Potrivit ideilor moderne, viața pe Pământ a început cu peste 3,5 miliarde de ani în urmă. Nu era deloc planeta pe care o cunoaștem astăzi: o minge stâncoasă fierbinte, fără oxigen, zguduită de activitatea violentă a vulcanilor tineri, peste care soarele și stelele s-au repezit cu o viteză nebună - până la urmă, ziua a durat doar vreo 6 ore. Există o mulțime de teorii despre originea primelor forme de viață, apoi unele mai complexe - inclusiv designul inteligent. Ne vom familiariza cu ideile științifice de bază, a căror înțelegere ne permite, de asemenea, să presupunem unde și în ce condiții poate exista viața extraterestră.

Panspermie

Panspermia (din grecescul „amestec” și „sămânță”) este o teorie foarte autoritară în timpul nostru despre apariția vieții pe Pământ ca urmare a transferului „embrionilor de viață” de pe alte planete. Această ipoteză a fost înaintată de omul de știință german G. Richter în 1865, care a însemnat transferul sporilor de microorganisme fie prin meteoriți, fie sub influența presiunii ușoare. Mai târziu, au fost descoperite radiațiile cosmice, care afectează organismele vii în mod nu mai puțin distructiv decât degradarea uraniului. Și teoria panspermiei a căzut în praf până la primul zbor către Lună - când au fost găsite microorganisme vii de pe Pământ pe sonda de aterizare Surveyor 3, care a supraviețuit în siguranță zborului lung în spațiul cosmic.

În 2006, a fost descoperită prezența atât a apei, cât și a compușilor organici simpli în substanța cometă. În mod ciudat, asta înseamnă că un meteorit mic cu o dâră luminoasă care se apropie de un glob mult mai mare al planetei este ceva asemănător cu analogul cosmic al celulelor reproducătoare feminine și masculine, dând împreună naștere la o nouă viață.

Unii adepți ai panspermiei cred că un schimb de bacterii a avut loc între Pământ și Marte în perioada în care Planeta Roșie încă a înflorit și a fost parțial acoperită de oceane. Mai mult, acest lucru nu este cauzat neapărat de meteoriți - poate că bacteriile au fost aduse aici de vizitatori inteligenți (dar acesta este un subiect separat). Dar chiar dacă astfel de evenimente au avut loc în istorie, vom fi forțați să ne dăm seama de unde a venit viața pe o altă planetă.

Electricitatea și bulionul primordial

Celebrul experiment Miller-Urey din 1953 a dovedit că scânteile electrice pot genera baza vieții - aminoacizi și zaharoză - în prezența apei, metanului, amoniacului și hidrogenului în atmosferă. Aceasta înseamnă că fulgerul obișnuit ar fi putut crea elementele de bază ale vieții de pe Pământul antic, numite supa primordială. Acest termen a fost introdus în 1924 de către biologul sovietic Oparin. Potrivit teoriei sale, această „supă” a apărut în urmă cu aproximativ 4 miliarde de ani în rezervoarele de mică adâncime ale planetei, sub influența descărcărilor electrice, a radiațiilor cosmice și a temperaturilor ridicate ale lichidului. La început, compoziția sa a fost dominată de nucleotide, polipeptide, baze azotate și aminoacizi. Apoi, de-a lungul a milioane de ani, în bulionul primordial s-au format molecule mai complexe până când s-au format cele mai simple organisme unicelulare, bacteriile.

Viața de lut

Potrivit surselor religioase, Adam a fost creat din praful pământului, iar în Coran și printre unele popoare (de exemplu, japonezi), zeii au modelat oamenii din lut. Potrivit chimistului organic Alexander Graham Kearns-Smith de la Universitatea din Glasgow din Scoția, aceasta poate să nu fie o simplă alegorie: primele molecule ale vieții s-ar fi putut forma pe lut. Inițial, compușii primitivi de carbon nu aveau ADN, ceea ce înseamnă că nu puteau reproduce propriul lor fel - „reproducția” putea fi stimulată doar de surse din mediul extern.

O astfel de sursă ar putea fi roca de argilă, care nu este doar o anumită masă de pământ - este o secvență organizată, ordonată de molecule. Suprafața de argilă nu numai că ar putea concentra și combina compuși organici, dar la nivel microscopic să-i organizeze în structuri, acționând ca un genom. De-a lungul timpului, moleculele organice și-au „amintit” această secvență și au învățat să se organizeze. Ulterior, au devenit mai complexe: aveau un prototip de ADN, ARN și alți acizi nucleici.

Viața din Oceane

„Teoria ventilației hidrotermale subacvatice” sugerează că viața ar fi putut avea originea la sursa vulcanilor subacvatici, care au ejectat molecule bogate în hidrogen și multă căldură prin fisurile de pe fundul oceanului. Aceste molecule s-au combinat pe suprafața rocilor, ceea ce a furnizat catalizatori minerali pentru noi reacții chimice.

Așa s-au născut bacteriile care au format minunea geologică de renume mondial - stromatoliții (din „stromatos” - covor și „litos” - piatră). Aceste formațiuni au supraviețuit până în zilele noastre sub formă fosilizată. Și sursele subacvatice de acest tip continuă să joace un rol important în menținerea diverselor ecosisteme marine în timpul nostru.

Frigul este un catalizator al evoluției

Indiferent de ce om de știință are dreptate, bacteriile simple unicelulare încă populau planeta - și sub această formă au existat invariabil de mai bine de un miliard de ani. Apoi a avut loc o explozie incredibil de rapidă în conformitate cu standardele evoluției - au început să se dezvolte forme de viață mult mai complexe, care au stăpânit mai întâi oceanele, apoi pământul, solul și, în cele din urmă, aerul. Nu cu mult timp în urmă, oamenii de știință au reușit să-și dea seama care a fost impulsul pentru schimbări decisive. S-a dovedit a fi cea mai puternică epocă de gheață din întreaga istorie a Pământului, care a început acum aproximativ 3 miliarde de ani. Planeta a fost complet acoperită de gheață de până la un kilometru grosime - experții au numit acest fenomen „Pământul bulgărelui de zăpadă” (cum ar fi cele cu care se joacă copiii).

Condițiile de viață pentru cele mai simple microorganisme s-au schimbat dramatic - dar, pe de altă parte, bacteriile extremofile rezistente au trebuit să se adapteze sub grosimea gheții! În această perioadă de „incubare” a avut loc divizarea primară a bacteriilor în funcție de metodele lor de supraviețuire: unii dintre ei au învățat să obțină energie din lumina soarelui, alții și-au atras putere prin prelucrarea substanțelor dizolvate în apă. Aceasta a marcat începutul regnurilor naturii vii - prima va deveni în viitor plante și animale fotosintetice unicelulare, cele din urmă - animale multicelulare și ciuperci.

Dar într-o zi, vulcanii fierbinți s-au trezit din nou și au eliberat cantități uriașe de dioxid de carbon în atmosferă, ceea ce a provocat un puternic efect de seră. Planeta s-a încălzit, gheața s-a topit și a eliberat bacterii „maturate”. Procesul de fotosinteză care are loc în cianobacteriile (alge albastre-verzi) a dat o nouă reacție - iar atmosfera a fost rapid saturată cu oxigen. Iar fragmentele de roci minerale aduse de ghețarul căzut în ocean au dat noi variante de reacții chimice. Acest lucru, așa cum devine deja clar, a permis animalelor să evolueze. Curând, în loc să împartă bacteriile în două noi, acestea au început să se împartă fără să „înoate liber” și să formeze primele structuri multicelulare. Un exemplu sunt cele mai vechi animale multicelulare fără sistem nervos, sanguin sau digestiv - bureții de mare.

Conform acestei teorii, viața este destul de probabil sub un strat gros de gheață pe una dintre lunile lui Jupiter - în oceanele reci din Europa, ascunse de sondele spațiale. Un grup de cercetători de la NASA a mai descoperit că există activitate geotermală sub gheața satelitului. Prin urmare, este foarte posibil ca Europa să urmeze propriul nostru drum și, pe măsură ce soarele nostru începe să îmbătrânească și să devină mai strălucitor, evoluția va prevala și asupra frigului etern.

Munți fără viață, stânci și apă, o lună uriașă pe cer și bombardament constant de meteoriți - cel mai probabil peisaj al Pământului de acum 4 miliarde de ani

Viața a provenit din materia anorganică din spațiu sau a apărut pe Pământ? Această dilemă se confruntă inevitabil cu un cercetător interesat de problema originii vieții. Până acum, nimeni nu a reușit să demonstreze corectitudinea vreuneia dintre cele două ipoteze existente în prezent și nici nu a fost posibil să se vină cu o a treia soluție.

Prima ipoteză despre originea vieții pe Pământ este veche, ea include figuri respectabile ale științei europene: G. Helmholtz, L. Pasteur, S. Arrhenius, V. Vernadsky, F. Crick. Complexitatea materiei vii, probabilitatea scăzută de generare spontană a acesteia pe planetă, precum și eșecurile experimentatorilor de a sintetiza viața din lucruri nevii îi conduc pe oameni de știință în tabăra adepților acestei abordări. Există numeroase variații cu privire la modul exact în care viața a ajuns pe Pământ, iar cea mai faimoasă dintre ele este teoria panspermiei. Potrivit acesteia, viața este răspândită în spațiul interstelar, dar, din moment ce nu există condiții de dezvoltare acolo, materia vie se transformă în spermatozoizi, sau spori, și astfel se mișcă prin spațiu. Cu miliarde de ani în urmă, cometele au adus spermatozoizi pe Pământ, unde s-a dezvoltat un mediu favorabil dezvoltării lor.

Spermatozoizii sunt embrioni mici care pot rezista la schimbări mari de temperatură, radiații cosmice și alți factori de mediu distructivi pentru ființe vii. După cum a sugerat astronomul englez F. Hoyle, particulele de praf interstelar, care pot include bacterii într-o înveliș de grafit, sunt potrivite pentru rolul spermatozoizilor. Până în prezent, nu au fost găsite spermatozoizi în spațiu. Dar chiar dacă ar fi găsite, o astfel de descoperire uimitoare nu ar face decât să schimbe problema originii vieții de pe planeta noastră în alt loc. Și nu am evita să ne întrebăm de unde au venit sperma pe Pământ și cum s-au născut. A doua parte a dilemei - cum a apărut viața din materia anorganică - nu este atât de romantică, deoarece se bazează pe legile fizicii și chimiei. Această abordare îngustă, mecanicistă, numită teoria abiogenezei, încorporează eforturile multor specialiști. Poate din cauza specificității sale, această abordare s-a dovedit a fi fructuoasă și, pe parcursul unei jumătate de secol, a avansat ramuri întregi de biochimie, biologie evolutivă și cosmologie.

Potrivit oamenilor de știință, sinteza unei celule vii este chiar după colț; este o chestiune de tehnologie și o chestiune de timp. Dar o celulă născută într-o eprubetă va fi răspunsul la întrebarea cum a apărut viața pe Pământ? Cu greu. Celula sintetică va dovedi doar că abiogeneza este cumva posibilă. Dar acum 4 miliarde de ani pe Pământ, totul s-ar fi putut întâmpla altfel. De exemplu, așa. Suprafața Pământului s-a răcit acum 4,5 miliarde de ani. Atmosfera era subțire, iar cometele au bombardat activ Pământul, livrând materie organică din abundență. Materia extraterestră s-a așezat în rezervoare calde puțin adânci încălzite de vulcani: lava curgea în partea de jos, insulele au crescut și izvoarele termale au erupt - fumarole. Continentele la acea vreme nu erau la fel de puternice și mari ca acum; s-au deplasat cu ușurință de-a lungul scoarței terestre, s-au conectat și s-au dezintegrat.

Luna era mai aproape, Pământul se învârtea mai repede, zilele erau mai scurte, valurile mai mari, iar furtunile mai puternice. Deasupra tuturor se întindeau ceruri de culoarea oțelului, întunecate de furtunile de praf, nori de cenușă vulcanică și cioburi de rocă dislocate de impactul meteoriților. Treptat s-a dezvoltat o atmosferă bogată în azot, dioxid de carbon și vapori de apă. Abundența gazelor cu efect de seră a făcut ca clima întregii planete să se încălzească. În condiții atât de extreme a avut loc sinteza materiei vii. A fost acesta un miracol, un accident care a avut loc contrar evoluției Universului, sau acesta este singurul mod în care poate apărea viața? Deja în stadiile incipiente a apărut una dintre principalele trăsături ale materiei vii - adaptabilitatea la condițiile de mediu. Atmosfera timpurie conținea puțin oxigen liber, ozonul era insuficient, iar pământul era scăldat în raze ultraviolete, fatale pentru ființe vii. Planeta ar fi rămas nelocuită dacă celulele nu ar fi inventat un mecanism de protecție împotriva radiațiilor ultraviolete. Acest scenariu pentru apariția vieții în general nu diferă de cel propus de Darwin. Au fost adăugate noi detalii - am învățat ceva studiind rocile antice și experimentând și am ghicit ceva. Deși acest scenariu este cel mai rezonabil, este și cel mai controversat. Oamenii de știință se luptă cu fiecare punct, oferind numeroase alternative. Îndoielile apar încă de la început: de unde a venit materia organică primară, a sintetizat-o pe Pământ sau a căzut din cer?

Idee revoluționară

Bazele științifice ale abiogenezei, sau originea viețuitoarelor din lucruri nevii, au fost puse de biochimistul rus A.I. Oparin. În 1924, ca om de știință în vârstă de 30 de ani, Oparin a publicat un articol, „Originea vieții”, care, potrivit colegilor săi, „conținea semințele unei revoluții intelectuale”. Publicarea cărții lui Oparin în limba engleză în 1938 a devenit o senzație și a atras importante resurse intelectuale occidentale către problema vieții. În 1953, S. Miller, un student absolvent la Universitatea din Chicago, a efectuat un experiment de succes în sinteza abiogenă. El a creat condițiile Pământului timpuriu într-o eprubetă de laborator și, în urma unei reacții chimice, a obținut un set de aminoacizi. Astfel, teoria lui Oparin a început să primească confirmare experimentală.

Oparin şi preotul

Conform amintirilor colegilor, academicianul A.I. Oparin a fost un materialist convins și ateu. Acest lucru este confirmat de teoria sa a abiogenezei, care, se pare, nu lasă nicio speranță pentru o explicație supranaturală a misterelor vieții. Cu toate acestea, opiniile și personalitatea omului de știință au atras către el oameni cu viziuni complet opuse. Fiind angajat în activități științifice și educaționale, participând la mișcarea pacifistă, a călătorit mult în străinătate. Odată, undeva prin anii 1950, Oparin a ținut prelegeri în Italia despre problema originii vieții. După raport, i s-a spus că nimeni altul decât președintele Academiei Pontificale de Științe din Vatican a vrut să-l cunoască. Alexandru Ivanovici, fiind sovietic și cunoscând pe deplin atitudinea părtinitoare a intelectualității străine față de URSS, nu se aștepta la nimic bun de la reprezentantul Bisericii Catolice, probabil un fel de provocare. Cu toate acestea, cunoștința a avut loc. Reverendul Signor i-a strâns mâna lui Oparin, i-a mulțumit pentru prelegere și a exclamat: „Domnule profesor, sunt încântat de cât de frumos ați revelat providența lui Dumnezeu!”

Probabilitatea vieții

Teoria abiogenezei sugerează că viața a apărut într-un anumit stadiu al dezvoltării materiei. De la formarea Universului și a primelor particule, materia a pornit pe o cale de schimbare constantă. Mai întâi, au apărut atomii și moleculele, apoi au apărut stelele și praful, din ele - planete, și viața a apărut pe planete. Ființele vii apar din lucruri nevii, supunând unei legi superioare, a cărei esență ne este încă necunoscută. Viața nu a putut să nu apară pe Pământ, unde existau condiții potrivite. Desigur, este imposibil să infirmi această generalizare metafizică, dar semințele îndoielii au răsărit. Cert este că condițiile necesare sintezei vieții sunt foarte numeroase și adesea contrazic faptele și unele cu altele. De exemplu, nu există dovezi că Pământul timpuriu a avut o atmosferă reducătoare. Nu este clar cum a apărut codul genetic. Structura unei celule vii și funcțiile sale sunt surprinzătoare prin complexitatea lor. Care este probabilitatea generală a originii vieții? Aici sunt cateva exemple.

Proteinele constau numai din așa-numiții aminoacizi „stângaci”, adică molecule asimetrice care rotesc polarizarea luminii care trece prin ei spre stânga. De ce sunt folosiți numai aminoacizii stângaci în construcția proteinelor este necunoscut. Poate că acest lucru s-a întâmplat întâmplător și undeva în Univers există ființe vii formate din aminoacizi dreptaci. Cel mai probabil, în bulionul primordial, unde a avut loc sinteza proteinelor originale, a existat o cantitate egală de aminoacizi stângaci și dreptaci. Și doar apariția unei structuri „stângaci” cu adevărat vie a rupt această simetrie, iar sinteza biogenă a aminoacizilor a urmat calea „stângacilor”.

Calculul pe care Fred Hoyle îl dă în cartea sa „Evoluția din spațiu” este impresionant. Probabilitatea de a obține aleatoriu 2.000 de enzime celulare, fiecare constând din 200 de aminoacizi, este de 10 -4000 - o valoare absurd de mică, chiar dacă întregul cosmos ar fi o supă organică.

Probabilitatea de a sintetiza o proteină constând din 300 de aminoacizi este o șansă în 2x10.390. Din nou, neglijabil. Să reducem numărul de aminoacizi dintr-o proteină la 20, atunci numărul de combinații posibile ale sintezei unei astfel de proteine ​​va fi de 1.018 - doar cu un ordin de mărime mai mare decât numărul de secunde în 4,5 miliarde de ani. Nu este greu de observat că evoluția pur și simplu nu a avut timp să trimită toate opțiunile și să aleagă pe cele mai bune. Dacă luăm în considerare faptul că aminoacizii din proteine ​​sunt legați în anumite secvențe, și nu aleatoriu, atunci probabilitatea de a sintetiza o moleculă de proteină va fi aceeași ca și cum o maimuță ar fi imprimat accidental una dintre tragediile lui Shakespeare, adică aproape zero.

Oamenii de știință au calculat că molecula de ADN implicată în cel mai simplu ciclu de codificare a proteinelor ar fi trebuit să fie formată din 600 de nucleotide într-o anumită secvență. Probabilitatea de sinteza aleatorie a unui astfel de ADN este de 10 -400, cu alte cuvinte, aceasta va necesita 10.400 de încercări.

Nu toți oamenii de știință sunt de acord cu aceste calcule de probabilitate. Ei subliniază că calcularea șanselor sintezei proteinelor prin încercarea aleatorie de combinații este incorectă, deoarece moleculele au preferințe, iar unele legături chimice sunt întotdeauna mai probabile decât altele. Potrivit biochimistului australian Ian Musgrave, calcularea probabilității de abiogeneză este în general inutilă. În primul rând, formarea polimerilor din monomeri nu este accidentală, ci respectă legile fizicii și chimiei. În al doilea rând, este incorect să se calculeze formarea moleculelor moderne de proteine, ADN sau ARN, deoarece acestea nu făceau parte din primele sisteme vii. Poate că nu a mai rămas nimic din vremuri trecute în structura organismelor care există astăzi. Acum se crede că primele organisme au fost sisteme foarte simple de molecule scurte, constând din doar 30-40 de monomeri. Viața a început cu organisme foarte simple, crescând treptat în complexitate. Natura nici nu a încercat să construiască un Boeing 747 imediat. În al treilea rând, nu trebuie să vă temeți de probabilitatea scăzută. O șansă într-un milion de milioane? Și ce, s-ar putea să cadă la prima încercare.

Ce este viața

Nu numai filozofii sunt angajați în căutarea unei definiții a vieții. Această definiție este necesară pentru ca biochimiștii să înțeleagă: ce s-a întâmplat în eprubetă - viu sau neviu? Paleontologii studiază rocile antice în căutarea începutului vieții. Exobiologii caută organisme de origine extraterestră. Definirea vieții nu este ușor. În cuvintele Marii Enciclopedii Sovietice, „o distincție strict științifică între obiectele vii și cele neînsuflețite întâmpină anumite dificultăți”. Într-adevăr, ce este caracteristic doar unui organism viu? Poate un set de semne externe? Ceva alb, moale, se mișcă, scoate sunete. Această definiție primitivă nu include plantele, microbii și multe alte organisme, deoarece acestea sunt tăcute și nu se mișcă. Putem considera viața din punct de vedere chimic ca materie formată din compuși organici complecși: aminoacizi, proteine, grăsimi. Dar atunci un simplu amestec mecanic al acestor compuși ar trebui considerat viu, ceea ce este incorect. O definiție mai bună, asupra căreia există un consens științific general, se referă la funcțiile unice ale sistemelor vii.

Capacitatea de a se reproduce, atunci când o copie exactă a informațiilor ereditare este transmisă descendenților, este inerentă întregii vieți pământești, chiar și în cea mai mică particulă a ei - o celulă. Acesta este motivul pentru care celula este luată ca unitate de măsură a vieții. Componentele celulelor: proteine, aminoacizi, enzime, luate separat, nu vor mai fi vii. Acest lucru duce la concluzia importantă că experimentele de succes privind sinteza acestor substanțe nu pot fi considerate răspunsul la întrebarea despre originea vieții. Va exista o revoluție în acest domeniu doar atunci când va deveni clar cum a luat ființă întreaga celulă. Fără îndoială, descoperitorii secretului vor primi Premiul Nobel. Pe lângă funcția de reproducere, există o serie de proprietăți necesare, dar insuficiente, ale unui sistem pentru a fi numit viu. Un organism viu se poate adapta la schimbările de mediu la nivel genetic. Acest lucru este foarte important pentru supraviețuire. Variabilitatea a permis vieții să supraviețuiască pe Pământul timpuriu, prin catastrofe și epoci glaciare severe.

O proprietate importantă a unui sistem viu este activitatea catalitică, adică capacitatea de a efectua numai anumite reacții. Metabolismul se bazează pe această proprietate - selecția substanțelor necesare din mediu, prelucrarea lor și producerea de energie necesară pentru activitatea ulterioară a vieții. Schema metabolică, care nu este altceva decât un algoritm de supraviețuire, este conectată în codul genetic al celulei și este transmisă descendenților prin mecanismul eredității. Chimiștii cunosc multe sisteme cu activitate catalitică, care, totuși, nu se pot reproduce și, prin urmare, nu pot fi considerate vii.

Experimentul decisiv

Nu există nicio speranță că într-o zi o celulă va apărea singură din atomi de elemente chimice. Aceasta este o opțiune incredibilă. O celulă bacteriană simplă conține sute de gene, mii de proteine ​​și diferite molecule. Fred Hoyle a glumit că sinteza celulelor este la fel de incredibilă ca asamblarea unui Boeing ca un uragan care trece printr-o groapă de piese. Și totuși Boeing există, ceea ce înseamnă că a fost cumva „asamblat”, sau mai degrabă „auto-asamblat”. Potrivit ideilor actuale, „auto-asamblarea” Boeing-ului a început în urmă cu 4,5 miliarde de ani, procesul a decurs treptat și s-a extins pe un miliard de ani. Cu cel puțin 3,5 miliarde de ani în urmă, celulele vii existau deja pe Pământ.

Pentru sinteza viețuitoarelor din lucruri nevii, în stadiul inițial, în atmosfera și corpurile de apă ale planetei trebuie să fie prezenți compuși organici și anorganici simpli: C, C 2, C 3, CH, CN, CO, CS , HCN, CH 3 CH, NH, O, OH, H 2 O, S. Stanley Miller, în celebrele sale experimente privind sinteza abiogenă, a amestecat hidrogen, metan, amoniac și vapori de apă, apoi a trecut amestecul încălzit prin descărcări electrice și a răcit aceasta. După o săptămână, în balon s-a format un lichid maro care conține șapte aminoacizi, inclusiv glicină, alanină și acid aspartic, care fac parte din proteinele celulare. Experimentul lui Miller a arătat cum se poate forma materia organică prebiologică - substanțe care sunt implicate în sinteza unor componente celulare mai complexe. De atunci, biologii au considerat această problemă rezolvată, în ciuda problemei grave. Faptul este că sinteza abiogenă a aminoacizilor are loc numai în condiții reducătoare, motiv pentru care Oparin credea că atmosfera Pământului timpuriu era metan-amoniac. Dar geologii nu sunt de acord cu această concluzie.

Problema atmosferei timpurii

Metanul și amoniacul nu au de unde să provină în cantități mari pe Pământ, spun experții. În plus, acești compuși sunt foarte instabili și sunt distruși sub influența luminii solare; o atmosferă de metan-amoniac nu ar putea exista chiar dacă aceste gaze ar fi eliberate din intestinele planetei. Potrivit geologilor, atmosfera Pământului de acum 4,5 miliarde de ani era dominată de dioxid de carbon și azot, care creează un mediu neutru din punct de vedere chimic. Acest lucru este dovedit de compoziția celor mai vechi roci care au fost topite din mantie la acea vreme. Cele mai vechi roci de pe planetă, vechi de 3,9 miliarde de ani, au fost descoperite în Groenlanda. Acestea sunt așa-numitele gneisuri gri - roci magmatice extrem de alterate de compoziție medie. Aceste roci s-au schimbat de-a lungul a milioane de ani sub influența fluidelor de dioxid de carbon din manta, care au saturat simultan atmosfera. În astfel de condiții, sinteza abiogenă este imposibilă.

Academicianul E.M. încearcă să rezolve problema atmosferei timpurii a Pământului. Galimov, director al Institutului de Geochimie și Chimie Analitică, numit după. IN SI. Vernadsky RAS. El a calculat că scoarța terestră a apărut foarte devreme, în primii 50-100 de milioane de ani după formarea planetei, și era predominant metalică. În acest caz, mantaua ar fi trebuit să elibereze metan și amoniac în cantități suficiente pentru a crea condiții reducătoare. Oamenii de știință americani K. Sagan și K. Chaiba au propus un mecanism de autoprotecție a atmosferei de metan împotriva distrugerii. Conform schemei lor, descompunerea metanului sub influența radiațiilor ultraviolete ar putea duce la crearea unui aerosol de particule organice în straturile superioare ale atmosferei. Aceste particule au absorbit radiația solară și au protejat mediul restaurator al planetei. Adevărat, acest mecanism a fost dezvoltat pentru Marte, dar se aplică și pentru Pământul timpuriu.

Condițiile potrivite pentru formarea materiei organice prebiologice nu au durat mult pe Pământ. În următorii 200-300 de milioane de ani, mantaua a început să se oxideze, ducând la eliberarea de dioxid de carbon și la o modificare a compoziției atmosferei. Dar până atunci mediul pentru originea vieții fusese deja pregătit.

Unde a dus mutul iapa

Prima viață ar fi putut avea originea în jurul vulcanilor. Imaginați-vă pe fundul încă fragil al oceanelor numeroase defecte și crăpături, care curg magmă și clocotesc cu gaze. În astfel de zone saturate cu vapori de hidrogen sulfurat se formează depozite de sulfuri metalice: fier, zinc, cupru. Ce se întâmplă dacă sinteza materiei organice primare ar avea loc direct pe suprafața mineralelor fier-sulf folosind reacția dioxidului de carbon și hidrogenului? Din fericire, există o mulțime de ambele în jur: dioxidul de carbon și monoxidul sunt eliberate din magmă, iar hidrogenul este eliberat din apă în timpul interacțiunii sale chimice cu magma fierbinte. Există, de asemenea, un aflux de energie necesară sintezei.

Această ipoteză nu contrazice datele geologice și se bazează pe presupunerea că organismele timpurii au trăit în condiții extreme, precum bacteriile chimiosintetice moderne. În anii 60 ai secolului XX, cercetătorii au descoperit vulcani subacvatici - fumători negri - pe fundul Oceanului Pacific. Acolo, în norii de gaze otrăvitoare, fără acces la lumina soarelui și la oxigen, la o temperatură de +120°, există colonii de microorganisme. Condiții similare cu fumătorii negri existau pe Pământ deja cu 2,5 miliarde de ani în urmă, așa cum o demonstrează straturile de stromatoliți - urme ale activității algelor albastre-verzi. Forme asemănătoare acestor microbi se găsesc și printre rămășițele celor mai vechi organisme, vechi de 3,5 miliarde de ani.

Pentru a confirma ipoteza vulcanică, este necesar un experiment care să arate că sinteza abiogenă este posibilă în aceste condiții. Grupuri de biochimiști din SUA, Germania, Anglia și Rusia lucrează în această direcție, dar până acum fără succes. Rezultate încurajatoare au fost obținute în 2003 de către un tânăr cercetător Mihail Vladimirov de la Laboratorul de Biochimie Evolutivă al Institutului de Biochimie. UN. Bach RAS. A creat în laborator un afumător negru artificial: un disc de pirit (FeS 2) a fost plasat într-o autoclavă umplută cu o soluție salină, servind drept catod; Dioxidul de carbon și curentul electric au trecut prin sistem. O zi mai târziu, acidul formic a apărut în autoclavă - cea mai simplă materie organică care participă la metabolismul celulelor vii și servește ca material pentru sinteza abiogenă a unor substanțe biologice mai complexe.

Cianobacterii capabile să asimileze azotul atmosferic

Vânători de planete locuibile

Ambele teorii despre originea vieții, panspermia și abiogeneza, admit că viața nu este un fenomen unic în Univers, ea trebuie să existe pe alte planete. Dar cum să-l detectăm? Multă vreme, a existat o singură metodă de căutare a vieții, care nu a dat încă rezultate pozitive - folosind semnale radio de la extratereștri. La sfârșitul secolului al XX-lea, a apărut o nouă idee - folosirea telescoapelor pentru a căuta planete în afara sistemului solar. Vânătoarea de exoplanete a început. În 1995, a fost prins primul exemplar: o planetă jumătate din masa lui Jupiter, care se rotește rapid în jurul celei de-a 51-a stele a constelației Pegasus. În urma a aproape 10 ani de căutări, au fost descoperite 118 sisteme planetare care conțin 141 de planete. Niciunul dintre aceste sisteme nu este similar cu sistemul solar, nici una dintre planete nu este asemănătoare cu Pământul. Exoplanetele găsite sunt apropiate ca masă de Jupiter, adică sunt mult mai mari decât Pământul. Giganții îndepărtați sunt nepotriviți pentru viață din cauza caracteristicilor orbitelor lor. Unele dintre ele se rotesc foarte aproape de steaua lor, ceea ce înseamnă că suprafețele lor sunt fierbinți și nu există apă lichidă în care să se dezvolte viața. Planetele rămase - minoritatea lor - se deplasează de-a lungul unei orbite eliptice alungite, care afectează dramatic clima: schimbarea anotimpurilor acolo trebuie să fie foarte bruscă, iar acest lucru este dăunător organismelor.

Ambele teorii despre originea vieții, panspermia și abiogeneza, admit că viața nu este un fenomen unic în Univers, ea trebuie să existe pe alte planete. Dar cum să-l detectăm? Multă vreme, a existat o singură metodă de căutare a vieții, care nu a dat încă rezultate pozitive - folosind semnale radio de la extratereștri. La sfârșitul secolului al XX-lea, a apărut o nouă idee - folosirea telescoapelor pentru a căuta planete în afara sistemului solar. Vânătoarea de exoplanete a început. În 1995, a fost prins primul exemplar: o planetă jumătate din masa lui Jupiter, care se rotește rapid în jurul celei de-a 51-a stele a constelației Pegasus. În urma a aproape 10 ani de căutări, au fost descoperite 118 sisteme planetare care conțin 141 de planete. Niciunul dintre aceste sisteme nu este similar cu sistemul solar, nici una dintre planete nu este asemănătoare cu Pământul. Exoplanetele găsite sunt apropiate ca masă de Jupiter, adică sunt mult mai mari decât Pământul. Giganții îndepărtați sunt nepotriviți pentru viață din cauza caracteristicilor orbitelor lor. Unele dintre ele se rotesc foarte aproape de steaua lor, ceea ce înseamnă că suprafețele lor sunt fierbinți și nu există apă lichidă în care să se dezvolte viața. Planetele rămase - minoritatea lor - se deplasează de-a lungul unei orbite eliptice alungite, care afectează dramatic clima: schimbarea anotimpurilor acolo trebuie să fie foarte bruscă, iar acest lucru este dăunător organismelor.

Faptul că nu a fost descoperit niciun sistem planetar de tip solar a condus la afirmații pesimiste din partea unor oameni de știință. Poate că micile planete stâncoase sunt foarte rare în Univers, sau Pământul nostru este, în general, singurul de acest fel, sau poate pur și simplu ne lipsește acuratețea măsurătorilor. Dar speranța moare ultima, iar astronomii continuă să-și perfecționeze metodele. Acum planetele sunt căutate nu prin observație directă, ci prin semne indirecte, deoarece rezoluția telescoapelor nu este suficientă. Astfel, poziția giganților asemănătoare lui Jupiter este calculată din perturbațiile gravitaționale pe care aceștia o exercită pe orbitele stelelor lor. În 2006, Agenția Spațială Europeană va lansa satelitul Korot, care va căuta planete cu masa Pământului reducând luminozitatea unei stele pe măsură ce acestea trec pe discul său. Satelitul Kepler al NASA va căuta planete în același mod începând din 2007. Peste încă 2 ani, NASA va organiza o misiune de interferometrie spațială - o metodă foarte sensibilă de detectare a planetelor mici prin impactul lor asupra corpurilor de masă mai mare. Abia până în 2015 oamenii de știință vor construi instrumente pentru observarea directă - aceasta va fi o întreagă flotilă de telescoape spațiale numită „Vânător de planete de tip Pământ”, capabilă să caute simultan semne de viață.

Când vor fi descoperite planete asemănătoare Pământului, o nouă eră va începe în știință, iar oamenii de știință se pregătesc acum pentru acest eveniment. De la mare distanță, trebuie să puteți recunoaște urme de viață în atmosfera planetei, chiar și formele sale cele mai primitive - bacterii sau organisme multicelulare protozoare. Probabilitatea de a descoperi viața primitivă în Univers este mai mare decât a intra în contact cu micii oameni verzi, deoarece viața pe Pământ există de mai bine de 4 miliarde de ani, din care doar un secol a fost petrecut pentru o civilizație dezvoltată. Înainte de apariția semnalelor create de om, a fost posibil să aflăm despre existența noastră doar prin prezența unor compuși speciali în atmosferă - biomarkeri. Principalul biomarker este ozonul, care indică prezența oxigenului. Vaporii de apă indică prezența apei lichide. Dioxidul de carbon și metanul sunt eliberate de unele specii de organisme. Misiunea Darwin, pe care oamenii de știință europeni o vor lansa în 2015, va avea sarcina de a căuta biomarkeri pe planete îndepărtate. Șase telescoape în infraroșu vor orbita la 1,5 milioane de kilometri de Pământ și vor cerceta câteva mii de sisteme planetare din apropiere. Pe baza cantității de oxigen din atmosferă, proiectul Darwin este capabil să determine o viață foarte tânără, veche de câteva sute de milioane de ani.

Dacă radiația atmosferei planetei conține linii spectrale a trei substanțe - ozon, vapori de apă și metan - aceasta este o dovadă suplimentară în favoarea prezenței vieții. Următorul pas este stabilirea tipului și gradului său de dezvoltare. De exemplu, prezența moleculelor de clorofilă ar însemna că există bacterii și plante pe planetă care folosesc fotosinteza pentru a produce energie. Dezvoltarea următoarei generații de biomarkeri este foarte promițătoare, dar este încă departe.

Sursă organică

Dacă nu ar exista condiții pe Pământ pentru sinteza organicelor prebiologice, atunci acestea ar putea fi în spațiu. În 1961, biochimistul american John Oro a publicat un articol despre originea cometă a moleculelor organice. Pământul tânăr, neprotejat de o atmosferă densă, a fost supus unui bombardament masiv de către comete, care constau în principal din gheață, dar conțin și amoniac, formaldehidă, acid cianhidric, cianoacetilenă, adenină și alți compuși necesari sintezei abiogene a aminoacizilor, acizii nucleici și grași - principalele componente celule. Potrivit astronomilor, 1.021 kg de material cometar au căzut pe suprafața Pământului. Apa cometelor a format oceane în care viața a înflorit după sute de milioane de ani.

Observațiile confirmă că corpurile cosmice și norii de praf interstelar conțin materie organică simplă și chiar aminoacizi. Analiza spectrală a arătat prezența adeninei și a purinei în coada cometei Haley-Bopp, iar pirimidină a fost găsită în meteoritul Murchison. Formarea acestor compuși în spațiu nu contrazice legile fizicii și chimiei.

Ipoteza cometei este populară și în rândul cosmologilor, deoarece explică apariția vieții pe Pământ după formarea Lunii. Este general acceptat că în urmă cu aproximativ 4,5 miliarde de ani Pământul s-a ciocnit cu un imens corp cosmic. Suprafața sa s-a topit, o parte din substanță a intrat pe orbită, unde a format un mic satelit - Luna. După o astfel de catastrofă, pe planetă nu ar fi trebuit să mai rămână materie organică sau apă. De unde au venit? Cometele le-au adus din nou.

Problema polimerului

Proteinele celulare, ADN-ul, ARN-ul sunt toți polimeri, molecule foarte lungi, ca firele. Structura polimerilor este destul de simplă; ei constau din părți repetate într-o anumită ordine. De exemplu, celuloza este cea mai comună moleculă din lume care se găsește în plante. O moleculă de celuloză constă din zeci de mii de atomi de carbon, hidrogen și oxigen, dar în același timp nu este altceva decât repetiții multiple ale moleculelor de glucoză mai scurte legate între ele, ca într-un colier. Proteinele sunt un lanț de aminoacizi. ADN-ul și ARN-ul sunt o secvență de nucleotide. Mai mult, în total acestea sunt secvențe foarte lungi. Astfel, genomul uman descifrat este format din 3 miliarde de perechi de nucleotide.

În interiorul celulei, polimerii sunt produși continuu prin reacții chimice complexe cu matrice. Pentru a obține o proteină, trebuie să îndepărtați grupa hidroxil OH dintr-un aminoacid de la un capăt și atomul de hidrogen de la celălalt și abia apoi „lipiți” următorul aminoacid. Este ușor de observat că în acest proces se formează apă, iar și iar. Eliberarea de apă, deshidratarea, este un proces foarte străvechi, cheie pentru originea vieții. Cum s-a întâmplat când nu exista o celulă cu fabrica sa de producție de proteine? O problemă apare și cu un iaz cald și puțin adânc - leagănul sistemelor vii. La urma urmei, în timpul polimerizării, apa trebuie îndepărtată, dar acest lucru este imposibil dacă există multă ea în jur.

Gena argilei

Trebuie să fi existat ceva în bulionul primordial care a ajutat sistemul viu să se nască, a accelerat procesul și a furnizat energie. Cristalograful englez John Bernal a sugerat în anii 50 ai secolului al XX-lea că argila obișnuită, care este acoperită din belșug în fundul oricărui corp de apă, ar putea servi ca un astfel de asistent. Mineralele argiloase au contribuit la formarea biopolimerilor și la apariția unui mecanism de ereditate. Ipoteza lui Bernal a devenit mai puternică de-a lungul anilor și a atras mulți adepți. S-a dovedit că particulele de argilă iradiate cu energie ultravioletă stochează rezerva de energie rezultată, care este cheltuită pentru reacția de asamblare a biopolimerului. În prezența argilei, monomerii se adună în molecule autoreplicabile, ceva asemănător ARN-ului.

Majoritatea mineralelor argiloase sunt similare ca structură cu polimerii. Ele constau dintr-un număr mare de straturi legate între ele prin legături chimice slabe. O astfel de panglică minerală crește de la sine, fiecare strat următor îl repetă pe cel anterior și uneori apar defecte - mutații, ca în genele reale. Chimistul scoțian A.J. Kearns-Smith a susținut că primul organism de pe Pământ a fost tocmai „gena argilei”. Trecând între straturile de particule de argilă, moleculele organice au interacționat cu ele, au adoptat metoda de stocare a informațiilor și de a crește, s-ar putea spune, au învățat ei. Pentru o vreme, mineralele și protolife au coexistat pașnic, dar în curând a avut loc o ruptură, sau preluare genetică, potrivit lui Kearns-Smith, după care viața a părăsit căminul mineralului și și-a început propria dezvoltare.

Cei mai vechi microbi

Șisturile negre vechi de 3,5 miliarde de ani din Australia de Vest conțin rămășițele celor mai vechi organisme descoperite vreodată pe Pământ. Bilele și fibrele vizibile numai la microscop aparțin procariotelor - microbi ale căror celule nu au încă un nucleu, iar spirala ADN este așezată direct în citoplasmă. Cele mai vechi fosile au fost descoperite în 1993 de către paleobiologul american William Schopf. Rocile vulcanice și sedimentare ale complexului Pilbara, la vest de Marele Deșert de Nisip din Australia, sunt unele dintre cele mai vechi roci de pe Pământ. Printr-o coincidență norocoasă, aceste formațiuni nu s-au schimbat atât de mult sub influența unor procese geologice puternice și au păstrat rămășițele unor creaturi timpurii în straturile intermediare.

A fost dificil de verificat că minusculele bile și filamentele erau organisme vii în trecut. O serie de margele mici într-o rocă ar putea fi orice: minerale, materie organică nebiologică, o iluzie optică. În total, Schopf a numărat 11 tipuri de fosile legate de procariote. Dintre acestea, 6, conform omului de știință, sunt cianobacterii sau alge albastru-verzi. Specii similare încă există pe Pământ în corpurile de apă dulce și oceane, în izvoarele termale și în apropierea vulcanilor. Schopf a numărat șase semne prin care obiectele suspecte din șisturi negre ar trebui considerate vii.

Acestea sunt semnele:
1. Fosilele sunt compuse din materie organică
2. Au o structură complexă - fibrele constau din celule de diferite forme: cilindri, cutii, discuri
3. Există multe obiecte - un total de 200 de fosile includ 1.900 de celule
4. Obiectele sunt asemănătoare între ele, ca reprezentanții moderni ai aceleiași populații
5. Acestea erau organisme bine adaptate la condițiile de pe Pământul timpuriu. Trăiau pe fundul mării, protejați de radiațiile ultraviolete de un strat gros de apă și mucus.
6. Obiectele s-au înmulțit ca bacteriile moderne, dovadă fiind descoperirile de celule în stadiul de diviziune.

Descoperirea unor astfel de cianobacterii străvechi înseamnă că în urmă cu aproape 3,5 miliarde de ani au existat organisme care consumau dioxid de carbon și produceau oxigen, s-au putut ascunde de radiațiile solare și s-au recuperat după răni, așa cum fac speciile moderne. Biosfera a început deja să prindă contur. Pentru știință, acesta este un moment picant. După cum recunoaște William Schopf, în astfel de rase venerabile el ar prefera să găsească creaturi mai primitive. La urma urmei, descoperirea cianobacteriilor antice împinge înapoi începutul vieții la o perioadă care a fost ștearsă pentru totdeauna din istoria geologică; este puțin probabil ca geologii să o poată descoperi și citi vreodată. Cu cât rocile sunt mai vechi, cu atât au fost mai mult timp sub presiune, temperatură și intemperii. Pe lângă Australia de Vest, există un singur loc pe planetă cu roci foarte vechi în care pot fi găsite fosile - în estul Africii de Sud, în regatul Swaziland. Dar rocile africane au suferit schimbări dramatice de-a lungul a miliarde de ani, iar urmele de organisme antice s-au pierdut.

În prezent, geologii nu au găsit începutul vieții în rocile Pământului. Strict vorbind, în general, ei nu pot numi intervalul de timp în care organismele vii nu existau încă. Ei nu pot urmări etapele incipiente ale evoluției viețuitoarelor, până în urmă cu 3,5 miliarde de ani. În mare parte din cauza lipsei de dovezi geologice, misterul originii vieții rămâne nerezolvat.

Realist și suprarealist

Prima conferință a Societății Internaționale pentru Studiul Originii Vieții (ISSOL) a avut loc în 1973 la Barcelona. Emblema acestei conferințe a fost desenată de Salvador Dali. Iată cum a fost. John Oro, un biochimist american, era prieten cu artistul. În 1973, s-au întâlnit la Paris, au luat masa la Maxim's și au mers la o prelegere despre holografie. După prelegere, Dali l-a invitat în mod neașteptat pe om de știință să vină la hotelul său a doua zi. Oro a sosit și Dali i-a înmânat un desen simbolizând problema chiralității în sistemele vii. Două cristale cresc dintr-un bazin care curge în formă de clepsidră inversată, indicând timpul finit al evoluției. O figură feminină stă în stânga, un bărbat stă în dreapta ținând o aripă de fluture și un vierme ADN se bucle între cristale. Cristalele de cuarț din stânga și din dreapta prezentate în figură sunt preluate din cartea lui Oparin din 1957, Originea vieții pe Pământ. Spre surprinderea omului de știință, Dali a păstrat această carte în camera lui! După conferință, soții Oparin au mers să viziteze Dali, pe coasta Cataloniei. Ambele celebrități mureau de poftă. A urmat o lungă conversație între realist și suprarealist, animată de limbajul expresiilor faciale și al gesturilor - până la urmă, Oparin vorbea doar rusă.

Lumea ARN

În teoria abiogenezei, căutarea originii vieții duce la ideea unui sistem mai simplu decât o celulă. Celula modernă este extrem de complexă; activitatea sa se bazează pe trei piloni: ADN, ARN și proteine. ADN-ul stochează informații ereditare, proteinele desfășoară reacții chimice conform schemei încorporate în ADN, iar ARN-ul transmite informații de la ADN la proteine. Ce poate fi inclus într-un sistem simplificat? Una dintre componentele unei celule care poate, cel puțin, să se reproducă și să regleze metabolismul.

Căutarea celei mai vechi molecule, cu care chiar a început viața, durează de aproape un secol. Așa cum geologii reconstruiesc istoria Pământului din straturile de rocă, biologii descoperă evoluția vieții din structura celulei. O serie de descoperiri din secolul al XX-lea au condus la ipoteza unei gene generate spontan, care a devenit progenitoarea vieții. Este firesc să ne gândim că o astfel de primă genă ar putea fi o moleculă de ADN, deoarece stochează informații despre structura sa și modificările din ea. S-a descoperit treptat că ADN-ul în sine nu poate transmite informații altor generații; pentru aceasta are nevoie de ajutoare - ARN și proteine. Când au fost descoperite noi proprietăți ale ARN-ului în a doua jumătate a secolului al XX-lea, s-a dovedit că această moleculă era mai potrivită pentru rolul principal în jocul despre originea vieții.

Molecula de ARN este mai simplă ca structură decât ADN-ul. Este mai scurt și constă dintr-un fir. Această moleculă poate servi ca catalizator, adică poate efectua reacții chimice selective, de exemplu, conectarea aminoacizilor între ei și, în special, își poate realiza propria replicare, adică reproducerea. După cum se știe, activitatea catalitică selectivă este una dintre principalele proprietăți inerente sistemelor vii. În celulele moderne, numai proteinele îndeplinesc această funcție. Poate că această abilitate le-a trecut de-a lungul timpului și odată ca niciodată acest lucru a fost făcut de ARN.

Pentru a afla de ce altceva este capabil ARN-ul, oamenii de știință au început să-l reproducă artificial. Într-o soluție saturată cu molecule de ARN, propria sa viață fierbe. Locuitorii fac schimb de părți și se reproduc, adică informațiile sunt transferate descendenților. Selecția spontană a moleculelor într-o astfel de colonie seamănă cu selecția naturală, ceea ce înseamnă că poate fi controlată. La fel cum crescătorii cresc noi rase de animale, ei au început să crească ARN cu proprietăți specificate. De exemplu, molecule care ajută la unirea nucleotidelor în lanțuri lungi; molecule rezistente la temperaturi ridicate și așa mai departe.

Coloniile de molecule din cutiile Petri sunt lumea ARN-ului, doar artificial. Este posibil ca lumea naturală a ARN-ului să fi apărut în urmă cu 4 miliarde de ani în bălți calde și lacuri puțin adânci, unde moleculele s-au înmulțit spontan. Treptat, moleculele au început să se adune în comunități și să concureze între ele pentru un loc la soare, cei mai apți supraviețuind. Este adevărat, transferul de informații în astfel de colonii are loc incorect, iar caracteristicile nou dobândite ale unui „individ” individual se pot pierde, dar această deficiență este acoperită de un număr mare de combinații. Selecția ARN a avut loc foarte repede și o celulă ar fi putut apărea în jumătate de miliard de ani. După ce a dat un impuls apariției vieții, lumea ARN nu a dispărut; ea continuă să existe în interiorul tuturor organismelor de pe Pământ.

Lumea ARN-ului este aproape vie; mai rămâne un singur pas pentru ca ea să fie pe deplin reînviată - să producă o celulă. Celula este separată de mediu printr-o membrană puternică, ceea ce înseamnă că următoarea etapă în evoluția lumii ARN este închiderea coloniilor, unde moleculele sunt legate între ele, într-o membrană grasă. O astfel de protocelulă ar fi putut apărea întâmplător, dar pentru a deveni o celulă vie cu drepturi depline, membrana a trebuit să se reproducă din generație în generație. Folosind selecția artificială, ARN-ul care este responsabil pentru creșterea membranei poate fi crescut în colonii, dar s-a întâmplat acest lucru cu adevărat? Autorii experimentelor de la Massachusetts Institute of Technology din SUA subliniază că rezultatele obținute în laborator nu vor fi neapărat similare cu asamblarea reală a unei celule vii și pot fi complet departe de adevăr. Cu toate acestea, nu a fost încă posibil să se creeze o celulă vie într-o eprubetă. Lumea ARN nu și-a dezvăluit pe deplin secretele.

Viața a apărut pe planeta noastră la aproximativ o jumătate de miliard de ani după originea Pământului, adică acum aproximativ 4 miliarde de ani: atunci a apărut primul strămoș comun al tuturor ființelor vii. Era o singură celulă, al cărei cod genetic includea câteva sute de gene. Această celulă avea tot ce este necesar pentru viață și dezvoltarea ulterioară: mecanisme responsabile pentru sinteza proteinelor, reproducerea informațiilor ereditare și producerea de acid ribonucleic (ARN), care este, de asemenea, responsabil pentru codificarea datelor genetice.

Oamenii de știință au înțeles că primul strămoș comun al tuturor ființelor vii a apărut din așa-numita supă primordială - aminoacizi care au apărut din compușii apei cu elemente chimice care au umplut rezervoarele tânărului Pământ.

Posibilitatea formării aminoacizilor dintr-un amestec de elemente chimice a fost dovedită în urma experimentului Miller-Urey, despre care Gazeta.Ru a raportat în urmă cu câțiva ani. În timpul experimentului, Stanley Miller a simulat condițiile atmosferice ale Pământului în urmă cu aproximativ 4 miliarde de ani în eprubete, umplându-le cu un amestec de gaze - metan, amoniac, carbon și monoxid de carbon - adăugând apă și trecând un curent electric prin eprubete. , care trebuia să producă efectul descărcărilor de fulgere.

Ca rezultat al interacțiunii substanțelor chimice, Miller a obținut cinci aminoacizi în eprubete - blocurile de bază ale tuturor proteinelor.

O jumătate de secol mai târziu, în 2008, cercetătorii au reanalizat conținutul eprubetelor, pe care Miller le-a păstrat intact, și au descoperit că, de fapt, amestecul de produse conținea nu deloc 5 aminoacizi, ci 22, doar că autorul a experimentului nu le-a putut identifica cu câteva decenii în urmă.

După aceasta, oamenii de știință s-au confruntat cu întrebarea care dintre cele trei molecule de bază conținute în toate organismele vii (ADN, ARN sau proteine) a devenit următorul pas în formarea vieții. Complexitatea acestei probleme constă în faptul că procesul de formare a fiecăreia dintre cele trei molecule depinde de celelalte două și nu poate fi efectuat în absența acesteia.

Astfel, oamenii de știință au trebuit fie să recunoască posibilitatea formării a două clase de molecule simultan, ca urmare a unei combinații aleatorii de succes de aminoacizi, fie să fie de acord că structura relațiilor lor complexe s-a format spontan, după apariția tuturor celor trei clase. .

Problema a fost rezolvată în anii 1980, când Thomas Check și Sidney Altman au descoperit capacitatea ARN-ului de a exista complet autonom, acționând ca un accelerator al reacțiilor chimice și sintetizând noi ARN asemănător cu el însuși. Această descoperire a condus la „ipoteza lumii ARN”, propusă pentru prima dată de microbiologul Carl Woese în 1968 și formulată în cele din urmă de biochimistul laureat al Premiului Nobel Walter Gilbert în 1986. Esența acestei teorii este că baza vieții este recunoscută ca molecule de acid ribonucleic, care în procesul de auto-reproducție ar putea acumula mutații. Aceste mutații au condus în cele din urmă la capacitatea acidului ribonucleic de a crea proteine. Compușii proteici sunt catalizatori mai eficienți decât ARN-ul, motiv pentru care mutațiile care i-au creat au fost fixate prin procesul de selecție naturală.

În același timp, s-au format „depozite” de informații genetice – ADN. Acizii ribonucleici au fost păstrați ca intermediar între ADN și proteine, îndeplinind multe funcții diferite:

ele stochează informații despre secvența de aminoacizi din proteine, transferă aminoacizi la locurile de sinteză a legăturilor peptidice și participă la reglarea gradului de activitate a anumitor gene.

În momentul de față, oamenii de știință nu au dovezi clare că o astfel de sinteză a ARN-ului ca urmare a combinațiilor aleatorii de aminoacizi este posibilă, deși există o confirmare sigură a acestei teorii: de exemplu, în 1975, oamenii de știință Manfred Samper și Rudiger Luce au demonstrat că în anumite condiții. condiții ARN-ul poate apărea spontan în amestec care conține doar nucleotide și replicază, iar în 2009, cercetătorii de la Universitatea din Manchester au arătat că uridina și citidina - părțile constitutive ale acidului ribonucleic - ar putea fi sintetizate în condițiile Pământului timpuriu. Cu toate acestea, unii cercetători continuă să critice „ipoteza lumii ARN” din cauza probabilității extrem de scăzute de apariție spontană a acidului ribonucleic cu proprietăți catalitice.

Oamenii de știință Richard Wolfenden și Charles Carter de la Universitatea din Carolina de Nord au propus versiunea lor despre formarea vieții din „materialul de construcție” primar. Ei cred că aminoacizii, formați dintr-un set de elemente chimice care au existat pe Pământ, au devenit baza formării nu a acizilor ribonucleici, ci a altor substanțe, mai simple - enzime proteice, care au făcut posibilă apariția ARN-ului. Cercetătorii au publicat rezultatele muncii lor în jurnal PNAS .

Richard Wolfenden a analizat proprietățile fizice ale a 20 de aminoacizi și a ajuns la concluzia că aminoacizii ar putea asigura în mod independent procesul de formare a structurii unei proteine ​​complete. Aceste proteine, la rândul lor, erau enzime – molecule care accelerează reacțiile chimice din organism. Charles Carter a continuat munca colegului său, arătând cu exemplul unei enzime numite aminoacil-ARNt sintetază importanța enormă pe care enzimele ar putea-o avea în dezvoltarea ulterioară a bazelor vieții: acestea

moleculele proteice sunt capabile să recunoască acizii ribonucleici de transport, să asigure corespondența acestora cu secțiunile codului genetic și, prin urmare, să organizeze transferul corect al informațiilor genetice către generațiile ulterioare.

Potrivit autorilor studiului, ei au reușit să găsească chiar „veriga lipsă”, care a fost o etapă intermediară între formarea aminoacizilor din elementele chimice primare și plierea acizilor ribonucleici complecși din acestea. Procesul de formare a moleculelor proteice este destul de simplu în comparație cu formarea ARN-ului, iar fezabilitatea acestuia a fost dovedită de Wolfenden prin studierea a 20 de aminoacizi.

Descoperirile oamenilor de știință oferă, de asemenea, un răspuns la o altă întrebare care a îngrijorat cercetătorii de mult timp, și anume: când a avut loc „diviziunea muncii” între proteine ​​și acizi nucleici, care includ ADN și ARN. Dacă teoria lui Wolfenden și Carter este corectă, atunci putem spune cu siguranță: proteinele și acizii nucleici și-au „împărțit” principalele funcții între ele în zorii vieții, și anume acum aproximativ 4 miliarde de ani.

Întrebarea când a apărut viața pe Pământ a îngrijorat întotdeauna nu numai oamenii de știință, ci și toți oamenii. Răspunsuri la asta

aproape toate religiile. Deși nu există încă un răspuns științific exact la această întrebare, unele fapte ne permit să facem ipoteze mai mult sau mai puțin rezonabile. Cercetătorii au găsit o probă de rocă în Groenlanda

cu un strop minuscul de carbon. Vârsta eșantionului este de peste 3,8 miliarde de ani. Sursa de carbon a fost cel mai probabil un fel de materie organică - în acest timp și-a pierdut complet structura. Oamenii de știință cred că acest bulgăre de carbon ar putea fi cea mai veche urmă de viață de pe Pământ.

Cum arăta Pământul primitiv?

Să avansăm rapid până acum 4 miliarde de ani. Atmosfera nu conține oxigen liber, se găsește doar în oxizi. Aproape niciun sunet în afară de fluierul vântului, șuieratul apei care erupe cu lavă și impactul meteoriților pe suprafața Pământului. Fara plante, fara animale, fara bacterii. Poate așa arăta Pământul când a apărut viața pe el? Deși această problemă a fost de multă vreme preocupare pentru mulți cercetători, opiniile lor cu privire la această problemă variază foarte mult. Rocile ar putea indica condițiile de pe Pământ la acea vreme, dar au fost distruse cu mult timp în urmă ca urmare a proceselor geologice și a mișcărilor scoarței terestre.

În acest articol vom vorbi pe scurt despre mai multe ipoteze pentru originea vieții, reflectând ideile științifice moderne. Potrivit lui Stanley Miller, un cunoscut expert în domeniul originii vieții, putem vorbi despre originea vieții și începutul evoluției ei din momentul în care moleculele organice s-au autoorganizat în structuri care au fost capabile să se reproducă. . Dar acest lucru ridică alte întrebări: cum au apărut aceste molecule; de ce s-au putut reproduce și să se adune în acele structuri care au dat naștere organismelor vii; ce conditii sunt necesare pentru asta?

Potrivit unei ipoteze, viața a început într-o bucată de gheață. Deși mulți oameni de știință cred că dioxidul de carbon din atmosferă a menținut condițiile de seră, alții cred că iarna a domnit pe Pământ. La temperaturi scăzute, toți compușii chimici sunt mai stabili și, prin urmare, se pot acumula în cantități mai mari decât la temperaturi ridicate. Fragmentele de meteorit aduse din spațiu, emisiile din gurile hidrotermale și reacțiile chimice care au loc în timpul descărcărilor electrice în atmosferă au fost surse de amoniac și compuși organici precum formaldehida și cianura. Intrând în apa Oceanului Mondial, au înghețat odată cu el. În coloana de gheață, moleculele de substanțe organice s-au apropiat și au intrat în interacțiuni care au dus la formarea glicinei și a altor aminoacizi. Oceanul a fost acoperit cu gheață, care a protejat compușii nou formați de distrugerea de către radiațiile ultraviolete. Această lume înghețată s-ar putea topi, de exemplu, dacă un meteorit uriaș ar cădea pe planetă (Fig. 1).

Charles Darwin și contemporanii săi credeau că viața ar fi putut apărea într-un corp de apă. Mulți oameni de știință încă aderă la acest punct de vedere. Într-un rezervor închis și relativ mic, substanțele organice aduse de apele care se varsă în el s-ar putea acumula în cantitățile necesare. Acești compuși au fost apoi concentrați în continuare pe suprafețele interioare ale mineralelor stratificate, care ar putea cataliza reacțiile. De exemplu, două molecule de fosaldehidă care s-au întâlnit la suprafața unui mineral au reacționat între ele pentru a forma o moleculă de carbohidrat fosforilat, un posibil precursor al acidului ribonucleic (Fig. 2).

Sau poate viața a apărut în zone cu activitate vulcanică? Imediat după formarea sa, Pământul era o minge de magmă care suflă foc. În timpul erupțiilor vulcanice și cu gazele eliberate din magma topită, o varietate de substanțe chimice necesare pentru sinteza moleculelor organice au fost transportate la suprafața pământului. Astfel, moleculele de monoxid de carbon, odată ajunse la suprafața piritei minerale, care are proprietăți catalitice, ar putea reacționa cu compuși care aveau grupări metil și să formeze acid acetic, din care apoi au fost sintetizați alți compuși organici (Fig. 3).

Pentru prima dată, omul de știință american Stanley Miller a reușit să obțină molecule organice - aminoacizi - în condiții de laborator simulând pe cele care se aflau pe Pământul primitiv în 1952. Atunci aceste experimente au devenit o senzație, iar autorul lor a câștigat faima mondială. În prezent, el continuă să efectueze cercetări în domeniul chimiei prebiotice (înainte de viață) la Universitatea din California. Instalația pe care s-a efectuat primul experiment a fost un sistem de baloane, într-unul dintre care s-a putut obține o descărcare electrică puternică la o tensiune de 100.000 V.

Miller a umplut acest balon cu gaze naturale - metan, hidrogen și amoniac, care erau prezente în atmosfera Pământului primitiv. Balonul de dedesubt conținea o cantitate mică de apă, simulând oceanul. Descărcarea electrică era aproape de puterea fulgerului, iar Miller se aștepta ca sub acțiunea sa să se formeze compuși chimici care, atunci când ajung în apă, vor reacționa între ei și vor forma molecule mai complexe.

Rezultatul a depășit toate așteptările. După ce a oprit instalația seara și s-a întors în dimineața următoare, Miller a descoperit că apa din balon căpătase o culoare gălbuie. Ceea ce a apărut a fost o supă de aminoacizi, elementele de bază ale proteinelor. Astfel, acest experiment a arătat cât de ușor se pot forma ingredientele primare ale vieții. Tot ce era nevoie era un amestec de gaze, un mic ocean și puțin fulger.

Alți oameni de știință sunt înclinați să creadă că atmosfera antică a Pământului era diferită de cea pe care a modelat-o Miller și, cel mai probabil, a constat din dioxid de carbon și azot. Folosind acest amestec de gaze și configurația experimentală a lui Miller, chimiștii au încercat să producă compuși organici. Cu toate acestea, concentrația lor în apă era la fel de nesemnificativă ca și cum o picătură de colorant alimentar ar fi dizolvată într-o piscină. Desigur, este dificil de imaginat cum ar putea apărea viața într-o soluție atât de diluată.

Dacă într-adevăr contribuția proceselor pământești la crearea rezervelor de materie organică primară a fost atât de nesemnificativă, atunci de unde a venit? Poate din spațiu? Asteroizii, cometele, meteoriții și chiar particulele de praf interplanetar ar putea transporta compuși organici, inclusiv aminoacizi. Aceste obiecte extraterestre ar putea furniza cantități suficiente de compuși organici pentru ca originea vieții să intre în oceanul primordial sau în corpul mic de apă.

Secvența și intervalul de timp al evenimentelor, începând de la formarea materiei organice primare și terminând cu apariția vieții ca atare, rămâne și, probabil, va rămâne pentru totdeauna un mister care îngrijorează mulți cercetători, precum și întrebarea ce. de fapt, consideră-l viață.

În prezent, există mai multe definiții științifice ale vieții, dar toate nu sunt exacte. Unele dintre ele sunt atât de largi încât obiecte neînsuflețite precum focul sau cristalele minerale cad sub ele. Alții sunt prea îngusti și, potrivit acestora, catârii care nu dau naștere la urmași nu sunt recunoscuți ca vii.

Una dintre cele mai de succes definește viața ca un sistem chimic auto-susținut capabil să se comporte în conformitate cu legile evoluției darwiniene. Aceasta înseamnă că, în primul rând, un grup de indivizi vii trebuie să producă descendenți asemănători lor, care moștenesc caracteristicile părinților lor. În al doilea rând, generațiile de descendenți trebuie să arate consecințele mutațiilor - modificări genetice care sunt moștenite de generațiile ulterioare și provoacă variabilitatea populației. Și în al treilea rând, este necesar să funcționeze un sistem de selecție naturală, în urma căruia unii indivizi câștigă un avantaj față de alții și supraviețuiesc în condiții schimbate, producând urmași.

Ce elemente ale sistemului au fost necesare pentru ca acesta să aibă caracteristicile unui organism viu? Un număr mare de biochimiști și biologi moleculari consideră că moleculele de ARN aveau proprietățile necesare. ARN - acizii ribonucleici - sunt molecule speciale. Unii dintre ei se pot replica, muta, transmite astfel informații și, prin urmare, ar putea participa la selecția naturală. Adevărat, ei nu sunt capabili să catalizeze singuri procesul de replicare, deși oamenii de știință speră că în viitorul apropiat va fi găsit un fragment de ARN cu o astfel de funcție. Alte molecule de ARN sunt implicate în „citirea” informațiilor genetice și transferarea acesteia la ribozomi, unde are loc sinteza moleculelor de proteine, la care participă al treilea tip de molecule de ARN.

Astfel, cel mai primitiv sistem viu ar putea fi reprezentat de moleculele de ARN care se dublează, suferă mutații și sunt supuse selecției naturale. În cursul evoluției, pe baza ARN, au apărut molecule specializate de ADN - custodele informațiilor genetice - și molecule proteice nu mai puțin specializate, care au preluat funcțiile de catalizatori pentru sinteza tuturor moleculelor biologice cunoscute în prezent.

La un moment dat, un „sistem viu” de ADN, ARN și proteine ​​și-a găsit adăpost într-un sac format dintr-o membrană lipidică, iar această structură, mai protejată de influențele externe, a servit drept prototipul primelor celule care au dat naștere. la cele trei ramuri principale ale vieții, care sunt reprezentate în lumea modernă de bacterii, arhee și eucariote. În ceea ce privește data și secvența apariției unor astfel de celule primare, acesta rămâne un mister. În plus, conform unor estimări probabilistice simple, nu există timp suficient pentru tranziția evolutivă de la molecule organice la primele organisme - primele organisme cele mai simple au apărut prea brusc.

Timp de mulți ani, oamenii de știință au crezut că este puțin probabil ca viața să fi putut apărea și să se fi dezvoltat în perioada în care Pământul a fost supus constant coliziunilor cu comete mari și meteoriți, perioadă care s-a încheiat cu aproximativ 3,8 miliarde de ani în urmă. Cu toate acestea, recent, în cele mai vechi roci sedimentare de pe Pământ, găsite în sud-vestul Groenlandei, au fost descoperite urme de structuri celulare complexe datând de cel puțin 3,86 miliarde de ani. Aceasta înseamnă că primele forme de viață ar fi putut apărea cu milioane de ani înainte ca bombardamentul planetei noastre de către corpuri cosmice mari să înceteze. Dar atunci este posibil un scenariu complet diferit (Fig. 4).

Obiectele spațiale care cădeau pe Pământ ar fi putut juca un rol central în apariția vieții pe planeta noastră, deoarece, potrivit unui număr de cercetători, celulele asemănătoare bacteriilor ar fi putut să apară pe o altă planetă și să fi ajuns apoi pe Pământ împreună cu asteroizii. O dovadă care susține teoria originilor extraterestre a vieții a fost găsită în interiorul unui meteorit în formă de cartof și numit ALH84001. Acest meteorit a fost inițial o bucată de crustă marțiană, care a fost apoi aruncată în spațiu ca urmare a unei explozii când un asteroid uriaș s-a ciocnit cu suprafața lui Marte, care a avut loc acum aproximativ 16 milioane de ani. Și acum 13 mii de ani, după o lungă călătorie în sistemul solar, acest fragment de rocă marțiană sub formă de meteorit a aterizat în Antarctica, unde a fost descoperit recent. Un studiu detaliat al meteoritului a dezvăluit structuri în formă de tijă asemănătoare bacteriilor fosilizate în interiorul acestuia, ceea ce a dat naștere la dezbateri științifice aprinse despre posibilitatea vieții adânci în scoarța marțiană. Va fi posibil să se rezolve aceste dispute nu mai devreme de 2005, când Administrația Națională pentru Aeronautică și Spațiu din SUA va implementa un program de zbor cu o navă spațială interplanetară către Marte pentru a preleva mostre din crusta marțiană și a livra mostre pe Pământ. Și dacă oamenii de știință reușesc să demonstreze că microorganismele au locuit cândva pe Marte, atunci putem vorbi cu un grad mai mare de încredere despre originea extraterestră a vieții și despre posibilitatea ca viața să fie adusă din spațiul cosmic (Fig. 5).

Orez. 5. Originea noastră este de la microbi.

Ce am moștenit din formele de viață antice? Comparația de mai jos a organismelor unicelulare cu celulele umane dezvăluie multe asemănări.

1. Reproducerea sexuală Două celule de reproducere specializate ale algelor - gameții - se împerechează pentru a forma o celulă care poartă material genetic de la ambii părinți. Acest lucru amintește în mod remarcabil de fertilizarea unui ovul uman de către un spermatozoid.

2. Gene Cilii subțiri de pe suprafața unui parameciu unicelular se leagănă ca niște vâsle mici și îi asigură mișcarea în căutarea hranei. Cilii similari căptuiesc tractul respirator uman, secretă mucus și captează particule străine.

3. Capturați alte celule Ameba absoarbe alimentele, înconjurând-o cu o pseudopodă, care se formează prin extinderea și alungirea unei părți a celulei. Într-un organism animal sau uman, celulele sanguine amiboide își extind în mod similar pseudopodiile pentru a înghiți bacteriile periculoase. Acest proces se numește fagocitoză.

4. Mitocondriile Primele celule eucariote au apărut atunci când o amibă a capturat celule procariote ale bacteriilor aerobe, care s-au dezvoltat în mitocondrii. Și deși bacteriile și mitocondriile unei celule (pancreas) nu sunt foarte asemănătoare, ele au o singură funcție - de a produce energie prin oxidarea alimentelor.

5. Flagelii Flagelul lung al unui spermatozoid uman îi permite să se miște cu viteză mare. Bacteriile și eucariotele simple au și flageli cu o structură internă similară. Este format dintr-o pereche de microtubuli înconjurați de alți nouă.

Evoluția vieții pe Pământ: de la simplu la complex

În prezent, și probabil în viitor, știința nu va putea răspunde la întrebarea cum arăta primul organism care a apărut pe Pământ - strămoșul din care provin cele trei ramuri principale ale arborelui vieții. Una dintre ramuri este eucariote, ale căror celule au un nucleu format care conține material genetic și organite specializate: mitocondrii producătoare de energie, vacuole etc. Organismele eucariote includ alge, ciuperci, plante, animale și oameni.

A doua ramură este bacteriile - organisme unicelulare procariote (prenucleare) care nu au un nucleu și organele pronunțate. Și, în cele din urmă, a treia ramură este organisme unicelulare numite arheea, sau arheobacterii, ale căror celule au aceeași structură ca procariotele, dar o structură chimică complet diferită a lipidelor.

Multe arheobacterii sunt capabile să supraviețuiască în condiții de mediu extrem de nefavorabile. Unii dintre ei sunt termofili și trăiesc doar în izvoare termale cu temperaturi de 90 ° C sau chiar mai mari, unde alte organisme ar muri pur și simplu. Simțindu-se grozav în astfel de condiții, aceste organisme unicelulare consumă fier și substanțe care conțin sulf, precum și o serie de compuși chimici care sunt toxici pentru alte forme de viață. Potrivit oamenilor de știință, arhebacteriile termofile găsite sunt organisme extrem de primitive și, din punct de vedere evolutiv, rude apropiate ale celor mai vechi forme de viață de pe Pământ.

Este interesant că reprezentanții moderni ai tuturor celor trei ramuri ale vieții, cele mai asemănătoare cu strămoșii lor, încă trăiesc în locuri cu temperaturi ridicate. Pe baza acestui fapt, unii oameni de știință sunt înclinați să creadă că, cel mai probabil, viața a apărut cu aproximativ 4 miliarde de ani în urmă pe fundul oceanului, lângă izvoarele termale, erupând fluxuri bogate în metale și substanțe cu energie ridicată. Interacționând între ei și cu apa oceanului steril de atunci, intrând într-o mare varietate de reacții chimice, acești compuși au dat naștere la molecule fundamental noi. Așadar, timp de zeci de milioane de ani, cel mai mare fel de mâncare - viața - a fost pregătit în această „bucătărie chimică”. Și acum aproximativ 4,5 miliarde de ani, pe Pământ au apărut organisme unicelulare, a căror existență singuratică a continuat pe tot parcursul perioadei precambriene.

Explozia de evoluție care a dat naștere organismelor multicelulare a avut loc mult mai târziu, cu puțin peste jumătate de miliard de ani în urmă. Deși microorganismele sunt atât de mici încât o singură picătură de apă poate conține miliarde, amploarea activității lor este enormă.

Se crede că inițial nu exista oxigen liber în atmosfera pământului și oceane, iar în aceste condiții au trăit și s-au dezvoltat doar microorganisme anaerobe. Un pas special în evoluția viețuitoarelor a fost apariția bacteriilor fotosintetice, care, folosind energia luminoasă, au transformat dioxidul de carbon în compuși de carbohidrați care serveau drept hrană altor microorganisme. Dacă primele fotosintetice au produs metan sau hidrogen sulfurat, atunci mutanții care au apărut cândva au început să producă oxigen în timpul fotosintezei. Pe măsură ce oxigenul acumulat în atmosferă și ape, bacteriile anaerobe, pentru care este dăunătoare, au ocupat nișe lipsite de oxigen.

Fosile antice găsite în Australia, datând de 3,46 miliarde de ani, au scos la iveală structuri despre care se crede că sunt rămășițele cianobacteriilor, primele microorganisme fotosintetice. Dominanța anterioară a microorganismelor anaerobe și a cianobacteriilor este evidențiată de stromatoliții găsiți în apele de coastă puțin adânci ale corpurilor de apă sărată nepoluate. Ca formă, seamănă cu bolovani mari și reprezintă o comunitate interesantă de microorganisme care trăiesc în rocile de calcar sau dolomit formate ca urmare a activității lor de viață. La o adâncime de câțiva centimetri de la suprafață, stromatoliții sunt saturati cu microorganisme: cianobacteriile fotosintetice care produc oxigen trăiesc în stratul superior; se găsesc bacterii mai profunde care sunt într-o anumită măsură tolerante la oxigen și nu necesită lumină; în stratul inferior există bacterii care pot trăi doar în absența oxigenului. Situate în straturi diferite, aceste microorganisme formează un sistem unit prin relații complexe între ele, inclusiv relații alimentare. În spatele peliculei microbiene se află o rocă formată ca urmare a interacțiunii rămășițelor de microorganisme moarte cu carbonatul de calciu dizolvat în apă. Oamenii de știință cred că atunci când nu existau continente pe Pământul primitiv și numai arhipelaguri de vulcani se ridicau deasupra suprafeței oceanului, apele puțin adânci erau pline de stromatoliți.

Ca urmare a activității cianobacteriilor fotosintetice, oxigenul a apărut în ocean și, la aproximativ 1 miliard de ani după aceea, a început să se acumuleze în atmosferă. În primul rând, oxigenul rezultat a interacționat cu fierul dizolvat în apă, ceea ce a dus la apariția oxizilor de fier, care au precipitat treptat în partea de jos. Astfel, de-a lungul a milioane de ani, cu participarea microorganismelor, au apărut zăcăminte uriașe de minereu de fier, din care astăzi se topește oțelul.

Apoi, când cea mai mare parte a fierului din oceane a fost oxidată și nu a mai putut lega oxigenul, acesta a scăpat în atmosferă sub formă gazoasă.

După ce cianobacteriile fotosintetice au creat un anumit aport de materie organică bogată în energie din dioxid de carbon și au îmbogățit atmosfera pământului cu oxigen, au apărut noi bacterii - aerobe, care pot exista numai în prezența oxigenului. Au nevoie de oxigen pentru oxidarea (combustia) compușilor organici, iar o parte semnificativă din energia rezultată este transformată într-o formă disponibilă biologic - adenozin trifosfat (ATP). Acest proces este foarte favorabil din punct de vedere energetic: bacteriile anaerobe, atunci când descompun o moleculă de glucoză, primesc doar 2 molecule de ATP, iar bacteriile aerobe care folosesc oxigen primesc 36 de molecule de ATP.

Odată cu apariția oxigenului suficient pentru un stil de viață aerob, au debutat și celulele eucariote care, spre deosebire de bacterii, au nucleu și organele precum mitocondriile, lizozomii, iar în alge și plantele superioare - cloroplastele, unde au loc reacții fotosintetice. Exista o ipoteza interesanta si bine intemeiata cu privire la aparitia si dezvoltarea eucariotelor, exprimata in urma cu aproape 30 de ani de cercetatorul american L. Margulis. Conform acestei ipoteze, mitocondriile care funcționează ca fabrici de energie în celula eucariotă sunt bacterii aerobe, iar cloroplastele celulelor vegetale în care are loc fotosinteza sunt cianobacteriile, absorbite probabil cu aproximativ 2 miliarde de ani în urmă de amibele primitive. Ca urmare a interacțiunilor reciproc avantajoase, bacteriile absorbite au devenit simbioți interni și au format un sistem stabil cu celula care le-a absorbit - o celulă eucariotă.

Studiile asupra resturilor fosile de organisme din roci de diferite vârste geologice au arătat că timp de sute de milioane de ani de la origine, formele de viață eucariote au fost reprezentate de organisme unicelulare sferice microscopice, cum ar fi drojdia, iar dezvoltarea lor evolutivă a decurs foarte lent. ritm. Dar cu puțin peste 1 miliard de ani în urmă, au apărut multe specii noi de eucariote, marcând un salt dramatic în evoluția vieții.

În primul rând, acest lucru s-a datorat apariției reproducerii sexuale. Și dacă bacteriile și eucariotele unicelulare s-au reprodus prin producerea de copii identice genetic ale lor și fără a fi nevoie de un partener sexual, atunci reproducerea sexuală în organisme eucariote mai înalt organizate are loc după cum urmează. Două celule sexuale haploide ale părinților, având un singur set de cromozomi, fuzionează pentru a forma un zigot care are un set dublu de cromozomi cu genele ambilor parteneri, ceea ce creează oportunități pentru noi combinații de gene. Apariția reproducerii sexuale a dus la apariția unor noi organisme, care au intrat în arena evoluției.

Trei sferturi din întreaga existență a vieții pe Pământ a fost reprezentată exclusiv de microorganisme, până când s-a produs un salt calitativ în evoluție, care a dus la apariția unor organisme extrem de organizate, inclusiv a omului. Să urmărim principalele repere din istoria vieții pe Pământ într-o linie descendentă.

În urmă cu 1,2 miliarde de ani a avut loc o explozie a evoluției, cauzată de apariția reproducerii sexuale și marcată de apariția unor forme de viață extrem de organizate - plante și animale.

Formarea de noi variații ale genotipului mixt care apare în timpul reproducerii sexuale s-a manifestat sub forma biodiversității de noi forme de viață.

Acum 2 miliarde de ani, celulele eucariote complexe au apărut când organismele unicelulare și-au complicat structura prin absorbția altor celule procariote. Unele dintre ele - bacterii aerobe - s-au transformat în mitocondrii - stații energetice pentru respirația oxigenului. Altele - bacteriile fotosintetice - au început să efectueze fotosinteza în interiorul celulei gazdă și au devenit cloroplaste în celulele de alge și plante. Celulele eucariote, care au aceste organite și un nucleu clar distinct care conține material genetic, alcătuiesc toate formele moderne de viață complexe - de la mucegaiuri la oameni.

În urmă cu 3,9 miliarde de ani, au apărut organisme unicelulare care probabil arătau ca bacteriile și arheobacterii moderne. Atât celulele procariote antice, cât și cele moderne au o structură relativ simplă: nu au un nucleu format și organele specializate, citoplasma lor asemănătoare jeleului conține macromolecule de ADN - purtători de informații genetice și ribozomi pe care are loc sinteza proteinelor, iar energia este produsă pe membrana citoplasmatică din jurul celulei.

Acum 4 miliarde de ani, ARN-ul a apărut în mod misterios. Este posibil să fi fost format din molecule organice mai simple care au apărut pe pământul primitiv. Se crede că moleculele antice de ARN aveau funcții de purtători de informații genetice și catalizatori proteici, erau capabile de replicare (auto-duplicare), mutau și erau supuse selecției naturale. În celulele moderne, ARN-ul nu are sau nu prezintă aceste proprietăți, dar joacă un rol foarte important ca intermediar în transferul informațiilor genetice de la ADN la ribozomi, în care are loc sinteza proteinelor.

A.L. Prohorov
Bazat pe un articol de Richard Monasterski
în revista National Geographic, 1998 nr. 3

Originea vieții pe Pământ este una dintre cele mai dificile și în același timp relevante și interesante întrebări din știința naturală modernă.

Pământul s-a format probabil cu 4,5-5 miliarde de ani în urmă dintr-un nor gigant de praf cosmic. ale căror particule au fost comprimate într-o minge fierbinte. Vaporii de apă au fost eliberați din ea în atmosferă, iar apa a căzut din atmosferă pe Pământul care se răcea încet timp de milioane de ani sub formă de ploaie. Un Ocean preistoric s-a format în depresiunile suprafeței pământului. Viața originală a apărut în ea acum aproximativ 3,8 miliarde de ani.

Apariția vieții pe Pământ

Cum a apărut planeta însăși și cum au apărut mările pe ea? Există o teorie larg acceptată despre asta. Potrivit acesteia, Pământul a fost format din nori de praf cosmic care conțineau toate elementele chimice cunoscute în natură, care au fost comprimate într-o minge. Vaporii de apă fierbinți au scăpat de pe suprafața acestei mingi înroșite, învăluindu-o într-o acoperire de nori continuă.Vaporii de apă din nori s-au răcit încet și s-au transformat în apă, care a căzut sub formă de ploi continue abundente pe cele încă fierbinți, arzătoare. Pământ. La suprafața sa s-a transformat din nou în vapori de apă și a revenit în atmosferă. De-a lungul a milioane de ani, Pământul a pierdut treptat atât de multă căldură încât suprafața sa lichidă a început să se întărească pe măsură ce s-a răcit. Așa s-a format scoarța terestră.

Au trecut milioane de ani, iar temperatura suprafeței Pământului a scăzut și mai mult. Apa pluvială a încetat să se evapore și a început să curgă în bălți uriașe. Astfel a început influența apei asupra suprafeței pământului. Și atunci, din cauza scăderii temperaturii, s-a produs o adevărată inundație. Apa, care se evaporase anterior în atmosferă și s-a transformat în partea ei constitutivă, a căzut continuu pe Pământ. Din nori au căzut averse puternice cu tunete și fulgere.

Încetul cu încetul, apa s-a acumulat în cele mai adânci depresiuni ale suprafeței pământului, care nu au mai avut timp să se evapore complet. Era atât de mult încât treptat s-a format pe planetă un Ocean preistoric. Fulgerul a stricat cerul. Dar nimeni nu a văzut asta. Nu exista încă viață pe Pământ. Ploaia continuă a început să erodeze munții. Apa curgea din ele în râuri zgomotoase și râuri furtunoase. De-a lungul a milioane de ani, fluxurile de apă au erodat profund suprafața pământului și au apărut văi în unele locuri. Conținutul de apă din atmosferă a scăzut și s-a acumulat din ce în ce mai mult pe suprafața planetei.

Învelișul continuu de nori a devenit mai subțire, până când într-o bună zi prima rază de soare a atins Pământul. Ploaia continuă a încetat. Cea mai mare parte a pământului a fost acoperită de Oceanul preistoric. Din straturile sale superioare, apa a spălat o cantitate imensă de minerale și săruri solubile, care au căzut în mare. Apa din acesta s-a evaporat continuu, formând nori, iar sărurile s-au depus, iar în timp s-a produs o salinizare treptată a apei de mare. Aparent, în unele condiții care existau în antichitate, s-au format substanțe din care au apărut forme cristaline speciale. Au crescut, ca toate cristalele, și au dat naștere la noi cristale, care au adăugat din ce în ce mai multe substanțe.

Lumina soarelui și, eventual, descărcări electrice foarte puternice au servit ca sursă de energie în acest proces. Poate că primii locuitori ai Pământului - procariote, organisme fără nucleu format, similare bacteriilor moderne - au apărut din astfel de elemente. Erau anaerobi, adică nu foloseau oxigen liber pentru respirație, care încă nu exista în atmosferă. Sursa de hrană pentru ei au fost compușii organici care au apărut pe Pământul neînsuflețit ca urmare a expunerii la radiațiile ultraviolete de la Soare, a descărcărilor de fulgere și a căldurii generate în timpul erupțiilor vulcanice.

Viața exista atunci într-o peliculă bacteriană subțire la fundul rezervoarelor și în locuri umede. Această eră a dezvoltării vieții se numește Archean. Din bacterii, și poate într-un mod complet independent, au apărut mici organisme unicelulare - cele mai vechi protozoare.

Cum arăta Pământul primitiv?

Să avansăm rapid până acum 4 miliarde de ani. Atmosfera nu conține oxigen liber, se găsește doar în oxizi. Aproape niciun sunet în afară de fluierul vântului, șuieratul apei care erupe cu lavă și impactul meteoriților pe suprafața Pământului. Fara plante, fara animale, fara bacterii. Poate așa arăta Pământul când a apărut viața pe el? Deși această problemă a fost de multă vreme preocupare pentru mulți cercetători, opiniile lor cu privire la această problemă variază foarte mult. Rocile ar putea indica condițiile de pe Pământ la acea vreme, dar au fost distruse cu mult timp în urmă ca urmare a proceselor geologice și a mișcărilor scoarței terestre.

Teorii despre originea vieții pe Pământ

În acest articol vom vorbi pe scurt despre mai multe ipoteze pentru originea vieții, reflectând ideile științifice moderne. Potrivit lui Stanley Miller, un cunoscut expert în domeniul originii vieții, putem vorbi despre originea vieții și începutul evoluției ei din momentul în care moleculele organice s-au autoorganizat în structuri care au fost capabile să se reproducă. . Dar acest lucru ridică alte întrebări: cum au apărut aceste molecule; de ce s-au putut reproduce și să se adune în acele structuri care au dat naștere organismelor vii; ce conditii sunt necesare pentru asta?

Există mai multe teorii despre originea vieții pe Pământ. De exemplu, una dintre ipotezele de lungă durată spune că a fost adus pe Pământ din spațiu, dar nu există dovezi concludente în acest sens. În plus, viața pe care o cunoaștem este surprinzător de adaptată să existe tocmai în condiții terestre, așa că dacă ar fi apărut în afara Pământului, ar fi fost pe o planetă de tip terestru. Majoritatea oamenilor de știință moderni cred că viața își are originea pe Pământ, în mările sale.

Teoria biogenezei

În dezvoltarea doctrinelor despre originea vieții, teoria biogenezei - originea viețuitoarelor numai din viețuitoare - ocupă un loc semnificativ. Dar mulți îl consideră insuportabil, deoarece contrastează fundamental viu cu neînsuflețit și afirmă ideea de eternitate a vieții, respinsă de știință. Abiogeneza - ideea originii viețuitoarelor din lucrurile nevii - este ipoteza inițială a teoriei moderne a originii vieții. În 1924, celebrul biochimist A.I. Oparin a sugerat că, cu descărcări electrice puternice în atmosfera pământului, care în urmă cu 4-4,5 miliarde de ani consta din amoniac, metan, dioxid de carbon și vapori de apă, ar putea apărea cei mai simpli compuși organici, necesari pentru apariția viaţă. Previziunea academicianului Oparin s-a adeverit. În 1955, cercetătorul american S. Miller, trecând sarcini electrice printr-un amestec de gaze și vapori, a obținut cei mai simpli acizi grași, uree, acizi acetic și formic și mai mulți aminoacizi. Astfel, la mijlocul secolului al XX-lea, sinteza abiogenă a substanțelor asemănătoare proteinelor și a altor substanțe organice a fost efectuată experimental în condiții care reproduceau condițiile Pământului primitiv.

Teoria panspermiei

Teoria panspermiei este posibilitatea de a transfera compuși organici și spori ai microorganismelor dintr-un corp cosmic în altul. Dar nu răspunde deloc la întrebarea: cum a apărut viața în Univers? Este nevoie de fundamentarea apariției vieții în acel punct al Universului, a cărui vârstă, conform teoriei Big Bang, este limitată la 12-14 miliarde de ani. Înainte de această perioadă nu existau nici măcar particule elementare. Și dacă nu există nuclei și electroni, nu există substanțe chimice. Apoi, în câteva minute, au apărut protonii, neutronii, electronii, iar materia a intrat pe calea evoluției.

Pentru a susține această teorie, sunt folosite mai multe observări de OZN-uri, picturi pe stâncă cu obiecte asemănătoare rachetelor și „astronauți” și rapoarte despre presupuse întâlniri cu extratereștri. La studierea materialelor meteoriților și cometelor, în ele au fost descoperiți mulți „precursori ai vieții” - substanțe precum cianogeni, acid cianhidric și compuși organici, care ar fi putut juca rolul de „semințe” care au căzut pe Pământul gol.

Susținătorii acestei ipoteze au fost laureații Premiului Nobel F. Crick și L. Orgel. F. Crick s-a bazat pe două dovezi indirecte: universalitatea codului genetic: necesitatea metabolismului normal al tuturor ființelor vii de molibden, care este acum extrem de rar pe planetă.

Originea vieții pe Pământ este imposibilă fără meteoriți și comete

Un cercetător de la Universitatea Texas Tech, după ce a analizat o cantitate imensă de informații colectate, a prezentat o teorie despre modul în care s-ar putea forma viața pe Pământ. Omul de știință este încrezător că apariția formelor timpurii ale celei mai simple vieți de pe planeta noastră ar fi fost imposibilă fără participarea cometelor și meteoriților care au căzut pe ea. Cercetătorul și-a împărtășit munca la cea de-a 125-a întâlnire anuală a Societății Geologice din America, care a avut loc pe 31 octombrie la Denver, Colorado.

Autorul lucrării, profesor de geoștiințe la Texas Tech University (TTU) și curator al muzeului de paleontologie al universității, Sankar Chatterjee, a spus că a ajuns la această concluzie după ce a analizat informații despre istoria geologică timpurie a planetei noastre și a comparat acest lucru. date cu diverse teorii ale evoluţiei chimice.

Expertul consideră că această abordare face posibilă explicarea uneia dintre cele mai ascunse și incomplet studiate perioade din istoria planetei noastre. Potrivit multor geologi, cea mai mare parte a „bombardelor” spațiale, la care au luat parte comete și meteoriți, au avut loc acum aproximativ 4 miliarde de ani. Chatterjee crede că cea mai timpurie viață de pe Pământ s-a format în cratere lăsate de meteoriți și comete care cădeau. Și, cel mai probabil, acest lucru s-a întâmplat în perioada „bombardamentului puternic târziu” (acum 3,8-4,1 miliarde de ani), când ciocnirea obiectelor spațiale mici cu planeta noastră a crescut brusc. În acel moment, au existat câteva mii de cazuri de căderi de comete. Interesant este că această teorie este susținută indirect de Modelul de la Nisa. Potrivit acesteia, numărul real de comete și meteoriți care ar fi trebuit să cadă pe Pământ în acel moment corespunde numărului real de cratere de pe Lună, care, la rândul său, a fost un fel de scut pentru planeta noastră și nu a permis bombardarea nesfârșită. să-l distrugă.

Unii oameni de știință sugerează că rezultatul acestui bombardament este colonizarea vieții în oceanele Pământului. Cu toate acestea, mai multe studii pe această temă indică faptul că planeta noastră are mai multe rezerve de apă decât ar trebui. Și acest exces este atribuit cometelor care au venit la noi din Norul Oort, care se presupune că se află la un an lumină distanță de noi.

Chatterjee subliniază că craterele create de aceste ciocniri au fost umplute cu apă topită de la comete înseși, precum și cu elementele chimice necesare pentru a forma organisme simple. În același timp, omul de știință consideră că acele locuri în care viața nu a apărut nici după un astfel de bombardament s-au dovedit pur și simplu a fi nepotrivite pentru asta.

„Când Pământul s-a format în urmă cu aproximativ 4,5 miliarde de ani, era complet nepotrivit ca organismele vii să apară pe el. Era un adevărat cazan fierbinte de vulcani, gaze fierbinți otrăvitoare și meteoriți care cădeau constant pe el”, scrie revista online AstroBiology, citându-l pe om de știință.

„Și după un miliard de ani, a devenit o planetă liniștită și pașnică, bogată în rezerve uriașe de apă, locuită de diverși reprezentanți ai vieții microbiene - strămoșii tuturor ființelor vii.”

Viața pe Pământ ar fi putut apărea datorită argilei

Un grup de oameni de știință condus de Dan Luo de la Universitatea Cornell a venit cu ipoteza că argila obișnuită ar putea servi drept concentrator pentru biomoleculele antice.

Inițial, cercetătorii nu au fost preocupați de problema originii vieții - ei căutau o modalitate de a crește eficiența sistemelor de sinteză a proteinelor fără celule. În loc să permită ADN-ului și proteinelor sale de susținere să plutească liber în amestecul de reacție, oamenii de știință au încercat să le forțeze în particule de hidrogel. Acest hidrogel, ca un burete, a absorbit amestecul de reacție, a absorbit moleculele necesare și, ca urmare, toate componentele necesare au fost blocate într-un volum mic - similar cu ceea ce se întâmplă într-o celulă.

Autorii studiului au încercat apoi să folosească argila ca înlocuitor ieftin de hidrogel. Particulele de argilă s-au dovedit a fi similare cu particulele de hidrogel, devenind un fel de microreactoare pentru biomoleculele care interacționează.

După ce au primit astfel de rezultate, oamenii de știință nu au putut să nu-și amintească problema originii vieții. Particulele de argilă, cu capacitatea lor de a absorbi biomolecule, ar putea servi de fapt ca primii bioreactoare pentru primele biomolecule, înainte ca acestea să dobândească încă membrane. Această ipoteză este susținută și de faptul că leșierea silicaților și a altor minerale din roci pentru a forma argilă a început, conform estimărilor geologice, chiar înainte ca, potrivit biologilor, cele mai vechi biomolecule să înceapă să se unească în protocelule.

În apă, sau mai precis într-o soluție, s-ar putea întâmpla puțin, deoarece procesele dintr-o soluție sunt absolut haotice, iar toți compușii sunt foarte instabili. Știința modernă consideră argila - mai precis, suprafața particulelor de minerale argiloase - ca o matrice pe care s-ar putea forma polimerii primari. Dar aceasta este, de asemenea, doar una dintre multele ipoteze, fiecare având propriile sale puncte forte și puncte slabe. Dar pentru a simula originea vieții la scară completă, chiar trebuie să fii Dumnezeu. Deși în Occident astăzi apar deja articole cu titlurile „Cell Construction” sau „Cell Modeling”. De exemplu, unul dintre ultimii laureați ai Premiului Nobel, James Szostak, încearcă acum să creeze modele celulare eficiente care să se înmulțească singure, reproducând propriul lor fel.