Чому життя на нашій планеті зародилося саме у водному середовищі. Життя землі
Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.
Розміщено на http://www.allbest.ru/
Зародження життя вгарячоюводі
1. Життя на Землі могло з'явитися у вулканічних озерах
Перші примітивні живі клітини могли з'явитися у водах прісних озер, які підігрівалися та насичувалися мікроелементами доісторичними геотермальними джерелами. Про це заявляють російські та американські вчені у статті, опублікованій у журналі Proceedings of the National Academy of Sciences. Більшість геологів та еволюційних біологів вважають, що життя на Землі в її сучасному вигляді зародилося у водах первинного океану, який покривав практично всю поверхню планети. Вважається, що цей океан був густим бульйоном з амінокислот та інших «цеглин життя», з яких з'явилися перші живі клітини. Група геологів та еволюційних біологів під керівництвом вихідця з Росії Євгена Куніна з Національного інститутуздоров'я у місті Бетесда (США) запропонувала новий аргументна користь альтернативної теорії- зародження життя у прісноводних озерах, у воду яких надходить пара та гаряча вода з геотермальних джерел. У Останніми рокамиз'явилося безліч свідчень, що активність вулканів та інші геотермальні процеси грали важливу рольу зародженні життя. Так, у лютому 2010 року британські та німецькі геологи запропонували нову теорію зародження життя, згідно з якою перші клітини з'явилися біля жерла підводних вулканів і лише потім заселили весь Світовий океан. У жовтні 2011 року інша група вчених знайшла свідчення цьому у відкладеннях давніх гірських порід у Гренландії. Кунін та його колеги «перенесли» вулкани з вод «підсоленого» первинного океану в прісноводні озера на тих клаптиках суші, які існували в ранньої історіїЗемлі, порівнявши хімічний складклітини з набором елементів у воді сучасних геотермальних озер. У своєму дослідженні автори статті припустили, що первинні клітини мали розвинутися у тій місцевості, яка найменше відрізнялася від них за хімічним складом. З цієї точки зору, морська вода не є ідеальним середовищем для розвитку життя – концентрації натрію, калію, марганцю, цинку та іонів інших найважливіших біоелементів у ньому значно відрізняється від клітинних. Навіть найпримітивніші мікроорганізми мають складну систему особливих «насосів», які перешкоджають змішуванню цитоплазми з морською водою. Малоймовірно, що такі захисні пристрої існували вже в перших протоклітках. Вчені порівняли хімічний склад цитоплазми в клітинах безлічі сучасних організмів і вивели «середні» концентрації амінокислот, біологічно важливих металівта інших речовин. Потім вони порівняли їх із типовим набором мікроелементів у воді сучасних океанів, Передбачуваним складом первинного океану та водою в сучасних геотермальних озерах. Виявилося, що вулканічні озера були найбільш сприятливою «колискою» для зародження життя. Як зазначають Кунін та його колеги, лише у їхніх водах склалося достатньо сприятливі умовина формування структур базових білків та інших найважливіших молекул, складових основу клітини. За словами вчених, такі озера могли утворитися внаслідок взаємодії води, що надходить на Землю разом із метеоритами та розпеченими породами на глибині. Вода під час своєї подорожі з поверхні в глибинні шари «збирала» іони калію, натрію та інших важливих мікроелементів і поверталася разом з ними у вигляді геотермальної пари, яка тримала в облозі озера. Як вважають геологи, такі умови могли стабільно існувати протягом багатьох мільйонів років, що дало життя великий шансна появу. Висновки вчених підтверджуються тим, що подібний хімічний склад характерний для вод геотермальних джерел на околицях вулкана Мутновський на Камчатці.
2. Хімічна еволюція
Хімічна еволюція або пребіотична еволюція - етап, що передував появі життя, в ході якого органічні, пребіотичні речовини виникли з неорганічних молекул під впливом зовнішніх енергетичних та селекційних факторів та через розгортання процесів самоорганізації, властивих всім відносно складним системам, Якими безперечно є всі вуглецевмісні молекули. Також цими термінами позначається теорія виникнення та розвитку тих молекул, які мають важливе значення для виникнення та розвитку живої речовини. Все, що відомо про хімізм речовини, дозволяє обмежити проблему хімічної еволюціїрамками так званого «водно-вуглецевого шовінізму», що постулює, що життя в нашому Всесвіті представлено єдино можливий варіант: як «спосіб існування білкових тіл», що здійснюється завдяки унікальному поєднанню полімеризаційних властивостей вуглецю та деполяризуючих властивостей рідко-фазного водного середовища, як спільно необхідних та/або достатніх(?) умов для виникнення та розвитку всіх відомих нам форм життя. При цьому мається на увазі, що, принаймні, в межах однієї біосфери, що сформувалася, може існувати тільки один, загальний для всіх живих істот даної біоти код спадковості, але поки залишається відкритим питання, чи існують інші біосфери поза Земле та чи можливі інші варіанти генетичного апарату. Також невідомо, коли і де розпочалася хімічна еволюція. Можливі будь-які терміни після закінчення другого циклу зірочкоутворення, що настав після конденсації продуктів вибухів первинних наднових зірок, що постачають у міжзоряний простіртяжкі елементи (з атомною масою понад 26). Друге покоління зірок, вже з планетними системами, збагаченими важкими елементами, які необхідні для реалізації хімічної еволюції з'явилося через 0,5-1,2 млрд років після Великого вибуху. При виконанні деяких цілком ймовірних умов для запуску хімічної еволюції може бути придатна практично будь-яке середовище: глибини океанів, надра планет, їх поверхні, протопланетні утворення і навіть хмари міжзоряного газу, що підтверджується повсюдним виявленням у космосі методами астрофізики багатьох видів органічних речовин- альдегідів, спиртів, цукрів і навіть амінокислоти гліцину, які разом можуть бути вихідним матеріалом для хімічної еволюції, що має своїм кінцевим результатом виникнення життя.
3. Гіпотези хімічної еволюції
Поява в Космосі або на Землі умов для автокаталітичного синтезу великих об'ємів і значного розмаїття молекул, що містять вуглецю, тобто - виникнення в абіогенних процесах речовин, необхідних і достатніх для початку хімічної еволюції. Поява таких молекул щодо стійких замкнутих агрегатів, що дозволяють так ізолювати себе від довкілля, що з нею стає можливим вибірковий обмін речовиною та енергією, тобто - виникнення деяких протоклітинних структур. Поява в таких агрегатах здатних до самозміни та до самореплікації хімічних інформаційних систем, тобто - виникнення елементарних одиниць спадкового коду. Поява взаємної залежності між властивостями білків та функціями ферментів з носіями інформації (РНК, ДНК), тобто – виникнення власне коду спадковості, як необхідної умови вже для біологічної еволюції.
Великий внесок у прояснення цих питань, серед інших, зробили такі вчені:
Олександр Опарін: Коацервати.
Гарольд Юрі і Стенлі Міллер в 1953: Виникнення простих біомолекул в симулюваної стародавньої атмосфери.
Сідней Фокс: Мікросфери з протеноїдів.
Томас Чек (університет Колорадо) та Сідней Алтман (університет Yale New Haven Connecticut) у 1981: Автокаталітичне РНК-розподіл: «Рибозими» об'єднують каталіз та інформацію в молекулі. Вони можуть вирізати себе з більш довгого ланцюга РНК і з'єднувати кінці, що залишаються, знову.
Волтер Гілберт (Гарвард, університет Кембридж) розробляє в 1986 ідею світу РНК.
Гюнтер фон Кідровскі (Рур-університет Бохум) представляє в 1986 році першу систему, що само-реплікується на основі ДНК, важливий внесок у розуміння функцій зростання само-реплікованих систем
Манфред Ейген (інститут Макса Планка факультет біофізичної хімії, Геттінген): Еволюція ансамблів молекул РНК. Гіперцикл.
Юлій Ребек (Кембридж) створює штучну молекулу (Aminoadenosintriazidester), яка само-реплікується у розчині хлороформу. Копії все ж таки ідентичні зразку, так що еволюція для цих молекул неможлива.
Джон Корліс (Goddard центр космічних польотів - НАСА): Термальні джереламорів постачають енергію та хімікалії, які уможливлюють незалежну від космічного середовища хімічну еволюцію. Ще сьогодні вони є середовищем життя для початкових за багатьма ознаками археобактерій (Archaea).
Гюнтер Вехтерсхойзер (англ. Gьnter_Wдchtershдuser) (Мюнхен) - гіпотеза світу сульфідів заліза: перші структури, що само-реплікуються, з обміном речовин виникли на поверхні піриту. Пірит (сульфід заліза) поставив при цьому необхідну енергію. На кристалах піриту, що ростуть і знову розпадаються, ці системи могли зростати і розмножуватися, і різні популяції конфронтували з різними умовами середовища (умови відбору).
А.Г. Cairns-Smith (університет Глазго) та Девід К. Мауерцалл (Rockefeller-Universitдt New York, Нью-Йорк) бачать у глиняних мінералах систему, яка спочатку сама підпорядкована хімічній еволюції, через що виникає багато різних, що самореплікуються кристалів. Ці кристали притягують своїм електричним зарядоморганічні молекули та каталізують синтез комплексних біомолекул, причому обсяг інформації кристалічних структурслужить спочатку матрицею. Ці органічні сполукистають все більш складними, поки вони не зможуть розмножуватися без допомоги глиняних мінералів.
Вольфганг Вайганд, Марк Дерр та ін. (Інститут Макса Планка факультет біогеохімії, Єна) показали в 2003, що сульфід заліза може каталізувати синтез аміаку з молекулярного азоту.
4. Теорія Вехтерхойзера
геотермальний хімічний вехтерхойзер
Теорія залізосерного світу
Особливо інтенсивна форма сприяння мінералів та гірських порід пребіотичного синтезу органічних молекул має протікати на поверхні мінералів сульфіду заліза. Теорія Міллера-Юрі має суттєві обмеження, особливо з огляду на помилкове пояснення полімеризації мономерних складових біомолекули. Анаеробні бактерії, обмін речовин яких відбувається за участю заліза та сірки, існують і сьогодні. Альтернативний сценарій був з початку 1980-х років розроблений Гюнтером Вехтерхойзером. За цією теорією життя на Землі виникло на поверхні залізно-сірчаних мінералів, тобто сульфідів, які і сьогодні утворюються за допомогою геологічних процесів, а на молодій Землі мали зустрічатися набагато частіше. Ця теорія на противагу гіпотезі світу РНК передбачає, що обмін речовин передував появі ензимів і генів. Як відповідне місце пропонуються чорні курці на дні океанів де високий тиск, висока температура, немає кисню і рясно представлені різні з'єднанняякі могли послужити будівельним матеріалом«цеглинок життя» або каталізатором у ланцюжку хімічних реакціях. Велика перевага цієї гіпотези перед попередниками у тому, що вперше утворення комплексних біомолекул пов'язане з постійним надійним джерелом енергії. Енергія виділяється при відновленні частково окислених залізно-сірчаних мінералів, наприклад піриту (FeS2), воднем (рівняння реакції: FeS2 + H2 \;\overrightarrow(\leftarrow)\; FeS + H2S), і цієї енергії достатньо для ендотермічного синтезу мономерних структурних елементівбіомолекул та їх полімеризації:
Fe2+ + FeS2 + H2 \; \ overrightarrow ( \ leftarrow) \; 2 FeS + 2 H+ ДG°" = ?44.2 кДж/моль
Інші метали, як і залізо, теж утворюють нерозчинні сульфіди. На додаток до цього пірит та інші залізно-сірчані мінерали мають позитивно заряджену поверхню, на якій можуть розташовуватися, концентруватися та реагувати між собою переважно негативно заряджені біомолекули ( органічні кислоти, фосфорні ефіри, тіоли) Необхідні для цієї речовини (сірководень, моноксид вуглецю та солі двовалентного заліза) потрапляють з розчину на поверхню цього «залізо-сірчаного світу». Вехтерхойзер залучає для своєї теорії і сьогодні існуючі основні механізми обміну речовин і виводить із них замкнутий у собі сценарій синтезу комплексних органічних молекул (органічні кислоти, амінокислоти, цукор, азотисті основи, жири) з простих неорганічних сполук, що знаходяться у вулканічних газах (NH3, H2 , CO, CO2, CH4, H2S). На противагу експерименту Міллер-Юрі не залучаються джерела енергії ззовні, у формі блискавки або ультрафіолетового випромінювання; крім того, перші ступені синтезу при високих температурах і тисках протікають набагато швидше (наприклад, хімічні реакції, що каталізуються ензимами). При температурі підводних вулканів до 350 ° C виникнення життя є цілком уявним. Лише пізніше у разі виникнення чутливих до високих температур каталізаторам (вітаміни, білки) еволюція мала відбуватися за нижчої температури. Сценарій Вехтерхойзера добре підходить до умов глибоководних гідротермальних джерел, оскільки перепад температури, що є там, дозволяє подібний розподіл реакцій. Найдавніші з сьогодні живуть мікроорганізмів - найспекотніші, граничний відомий температурний максимум для їх зростання становить +122°C. Крім того, залізо-сірчані активні центри і сьогодні задіяні в біохімічних процесах, що може вказувати на первинну участь Fe-S-мінералів у розвитку життя.
5. Світ РНК
Вперше гіпотеза світу РНК була висунута в 1986 Уолтером Гільбертом і свідчила, що молекули РНК були попередниками організмів. Гіпотеза відштовхується від здатності РНК до зберігання, передачі та розмноження генетичної інформації, а також від її здатності каталізувати реакції в якості рибозимів. В еволюційному середовищі молекули РНК, які множать переважно себе, зустрічалися б найчастіше. Вихідним пунктом є прості молекули РНК, що самовідтворюються. Деякі їх мають здатність каталізувати синтез білків, які, своєю чергою, самі каталізують синтез РНК і свій власний синтез (розвиток трансляції). Деякі молекули РНК поєднуються в подвійну РНК-спіраль, вони розвиваються в молекули ДНК та носії спадкової інформації(Розвиток транскрипції). Основою є певні РНК-молекули, які можуть копіювати будь-які РНК-зразки включаючи себе самих. Дженніфер А. Doudna та Джек В. Szostak використовували як зразок для розвитку цього типу РНК, що виробляє розрізання та сплайсинг самої себе інтрон прокаріотного одноклітинного організму Tetrahymena thermophila. Це підтверджує те, що в рибосомах rРНК є каталітичними молекулами і таким чином РНК каталізує синтез білка. Однак обмеження полягають у тому, щоб при РНК, що самореплікуються, не моно-, а олігонуклеотиди є складовими ланками і необхідні допоміжні речовини. 2001 року було відкрито, що важливими каталітичними центрами рибосом є РНК, а не, як раніше було прийнято, білки. Це показує, що каталітична функціяРНК, як передбачалася в гіпотезі світу-РНК, використовується сьогодні живими істотами.
Так як рибосоми вважаються дуже початковими клітинними органоїдами, це відкриття вважається важливим внеском до обґрунтування гіпотези світу-РНК. Вже можна впевнено сказати, що молекули РНК можуть із амінокислот синтезувати білки. У зв'язку з цим нуклеопротеїди (комплекси нуклеїнових кислот з білками) також становлять інтерес як можливі попередники РНК. Іншим попередником РНК були поліциклічні ароматичні вуглеводні. Гіпотеза світу полі ароматичних вуглеводнівнамагається відповісти питанням, як виникли перші РНК, пропонуючи варіант хімічної еволюції від поліциклічних ароматичних вуглеводнів до РНК-подібних ланцюжків.
Розміщено на Allbest.ru
Подібні документи
Об'єкти біологічного пізнання та структура біологічних наук. Гіпотези виникнення життя та генетичного коду. Концепція початку та еволюції життя. Системна ієрархіяорганізації живих організмів та їх угруповань. Екологія та взаємини живих істот.
реферат, доданий 07.01.2010
Таємниця появи життя Землі. Еволюція зародження життя Землі і сутність концепцій еволюційної хімії. Аналіз біохімічної еволюціїтеорії академіка Опаріна Етапи процесу, що призвело до життя на Землі. Проблеми теорії еволюції.
реферат, доданий 23.03.2012
Специфіка живої речовини та проблеми вивчення живої природи у природознавстві. Концепція походження життя на планеті та еволюції живих організмів. Зародження та розвиток Сонячної системи. Теорія структурних рівніворганізації біотичної матерії
контрольна робота , доданий 06.10.2012
Сутність гіпотези біохімічної еволюції, припущень позаземного походження життя (Панспермії), теорія стаціонарного стану життя. Їхні засновники та прихильники. Джерела та течії філософсько-теїстичної концепції креаціонізму християнських учених.
презентація , доданий 27.02.2011
реферат, доданий 19.11.2010
Природа життя, її походження, різноманітність живих істот і структурна та функціональна близькість, що їх поєднує. Причини домінування теорії еволюції. Природничі гіпотези про походження життя. Християнські погляди походження людини.
курсова робота , доданий 12.06.2013
Значення теорії Дарвіна історія біології. Спадковані морфологічні та фізіологічні характеристикиживих організмів. Сучасні креаціоністські гіпотези. Теорія виникнення життя. Застосування стовбурових клітин. Процеси старіння та старість.
реферат, доданий 20.08.2015
Характеристика загальних уявленьпро еволюцію та основних властивостяхживого, які важливі для розуміння закономірностей еволюції органічного світуна землі. Узагальнення гіпотез та теорій походження життя та етапи еволюції біологічних форм та видів.
курсова робота , доданий 27.01.2010
Виникнення теорії еволюції та її значення. Уявлення про градацію живих істот та теорія мінливості видів. Закони еволюції Ж.Б. Ламарка. Концепція штучного відбору. Значення теорії еволюції Ч. Дарвіна. Результати дії природного відбору.
контрольна робота , доданий 13.11.2009
Теорії еволюції - система природничо ідей і концепцій про прогресивний розвиток біосфери Землі, складових її біогеоценозів, окремих таксонів і видів. Гіпотези біохімічної еволюції, панспермії, стаціонарного життя, самозародження.
З усіх дев'яти планет Сонячної системи тільки на Землі склалися унікальні умови, завдяки яким стала можливою поява води - простий, і одночасно однією з найзагадковіших рідин у Всесвіті. Воду неспроста називають таємничою субстанцією, адже саме в ній на нашій планеті зародилися перші найпростіші живі, еволюціонування яких призвело до появи царя природи - людини. Щоправда, цьому «царю» так і не вдалося осягнути всі таємниці води, нові властивості якої вчені відкривають чи не щорічно. Але вода з кожним роком не стає чистішою, підвищується рівень вмісту заліза, тому бажано використовувати спеціальні фільтри, наприклад, знезалізувач Atoll RFI-1215ТSE, особливо це актуально для тих, хто живе за містом, де контролювати якість води доводиться самостійно.
Сама таємниця зародження життя на Землі так і залишилася нерозгаданою, хоча й існують кілька теорій, одна з яких науковим співтовариствомвважається єдино вірною. Але її підтвердити зі стовідсотковою точністю так і не вдається. І ця проблема полягає не в нестачі доказів виникнення живих істот на нашій планеті, а в тому, що досі незрозумілий сам механізм появи найпростіших мікроорганізмів у воді. Ось так, мимоволі й замислишся про Всевишнього, який створив життя на Землі всього за кілька днів, а загальноприйнята теорію Дарвіна здається помилковою. Але як би там не було, ми дотримуватимемося офіційної теорії, яку викладають у школах у всьому світі. І одним із ключових її моментів є думка, згідно з якою життя у воді на Землі зародилося завдяки сонячним променям, які, проникаючи через атмосферу, прогрівали поверхню древнього Світового океану. І саме сонце стало тим каталізатором, який став поштовхом до появи перших живих істот на планеті.
Вчені припускають, що древній Світовий океан отримував таку кількість сонячних променівщо прогрівався в середньому до температури +17,4 градусів Цельсія. Хімічний склад атмосфери в ті доісторичні часикардинально відрізнятиметься від сьогоднішнього. Однак він завжди забезпечував необхідні умови, що перешкоджають випаровуванню води в космічний простір. В результаті, як зараз кажуть, Земля постійно зазнавала «парникового» ефекту, завдяки якому при зміні дня і ночі не відбувалося значних коливань температур на поверхні планети. Наступною умовою, без якої на Землі не було б людей зокрема, і тваринного світу взагалі, стала поява в атмосфері кисню, який також був у воді в розчиненому вигляді. Більше того, якщо більша частинаЖивих істот на Землі на значну частку складається з води, то 90 її відсотків - це кисень, який є ніби сполучною ланкою між сонячною енергією та водою. Тому, кисень є у всіх тканинах людей і тварин, і входить до складу основних білків та амінокислот крові, до складу скелета, сприяє виведенню з організму продуктів розпаду органічних речовин, а також забезпечує дихання. Тому можна з упевненістю стверджувати, що життя на третій планеті від сонця виникло завдяки унікальному збігу обставин і трьом основним складовим - сонячна енергія, кисень і вода, остання з яких і стала колискою людства. У наші дні, на жаль, якість води швидко погіршується, але у продажу можна знайти різні моделіочисного обладнання, наприклад,
Вода є складовоютіла живих істот. Кров, м'язи, жир, мозок і навіть кістки містять воду у великій кількості. Зазвичай вода становить 65-75% ваги тіла живого організму. Тіло деяких морських тварин, наприклад медуз, містить навіть 97-98% води. Всі процеси, що відбуваються в тілі тварин і рослин, відбуваються лише за участю водних розчинів. Без води життя неможливе.
Першою турботою організму, що з'явився, є харчування. На суші знайти їжу набагато складніше, ніж у морі. Сухопутні рослини повинні довгим корінням добувати воду та розчинені в ній поживні речовини. Тварини добувають собі їжу з великою витратою сил. Інша річ у морі. У солоній морській водірозчинено багато поживних речовин. Таким чином, морські рослини з усіх боків оточені поживним розчином і легко засвоюють його.
Не менш важливо для організму підтримувати своє тіло у просторі. На суші це дуже важке завдання. Повітряне середовищедуже розріджена. Щоб триматися на землі, необхідно мати особливі пристосування – сильні кінцівки або міцне коріння. На суші найбільшою твариною є слон. Але кит у 40 разів важчий за слона. Якби така величезна тварина почала рухатися суходолом, то вона просто загинула б, не витримавши власної тяжкості. Ні товста шкіра, ні масивні ребра не були б достатньою опорою для цієї туші на 100 тонн вагою. Зовсім інша річ у воді. Кожен знає, що у воді можна легко підняти важкий камінь, який на суші ледве зрушиш з місця. Відбувається це тому, що у воді всяке тіло втрачає у вазі стільки, скільки важить витіснена їм вода. Ось чому киту для руху у воді доводиться витрачати в 10 разів менше зусиль, ніж потрібно цього гіганта на землі. Його тіло, що підтримується водою з усіх боків, набуває великої плавучості, і кити, незважаючи на свою величезну вагу, можуть з великою швидкістюдолати величезні відстані. У морі мешкають і найбільші рослини. Водорість макроцистис досягає 150-200 метрів завдовжки. На землі такі гіганти є рідкістю навіть серед дерев. Вода підтримує величезну масу цієї водорості. Для прикріплення до ґрунту їй не потрібно міцного коріння, як наземним рослинам.
Крім того, у морі температура постійніша, ніж у повітрі. А це дуже важливо, тому що не потрібно шукати захисту від холоду взимку та від спеки влітку. На суші різниця між температурою повітря взимку та влітку досягає у деяких районах 80-90 градусів. У ряді місць Сибіру температура влітку сягає 35-40 градусів спеки, а взимку стоять морози в 50-55 градусів. В воді сезонні відмінностіу температурі не перевищують зазвичай 20 градусів. Для захисту від холоду земні тварини покриваються до зими пухнастим хутром, шаром підшкірного жиру, залягають у зимову сплячку в барлоги та нори. Важко боротися з промерзаючим ґрунтом рослинам. Ось чому особливо холодну зиму масами гинуть птахи, звірі та інші наземні тварини, а також вимерзають дерева.
Земля має дві особливості, які стали головними передумовами виникнення життя. Рідка вода служить розчинником для біо хімічних реакційа тектонічна енергія може ці реакції запустити. Про те, як виглядала планета, коли цей процес тільки розпочинався, у своїй книзі «Від атомів до дерева. Введення у сучасну науку про життя» розповідає біолог Сергій Ястребов. T&P та премія «Просвітитель» публікують уривок із розділу з актуальними гіпотезами вчених про витоки еволюції.
Є кілька гіпотез, які більш-менш детально розписують ймовірні перші хімічні кроки на шляху до життя. Вони різняться у деталях, але єдині у основному. Всі ці гіпотези припускають, що місцями зародження життя були не відкриті водоймища, а мікропорожнина в ґрунті або мінеральних опадах, куди підводилася енергія від гарячих джерел або вулканів. Треба сказати, що це не така новина. Наприклад, відомий швейцарський біолог Карл фон Негелі ще в XIX столітті писав з приводу зародження життя: «Ймовірно, це трапилося не в відкритій воді, а у вологому шарі тонкого пористого матеріалу (піску, глини), де спільно діяли молекулярні силитвердих, рідких та газоподібних тіл». Ось ця думка зараз і стала науковим мейнстрімом. Де виникнення життя найменш ймовірно - так це у водяній товщі спокійного океану, освітленого сонцем. Там просто немає таких потоків енергії та речовини, які життя, що зароджується, могло б «осідлати» і перенаправити собі на користь.
Отже, десь у воді, що просочувала околиці стародавніх вулканів або гарячих джерел, почалися автокаталітичні (тобто самоприскорювані) хімічні реакції, ланцюжки яких стали перетинатися за рахунок загальних проміжних продуктів і замикатися в цикли. Головні учасники цих реакцій, найімовірніше, були невеликими органічними молекулами, спочатку навіть одновуглецевими. Але реакції були не простими. Особливість будь-якої автокаталітичної реакції за визначенням полягає в тому, що її продукт одночасно є каталізатором, тобто речовиною, що прискорює перебіг самої реакції. За умови достатньої складності реакційної системи (а воно в даному випадкунапевно дотримувалося: і реагентів, і продуктів було безліч автокаталітичні реакції набувають властивість саморозвитку, тому що в них з'являється зворотний зв'язок: невелика змінамеханізм реакції впливає на склад її продуктів, зміна якого, у свою чергу, впливає на механізм - і так крок за кроком. Через якийсь час у системі автокаталітичних реакцій почали синтезуватися амінокислоти, найпростіші вуглеводи, а там дійшло й до полімерів - спершу простих, потім складніше. Нарешті, деякі з цих полімерів «навчилися» каталізувати спочатку синтез одне одного (це дуже легко), та був і відтворення себе. Інакше кажучи, вони стали реплікаторами. А з появою реплікаторів автоматично включається дарвінівський механізм природного відбору, необхідні та достатні умовидля якого - самовідтворення, спадковість, мінливість та конкуренція за субстрат. Все, з цього моменту, біологічна запущена.
Можна не сумніватися, що на цих перших етапах життя було ще практично непомітним для стороннього спостерігача (якби, звичайно, він міг тоді існувати). Це легко зрозуміти, якщо уявити себе інопланетним мандрівником, який прибув навіть до самої колиски земного життя. Що він побачить? Теплий вулканічний ґрунт, башти пористих опадів на морському дні… І все. Нічого чудового. Без хімічного аналізу такий мандрівник не зрозумів би, з чим зіткнувся.
Першими історія Землі повноцінними реплікаторами, швидше за все, були молекули РНК. Справа в тому, що з усіх біологічно активних молекул тільки РНК може виконувати відразу все життєво важливі функції: і зберігання спадкової інформації, її копіювання, і каталіз реакцій обміну речовин. Білки та їхні попередники, простіші пептиди, ніколи таких можливостей не мали. Проте перші пептиди, напевно, з'явилися приблизно в ті ж часи, що і перші РНК. Це випливає з суто хімічних міркувань. Справа в тому, що синтез РНК досить складний, а ось амінокислоти - причому саме альфа-амінокислоти, з яких пептиди зазвичай складаються, - досить легко синтезуються із самих простих молекул, наприклад з чадного газу (CO) і ціановодню (HC≡N), в умовах, що приблизно відповідають ймовірним умовам на околицях древніх вулканів. Тому існування еволюційного етапу, коли автокаталітичні системи складалися виключно з РНК, малоймовірно. Швидше за все, еволюція пептидів і РНК була завжди пов'язаною, ще з часів їх набагато простіших загальних попередників. Можливо, що додатковим (на додаток до самокопіювання) завданням перших реплікаторів якраз і був каталіз синтезу пептидів, що впливали на хімічне середовищетаким чином, щоб ці реплікатори з більшою ймовірністю могли вижити.
Початок еволюції життя Землі (до розбіжності клітинних організмівна архей та бактерій). Очевидно, це гіпотетичний сценарій, але досить правдоподібний. Момент придбання клітинами (або їхніми попередниками) власного механізму реплікації ДНК тут навмисно не уточнюється, це все ще відкритий.
Наступною важливою еволюційною подією було перенесення генетичної інформації з РНК на ДНК. Справа в тому, що молекула РНК усім хороша, але ось хімічна стійкість у неї низька і руйнується вона досить легко. Тому довго зберігати на ній генетичну інформацію- Справа ненадійна. Для цього кращий якийсь інший полімер. Їм-то і стала. Якщо перші РНК цілком могли синтезуватися спонтанно в неживої природи, то синтез ДНК вже з усією визначеністю є «винаходом» живих організмів, і ця молекула від початку отримала єдину функцію: зберігати інформацію. Нічого іншого вона не вміє робити. Одна єдина перевага, яка має ДНК перед РНК, - її висока хімічна стійкість, що дозволяє довго і надійно зберігатися. Для того, хто володіє унікальним «ноу-хау» синтезу якихось корисних білків, це по-справжньому цінно.
Таким чином, почалася епоха великого перезапису геномів із РНК на ДНК.
На початку цієї епохи Землі жили РНК-содержащие організми, які напевно вже освоїли на той час технологію точного синтезу білка. Іншими словами, ДНК виникла еволюційно пізніше, ніж трансляція. Цілком можливо, що генетична стратегія перших ДНК-вмісних організмів була схожа на генетичну стратегію ретровірусів. У життєвому цикліВірусами цього є обов'язкова стадія ретротранскрипції, тобто зворотної транскрипції - перенесення генетичної інформації з РНК на ДНК. А ось власного механізму реплікації ДНК ретровіруси не мають. І в клітинних організмів його теж, швидше за все, спочатку не було. Надійні ферменти реплікації (вони називаються ДНК-залежні ДНК-полімерази) з'явилися пізніше. Але коли вони з'явилися, це дало можливість зберігати на ДНК генетичну інформацію безперервно, при необхідності відразу перезаписуючи її з однієї молекули ДНК на іншу. І тоді ретротранскрипція стала непотрібною.
У результаті утворилася найзвичніша нам форма життя: із генетичною стратегією «ДНК-РНК-білок».
Зізнаємося чесно: ми не знаємо, коли саме жива речовина розбилася на клітини, відокремлені від зовнішнього середовища та одна від одної замкнутими ліпідними мембранами. Цілком можливо, що це сталося раніше, ніж з'явилася реплікація ДНК та зникла обов'язкова ретротранскрипція.
Парадоксально розмножуються всі живі клітини саме розподілом. Материнська клітина ділиться на дві дочірні, які одержують досить точні копії її геному. Ланцюг клітин, що послідовно діляться, - це ланцюг прямих, без будь-яких метафор, предків і нащадків. Іноді нащадки однієї і тієї ж клітини виявляються в різних умовах(або отримують різні мутації) і починають під впливом природного відбору накопичувати відмінності. Тоді ми можемо помітити, що лінія предків та нащадків гілкується.
Першим таким розгалуженням було поділ всіх клітинних організмів на архей та бактерій. Воно сталося точно раніше, ніж з'явився повноцінний механізм реплікації ДНК, і, напевно, раніше, ніж з'явилися клітинні мембрани сучасного типу. А це означає, що типові (на наш погляд) клітини, оточені ліпідною мембраною і мають генетичну стратегію «ДНК-РНК-білок», від початку існували у вигляді двох розбіжних еволюційних гілок. Так виникло дерево життя.
Російський біолог та австралійський геолог розповіли про нові несподіваних відкриттях, які змусили вчених повернутись до класичних дарвінівських ідей про зародження життя в "теплому дрібному ставку" на суші, а не у водах первинного океану Землі, і пояснили, де краще шукати її за межами нашої планети.
Достатньо довгий часвчені вважали, що життя на Землі зародилося приблизно 3,5 мільярда років тому в первинному океані Землі, на околицях вулканів та геотермальних джерел, так званих "чорних курців", або їх менш гарячих побратимів - "білих курців". Подібні уявлення в силу великої кількостідоказів їхньої правоти, майже не піддавалися сумнівам.
Армен Мулкіджанян, професор МДУ імені М. В. Ломоносова та університету Оснабрюка в Німеччині, та Мартін ван Кранендонк, геолог та директор Астробіологічного інституту Австралії, розповіли на всеросійському фестивалі"Наука 0+", що проходив у стінах МДУ минулого тижня, про кілька останніх відкриттях, які похитнули ці уявлення та змусили вчених повернутися до ідеї, яку озвучив ще сам Чарльз Дарвін більш ніж 150 років тому.
Світ вулканів та ультрафіолету
"Абсолютно все життя на Землі складається з трьох біологічних полімерів - ДНК, сховища інформації, РНК, яка відіграє роль її переносника, і білків, здатних прискорювати реакції в мільйони разів. Очевидно, що всі вони не могли з'явитися одночасно, і ми вже майже сторіччя намагаємося зрозуміти, які молекули з'явилися першими і як виглядало перше життя", - почав свою розповідь Мулкіджанян.
Дослідження останніх років, як зазначає вчений, однозначно показують, першими з'явилися молекули РНК. Вони, на відміну ДНК, зберігають хімічну активністьі здатні прискорювати інші реакції, а також, на відміну від білків, можуть грати роль переносника інформації та збирати копії самих себе, так і інші молекули.
Тому сьогодні панівною теорією зародження життя є гіпотеза так званого "світу РНК", відповідно до якої спочатку життя повністю складалося з універсальних РНК-молекул, здатних виконувати відразу всі функції, і лише потім з'явилися "вузькоспеціалізовані" білки та ДНК.
Впадина Данакіл в Ефіопії
"На Заході ці ідеї стали популярними лише у 1980-х роках, тоді як сама концепція запропонована ще в 1957 році академіком Андрієм Білозерським. Андрій Миколайович та його соратники відкрили рибосомальну РНК, і це відкриття змусило їх усвідомити, що вона не кодує інформацію, а бере участь у зборі білків. Цього вистачило для того, щоб Білозерський зрозумів, що все життя могло складатися з РНК у минулому", - продовжує Мулкіджанян.
Ця смілива гіпотеза, як зазначає біолог, знайшла своє підтвердження в наступні десятиліття - за останні роки вчені створили десятки молекул РНК, здатних копіювати себе та виконувати інші функції, які зазвичай здійснюють білки, а також прототипи примітивних протокліток на їх основі. Тому сьогодні ніхто не сумнівається в тому, що життя почалося саме в "світі РНК", але поки що вчені сперечаються, як і де він виник.
"Що ж спільного між трьома головними "молекулами життя", а також цукрами та жирами? При їх утворенні, при злитті одиночних ланок полімерних ланцюгів завжди виділяється вода. Як це пов'язано із зародженням життя? Це дуже важлива властивістьживих істот, на які ми звернули увагу лише недавно. Воно означає, що для мимовільної появи довгих ланцюжків, РНК, ДНК, білків, жирів та цукрів потрібно постійно прибирати цю воду, щоб ці молекули не розпадалися. Наші клітини витрачають на це велика кількістьенергії", - наголошує вчений.
Це породжує один із найскладніших і майже незрозумілих парадоксів у біології та у вивченні історії виникнення життя. З одного боку, вода потрібна для існування життя та хімічних реакцій у клітинах, а з іншого боку – її великі кількостібудуть заважати утворенню перших складних молекул, що унеможливить мимовільне формування майбутніх "цеглинок життя".
"Сьогодні серед геологів дуже популярна ідея про те, що життя могло зародитися на дні океану, геотермальні джерела, що викидають величезну кількість нутрієнтів і здатні забезпечувати життя енергією навіть у повній темряві. У цієї ідеї є дві проблеми: там завжди дуже мокро - і цю "зайву" воду не можна звідти видалити, а по-друге, там дуже темно.Наявність світла, як виявилося, є найважливішим факторому появі життя. Тому ми вважаємо, що ця теорія є хибною", - заявив професор МДУ.
Космічний "сліпий годинникар"
Помилковість цієї теорії, за словами Мулкіджаняна, була нещодавно розкрита дослідами, в рамках яких російські вчені та їхні закордонні колеги спробували відтворити народження "літер" РНК та ДНК - щодо просто влаштованих органічних молекул, отримати які, як несподівано виявилося, дуже складно.
"Сьогодні це питання чомусь розглядається дуже поверхово - багато наших колег просто відмахуються від нього, не намагаючись пояснити те, як виникають ці молекули. Грубо кажучи, вони просто пропускають даний етап еволюції життя, відмахуючись від нього і не пояснюючи, як ці речовини могли виникнути на дні океану і як вони поступово почали ускладнюватись і накопичуватися в достатніх кількостях", – продовжує вчений.
Ці речовини, вважає Мулкиджанян, виникли під час своєрідної хімічної еволюції - " невдалі " і нестабільні молекули розпадалися, а стабільніші поступово накопичувалися серед і продовжували ускладнюватися.
Роль дарвінівського "сліпого годинникаря", який проводив цей відбір і поступово збирав ці основи життя, за словами біолога, брали на себе дві речі. ультрафіолетове випромінюванняСонця і те середовище, в якому знаходилися майбутні "цеглинки життя".
На користь цього каже кілька факторів. По-перше, як зазначає біолог, всі молекули РНК і ДНК, а також окремі їх ланки унікальним чином реагують на опромінення ультрафіолетом, дуже швидко позбавляючись енергії, яку їм передає поглинений квант світла, перетворюючи її в тепло. Це, як зазначає дослідник, помітно скорочує ймовірність того, що збуджена молекула розпадеться на частини. Ні білки, ні інші азотисті основи такою властивістю не мають.
По-друге, життя, судячи з особливостей хімічного складу всіх живих клітин та ймовірних властивостей предка всіх живих організмів, обчислених генетичним шляхом, Зародилася не в морській воді, а в дуже незвичайному середовищі, у якого відрізнявся не тільки хімічний склад, а й головний компонент. Розчинником у ній виступав формамід - з'єднання аміаку і метану, схоже за своїми властивостями на воду, але кипляче за вищих температур.
"Перші примітивні форми життя мали той же хімічний склад, що і середовище, в якому вони жили, так як у них ще не було білків, здатних "відкачувати" непотрібні елементи зовнішнє середовищеі не пускати їх назад. Тому можна сказати, що перші клітини жили в особливій рідині, де було багато калію, бору, фосфору, іонів. перехідних металіві майже не містилося натрію. Все це унеможливлює те, що життя зародилося в морській воді", - пояснює професор.
Де такі водоймища, аналогів яким сьогодні немає, могли зустрічатися на ранній Землі? Відповідь на це питання нещодавно знайшли Мартін ван Кранендонк та його колеги, які проводять уже два десятиліття розкопки у містечку під назвою Пілбара на північному заході Австралії, де залягають найдавніші гірські породи планети, що сформувалися 3,5 мільярда років тому.
Вулканічна колиска життя
"Цей регіон, як давно вважав сам я і мої колеги, був мілководним дном первинного океану Землі, де в той час знаходився один з найпотужніших вогнищ вулканізму на планеті і де, як ми думали, мешкали перші організми на Землі. Три роки тому ми знайшли тут породи, які не схожі ні на що інше, що повністю перевернули цю виставу", - заявив австралійський учений.
За його словами, це відкриття було здійснено абсолютно випадково. Одного разу, коли він і його аспірантка Тара Джокич прогулювалися по зоні розкопок, вона звернула увагу на дивні гірські породи, що складалися з безлічі темних і світлих переміжних шарів, об'єднаних у хвилясті структури, що містять безліч бульбашок.
Мартін ван Кранендонк, геолог з Австралії
"Раніше ми вважали, що Пілбара представляла на той час жерло супервулкану, вкрите морською водою, яка періодично то зникала, то з'являлася всередині нього, і ці смуги ми вважали слідами цього процесу випаровування і появи води. Два роки тому, будучи проїздом у Новій Зеландії, я дізнався, чим вони є, і це усвідомлення зробило гейзери в національному паркуОракеї Корако моїм улюбленим місцем на Землі", - продовжує Кранендонк.
На околицях цих гейзерів Кранендонк та його колеги знайшли абсолютно такі ж гірські породи, так звані гейзерити, як і в Пілбарі. Ці відкладення, як виявилося, формуються на дні вулканічних озер і річок, чиї води живляться викидами гейзерів і містять величезну кількість мікробів, що харчуються різними хімічними речовинами, які містяться у цих водоймах.
Вода в цих річках та озерах, як згадує геолог, більше схожа на густий суп, ніж на звичайну воду, і в цьому "супі" міститься безліч бульбашок газів, що викидаються мікробами. Ще більше здивування очікувало на геологів тоді, коли вони відкрили сліди бору, калію, цинку та багатьох інших елементів, що містяться в живих клітинах і відсутніх у морській воді.
Все це, як вважає Кранендонк, вказує на те, що саме вулканічні озера – а не "чорні курці" чи інші геотермальні джерелана дні океану – були колискою життя. Це, у свою чергу, говорить про те, що Дарвін мав рацію: життя дійсно зародилося в "теплому дрібному ставку".
"Вже зараз можна сказати, що Дарвін справді випередив час, але я, як учений, не втримаюся і покритикую його: життя не просто виникло в "теплому ставку", а в кількох ставках, і в них були не тільки аміак та органіка, але і бір. Відповідно, ми можемо поставити Дарвіну лише 97 зі 100", - жартує геолог.
Подібні відкриття, як зазначає вчений, мають величезне значеннядля пошуку слідів позаземного життя. Вже зараз можна говорити, що три головні кандидати на роль її притулку - Європа, Енцелад та Титан, супутники Юпітера та Сатурна, навряд чи є мешканими. Єдиною населеною планетоюСонячної системи, крім Землі, міг бути Марс, де знайдено і сліди гейзерів, і рідка вода, і поклади бору та молібдену.
"Ми вже могли б знайти сліди життя на Марсі. Марсохід "Спіріт" у останні днісвоєї роботи випадково відкрив відкладення незвичайних білих порід, аналогічні тим, що утворюються від викидів гейзерів у присутності бактерій. Якби я був Ілоном Маском або мав мільярд доларів, я відправив би місію саме туди", - підсумовує вчений.
