Когда зарождается жизнь. Ученые смогли объяснить, как зарождалась жизнь на земле

Наука

По подсчетам ученых, жизнь на земле зародилась около 3 миллиардов лет назад : за это время простейшие организмы развились в сложные формы жизни. Однако для ученых до сих пор остается загадкой, как зародилась жизнь на планете, и они выдвинули несколько теорий, объясняющих этот феномен:

1. Электрические искры

В ходе знаменитого эксперимента Миллера-Юри (Miller-Urey Experiment), ученые доказали, что молнии могли способствовать появлению основных веществ, необходимых для зарождения жизни: электрические искры образовывают аминокислоты в атмосфере, состоящей из огромного количества воды, метана, аммиака и водорода. Затем из аминокислот развились более сложные формы жизни. Эту теорию несколько изменили после того, как исследователи выяснили, что атмосфера планеты миллиарды лет назад была бедна водородом. Ученые предположили, что метан, аммиак и водород содержались в вулканических облаках, насыщенных электрическими зарядами.

2. Глина

Химик Александр Грэм Кэрнс-Смит (Alexander Graham Cairns-Smith) из университета Глазго, Шотландия, выдвинул теорию о том, что на заре зарождения жизни в глине содержалось много органических компонентов, находящихся недалеко друг от друга, и что глина способствовала организации этих веществ в структуры, подобные нашим генам.

ДНК хранит информацию о структуре молекул, и генетические последовательности ДНК указывает на то, как аминокислоты должны построиться в белки. Кэрнс-Смит предполагает, что кристаллы глины способствовали организации органических молекул в упорядоченные структуры, а позднее этим стали заниматься сами молекулы, "без помощи" глины.

3. Глубоководные жерла

Согласно этой теории, жизнь зародилась в подводных гидротермальных жерлах, выбрасывающих молекулы, богатые водородом. На их каменистой поверхности эти молекулы могли собраться вместе и стать минеральными катализаторами для реакций, которые и привели к зарождению жизни. Даже сейчас у таких гидротермальных жерл, богатых химической и термальной энергией, обитает довольно большое количество живых существ.

4. Ледяное начало

3 миллиарда лет назад Солнце светило далеко не так ярко, как сейчас, и, соответственно, тепла до Земли доходило меньше. Вполне возможно, что поверхность земли покрывал толстый слой льда, который защищал хрупкие органические вещества , находящиеся в воде под ним, от ультрафиолетовых лучей и космического воздействия. К тому же, холод помог молекулам дольше просуществовать, в результате чего стали возможны реакции, приведшие к зарождению жизни.

5. Мир РНК

ДНК нужны белки для формирования, а белкам для образования нужна ДНК. Как могли они сформироваться друг без друга? Ученые предположили, что в этом процессе участвовала РНК, которая, так же, как и ДНК, хранит информацию. Из РНК, соответственно, образовались белки и ДНК , которые заменили ее в виду своей большей эффективности.

Возник другой вопрос: "Как появилась РНК?". Некоторые считают, что она самопроизвольно появилась на планете, а другие отрицают такую возможность.

6. "Простая" теория

Некоторые ученые предположили, что жизнь развилась не из сложных молекул вроде РНК, а из простых, которые взаимодействовали друг с другом. Они, возможно, находились в простых оболочках, сходных с клеточными мембранами. В результате взаимодействии этих простых молекул появились сложные , которые эффективнее вступали в реакции.

7. Панспермия

В конце концов, жизнь могла зародиться не на нашей планете, а принесена из космоса : в науке этот феномен называется панспермией. У этой теории есть вполне прочная основа: из-за космического воздействия от Марса периодически отделяются обломки камней, которые долетают и до Земли. После того, как ученые обнаружили марсианские метеориты на нашей планете, они предположили, что эти объекты и принесли с собой бактерии. Если верить им, то все мы марсиане . Другие исследователи предположили, что жизнь принесли кометы из других звездных систем. Даже если они правы, то человечество будет искать ответ на другой вопрос: "А как жизнь зародилась в космосе?".

Существует гипотеза о возможном занесении бактерий, микробов и прочих мельчайших организмов, посредством занесения небесными телами. Организмы развивались и в результате длительных преобразований, постепенно появлялась жизнь на Земле. В гипотезе рассматриваются организмы, способные функционировать даже в бескислородной среде и в аномально высоких или низких температурах.

Это связано с пребыванием бактерий-переселенцев на астероидах и метеоритах, которые представляют собой осколки от столкновений планет или других тел. Из-за наличия износоустойчивой внешней оболочки, а также благодаря способности замедлять все процессы жизнедеятельности (порой превращаясь в спору), такого рода жизнь способна перемещаться очень продолжительное время и на очень далёкие расстояния.

При попадании же в более гостеприимные условия, “межгалактические путешественники” активируют основные жизнеобеспечивающие функции. И сами того не понимая, образуют с течением некоторого времени, жизнь на Земле.

Факт существования синтетических и органических веществ в наши дни неоспорим. Более того, ещё в далёком девятнадцатом веке, немецкий учёный Фридрих Вёлер, синтезировал органическое вещество (мочевину) из неорганического (цианат аммония). Затем были синтезированы углеводороды. Таким образом, жизнь на планете Земля вполне вероятно зародилась путём синтеза из неорганического материала. Посредством абиогенеза выдвигаются теории происхождения жизни.

Так как основную роль в строении любого органического организма составляют аминокислоты. Логично было бы предположить об их причастности к заселению Земли жизнь. На данных, полученных от эксперимента Стэнли Миллера и Гарольда Юри (образование аминокислот, пропуском электрического заряда через газы), можно говорить о возможности образования аминокислот. Ведь аминокислоты – это кирпичики, с помощью которых строятся сложные системы организма и любой жизни соответственно.

Космогоническая гипотеза

Наверно самая популярная из всех трактовка, которую знает каждый школьник. Теория большого взрыва была и остаётся вполне актуальной темой для горячих обсуждений. Большой взрыв произошёл от сингулярной точки скопления энергии, в результате освобождения которой, значительно расширилась Вселенная. Образовались космические тела. Несмотря на всю состоятельность, Теория большого взрыва не объясняет образования самой Вселенной. Как собственно и не может объяснить ни одна существующая гипотеза.

Симбиоз органелл ядерных организмов

Эту версию зарождения жизни на Земле, ещё называют эндосимбиозом. Чёткие положения системы были составлены русским ботаником и зоологом К. С. Мережковским. Суть данной концепция заключается в взаимовыгодном сожительстве органеллы с клеткой. Что в свою очередь позволяет предположить об эндосимбиозе, как о выгодном для обоих сторон симбиозе с образованием клеток эукариот (клетки в которых присутствует ядро). Затем при помощи передачи генетической информации между бактериями, осуществлялось их развитие и увеличение популяции. Согласно этой версии, все дальнейшие развитие жизни и жизненных форм, обязано предшествующему предку современных видов.

Самозарождение

Такого вида утверждение в девятнадцатом веке, не могло не восприниматься без доли скепсиса. Внезапное появление видов, а именно образование жизни из неживого, казалось фантастикой для людей того времени. При том гетерогенез (Способ размножения, в результате которого рождаются особи, сильно отличающиеся от родительских) признавался обоснованным объяснением жизни. Простым примером будет образование сложной жизнеспособной системы из разлагающихся веществ.

К примеру в том же Египте, египетские иероглифы сообщают о появлении разнообразной жизни из воды, песка, разлагающихся и гниющих остатков растений. Эта новость нисколько бы не удивила древнегреческих философов. Там убеждение о зарождении жизни из неживого воспринималось как факт, не требующий обоснования. Великий греческий философ Аристотель, так говорил о зримой истине: ” тля образуется из протухших продуктов питания, Крокодил – результат процессов в гниющих брёвнах, находящихся под водой”. Загадочно, но не смотря на всяческие преследования со стороны церкви, убеждение под лоном тайны, прожило целый век.

Споры о жизни на Земле не могут продолжаться вечно. Именно поэтому, в конце девятнадцатого века, французский микробиолог и химик Луи Пастер проводил свои анализы. Его исследования имели строго научный характер. Эксперимент проводился в 1860-1862. Благодаря выведению спор из сонного состояния, Пастер смог решить вопрос о самозарождении жизни. (За что ему и присудила премию Французская академия наук)

Сотворение сущего из обычной глины

Звучит как безумие, но в действительности эта тема имеет право на жизнь. Ведь не зря Шотландский учёный-исследовать А.ДЖ.Кернс-Смит, выдвинул белковую теорию о жизни. Крепко составляя основу из похожих исследований, он говорил о взаимодействии на молекулярном уровне между органическими составляющими и простой глиной… Оказываясь под её воздействием, компоненты образовывали устойчивые системы, в которых происходили изменения в структуре обоих составляющих, а затем и образованием состоятельной жизни. Вот таким уникальным и оригинальным образом, объяснял свою позицию Кернс-Смит. Кристаллы глины, с находящимся в ней биологическими включениями, зарождали жизнь вместе, после чего их “сотрудничество” кончалось.

Теория постоянных катастроф

Согласно концепции, разработанной Жоржом Кювье, мир, который прямо сейчас можно лицезреть, вовсе не является первичным. А чем он является, так это всего лишь очередным звеном последовательно разрывающейся цепочки. Это значит, мы живём в мире, который со временем подвергнется массовому вымиранию жизни. При этом не всё на Земле подвергалось глобальному уничтожению (к примеру наступал потоп). Некоторые виды, в ход своей приспосабливаемости выживали, тем самым заселяя Землю. Строение видов и жизни, по словам Жоржа Кювье оставалось неизменным.

Материя, как объективная реалия

Главная тема учения — различные сферы и области, приближающие к пониманию эволюции, с точки зрения точных наук. (материализм – мировоззрение в философии, раскрывающее все причинно-следственные обстоятельства, явления и факторы реальности. Законы применимы к человеку, обществу, Земле). Теория выдвинута известными приверженцами материализма, считающими, что жизнь на Земле зародилась от преобразований на уровне химии. При том происходившие почти 4 миллиарда лет назад. Объяснение жизни имеет прямую связь с ДНК, (дезоксирибонуклеиновая кислота) РНК (рибонуклеиновая кислота), а также к некоторым ВМС (высокомолекулярным соединениям, в данном случае – белкам.)

Концепция образовалась посредством научных исследований, раскрывающих суть молекулярной и генетической биологии, генетики. Источники авторитетные, особенно учитывая их молодость. Ведь исследования гипотезы о мире РНК, начали проводиться в конце двадцатого века. Огромный вклад в теорию внёс Карл Ричард Вёзе.

Учение Чарльза Дарвина

Говоря о происхождении видов, невозможно не упомянуть такого поистине гениального человека, как Чарльз Дарвин. Работа его жизни – естественный отбор, положила начало массовым атеистическим движениям. С другой стороны, дала небывалый толчок науке, неисчерпаемую почву для исследований и экспериментов. Суть учения заключалась в выживании видов на протяжении всей истории, путём приспособления организмов к местным условиям, образование новых признаков, помогающих в условиях конкуренции.

Под эволюцией подразумевают некоторые процессы, направленные к изменению жизни организма и самого организма с течением времени. Под наследственными же чертами, подразумевают передачу поведенческой, генетической, или же другого рода информации (передачей от материнского к дочернему.)

Основными силами движения эволюции, по Дарвину является борьба за право на существование, путём отбора и изменчивости видов. Под влиянием Дарвиновских идей, в начале двадцатого века, активно проводились исследования по части экологии, а также генетики. В корне изменялось преподавание зоологии.

Творение Бога

Многие люди со всего земного шара до сих пор исповедуют веру в Бога. Креационизм является толкованием образования жизни на Земле. Толкование состоит из системы утверждений, основанных на библии, и рассматривает жизнь, как созданное богом-творцом существо. Данные берутся из “Ветхого завета”, “Евангелия” и прочих священных писаний.

Интерпретации создания жизни в разных религиях в чём-то схожи. Ориентируясь по библии, Земля была сотворена за семь дней. Небо, светило небесное, вода и тому подобное, создавалось пять дней. На шестой Бог сотворил Адама из глины. Увидев скучающего, одинокого человека, Бог решил сотворить ещё одно чудо. Взяв ребро Адама, он создал Еву. Седьмой день признавался выходным.

Жили Адам с Евой без бед, до тех пор, пока злорадный дьявол в образе змеи не решил искусить Еву. Ведь посреди рая стояло дерево познания добра и зла. Первая матерь предложила Адаму разделить трапезу, тем самым нарушив слово, данное Богу (он запретил трогать запретные плоды.)

Первые люди изгоняются в наш мир, тем самым начиная историю всего человечества и жизни на Земле.

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.

Жизнь появилась на нашей планете спустя примерно полмиллиарда лет после возникновения Земли, то есть около 4 млрд лет назад: именно тогда зародился первый общий предок всех живых существ. Он представлял собой одну-единственную клетку, генетический код которой включал в себя несколько сотен генов. У этой клетки было все необходимое для жизни и дальнейшего развития: механизмы, отвечающие за синтез белков, воспроизводство наследственной информации и выработку рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая также ответственна за кодирование генетических данных.

Ученые понимали, что первый общий предок всех живых существ зародился из так называемого первичного бульона — аминокислот, возникших из соединений воды с химическими элементами, которыми были наполнены водоемы молодой Земли.

Возможность формирования аминокислот из смеси химических элементов была доказана в результате эксперимента Миллера — Юри, о котором «Газета.Ru» несколько лет назад. В ходе опыта Стэнли Миллер смоделировал в пробирках атмосферные условия Земли около 4 млрд лет назад, заполнив их смесью газов — метана, аммиака, углерода и монооксида углерода, — добавив туда воды и пропуская через пробирки электрический ток, который должен был производить эффект разрядов молний.

В результате взаимодействия химических веществ Миллер получил в пробирках пять аминокислот — основных строительных блоков всех белков.

Спустя полвека, в 2008 году, исследователи провели повторный анализ содержимого пробирок, которые Миллер сохранил в неприкосновенности, и выяснили, что на самом деле смесь продуктов содержала вовсе не 5 аминокислот, а 22, просто автор эксперимента не смог идентифицировать их несколько десятилетий назад.

После этого перед учеными встал вопрос о том, какие из трех основных молекул, содержащихся во всех живых организмах (ДНК, РНК или белки), стали следующей ступенью формирования жизни. Сложность этого вопроса заключается в том, что процесс образования каждой из трех молекул зависит от двух других и не может быть осуществлен в ее отсутствие.

Таким образом, ученые должны были либо признать возможность формирования сразу двух классов молекул в результате случайной удачной комбинации аминокислот, либо согласиться с тем, что структура их сложных взаимосвязей образовалась спонтанно, уже после возникновения всех трех классов.

Проблема была разрешена в 1980-х годах, когда Томас Чек и Сидней Олтмен открыли способность РНК существовать полностью автономно, выступая ускорителем химических реакций и синтезируя новые, аналогичные себе РНК. Это открытие привело к появлению «гипотезы мира РНК», впервые высказанной микробиологом Карлом Везе в 1968 году и окончательно сформулированной биохимиком, лауреатом Нобелевской премии по химии Уолтером Гилбертом в 1986 году. Суть этой теории заключается в том, что основой жизни признаются молекулы рибонуклеиновой кислоты, которые в процессе самовоспроизведения могли накапливать мутации. Эти мутации в конечном итоге привели к способности рибонуклеиновой кислоты создавать белки. Белковые соединения являются более эффективным катализатором, чем РНК, и именно поэтому создавшие их мутации закрепились в процессе естественного отбора.

Одновременно с этим сформировались и «хранилища» генетической информации — ДНК. Рибонуклеиновые кислоты сохранились как посредник между ДНК и белками, выполняя множество различных функций:

они хранят информацию о последовательности аминокислот в белках, переносят аминокислоты в места синтеза пептидных связей, принимают участие в регулировании степени активности тех или иных генов.

На данный момент у ученых нет однозначных доказательств того, что подобный синтез РНК в результате случайных соединений аминокислот возможен, хотя определенные подтверждения этой теории есть: так, в 1975 году ученые Манфред Сампер и Рудигер Льюс продемонстрировали, что при определенных условиях РНК может спонтанно возникнуть в смеси, содержащей только нуклеотиды и репликазу, а в 2009 году исследователи из Университета Манчестера доказали, что уридин и цитидин — составляющие части рибонуклеиновой кислоты — могли синтезироваться в условиях ранней Земли. Тем не менее некоторые исследователи продолжают критиковать «гипотезу мира РНК» из-за чрезвычайно низкой вероятности спонтанного возникновения рибонуклеиновой кислоты, обладающей каталитическими свойствами.

Ученые Ричард Вульфенден и Чарльз Картер из Университета Северной Каролины предложили свою версию формирования жизни из первичного «строительного материала». Они полагают, что аминокислоты, сформировавшиеся из набора существовавших на Земле химических элементов, стали базой для образования не рибонуклеиновых кислот, а других, более простых веществ — белковых ферментов, которые сделали возможным появление РНК. Исследователи опубликовали результаты своей работы в журнале PNAS .

Ричард Вульфенден проанализировал физические свойства 20 аминокислот и пришел к выводу, что аминокислоты могли самостоятельно обеспечивать процесс формирования структуры полноценного белка. Эти белки, в свою очередь, являлись ферментами — молекулами, ускоряющими химические реакции в организме. Чарльз Картер продолжил работу своего коллеги, показав на примере фермента под названием аминоацил-тРНК-синтетаза то огромное значение, которое ферменты могли играть для дальнейшего развития основ жизни: эти

белковые молекулы способны распознавать транспортные рибонуклеиновые кислоты, обеспечивать их соответствие участкам генетического кода и тем самым организовывать верную передачу генетической информации последующим поколениям.

По мнению авторов исследования, им удалось найти то самое «недостающее звено», которое было промежуточным этапом между образованием аминокислот из первичных химических элементов и складыванием из них сложных рибонуклеиновых кислот. Процесс образования белковых молекул достаточно прост по сравнению с образованием РНК, а его реалистичность была доказана Вульфенденом на примере изучения 20 аминокислот.

Выводы ученых дают ответ и еще на один вопрос, в течение долгого времени волновавший исследователей, а именно: когда произошло «разделение труда» между белками и нуклеиновыми кислотами, к которым относятся ДНК и РНК. Если теория Вульфендена и Картера верна, то можно смело утверждать: белки и нуклеиновые кислоты «поделили» между собой основные функции на заре возникновения жизни, а именно около 4 млрд лет назад.

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