современные представления о происхождении жизни на земле

Происхождение жизни на Земле: доказанная теория или нераскрытая тайна

Валерий Спиридонов, первый кандидат на пересадку головы, для РИА Новости

Человечество на протяжении многих лет пытается разгадать истинную причину и историю появления жизни на нашей планете. Еще чуть более ста лет назад практически во всех странах люди даже не думали подвергать сомнению теорию божественного вмешательства и сотворения мира высшим духовным существом.

Ситуация изменилась после выхода в ноябре 1859 года величайшего труда Чарльза Дарвина, и сейчас вокруг этой темы существует немало споров. Число сторонников дарвиновской теории эволюции в Европе и Азии насчитывает больше 60-70%, приблизительно 20% в США и около 19% в России по данным конца прошлого десятилетия.

Во многих странах сегодня призывают исключить труд Дарвина из школьной программы или хотя бы изучать его наравне с другими вероятными теориями. Если не говорить о религиозной версии, к которой склоняется большая часть населения планеты, сегодня существует несколько основных теорий происхождения и эволюции жизни, описывающих ее развитие на самых разных этапах.

Панспермия

Сторонники идеи панспермии убеждены, что на Землю первые микроорганизмы были принесены из космоса. Так считал известный немецкий ученый-энциклопедист Герман Гельмгольц, английский физик Кельвин, российский ученый Владимир Вернадский и шведский химик Сванте Аррениус, считающийся сегодня родоначальником этой теории.

Научно подтвержден факт, что на Земле неоднократно были обнаружены метеориты с Марса и других планет, возможно с комет, которые могли прибыть даже из чужих звездных систем. В этом сегодня никто не сомневается, однако пока не понятно как жизнь могла возникнуть на других мирах. По сути, апологеты панспермии переносят «ответственность» за происходящее на инопланетные цивилизации.

Теория о первичном бульоне

Рождению этой гипотезы поспособствовали эксперименты Гарольда Юри и Стэнли Миллера, проведенные в 1950-е годы. Они смогли воссоздать почти те же условия, которые существовали на поверхности нашей планеты до зарождения жизни. Через смесь молекулярного водорода, угарного газа и метана пропустили небольшие электрические разряды и ультрафиолет.

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