За сучасними уявленнями, життя на Землі зародилося понад 3,5 мільярда років тому. Це була зовсім не та планета, яку ми знаємо сьогодні: розпечена кам'яниста куля без кисню, що стрясається бурхливою діяльністю молодих вулканів, над яким з божевільною швидкістю проносилося сонце та зірки – адже доба тривала лише близько 6 годин. Теорій про походження перших форм життя, а потім і складніших, існує безліч - включаючи розумний задум. Ми ж ознайомимося з основними науковими ідеями, розуміння яких також дозволяє нам припускати, де і за яких умов може існувати позаземне життя.

Панспермія

Панспермія (від грецьк. «суміш» та «насіння») – дуже авторитетна у наш час теорія про появу життя на Землі внаслідок перенесення «зародків життя» з інших планет. Цю гіпотезу висунув німецький вчений Г. Ріхтер у 1865 році, який мав на увазі перенесення суперечок мікроорганізмів або метеоритами, або під впливом тиску світла. Пізніше було відкрито космічна радіація, що діє живі організми щонайменше згубно, ніж розпад урану. І теорія панспермії «припадала пилом» аж до першого польоту на Місяць – коли на зонді «Сервеєр-3», що прилунав, все-таки були знайдені живі мікроорганізми із Землі, які благополучно пережили тривалий політ у відкритому космосі.

У 2006 році було виявлено присутність у кометній речовині як води, так і найпростіших органічних сполук. Забавно, але це означає, що маленький метеорит зі шлейфом, що світиться, який наближається до набагато більшої кулі планети, - це щось на зразок космічного аналога жіночої та чоловічої статевих клітин, що разом дають початок новому життю.

Частина послідовників панспермії вважає, що обмін бактеріями відбувся між Землею і Марсом у період, коли Червона планета ще процвітала і частково вкрита океанами. Причому не обов'язково цьому послужили метеорити – можливо, бактерії сюди завезли розумні відвідувачі (але це вже окрема тема). Але навіть якщо такі події мали місце в історії – ми змушені будемо розгадувати, звідки життя почалося на іншій планеті.

Електрика та первинний бульйон

Відомий експеримент Міллера-Урея у 1953 році довів, що електричні іскри можуть генерувати основу життя – амінокислоти та сахарозу – за наявності в атмосфері води, метану, аміаку та водню. Це означає, що звичайні блискавки могли створити основні будівельні блоки життя стародавньої Землі, звані первинним бульйоном. Цей термін запровадив у 1924 році радянський біолог Опарін. Згідно з його теорією, цей «супчик» виник близько 4 мільярдів років тому у дрібних водоймах планети під впливом електричних розрядів, космічного випромінювання та високої температури рідини. Спочатку в його складі переважали нуклеотиди, поліпептиди, азотисті основи та амінокислоти. Потім протягом мільйонів років у первинному бульйоні формувалися складніші молекули, доки утворили найпростіші одноклітинні організми – бактерії.

Глиняне життя

Якщо вірити релігійним джерелам, Адам був створений із пороху земного, а в Корані і в деяких народів (наприклад, японців), боги зліпили людей із глини. На думку хіміка-органіка Олександра Грем Кернс-Сміт із Університету Глазго в Шотландії, це може бути не простою алегорією: перші молекули життя могли утворитися саме на глині. Спочатку примітивні вуглецеві сполуки не мали ДНК, а отже, не могли відтворювати собі подібних – «розмноження» могло бути стимульоване лише джерелами із зовнішнього середовища.

Таким джерелом могла бути глиняна порода, яка є не просто якоюсь масою землі – це організована, впорядкована послідовність молекул. Глиняна поверхня могла не лише концентрувати та поєднувати органічні сполуки, але на мікроскопічному рівні організовувати їх у структури, діючи на зразок геному. Згодом органічні молекули «запам'ятали» цю послідовність і навчилися самоорганізовуватись. Згодом вони ускладнювалися: у них виник прототип ДНК, РНК та інших нуклеїнових кислот.

Життя з океанів

"Теорія підводних гідротермальних джерел" припускає, що життя могло зародитися біля витоків підводних вулканів, які викидали крізь тріщини в океанічному дні багаті на водень молекули і багато тепла. Ці молекули поєднувалися на поверхні скель, які забезпечували мінеральні каталізатори для нових хімічних реакцій.

Так народилися бактерії, які утворили всесвітньо відому геологічну дивину - строматоліти (від "строматос" - килим і "літос" - камінь). У скам'янілому вигляді ці освіти збереглися досі. А підводні джерела такого типу у наш час продовжують відігравати важливу роль у підтримці різноманітних морських екосистем.

Холод – каталізатор еволюції

Хто б з учених не мав рацію, але прості одноклітинні бактерії все-таки заселили планету - і в такому вигляді вони незмінно існували протягом мільярда років. Потім стався неймовірно швидкий за мірками еволюції вибух – почали розвиватися набагато складніші форми життя, які освоїли спочатку океани, а потім сушу, ґрунти та, нарешті, повітря. Нещодавно вчені зуміли розібратися, що стало поштовхом для вирішальних змін. Ним виявився найпотужніший льодовиковий період за всю історію Землі, що настав близько 3 мільярдів років тому. Планета була повністю покрита льодом завтовшки до одного кілометра – фахівці назвали це явище «Земля-сніжок» (на зразок тих, у які грають діти).

Умови життя для найпростіших мікроорганізмів різко змінилися – але, з іншого боку, під товщею льоду витривалим бактеріям-екстрімофілам довелося адаптуватись! Саме в цей «інкубаторний» період відбувся первинний поділ бактерій за способами виживання: одні з них навчилися отримувати енергію із сонячного світла, інші черпали сили, переробляючи розчинені у воді речовини. Це започаткувало царствам живої природи – перші у майбутньому стануть рослинами та одноклітинними фотосинтезуючими тваринами, другі – багатоклітинними тваринами та грибами.

Але одного разу гарячі вулкани знову прокинулися, і виплеснули в атмосферу величезну кількість вуглекислого газу, що спричинило потужний парниковий ефект. Планета зігрілася, льоди розтанули і випустили на волю «бактерії, що подорослішали». Процес фотосинтезу, що відбувається в ціанобактерії (синьо-зелених водоростях), дав нову реакцію - і атмосфера в короткі терміни наситилася киснем. А уламки мінеральних порід, що потрапили в океан, принесених льодовиком, дали нові варіанти хімічних реакцій. Це, як стає зрозуміло, дозволило еволюціонувати тваринам. Незабаром, замість поділу бактерій на дві нових, вони почали ділитися без відходу у «вільне плавання» і утворювати перші багатоклітинні структури. Прикладом можуть бути найдавніші багатоклітинні тварини без нервової, кров'яної і травної систем – морські губки.

Згідно з цією теорією, життя цілком ймовірне під товстим шаром льоду на одному із супутників Юпітера – у прихованих від космічних зондів холодних океанах Європи. Група дослідників з NASA також встановила, що під льодами супутника є геотермальна активність. Тому цілком можливо, що Європа повторює наш власний шлях, і коли наше сонце почне старіти і стане яскравішим, еволюція також візьме гору над вічним холодом.

Неживі гори, каміння і вода, величезний місяць на небі та постійне бомбардування метеоритами - найімовірніший ландшафт Землі 4 мільярди років тому

Життя зародилося з неорганічної матерії в космосі чи воно виникло саме на Землі? Ця дилема обов'язково постає перед дослідником, який зацікавився проблемою походження життя. Довести правоту якоїсь із двох існуючих нині гіпотез досі нікому не вдалося, як, втім, не вдалося вигадати й третій шлях вирішення.

Перша гіпотеза про походження життя на Землі стара, у її активі - солідні постаті європейської науки: Г. Гельмгольц, Л. Пастер, С. Арреніус, В. Вернадський, Ф. Крик. Складність живої матерії, мала ймовірність її самозародження на планеті, а також невдачі експериментаторів із синтезу живого з неживого приводять вчених до табору прихильників даного підходу. Існують численні варіації того, як саме життя потрапило на Землю, і найвідоміша з них – теорія панспермії. Згідно з нею життя широко поширене в міжзоряному просторі, але оскільки там немає умов для розвитку, жива матерія перетворюється на спермії, або суперечки, і таким чином переміщається космосом. Мільярди років тому комети занесли спермії на Землю, де склалося сприятливе для їх розкриття середовище.

Спермії – це дрібні зародки, здатні витримувати великі перепади температур, космічне випромінювання та інші згубні для живого фактори зовнішнього середовища. Як припустив англійський астроном Ф. Хойл, на роль спермій підходять міжзоряні пилові частки, серед яких можуть бути бактерії у графітовій оболонці. На сьогоднішній день спермії у космосі не виявлено. Але навіть якби вони знайшлися, таке дивовижне відкриття лише зрушило б проблему виникнення життя з нашої планети в інше місце. І ми не уникли б питань, звідки на Землю прилетіли спермії і як вони зародилися. Друга частина дилеми - як із неорганічної матерії виникло життя - не настільки романтична, оскільки спирається на закони фізики та хімії. Це вузький, механістичний підхід, іменований теорією абіогенезу, вбирає у собі зусилля багатьох фахівців. Можливо, через свою конкретність цей підхід виявився плідним і за півстоліття просунув цілі розділи біохімії, еволюційної біології та космології.

На думку вчених, синтез живої клітини – не за горами, це справа техніки та питання часу. Але чи буде народжена у пробірці клітина відповіддю питанням, як відбулося життя Землі? Навряд чи. Синтетична клітина доведе лише те, що абіогенез певним чином можливий. Але 4 мільярди років тому на Землі все могло статися інакше. Наприклад, так. Поверхня Землі охолола 4,5 мільярда років тому. Атмосфера була тонкою, і комети активно бомбардували Землю, удосталь доставляючи органіку. Позаземна речовина осідала у дрібних теплих водоймах, що підігріваються вулканами: на дні виливалися лави, росли острови, били гарячі джерела – фумароли. Континенти на той час не були такими міцними і великими, як зараз, вони легко переміщалися земною корою, з'єднувалися і розпадалися.

Місяць був ближче, Земля оберталася швидше, дні були коротші, приливні хвилі вищі, а шторму суворіші. Над усім цим простягалися сталевого кольору небеса, затемнені курними бурями, хмарами вулканічного попелу та уламками порід, вибитими ударами метеоритів. Поступово складалася атмосфера, багата на азот, вуглекислий газ і пари води. Велика кількість парникових газів викликало потепління клімату всієї планети. У таких екстремальних умовах відбувався синтез живої речовини. Чи це було дивом, випадковістю, що сталося всупереч еволюції Всесвіту, або тільки так і може з'являтися життя? Вже ранніх етапах виявилася одна з головних рис живої матерії - пристосовність до умов середовища. Рання атмосфера містила мало вільного кисню, озон був у дефіциті, і земля купалася в ультрафіолетових променях, смертельних для живого. Так залишилася б планета безлюдною, якби клітини не винайшли механізм захисту від ультрафіолету. Цей сценарій появи життя загалом відрізняється від запропонованого ще Дарвіном. Додалися нові деталі – щось дізналися, вивчаючи найдавніші гірські породи та експериментуючи, про щось здогадалися. Будучи найбільш обґрунтованим, цей сценарій водночас і найспірніший. Вчені б'ються за кожним пунктом, пропонуючи численні альтернативи. Сумніви виникають із самого початку: звідки взялася первинна органіка, чи відбувся її синтез на Землі, чи вона впала з неба?

Революційна ідея

Наукові засади абіогенезу, чи походження живого з неживого, заклав російський біохімік А.І. Опарін. У 1924 році, будучи 30-річним ученим, Опарін опублікував статтю «Походження життя», яка, на думку його колег, «містила насіння інтелектуальної революції». Публікація книги Опаріна англійською мовою в 1938 стала сенсацією і привернула до проблеми життя значні інтелектуальні ресурси Заходу. У 1953 році С. Міллер, аспірант Університету Чикаго, провів успішний досвід абіогенного синтезу. Він створив умови ранньої Землі у лабораторній пробірці і внаслідок хімічної реакції отримав набір амінокислот. Так, теорія Опаріна почала отримувати експериментальні докази.

Опарін та священик

За спогадами колег, академік О.І. Опарін був переконаним матеріалістом та атеїстом. Тому підтвердження - його теорія абіогенезу, яка, начебто, не залишає надії надприродне пояснення загадок життя. Проте погляди та особистість вченого залучали до нього людей протилежних світоглядів. Займаючись науковою та просвітницькою роботою, беручи участь у русі пацифістів, він багато виїжджав за кордон. Якось, десь у 1950-х роках, Опарін читав лекції в Італії з проблеми походження життя. Після доповіді йому сказали, що з ним хоче познайомитися не хто інший, як президент Папської академії наук із Ватикану. Олександр Іванович, будучи радянською людиною і чудово знаючи упереджене ставлення зарубіжної інтелігенції до СРСР, не очікував від представника католицької церкви нічого доброго, напевно, якась провокація. Все ж таки знайомство відбулося. Преподобний синьйор потис Опарину руку, подякував за лекцію і вигукнув: «Професоре, я захоплений тим, як чудово Ви розкрили промисел Божий!»

Ймовірність виникнення життя

Теорія абіогенезу передбачає, що життя зародилося певному етапі розвитку матерії. З моменту утворення Всесвіту та перших частинок матерія встає на шлях постійних змін. Спочатку виникли атоми та молекули, потім з'явилися зірки та пил, з неї – планети, а на планетах зародилося життя. Живе виникає з неживого, підкоряючись якомусь вищому закону, сутність якого нам поки що невідома. Життя не могло не виникнути на Землі, де були відповідні умови. Зрозуміло, спростувати це метафізичне узагальнення неможливо, але насіння сумніву проросло. Справа в тому, що умови, необхідні для синтезу життя, дуже численні, часто суперечать фактам та одна одній. Наприклад, немає доказів, що у ранній Землі була відновна атмосфера. Незрозуміло, як виник генетичний код. Дивує своєю складністю будова живої клітини та її функції. Яка взагалі ймовірність зародження життя? Ось кілька прикладів.

Білки складаються тільки з так званих «лівих» амінокислот, тобто асиметричних молекул, які обертають поляризацію світла, що проходить через них, вліво. Чому під час будівництва білка використовуються лише ліві амінокислоти, невідомо. Можливо, це сталося випадково і десь у Всесвіті є живі істоти, що складаються із правих амінокислот. Швидше за все, у первинному бульйоні, де відбувався синтез вихідних білків, було порівну лівих та правих амінокислот. І лише поява реально живої «лівої» структури порушила цю симетрію і біогенний синтез амінокислот пішов «лівим» шляхом.

Вражає розрахунок, який Фред Хойл наводить у своїй книзі "Evolution from Space". Імовірність отримання випадковим чином 2 000 ферментів клітини, що складаються з 200 амінокислот кожен, дорівнює 10 -4000 - абсурдно мала величина, навіть якби весь космос був органічним супом.

Імовірність синтезу одного білка, що складається з 300 амінокислот, - один шанс на 2×10390. Знову мізерно мало. Зменшимо кількість амінокислот у білку до 20, тоді кількість можливих комбінацій синтезу такого білка становитиме 1 018 - всього на порядок більше за кількість секунд у 4,5 мільярда років. Неважко бачити, що часу на перебір усіх варіантів та вибір найкращого в еволюції просто не було. Якщо врахувати, що амінокислоти в білках з'єднані у певні послідовності, а не випадковим чином, то ймовірність синтезу молекули білка буде такою ж, якби мавпа випадково надрукувала одну з трагедій Шекспіра, тобто майже нульової.

Вчені розрахували, що молекула ДНК, що бере участь у найпростішому циклі кодування білків, повинна була складатися з 600 нуклеотидів у певній послідовності. Імовірність випадкового синтезу такої ДНК дорівнює 10 -400, інакше кажучи, для цього потрібно 10400 спроб.

Не всі вчені погоджуються з такими підрахунками ймовірності. Вони вказують, що розраховувати шанси синтезу білка випадковим перебором комбінацій некоректно, оскільки молекул мають переваги, і одні хімічні зв'язки завжди вірогідніші, ніж інші. На думку австралійського біохіміка Яна Мусгрейва, розраховувати на ймовірність абіогенезу взагалі безглуздо. По-перше, утворення полімерів з мономерів не випадково, а підпорядковується законам фізики та хімії. По-друге, розраховувати утворення сучасних молекул білка, ДНК чи РНК неправильно оскільки вони входили до складу перших живих систем. Можливо, у структурі існуючих нині організмів нічого не залишилося від минулих часів. Як зараз вважають, першими організмами були дуже прості системи коротких молекул, що складаються лише з 30-40 мономерів. Життя починалося з дуже простих організмів, поступово ускладнюючи конструкцію. Природа навіть не намагалася одразу збудувати «Боїнг-747». По-третє, не треба боятися малої ймовірності. Один шанс на мільйон мільйонів? І що з того, він може випасти з першої ж спроби.

Що таке життя

Пошуками визначення життя займаються як філософи. Таке визначення необхідне біохімікам, щоб зрозуміти: а що ж вийшло у пробірці – живе чи неживе? Палеонтологам, які вивчають найдавніші гірські породи у пошуках початку життя. Екзобіологам, які шукають організми позаземного походження. Дати визначення життя непросто. Говорячи словами Великої Радянської Енциклопедії, "суворо наукове розмежування на живі та неживі об'єкти зустрічає певні труднощі". Чи справді, що характерно тільки для живого організму? Можливо, набір зовнішніх ознак? Щось біле, м'яке, рухається, видає звуки. До цього примітивного визначення не потрапляють рослини, мікроби та ще багато організмів, бо вони мовчать і не рухаються. Можна розглянути життя з хімічного погляду як матерію, що складається з складних органічних сполук: амінокислот, білків, жирів. Але тоді й просту механічну суміш цих сполук слід вважати живою, що не так. Більше вдале визначення, яким у цілому існує науковий консенсус, пов'язані з унікальними функціями живих систем.

Здатність до розмноження, коли нащадкам передається точна копія спадкової інформації, властива всьому земному житті, причому навіть найменшій її частинці - клітині. Ось чому клітину сприймають як одиницю виміру життя. Складові клітини: білки, амінокислоти, ферменти - взяті окремо, живими не будуть. Звідси випливає важливий висновок про те, що успішні досліди щодо синтезу цих речовин не можна вважати відповіддю на питання про походження життя. У цій галузі відбудеться революція, тільки коли стане зрозумілим, як виникла ціла клітина. Безперечно, першовідкривачам таємниці вручать Нобелівську премію. Крім функції розмноження, є ряд необхідних, але недостатніх властивостей системи для того, щоб називатися живою. Живий організм може пристосовуватись до зміни навколишнього середовища на генетичному рівні. Це дуже важливе для виживання. Завдяки мінливості життя збереглося на ранній Землі, під час катастроф і суворі льодовикові періоди.

Важлива властивість живої системи – каталітична активність, тобто вміння проводити лише певні реакції. На цій властивості заснований обмін речовин - вибір з навколишнього середовища необхідних речовин, їх переробка та отримання енергії, необхідної для подальшої життєдіяльності. Схема обміну речовин, яка є не що інше, як алгоритм виживання, зашита в генетичному коді клітини і через механізм спадковості передається нащадкам. Хімікам відомо багато систем із каталітичною активністю, які, однак, не вміють розмножуватися, і тому їх не можна вважати живими.

Вирішальний експеримент

Немає жодної надії, що одного разу клітина вийшла сама собою з атомів хімічних елементів. Це неймовірний варіант. Проста клітина бактерії містить сотні генів, тисячі білків та різних молекул. Фред Хойл жартував, що синтез клітини так само неймовірний, як збірка "Боїнга" ураганом, що пронісся над звалищем запчастин. І все ж таки «Боїнг» існує, значить, він був якимось чином «зібраний», точніше «самозбиран». За нинішніми уявленнями, "самозбірка" "Боїнга" почалася 4,5 мільярда років тому, процес йшов поступово і був розтягнутий у часі на мільярд років. Принаймні 3,5 мільярда років тому жива клітка вже існувала на Землі.

Для синтезу живого з неживого на початковому етапі в атмосфері та водоймах планети повинні бути прості органічні та неорганічні сполуки: C, C 2 , C 3 , CH, CN, CO, CS, HCN, CH 3 CH, NH, O, OH, H 2 O, S. Стенлі Міллер у своїх знаменитих дослідах з абіогенного синтезу змішав водень, метан, аміак та водяні пари, потім пропускав нагріту суміш через електричні розряди та охолоджував. Через тиждень у колбі утворилася коричнева рідина, що містить сім амінокислот, і в тому числі гліцин, аланін та аспарагінову кислоту, що входять до складу клітинних білків. Експеримент Міллера показав, як могла утворитися передбіологічна органіка – речовини, що беруть участь у синтезі складніших компонентів клітини. З того часу біологи вважають це питання вирішеним, незважаючи на серйозну проблему. Справа в тому, що абіогенний синтез амінокислот йде тільки в відновлювальних умовах, ось чому Опарін вважав атмосферу ранньої Землі метаново-аміачною. Але геологи не погоджуються з таким висновком.

Проблема ранньої атмосфери

Метану та аміаку нема звідки взятися у великій кількості на Землі, вважають фахівці. До того ж ці сполуки дуже нестійкі і руйнуються під дією сонячного світла, метаново-аміачна атмосфера не могла б існувати, навіть якби гази виділялися з надр планети. За даними геологів, в атмосфері Землі 4,5 мільярда років тому переважали вуглекислий газ і азот, що у хімічному відношенні створює нейтральне середовище. Про це свідчить склад найдавніших гірських порід, які у період були виплавлені з мантії. Найдавніші породи на планеті віком 3,9 мільярда років виявили у Гренландії. Це звані сірі гнейси - сильно змінені магматичні породи середнього складу. Зміна цих гірських порід тривала мільйони років під впливом вуглекислих флюїдів мантії, які одночасно насичували і атмосферу. За таких умов абіогенний синтез неможливий.

Проблему ранньої атмосфери Землі намагається вирішити академік Е.М. Галімов, директор Інституту геохімії та аналітичної хімії ім. В.І. Вернадського РАН. Він розрахував, що земна кора виникла дуже рано, в перші 50-100 мільйонів років після утворення планети, і була переважно металевою. У такому разі мантія справді мала виділяти метан і аміак у достатній кількості для створення відновлювальних умов. Американські вчені К. Саган та К. Чайба запропонували механізм самозахисту метанової атмосфери від руйнування. За їхньою схемою розкладання метану під дією ультрафіолету могло призвести до створення у верхніх шарах атмосфери аерозолю з частинок органіки. Ці частки поглинали сонячну радіацію та захищали відновне середовище планети. Щоправда, цей механізм розробили для Марса, але він застосовний і до ранньої Землі.

Відповідні умови для освіти передбіологічної органіки не зберігалися Землі довго. Протягом наступних 200-300 мільйонів років мантія почала окислюватися, що призвело до виділення з неї вуглекислого газу та зміни складу атмосфери. Але на той час середовище для зародження життя вже було підготовлено.

На морському дні

Першожиття могло зародитися навколо вулканів. Уявіть собі на ще тендітному дні океанів численні розлами і тріщини, що сочиться магмою і вирують газами. У таких зонах, насичених парами сірководню, утворюються родовища сульфідів металів: заліза, цинку, міді. Що якщо синтез первинної органіки йшов прямо на поверхні залізо-сірчаних мінералів за допомогою реакції вуглекислоти та водню? Благо навколо багато й того й іншого: діоксид та оксид вуглецю виділяються з магми, а водень – з води при її хімічній взаємодії з гарячою магмою. Є й необхідний синтезу приплив енергії.

Ця гіпотеза не суперечить геологічним даним і заснована на припущенні, що ранні організми жили в екстремальних умовах як сучасні хемосинтетичні бактерії. У 60-х роках XX століття дослідники відкрили на дні Тихого океану підводні вулкани – чорні курці. Там у клубах отруйних газів, без доступу сонячного світла та кисню, за температури +120° існують колонії мікроорганізмів. Подібні чорним курцям умови були на Землі вже 2,5 мільярда років тому, як про це свідчать пласти строматолітів – слідів життєдіяльності синьо-зелених водоростей. Форми, схожі на цих мікробів, є серед залишків найдавніших організмів віком 3,5 мільярда років.

Для підтвердження вулканічної гіпотези потрібен експеримент, який би показав, що абиогенный синтез у умовах можливий. Роботи у цьому напрямі ведуть групи біохіміків зі США, Німеччини, Англії та Росії, але поки що безуспішно. Обнадійливі результати отримав у 2003 році молодий дослідник Михайло Володимиров із лабораторії еволюційної біохімії Інституту біохімії ім. О.М. Баха РАН. Він створив у лабораторії штучний чорний курець: у автоклав, наповнений сольовим розчином, було поміщено диск з піриту (FeS 2), який служив катодом; через систему проходили вуглекислий газ та електричний струм. Через добу в автоклаві з'явилася мурашина кислота - найпростіша органіка, яка бере участь у метаболізмі живих клітин та є матеріалом для абіогенного синтезу складніших біологічних речовин.

Ціанобактерії, здатні засвоювати атмосферний азот

Мисливці за населеними планетами

Обидві теорії походження життя, і панспермія та абіогенез, припускають, що життя не унікальне явище у Всесвіті, воно має бути на інших планетах. Але як її виявити? Довгий час існував єдиний метод пошуку життя, який поки що не дав позитивних результатів - по радіосигналах від інопланетян. Наприкінці XX століття виникла нова ідея – за допомогою телескопів шукати планети поза Сонячною системою. Почалося полювання за екзопланетами. У 1995 році спіймали перший екземпляр: планету масою в пів-Юпітера, що швидко обертається навколо 51-ї зірки сузір'я Пегас. Внаслідок майже 10-річних пошуків виявили 118 планетних систем, що містять 141 планету. Жодна з цих систем не схожа на Сонячну, жодна з планет – на Землю. Знайдені екзопланети близькі за масою до Юпітера, тобто вони набагато більші за Землю. Далекі гіганти непридатні життя через особливості своїх орбіт. Частина їх обертається дуже близько до своєї зірки, отже, їх поверхні розжарені немає рідкої води, у якій розвивається життя. Інші планети - їхня меншість - переміщаються витягнутою еліптичною орбітою, що драматично впливає на клімат: зміна сезонів там має бути дуже різкою, а це згубно для організмів.

Обидві теорії походження життя, і панспермія та абіогенез, припускають, що життя не унікальне явище у Всесвіті, воно має бути на інших планетах. Але як її виявити? Довгий час існував єдиний метод пошуку життя, який поки що не дав позитивних результатів - по радіосигналах від інопланетян. Наприкінці XX століття виникла нова ідея – за допомогою телескопів шукати планети поза Сонячною системою. Почалося полювання за екзопланетами. У 1995 році спіймали перший екземпляр: планету масою в пів-Юпітера, що швидко обертається навколо 51-ї зірки сузір'я Пегас. Внаслідок майже 10-річних пошуків виявили 118 планетних систем, що містять 141 планету. Жодна з цих систем не схожа на Сонячну, жодна з планет – на Землю. Знайдені екзопланети близькі за масою до Юпітера, тобто вони набагато більші за Землю. Далекі гіганти непридатні життя через особливості своїх орбіт. Частина їх обертається дуже близько до своєї зірки, отже, їх поверхні розжарені немає рідкої води, у якій розвивається життя. Інші планети - їхня меншість - переміщаються витягнутою еліптичною орбітою, що драматично впливає на клімат: зміна сезонів там має бути дуже різкою, а це згубно для організмів.

Той факт, що жодної планетної системи на кшталт Сонячної не виявили, викликав песимістичні заяви деяких учених. Можливо, невеликі кам'яні планети дуже рідкісні у Всесвіті або наша Земля взагалі єдина у своєму роді, а можливо нам просто не вистачає точності вимірювань. Але надія вмирає останньою, астрономи продовжують відточувати свої методи. Зараз планети шукають не прямим спостереженням, а за непрямими ознаками, бо не вистачає дозволу телескопів. Так, становище юпітероподібних гігантів обчислюють за гравітаційним обуренням, яке вони надають на орбіти своїх зірок. У 2006 році Європейське космічне агентство запустить супутник «Корот», який шукатиме планети земної маси, за рахунок зменшення блиску зірки під час їхнього проходження її диском. У такий же спосіб полювати за планетами буде супутник NASA «Кеплер», починаючи з 2007 року. Ще через 2 роки NASA організує місію космічної інтерферометрії - дуже чутливий метод виявлення маленьких планет щодо їхнього впливу на тіла більшої маси. Лише до 2015 року вчені збудують прилади для прямого спостереження – це буде ціла флотилія космічних телескопів під назвою «Мисливець за планетами земного типу», здатна одночасно шукати ознак життя.

Коли виявлять подібні до Землі планети, в науці настане нова епоха, і вчені готуються до цієї події вже зараз. З величезної відстані потрібно розпізнати в атмосфері планети сліди життя, нехай навіть найпримітивніших її форм - бактерій або найпростіших багатоклітинних. Імовірність виявити примітивне життя у Всесвіті вище, ніж вступити в контакт із зеленими чоловічками, адже на Землі життя існує понад 4 мільярди років, з них на розвинену цивілізацію припадає лише одне століття. До появи техногенних сигналів дізнатися про існування можна було лише з наявності у атмосфері спеціальних сполук - биомаркеров. Головний біомаркер – це озон, який свідчить про присутність кисню. Пари води означають наявність рідкої води. Вуглекислий газ та метан виділяють деякі види організмів. Шукати біомаркери на далеких планетах доручать місії «Дарвін», яку європейські вчені запустять у 2015 році. Шість інфрачервоних телескопів кружлятимуть по орбіті за 1,5 мільйона кілометрів від Землі і обстежуватимуть кілька тисяч найближчих планетних систем. За кількістю кисню в атмосфері проект «Дарвін» здатний визначити зовсім молоде життя віком кілька сотень мільйонів років.

Якщо у випромінюванні атмосфери планети є спектральні лінії трьох речовин – озону, пари води та метану – це додаткове свідчення на користь життя. Наступний крок – встановити її тип та ступінь її розвитку. Наприклад, наявність молекул хлорофілу означатиме, що на планеті є бактерії та рослини, які використовують фотосинтез для отримання енергії. Розробка біомаркерів наступного покоління є дуже перспективним завданням, але це ще далеке майбутнє.

Джерело органіки

Якщо Землі був умов синтезу передбіологічної органіки, всі вони були у космосі. Ще 1961 року американський біохімік Джон Оро опублікував статтю про кометне походження органічних молекул. Молода Земля, не захищена щільною атмосферою, піддавалася масованим бомбардуванням кометами, які складаються в основному з льоду, але також містять аміак, формальдегід, ціанід водню, ціаноацетилен, аденін та інші сполуки, необхідні для абіогенних жирів. клітини. За підрахунками астрономів, на поверхню Землі випало 1021 кг кометної речовини. Вода комет утворила океани, де за сотні мільйонів років розквітло життя.

Спостереження підтверджують, що у космічних тілах та міжзоряних пилових хмарах є проста органіка і навіть амінокислоти. Спектральний аналіз показав наявність аденіну та пурину у хвості комети Хейлі-Боппа, а в метеориті Мерчисон знайшли піримідин. Утворення цих сполук за умов космосу не суперечить законам фізики та хімії.

Кометна гіпотеза популярна серед космологів ще й тим, що вона пояснює появу життя Землі після утворення Місяця. Як прийнято вважати, приблизно 4,5 мільярда років тому Земля зіткнулася з величезним космічним тілом. Її поверхня розплавилася, частина речовини виплеснулася на орбіту, де з неї утворився невеликий супутник - Місяць. Після такої катастрофи на планеті не мало залишитися ніякої органіки та води. Звідки вони з'явилися? Їх знову принесли комети.

Проблема полімерів

Клітинні білки, ДНК, РНК - це полімери, дуже довгі молекули, на кшталт ниток. Будова полімерів досить проста, вони складаються з частин, що повторюються у порядку. Наприклад, целюлоза - найпоширеніша молекула у світі, що входить до складу рослин. Одна молекула целюлози складається з десятків тисяч атомів вуглецю, водню та кисню, але водночас це не що інше, як багаторазове повторення більш коротких молекул глюкози, зчеплених між собою, як у намисто. Білки – це ланцюг амінокислот. ДНК та РНК – послідовність нуклеотидів. Причому це дуже довгі послідовності. Так, розшифрований геном людини складається із 3 мільярдів пар нуклеотидів.

У клітині полімери виробляються за допомогою складних матричних хімічних реакцій. Щоб отримати білок, одна амінокислота повинна від'єднати гідроксильну групу OH з одного кінця і атом водню з іншого, і тільки після цього «приклеїти» наступну амінокислоту. Неважко бачити, що в цьому процесі утворюється вода, причому знову і знову. Звільнення від води, дегідратація - дуже давній процес, ключовий для зародження життя. Як він відбувався, коли ще не було клітки з її фабрикою з виробництва білків? Виникає проблема і з теплим дрібним ставком – колискою живих систем. Адже при полімеризації вода повинна видалятися, але це неможливо, якщо її повно довкола.

Глиняний ген

У первинному бульйоні мало бути щось, що допомогло народитися живої системі, прискорило процес і забезпечило енергією. Англійський кристалограф Джон Бернал у 50-х роках XX століття припустив, що таким помічником могла служити звичайна глина, якій удосталь вистелено дно будь-якої водойми. Мінерали глини сприяли утворенню біополімерів та виникненню механізму спадковості. Гіпотеза Бернала з роками зміцніла та залучила багато послідовників. Виявилося, що опромінені ультрафіолетом глинисті частинки зберігають отриманий запас енергії, який витрачають на реакцію збирання біополімерів. У присутності глини мономери збираються в молекули, що самореплікуються, щось на кшталт РНК.

Більшість глинистих мінералів схожа за своєю структурою на полімери. Вони складаються з великої кількості шарів, з'єднаних між собою слабкими хімічними зв'язками. Така мінеральна стрічка росте сама собою, кожен наступний шар повторює попередній, а іноді трапляються дефекти - мутації, як у генах. Шотландський хімік А.Дж. Кернс-Сміт стверджував, що першим організмом Землі був саме «глиняний ген». Потрапляючи між шарами глинистих частинок, органічні молекули взаємодіяли з ними, переймали спосіб зберігання інформації та зростання, можна сказати, навчалися. Якийсь час мінерали і протожиття мирно співіснували, але незабаром стався розрив, або генетичне захоплення, за Кернс-Смітом, після чого життя залишило мінеральний будинок і почало свій розвиток.

Найдавніші мікроби

У чорних сланцях Західної Австралії віком 3,5 мільярда років збереглися залишки найдавніших організмів, що коли-небудь виявлені на Землі. Видимі лише під мікроскопом кульки і волоконця належать прокаріотам - мікробам, в клітці яких ще немає ядра і спіраль ДНК укладена прямо в цитоплазмі. Найдавніші скам'янілості виявив 1993 року американський палеобіолог Вільям Шопф. Вулканічні та осадові породи комплексу Пілбара, що на захід від Великої піщаної пустелі в Австралії – одні з найстаріших порід на Землі. Завдяки щасливому випадку ці утворення не настільки сильно змінилися під дією потужних геологічних процесів і зберегли в прошарках залишки ранніх істот.

Переконатись у тому, що крихітні кульки та волоконця в минулому були живими організмами, виявилося важко. Ряд дрібних бусинок у гірській породі може бути будь-чим: мінералами, небіологічною органікою, обманом зору. Всього Шопф нарахував 11 видів скам'янілостей, що належать до прокаріотів. З них 6, на думку вченого, - це ціанобактерії, або синьо-зелені водорості. Подібні види досі існують на Землі у прісних водоймах та океанах, у гарячих ключах та поблизу вулканів. Шопф нарахував шість ознак, за якими підозрілі об'єкти у чорних сланцях слід вважати живими.

Ось ці ознаки:
1. Викопні складені органічною матерією
2. У них складна будова - волоконця складаються з клітин різної форми: циліндрів, коробочок, дисків
3. Об'єктів багато - всього 200 копалин включають 1 900 клітин
4. Об'єкти схожі один на одного, як сучасні представники однієї популяції
5. Це були організми, які добре пристосовані до умов ранньої Землі. Вони жили на дні моря, захищені від ультрафіолету товстим шаром води та слизу.
6. Об'єкти розмножувалися як сучасні бактерії, про що свідчать знахідки клітин на стадії поділу.

Виявлення таких древніх ціанобактерій означає, що майже 3,5 мільярда років тому існували організми, які споживали вуглекислий газ і виробляли кисень, вміли ховатися від сонячної радіації та відновлюватися після поранень, як це роблять сучасні види. Біосфера вже почала складатися. Для науки у цьому криється пікантний момент. Як зізнається Вільям Шопф, у таких поважних породах він би вважав за краще знайти більш примітивні створіння. Адже знахідка найдавніших ціанобактерій відсуває початок життя на період, стертий із геологічної історії назавжди, навряд чи геологи будь-коли зможуть його виявити та прочитати. Що старші породи, то довше вони перебували під тиском, температурою, вивітрювалися. Окрім Західної Австралії на планеті збереглося лише одне місце з дуже стародавніми породами, де можуть зустрітися скам'янілості - на сході Південної Африки в королівстві Свазіленд. Але африканські породи за мільярди років зазнали найсильніших змін, і сліди стародавніх організмів загубилися.

В даний час геологи не знайшли початку життя у гірських породах Землі. Строго кажучи, вони взагалі не можуть назвати інтервалу часу, коли живих організмів ще не було. Не можуть вони й простежити ранні – до 3,5 мільярда років тому – етапи еволюції живого. Багато в чому через відсутність геологічних свідчень таємниця походження життя залишається нерозкритою.

Реаліст та сюрреаліст

Перша конференція Міжнародного товариства з вивчення походження життя (ISSOL) відбулася у 1973 році у Барселоні. Емблему до цієї конференції намалював Сальвадор Далі. Діло було так. Джон Оро, американський біохімік, дружив з художником. У 1973 році вони зустрілися в Парижі, пообідали у «Максима» і вирушили на лекцію з голографії. Після лекції Далі зненацька запропонував ученому зайти другого дня до нього в готель. Оро прийшов, і Далі вручив йому малюнок, що символізує проблему хіральності у живих системах. Два кристали ростуть з калюжі, що сочиться, у вигляді перевернутого пісочного годинника, що натякає на кінцевий час еволюції. Ліворуч сидить жіноча фігура, праворуч стоїть чоловік і тримає крило метелика, між кристалами в'ється черв'ячок ДНК. Зображені малюнку лівий і правий кристали кварцу взято з книги Опаріна «Походження життя Землі» 1957 року. На подив вченого, Далі зберігав цю книгу у себе в номері! Після конференції подружжя Опарін поїхало в гості до Далі, на берег Каталонії. Обидві знаменитості вмирали від бажання поспілкуватися. Між реалістом і сюрреалістом зав'язалася довга бесіда, пожвавлена ​​мовою міміки та жестів - адже Опарін говорив лише російською.

Світ РНК

Теоретично абіогенезу пошуки першопочатку життя призводять до ідеї про простішу, ніж клітина, системі. Сучасна клітина надзвичайно складна, її робота тримається на трьох китах: ДНК, РНК та білки. ДНК зберігає спадкову інформацію, білки здійснюють хімічні реакції за схемою, закладеною в ДНК, інформацію від ДНК до білків передає РНК. Що може входити до спрощеної системи? Якась одна із складових частин клітини, яка вміє, як мінімум, відтворювати себе та регулювати обмін речовин.

Пошуки найдавнішої молекули, з якою, власне, і почалося життя, продовжуються майже століття. Подібно до геологів, що відновлюють історію Землі по пластах гірських порід, біологи відкривають еволюцію життя за будовою клітини. Низка відкриттів XX століття призвела до гіпотези гена, що спонтанно зародився, який став прабатьком життя. Природно думати, що таким первогеном могла бути молекула ДНК, адже вона зберігає інформацію про свою структуру та зміни в ній. Поступово з'ясували, що ДНК не може сама передати інформацію іншим поколінням, для цього їй потрібні помічники – РНК та білки. Коли у другій половині XX століття відкрили нові властивості РНК, то виявилося, що ця молекула більше підходить на головну роль у п'єсі про походження життя.

Молекула РНК простіше за своєю будовою, ніж ДНК. Вона коротша і складається з однієї нитки. Ця молекула може бути каталізатором, тобто проводити виборчі хімічні реакції, наприклад з'єднувати між собою амінокислоти, і зокрема здійснювати власну реплікацію, тобто відтворення. Як відомо, виборча каталітична активність – одна з основних властивостей, властивих живим системам. У сучасних клітинах цю функцію виконують лише білки. Можливо, ця здатність перейшла до них згодом, а колись займалася РНК.

Щоб з'ясувати, що ще здатна РНК, вчені почали розводити її штучно. У насиченому молекулами РНК розчині вирує своє життя. Мешканці обмінюються частинами та відтворюють самі себе, тобто йде передача інформації нащадкам. Спонтанний відбір молекул у такій колонії нагадує природний відбір, отже, ним можна управляти. Як селекціонери вирощують нові породи тварин, так само почали вирощувати РНК із заданими властивостями. Наприклад, молекули, які допомагають зшивати нуклеотиди у довгі ланцюжки; молекули, стійкі до високої температури, тощо.

Колонії молекул у чашках Петрі - і є світ РНК, лише штучний. Натуральний світ РНК міг виникнути 4 мільярди років тому у теплих калюжах та дрібних озерцях, де йшло спонтанне розмноження молекул. Поступово молекули стали збиратися у спільноти та змагатися між собою за місце під сонцем, що виживали найбільш пристосовані. Щоправда, передача інформації в таких колоніях відбувається неточно, і новонабуті ознаки окремої «особи» можуть губитися, але цей недолік покривається великою кількістю комбінацій. Відбір РНК йшов дуже швидко, і за півмільярда років могла виникнути клітка. Давши поштовх до виникнення життя, світ РНК не зник, він продовжує існувати всередині всіх організмів на Землі.

Світ РНК – майже живий, до повного пожвавлення йому залишається лише один крок – зробити клітку. Клітина відокремлена від навколишнього середовища міцною мембраною, отже, наступний етап еволюції світу РНК - укладання колоній, де молекули пов'язані між собою спорідненістю, жирову оболонку. Така протоклетка могла вийти випадково, але щоб стати повноцінною живою клітиною, мембрана повинна була відтворюватися від покоління до покоління. За допомогою штучного відбору в колонії можна вивести РНК, яка відповідає за зростання мембрани, але чи це сталося насправді? Автори експериментів з Массачусетського технологічного інституту США наголошують, що результати, отримані в лабораторії, не обов'язково будуть схожі на реальне складання живої клітини, а можливо, зовсім далекі від істини. Втім, створити живу клітку у пробірці поки що не вдалося. Світ РНК не розкрив остаточно своїх таємниць.

Життя з'явилося на нашій планеті приблизно через півмільярда років після виникнення Землі, тобто близько 4 млрд років тому: саме тоді зародився перший загальний предок всіх живих істот. Він був однією-єдиною клітиною, генетичний код якої включав кілька сотень генів. Ця клітина мала все необхідне для життя та подальшого розвитку: механізми, що відповідають за синтез білків, відтворення спадкової інформації та вироблення рибонуклеїнової кислоти (РНК), яка також відповідальна за кодування генетичних даних.

Вчені розуміли, що перший загальний предок всіх живих істот зародився з так званого первинного бульйону — амінокислот, що виникли з сполук води з хімічними елементами, наповненими водоймищами молодої Землі.

Можливість формування амінокислот із суміші хімічних елементів була доведена в результаті експерименту Міллера - Юрі, про який кілька років тому. У ході досвіду Стенлі Міллер змоделював у пробірках атмосферні умови Землі близько 4 млрд років тому, заповнивши їх сумішшю газів — метану, аміаку, вуглецю та монооксиду вуглецю, — додавши туди води та пропускаючи через пробірки електричний струм, який мав справляти ефект розрядів блискавок.

Внаслідок взаємодії хімічних речовин Міллер отримав у пробірках п'ять амінокислот – основних будівельних блоків усіх білків.

Через півстоліття, в 2008 році, дослідники провели повторний аналіз вмісту пробірок, які Міллер зберіг у недоторканності, і з'ясували, що насправді суміш продуктів містила зовсім не 5 амінокислот, а 22, автор експерименту не зміг ідентифікувати їх кілька десятиліть тому.

Після цього перед вченими постало питання, які з трьох основних молекул, що містяться у всіх живих організмах (ДНК, РНК або білки), стали наступним ступенем формування життя. Складність цього питання полягає в тому, що утворення кожної з трьох молекул залежить від двох інших і не може бути здійснений в її відсутність.

Таким чином, вчені мали або визнати можливість формування відразу двох класів молекул в результаті випадкової вдалої комбінації амінокислот, або погодитися з тим, що структура їх складних взаємозв'язків утворилася спонтанно, вже після всіх трьох класів.

Проблема була вирішена у 1980-х роках, коли Томас Чек та Сідней Олтмен відкрили здатність РНК існувати повністю автономно, виступаючи прискорювачем хімічних реакцій та синтезуючи нові, аналогічні собі РНК. Це відкриття призвело до появи «гіпотези світу РНК», вперше висловленої мікробіологом Карлом Везе у 1968 році та остаточно сформульованої біохіміком, лауреатом Нобелівської премії з хімії Уолтером Гілбертом у 1986 році. Суть цієї теорії полягає в тому, що основою життя визнаються молекули рибонуклеїнової кислоти, які в процесі відтворення могли накопичувати мутації. Ці мутації зрештою призвели до здатності рибонуклеїнової кислоти створювати білки. Білкові сполуки є більш ефективним каталізатором, ніж РНК, і саме тому мутації, що їх створили, закріпилися в процесі природного відбору.

Водночас сформувалися і «сховища» генетичної інформації – ДНК. Рибонуклеїнові кислоти збереглися як посередник між ДНК та білками, виконуючи безліч різних функцій:

вони зберігають інформацію про послідовність амінокислот у білках, переносять амінокислоти у місця синтезу пептидних зв'язків, беруть участь у регулюванні ступеня активності тих чи інших генів.

На даний момент у вчених немає однозначних доказів того, що подібний синтез РНК внаслідок випадкових сполук амінокислот можливий, хоча певні підтвердження цієї теорії є: так, у 1975 році вчені Манфред Сампер та Рудігер Льюс продемонстрували, що за певних умов РНК може спонтанно виникнути у суміші, що містить лише нуклеотиди та репліказу, а в 2009 році дослідники з Університету Манчестера довели, що уридін та цитидин — складові рибонуклеїнової кислоти — могли синтезуватися в умовах ранньої Землі. Проте деякі дослідники продовжують критикувати «гіпотезу світу РНК» через надзвичайно низьку ймовірність спонтанного виникнення рибонуклеїнової кислоти, яка має каталітичні властивості.

Вчені Річард Вульфенден та Чарльз Картер з Університету Північної Кароліни запропонували свою версію формування життя з первинного «будівельного матеріалу». Вони вважають, що амінокислоти, що сформувалися з набору хімічних елементів, що існували на Землі, стали базою для утворення не рибонуклеїнових кислот, а інших, більш простих речовин — білкових ферментів, які уможливили появу РНК. Дослідники опублікували результати своєї роботи у журналі PNAS .

Річард Вульфенден проаналізував фізичні властивості 20 амінокислот і дійшов висновку, що амінокислоти могли самостійно забезпечувати формування структури повноцінного білка. Ці білки, своєю чергою, були ферментами — молекулами, які прискорюють хімічні реакції у організмі. Чарльз Картер продовжив роботу свого колеги, показавши на прикладі ферменту під назвою аміноацил-тРНК-синтетазу те величезне значення, яке ферменти могли відігравати для подальшого розвитку основ життя: ці

білкові молекули здатні розпізнавати транспортні рибонуклеїнові кислоти, забезпечувати їх відповідність ділянкам генетичного коду і цим організовувати правильну передачу генетичної інформації наступним поколінням.

На думку авторів дослідження, їм вдалося знайти ту саму «відсутню ланку», яка була проміжним етапом між утворенням амінокислот з первинних хімічних елементів та складанням з них складних рибонуклеїнових кислот. Процес утворення білкових молекул досить простий порівняно з утворенням РНК, яке реалістичність була доведена Вульфенденом на прикладі вивчення 20 амінокислот.

Висновки вчених дають відповідь і ще на одне питання, яке тривалий час хвилювало дослідників, а саме: коли стався «розподіл праці» між білками та нуклеїновими кислотами, до яких належать ДНК і РНК. Якщо теорія Вульфендена і Картера вірна, можна сміливо стверджувати: білки і нуклеїнові кислоти «поділили» між собою основні функції на зорі виникнення життя, саме близько 4 млрд років тому.

Питання, коли Землі з'явилося життя, завжди хвилювало як учених, а й всіх людей. Відповіді на нього

майже всіх релігій. Хоча точної наукової відповіді на нього досі немає, деякі факти дозволяють висловити більш менш обґрунтовані гіпотези. У Гренландії дослідниками було знайдено зразок гірської породи

із крихітним вкрапленням вуглецю. Вік зразка понад 3,8 млрд. років. Джерелом вуглецю, швидше за все, була якась органічна речовина – за такий час вона повністю втратила свою структуру. Вчені вважають, що цей грудок вуглецю може бути найдавнішим слідом життя на Землі.

Яка виглядала первісна Земля?

Перенесемося на 4 млрд. років тому. Атмосфера не містить вільного кисню, він перебуває лише у складі оксидів. Майже ніяких звуків, крім свисту вітру, шипіння води, що вивергається з лавою, і ударів метеоритів об поверхню Землі. Ні рослин, ні тварин, ні бактерій. Може, так виглядала Земля, коли на ній з'явилося життя? Хоча ця проблема здавна хвилює багатьох дослідників, їх думки щодо цього сильно різняться. Про умови на Землі на той час могли б свідчити гірські породи, але вони давно зруйнувалися внаслідок геологічних процесів та переміщень земної кори.

У цій статті ми коротко розповімо про кілька гіпотез виникнення життя, що відображають сучасні наукові уявлення. Як вважає відомий фахівець у галузі проблеми виникнення життя Стенлі Міллер, про виникнення життя та початок його еволюції можна говорити з того моменту, як органічні молекули самоорганізовувалися у структури, які змогли відтворювати самих себе. Але це породжує інші питання: як з'явилися ці молекули; чому вони могли самовідтворюватись і збиратися в ті структури, які дали початок живим організмам; які потрібні для цього умови?

Згідно з однією з гіпотез життя почалося в шматочку льоду. Хоча багато вчених вважають, що присутній в атмосфері вуглекислий газ забезпечував підтримку тепличних умов, інші вважають, що на Землі панувала зима. При низькій температурі всі хімічні сполуки стабільніші і тому можуть накопичуватися у великих кількостях, ніж за високої температури. Занесені з космосу уламки метеоритів, викиди з гідротермальних джерел та хімічні реакції, що відбуваються при електричних розрядах в атмосфері, були джерелами аміаку та таких органічних сполук, як формальдегід та ціанід. Потрапляючи у воду Світового океану, вони замерзали разом із нею. У крижаній товщі молекули органічних речовин тісно зближалися та вступали у взаємодії, що призводили до утворення гліцину та інших амінокислот. Океан був покритий льодом, який захищав з'єднання, що знову утворилися, від руйнування під дією ультрафіолетового випромінювання. Цей крижаний світ міг розтанути, наприклад, падіння на планету величезного метеорита (рис. 1).

Чарлз Дарвін та його сучасники вважали, що життя могло виникнути у водоймі. Цієї точки зору багато вчених дотримуються і зараз. У замкнутому і порівняно невеликому водоймищі органічні речовини, що приносяться водами, що впадають в нього, могли накопичуватися в необхідних кількостях. Потім ці сполуки ще більше концентрувалися на внутрішніх поверхнях шаруватих мінералів, які були каталізаторами реакцій. Наприклад, дві молекули фосфатальдегіду, що зустрілися на поверхні мінералу, реагували між собою з утворенням фосфорильованої вуглеводної молекули – можливого попередника рибонуклеїнової кислоти (рис. 2).

А може, життя виникло в районах вулканічної діяльності? Безпосередньо після утворення Земля була вогнедишною кулею магми. При виверженнях вулканів і з газами, що вивільнялися з розплавленої магми, на земну поверхню виносилися різноманітні хімічні речовини, необхідні синтезу органічних молекул. Так, молекули чадного газу, опинившись на поверхні мінералу піриту, що володіє каталітичними властивостями, могли реагувати зі сполуками, що мали метильні групи, і утворювати оцтову кислоту, з якої потім синтезувалися інші органічні сполуки (рис. 3).

Вперше отримати органічні молекули – амінокислоти – в лабораторних умовах, що моделюють ті, що були на первісній Землі, вдалося американському вченому Стенлі Міллеру в 1952 р. Тоді ці експерименти стали сенсацією, і їх автор отримав всесвітню популярність. В даний час він продовжує займатися дослідженнями в передбіотичній (до виникнення життя) хімії в Каліфорнійському університеті. Установка, на якій був здійснений перший експеримент, була системою колб, в одній з яких можна було отримати потужний електричний розряд при напрузі 100 000 В.

Міллер заповнив цю колбу природними газами – метаном, воднем та аміаком, які були присутні у атмосфері первісної Землі. У колбі, розташованій нижче, була невелика кількість води, що імітує океан. Електричний розряд за своєю силою наближався до блискавки, і Міллер очікував, що під його дією утворюються хімічні сполуки, які, потрапивши потім у воду, прореагують один з одним і утворюють складніші молекули.

Результат перевершив усі очікування. Вимкнувши ввечері установку і повернувшись наступного ранку, Міллер виявив, що вода в колбі набула жовтуватого забарвлення. Те, що утворилося, виявилося бульйоном із амінокислот – будівельних блоків білків. Таким чином, цей експеримент показав, як легко могли утворитися первинні інгредієнти живого. Загалом і потрібні були – суміш газів, маленький океан та невелика блискавка.

Інші вчені схильні вважати, що давня атмосфера Землі відрізнялася від тієї, яку моделював Міллер, і складалася швидше за все з вуглекислого газу та азоту. Використовуючи цю газову суміш та експериментальну установку Міллера, хіміки спробували отримати органічні сполуки. Однак їх концентрація у воді була такою нікчемною, якби розчинили краплю харчової фарби в плавальному басейні. Природно, важко уявити, як могла виникнути життя в такому розведеному розчині.

Якщо справді внесок земних процесів у створення запасів первинної органічної речовини був настільки незначним, то звідки воно узялося взагалі? Можливо, з космосу? Астероїди, комети, метеорити і навіть частинки міжпланетного пилу могли нести органічні сполуки, включаючи амінокислоти. Ці позаземні об'єкти могли забезпечити потрапляння в первинний океан або невелике водоймище достатньої для зародження життя кількості органічних сполук.

Послідовність і часовий інтервал подій, починаючи від утворення первинної органічної речовини і закінчуючи появою життя як такого, залишається і, напевно, назавжди залишиться загадкою, що хвилює багатьох дослідників, так само як і питання, що. власне, вважати за життя.

Нині є кілька наукових визначень життя, але вони не точні. Одні їх настільки широкі, що під них потрапляють такі неживі об'єкти, як вогонь або кристали мінералів. Інші – надто вузькі, і відповідно до них мули, що не дають потомства, не визнаються живими.

Одне з найбільш вдалих визначає життя як хімічну систему, що самопідтримується, здатну поводитися відповідно до законів дарвінівської еволюції. Це означає, що, по-перше, група живих особин має виробляти подібних до себе нащадків, які успадковують ознаки батьків. По-друге, у поколіннях нащадків мають виявлятися наслідки мутацій – генетичних змін, які успадковуються наступними поколіннями та зумовлюють популяційну мінливість. І по-третє, необхідно, щоб діяла система природного відбору, в результаті якого одні особини отримують перевагу перед іншими і виживають у умовах, що змінилися, даючи потомство.

Які ж елементи системи були потрібні, щоб у неї з'явилися характеристики живого організму? Велика кількість біохіміків і молекулярних біологів вважають, що необхідні властивості мали молекули РНК. РНК – рибонуклеїнові кислоти – це особливі молекули. Одні можуть реплікуватися, мутувати, таким чином передаючи інформацію, і, отже, вони могли брати участь у природному доборі. Щоправда, вони не здатні самі каталізувати процес реплікації, хоча вчені сподіваються, що в недалекому майбутньому буде знайдено фрагмент РНК із такою функцією. Інші молекули РНК задіяні у “зчитуванні” генетичної інформації та передачі її на рибосоми, де відбувається синтез білкових молекул, у якому беруть участь молекули РНК третього типу.

Таким чином найпримітивніша жива система могла бути представлена ​​молекулами РНК, що подвоюються, піддаються мутаціям і схильними до природного відбору. У ході еволюції на основі РНК виникли спеціалізовані молекули ДНК – зберігачі генетичної інформації – і не менш спеціалізовані молекули білка, які взяли на себе функції каталізаторів синтезу всіх відомих нині біологічних молекул.

У якийсь момент часу "жива система" з ДНК, РНК і білка знайшла притулок усередині мішечка, утвореного ліпідною мембраною, і ця більш захищена від зовнішніх впливів структура послужила прототипом найперших клітин, що дали початок трьом основним гілкам життя, які представлені в сучасному світі бактеріями , археями та еукаріотами. Що ж до дати і послідовності появи таких первинних клітин, це залишається загадкою. Крім того, за простими ймовірнісними оцінками для еволюційного переходу від органічних молекул до перших організмів не вистачає часу – перші найпростіші організми з'явилися раптово.

Протягом багатьох років вчені вважали, що життя навряд чи могло виникнути і розвиватися в той період, коли Земля постійно зазнавала сутичок з великими кометами і метеоритами, а завершився цей період приблизно 3,8 млрд. років тому. Однак нещодавно в найдавніших на Землі осадових породах, знайдених у південно-західній частині Гренландії, було виявлено сліди складних клітинних структур, вік яких становить принаймні 3,86 млрд років. Отже, перші форми життя могли виникнути за мільйони років до того, як припинилося бомбардування нашої планети великими космічними тілами. Але тоді можливий зовсім інший сценарій (рис. 4).

Космічні об'єкти, що падали на Землю, могли зіграти центральну роль у виникненні життя на нашій планеті, оскільки, на думку ряду дослідників, клітини, подібні до бактерій, могли виникнути на іншій планеті і потім вже потрапити на Землю разом з астероїдами. Одне зі свідчень на користь теорії позаземного походження життя було виявлено всередині метеорита, який формою нагадує картоплину і названий ALH84001. Спочатку цей метеорит був частинкою марсіанської кори, яку потім викинули в космос внаслідок вибуху при зіткненні величезного астероїда з поверхнею Марса, що стався близько 16 млн років тому. А 13 тис. років тому після тривалої подорожі в межах Сонячної системи цей уламок марсіанської породи у вигляді метеорита приземлився в Антарктиці, де і нещодавно був виявлений. При детальному дослідженні метеориту всередині нього були виявлені паличкоподібні структури, що нагадують формою скам'янілі бактерії, що дало привід для бурхливих наукових суперечок про можливість життя в глибині марсіанської кори. Вирішити ці суперечки вдасться не раніше 2005 р., коли Національне управління з аеронавтики та космічних досліджень США здійснить програму польоту на Марс міжпланетного корабля для відбору проб марсіанської кори та доставки зразків на Землю. І якщо вченим вдасться довести, що мікроорганізми колись населяли Марс, то про позаземне виникнення життя і можливість занесення життя з Космосу можна буде говорити з більшою часткою впевненості (рис. 5).

Мал. 5. Наше походження від бактерій.

Що ми успадкували від давніх форм життя? Наведене нижче порівняння одноклітинних організмів із клітинами людини виявляє багато рис подібності.

1. Статеве розмноження Дві спеціалізовані репродуктивні клітини водоростей – гамети, – спарюючись, утворюють клітину, яка несе генетичний матеріал від обох батьків. Це нагадує запліднення яйцеклітини людини сперматозоїдом.

2. Вії Тоненькі вії на поверхні одноклітинної парамеції колишуться подібно до крихітних весл і забезпечують їй рух у пошуках їжі. Схожі вії вистилають дихальні шляхи людини, виділяють слиз і затримують чужорідні частки.

3. Захоплення інших клітин Амеба поглинає їжу, оточуючи її псевдоподією, що утворюється висуванням та подовженням частини клітини. В організмі тварини або людини амебоподібні кров'яні клітини схожим чином висувають псевдоподію, щоб поглинути небезпечну бактерію. Цей процес названо фагоцитозом.

4. Мітохондрії Перші еукаріотні клітини виникли, коли амеба захопила прокаріотні клітини аеробних бактерій, які перетворилися на мітохондрії. І хоча бактерії та мітохондрії клітини (підшлункової залози) не надто схожі, у них одна функція – виробляти енергію в процесі окислення їжі.

5. Джгутики Довгий джгутик сперматозоїда людини дозволяє йому рухатися з великою швидкістю. Бактерії та найпростіші еукаріоти теж мають джгутики зі схожою внутрішньою будовою. Він складається з пари мікротрубочок, оточеної дев'ятьма іншими.

Еволюція життя на Землі: від простого до складного

В даний час, так, напевно, і в майбутньому, наука не зможе дати відповіді на питання, як виглядав перший організм, що з'явився на Землі, - предок, від якого беруть початок три основні гілки дерева життя. Одна з гілок – еукаріоти, клітини яких мають оформлене ядро, що містить генетичний матеріал, та спеціалізовані органели: мітохондрії, що виробляють енергію, вакуолі та ін. До еукаріотних організмів належать водорості, гриби, рослини, тварини та людина.

Друга гілка – це бактерії – прокаріотні (доядерні) одноклітинні організми, що не мають вираженого ядра та органел. І нарешті, третя гілка - одноклітинні організми, іменовані археями, або архебактеріями, клітини яких мають таку ж будову, як і у прокаріотів, але зовсім іншу хімічну структуру ліпідів.

Багато архебактерій здатні виживати у вкрай несприятливих екологічних умовах. Деякі з них є термофілами і живуть лише в гарячих джерелах з температурою 90 °С і навіть вище, де інші організми просто загинули б. Чудово почуваючись у таких умовах, ці одноклітинні організми споживають залізо та сірковмісні речовини, а також ряд хімічних сполук, токсичних для інших форм життя. На думку вчених, знайдені термофільні архебактерії є вкрай примітивними організмами та в еволюційному відношенні – близькими родичами найдавніших форм життя на Землі.

Цікаво, що сучасні представники всіх трьох гілок життя, найбільш схожі на своїх прабатьків, і сьогодні мешкають у місцях із високою температурою. Виходячи з цього, деякі вчені схильні вважати, що, найімовірніше, життя виникло близько 4 млрд років тому на дні океану поблизу гарячих джерел, що вивергають потоки, багаті на метали і високоенергетичні речовини. Взаємодіючи один з одним і з водою стерильного океану, вступаючи в найрізноманітніші хімічні реакції, ці сполуки дали початок принципово новим молекулам. Так, протягом десятків мільйонів років у цій “хімічній кухні” готувалося найбільша страва – життя. І ось близько 4,5 млрд років тому Землі з'явилися одноклітинні організми, самотнє існування яких тривало весь докембрійський період.

Сплеск еволюції, що дав початок багатоклітинним організмам, стався набагато пізніше, трохи більше півмільярда років тому. Хоча розміри мікроорганізмів настільки малі, що в одній краплі води можуть поміститися мільярди, масштаби проведеної роботи грандіозні.

Вважають, що спочатку в земній атмосфері та Світовому океані не було вільного кисню, і в цих умовах жили та розвивалися лише анаеробні мікроорганізми. Особливим кроком у еволюції живого було виникнення фотосинтезирующих бактерій, які, використовуючи енергію світла, перетворювали вуглекислий газ на вуглеводні сполуки, що є їжею інших мікроорганізмів. Якщо перші фотосинтетики виділяли метан або сірководень, то мутанти, що з'явилися одного разу, почали виробляти в процесі фотосинтезу кисень. У міру накопичення кисню в атмосфері та водах анаеробні бактерії, для яких він згубний, зайняли безкисневі ніші.

У стародавніх копалинах, знайдених в Австралії, вік яких обчислюється 3,46 млрд років, було виявлено структури, які вважають останками ціанобактерій – перших фотосинтезуючих мікроорганізмів. Про колишнє панування анаеробних мікроорганізмів і ціанобактерій свідчать строматоліти, що зустрічаються в мілководних прибережних акваторіях не забруднених солоних водойм. За формою вони нагадують великі валуни і представляють цікаву спільноту мікроорганізмів, яка живе у вапнякових або доломітових породах, що утворилися внаслідок їхньої життєдіяльності. На глибину кількох сантиметрів від поверхні строматоліти насичені мікроорганізмами: у верхньому шарі мешкають фотосинтезуючі ціанобактерії, що виробляють кисень; глибше виявляються бактерії, які до певної міри терпимі до кисню і не потребують світла; у нижньому шарі присутні бактерії, які можуть жити лише за відсутності кисню. Розташовані у різних шарах, ці мікроорганізми становлять систему, об'єднану складними взаємовідносинами з-поміж них, зокрема харчовими. За мікробною плівкою виявляється порода, що утворюється внаслідок взаємодії залишків відмерлих мікроорганізмів з розчиненим у воді карбонатом кальцію. Вчені вважають, що коли на первісній Землі ще не було континентів і лише архіпелаги вулканів височіли над поверхнею океану, мілководдя рясніло строматолітами.

В результаті життєдіяльності фотосинтезуючих ціанобактерій в океані з'явився кисень, а приблизно через 1 млрд. років після цього він почав накопичуватися в атмосфері. Спочатку кисень, що утворився, взаємодіяв з розчиненим у воді залізом, що призвело до появи оксидів заліза, які поступово осаджувалися на дні. Так, протягом мільйонів років за участю мікроорганізмів виникли величезні поклади залізної руди, з якої сьогодні виплавляється сталь.

Потім, коли основна кількість заліза в океанах зазнала окислення і вже не могла зв'язувати кисень, він у газоподібному вигляді пішов в атмосферу.

Після того як фотосинтезуючі ціанобактерії створили з вуглекислого газу певний запас багатого на енергію органічної речовини та збагатили земну атмосферу киснем, виникли нові бактерії – аероби, які можуть існувати лише у присутності кисню. Кисень їм необхідний для окислення (спалювання) органічних сполук, а значна частина одержуваної при цьому енергії перетворюється на біологічно доступну форму - аденозинтрифосфат (АТФ). Цей процес енергетично дуже вигідний: анаеробні бактерії при розкладанні однієї молекули глюкози отримують лише 2 молекули АТФ, а аеробні бактерії, які використовують кисень, – 36 молекул АТФ.

З появою достатньої для аеробного способу життя кількості кисню дебютували і еукаріотні клітини, що мають на відміну від бактерій ядро ​​і такі органели, як мітохондрії, лізосоми, а у водоростей та вищих рослин – хлоропласти, де відбуваються фотосинтетичні реакції. З приводу виникнення та розвитку еукаріотів існує цікава та цілком обґрунтована гіпотеза, висловлена ​​майже 30 років тому американським дослідником Л.Маргулісом. Згідно з цією гіпотезою мітохондрії, що виконують функції фабрик енергії в еукаріотній клітині, – це аеробні бактерії, а хлоропласти рослинних клітин, у яких відбувається фотосинтез, – ціанобактерії, поглинені, ймовірно, близько 2 млрд років тому примітивними амебами. В результаті взаємовигідних взаємодій поглинені бактерії стали внутрішніми симбіонтами і утворили з клітиною, що їх поглинула, стійку систему - еукаріотну клітину.

Дослідження викопних останків організмів у породах різного геологічного віку показали, що протягом сотень мільйонів років після виникнення еукаріотних форм життя були представлені мікроскопічними кулястими одноклітинними організмами, такими як дріжджі, а їх еволюційний розвиток протікав дуже повільними темпами. Але трохи більше 1 млрд років тому виникло безліч нових видів еукаріотів, що позначило різкий стрибок в еволюції життя.

Насамперед це було з появою статевого розмноження. І якщо бактерії та одноклітинні еукаріоти розмножувалися, виробляючи генетично ідентичні копії самих себе і не потребуючи статевого партнера, то статеве розмноження у більш високоорганізованих еукаріотних організмів відбувається так. Дві гаплоїдні, що мають одинарний набір хромосом, статеві клітини батьків, зливаючись, утворюють зиготу, що має подвійний набір хромосом з генами обох партнерів, що створює можливості для нових генних комбінацій. Виникнення статевого розмноження призвело до появи нових організмів, які вийшли на арену еволюції.

Три чверті всього часу існування життя на Землі вона була представлена ​​виключно мікроорганізмами, доки не відбувся якісний стрибок еволюції, що призвів до появи високоорганізованих організмів, включаючи людину. Простежимо основні віхи історія життя Землі по низхідній лінії.

1,2 млрд років тому стався вибух еволюції, зумовлений появою статевого розмноження і що ознаменувався появою високоорганізованих форм життя – рослин і тварин.

Утворення нових варіацій у змішаному генотипі, що виникає при статевому розмноженні, виявилося у вигляді біорізноманіття нових форм життя.

2 млрд. років тому з'явилися складноорганізовані еукаріотні клітини, коли одноклітинні організми ускладнили свою будову за рахунок поглинання інших прокаріотних клітин. Одні з них – аеробні бактерії – перетворилися на мітохондрії – енергетичні станції кисневого дихання. Інші – фотосинтетичні бактерії – почали здійснювати фотосинтез усередині клітини-господаря та стали хлоропластами у клітинах водоростей та рослин. Еукаріотні клітини, що мають ці органели і чітко відокремлене ядро, що включає генетичний матеріал, складають усі сучасні складні форми життя – від цвілевих грибів до людини.

3,9 млрд років тому з'явилися одноклітинні організми, які, ймовірно, виглядали як сучасні бактерії та архебактерії. Як давні, так і сучасні прокаріотні клітини влаштовані відносно просто: вони не мають оформленого ядра і спеціалізованих органел, в їхній желеподібній цитоплазмі розташовуються макромолекули ДНК - носії генетичної інформації, і рибосоми, на яких відбувається синтез білка, а енергія виробляється на цитоплазматичній мембрані клітину.

4 млрд років тому загадковим чином виникла РНК. Можливо, що вона утворилася з простих органічних молекул, що з'явилися на первісній землі. Вважають, що древні молекули РНК мали функції носіїв генетичної інформації та білків-каталізаторів, вони були здатні до реплікації (самоподвоєння), мутували та зазнавали природного відбору. У сучасних клітинах РНК не мають або не виявляють цих властивостей, але відіграють дуже важливу роль посередника у передачі генетичної інформації з ДНК на рибосоми, де відбувається синтез білків.

О.Л. Прохоров
За матеріалами статті Річарда Монастерські
у журналі National Geographic, 1998 р. No 3

Походження життя на Землі - одне з найважчих і водночас актуальне та цікаве питання в сучасному природознавстві.

Земля сформувалася, ймовірно, 4,5-5 млрд. років тому з гігантської хмари космічного пилу. частинки якої спресувалися в розпечену кулю. З нього в атмосферу виділялася водяна пара, а з атмосфери на Землю, що повільно остигала, протягом мільйонів років у вигляді дощів випадала вода. У поглибленнях земної поверхні утворився доісторичний океан. У ньому приблизно 3,8 млрд. років тому зародилося первісне життя.

Виникнення життя Землі

Як сталась сама планета і як на ній з'явилися моря? Із цього приводу існує одна широко визнана теорія. Відповідно до неї Земля утворилася з хмар космічного пилу, що містить усі відомі в природі хімічні елементи, які спресувалися в кулю. Гаряча водяна пара виривалася з поверхні цієї розпеченої до червоної кулі, огортаючи її суцільним хмарним покривом, Водяна пара в хмарах повільно охолоджувалась і перетворювалася на воду, яка випадала у вигляді рясних безперервних дощів на ще розпечену, палаючу Землю. На її поверхні вона знову перетворювалася на водяну пару і поверталася в атмосферу. За мільйони років Земля поступово втратила так багато тепла, що її рідка поверхня, остигаючи, почала твердіти. Так утворилася земна кора.

Минули мільйони років, і температура Землі ще більше знизилася. Зливові води перестали випаровуватись і стали стікати у величезні калюжі. Так почалася дія води на земну поверхню. А потім через пониження температури стався справжній потоп. Вода, яка до цього випаровувалась в атмосферу і перетворилася на її складову частину, безперервно падає на Землю, З громом і блискавками обрушувалися з хмар потужні зливи.

Поступово в найглибших западинах земної поверхні накопичувалася вода, яка вже не встигала зовсім випаруватися. Її було так багато, що поступово на планеті утворився доісторичний океан. Блискавки розтинали небо. Але ніхто цього не бачив. На землі ще не було життя. Безперервна злива почала розмивати гори. Вода стікала з них галасливими струмками та бурхливими річками. За мільйони років водні потоки глибоко роз'їли земну поверхню і подекуди з'явилися долини. У атмосфері зменшувалася вміст води, але в поверхні планети її накопичувалося дедалі більше.

Суцільний хмарний покрив ставав тоншим, поки одного прекрасного дня Землі не торкнувся перший промінь сонця. Безперервний дощ скінчився. Більшість суші покрив доісторичний Океан. З її верхніх шарів вода вимивала величезну кількість розчинних мінералів та солей, які потрапляли у море. Вода з нього безперервно випаровувалась, утворюючи хмари, а солі осідали, і з часом відбувалося поступове засолення морської води. Очевидно, за якихось існували у давнину умовах утворилися речовини, у тому числі виникли особливі кристалічні форми. Вони росли, як і всі кристали, і давали початок новим кристалам, які приєднували до себе нові речовини.

Сонячне світло і, можливо, дуже сильні електричні розряди служили у процесі джерелом енергії. Можливо, з таких елементів зародилися перші жителі Землі – прокаріоти, організми без оформленого ядра, схожі на сучасні бактерії. Вони були анаеробами, тобто не використовували для дихання вільний кисень, якого тоді ще не було в атмосфері. Джерелом їжі для них служили органічні сполуки, що виникли на ще неживої Землі внаслідок впливу ультрафіолетового випромінювання Сонця, грозових розрядів та тепла, що утворюється під час виверження вулканів.

Життя існувало тоді в тонкій бактеріальній плівці на дні водойм та у вологих місцях. Цю епоху розвитку життя називають архейською. З бактерій, а можливо, і зовсім незалежним шляхом, виникли і крихітні одноклітинні організми – найдавніші найпростіші тварини.

Яка виглядала первісна Земля?

Перенесемося на 4 млрд. років тому. Атмосфера не містить вільного кисню, він перебуває лише у складі оксидів. Майже ніяких звуків, крім свисту вітру, шипіння води, що вивергається з лавою, і ударів метеоритів об поверхню Землі. Ні рослин, ні тварин, ні бактерій. Може, так виглядала Земля, коли на ній з'явилося життя? Хоча ця проблема здавна хвилює багатьох дослідників, їх думки щодо цього сильно різняться. Про умови на Землі на той час могли б свідчити гірські породи, але вони давно зруйнувалися внаслідок геологічних процесів та переміщень земної кори.

Теорії походження життя Землі

У цій статті ми коротко розповімо про кілька гіпотез виникнення життя, що відображають сучасні наукові уявлення. Як вважає відомий фахівець у галузі проблеми виникнення життя Стенлі Міллер, про виникнення життя та початок його еволюції можна говорити з того моменту, як органічні молекули самоорганізовувалися у структури, які змогли відтворювати самих себе. Але це породжує інші питання: як з'явилися ці молекули; чому вони могли самовідтворюватись і збиратися в ті структури, які дали початок живим організмам; які потрібні для цього умови?

Є кілька теорій про походження життя Землі. Наприклад, одна з давніх гіпотез свідчить, що вона занесена на Землю з космосу, але незаперечних доказів цього немає. Крім того, те життя, яке ми знаємо, напрочуд пристосоване для існування саме в земних умовах, тому якщо воно і виникло поза Землею, то на планеті земного типу. Більшість сучасних учених вважають, що життя зародилося на Землі, в її морях.

Теорія біогенезу

У розвитку вчень про походження життя значне місце посідає теорія біогенезу - походження живого лише живого. Але багато хто вважає її неспроможною, оскільки вона принципово протиставляє живе неживому і стверджує відкинуту наукою ідею вічності життя. Абіогенез – ідея про походження живого з неживого – вихідна гіпотеза сучасної теорії походження життя. У 1924 р. відомий біохімік А. І. Опарін висловив припущення, що при потужних електричних розрядах у земній атмосфері, яка 4-4,5 млрд років тому складалася з аміаку, метану, вуглекислого газу та пари води, могли виникнути найпростіші органічні сполуки, необхідні виникнення життя. Пророцтво академіка Опаріна виправдалося. У 1955 р. американський дослідник С. Міллер, пропускаючи електричні заряди через суміш газів і пар, отримав найпростіші жирні кислоти, сечовину, оцтову та мурашину кислоти та кілька амінокислот. Таким чином, у середині XX століття був експериментально здійснений абіогенний синтез білковоподібних та інших органічних речовин в умовах, що відтворюють умови первісної Землі.

Теорія панспермії

Теорія панспермії – це можливості перенесення органічних сполук, суперечка мікроорганізмів з одного космічного тіла на інше. Але вона зовсім не дає відповіді на питання, як зародилося життя у Всесвіті? Виникає необхідність обґрунтування виникнення життя в тій точці Всесвіту, вік якого, згідно з теорією Великого вибуху, обмежений 12-14 мільярдами років. На той час був навіть елементарних частинок. А якщо немає ядер та електронів, немає і хімічних речовин. Потім протягом кількох хвилин з'явилися протони, нейтрони, електрони, і матерія вступила на шлях еволюції.

Для обґрунтування цієї теорії використовуються багаторазові появи НЛО, наскельні зображення предметів, схожих на ракети та «космонавтів», а також повідомлення нібито про зустрічі з інопланетянами. При вивченні матеріалів метеоритів і комет у них було виявлено багато «попередників живого» - такі речовини, як ціаногени, синильна кислота та органічні сполуки, які, можливо, зіграли роль «насіння», що падало на голу Землю.

Прихильниками цієї гіпотези були лауреати Нобелівської премії Ф.Крік, Л.Оргел. Ф.Крік ґрунтувався на двох непрямих доказах: універсальності генетичного коду: потреби для нормального метаболізму всіх живих істот молібдену, який зустрічається зараз на планеті вкрай рідко.

Зародження життя на Землі неможливе без метеоритів та комет

Дослідник з Техаського технологічного університету, після аналізу величезного обсягу зібраної інформації, висунув теорію про те, як на Землі змогла утворитися життя. Вчений упевнений, що поява ранніх форм найпростішого життя на нашій планеті була б неможливою без участі комет і метеоритів, що впали на неї. Про свою роботу дослідник поділився на 125 щорічній зустрічі геологічного суспільства Америки, що проходила 31 жовтня в місті Денвер, Колорадо.

Автор роботи, професор геонауки в Техаському технологічному університеті (ТТУ) та куратор музею палеонтології при університеті, Санкар Чаттерджі розповів, що такого висновку він дійшов після аналізу інформації про ранню геологічну історію нашої планети та зіставлення цих даних з різними теоріями хімічної еволюції.

Експерт вважає, що такий підхід дозволяє пояснити один із найприхованіших і не до кінця вивчених періодів в історії нашої планети. На думку багатьох геологів, основна маса космічних «бомбардувань», у яких брали участь комети та метеорити, припадала на час близько 4 мільярдів років тому. Чаттерджі вважає, що раннє життя на Землі утворилося в кратерах, залишених при падінні метеоритів і комет. І найімовірніше це сталося в період «Пізнього важкого бомбардування» (3,8-4,1 мільярда років тому), коли зіткнення дрібних космічних об'єктів із нашою планетою різко зросло. На той час припадало одразу кілька тисяч випадків падіння комет. Що цікаво, цю теорію опосередковано підтримує Модель Ніцци. Згідно з цією реальною кількістю комет і метеоритів, які повинні були впасти на Землю в той час, відповідає реальному числу кратерів на Місяці, що з'явилася в свою чергу свого роду щитом для нашої планети і не дозволила нескінченному бомбардування її знищити.

Деякі вчені припускають, що результатом цього бомбардування є заселення життям океанів Землі. При цьому кілька досліджень на цю тему вказують на те, що наша планета має більше запасів води, ніж мала. А надлишок цей списують на комети, які прилетіли до нас з Хмари Оорта, яка, ймовірно, в одному світловому році від нас.

Чаттерджі вказує, що кратери, що утворилися в результаті цих зіткнень, заповнилися водою, що розтанула, з самих комет, а також необхідними хімічними будівельними блоками, необхідними для утворення найпростіших організмів. При цьому вчений вважає, що місця, де навіть після такого бомбардування не з'явилося життя, просто виявилися непридатними для цього.

Коли близько 4,5 мільярда років тому утворилася Земля, вона була повністю непридатна для появи на ній живих організмів. Це був справжній киплячий котел з вулканів, отруйного гарячого газу і метеоритів, які постійно падають на неї», - пише онлайн-журнал AstroBiology, посилаючись на вченого.

«А через один мільярд років вона стала тихою і спокійною планетою, багатою на величезні запаси води, населеної різними представниками мікробного життя - предками всіх живих істот».

Життя на Землі могло виникнути завдяки глині

Група вчених під керівництвом Дан Ло (Dan Luo) з Корнеллського університету виступила з гіпотезою, що концентратором для найдавніших біомолекул могла служити звичайна глина.

Спочатку дослідники займалися проблемою походження життя – вони шукали спосіб підвищити ефективність безклітинних систем синтезу білка. Замість того щоб дозволити ДНК і білкам, що її обслуговують, вільно плавати в реакційній суміші, вчені спробували загнати їх в частинки гідрогелю. Цей гідрогель, наче губка, вбирав реакційну суміш, сорбував потрібні молекули, і в результаті всі потрібні компоненти були замкнені в невеликому обсязі - подібно до того, як це відбувається в клітці.

Потім автори дослідження спробували використовувати як недорогий замінник гідрогеля глину. Частинки глини виявилися схожими на частинки гідрогелю, стаючи своєрідними мікрореакторами для взаємодіючих біомолекул.

Отримавши такі результати, вчені було неможливо згадати проблему походження життя. Частинки глини з їхньою здатністю сорбувати біомолекули могли б насправді послужити найпершими біореакторами для перших біомолекул, поки ті ще не обзавелися мембранами. На користь такої гіпотези говорить ще й те, що вимивання силікатів та інших мінералів зі скель з утворенням глини почалося, за геологічними прикидками, якраз перед тим, коли, на думку біологів, найдавніші біомолекули почали об'єднуватись у протоклетки.

У воді, точніше у розчині, мало що могло статися, тому що процеси у розчині йдуть абсолютно хаотично, а всі сполуки дуже нестійкі. Глина сучасною наукою - точніше, поверхню частинок глинистих мінералів - сприймається як матриця, де могли утворюватися первинні полімери. Але це теж лише одна з багатьох гіпотез, кожна з яких має свої сильні та слабкі сторони. Але щоб змоделювати зародження життя у повному масштабі, потрібно справді бути Богом. Хоча на Заході сьогодні вже з'являються статті із назвами «Конструювання клітини» або «Моделювання клітини». Наприклад, один із останніх нобелівських лауреатів Джеймс Шостак зараз активно робить спроби створення ефективних клітинних моделей, які розмножуються самі по собі, відтворюючи собі подібних.