самая древняя гипотеза происхождения жизни на земле это

Теории происхождения жизни

За всю историю существования человечества сторонниками этой теории не было приведено ни одного подтверждающего доказательства. Справедливо отметить, что и опровергнуть эту теорию невозможно. Основополагающим моментом здесь являются не факты, а вера.

Теория стационарного состояния

Теория панспермии (греч. pan — всё и sperma — семя)

Теория самозарождения

Сторонники этой теории считали (или считают, если такие еще остались)), что жизнь способна самозарождаться из неживого. Еще Аристотель считал, что личинки, из которых появляются мухи, самозарождаются в гниющем мясе. Эти представления были довольно долго распространены и популярны.

Особенно активно эти идеи обсуждались в конце XVI века, когда апогея достигла легенда о гомункулусе. Свой рецепт «приготовления» гомункулуса Парацельс описывает так: «Возьмите сперму и заставьте ее гнить 7 суток в запечатанной тыкве, а затем в течение 40 недель в лошадином желудке, ежедневно добавляя кровь. В результате произойдет живой ребенок, как дитя, родившееся от женщины».

Кажется что-то таинственное и магическое скрыто за этими древними строками, однако это всего лишь остроумная шутка, на которую попались многие, даже из числа наших современников. Первым аргументированно попытался опровергнуть теорию самозарождения жизни Франческо Реди в 1668 году.

В честь Луи Пастера процесс тепловой обработки пищевых продуктов называется пастеризацией. Она представляет собой нагревание жидких продуктов до 60-70 °C в течение 60 минут, в результате чего болезнетворные микроорганизмы погибают. Это позволяет сохранить продукты свежими на долгое время.

Гипотеза А.И. Опарина абиогенного происхождения жизни

В результате таких преобразований из первичного бульона возникли первые прокариотические клетки.

По итогам эксперимента в системе появились аминокислоты, сахара, жиры и даже предшественники нуклеиновых кислот.

С точки зрения вероятности возникновение жизни весьма маловероятно, однако учитывая очень долгое время (1 млрд. лет от появления Земли) вероятность такого события значительно возрастает.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Основные теории зарождения жизни

Теория самозарождения

Важно! Приверженцем этой теории был Ван-Гельмонт, ученый из Голландии. В XVII веке в научной работе описал свой эксперимент, по результатам которого он “получил” несколько мышей в закрытом шкафу, куда положил рубашку и немного зерна.

Теория стационарного состояния

Важно! Эта теория отрицает положения теории Большого Взрыва и эволюционной теории. В современных условиях этернизм стоит рассматривать скорее как философское учение.

Теория панспермии

Теория креационизма

Важно! Кроме Библии, есть и другие священные книги мировых религий, в каждой из которых тоже есть сведения о возникновении мира.

Важно! В соответствии с современными представлениями о науке, креационизм рассматривают только как философско-методологическую концепцию, поскольку теория возникла в рамках религиозного мировоззрения. Многие противники теории говорят о нецелесообразности преподавания креационизма в школе из-за ее антинаучности.

Теория биохимической эволюции

Важно! В 1953 г. американский ученый Стэнли Ллойд Миллер воспроизвел условия молодой Земли в своей лаборатории. Смесь из воды, аммиака, метана и водорода он подвергал мощным электрическим разрядам. Спустя некоторое время ученому удалось таким образом синтезировать аминокислоты, сахара и даже простые белки. Этот опыт доказал, что органические соединения образуются не только в результате биогенеза, но и посредством абиогенного синтеза.

Важно! В теории Опарина существует много “белых” пятен. Эта гипотеза не дает в полной мере ответ на вопрос о зарождении жизни, но именно гипотеза биохимической эволюции является наиболее перспективной в плане дальнейших исследований.

Источник

Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий (8 фото)

1.Панспермия

Гипотеза о занесении жизни на Землю с других космических тел имеет массу авторитетных защитников. На этой позиции стоял великий немецкий ученый Герман Гельмгольц и шведский химик Сванте Аррениус, российский мыслитель Владимир Вернадский и британский лорд-физик Кельвин. Однако наука – область фактов, и после открытия космической радиации и ее губительного действия на все живое панспермия, казалось, умерла.

Но чем глубже ученые погружаются в вопрос, тем больше всплывает нюансов. Так, теперь – в том числе и поставив многочисленные эксперименты на космических аппаратах – мы с куда большей серьезностью относимся к способностям живых организмов переносить радиацию и холод, отсутствие воды и прочие «прелести» пребывания в открытом космосе. Находки всевозможных органических соединений на астероидах и кометах, в далеких газопылевых скоплениях и протопланетных облаках многочисленны и не вызывают сомнений. А вот заявления об обнаружении в них следов чего-то подозрительно напоминающего микробы остаются недоказанными.

Легко заметить, что при всей своей увлекательности теория панспермии лишь переносит вопрос о возникновении жизни в другое место и другое время. Что бы ни занесло первые организмы на Землю – случайный ли метеорит или хитрый план высокоразвитых инопланетян, они должны были где-то и как-то родиться. Пусть не здесь и гораздо дальше в прошлом – но жизнь должна была вырасти из безжизненной материи. Вопрос «Как?» остается.

1.Ненаучно: Самозарождение

Спонтанное происхождение высокоразвитой живой материи из неживой – как зарождение личинок мух в гниющем мясе – можно связать еще с Аристотелем, который обобщил мысли множества предшественников и сформировал целостную доктрину о самозарождении. Как и прочие элементы философии Аристотеля, самозарождение было доминирующей доктриной в Средневековой Европе и пользовалось определенной поддержкой вплоть до экспериментов Луи Пастера, который окончательно показал, что для появления даже личинок мух нужны мухи-родители. Не стоит путать самозарождение с современными теориями абиогенного возникновения жизни: разница между ними принципиальная.

2. Первичный бульон

Это понятие тесно связано с успевшими обрести статус классических экспериментами, поставленными в 1950-х Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. В лаборатории ученые смоделировали условия, которые могли существовать у поверхности молодой Земли, – смесь метана, угарного газа и молекулярного водорода, многочисленные электрические разряды, ультрафиолет, – и вскоре более 10% углерода из метана перешло в форму тех или иных органических молекул. В опытах Миллера – Юри было получено больше 20 аминокислот, сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот.

Современные вариации этих классических экспериментов используют куда более сложные постановки, которые точнее соответствуют условиям ранней Земли. Имитируются воздействия вулканов с их выбросами сероводорода и двуокиси серы, присутствие азота и т. д. Так ученым удается получать огромное и разнообразное количество органики – потенциальных кирпичиков потенциальной жизни. Главной проблемой этих опытов остается рацемат: изомеры оптически активных молекул (таких как аминокислоты) образуются в смеси в равных количествах, тогда как вся известная нам жизнь (за единичными и странными исключениями) включает лишь L-изомеры.

Впрочем, к этой проблеме мы еще вернемся. Здесь же стоит добавить, что недавно – в 2015 году – кембриджский профессор Джон Сазерленд (John Sutherland) со своей командой показал возможность образования всех базовых «молекул жизни», компонентов ДНК, РНК и белков из весьма нехитрого набора исходных компонентов. Главные герои этой смеси – циановодород и сероводород, не столь уж редко встречающиеся в космосе. К ним остается добавить некоторые минеральные вещества и металлы, в достаточном количестве имеющиеся на Земле, – такие как фосфаты, соли меди и железа. Ученые построили детальную схему реакций, которая вполне могла создать насыщенный «первичный бульон» для того, чтобы в нем появились полимеры и в игру вступила полноценная химическая эволюция.

3.Химическая эволюция

Теория пытается описать превращение сравнительно простых органических веществ в довольно сложные химические системы, предшественницы собственно жизни, под влиянием внешних факторов, механизмов селекции и самоорганизации. Базовой концепцией этого подхода служит «водно-углеродный шовинизм», представляющий эти два компонента (воду и углерод – NS) в качестве абсолютно необходимых и ключевых для появления и развития жизни, будь то на Земле или где-то за ее пределами. А главной проблемой остаются условия, при которых «водно-углеродный шовинизм» может развиться в весьма изощренные химические комплексы, способные – прежде всего – к саморепликации.

По одной из гипотез, первичная организация молекул могла происходить в микропорах глинистых минералов, которые выполняли структурную роль. Эту идею несколько лет назад выдвинул шотландский химик Александер Кейрнс-Смит (Alexander Graham Cairns-Smith). На их внутренней поверхности, как на матрице, могли оседать и полимеризоваться сложные биомолекулы: израильские ученые показали, что такие условия позволяют выращивать достаточно длинные белковые цепочки. Здесь же могли скапливаться нужные количества солей металлов, играющих важную роль катализаторов химических реакций. Глиняные стенки могли выполнять функции клеточных мембран, разделяя «внутреннее» пространство, в котором протекают все более сложные химические реакции, и отделяя его от внешнего хаоса.

«Матрицами» для роста полимерных молекул могли служить поверхности кристаллических минералов: пространственная структура их кристаллической решетки способна вести отбор лишь оптических изомеров одного типа – например, L-аминокислот, – решая проблему, о которой мы говорили выше. Энергию для первичного «обмена веществ» могли поставлять неорганические реакции – такие как восстановление минерала пирита (FeS2) водородом (до сульфида железа и сероводорода). В этом случае для появления сложных биомолекул не требуется ни молний, ни ультрафиолета, как в экспериментах Миллера – Юри. А значит, мы можем избавиться от вредных аспектов их действия.

4. Черные курильщики

В самом деле, ультрафиолетовое излучение на молодой Земле, атмосфера которой еще не содержала кислорода и не имела такой замечательной штуки, как озоновый слой, должно было быть убийственным для любой зарождающейся жизни. Из этого выросло предположение о том, что хрупкие предки живых организмов были вынуждены существовать где-то, скрываясь от непрерывного потока стерилизующих все и вся лучей. Например, глубоко под водой – конечно, там, где имеется достаточно минеральных веществ, перемешивания, тепла и энергии для химических реакций. И такие места нашлись.

Ближе к концу ХХ века стало ясно, что океанское дно никак не может быть пристанищем средневековых монстров: условия здесь слишком тяжелые, температура невелика, излучения нет, а редкая органика способна разве что оседать с поверхности. Фактически это обширнейшие полупустыни – за некоторыми примечательными исключениями: тут же, глубоко под водой, поблизости от выходов геотермальных источников, жизнь буквально бьет ключом. Насыщенная сульфидами черная вода горяча, активно перемешивается и содержит массу минералов.

Черные курильщики океана – весьма богатые и самобытные экосистемы: питающиеся на них бактерии используют железосерные реакции, о которых мы уже говорили. Они являются основой для вполне цветущей жизни, включая массу уникальных червей и креветок. Возможно, они были основой и зарождения жизни на планете: по крайней мере, теоретически такие системы несут в себе все необходимое для этого.

2.Ненаучно: Духи, боги, первопредки

Любые космологические мифы о происхождении мира всегда венчаются антропогоническими – о происхождении человека. И в этих фантазиях можно лишь позавидовать воображению древних авторов: по вопросу о том, из чего, как и почему возник космос, откуда и каким образом появилась жизнь – и люди, – версии звучали самые разные и почти всегда красивые. Растения, рыбы и звери вылавливались с морского дна громадным вороном, люди выползали червями из тела первопредка Паньгу, лепились из глины и пепла, рождались от браков богов и чудовищ. Все это удивительно поэтично, но к науке, конечно, не имеет никакого отношения.

5.Мир РНК

В соответствии с принципами диалектического материализма жизнь – это «единство и борьба» двух начал: изменяющейся и передающейся по наследству информации, с одной стороны, и биохимических, структурных функций – с другой. Одно без другого невозможно – и вопрос о том, с чего жизнь началась, с информации и нуклеиновых кислот или с функций и белков, остается одним из самых сложных. А одним из известных решений этой парадоксальной задачи является гипотеза «мира РНК», появившаяся еще в конце 1960-х и окончательно оформившаяся в конце 1980-х.

РНК – макромолекулы, в хранении и передаче информации не столь эффективные, как ДНК, а в выполнении ферментативных функций – не столь впечатляющие, как белки. Зато молекулы РНК способны и на то, и на другое, и до сих пор они служат передаточным звеном в информационном обмене клетки, и катализируют целый ряд реакций в ней. Белки неспособны реплицироваться без информации ДНК, а ДНК неспособна на это без белковых «умений». РНК же может быть полностью автономной: она способна катализировать собственное «размножение» – и для начала этого достаточно.

Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. Взять хотя бы наглядный пример, продемонстрированный калифорнийскими биофизиками во главе с Лесли Оргелом (Lesley Orgel): если в раствор способной к саморепликации РНК добавить бромистый этидий, служащий для этой системы ядом, блокирующим синтез РНК, то понемногу, со сменой поколений макромолекул, в смеси появляются РНК, устойчивые даже к очень высоким концентрациям токсина. Примерно так, эволюционируя, первые молекулы РНК могли найти способ синтезировать первые инструменты-белки, а затем – в комплексе с ними – «открыть» для себя и двойную спираль ДНК, идеальный носитель наследственной информации.

3.Ненаучно: Неизменность

Не более научными, нежели истории о первопредках, можно назвать и взгляды, носящие громкое имя Теории стационарного состояния. По мнению ее сторонников, никакая жизнь вовсе никогда не возникала – как не рождалась и Земля, не появлялся и космос: они просто были всегда, всегда и пребудут. Все это не более обосновано, нежели черви Паньгу: чтобы всерьез принять такую «теорию», придется забыть о бесчисленных находках палеонтологии, геологии и астрономии. А по сути, отказаться от всего грандиозного здания современной науки – но тогда, наверное, стоит отказаться и от всего того, что полагается его жителям, включая компьютеры и безболезненное лечение зубов.

6.Протоклетки

Однако простой репликации для «нормальной жизни» недостаточно: любая жизнь – это, прежде всего, пространственно изолированный участок среды, разделяющий процессы обмена, облегчающий течение одних реакций и позволяющий исключать другие. Иначе говоря, жизнь – это клетка, ограниченная полупроницаемой мембраной, состоящей из липидов. И «протоклетки» должны были появляться уже на самых ранних этапах существования жизни на Земле – первую гипотезу об их происхождении высказал хорошо знакомый нам Александр Опарин. В его представлении «протомембранами» могли служить капельки гидрофобных липидов, напоминающие желтые капли масла, плавающего в воде.

В целом идеи ученого принимаются и современной наукой, занимался этой темой и Джек Шостак, получивший за свои работы Медаль Опарина. Вместе с Катаржиной Адамалой (Katarzyna Adamala) он сумел создать своего рода модель «протоклетки», аналог мембраны которой состоял не из современных липидов, а из еще более простых органических молекул, жирных кислот, которые вполне могли накапливаться в местах возникновения первых протоорганизмов. Шостаку и Адамале удалось даже «оживить» свои структуры, добавив в среду ионы магния (стимулирующие работу РНК-полимераз) и лимонную кислоту (стабилизирующую структуру жировых мембран).

В итоге у них получилась совершенно простая, но в чем-то живая система; во всяком случае это была нормальная протоклетка, которая содержала защищенную мембраной среду для размножения РНК. С этого момента можно закрыть последнюю главу предыстории жизни – и начать первые главы ее истории. Впрочем, это уже совсем другая тема, так что мы расскажем лишь об одной, но чрезвычайно важной концепции, связанной с первыми шагами эволюции жизни и возникновением громадного разно­образия организмов.

4.Ненаучно: Вечное возвращение

«Фирменное» представление индийской философии, в западной философии связанное с трудами Иммануила Канта, Фридриха Ницше и Мирчи Элиаде. Поэтическая картина вечного странствия каждой живой души по бесконечному множеству миров и их обитателей, ее перерождения то в ничтожное насекомое, то в возвышенного поэта, а то и в существо, неизвестное нам, демона или бога. Несмотря на отсутствие идей реинкарнации, Ницше эта идея действительно близка: вечность вечна, а значит, любое событие в ней может – и должно повториться вновь. И каждое существо без конца вращается на этой карусели всеобщего возвращения, так что только голова кружится, а сама проблема первичного происхождения исчезает где-то в калейдоскопе бесчисленных повторений.

7. Эндосимбиоз

Взгляните на себя в зеркало, всмотритесь в глаза: существо, с которым вы переглядываетесь, это сложнейший гибрид, возникший в незапамятные времена. Еще в конце XIX века немецко-английский естествоиспытатель Андреас Шимпер (Andreas Schimper) заметил, что хлоропласты – органеллы растительной клетки, ответственные за фотосинтез, – реплицируются отдельно от самой клетки. Вскоре появилась гипотеза о том, что хлоропласты – это симбионты, клетки фотосинтезирующих бактерий, когда-то проглоченные хозяином – и оставшиеся жить здесь навсегда.

Разумеется, хлоропластов у нас нет, иначе бы мы могли питаться солнечным светом, как предлагают некоторые псевдорелигиозные секты. Однако в 1920-е гипотеза эндосимбиоза была расширена, включив митохондрии – органеллы, которые потребляют кислород и поставляют энергию всем нашим клеткам. К сегодняшнему дню эта гипотеза приобрела статус полновесной, многократно доказанной теории – достаточно сказать, что у митохондрий и пластид обнаружился собственный геном, более или менее независимые от клетки механизмы деления и собственные системы синтеза белка.

В природе обнаружены и другие эндосимбионты, не имеющие за плечами миллиардов лет совместной эволюции и находящиеся на менее глубоком уровне интеграции в клетке. Например, у некоторых амеб нет собственных митохондрий, зато есть включенные внутрь и выполняющие их роль бактерии. Есть гипотезы и об эндосимбиотическом происхождении других органелл – включая жгутики и реснички, и даже клеточное ядро: согласно мнению некоторых исследователей, все мы, эукариоты, стали результатом небывалого слияния между бактериями и археями. Эти версии пока не находят строгого подтверждения, однако ясно одно: едва возникнув, жизнь стала поглощать соседей – и взаимодействовать с ними, рождая новую жизнь.

5.Ненаучно: Креационизм

Само понятие креационизма возникло в XIX веке, когда этим словом стали называться сторонники различных версий появления мира и жизни, предложенных авторами Торы, Библии и других священных книг монотеистических религий. Однако по сути ничего нового в сравнении с этими книгами креационисты не предложили, раз за разом пытаясь опровергнуть строгие и основательные находки науки – а на самом деле раз за разом теряя одну позицию за другой. К сожалению, идеи современных псевдоученых-креационистов куда легче понять: на осознание теорий настоящей науки требуется-таки потратить немало усилий.

Источник

Гипотезы возникновения жизни на Земле

Существование живых организмов заставляет задуматься, как, когда и почему они появились. С древнейших времен философов и ученых интересовало, как зародилась жизнь на Земле, где появилась жизнь, изначально ли она существовала на планете Земля или была занесена из космоса?

Современная биология гласит, что живые организмы происходят только от других живых существ. Это значит, что самозарождение бактерий в бульоне или мух в мясе невозможно.

Однако жизнь не могла существовать всегда: 14 миллиардов лет назад, при возникновении Вселенной, образовалась только неживая, неорганическая материя. Зарождение жизни из неживого – основная современная научная гипотеза.

Разбираемся в научных гипотезах о происхождении жизни на Земле и отвечаем на вопрос: «Когда, как и где возникла жизнь на нашей планете».

Основные гипотезы о происхождении жизни на Земле

Наука дает определение жизни как особого способа существования белковых тел и дополняет его обязательными для всех живых организмов свойствами. Это:

Живые организмы структурно намного сложнее неживых объектов, и трудно представить, что когда-то жизнь самозародилась. Однако современные научные теории основаны именно на том, что неживое постепенно стало живым.

Существует несколько гипотез, как, когда и благодаря чему это произошло.

Панспермия

Согласно гипотезе панспермии, живые организмы зародились не на Земле, а попали на планету с метеоритами или кометами.

Иными словами, жизнь была занесена на Землю из Космоса, с какой-то другой планеты. Современные исследования показывают, что это возможно. В вакууме, при крайне низких температурах, без жидкой воды и под действием радиации выживают некоторые микроорганизмы и даже многоклеточные беспозвоночные – тихоходки.

Нуклеиновые кислоты, которые содержат информацию о живых организмах и белки, необходимые для жизни, также способны существовать в условиях космического пространства. Однако гипотеза панспермии не отвечает на вопрос, откуда появилась и где зародилась жизнь.

Химическая эволюция

Химическую эволюцию иногда называют пребиотической, или абиогенезом.

Эта гипотеза предполагает, что вещества, из которых состоят живые организмы, образовались из неорганических – аммиака, водорода, метана, угарного и углекислого газов и воды под действием высоких температур и ультрафиолета. Нуклеиновые кислоты и ферменты в этом не участвовали, поскольку их еще не существовало.

Эксперимент, проведенный Стэнли Миллером и Гарольдом Юри в 1953 году показал, что абиогенез возможен. Более того, при воздействии электрического разряда на смесь неорганических веществ получаются аминокислоты, из которых состоят белки.

После того, как Земля сформировалась около 4 миллиардов лет назад, и неорганических веществ, и электрических разрядов было достаточно для образования органики. Затем органические вещества концентрировались, взаимодействовали и усложнялись. Это описывает следующая теория.

Теория Опарина-Холдейна и гипотеза мира РНК

Ученые Александр Иванович Опарин и Джон Холдейн в 1920-1930 годах независимо друг от друга предположили, что некоторые молекулы органических веществ концентрируются в коацерватные капли. Эти капли отделены от внешней среды и обмениваются с ней веществами.

Возможность образования органических веществ из неорганических подтверждена экспериментально в опыте Миллера-Юри. Однако белки, появляющиеся при этом, неспособны к самовоспроизведению.

В 1968 году Карл Вёзе предположил, что в первичном бульоне случайно образовались молекулы РНК. Уолтер Гильберт в 1986 году дополнил это предположение идеей, что они должны были самовоспроизводиться и для этого обладать способностями ферментов. Эти структуры назвали рибозимами.

Гипотезу о том, что жизнь зародилась на основе рибозимов, называют гипотезой мира РНК.

Моделировать синтез РНК из неорганических веществ пока не удалось. Но нуклеотиды, из которых состоит РНК, способны образовываться из неорганических веществ.

Если в этой же смеси присутствует фермент репликаза, нуклеотиды соберутся в РНК, на основе которой синтезируются белки. Такая структура может воспроизводить саму себя и эволюционировать, например, вырабатывать устойчивость к ядам.

РНК также способны формировать «колонии» на пористых средах и обмениваться информацией, что способствует их эволюции.

Гипотеза мира полиароматических углеводородов

Гипотеза мира полиароматических углеводородов дополняет гипотезу мира РНК. Согласно ей, РНК появились в результате взаимодействия и накопления полиароматических углеводородов – циклических органических веществ. Они способны присоединять нуклеотиды и собираться в стопки, что похоже на строение РНК.

Органические вещества можно получить из неорганических. Однако экспериментальных подтверждений самозарождения РНК из них пока нет.

Протоклетки

Живые организмы отделены от внешней среды и поддерживают постоянство своего состава. Это обеспечивают фосфолипидные мембраны – тонкий слой жиров. Поскольку жиры гидрофобны (не пропускают воду), они концентрируются в капли.

Если жир располагается в два слоя, образуется мембрана, внутри которой может быть водная среда. В 2008 году в США в лаборатории создали протоклетку, которая втягивала нуклеотиды из окружающей среды, но они не собрались в ДНК.

В 2011 году в Японии получили протоклетку, содержащую ДНК и способную делиться. Это показывает, что теория о самозарождении жизни может быть верна: протоклетки могли появиться в естественных, а не в лабораторных условиях.

Благодаря чему зародилась жизнь на Земле

Все перечисленные гипотезы, кроме панспермии, подчеркивают, что жизнь может зародиться лишь при определенных, достаточно жестких условиях. Планета Земля просто соответствовала им. Какие же факторы обеспечили возможность для появления жизни?

Свойства Солнца

Жизнь может появиться только у звезд, время жизни которых исчисляется несколькими миллиардами лет, температурой 4000-7000 К, испускающих много ультрафиолета и достаточно жарких, чтобы жидкая вода существовала на относительно далеких от звезды планетах.

Звезда должна светить с примерно постоянной интенсивностью, иначе на планетах вокруг нее будут слишком непостоянные температуры. Наконец, звезда должна содержать много элементов помимо водорода и гелия. Солнце соответствует этим требованиям.

Расстояние от Земли до Солнца

Расстояние от Земли до Солнца составляет 147 098 291 километр. Наша планета находится в зоне обитаемости Солнца и при этом не слишком близко к нему. Это одна из причин, по которым температуры на Земле приемлемы для жизни.

Орбита Земли

Орбита Земли – почти правильный круг. Планета Земля практически все время вращается на одном и том же расстоянии от Солнца. Поэтому у нас нет сильных, резких и длительных сезонных перепадов температур.

Наклон оси

Наклон оси, как и орбита, влияет на сезонные перепады температур. Земная ось наклонена на 21,5-24,5°. Если наклон значительно выше, зимы будут очень холодными, а лето – очень жарким.

Наклон оси вращения Земли остается ориентированным в том же направлении по отношению к фоновым звездам, независимо от того, где она находится на своей орбите. Условное лето северного полушария находится в правой части этой диаграммы, где северный полюс (красный) направлен к Солнцу, зима же — слева.

Скорость вращения

Вращение Земли достаточно быстрое, чтобы суточные перепады температур также были невелики.

Масса Земли

Масса Земли достаточна, чтобы гравитация удерживала атмосферу вокруг планеты. При этом гравитация Земли относительно невелика и позволяет существовать многоклеточным организмам.

Наличие атмосферы

Наличие атмосферы – одно из самых важных требований к обитаемым планетам. Именно атмосфера защищает поверхность планеты и всех существ на ней от космических лучей. На планетах без атмосферы белковые организмы не могут существовать: их уничтожит радиация. Кроме того, атмосфера снижает перепады температур.

Жидкая вода

Жидкая вода – хороший растворитель и посредник в химических реакциях, обеспечивающих жизнедеятельность организмов. На Земле есть области, где жидкой воды мало – например, солончаки и Мертвое море. В этих зонах обитают только некоторые микроорганизмы, приспособившиеся к ним. Более сложная жизнь там невозможна.

Перечисленные критерии используются для оценки жизнепригодности планеты. Жизнепригодность – это возможность существования и самозарождения жизни.

Когда появилась жизнь на Земле

Чтобы понять, как зародилась жизнь, необходимо знать, когда она появилась на Земле. В 2015 году в Западной Австралии обнаружили углеродсодержащие минералы возрастом 4,1 миллиарда лет. Ученые интерпретировали их как останки живых организмов.

Другие же исследователи ориентируются на останки бактерий возрастом 3,8 миллиарда лет. Жизнь на Земле должна была зародиться до этого времени. Минералы возрастом 4,1 миллиарда лет относятся к катархею, а останки бактерий – к архею. Это два эона – крупных периода существования Земли.

Таблица 1. Геохронология Земли.

Катархей. 4,567-4 миллиарда лет назад

Планета Земля сформировалась около 4,567 миллиарда лет назад из протопланетного газопылевого диска.

Предполагается, что ее поверхность изначально состояла из расплавленных минералов, металлов и их соединений с другими элементами, а затем остыла.

Эти процессы относят к эону катархею, который 4 миллиарда лет назад сменился археем. В катархее в результате столкновения с большим космическим телом появилась Луна, а земная ось наклонилась под углом 23°. Это же столкновение вызвало выброс газов, уплотнивший атмосферу и погружение уже сформировавшейся коры в мантию.

Остатки катархейской коры возрастом 4,4-4,28 миллиарда лет обнаружили в 2008 году в Канаде.

Архей. 4 – 2,5 миллиарда лет назад

В архее жизнь на Земле представляли безъядерные организмы, или прокариоты – археи и бактерии. Археи используют для синтеза органических веществ и получения энергии органические вещества, ионы металлов, водород, аммиак, солнечный свет и другие источники и являются автотрофами.

Их останки отличаются от останков других живых организмов составом жиров в мембранах. Предполагается, что именно археи были первыми живыми организмами на Земле.

Некоторые бактерии автотрофны, но среди них есть и гетеротрофы – паразиты других организмов и хищники. Однако именно автотрофные бактерии в начале протерозоя уничтожили значительную часть живых существ.

Процесс фотосинтеза – использования энергии Солнца для производства органических веществ, по всей видимости, существовал и у археев, и у бактерий. Однако среди фотосинтезирующих археев нет организмов, способных фиксировать углекислый газ и получать из него органические вещества.

Археи, фиксирующие углекислый раз, не фотосинтезируют. При таком фотосинтезе не выделяется кислород. Это же было верно для бактерий до появления цианобактерий, или сине-зеленых водорослей. Цианобактерии – многоклеточные прокариоты. Ископаемые строматолиты, сформированные ими, датируются 3,5 миллиардами лет назад и более.

Строматолиты – это минерализованные бактериальные маты, размеры которых составляют от 1 мм до 1000 м. Они формировались в зонах, где пресная вода с определенной периодичностью сменялась соленой.

Многоклеточным организмам требуется много энергии и органических веществ, поэтому среди них выживали те, у кого энергетические процессы были наиболее эффективными.

2,7-2,8 миллиарда лет назад это привело к появлению у цианобактерий кислородного фотосинтеза. При нем энергия ультрафиолетовых лучей, испускаемых Солнцем, используется для производства глюкозы из углекислого газа и воды. Этот процесс приводит к выделению кислорода.

Современная теория гласит, что именно цианобактерии сформировали кислородную атмосферу Земли. У этой теории есть и противники. Они утверждают, что кислород в земную атмосферу попадал в результате извержений вулканов. Как бы то ни было, в палеозое произошла катастрофа, в результате которой появилась современная жизнь.

Кислородная катастрофа. Около 2,45 миллиардов лет назад.

Поначалу выделяемый цианобактериями кислород реагировал с металлами и минералами на поверхности планеты, практически не насыщая атмосферу. Он накапливался только в кислородных карманах внутри цианобактериальных матов. Затем кислород окислил атмосферные газы. И, наконец, свободный кислород накопился в атмосфере в количестве, опасном для живых организмов.

Кислород – сильный окислитель. Он реагирует как с неорганическими, так и с органическими веществами, окисляет клеточные мембраны и, попав в клетку, органеллы и ДНК.

В начале протерозоя на Земле существовали только анаэробные организмы. У них, за исключением цианобактерий, не было химических механизмов для защиты от кислорода. Обитатели глубин морей и подземных полостей, куда кислород не проникал, выжили. Остальные погибли или были вынуждены приспосабливаться.

Кислород был опасен для живых организмов протерозоя не только из-за способности окислять органику. Попадая в атмосферу, он под действием ультрафиолета превращается в озон – нестабильное соединение, при разрушении выделяющее атомарный кислород.

Озоновый слой поглощает ультрафиолет. Сейчас он обеспечивает постоянство климата и отсутствие перегревов поверхности Земли. В палеозое появление озонового слоя в атмосфере вызвало ледниковый период.

Гуронское оледенение длилось около 300 миллионов лет и, по всей видимости, было глобальным. Эту гипотезу называют гипотезой Земли-снежка. Оно было вызвано не только снижением поступления ультрафиолета, но и окислением метана.

Метан – парниковый газ. Его способность удерживать тепло в 25 раз выше, чем у углекислого газа, который образуется при окислении метана.

Таким образом, новый состав атмосферы снижал нагревание поверхности Земли и хуже останавливал ее остывание. Оледенение уничтожило те организмы, что не были приспособлены к холоду и не были изолированы, например, в геотермальных источниках.

Обилие кислорода и оледенение могли бы уничтожить жизнь на планете. Однако живые существа приспосабливаются к условиям окружающей среды. Именно это произошло в протерозое: у живых организмов возникли два серьезных изменения, которые позволили им эволюционировать в знакомые нам жизненные формы.

Протерозой. 2,5 – 0,54 миллиардов лет назад.

Колониальные и многоклеточные организмы лучше одноклеточных приспособлены и к относительно низким температурам, и к окислителям в атмосфере. Наличие тела или колонии позволяет удерживать тепло и формировать защитный слой из химических веществ или отмерших клеток. Однако многоклеточность требует большого количества энергии.

В настоящий момент самый эффективный энергетический процесс у живых организмов – кислородное дыхание.

Другие процессы – гликолиз, брожение, бесхлорофилльный, бескислородный и кислородный фотосинтез – дают меньше энергии. Кислородное дыхание возможно только при достаточном количестве кислорода и механизмов, защищающих клетку от окисления.

Эволюция живых организмов в протерозое шла именно в направлении появления многоклеточности и кислородного дыхания.

Основная теория появления эукариотов – симбиотическая. Согласно ей, бактерии научились выживать внутри более крупных клеток и обеспечивали их энергией (митохондрии) или сахаром (пластиды). В ходе эволюции они стали зависимы друг от друга.

Таким образом, привычные нам живые организмы появились в протерозое.

Некоторые из возникших организмов – предки современных моллюсков, червей и других живых существ, другие же вымерли. В протерозое живые организмы обитали в морях, и среди них было много сидячих форм.

Это подтверждают окаменелости. 542 миллиона лет назад протерозой сменился фанерозоем – эоном, который длится до настоящего времени.

Где возникла жизнь на планете Земля

Согласно современной теории, жизнь на Земле должна была появиться либо на берегу океана, либо у горячих подводных источников. Чтобы привычная нам жизнь могла самозародиться, необходимы следующие условия:

Все это, кроме энергии, есть в океанической воде, поэтому жизнь должна была зародиться в океане.

В катархее и архее земная атмосфера состояла из газов, содержащих углерод, азот и серу. Вероятно, они также были растворены в воде. Берега океанов состояли из глин, поры которых могли до определенного времени заменять клеточные мембраны – отделять предшественники клеток от внешней среды и обеспечивать обмен с ней.

Энергию для реакций между веществами давали либо вулканические извержения, либо электрические разряды в атмосфере.

Необходимые для жизни соединения есть и на дне океанов, у черных курильщиков – подводных гидротермальных источников. Из них бьет очень горячая и богатая минералами вода, и около них обитают бактерии-автохемотрофы.

Эти источники извергают геотермальную воду температурой до 400 °C. Высокое давление не позволяет воде закипеть — она находится в так называемом сверхкритическом состоянии.

Около черных курильщиков достаточно энергии, чтобы обеспечить синтез органических веществ из неорганических.

Научные гипотезы о происхождении жизни сходятся в том, что когда-то органические вещества появились из неорганических. Затем из них зародились предшественники клеток, способные самовоспроизводиться.

На Земле вскоре после формирования планеты были подходящие условия для этих процессов: жидкая вода, соединения углерода, азота, серы и фосфора, металлы и много энергии. Однако ученые допускают, что белки, нуклеиновые кислоты или даже споры бактерий попали на Землю из Космоса. В таком случае они сходным образом появились на какой-то иной планете.

После зарождения жизни из неживого новые живые организмы происходили от предыдущих. При этом они эволюционировали – приспосабливались к условиям окружающей среды на протяжении многих поколений. Разные приспособления дали начало разным доменам: археям и бактериям. После того, как в атмосфере Земли появился кислород, живым организмам потребовалась защита от него.

Вероятно, так появились эукариоты. Развитие способов защиты от кислорода и его использования привело к появлению многоклеточных организмов, обитавших в океанах. Позднее они освоили сушу, где продолжают эволюционировать.

Ученые допускают, что подобные процессы происходят не только на Земле, но и на некоторых планетах в других звездных системах.

Вероятность того, что планета обитаема, оценивают по критериям жизнепригодности планет.

На 2020 год известно более 4000 экзопланет, на которых потенциально может существовать жизнь. 24 из них пригодны для жизни больше, чем Земля. Но пока что живые организмы вне Земли науке не известны.

Выводы

Возникновение и развитие жизни — ответы на вопросы

Напоследок рекомендуем посмотреть видеоролик «Краткая история Земли в 6 минутах»:

Источник