

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

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

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

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

Прочтите также:

Share this article

Жизнь на Земле началась три миллиарда лет назад. С тех пор эволюция превратила элементарные одноклеточные организмы в разнообразие форм, цветов, размеров и функций, которое мы наблюдаем сегодня. Но каким именно образом возникла жизнь в первичном бульоне - воде, содержащейся в неглубоких источниках и насыщенной аминокислотами и нуклеотидами?

Существует масса теоретических ответов на вопрос, что именно стало причиной возникновения жизни, от удара молнии до космического тела. Вот только некоторые из них.

Искра электричества

Той самой метафорической искрой жизни могла стать вполне буквальная искра или множество искр, источником которых была молния. Электрические искры, попадающие в воду, могли стать причиной образования аминокислот и глюкозы, преобразуя их из богатой метаном, водой, водородом и аммиаком атмосферы. Эта теория даже была подтверждена экспериментально в 1953 году, доказывая, что молния вполне могла оказаться причиной формирования основных элементов, необходимых для возникновения первых форм жизни.

После проведения эксперимента ученым удалось доказать, что ранняя атмосфера нашей планеты не могла содержать достаточное количество водорода, однако вулканические облака, покрывающие поверхность Земли, могли включать в себя все необходимые элементы и, соответственно, достаточно электронов, чтобы вызывать молнию.

Подводные гидротермальные источники

Сравнительно сильные глубоководные жерла могли стать необходимым источником водорода для формирования первых живых организмов на их каменистых поверхностях. Даже сегодня вокруг гидротермальных источников, даже на большой глубине, развиваются разнообразнейшие экосистемы.

Глина

Первые органические молекулы могли встретиться на глиняной поверхности. В глине всегда содержится достаточное количество органических компонентов, кроме того, она могла бы стать своего рода организатором этих компонентов в более сложные и эффективные структуры, похожие на ДНК.

Фактически ДНК является своеобразной картой для аминокислот, указывающей, как именно они должны быть организованы в клетках сложных жиров. Группа биологов из Университета Глазго в Шотландии утверждает, что глина могла бы стать такой картой для простейших полимеров и жиров, до тех пор пока они не научились «самоорганизации».

Панспермия

Эта теория заставляет задуматься над возможностью космического происхождения жизни. То есть, согласно ее постулатам, жизнь возникла не на Земле, а всего лишь была принесена сюда с помощью метеорита, например, с Марса. На земле было найдено достаточно осколков, которые предположительно попали к нам с красной планеты. Еще одним способом «космического такси» для неизвестных форм жизни являются кометы, которые способны путешествовать между звездными системами.

Даже если это правда, панспермия все равно не способна ответить на вопрос, как именно зародилась жизнь там, откуда ее принесло на планету Земля.

Под ледяным покровом

Вполне возможно, что океаны и материки три миллиарда лет назад были покрыты толстым слоем льда, ведь Солнце светило не так ярко, как сегодня. Лед мог стать защитным слоем для хрупких органических молекул, не позволяя ультрафиолетовым лучам и космическим телам, сталкивающимся с поверхностью, причинять вред первым и слабым формам жизни. Кроме того, более низкая температура могла стать причиной эволюции первых молекул в более крепкие и продолжительные.

Мир РНК

Теория мира РНК основана на философском вопросе яйца и курицы. Дело в том, что для образования (удвоения) ДНК нужны белки, а белки не могут самовоспроизводиться без той самой карты, заложенной в ДНК. Так каким же образом возникла жизнь, если одно не может появиться без другого, но оба прекрасно существуют в настоящем? Ответом может стать РНК - рибонуклеиновая кислота, которая способна хранить информацию, как ДНК, и служить в качестве белковых энзимов. На основе РНК образовалась более совершенная ДНК, затем более эффективные белки полностью заменили собой РНК.

Сегодня РНК существует и выполняет несколько функций в сложных организмах, например, отвечает за работу некоторых генов. Эта теория вполне логична, однако она не отвечает на вопрос, что послужило катализатором для образования самой рибонуклеиновой кислоты. Предположение, что она могла появиться сама собой, отвергает большинство ученых. Теоретическим объяснением является формирование простейших кислот ПНК и ТНК, которые затем развились в РНК.

Простейшее начало

Эта теория называется голобиозом и происходит из идеи о том, что жизнь началась не из сложных молекул РНК и первичного генетического кода, а из простейших частиц, взаимодействующих между собой ради обмена веществ. Возможно, эти частицы со временем развили защитную оболочку, вроде мембраны, а затем и эволюционировали в один, более комплексный, организм. Эту модель называют «ферментной моделью обмена веществ», в то время как теорию мира РНК называют «моделью первичного генетического кода».

Здравствуйте уважаемые читатели блога сайт! В сегодняшней статье хотелось бы поговорить об одной из теорий происхождения жизни. Это теория эволюции, о которой так много говорил Дарвин. Здесь можно прочесть о ДНК, о древних окаменелостях, о некоторых лабораторных опытах и т. д.

В результате химических реакций, примерно 3 800 миллионов лет назад, образовалось первое сложное соединение, которое способно самовоспроизводится.

По-прежнему, загадкой остается происхождение жизни на Земле . Ученные придерживаются мнения, что все формы жизни находятся в процессе постоянного и непрерывного развития, с тех пор как Чарлз Дарвин впервые описал процесс и .

С каждым последующим поколением слабые стороны отсеиваются, а сильные оттачиваются и выявляются все новые возможности. Один вид пращуров мог породить несколько форм жизни, после чего или находил собственную нишу в экосистеме, или вымирал.

Собственная ниша в экосистеме позволяла выжить и сохранить первоначальную форму, а в это время потомки этих видов прекрасно вписывались в другие ниши.

В результате образовалась сложная система родственных линий, которая сегодня связует все живущие на Земле организмы с их уже вымершими предками. Сегодня, в виде окаменелостей сохранились древние останки многих из исчезнувших видов.

В осадочных породах можно обнаружить окаменелости. Возраст этих окаменелостей определяют с помощью передовых методов радиоизотопного датирования.

Это позволило ученным воссоздать примерную картину жизни на Земле любого – примерную, потому как сохранилась лишь малая доля останков из всего многообразия когда-либо существовавшего животного и растительного мира.

И все же, ясно одно по найденным окаменелостям: между исчезнувшими и существующими организмами есть система родственных связей, которая напоминает дерево, а на этом дереве в течение времени появляются все новые ветви.

Многие из этих ветвей засыхают и отмирают (например, динозавры), а другие ветви вырастают и расцветают. Если проследить любую из этих ветвей до самого основания, то в конечном итоге, придем к единому стволу – прародителю всех когда-либо живших организмов, то есть источнику происхождения жизни.

Следы в горной породе.

К сожалению, это непросто сделать. Примерно 4 500 млн. лет, по современным оценкам, составляет возраст Земли. Как считают, древнейшим окаменелостям не более 590 млн. лет, это соответствует началу кембрийского геологического периода (кембрия).

Найденные в породах кембрия окаменелости, включают останки различных форм жизни. Например, таких как: произошедших от своих примитивных предков, моллюсков и червей.

По-другому говоря, они были где-то в середине эволюционного дерева. Неясным остается их происхождение, в так называемую, эпоху докембрия, это в связи с тем, что не осталось никаких органических останков в породах этого периода.

Легко объяснить причину этого. Окаменелостей мягкотелые организмы не оставляют, потому что, обычно, после смерти, они прежде чем их окружающие отложения превратятся в твердую породу, успевают полностью разложиться.

Вероятнее всего, что большинство живших в докембрийский период организмов, были слишком хрупкими, чтобы оставить четкие отложения. Этот период составляет 80% всей истории Земли.

Но это вовсе не означает, что они совсем не оставили никаких следов. Двое исследователей, в начале 1950-х годов, приступили к тщательному изучению пласта породы на берегах Верхнее в .

Этот пласт породы, известной как кремнистый сланец, был возрастом 2000 млн. лет. Ничего органического, на первый взгляд, в них не было, но ученные, несмотря на это, решили с помощью микроскопа исследовать небольшие образцы колец.

Удивительное открытие.

Ими были обнаружены несомненные признаки древней жизни. Это были останки крошечных организмов, которые напоминают микроскопичные одноклеточные, жившие и поныне, бактерии и водоросли.

Эти хрупкие организмы пропитались каким-то чудесным образом стекловидным кремнеземом, который затвердел и превратился в кремнистый сланец, в котором эти организмы сохранились, подобно мухам в янтаре. Эти любопытные белые кольца в породе оказались размытыми останками колоний этих организмов.

Эта находка, которая содержала органические останки образцов, стала открытием. Изучение пород возобновили ученные всего мира. Их ожидало удивительное вознаграждение, после изучения тех пород, которые они ранее считали лишенными окаменелостей.

В западной части Австралии была обнаружена древнейшая на сегодняшний день форма жизни, около 3 500 млн. лет. А вот ожидаемых результатов не дало изучение самых древних из известных нам пород – гнейсов Амитсока на юго-западе Гренландии, возрастом 3 800 млн. лет.

Никаких чудес.

В том, что найденные первобытные останки напоминают современные и , биологи не находят ничего удивительного. Простейшими формами жизни всегда считались такие одноклеточные организмы, и естественно, что они – наиболее примитивные ее формы.

Способ существования одноклеточных форм жизни легко выяснить благодаря их простоте. Биологи, вместо изучения механизма функционирования мышц и органов, исследуют, как исходные химические вещества превращаются в «кирпичики» жизни – сахар, жиры и белки.

Простая клетка.

Для раскрытия тайны возникновения жизни эти исследования особенно важны. Поскольку, следующее превращение, которое положило начало всего процесса – из неорганических живых веществ в живую материю, должно было иметь место.

Сама по себе бактерия – питающая простейшая клетка; это наполненная жидкостью, студенистая оболочка, перерабатывающая простые химические вещества, которые состоят из азота, углерода, кислорода и водорода, в сложные органические соединения: углеводы, дающие ей энергию (сахар) и необходимые белки для ее роста.

Строение ДНК.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – органическое вещество, которое в конечном итоге управляет данными процессами. ДНК , кроме того, обладает еще одним важным свойством: она может сама себя воспроизводить.

Каждая молекула ДНК напоминает винтовую лестницу, в которой цепочки из атомов образуют боковые стороны с перемычками («ступеньками»), расположенными через разные промежутки.

При необходимости, вся молекула может раздваиваться, причем перемычки разделяются посередине. После раздвоения спирали укороченные «ступеньки» притягивают другие вещества, которые, присоединяясь, образуют недостающие половинки «лестницы» — таким образом, из одной спирали получаются две.

Является сущностью жизни этот простой прием. Одноклеточный организм, благодаря ему, растет и воспроизводит себя, расщепляется посередине и при этом копирует свой внутренний химический процесс.

Размножающиеся клетки, в более сложных формах жизни, совместно формируют многоклеточные структуры, каждая структура, при этом, это лишь часть крайне сложного процесса. Генетический код – управляет всем процессом. Этот код заложен в молекуле ДНК и отличается у разных видов и особей.

Функции ДНК.

Механизмами являются все жизненные процессы (питье, еда, выведение продуктов жизнедеятельности из организма), которые служат для обеспечения деятельности ДНК.

ДНК является очень сложной молекулой, чем сложнее форма жизни, тем сложнее ее ДНК . Из тысячи атомов состоит структура самой простой ДНК, эти атомы сгруппированы в нуклеотиды – это соединения фосфатов, сахаров и азотистых оснований.

Так же достаточно сложной структурой является сам по себе каждый нуклеотид. И к другим органическим молекулам, таким как углеводы и белки, это тоже относится. Из цепей аминокислот (которых всего 20 различных видов), расположенных в определенной последовательности, состоят белки.

Простая цепь может состоять из 100 звеньев, а сложная цепь – из нескольких тысяч звеньев. Генетическим кодом данного организма определяется вся структура.

В самой простой клетке бактерии содержатся ДНК, углеводы и белки, без которых функционировать она не сможет. Из известных сегодня форм жизни – эти клетки наиболее примитивная форма.

Из этого можно сделать вывод, что они произошли из неживых структур, которые синтезировали эти важнейшие элементы жизни до того, как нашли им органическое применение.

«Первичный бульон».

Каким был наш мир 3 800 млн. лет назад, не знает никто. Ученные Халдейн и Опарин, в 20-е годы выдвинули теорию, согласно которой, в те далекие времена Земли почти полностью была лишена кислорода, и состояла из водорода, аммиака, воды, метана, окиси углерода и ряда других веществ.

Они предполагали, что горячей водой была покрыта большая часть поверхности Земли, а кипение этой воды поддерживалось магмой, расплавленной породой, которая находится под тонкой океанической .

По их гипотезе, такая смесь горячей воды и газов могла привести к образованию, так называемого, «первичного бульона», который богат необходимыми для синтеза жизни химическими элементами.

Инициирована реакция, могла быть вулканической деятельностью, электрическим разрядом молнии или интенсивным ультрафиолетовым излучением, который проходит через тонкий слой атмосферы. Американским ученым Стэнли Миллером, в 1953 году, опытным путем была проверена данная теория.

Стэнли Миллер создал модель первозданного мира, которая состояла из двух колб и стеклянных трубок. В одной из этих колб находился раствор, состав которого, теоретически, соответствовал морской воде. Смесью газов он заполнил пространство над жидкостью.

Эта смесь газов так же, теоретически, соответствовала предполагаемой атмосфере. Эта колба была соединена трубкой с другой колбой, которая имела два электрода для получения искры – миниатюрной модели молнии.

Еще одна трубка отходила от искровой камеры, эта трубка вела к первой колбе через конденсатор П-образный коллектор.

Когда в нижней колбе Миллер нагрел смесь, она закипела и превратилась в газ, потом поступила в камеру с искрой, а затем сконденсировалась и стекла обратно в нижнюю колбу. Этот процесс проводили непрерывно в течение недели, а после жидкость откачали для анализа.

Результаты были положительными. Смесь, которая получилась, содержала три аминокислоты – соединения, из которых образуются белки. Эту идею подхватили многие исследователи. Они провели подобные этим эксперименты, и в результате, получили еще больше аминокислот, и даже простые нуклеотиды – строительные блоки ДНК.

Удивительные результаты.

Результаты этих экспериментов считают убедительными и они дают основания полагать, что весь белок (и не только он) мог быть синтезирован на протяжении нескольких миллиардов лет. ДНК, предположительно, тоже могла быть создана вместе с ее тысячами строго расположенных атомов.

Она, однажды возникнув, могла репродуцировать себя, создавать свои собственные белки и другие сложные органические вещества и развиваться в функциональную самовоспроизводящуюся форму жизни, такую как клетка бактерии.

Могло произойти нечто возможное, но математическая вероятность создания такого сложного вещества, как ДНК или белок, бесконечно мала в «первичном бульоне», в результате случайного соединения химических элементов.

На примере обезьяны с пишущей машинкой можно показать эту вероятность. Например, если дать обезьяне достаточное количество бумаги и позволить в течение нескольких лет печатать наобум, она сможет воспроизвести некоторые слова, но вероятность создания ею литературного шедевра практически равна нулю. По этому примеру, со словом можно сравнить аминокислоту, но шедевром, несомненно, является ДНК.

Сегодня данная теория признана многими ученными, которые продолжают поиск механизмов способствующих соединению аминокислот в белки без управления со стороны ДНК.

Если будет найден такой механизм, человечество сделает важный шаг на пути к пониманию загадки образования ДНК и, следовательно, к тому, чтобы выяснить происхождение жизни на Земле.

Это статья об эволюционной теории происхождения жизни, которую, конечно же еще полностью не заполнили, и которую можно много оспаривать, но мы этого делать не будем 😉

Известно, что научные журналы стараются не принимать к публикации статьи, посвященные проблемам, привлекающим всеобщее внимание, но не имеющим четкого решения, - серьезное издание по физике не будет публиковать проект вечного двигателя. Такой темой стало происхождение жизни на Земле. Вопрос о возникновении живой природы, о появлении человека волнует думающих людей многие тысячелетия, а однозначный ответ нашли для себя только креационисты - сторонники божественного происхождения всего сущего, но научной эта теория не является как не подлежащая проверке.

Взгляды древних

О появлении живых существ из воды и гниющих остатков повествуют древнекитайские и древнеиндийские рукописи, о рождении земноводных существ в илистых отложениях больших рек написано древнеегипетскими иероглифами и клинописью Древнего Вавилона. Гипотезы происхождения жизни на Земле путем самозарождения для мудрецов далекого прошлого были очевидны.

Античные философы также приводили примеры появления животных из неживой материи, но их теоретические обоснования имели разную природу: материалистическую и идеалистическую. Демокрит (460-370 до н. э.) находил причину возникновения жизни в особом взаимодействии мельчайших, вечных и неделимых частиц - атомов. Платон (428-347 до н. э.) и Аристотель (384-322 до н. э.) происхождение жизни на Земле объясняли чудесным воздействием на безжизненную материю высшего начала, вселяющего душу в объекты природы.

Идея о существовании некой «жизненной силы», способствующей появлению живых существ, оказалась очень стойкой. Она формировала взгляды на происхождение жизни на Земле у многих ученых, живших в средние века и позднее, вплоть до конца XIX века.

Теория самозарождения

Антони ван Левенгук (1632-1723 гг.) с изобретением микроскопа сделал открытые им мельчайшие микроорганизмы главным предметом спора между учеными, разделявшими две основные теории происхождения жизни на Земле - биогенез и абиогенез. Первые считали, что все живое может быть порождением только живого, вторые полагали возможным самозарождение органической материи в растворах, помещенных в особые условия. Суть этого спора не изменилась до сих пор.

Эксперименты одних натуралистов доказывали возможность самопроизвольного возникновения простейших микроорганизмов, сторонники биогенеза полностью отрицали такую вероятность. Луи Пастер (1822-1895 гг.) строго научными методами, высокой корректностью своих опытов доказал отсутствие мифической жизненной силы, передающейся по воздуху и порождающей живые бактерии. Однако в своих работах он допускал возможность самозарождения в каких-то особых условиях, выяснить которые предстояло ученым будущих поколений.

Теория эволюции

Труды великого Чарльза Дарвина (1809-1882 гг.) потрясли основы многих естественных наук. Провозглашенное им появление огромного многообразия биологических видов от одного общего предка опять сделало происхождение жизни на Земле важнейшим вопросом науки. Теория естественного отбора и в начале с трудом находила своих сторонников, и теперь подвергается критическим атакам, которые выглядят достаточно обоснованно, но именно дарвинизм лежит в основе современных естественных наук.

После Дарвина происхождение жизни на Земле биология не могла рассматривать с прежних позиций. Ученые многих отраслей биологической науки убеждались в истинности эволюционного пути развития организмов. Пусть во многом изменились современные взгляды на общего предка, помещенного Дарвиным в основание Древа жизни, но истинность общей концепции незыблема.

Теория стационарного состояния

Лабораторное опровержение спонтанного самозарождения бактерий и других микроорганизмов, осознание сложного биохимического строения клетки вместе с идеями дарвинизма оказали особое влияние на появление альтернативных вариантов теории происхождения жизни на Земле. В 1880 году одно из новых суждений предложил Вильям Прейер (1841-1897 гг.). Он считал, что нет необходимости говорить о рождении жизни на нашей планете, так как она существует вечно, и у неё не было начала как такового, она неизменна и постоянно готова к возрождению в любых подходящих условиях.

Идеи Прейера и его последователей представляют собой только чисто исторический и философский интерес, потому что в дальнейшем астрономы и физики рассчитали сроки конечного существования планетарных систем, зафиксировали постоянное, но неуклонное расширение Вселенной, т. е. она никогда не была ни вечной, ни постоянной.

Стремление рассматривать мир как единую глобальную живую сущность перекликалось со взглядами великого ученого и философа из России - Владимира Ивановича Вернадского (1863-1945 гг.), также имевшего своё представление о происхождении жизни на Земле. Оно основывалось на понимании жизни как неотъемлемой характеристики Вселенной, космоса. По мнению Вернадского, то, что наука не смогла найти пластов, не содержавших следов органических веществ, говорило о геологической вечности жизни. Одним из способов, которым жизнь появилась на молодой планете, Вернадский называл её контакты с космическими объектами - кометами, астероидами и метеоритами. Тут его теория смыкалась с другой версией, объяснявшей происхождение жизни на Земле методом панспермии.

Колыбель жизни - космос

Панспермия (греч. - "семенная смесь", "семена повсюду") считает жизнь фундаментальным свойством материи и не объясняет способов её возникновения, но называет космос источником зародышей жизни, которые попадают на небесные тела с подходящими для их «прорастания» условиями.

Первое упоминание об основных концепциях панспермии можно найти в сочинениях древнегреческого философа Анаксагора (500-428 до н. э.), а в XVIII веке о ней высказывался французский дипломат и геолог Бенуа де Майе (1656-1738 гг.). Реанимировали эти идеи Сванте Август Аррениус (1859-1927 гг.), лорд Кельвин Уильям Томсон (1824-1907 гг.) и Герман фон Гельмгольц (1821-1894 гг.).

Исследование жестокого влияния на живые организмы космического излучения и температурных условий межпланетного пространства сделало подобные гипотезы происхождения жизни на Земле не слишком актуальными, но с началом космической эры интерес к панспермии усилился.

В 1973 году нобелевский лауреат Френсис Крик (1916-2004 гг.) высказал мысль о внеземном производстве молекулярных живых систем и попадании их на Землю с метеоритами и кометами. При этом шансы абиогенеза на нашей планете им оценивались как очень низкие. Происхождение и развитие жизни на Земле методом самосборки органического вещества высокого уровня видный ученый не считал реальностью.

Окаменевшие биологические структуры находили в метеоритах по всей планете, подобные следы нашли в образцах грунта, доставленных с Луны и Марса. С другой стороны, проводятся многочисленные эксперименты по обработке биоструктур воздействиями, возможными при нахождении их в космическом пространстве и при прохождении атмосферы, подобной земной.

Важный эксперимент был проведен в 2006 году в рамках миссии Deep Impact. Комета Темпеля была протаранена специальным зондом-импактором, выпущенным автоматическим аппаратом. Анализ кометного вещества, которое выделилось в результате удара, показал наличие в нем воды и многообразных органических соединений.

Вывод: со времени появления теория панспермии значительно изменилась. Современная наука по-другому трактует те первичные элементы жизни, которые могли быть доставлены на нашу молодую планету космическими объектами. Исследования и эксперименты доказывают жизнестойкость живых клеток в условиях межпланетного путешествия. Всё это делает идею внеземного происхождения земной жизни актуальной. Основными концепциями происхождения жизни на Земле являются теории, в которые панспермия входит или как главная часть, или как способ доставки на Землю компонентов для создания живой материи.

Теория биохимической эволюции Опарина-Холдейна

Идея самозарождения живых организмов из неорганических веществ всегда оставалась чуть ли не единственной альтернативой креационизму, и в 1924 году вышла монография из 70 страниц, придавшая этой идее силу проработанной и обоснованной теории. Эта работа называлась «Происхождение жизни», автором её был русский ученый - Александр Иванович Опарин (1894-1980 гг.). В 1929 году, когда труды Опарина еще не были переведены на английский язык, похожие концепции происхождения жизни на Земле высказал английский биолог Джон Холдейн (1860-1936 гг.).

Опарин предположил, что, если примитивная атмосфера молодой планеты Земля была восстановительной (то есть не содержащей кислорода), мощный всплеск энергии (например, молния или ультрафиолетовое излучение) мог способствовать синтезу органических соединений из неорганического вещества. В дальнейшем такие молекулы могли образовывать сгустки и скопления - коацерватные капли, представляющие собой протоорганизмы, вокруг которых образуются водные рубашки - зачатки оболочки-мембраны, происходит расслоение, порождающее разность зарядов, значит, движение - начало обмена веществ, зачатки метаболизма и т. д. Коацерваты считались основой для начала эволюционных процессов, которые привели к созданию первых жизненных форм.

Холдейн ввел понятие «первичного бульона» - начального земного океана, ставшего огромной химической лабораторией, подключенной к мощному источнику питания - солнечному свету. Сочетание диоксида углерода, аммиака и ультрафиолетового излучения привело к появлению концентрированной популяции органических мономеров и полимеров. Впоследствии такие образования соединялись с появлением вокруг них липидной мембраны, и их развитие привело к образованию живой клетки.

Основные этапы происхождения жизни на Земле (по Опарину-Холдейну)

Согласно теории возникновения Вселенной из сгустка энергии, Большой Взрыв произошел около 14 млрд лет назад, а около 4,6 млрд лет назад завершилось создание планет Солнечной системы.

Молодая Земля, постепенно охлаждаясь, обрела твердую оболочку, вокруг которой происходило образование атмосферы. Первичная атмосфера содержала водяные пары и газы, в дальнейшем послужившие сырьем для органического синтеза: оксид и диоксид углерода, сероводород, метан, аммиак, цианистые соединения.

Бомбардировка космическими объектами, содержащими воду в замерзшем состоянии, и конденсация водных паров в атмосфере привели к образованию Мирового океана, в котором растворялись различные химические соединения. Мощные грозы сопровождали формирование атмосферы, сквозь которую проникало сильное ультрафиолетовое излучение. В таких условиях происходил синтез аминокислот, сахаров и другой простейшей органики.

В конце первого миллиарда лет существования Земли начался процесс полимеризации в воде простейших мономеров в белки (полипептиды) и нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды). Они начали образовывать предбиологические соединения - коацерваты (с зачатками ядра, метаболизма и мембраны).

3,5-3 млрд лет до нашей эры - этап образования протобионтов, обладающих самовоспроизведением, регулируемым обменом веществ, мембраной с изменяемой проницаемостью.

3 млрд лет до н. э. - появление клеточных организмов, нуклеиновых кислот, первичных бактерий, начало биологической эволюции.

Экспериментальные доказательства гипотезы Опарина-Холдейна

Многие ученые положительно оценили основные концепции происхождения жизни на Земле на основе абиогенеза, хотя с самого начала находили в теории Опарина-Холдейна узкие места и недоговоренности. В разных странах начались работы по проведению тестовых исследований гипотезы, из которых наиболее известен классический эксперимент, проведенный в 1953 году американскими учеными Стенли Миллером (1930-2007 гг.) и Гарольдом Юри (1893-1981 гг.).

Суть эксперимента заключалась в моделировании в лаборатории условий ранней Земли, в которых мог происходить синтез простейших органических соединений. В приборе циркулировала газовая смесь, аналогичная по составу первичной земной атмосфере. Конструкция прибора обеспечивала имитацию вулканической деятельности, а пропускаемые через смесь электрические разряды создавали эффект молний.

После недельного циркулирования смеси по системе был отмечен переход десятой части углерода в органические соединения, были обнаружены аминокислоты, сахара, липиды и соединения, предшествующие аминокислотам. Повторные и модифицированные опыты полностью подтвердили возможность абиогенеза в имитируемых условиях ранней Земли. В последующие годы в других лабораториях были проведены повторные опыты. К составу газовой смеси добавлялся сероводород как возможный компонент вулканических выделений, вносились другие некардинальные изменения. В большинстве случаев опыт синтеза органических соединений удавался, хотя попытки пойти дальше и получить более сложные элементы, приближающиеся по составу к живой клетке, успехом не увенчались.

Мир РНК

К концу XX века многим ученым, которых не переставала интересовать проблема происхождения жизни на Земле, стало понятно, что при всей стройности теоретических построений и отчетливом опытном подтверждении теория Опарина-Холдейна имеет явные, может быть, непреодолимые изъяны. Главным из них являлась невозможность объяснить появление у протобионтов определяющих для живого организма свойств - размножаться с сохранением наследственных признаков. С открытием генетических клеточных структур, с определением функции и строения ДНК, с развитием микробиологии появился новый кандидат на роль молекулы первожизни.

Им стала молекула рибонуклеиновой кислоты - РНК. Эта макромолекула, входящая в состав всех живых клеток, представляет собой цепь нуклеотидов - простейших органических звеньев, состоящих из атомов азота, моносахарида - рибозы и фосфатной группы. Именно последовательность нуклеотидов является кодом наследственной информации, и у вирусов, например, РНК выполняет ту роль, что у сложных клеточных структур играет ДНК.

Кроме того, учеными открыта уникальная способность некоторых молекул РНК вносить разрывы в другие цепочки или склеивать отдельные элементы РНК, а некоторые играют роль автокатализаторов - то есть способствуют быстрому самовоспроизведению. Относительно небольшие размеры макромолекулы РНК и её упрощенное, по сравнению с ДНК, строение (в одну нить) сделали рибонуклеиновую кислоту главным кандидатом на роль основного элемента добиологических систем.

Окончательно новую теорию возникновения живой материи на планете сформулировал в 1986 году Уолтер Гилберт (род. 1932 г.) - американский физик, микробиолог и биохимик. Не все специалисты были согласны с таким взглядом на происхождение жизни на Земле. Кратко названная «Мир РНК», теория строения добиологического мира нашей планеты не может ответить на простой вопрос, как появилась первая молекула РНК с заданными свойствами, даже если присутствовало огромное количество «строительного материала» в виде нуклеотидов и т. д.

Мир ПАУ

Ответ постарался найти в мае 2004 года Саймон Николас Платтс, а в 2006 году группа ученых под руководством Паскаль Эренфройнд. В качестве исходного материала для РНК с катализирующими свойствами были предложены полиароматические углеводороды.

Мир ПАУ был основан на большой распространенности этих соединений в видимом космосе (они наверняка присутствовали в «первичном бульоне» молодой Земли) и особенностях их кольцеобразного строения, способствующего быстрому соединению с азотистыми основаниями - ключевыми компонентами РНК. Теория ПАУ в очередной раз говорит о злободневности некоторых положений панспермии.

Уникальная жизнь на уникальной планете

Пока у ученых не будет возможности вернуться на 3 млрд лет назад, тайна возникновения жизни на нашей планете не будет раскрыта - к такому выводу приходят многие из тех, кто занимался этой проблемой. Основными концепциями происхождения жизни на Земле являются: теория абиогенеза и теория панспермии. Они могут во многом пересекаться, но, скорее всего, не смогут ответить: как среди огромного космоса появилась удивительно точно сбалансированная система из Земли и её спутника - Луны, как зародилась на ней жизнь…

Представление о жизни на Земле неоднозначно. Существует несколько гипотез о происхождении жизни на Земле.

Креационизм – земная жизнь была создана Творцом. Представления о Божественном сотворении мира придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. Ни доказать, ни опровергнуть креационистическую концепцию в настоящее время невозможно.

Гипотеза вечности жизни – жизнь, как и сама Вселенная, существовала всегда, и будет существовать вечно, не имея начала и конца. Вместе с тем отдельные тела и образования – галактики, звезды, планеты, организмы – возникают и погибают, т.е. существование во времени ограничено. Жизнь могла распространяться от одной галактики к другой и эта идея «заноса» на Землю жизни из Космоса называется панспермией . Идеи «вечности и безначальности» жизни придерживались многие ученые, среди них С.П. Костычев, В.И. Вернадский.

Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни из неживой материи. Идеи о самозарождении жизни высказывались еще со времен античности. На протяжении тысячелетий они верили в возможность постоянного самопроизвольного зарождения жизни , считая его обычным способом появления живых существ из неживой материи. По мнению многих ученых средневековья, рыбы могли зарождаться из ила, черви – из почвы, мыши – из тряпок, мухи – из гнилого мяса.

В XVII в. итальянский ученый Ф. Реди экспериментально показал невозможность постоянного самозарождения живого. В нескольких стеклянных сосудах он поместил кусочки мяса. Часть из них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Личинки мух появились только в открытых сосудах, в закрытых их не было. Принцип Реди: «живое – от живого». Окончательно версия о постоянном самозарождении живых организмов была опровергнута в середине XIX в. Л. Пастером. Опыты убедительно показывали, что в современную эпоху живые организмы любого размера происходят от других живых организмов.

Гипотеза биохимической эволюции. По представлениям, высказанным в 20-х гг. ХХ в. А.И.Опариным, а затем Дж. Холдейном, жизнь, а точнее, живое, возникло из неживой материи на Земле в результате биохимической эволюции .

Условия возникновения жизни при биохимической эволюции

В настоящее время учеными предложены более или менее вероятные объяснения, каким образом в первичных условиях Земли из неживой материи постепенно, шаг за шагом, развились разнообразные формы жизни. Возникновению жизни путем химической эволюции способствовали следующие условия:

— первоначальное отсутствие жизни;

— наличие в атмосфере соединений, обладающих восстановительными свойствами (при почти полном отсутствии кислорода О 2);

— наличие воды и биогенных веществ;

— наличие источника энергии (относительно высокая температура, мощные электрические разряды, высокий уровень УФ-излучения).

Механизм возникновения жизни

Возраст Земли составляет около 4,6–4,7 млрд. лет. Жизнь имеет свою историю, начавшуюся, по палеонтологическим данным, 3–3,5 млрд. лет назад.

В 1924 г. русский академик А.И. Опарин выдвинул гипотезу о механизме зарождения жизни. В 1953 г. американские ученые С. Миллер и Г. Юри экспериментально подтвердили гипотезу образование органических веществ (мономеров) из газов, присутствующих в первичной атмосфере Земли.

В настоящее время имеется уже достаточно много неоспоримых доказательств того, что первичная атмосфера Земли была бескислородной и, вероятно, состояла главным образом из водяных паров H 2 O, водорода H 2 и углекислого газа CO 2 с небольшой примесью других газов (NH 3 , CH 4 , CO, H 2 S). Возникшая на Земле жизнь постепенно изменила эти условия и преобразовала химию верхних оболочек планеты.

Происхождение жизни на Земле — подробности для пытливых умов

Согласно биохимической теории А.И. Опарина в отсутствие кислорода и живых организмов, абиогено синтезировались простейшие органические соединения – мономеров , предшественники биологических макромолекул живого вещества и ряда других органических соединений.

Возможными источниками энергии для образования органических веществ без участия живых организмов, видимо, являлись электрические разряды, ультрафиолетовое излучение, радиоактивные частицы, космические лучи, ударные волны от метеоритов, попадавших в земную атмосферу, теплота от интенсивной вулканической деятельности. В отсутствие кислорода, который мог бы их разрушить, а также живых организмов, которые использовали бы их в качестве пищи, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане – «первичном бульоне ».

Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров, опять же без участия живых организмов. Американский ученый С. Фокс в результате нагревания смеси сухих аминокислот получил полипептиды различной длины. Они были названы протеиноидами, т.е. белковообразными веществами. Видимо, на первобытной Земле образование таких протеиноидов и полинуклеотидов со случайной последовательностью аминокислот или нуклеотидов могло происходить при испарении воды в водоемах, остававшихся после отлива.

Если полимер образовался, он способен влиять на образование других полимеров. Некоторые протеиноиды способны, подобно ферментам, катализировать определенные химические реакции: именно эта способность, наверное, была главной чертой, определившей их последующую эволюцию. Эксперименты показывают, что один полинуклеотид, возникший из смеси нуклеотидов может служить матрицей для синтеза другого.

Полипептиды благодаря их амфотерности формировали коллоидные гидрофильные комплексы (т.е. молекулы воды, образуя вокруг белковых молекул оболочку, обособляли их от всей массы воды). При этом отдельные комплексы ассоциировались друг с другом, что приводило к образованию обособленных от первичной среды капель коацерватов , способных поглощать и избирательно накапливать различные соединения . Естественный отбор способствовал выживанию наиболее устойчивых коацерватных систем, способных к дальнейшему усложнению.

Дальнейшая самоорганизация сложных молекул, происходившая за счет концентрирования на границе между коацерватами и внешней средой молекул липидов, привела к образованию перегородок мембранного типа. Во внутренних полостях коацерватов, куда уже только выборочно проникать молекулы, началась эволюцию от химических реакций к биохимическим. Одной из важнейших ступеней этой теории явилось объединение способности полинуклеотидов с каталитической активностью белков-ферментов.

Точка зрения Опарина и его сторонников по существу сформировала гипотезу голобиоза : структурную основу доклеточного предка (биоида) составляют жизнеподобные открытые (коацерватные) микросистемы, типа клеточной, способные к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма . Первичной белковая субстанция.

Гипотеза генобиоза : первичной была макромолекулярная система, подобная гену, способная к саморепродукции . Первичной признана молекула РНК.

Начальные этапы развития жизни на Земле

Современное представление о жизни на Земле сводится к тому, что первые примитивные клетки появились в водной среде Земли 3,8 млрд. лет назад – анаэробные, гетеротрофные прокариоты , они питались синтезированными абиогенно органическими веществами или менее удачливыми своими собратьями; энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения.

При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности , т.е. к синтезу органических орг. веществ из неорганических. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии . Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света – фотосинтез .

Для первых фотосинтезирующих бактерий источником электронов был сероводород. Значительно позже у цианобактерий (синезеленых водорослей) развился более сложный процесс получения электронов из воды. В качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания . Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.

Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного симбиогенеза эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга. Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов, а возможно, и жгутиков от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размерам анаэробной клетки.

Глубокие преобразования в строении и функционировании значительно увеличили эволюционные возможности эукариот, которые, появившись всего 0,9 млрд. лет назад, смогли достигнуть многоклеточного уровня и сформировать современную флору и фауну. Для сравнения следует сказать, что с момента появления первых прокариотических клеток (3,8 млрд. лет назад) до появления первых эукариотических клеток потребовалось 2,5 млрд. лет.

Происхождение жизни на Земле: Основные этапы развития биосферы

Эон	Эра	Период	Возраст (начало), млн. лет	Органический мир
1	2	3	4	5
Криптозой	Архей		4500±100	Образование Земли. Возникновение прокариот и примитивных эукариот.
	Протерозой		2600±100	Распространены водоросли, бактерии, все типы беспозвоночных.
Фанерозой	Палеозой	Кембрий	570±10	Процветание водорослей и водных беспозвоночных.
		Ордовик	495±20
		Силур	418±15	Появление наземных растений (псилофитов) и беспозвоночных.
		Девон	400±10	Богатая флора псилофитов, появляются мхи, папоротниковидные, грибы, кистеперые и двоякодышащие рыбы.
		Карбон	360±10	Обилие древовидных папоротников, исчезновение псилофитов. Доминируют земноводные, моллюски, рыбы; появляются рептилии.
		Пермь	290±10	Богатая флора травянистых и семенных папоротников, появление голосеменных; вымирание древовидных папоротниковидных. Господство морских беспозвоночных, акул; развитие рептилий; вымирают трилобиты.
	Мезозой	Триас	245±10	Преобладают древние голосемянные; вымирают семенные папоротники. Преобладают земноводные, рептилии; появляются костистые рыбы, млекопитающие.
		Юра	204±5	Господствуют современные голосемянные; появляются первые покрытосемянные; вымирают древние голосемянные. Господствуют гигантские рептилии, костистые рыбы, насекомые.
		Мел	130±5	Доминируют современные покрытосемянные; сокращаются папоротники и голосемянные. Преобладают костистые рыбы, первоптицы, мелкие млекопитающие; вымирают гигантские рептилии.
	Кайнозой	Палеоген	65±3	Широко распространены покрытосемянные, особенно травянистые. Доминируют млекопитающие, птицы, насекомые. Исчезают многие рептилии, головоногие моллюски.
		Неоген	23±1
		Антропоген (четвертич.)	1,8	Современный растительный и животный мир. Эволюция и господство человека.

Многообразие живых организмов – основа организации и

устойчивости биосферы

Современное биологическое разнообразие: на Земле от 5 до 30 млн. видов. Биологическое разнообразие – как результат взаимодействия двух процессов – видообразования и вымирания. Биологическое разнообразие – наиболее ценный «ресурс» планеты. Биологическое разнообразие включает два понятия: генетическое разнообразие или многообразие генетических свойств у особей одного вида и видовое разнообразие или число различных видов внутри сообщества или всей биосферы. Биоразнообразие обеспечивает новыми источниками питания, энергии, сырья, химических и лекарственных продуктов. Генетическое разнообразие позволяет видам совершенствоваться, приспосабливаться, использовать необходимые ресурсы, найти место в биогеохимическом круговороте Земли. Биоразнообразие – страховая политика природы против катастроф.

Структура биологического разнообразия. Единицы системы – демы и популяции. Генофонд популяции.

Эволюция биологического разнообразия. Сквозная эволюционная тенденция – увеличение разнообразия , прерываемое резкими спадами в результате массовых вымираний видов.

Воздействие человека на биологическое разнообразие. Прямой ущерб в результате человеческой деятельности. Косвенный ущерб от воздействий, нарушающих сбалансированные соотношения и процессы в экосистемах.

Сохранение биологического разнообразия. Инвентаризация и охрана биологического разнообразия. Сочетание прав человека с правами животных. Биоэтика. Сочетание этических принципов и экономических интересов. Сохранение и естественная эволюция биологического разнообразия.

Биологическое разнообразие как индикатор воздействий. Используются как отдельные компоненты биологического разнообразия, так и суммарные показатели. Нарушение структуры функции или сукцессионной последовательности развития экосистемы обычно выражается в сокращении биологического разнообразия.

В настоящее время на Земле описано около 3 млн. видов живых организмов. В современной систематике живых организмов существует следующая иерархия таксонов: царство, отдел (тип в систематике животных), класс, порядок (отряд в систематике животных), семейство, род, вид. Кроме того, выделяют промежуточные таксоны: над- и подцарства, над- и подотделы и т.д.