Где появилась первая жизнь на земле. Жизнь на Земле (7 фото). Щелочные и прохладные гидротермальные жерла
Доктор геолого-минералогических наук И. А. РЕЗАНОВ
Говоря языком литературы, жизнь родилась, «когда Земля вскрикнула». Но чтобы Земля вскрикнула, оказалось недостаточно опыта профессора Челленджера и мало воображения Конан-Дойля, заставившего своего героя бурить скважину. Если говорить научным языком, то я полагаю, что мы обязаны жизнью двум катастрофам космического масштаба. По-моему, лишь один источник информации способен достоверно рассказать, какие события привели к возникновению жизни,- это «каменная летопись» планеты.
Неспециалисту трудно поверить, что радиоактивный анализ позволяет не только точно датировать эпизоды геологического сценария даже такой непредставимой давности, но и воссоздать картины физических процессов того времени. Как же из мертвой материи возникла жизнь?
Согласно новейшим геологическим данным, в первые 600 миллионов лет существования Земли (4,0-3,9 млрд лет назад) на планете царили такие экстремальные условия, что жизнь была невозможна. Плотная атмосфера состояла в основном из водорода с примесью гелия. Жерла многочисленных вулканов извергали углекислоту, метан, аммиак, сероводород и другие газы. Анализ камней-патриархов показал, что давление доходило до шести тысяч атмосфер, поверхность планеты нагревалась до 600 °С, то есть в этом адском пекле было жарче, чем сейчас на Венере, где жизнь не обнаружена.
А вот породы помоложе, родившиеся 3,8 миллиарда лет назад и позже, формировались уже в условиях, близких к современным. Эти страницы каменной летописи свидетельствуют, что к тому времени плотная и сильно нагретая водородная атмосфера покинула планету. Понять, чем это спровоцировано, удалось, только дождавшись возвращения космических аппаратов с Луны. Изучая пробы лунного грунта, селенологи в этом космическом приложении к каменной летописи Земли прочитали, что 3,9 миллиарда лет назад в Солнечной системе произошла гигантская катастрофа. Лунные моря — кратерообразные воронки диаметром до 1200 километров — именно в то время были выбиты при бомбардировке гигантскими астероидами. Космические тела, бомбя Луну, дали ей мощный импульс тепла, которое разогрело ее недра до плавления. С тех пор на поверхности Луны выделяются два типа рельефа: светлые «материки» и темные «моря», залитые расплавленными базальтами.
Наиболее вероятная причина катастрофы, полагали академик В. Г. Фесенков и многие другие астрономы,- это взрыв планеты, орбита которой совпадала с поясом астероидов, расположенным между орбитами Марса и Юпитера.
Если мерить масштабами Солнечной системы, то Луна недалеко от Земли. Следовательно, и на Землю обрушился шквал астероидов и метеоритов. Все знают, что звук передается благодаря колебаниям молекул. Если на Луне и тогда атмосферы не было, то все эти катаклизмы вершились в жуткой тишине (для человека, конечно, если бы он там мог присутствовать). Но что за циклопическую симфонию услышал бы свидетель над нашей планетой? Пожалуй, слабо сказать вслед за Конан-Дойлем, что «Земля вскрикнула». Она взревела. Падая, обломки-астероиды вызвали мощные воздушные течения, и в пекле стало на 100 градусов жарче. Дополнительного тепла хватило, чтобы сорвать с Земли ее водородное одеяние. И только после этого на Земле появились подходящие условия для возникновения жизни. Как говорится, не было бы счастья, да несчастье помогло.
Получается, что катастрофа стала необходимым условием рождения жизни, но было ли этого достаточно? Нет, потому что на поверхности Земли не осталось ни атмосферы, ни гидросферы, а кора и мантия расплавились. Планету обволакивала расплавленная, вязкая гранитная кора, не пропускавшая сквозь себя газы. Газы копились в менее вязкой мантии. Лишь при давлении не менее десяти тысяч атмосфер и температуре не ниже 1000° плохо растворимые в магме газы СО, С02, Н2, СН4, NH3 прорывались сквозь кору в виде гигантских струй.
Известно, что при вулканическом извержении образуются сложные органические соединения (аминокислоты, сахара, порфирины). Так, только за одно извержение вулкана Тятя на Курильских островах в 1973 г. в пепле накопилось 200 тонн сложной органики. Сколько же ее образовалось на планете после срыва первичной водородной атмосферы с Земли, когда то и дело фонтанировали гигантские газовые струи с интенсивностью, в тысячи раз превышающей силу нынешних вулканических извержений? В ту пору в жерлах газовых вулканов ежегодно синтезировались миллионы тонн органических соединений. За геологически короткое время (первые миллионы лет) на поверхности планеты испекся слоеный пирог толщиной в несколько десятков метров из чередующихся прослоек пепла и органических соединений.
Обилие органики было второй необходимой причиной для рождения жизни на Земле. Но и этого было недостаточно. Чего же еще?
Более ста лет назад знаменитый французский естествоиспытатель Луи Пастер обнаружил, что органические соединения в составе растений и животных оптически асимметричны — они вращают плоскость поляризации падающего на них света. Все аминокислоты, входящие в состав животных и растений, вращают плоскость поляризации влево, а все сахара — вправо. Если мы синтезируем такие же по химическому составу соединения, то в каждом из них будет равное количество лево- и правовращающих молекул.
Теперь представьте себе, что среда с левыми и правыми молекулами перешла в состояние только с левыми или только с правыми молекулами. Такую среду специалисты называют хирально (от греческого слова «хейра» — рука) упорядоченной. Самовоспроизведение живого (биопоэз — по определению Д. Бернала) могло возникнуть и поддерживаться только в такой среде.
Советский ученый Л. Л. Морозов доказал, что переход к хиральной упорядоченности мог произойти не эволюционно, а только при резком фазовом изменении. Академик В. И. Гольданский назвал этот переход хиральной катастрофой. Все-таки ученые отличаются от остальных людей не только знаниями. Все привыкли считать, что катастрофа — это нечто ужасающее, а физики назвали катастрофой явление, благодаря которому зародилась жизнь и, в конечном счете, они сами.
Как же возникли условия для фазовой катастрофы, вызвавшей хиральный переход?
Наиболее важным было то, что нижние слои нарастающего пепло-органического пирога жарились на разогретой до 600 земной коре, а верхние остывали до температуры космоса, то есть абсолютного нуля. Перепад температуры достигал 1000°. Ясно, что низ пирога пригорал, то есть органические молекулы плавились под действием высокой температуры и даже полностью разрушались, а верх пирога оставался до поры до времени непропеченным, так как органические молекулы замораживались. Конечно, газы и, воз- можно, пары воды, которые просачивались из земной коры, меняли химический состав органических соединений. Газы несли с собой тепло, из-за чего граница плавления органического слоя смещалась вверх и вниз.
При очень низких давлениях атмосферы вода была на земной поверхности лишь в виде пара и льда. Когда же давление достигало так называемой тройной точки воды (0,006 атмосферы), вода впервые смогла находиться в виде жидкости.
Конечно, лишь экспериментально можно доказать, что именно вызвало хиральный переход: земные или космические причины. Но так или иначе в какой-то момент хирально упорядоченные молекулы (а именно — левовращающие аминокислоты и правовращающие сахара) оказались более устойчивыми и начался неостановимый рост их количества — хиральный переход.
Каменная летопись повествует и о том, что тогда на Земле не было ни гор, ни впадин. Полурасплавленная гранитная кора представляла собой поверхность столь же ровную, как уровень современного океана. Однако в пределах этой равнины все же были понижения из-за неравномерного распределения масс внутри . Эти понижения сыграли чрезвычайно важную роль. Дело в том, что плоскодонные впадины поперечником в сотни и даже тысячи километров и глубиной не более ста метров, вероятно, и стали колыбелью жизни. Ведь в них стекала вода, собиравшаяся на поверхности планеты. Вода разбавляла хиральные органические соединения в пепловом слое. Постепенно менялся химический состав соединения, стабилизировалась температура. Переход от неживого к живому, начавшийся в безводных условиях, продолжался уже в водной среде.
Таков ли сюжет зарождения жизни ? Вероятнее всего, что да. В геологическом разрезе Исуа (Западная Гренландия), возраст которого 3,8 миллиарда лет, найдены бензино- и нефтеподобные соединения с изотопным соотношением С12/С13, свойственным углероду фотосинтетического происхождения. Если биологическая природа углеродистых соединений из разреза Исуа подтвердится, то получится, что весь сюжет — от возникновения хиральной органики до появления клетки, способной к фотосинтезу и размножению,- был разыгран лишь за сто миллионов лет.
Космическое по масштабам явление, предсказанное на кончике пера советскими учеными, ждет своего экспериментального подтверждения, чтобы перейти из разряда дерзких гипотез в почетный разряд теорий.
Жизнь – результат эволюции или творения? Эта дилемма беспокоит умы не одного поколения ученых. Нескончаемые споры на этот счет порождают всё более любопытные теории.
Порядок против хаоса
Второй закон термодинамики (энтропия) гласит, что все элементы космоса движутся от порядка к хаосу. На это обращает внимание ученый из НАСА Роберт Дестроу, который утверждает, что «вселенная останавливается как часы». Креационисты опираются на закон энтропии, чтобы доказать несостоятельность точки зрения эволюционистов, которая предполагает самопроизвольное развитие и усложнение всех элементов окружающего мира.
Теолог XIX столетия Уильям Пели провел следующую аналогию. Мы знаем, что карманные часы не возникли сами собой, а были сделаны человеком: из этого следует, что такая сложная структура как человеческий организм тоже результат творения.
Чарльз Дарвин противопоставил этой точке зрения свою теорию о силе естественного отбора, которая, опираясь на наследственную изменчивость в процессе длительной эволюции, способна сформировать сложнейшие органические структуры.
«Но из неживой материи не могла появиться органическая жизнь», – указывали креационисты на уязвимое место теории Дарвина.
Лишь сравнительно недавно исследования химиков Стэнли Миллера и Гарольда Юри позволили получить аргументы в защиту теории эволюции.
Эксперимент американских ученых подтвердил гипотезу о том, что на примитивной Земле существовали условия, способствовавшие возникновению биологических молекул из неорганических веществ. Согласно их выводам, молекулы образовались в атмосфере в результате обычных химических реакций, а затем, попав с дождем в океан, привели к зарождению первой клетки.
Сколько лет Земле?
В 2010 году американский биохимик Даглас Теобальд попытался доказать, что у всего живого на Земле есть общий предок. Он математически проанализировал последовательности наиболее распространенных белков и выявил, что выбранные молекулы есть и у человека, и у мухи, и у растений, и у бактерий. Вероятность общего предка по расчетам ученого составила 102860.
Согласно теории эволюции, процесс перехода от простейших организмов к высшим занимает миллиарды лет. Но креационисты заявляют, что это невозможно, так как возраст Земли не превышает нескольких десятков тысяч лет.
Все виды животных и растений, по их мнению, появились практически одновременно и независимо друг от друга – в том виде, в котором мы можем наблюдать их сейчас.
Современная наука, опираясь на данные радиоизотопного анализа земных образцов и метеоритного вещества определяет возраст Земли цифрой 4,54 млрд. лет. Однако, как показали некоторые эксперименты, такой метод датирования может иметь очень серьезные погрешности.
В 1968 году американский «Журнал географических исследований» опубликовал данные радиоизотопного анализа вулканических пород, образовавшихся на Гавайях в результате извержения вулкана, произошедшего в 1800 году. Возраст пород был определен диапазоном от 22 млн. до 2 млрд. лет.
Много вопросов оставляет и радиоуглеродный анализ, с помощью которого производят датировку биологических останков. Такой метод позволяет установить предельный возраст образцов в 60 000 лет с 10 периодами полураспада углерода-14. Но как объяснить то, что углерод-14 находят в образцах «юрской древесины»? «Только тем, что возраст Земли необоснованно состарили», – настаивают креационисты.
Палеонтолог Гарольд Коффин отмечает, что образование осадочных пород происходило неравномерно и по ним сложно узнать истинный возраст нашей планеты. К примеру, окаменелости ископаемых деревьев близ Джоггинса (Канада), вертикально пронизывающие слой земли на 3 и более метров, свидетельствуют о том, что растения были погребены под толщей пород за очень короткий промежуток времени в результате катастрофических событий.
Стремительная эволюция
Если допустить, что Земля не такая древняя, возможно ли, чтобы эволюция «вписалась» в более сжатые временные рамки? Команда американских биологов под руководством Ричарда Ленски в 1988 году решила провести долговременный эксперимент, моделирующий в лабораторных условиях эволюционный процесс на примере бактерии кишечной палочки.
12 колоний бактерий поместили в идентичную среду, где в качестве источника питания присутствовала только глюкоза, а также цитрат, который при наличии кислорода не мог усваиваться бактериями.
Ученые наблюдали за кишечной палочкой в течение 20 лет, за это время сменилось более 44 тыс. поколений бактерий. Кроме типичных для всех колоний изменений в размерах бактерий ученые обнаружили интересную особенность, присущую лишь одной колонии: в ней бактерии где-то между 31-й и 32-й тысячей поколений проявили способность усваивать цитрат.
В 1971 году итальянские ученые завезли 5 особей стенных ящериц на остров Под Маркару, находящийся в Адриатическом море. В отличие от прежнего места обитания, на острове было мало насекомых, которыми питались ящерицы, но много травы. Результаты своего эксперимента ученые проверили лишь в 2004 году. Что же они увидели?
Ящерицы приспособились к непривычной среде: их популяция достигла 5000 особей, но главное, у пресмыкающихся изменились внешний вид и строение внутренних органов. В частности, увеличилась голова и сила укуса, чтобы справляться с большими листьями, а также появился новый отдел в пищеварительном тракте – камера брожения, позволявшая кишечнику ящериц переваривать жесткую целлюлозу. Так, всего за 33 года стенные ящерицы из хищников превратились в травоядных!
Слабое звено
Если внутривидовые изменения наука способна подтвердить экспериментально, то возможность появления в ходе эволюции нового вида пока остается исключительно в теории. Сторонники креационизма не только указывают эволюционистам на отсутствие промежуточных форм живых организмов, но и пытаются научно подтвердить несостоятельность эволюционной теории происхождения видов.
Испанскому генетику Сванте Паабо удалось извлечь ДНК из фрагмента позвонка неандертальца, жившего предположительно около 50 000 лет назад. Сравнительный анализ ДНК современного человека и неандертальца показал, что последний не является нашим предком.
Генетик из США Алан Уилсон при помощи метода митохондриальной ДНК смог предположительно сказать, когда на Земле появилась «Ева». Его исследования дали возраст в 150-200 тыс. лет. Японский ученый Сатоси Хораи приводит похожие данные. По его мнению, современный человек появился в Африке около 200 тыс. лет назад, а оттуда переселился в Евразию, где довольно быстро вытеснил неандертальца.
Опираясь на данные палеонтологической летописи, биолог Джонатан Уэллс замечает: «Совершенно ясно, что на уровне царств, типов и классов происхождение от общих предков посредством модификации нельзя считать непреложным фактом».
Точки соприкосновения
У приверженцев эволюционистских и креационистских взглядов на происхождение жизни не всегда существуют кардинальные разногласия. Так, многие ученые-креационисты являются сторонниками древнего возраста Земли, а среди богословов немало критиков буквалистского креационизма.
К примеру, протодиакон Андрей Кураев пишет следующее: «В православии нет ни текстуального, ни доктринального основания для отторжения эволюционизма… у православия в отличие от язычества, демонизирующего материю, и от протестантизма, лишающего тварный мир права на сотворчество, нет оснований для отрицания тезиса, согласно которому Творец создал материю способной к благому развитию».
Российский математик и философ Юлий Шредер отмечает, что мы не знаем как в известных нам масштабах измерить длительность шести дней, за которые Бог создал мир, ведь и само время было сотворено за эти же дни. «Порядок творения вполне соответствует представлениям современной космологии», – отмечает ученый.
Доктор биологических наук Юрий Симаков и вовсе считает человека продуктом генной инженерии. Он предполагает, что эксперимент был проведен на стыке двух видов – неандертальца и Homo sapiens. По словам биолога, налицо «сложное и намеренное вмешательство разума, который должен на порядок превосходить наш».
Сотрудники зала эволюции, который находится в зоопарке Сент-Луиса решили в шутливой форме примирить две теории. На входе они повесили объявление, гласящее: «Здесь вовсе не утверждается, что мир живого не мог быть создан сразу – просто он выглядит так, будто появился в результате долгой эволюции».
Валерий Спиридонов, первый кандидат на пересадку головы, для РИА Новости
Человечество на протяжении многих лет пытается разгадать истинную причину и историю появления жизни на нашей планете. Еще чуть более ста лет назад практически во всех странах люди даже не думали подвергать сомнению теорию божественного вмешательства и сотворения мира высшим духовным существом.
Ситуация изменилась после выхода в ноябре 1859 года величайшего труда Чарльза Дарвина, и сейчас вокруг этой темы существует немало споров. Число сторонников дарвиновской теории эволюции в Европе и Азии насчитывает больше 60-70%, приблизительно 20% в США и около 19% в России по данным конца прошлого десятилетия.
Во многих странах сегодня призывают исключить труд Дарвина из школьной программы или хотя бы изучать его наравне с другими вероятными теориями. Если не говорить о религиозной версии, к которой склоняется большая часть населения планеты, сегодня существует несколько основных теорий происхождения и эволюции жизни, описывающих ее развитие на самых разных этапах.
Панспермия
Сторонники идеи панспермии убеждены, что на Землю первые микроорганизмы были принесены из космоса. Так считал известный немецкий ученый-энциклопедист Герман Гельмгольц, английский физик Кельвин, российский ученый Владимир Вернадский и шведский химик Сванте Аррениус, считающийся сегодня родоначальником этой теории.
Научно подтвержден факт, что на Земле неоднократно были обнаружены метеориты с Марса и других планет, возможно с комет, которые могли прибыть даже из чужих звездных систем. В этом сегодня никто не сомневается, однако пока не понятно как жизнь могла возникнуть на других мирах. По сути, апологеты панспермии переносят "ответственность" за происходящее на инопланетные цивилизации.
Теория о первичном бульоне
Рождению этой гипотезы поспособствовали эксперименты Гарольда Юри и Стэнли Миллера, проведенные в 1950-е годы. Они смогли воссоздать почти те же условия, которые существовали на поверхности нашей планеты до зарождения жизни. Через смесь молекулярного водорода, угарного газа и метана пропустили небольшие электрические разряды и ультрафиолет.
В результате этого метан и прочие примитивные молекулы превратились в сложные органические вещества, в том числе десятки аминокислот, сахар, липиды и даже зачатки нуклеиновых кислот.
Относительно недавно, в марте 2015 года, ученые Кембриджского университета во главе с Джоном Сазерлендом показали, что все типы "молекул жизни", в том числе РНК, белки, жиры и углеводы, можно получить в ходе подобных реакций, в которых будут участвовать простые неорганические соединения углерода, сероводород, соли металлов и фосфаты.
Глиняное дыхание жизни
Одна из главных проблем предыдущего варианта эволюции жизни заключается в том, что многие органические молекулы, в том числе сахара, ДНК и РНК, являются слишком хрупкими для того, чтобы они могли накопиться в достаточном количестве в водах первичного океана Земли, где, как раньше считало большинство эволюционистов, возникли первые живые существа.
Британский химик Александр Кейрнс-Смит полагает, что жизнь имеет "глиняное", а не водяное происхождение — оптимальную среду для накопления и усложнения сложных органических молекул можно найти внутри пор и кристаллов в глинистых минералах, а не в "первичном пруде" Дарвина или океане из теорий Миллера-Юри.
По сути, эволюция началась еще на уровне кристаллов, и только потом, когда соединения стали достаточно сложными и стабильными, первые живые организмы ушли в "открытое плавание" в первичный океан Земли.
Жизнь на дне океана
С этой идеей конкурирует популярная сегодня мысль о том, что жизнь зародилась не на поверхности океана, а в самых глубоких регионах его дна, в окрестностях "черных курильщиков", подводных гейзеров, и других геотермальных источников.
Их выбросы богаты водородом и другими веществами, которые, по мнению ученых, могли скапливаться на склонах пород и давать первой жизни все необходимые пищевые ресурсы и катализаторы реакций.
Доказательством этого можно признать современные экосистемы, существующие в окрестностях подобных источников на дне всех океанов Земли — они включают в себя не только микробов, но и даже многоклеточные живые существа.
Вселенная РНК
Теория диалектического материализма основана на одновременном единстве и бесконечной борьбе пары начал. Речь идет о наследственности информации и структурных биохимических изменений. Версия зарождения жизни, в которой РНК играет ключевую рол, прошла долгий путь совершенствования с момента ее появления в 1960-х годах и до конца 1980-х годов, когда она обрела свои современные черты.
С одной стороны, молекулы РНК не так эффективно справляются с хранением информации, как ДНК, но зато они способны одновременно ускорять химические реакции и собирать свои собственные копии. При этом надо понимать, что ученым пока не удалось показать, как работала вся цепочка эволюции РНК-жизни, и поэтому эта теория пока не получила всеобщего признания.
Протоклетки
Другой важный вопрос в эволюции жизни — тайна того, как подобные молекулы РНК или же ДНК и белков "отгородились" от внешнего мира и превратились в первые обособленные клетки, содержимое которых защищено гибкой мембраной или полупроницаемой твердой оболочкой.
Пионером в этой области стал известный советский химик Александр Опарин, показавший, что подобными свойствами могут обладать капли воды, окруженные двойным слоем жировых молекул.
Его идеи были воплощены в жизнь канадскими биологами под руководством Джека Шостака, лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине 2009 года. Его команда смогла "упаковать" простейший набор РНК-молекул, способных к саморазмножению, в мембрану из жировых молекул, добавив внутрь первой "протоклетки" ионы магния и лимонную кислоту.
Эндосимбиоз
Другая загадка эволюции жизни — как возникли многоклеточные существа и почему клетки людей, животных и растений включают в себя особые тельца, такие как митохондрии и хлоропласты, которые обладают необычайно сложной структурой.
Впервые об этой проблеме задумался немецкий ботаник Андреас Шимпер, предположивший, что хлоропласты в прошлом были самостоятельными организмами, похожими на цианобактерий, которые "подружились" с клетками предков растений и начали жить внутри них.
Эта идея была позже развита российским ботаником Константином Мережковским и американским эволюционистом Линн Маргулис, показавшей, что аналогичное происхождение имеют митохондрии и потенциально все остальные сложные органеллы наших клеток.
Как и в случае с теориями "мира РНК" и "глиняной" эволюции жизни, идея эндосимбиоза изначально вызывала массу критики со стороны большинства ученых, однако сегодня почти все эволюционисты не сомневаются в ее правоте.
Кто прав и кто виноват?
В пользу дарвинистских гипотез найдено немало научных трудов и специализированных исследований, в частности в области "переходных форм". У Дарвина на руках не было необходимого количества археологических артефактов в подтверждение научных трудов, так как по большей части он руководствовался личными догадками.
К примеру, только за последние десять лет ученые нашли останки нескольких подобных "потерянных звеньев" эволюции, таких как тиктаалик (Tiktaalik) и индохиус (Indohyus), которые позволяют нам прочертить линию между сухопутными животными и рыбами, и китами и бегемотами.
С другой стороны, скептики часто утверждают, что подобные виды животных не являются настоящими переходными формами, что порождает постоянные бесконечные споры между сторонниками дарвинизма и их противниками.
С другой стороны, опыты на обычной кишечной палочке и на различных многоклеточных существах однозначно показывают, что эволюция реальна, и что животные могут достаточно быстро приспосабливаться к новым условиям жизни, приобретая новые черты, которых не было у их предков 100-200 поколений назад.
При этом стоит помнить, что значительная часть современного общества по-прежнему склонна верить в существование высшего божественного разума или внеземных цивилизаций, основавших жизнь на Земле. Пока единственно верной теории не существует, и на этот вопрос человечеству еще предстоит ответить в будущем.
По современным представлениям, жизнь на Земле зародилась более 3,5 миллиардов лет назад. Это была совсем не та планета, которую мы знаем сегодня: раскалённый каменистый шар без кислорода, сотрясаемый бурной деятельностью молодых вулканов, над которым с сумасшедшей скоростью проносилось солнце и звёзды – ведь сутки длились всего около 6 часов. Теорий о происхождении первых форм жизни, а затем и более сложных, существует великое множество – включая разумный замысел. Мы же ознакомимся с основными научными идеями, понимание которых так же позволяет нам предполагать, где и при каких условиях может существовать внеземная жизнь.Панспермия
Панспермия (от греч. «смесь» и «семя») – очень авторитетная в наше время теория о появлении жизни на Земле в результате переноса «зародышей жизни» с других планет. Эту гипотезу выдвинул немецкий учёный Г. Рихтер в 1865 году, который имел в виду перенос спор микроорганизмов либо метеоритами, либо под действием давления света. Позже была открыта космическая радиация, которая действует на живые организмы не менее губительно, чем распад урана. И теория панспермии «припадала пылью» вплоть до первого полёта на Луну – когда на прилунившемся зонде «Сервейер-3» всё-таки были найдены живые микроорганизмы с Земли, которые благополучно пережили продолжительный полёт в открытом космосе.
В 2006 году было обнаружено присутствие в кометном веществе как воды, так и простейших органических соединений. Забавно, но это означает, что маленький метеорит со светящимся шлейфом, который приближается к гораздо большему шару планеты, - это нечто вроде космического аналога женской и мужской половых клеток, вместе дающих начало новой жизни.
Часть последователей панспермии полагает, что обмен бактериями произошёл между Землёй и Марсом в тот период, когда Красная планета ещё процветала и была частично покрыта океанами. Причём совсем не обязательно этому послужили метеориты – возможно, бактерии сюда завезли разумные посетители (но это уже отдельная тема). Но даже если такие события имели место в истории – мы вынуждены будем разгадывать, откуда жизнь взялась на другой планете.
Электричество и первичный бульон
Известный эксперимент Миллера-Урея в 1953 году доказал, что электрические искры могут генерировать основу жизни - аминокислоты и сахарозу – при наличии в атмосфере воды, метана, аммиака и водорода. Это значит, что обычные молнии могли создать основные строительные блоки жизни на древней Земле, называемые первичным бульоном. Этот термин ввёл в 1924 году советский биолог Опарин. Согласно его теории, этот «супчик» возник около 4 миллиардов лет назад в мелких водоёмах планеты под воздействием электрических разрядов, космического излучения и высокой температуры жидкости. Сначала в его составе преобладали нуклеотиды, полипептиды, азотистые основания и аминокислоты. Затем на протяжении миллионов лет в первичном бульоне формировались более сложные молекулы, пока не образовали простейшие одноклеточные организмы – бактерии.
Глиняная жизнь
Если верить религиозным источникам, Адам был создан из праха земного, а в Коране и у некоторых народов (например, японцев), боги слепили людей из глины. По мнению химика-органика Александра Грэм Кернс-Смит из Университета Глазго в Шотландии, это может быть не простой аллегорией: первые молекулы жизни могли образоваться именно на глине. Первоначально примитивные углеродные соединения не имели ДНК, а значит, не могли воспроизводить себе подобных – «размножение» могло быть стимулировано только источниками из внешней среды.
Таким источником могла быть глинистая порода, которая являет собой не просто некую массу земли – это организованная, упорядоченная последовательность молекул. Глиняная поверхность могла не только концентрировать и объединять органические соединения, но на микроскопическом уровне организовывать их в структуры, действуя наподобие генома. Со временем органические молекулы «запомнили» эту последовательность и научились самоорганизовываться. Впоследствии они усложнялись: у них появился прототип ДНК, РНК и других нуклеиновых кислот.
Жизнь из океанов
«Теория подводных гидротермальных источников» предполагает, что жизнь могла зародиться у истоков подводных вулканов, которые выбрасывали сквозь трещины в океаническом дне богатые водородом молекулы и много тепла. Эти молекулы объединялись на поверхности скал, которые обеспечивали минеральные катализаторы для новых химических реакций.
Так родились бактерии, образовавшие всемирно известную геологическую диковинку - строматолиты (от «строматос» - ковер и «литос» - камень). В окаменевшем виде эти образования сохранились до сих пор. А подводные источники такого типа в наше время продолжают играть важную роль в поддержании разнообразных морских экосистем.
Холод – катализатор эволюции
Кто бы из учёных ни был прав, но простые одноклеточные бактерии всё-таки заселили планету – и в таком виде они неизменно существовали на протяжении более миллиарда лет. Затем произошёл невероятно быстрый по меркам эволюции взрыв – начали развиваться гораздо более сложные формы жизни, которые освоили сначала океаны, а затем сушу, почвы и, наконец, воздух. Не так давно учёные сумели разобраться, что стало толчком для решающих перемен. Им оказался самый мощный ледниковый период за всю историю Земли, который наступил около 3 миллиардов лет назад. Планета была полностью покрыта льдом толщиной до одного километра – специалисты назвали это явление «Земля-снежок» (вроде тех, в которые играют дети).
Условия жизни для простейших микроорганизмов резко изменились – но, с другой стороны, под толщей льда выносливым бактериям-экстримофилам пришлось адаптироваться! Именно в этот «инкубаторный» период произошло первичное разделение бактерий по способам выживания: одни из них научились получать энергию из солнечного света, другие черпали силы, перерабатывая растворённые в воде вещества. Это положило начало царствам живой природы – первые в будущем станут растениями и одноклеточными фотосинтезирующими животными, вторые – многоклеточными животными и грибами.
Но однажды горячие вулканы снова пробудились, и выплеснули в атмосферу огромное количество углекислого газа, который стал причиной мощного парникового эффекта. Планета согрелась, льды растаяли и выпустили на волю «повзрослевшие» бактерии. Процесс фотосинтеза, происходящий в цианобактериях (сине-зелёных водорослях), дал новую реакцию - и атмосфера в короткие сроки насытилась кислородом. А попавшие в океан обломки минеральных пород, принесённых ледником, дали новые варианты химических реакций. Это, как уже становится понятно, позволило эволюционировать животным. Вскоре, вместо разделения бактерий на две новых, они начали делиться без ухода в «вольное плавание», и образовывать первые многоклеточные структуры. Примером могут служить древнейшие многоклеточные животные без нервной, кровяной и пищеварительной систем – морские губки.
Согласно с этой теорией, жизнь вполне вероятна под толстым слоем льда на одном из спутников Юпитера – в скрытых от космических зондов холодных океанах Европы. Группа исследователей из NASA так же установила, что под льдами спутника присутствует геотермальная активность. Поэтому вполне возможно, что Европа повторяет наш собственный путь, и когда наше солнце начнёт стареть и станет ярче, эволюция тоже возьмёт верх над вечным холодом.
Возникновение жизни на Земле - одна из самых впечатляющих загадок, которая будоражит умы человечества в течение всей нашей разумной истории. Сегодня мы хорошо знаем, когда появилась первая жизнь на нашей планете.
Это произошло около 4 млрд. тому назад, тогда как Cambrian explosion, т.е. период бурного появления многоклеточных организмов, соответствует времени 540 миллионов лет тому назад. С тех пор жизнь на Земле совершенствовалась в течение длительного времени, вследствие Дарвиновской эволюции. Огромные изменения, которые произошли в жизни человечества и во Вселенной, показывают, что наша эволюция даже ускоряется. Наша технология и сама жизнь становятся всё более и более совершенными. Мы движемся вперёд с огромным ускорением, и мы не знаем сегодня, что может стать результатом этих ускорений.
Как же возникла первая жизнь на Земле? В Книге Бытия утверждается, что жизнь, включая самого человека, была создана богом из земной пыли (“The God formed man of dust of the ground”, Genesis). Любопытно, что, в общем, это соответствует действительности, хотя естественно и не объясняется как же это произошло на самом деле. Ответ на этот вопрос может быть найден с помощью науки, задачей которой является объяснение естественных процессов внутри нашей Вселенной. Наука не оперирует не доказанными утверждениями. Цель науки не только проследить все этапы возникновения жизни на Земле, но и воспроизвести эти этапы в лабораторных условиях, как, например, физики не только объяснили механизмы термоядерных реакций внутри Солнца, высвобождающие гигантскую энергию, но и создали водородную бомбу, работающую на основе тех же принципов. Физики называют её маленькое Солнце на Земле. Немецкий учёный Г. Бете стал лауреатом Нобелевской премии за объяснение термоядерных процессов внутри Солнца.
Сегодня учёными доказано, что живые организмы возникли из неживой материи в длинной цепочке превращений от простых молекул до первой жизни - бактерии. Бактерия - это одноклеточный организм, тогда как сложные живые структуры являются многоклеточными. Например, человек состоит из триллиона клеток, в то время как бактерия лишь из одной. Более того, используя эти цепочки, учёные пытаются создать в лабораторных условиях полностью самовоспроизводящие искусственные организмы. Эти исследования позволяют проверить: является ли правильным наше понимание сложных процессов, приведших к возникновению первой жизни. В 2009 г. учёные создали в лаборатории первую молекулярную систему, которая копировала себя и могла эволюционировать.
Биологи нашли способ формирования сложных генетических молекул (РНК и ДНК), используя простые молекулы (О, С, N, Р), существовавшие на ранней стадии развития Земли несколько миллиардов лет тому назад. Открытие структуры РНК и ДНК позволяет понять ключевую особенность биологических молекул - копировать себя и эволюционировать. ДНК - это сложная молекула с молекулярной массой в один триллион, тогда как РНК имеет молекулярную массу всего 35000. Напомню, что молекулярная масса воды равна 18, а углерода 12. Основными элементами жизни на Земле являются вода и углерод. Углерод способен вступать в различные химические связи с другими элементами и производить сложные органические молекулы, включая липиды, карбогидраты, протеины и генетические молекулы РНК и ДНК, которые являются основными молекулами жизни. Поэтому жизнь на нашей Земле - это carbon - based life, хотя в других местах Вселенной возможны и другие формы жизни, например, silicon - based life.
Известно, что основными элементами во Вселенной являются водород и гелий. Внимательный читатель может спросить, каким же образом сложные молекулы или тяжёлые элементы, отличные от водорода и гелия, появились на нашей планете. Кто их «принёс» на Землю? Ответ на этот вопрос нам хорошо известен из астрономии: так называемые сверхмассивные звёзды производят в своих недрах многие известные нам химические элементы вследствие различных термоядерных реакций. После гибели таких звёзд они выбрасывают эти элементы внутрь галактики, которые становятся частью межзвёздной пыли и планет. Все тяжёлые элементы на Земле - это результат взрыва сверхновых звёзд, которые в конечном счёте обусловили появление первой жизни на Земле.
Без этих элементов жизнь была бы просто невозможной. Мы можем даже утверждать (возможно, с гордостью!), что являемся частью звёздного вещества (“We are star stuff!”). Например, наличие железа в нашем организме, которое определяет цвет нашей крови, является результатом производства железа внутри звёзд, который высвобождается после гибели звезды. Спекральный анализ вещества внутри звёзд и галактик показывает, что все тела во Вселенной состоят из одинакового набора элементов, составляющих таблицу Менделеева, а все живые организмы, включая растительный мир, имеют единого предка (a common ancestor), т.е. они появились из одного и того же корня дерева жизни. Само дерево жизни состоит из трёх основных частей (eukarya, archaea, bacteria) и лишь две ветки “eukarya” включают в себя весь растительный и животный миры. Жизнь на Земле возникла не сразу, а после почти 10 млрд. лет с момента Big Bang, когда появились все необходимые условия для возникновения первой жизни. Интересно, что наша Вселенная также произошла в результате гигантского взрыва из одной «точки». Эта «точка», которую физики называют “singularity”, имела чрезвычайно маленький размер и почти бесконечную плотность. Вследствие инфляции (быстрое расширение) и ускорений наша Вселенная стала сегодня гигантской. Свет может пересечь Вселенную лишь за 14 млрд. лет, хотя и покрывает расстояние от Земли до Солнца всего за восемь минут.
Вернёмся однако к основному вопросу этой статьи - как возникла первая жизнь на Земле. Два выдающихся учёных из the University of Chicago L.Miller and H.Urey ещё в 1950-х годах провели интереснейший эксперимент, который продемонстрировал, что жизнь могла быть сформирована естественным путём из набора различных молекул (H2. H2O, CH4, NH3), существовавших на ранней Земле, и серии химических реакций. Эксперимент показал, что основные молекулы жизни - аминокислоты (протеины) и нуклеиновые кислоты (основания РНК и ДНК) - могут быть легко получены из молекул, которые имелись в первичной атмосфере ранней Земли. Они поместили в стеклянную трубку воду, водород, метан и аммоний и пропустили через неё сильный электрический ток, который является аналогом молнии в природе. Через неделю в трубке были обнаружены различные органические молекулы, включая протеины. Последние ответственны за все сложные метаболические функции живой клетки. Однако, подобные эксперименты, хотя и явились первым важным шагом на пути от неживой материи к первой жизни, они не могли объяснить многие другие процессы, включающие переход от аминокислот (протеинов) к первой жизни и, в частности, каким образом примитивная клетка могла воспроизводить себя, эволюционировала, т.е. как она приводила к появлению новой жизни.
В последнее время учёные сумели объяснить все основные процессы, каким образом первые живые организмы на Земле возникли из неживой материи (например, журнал “Scientific American”, September, 2009). Эти процессы включают формирование нуклеотидов, состоящих из сахаров, фосфатов, оснований цианидов, ацетилена и воды, генетические молекулы РНК и ДНК, а также протоклетки, дающей рост первой жизни. Молекула РНК может быть сформирована из простых молекул имеющихся на ранней Земле до формирования первой жизни. Она была первым генетическим материалом сформировавшим жизнь на Земле вместе с ДНК, явившимся результатом эволюции позже. РНК порождает ДНК, которая в свою очередь порождает протеины. «РНК мир» включает в себя появление первого живого организма - протоклетки с РНК геномом, способной к самокопированию и Дарвиновской эволюции, тогда как «ДНК мир» включает бактериальную клетку с ДНК геномом, протеины и начало дерева жизни с общим предком для всего живого на Земле. Оба РНК и ДНК имеют длинные основания (от 2 до 40 в случае РНК и от 1000 до миллиона в случае типичного гена), которые включают сахара, фосфаты и простые молекулы - цианид, ацетилен, формальдегид и воду, имевшихся в ранней Земле. Нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК) ответственны за генетический код и дают инструкции для всех процессов внутри клетки. Чтобы образовать протеины, нуклеиновые кислоты должны сформировать длинные и сложные цепи. Все молекулы ДНК во всех живых организмах на Земле имеют одинаковую структуру, хотя и разный набор генов, и отличаются друг от друга различным подключением их ДНК.
Итак, на первом этапе простые и органические молекулы, а также различные химические реакции привели к образованию нуклеотидов. Три компоненты нуклеотидов - сахара, фосфаты и нуклеиновые основания - образовались спонтанно из простых молекул. Затем нуклеотиды соединившись дали начало первой генетической молекуле - РНК, а затем, на более поздней стадии развития, молекулу ДНК. Нуклеиновые кислоты, представляющие совокупность нуклеотидов, содержат генетическую информацию. Следующий этап - образование примитивной клетки с РНК геномом, включающая мембрану и способной к самокопированию путём деления. Протоклетка начала эволюционировать. Метаболизм, включающий серию химических реакций, позволил протоклетке получать энергию из окружающей среды. Следующий этап - образование ДНК и появление новой клетки с ДНК геномом, играющей роль первичной генетической молекулы. РНК теперь выполняет промежуточную роль между ДНК и протеином. Возникает первая бактерия с ДНК геномом и мембраной. Она способна к самокопированию и способна эволюционировать. Если раньше РНК была ответственна за образование протеинов, теперь протеины принимают на себя функции РНК в осуществлении самокопирования клетки и метаболических процессов. Интересно, что старый парадокс - что появилось раньше «курица или яйцо» - находит на основе этих процессов простое объяснение: сначала была курица (нуклеиновые кислоты), а затем уже появилось яйцо (протеины). Затем протеины (яйцо) служили началом образования нуклеиновых кислот (курица).
Жизнь - это химическая система способная к самокопированию и Дарвиновской эволюции. Э. Шредингер, один из основателей квантовой механики, в своей книге «Жизнь с Точки Зрения Физика» дал следующее определение жизни: “The living systems is self-assemble against nature’s tendency toward disorder, or entropy”.
Подведём итоги. Жизнь началась после того как химические молекулы ранней Земли сформировали нуклеотиды, важные элементы РНК. Затем образовалась протоклетка с РНК геномом, на следующем этапе образовалась ДНК и первая бактерия с ДНК геномом. Бактерии оставались без изменений миллиарды лет и начали эволюционировать в более сложные организмы, когда началась эра под названием Cambrian explosion, когда мир животных эволюционировал из маленьких и примитивных организмов в многоклеточные организмы. В это же время на основе Дарвиновской эволюции появилось огромное разнообразие мира животных и около 5 млн. лет тому назад появились первые человекоподобные существа hominids. Недавно был обнаружен hominid Ardi, которому 4.4 млн. лет и который, возможно, является первой фазой в эволюции человека. Современный человек homo sapiens появился примерно 50,000-100,000 лет тому назад на юго-востоке Африки и позднее распространился по всему миру. 5000 лет тому назад были построены Египетские пирамиды. Около двести лет назад мы стали технологической цивилизацией, когда было открыто электричество, появились паровые машины и самолёты. Если это время сравнить с возрастом нашей Вселенной (14 млрд. лет), то оно составляет лишь 0.00001% от этого времени, т.е. мы являемся молодой цивилизацией, хотя и во многом преуспели. Другое сравнение основано на использовании космического календаря. Если принять, что вся история Вселенной равнялась одному году, то первые современные люди появились лишь две минуты назад, 11 секунд назад были построены египетские пирамиды, одну секунду назад Галилей и Кеплер доказали, что солнечной система является гелиоцентрической и лишь полсекунды назад мы стали технологической цивилизацией.
Давайте заглянем в наше будущее и зададим себе вопрос - закончилась ли наша эволюция. Чтобы ответить на этот вопрос нам следует понять, почему происходит эволюция, т.е. изменения в нашем организме во времени, и появляются ли в нашем геноме новые гены. Ответ на второй вопрос найден - да, дополнительные гены появляются и наша эволюция не только продолжается, но и ускоряется во времени. Ева Яблонски, теоретик в области биологии из Тель-авивского университета, опубликовала результаты своих исследований, согласно которым имеется более ста наследственных изменений, которые отсутствовали в последовательности ДНК. Эти изменения охватывают бактерии, грибы, растения, а также животных. Токсические вещества, диета и даже стресс могут быть причиной изменений в геноме. Мутации - причина возникновения новых ген. Сегодня мы изменяемся быстрее, чем за любые предыдущие периоды нашей истории.
Интересно, что сравнительно недавно было открыто ускорение нашей Вселенной. Нет ли какой-либо взаимосвязи между ускорениями Вселенной и ускорением нашей эволюции? Чтобы объяснить причину ускорения Вселенной, физики предположили существование тёмной энергии, т.е. особой силы отталкивания (a repulsive force), которая обусловливает ускорение Вселенной. Сегодня мы знаем немного о природе этой силы, несмотря на то, что сотни учёных around the world пытаются разгадать её структуру.
Время - самая фундаментальная характеристика Вселенной и оно ответственно за все изменения в нашем мире. Причина изменений в мире, возможно, состоит в том, что температура космоса сильно изменилась - от 1032К во времена Big Bang (эта температура триллион триллионов раз превышает температуру в центре самых горячих звёзд) до 3К сегодня (-270С) в течение 14 млрд. лет. Эта температура измерена по спектру остаточного излучения космоса, которое заполняет всю нашу Вселенную и которое является ярким доказательством реальности Big Bang и того факта, что было начало мира. Такое резкое уменьшение температуры космоса связано с её расширением (inflation). Разумеется, это расширение и спад температуры не могут не отражаться на скорости всех процессов внутри Вселенной, обусловливая изменения не только Вселенной, но и влияют на темпы нашей эволюции, которая будет продолжаться всегда, пока наша Вселенная существует и изменяется во времени. Если температура космоса упадёт до нуля, наша Вселенная погибнет, что будет означать конец эволюции и самой жизни. Любопытно, что из четырёх сценариев развития нашей Вселенной, которые рассматриваются в астрономии, имеется доказательство, что наша Вселенная в конечном счёте погибнет, вследствие безудержного расширения и спада температуры до абсолютного нуля. Такой вывод основан на анализе данных о взрывах так называемых «белых карликов» (white dwarf supernova explosion).
Тогда другой Big Bang возвестит о начале новой вселенной и нового мира. Эта новая вселенная пройдёт совершенно другой путь развития и в ней будут другие законы физики с другими фундаментальными постоянными, такими как скорость света, масса электрона, гравитационная постоянная и т.д., и, разумеется, другой жизнью. Сегодня учёные обсуждают вероятность существования других вселенных (multiverse), в которых также возможна жизнь, но основанная на других принципах и других законах природы.
Илья Гулькаров, Чикаго