Как появилась жизнь на Земле? Поиск ответа на этот вопрос всегда был предметом глубокого интереса для ученых. Но не мене важным и интересным является поиск ответа еще на один вопрос – когда именно возникла жизнь? Помимо выяснения характеристик процесса, в ходе которого неживые элементы собрались вместе, чтобы сформировать первые живые организмы (он известен как абиогенез), ученые также пытаются выяснить, в какой момент существования на ней появились первые живые организмы.
Новое исследование , проведенное группой канадских ученых, использовало два подхода для исследования озвученного выше вопроса – когда на Земле возникла жизнь? Объединив астрофизические и геофизические данные с биосигналами, обнаруженными в геологических образцах, ученые подсчитали, что жизнь возникла примерно через 200-800 миллионов лет после того, как Земля стала пригодной для обитаемости (около 3,7 миллиарда лет назад). Это исследование может иметь серьезное влияние на представление ученых о том, сколько времени потребуется для возникновения жизни на планетах, подобных Земле.
Исследование, в котором описываются полученные результаты, было недавно опубликовано в журнале «Астробиология» под названием «Ограничение временного интервала возникновения жизни на Земле».
В ходе проводимого исследования ученые ставили своей целью определить временной интервал, внутри которого на Земле появилась . Как уже отмечалось, исследователи анализировали астрофизические и геофизические данные с одной стороны, и биосигналы, обнаруженные в геологических образцах, с другой. Это позволило определить временные параметры, в которых они проявлялись.
Основываясь на астрофизических и геофизических данных, команда смогла определить границу возможного начала биологических процессов на Земле между 4,5 и 3,9 миллиардами лет назад. Затем исследователи, используя в качестве биомаркера наличие стоматолитов и легких углеродных сигнатур в графитовых глобулах осадочного происхождения, определили границу начала биологических процессов на Земле в 3,7 миллиарда лет назад.
Временной интервал между этими двумя границами дает нам представление о том, сколько времени понадобилось для появления первых форм жизни. «Данные свидетельствуют о том, что Земле потребовалось для этого от 200 до 800 миллионов лет. Это является относительно коротким периодом времени, учитывая, что планета была пригодна для жизни в течение 4,5-3,9 миллиарда лет и будет оставаться пригодной для жизни примерно на миллиард лет больше», – заявил один их авторов исследования.
Проведенное исследование имеет весомое значение для изучения процесса возникновения жизни на Земле, но вряд ли может быть использовано по отношению к самым распространенным . Вместе с тем понимание того, сколько времени понадобится для возникновения жизни на планете, подобной нашей, может быть полезным при исследовании не очень распространенных экзопланет, похожих на Землю. В настоящее время наши знания о планетах, обращающихся вокруг других звезд, слишком ограничены.
Вместе с тем очевидно, что опубликованная работа очень полезна для улучшения нашего понимания происхождения жизни на Земле. Запланированные к работе в ближайшие годы современные и наземные инструменты следующего поколения позволят ученым изучать экзопланеты в таких деталях, которые никогда не были доступны раньше. С появлением дополнительных данных могут появиться новые научные оценки тех процессов, в ходе которых жизнь могла бы возникнуть на земноподобных экзопланетах. Но до наступления этих интересных времен ученые будут продолжать свои изыскания в поисках ответа на самые интригующие вопросы современной науки – как и когда на Земле появилась жизнь?
Вам могут понравиться эти статьи:
Ни для кого не секрет, что вечный вопрос о том, когда на Земле зародилась жизнь, всегда беспокоил не исключительно ученых, но и всех людей. В данной статье мы попробуем поверхностно ознакомиться со всеми предполагаемыми теориями возникновения всего живого на нашей планете. Постараемся разложить по полочкам этапы ее развития и описать то, какой была история развития жизни на Земле
Зарождение жизни на Земле в науке
С научной точки зрения есть несколько версий происхождения жизни. Рассмотрим то, как появилась жизнь на Земле по мнению ученных, которые уже много веков бьются над этим таинственным вопросом, выдвигая все новые гипотезы.
- Теория гласит, что жизнь зародилась в кусочке льда. Довольно нелепая идея, но все возможно. Одни из ученных считают, что наличествующий в воздухе углекислый газ снабжал поддержание тепличных условий, прочие полагают, что на земле в ту пору был постоянный Зимний сезон.
- Наука, которая изучает возникновение жизни на Земле - биология. Она придерживается теории Чарлза Дарвина. Он и его современники считали, что жизнь начала образовалаться в водоеме. Данной теории большинство ученых следуют и в настоящее время. Органические вещества, доставляемые впадающими в него водами, имели возможность скапливаться в нужных количествах, в замкнутом и довольно мелком водоеме. Далее эти соединения еще больше сосредоточивались на внутренних поверхностях слоистых минералов. Они и могли бы быть катализаторами реакций.
- Вода – это источник жизни на Земле для всех живых существ на Земле – человека, растительного и животного мира. Она крайне важный и дорогой ресурс на нашей планете. Все воды земли находятся в непрерывном взаимоотношении с горными породами и атмосферой. Вода самоочищается благодаря непрерывному ходу, который снабжает существование на нашей земле. Древним и универсальным символом плодородия чистоты является вода. Человек состоит на 80% из воды, животных на75% и растения 89- 90% от общей массы тела. Вода - незаменимый продукт, поскольку это основной строительный материал для человеческого организма. Она значительно ценнее железа, газа, угля и нефти. Без воды бы жизнь на земле никогда бы не смогла зародиться, ни поддерживаться и никак вообще не могла бы существовать. Вода – это сама жизнь.
- А вдруг, жизнь появилась в зонах вулканической активности? Сразу после формирования Земля представляла собой огнедышащий шар магмы. С газами, высвобождавшимися из расплавленной магмы, на земную поверхность выносились многообразные химические вещества, нужные для синтеза органических молекул - это происходило при извержениях вулканов.
Происхождение жизни на земле в религии
Рассмотрим, как зародилась жизнь на земле с точки зрения религии. Еще одна гипотеза о происхождении жизни на земле, находит объяснение в разных религиях. Рассмотрим христианскую:
Основной догмой создания всего живого в христианстве является фраза «сотворение из ничего», в коей Творцом выступает Бог в своём волевом действии. Господь при этом представляется и первопричиной бытия. Вместе с тем Бог не обязан был создавать мир, для Божественной сущности оно не определено никакой «внутренней нуждой». Это был Его свободный выбор, подарок человечеству «от преизбытка любви». Путь и этапы создания мира описаны в первых трёх главах книги Бытия.
Основные этапы жизни на Земле
Об истории развития жизни на земле можно говорить бесконечно долго. Эта тема довольно обширна и необъятна, перечислим лишь основные этапы зарождения жизни:
- Жизнь возникла в морях.
- Существование простейших морских организмов.
- В морях возникают многоклеточные живые создания
- В морях появляются многочисленные беспозвоночные. Среди беспозвоночных находим предков современных моллюсков и членистоногих.
- Зарождаются первые морские позвоночные панцирные, современные рыбы. Жизнь развивается на возникающих участках суши. Первыми поселенцами являются: грибы, бактерии, мхи и небольшие беспозвоночные животные, за ними следуют земноводные.
- Земля покрывается мощными лесами папоротников и иных растений, исчезнувших к нашему времени. Появляются насекомые.
- Зарождение пресмыкающихся.
- Эра рептилий, животные распространяются также и в морях. Отдельные виды достигают немалых размеров.
- Появляются млекопитающие и птицы. Распространяются первые цветочные растения. Появляются первые покрытосемянные растения.
- Вымирают динозавры и прочие крупные рептилии.
- Млекопитающие распространяются по всей территории земли, вытесняя рептилий, количество которых быстро уменьшается.
- Зарождаются разнообразные виды млекопитающих: плотоядные, рукокрылые и предки теперешних обезьян и человека. Зарождаются травоядные.
- Отдельные млекопитающие заселяют моря. Например: киты.
- Возникает прародитель человека - австралопитек.
- Пропадают отдельные большие млекопитающие. Человек становится абсолютным владельцем Земли.
Теперь вы знаете, как выглядела в древности Земля. Жизнь без людей была совсем другой.
Вопрос о том, когда на Земле появилась жизнь, всегда волновал не только ученых, но и всех людей. Ответы на него
практически всех религий. Хотя точного научного ответа на него до сих пор нет, некоторые факты позволяют высказать более или менее обоснованные гипотезы. В Гренландии исследователями был найден образец горной породы
с крошечным вкраплением углерода. Возраст образца более 3,8 млрд лет. Источником углерода, скорее всего, было какое-то органическое вещество – за такое время оно полностью утратило свою структуру. Ученые полагают, что этот комочек углерода может быть самым древним следом жизни на Земле.
Как выглядела первобытная Земля?
Перенесемся на 4 млрд лет назад. Атмосфера не содержит свободного кислорода, он находится только в составе окислов. Почти никаких звуков, кроме свиста ветра, шипения извергающейся с лавой воды и ударов метеоритов о поверхность Земли. Ни растений, ни животных, ни бактерий. Может быть, так выглядела Земля, когда на ней появилась жизнь? Хотя эта проблема издавна волнует многих исследователей, их мнения на этот счет сильно различаются. Об условиях на Земле того времени могли бы свидетельствовать горные породы, но они давно разрушились в результате геологических процессов и перемещений земной коры.
В этой статье мы кратко расскажем о нескольких гипотезах возникновения жизни, отражающих современные научные представления. Как считает известный специалист в области проблемы возникновения жизни Стэнли Миллер, о возникновении жизни и начале ее эволюции можно говорить с того момента, как органические молекулы самоорганизовывались в структуры, которые смогли воспроизводить самих себя. Но это порождает другие вопросы: как возникли эти молекулы; почему они могли самовоспроизводиться и собираться в те структуры, которые дали начало живым организмам; какие нужны для этого условия?
Согласно одной из гипотез жизнь началась в кусочке льда. Хотя многие ученые полагают, что присутствующий в атмосфере углекислый газ обеспечивал поддержание тепличных условий, другие считают, что на Земле господствовала зима. При низкой температуре все химические соединения более стабильны и поэтому могут накапливаться в больших количествах, чем при высокой температуре. Занесенные из космоса осколки метеоритов, выбросы из гидротермальных источников и химические реакции, происходящие при электрических разрядах в атмосфере, были источниками аммиака и таких органических соединений, как формальдегид и цианид. Попадая в воду Мирового океана, они замерзали вместе с ней. В ледяной толще молекулы органических веществ тесно сближались и вступали во взаимодействия, которые приводили к образованию глицина и других аминокислот. Океан был покрыт льдом, который защищал вновь образовавшиеся соединения от разрушения под действием ультрафиолетового излучения. Этот ледяной мир мог растаять, например, при падении на планету огромного метеорита (рис. 1).
Чарлз Дарвин и его современники полагали, что жизнь могла возникнуть в водоеме. Этой точки зрения многие ученые придерживаются и в настоящее время. В замкнутом и сравнительно небольшом водоеме органические вещества, приносимые впадающими в него водами, могли накапливаться в необходимых количествах. Затем эти соединения еще больше концентрировались на внутренних поверхностях слоистых минералов, которые могли быть катализаторами реакций. Например, две молекулы фосфатальдегида, встретившиеся на поверхности минерала, реагировали между собой с образованием фосфорилированной углеводной молекулы – возможного предшественника рибонуклеиновой кислоты (рис. 2).
А может быть, жизнь возникла в районах вулканической деятельности? Непосредственно после образования Земля представляла собой огнедышащий шар магмы. При извержениях вулканов и с газами, высвобождавшимися из расплавленной магмы, на земную поверхность выносились разнообразные химические вещества, необходимые для синтеза органических молекул. Так, молекулы угарного газа, оказавшись на поверхности минерала пирита, обладающего каталитическими свойствами, могли реагировать с соединениями, имевшими метильные группы, и образовывать уксусную кислоту, из которой затем синтезировались другие органические соединения (рис. 3).
Впервые получить органические молекулы – аминокислоты – в лабораторных условиях, моделирующих те, что были на первобытной Земле, удалось американскому ученому Стэнли Миллеру в 1952 г. Тогда эти эксперименты стали сенсацией, и их автор получил всемирную известность. В настоящее время он продолжает заниматься исследованиями в области предбиотической (до возникновения жизни) химии в Калифорнийском университете. Установка, на которой был осуществлен первый эксперимент, представляла собой систему колб, в одной из которых можно было получить мощный электрический разряд при напряжении 100 000 В.
Миллер заполнил эту колбу природными газами – метаном, водородом и аммиаком, которые присутствовали в атмосфере первобытной Земли. В колбе, расположенной ниже, было небольшое количество воды, имитирующей океан. Электрический разряд по своей силе приближался к молнии, и Миллер ожидал, что под его действием образуются химические соединения, которые, попав затем в воду, прореагируют друг с другом и образуют более сложные молекулы.
Результат превзошел все ожидания. Выключив вечером установку и вернувшись на следующее утро, Миллер обнаружил, что вода в колбе приобрела желтоватую окраску. То, что образовалось, оказалось бульоном из аминокислот – строительных блоков белков. Таким образом этот эксперимент показал, как легко могли образоваться первичные ингредиенты живого. Всего-то и нужны были – смесь газов, маленький океан и небольшая молния.
Другие ученые склонны считать, что древняя атмосфера Земли отличалась от той, которую моделировал Миллер, и состояла, скорее всего, из углекислого газа и азота. Используя эту газовую смесь и экспериментальную установку Миллера, химики попытались получить органические соединения. Однако их концентрация в воде была такой ничтожной, как если бы растворили каплю пищевой краски в плавательном бассейне. Естественно, трудно себе представить, как могла возникнуть жизнь в таком разбавленном растворе.
Если действительно вклад земных процессов в создание запасов первичного органического вещества был столь незначителен, то откуда оно вообще взялось? Может быть, из космоса? Астероиды, кометы, метеориты и даже частицы межпланетной пыли могли нести на себе органические соединения, включая аминокислоты. Эти внеземные объекты могли обеспечить попадание в первичный океан или небольшой водоем достаточного для зарождения жизни количества органических соединений.
Последовательность и временной интервал событий, начиная от образования первичного органического вещества и кончая появлением жизни как таковой, остается и, наверное, навсегда останется загадкой, волнующей многих исследователей, равно как и вопрос, что. собственно, считать жизнью.
В настоящее время существует несколько научных определений жизни, но все они не точны. Одни из них настолько широки, что под них попадают такие неживые объекты, как огонь или кристаллы минералов. Другие – слишком узки, и в соответствии с ними мулы, не дающие потомства, не признаются живыми.
Одно из наиболее удачных определяет жизнь как самоподдерживающуюся химическую систему, способную вести себя в соответствии с законами дарвиновской эволюции. Это значит, что, во-первых, группа живых особей должна производить подобных себе потомков, которые наследуют признаки родителей. Во-вторых, в поколениях потомков должны проявляться последствия мутаций – генетических изменений, которые наследуются последующими поколениями и обуславливают популяционную изменчивость. И в-третьих, необходимо, чтобы действовала система естественного отбора, в результате которого одни особи получают преимущество перед другими и выживают в изменившихся условиях, давая потомство.
Какие же элементы системы были необходимы, чтобы у нее появились характеристики живого организма? Большое число биохимиков и молекулярных биологов считают, что необходимыми свойствами обладали молекулы РНК. РНК – рибонуклеиновые кислоты – это особенные молекулы. Одни из них могут реплицироваться, мутировать, таким образом передавая информацию, и, следовательно, они могли участвовать в естественном отборе. Правда, они не способны сами катализировать процесс репликации, хотя ученые надеются, что в недалеком будущем будет найден фрагмент РНК с такой функцией. Другие молекулы РНК задействованы в “считывании” генетической информации и передаче ее на рибосомы, где происходит синтез белковых молекул, в котором принимают участие молекулы РНК третьего типа.
Таким образом самая примитивная живая система могла быть представлена молекулами РНК, удваивающимися, подвергающимися мутациям и подверженными естественному отбору. В ходе эволюции на основе РНК возникли специализированные молекулы ДНК – хранители генетической информации – и не менее специализированные молекулы белка, взявшие на себя функции катализаторов синтеза всех известных в настоящее время биологических молекул.
В некий момент времени “живая система” из ДНК, РНК и белка нашла приют внутри мешочка, образованного липидной мембраной, и эта более защищенная от внешних воздействий структура послужила прототипом самых первых клеток, давших начало трем основным ветвям жизни, которые представлены в современном мире бактериями, археями и эукариотами. Что касается даты и последовательности появления таких первичных клеток, то это остается загадкой. Кроме того, по простым вероятностным оценкам для эволюционного перехода от органических молекул к первым организмам не хватает времени – первые простейшие организмы появились слишком внезапно.
В течение многих лет ученые полагали, что жизнь вряд ли могла возникнуть и развиваться в тот период, когда Земля постоянно подвергалась столкновениям с большими кометами и метеоритами, а завершился этот период примерно 3,8 млрд лет тому назад. Однако недавно в самых древних на Земле осадочных породах, найденных в юго-западной части Гренландии, были обнаружены следы сложных клеточных структур, возраст которых составляет по крайней мере 3,86 млрд лет. Значит, первые формы жизни могли возникнуть за миллионы лет до того, как прекратилась бомбардировка нашей планеты крупными космическими телами. Но тогда возможен и совсем другой сценарий (рис. 4).
Падавшие на Землю космические объекты могли сыграть центральную роль в возникновении жизни на нашей планете, так как, по мнению ряда исследователей, клетки, подобные бактериям, могли возникнуть на другой планете и затем уже попасть на Землю вместе с астероидами. Одно из свидетельств в пользу теории внеземного происхождения жизни было обнаружено внутри метеорита, по форме напоминающего картофелину и названного ALH84001. Первоначально этот метеорит был частичкой марсианской коры, которая затем была выброшена в космос в результате взрыва при столкновении огромного астероида с поверхностью Марса, происшедшего около 16 млн лет назад. А 13 тыс. лет назад после длительного путешествия в пределах Солнечной системы этот осколок марсианской породы в виде метеорита приземлился в Антарктике, где и был недавно обнаружен. При детальном исследовании метеорита внутри него были обнаружены палочковидные структуры, напоминающие по форме окаменелые бактерии, что дало повод для бурных научных споров о возможности жизни в глубине марсианской коры. Разрешить эти споры удастся не ранее 2005 г., когда Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям США осуществит программу полета на Марс межпланетного корабля для отбора проб марсианской коры и доставки образцов на Землю. И если ученым удастся доказать, что микроорганизмы когда-то населяли Марс, то о внеземном возникновении жизни и о возможности занесения жизни из Космоса можно будет говорить с большей долей уверенности (рис. 5).
Рис. 5. Наше происхождение от микробов.
Что мы унаследовали от древних форм жизни? Приведенное ниже сравнение одноклеточных организмов с клетками человека выявляет много черт сходства.
 1. Половое размножение |
 2. Реснички |
 3. Захват других клеток |
 4. Митохондрии
|
 5. Жгутики |
Эволюция жизни на Земле: от простого к сложному
В настоящее время, да, наверное, и в будущем, наука не сможет дать ответ на вопрос, как выглядел самый первый организм, появившийся на Земле, – предок, от которого берут начало три основные ветви древа жизни. Одна из ветвей – эукариоты, клетки которых имеют оформленное ядро, содержащее генетический материал, и специализированные органеллы: митохондрии, вырабатывающие энергию, вакуоли и др. К эукариотным организмам относятся водоросли, грибы, растения, животные и человек.
Вторая ветвь – это бактерии – прокариотные (доядерные) одноклеточные организмы, не имеющие выраженного ядра и органелл. И наконец, третья ветвь – одноклеточные организмы, именуемые археями, или архебактериями, клетки которых имеют такое же строение, как и у прокариот, но совсем другую химическую структуру липидов.
Многие архебактерии способны выживать в крайне неблагоприятных экологических условиях. Некоторые из них являются термофилами и обитают только в горячих источниках с температурой 90 °С и даже выше, где другие организмы попросту погибли бы. Превосходно чувствуя себя в таких условиях, эти одноклеточные организмы потребляют железо и серусодержащие вещества, а также ряд химических соединений, токсичных для других форм жизни. По мнению ученых, найденные термофильные архебактерии являются крайне примитивными организмами и в эволюционном отношении – близкими родственниками самых древних форм жизни на Земле.
Интересно, что современные представители всех трех ветвей жизни, наиболее похожие на своих прародителей, и сегодня обитают в местах с высокой температурой. Исходя из этого, некоторые ученые склонны считать, что, вероятнее всего, жизнь возникла около 4 млрд лет тому назад на дне океана вблизи горячих источников, извергающих потоки, богатые металлами и высокоэнергетическими веществами. Взаимодействуя друг с другом и с водой стерильного тогда океана, вступая в самые разнообразные химические реакции, эти соединения дали начало принципиально новым молекулам. Так, в течение десятков миллионов лет в этой “химической кухне” готовилось самое большое блюдо – жизнь. И вот около 4,5 млрд лет тому назад на Земле появились одноклеточные организмы, одинокое существование которых продолжалось весь докембрийский период.
Всплеск эволюции, давший начало многоклеточным организмам, произошел гораздо позже, немногим более полумиллиарда лет назад. Хотя размеры микроорганизмов столь малы, что в одной капле воды могут поместиться миллиарды, масштабы проведенной ими работы грандиозны.
Полагают, что первоначально в земной атмосфере и Мировом океане не было свободного кислорода, и в этих условиях жили и развивались лишь анаэробные микроорганизмы. Особым шагом в эволюции живого было возникновение фотосинтезирующих бактерий, которые, используя энергию света, превращали углекислый газ в углеводные соединения, служащие пищей для других микроорганизмов. Если первые фотосинтетики выделяли метан или сероводород, то появившиеся однажды мутанты начали вырабатывать в процессе фотосинтеза кислород. По мере накопления кислорода в атмосфере и водах анаэробные бактерии, для которых он губителен, заняли бескислородные ниши.
В древних ископаемых остатках, найденных в Австралии, возраст которых исчисляется 3,46 млрд лет, были обнаружены структуры, которые считают останками цианобактерий – первых фотосинтезирующих микроорганизмов. О былом господстве анаэробных микроорганизмов и цианобактерий свидетельствуют строматолиты, встречающиеся в мелководных прибрежных акваториях не загрязненных соленых водоемов. По форме они напоминают большие валуны и представляют интересное сообщество микроорганизмов, живущее в известняковых или доломитовых породах, образовавшихся в результате их жизнедеятельности. На глубину нескольких сантиметров от поверхности строматолиты насыщены микроорганизмами: в самом верхнем слое обитают фотосинтезирующие цианобактерии, вырабатывающие кислород; глубже обнаруживаются бактерии, которые до определенной степени терпимы к кислороду и не нуждаются в свете; в нижнем слое присутствуют бактерии, которые могут жить только в отсутствие кислорода. Расположенные в разных слоях, эти микроорганизмы составляют систему, объединенную сложными взаимоотношениями между ними, в том числе пищевыми. За микробной пленкой обнаруживается порода, образующаяся в результате взаимодействия остатков отмерших микроорганизмов с растворенным в воде карбонатом кальция. Ученые считают, что когда на первобытной Земле еще не было континентов и лишь архипелаги вулканов возвышались над поверхностью океана, мелководье изобиловало строматолитами.
В результате жизнедеятельности фотосинтезирующих цианобактерий в океане появился кислород, а примерно через 1 млрд лет после этого он начал накапливаться в атмосфере. Сначала образовавшийся кислород взаимодействовал с растворенным в воде железом, что привело к появлению окислов железа, которые постепенно осаждались на дне. Так в течение миллионов лет с участием микроорганизмов возникли огромные залежи железной руды, из которой сегодня выплавляется сталь.
Затем, когда основное количество железа в океанах подверглось окислению и уже не могло связывать кислород, он в газообразном виде ушел в атмосферу.
После того как фотосинтезирующие цианобактерии создали из углекислого газа определенный запас богатого энергией органического вещества и обогатили земную атмосферу кислородом, возникли новые бактерии – аэробы, которые могут существовать только в присутствии кислорода. Кислород им необходим для окисления (сжигания) органических соединений, а значительная часть получаемой при этом энергии превращается в биологически доступную форму – аденозинтрифосфат (АТФ). Этот процесс энергетически очень выгоден: анаэробные бактерии при разложении одной молекулы глюкозы получают только 2 молекулы АТФ, а аэробные бактерии, использующие кислород, – 36 молекул АТФ.
С появлением достаточного для аэробного образа жизни количества кислорода дебютировали и эукариотные клетки, имеющие в отличие от бактерий ядро и такие органеллы, как митохондрии, лизосомы, а у водорослей и высших растений – хлоропласты, где совершаются фотосинтетические реакции. По поводу возникновения и развития эукариот существует интересная и вполне обоснованная гипотеза, высказанная почти 30 лет назад американским исследователем Л.Маргулисом. Согласно этой гипотезе митохондрии, выполняющие функции фабрик энергии в эукариотной клетке, – это аэробные бактерии, а хлоропласты растительных клеток, в которых происходит фотосинтез, – цианобактерии, поглощенные, вероятно, около 2 млрд лет назад примитивными амебами. В результате взаимовыгодных взаимодействий поглощенные бактерии стали внутренними симбионтами и образовали с поглотившей их клеткой устойчивую систему – эукариотную клетку.
Исследования ископаемых останков организмов в породах разного геологического возраста показали, что на протяжении сотен миллионов лет после возникновения эукариотные формы жизни были представлены микроскопическими шаровидными одноклеточными организмами, такими как дрожжи, а их эволюционное развитие протекало очень медленными темпами. Но немногим более 1 млрд лет назад возникло множество новых видов эукариот, что обозначило резкий скачок в эволюции жизни.
Прежде всего это было связано с появлением полового размножения. И если бактерии и одноклеточные эукариоты размножались, производя генетически идентичные копии самих себя и не нуждаясь в половом партнере, то половое размножение у более высокоорганизованных эукариотных организмов происходит следующим образом. Две гаплоидные, имеющие одинарный набор хромосом половые клетки родителей, сливаясь, образуют зиготу, имеющую двойной набор хромосом с генами обоих партнеров, что создает возможности для новых генных комбинаций. Возникновение полового размножения привело к появлению новых организмов, которые и вышли на арену эволюции.
Три четверти всего времени существования жизни на Земле она была представлена исключительно микроорганизмами, пока не произошел качественный скачок эволюции, приведший к появлению высокоорганизованных организмов, включая человека. Проследим основные вехи в истории жизни на Земле по нисходящей линии.
1,2 млрд лет назад произошел взрыв эволюции, обусловленный появлением полового размножения и ознаменовавшийся появлением высокоорганизованных форм жизни – растений и животных.
Образование новых вариаций в смешанном генотипе, возникающем при половом размножении, проявилось в виде биоразнообразия новых форм жизни.
2 млрд лет назад появились сложноорганизованные эукариотные клетки, когда одноклеточные организмы усложнили свое строение за счет поглощения других прокариотных клеток. Одни из них – аэробные бактерии – превратились в митохондрии – энергетические станции кислородного дыхания. Другие – фотосинтетические бактерии – начали осуществлять фотосинтез внутри клетки-хозяина и стали хлоропластами в клетках водорослей и растений. Эукариотные клетки, имеющие эти органеллы и четко обособленное ядро, включающее генетический материал, составляют все современные сложные формы жизни – от плесневых грибов до человека.
3,9 млрд лет назад появились одноклеточные организмы, которые, вероятно, выглядели, как современные бактерии, и архебактерии. Как древние, так и современные прокариотные клетки устроены относительно просто: они не имеют оформленного ядра и специализированных органелл, в их желеподобной цитоплазме располагаются макромолекулы ДНК – носители генетической информации, и рибосомы, на которых происходит синтез белка, а энергия производится на цитоплазматической мембране, окружающей клетку.
4 млрд лет назад загадочным образом возникла РНК. Возможно, что она образовалась из появившихся на первобытной земле более простых органических молекул. Полагают, что древние молекулы РНК имели функции носителей генетической информации и белков-катализаторов, они были способны к репликации (самоудвоению), мутировали и подвергались естественному отбору. В современных клетках РНК не имеют или не проявляют этих свойств, но играют очень важную роль посредника в передаче генетической информации с ДНК на рибосомы, в которых происходит синтез белков.
А.Л. Прохоров
По материалам
статьи Ричарда Монастерски
в журнале National Geographic, 1998 г. No
3
Как зарождалась жизнь на Земле? Подробности человечеству неизвестны, но краеугольные принципы установлены. Существуют две основные теории и множество второстепенных. Итак, согласно главной версии, органические компоненты попали на Землю из космоса, по другой - все произошло на Земле. Перед вами несколько самых популярных учений.
Панспермия
Как появилась наша Земля? Биография планеты уникальна, и разгадать ее люди пытаются разными способами. Есть гипотеза о том, что жизнь, существующая во Вселенной, распространяется при помощи метеороидов (небесных тел, промежуточных по размеру между межпланетной пылью и астероидом), астероидов и планет. Предполагается, что имеются формы жизни, способные выдержать воздействие (радиацию, вакуум, низкие температуры и др.). Их называют экстремофилами (в их числе бактерии и микроорганизмы).
Они попадают в обломки и пыль, которые выбрасываются в космос после сохраняя, таким образом, жизнь после гибели малых тел Солнечной системы. Бактерии могут путешествовать в состоянии покоя в течение длительного периода времени до очередного случайного столкновения с другими планетами.
Они также могут смешиваться с протопланетными дисками (плотное газовое облако вокруг молодой планеты). Если на новом месте «стойкие, но сонные солдатики» попадают в благоприятные условия, то становятся активными. Начинается процесс эволюции. История разгадывается при помощи зондов. Данные с приборов, побывавших внутри комет, свидетельствуют: в подавляющем большинстве случаев подтверждается вероятность того, что все мы «немного инопланетяне», так как колыбель жизни - космос.
Биопоэз
А вот еще одно мнение относительно того, как зарождалась жизнь. На Земле есть живое и неживое. Некоторые науки приветствуют абиогенез (biopoesis), объясняющий, как в ходе естественного преобразования биологическая жизнь появилась из неорганической материи. Большинство аминокислот (их еще называют строительными блоками всех живых организмов) могут образовываться при помощи природных химических реакций, не имеющих отношения к жизни.
Это подтверждает эксперимент Мюллера-Юри. В 1953 году ученый пропустил электричество через смесь газов и получил несколько аминокислот в лабораторных условиях, имитирующих условия ранней Земли. Во всех живых существах аминокислоты трансформируются в белки под воздействием хранителей генетической памяти нуклеиновых кислот.
Последние синтезируются самостоятельно биохимическим путем, и белки ускоряют (катализируют) процесс. Какая же из органических молекул первая? И как они вступили во взаимодействие? Абиогенез находится в процессе поиска ответа.
Космогонические веяния
Это учение о в космосе. В определенном контексте космической науки и астрономии, термин относится к теории создания (и изучения) Солнечной системы. Попытки тяготения к натуралистической космогонии не выдерживают критики. Во-первых, существующие научные теории не могут объяснить главного: как появилась сама Вселенная?
Во-вторых, нет никакой физической модели, объясняющей самые ранние моменты существования Вселенной. В упомянутой теории отсутствует понятие квантовой гравитации. Хотя струнные теоретики гласит, что элементарные частицы возникают в результате колебаний и взаимодействия квантовых струн), исследующие происхождение и последствия Большого взрыва (петлевая квантовая космология), с этим не согласны. Они считают, что имеют формулы, позволяющие описать модель в рамках полевых уравнений.
При помощи космогонических гипотез люди объясняли однородность движения и состава небесных тел. Задолго до того, как появилась жизнь на Земле, материя заполняла все пространство и затем эволюционировала.
Эндосимбионт
Эндосимбиотическая версия была впервые сформулирована русским ботаником Константином Мережковским в 1905 г. Он считал, что некоторые органеллы возникли как свободноживущие бактерии и были приняты в другую клетку в качестве эндосимбионтов. Митохондрии развились из протеобактерий (в частности, Rickettsiales или близких родственников) и хлоропластов от цианобактерий.
Это позволяет предположить, что множественные формы бактерий вступили в симбиоз с образованием эукариотической клетки (эукариоты - клетки живых организмов, содержащие ядро). Горизонтальному переносу генетического материала между бактериями также способствуют симбиотические отношения.
Возникновению разнообразия форм жизни, возможно, предшествовал последний общий Предок (LUA) современных организмов.
Спонтанное зарождение
До начала 19 века люди, как правило, отрицали "внезапность" в качестве объяснения того, как зарождалась жизнь на Земле. Неожиданное самозарождение определенных форм жизни из неживой материи казалось им неправдоподобным. Зато они верили в существование гетерогенеза (смена способа размножения), когда одна из форм жизни происходит от другого вида (к примеру, пчелы из цветов). Классические представления о самозарождении сводятся к следующему: некоторые сложные живые организмы появились благодаря разложению органических веществ.
Согласно Аристотелю, это была легко наблюдаемая истина: тля возникает из росы, которая падает на растения; мухи - из испортившихся продуктов, мыши - из грязного сена, крокодилы - из гниющих бревен на дне водоемов и так далее. Теория спонтанного поколения (опровергаемая христианством) тайно просуществовала не один век.
Принято считать, что теория была окончательно опровергнута в XIX веке опытами Луи Пастера. Ученый не занимался изучением зарождения жизни, он изучал появление микробов, чтобы получить возможность борьбы с инфекционными болезнями. Однако доказательства Пастера носили уже не спорный, а строго научный характер.
Теория глины и Последовательное сотворение
Возникновение жизни на основе глины? Такое возможно? Шотландский химик по имени А. Дж. Кернс-Смит из университета Глазго в 1985 году является автором такой теории. Опираясь на аналогичные предположения других ученых, он утверждал, что органические частицы, оказавшись между слоями глины и взаимодействуя с ними, перенимали способ хранения информации и роста. Таким образом, ученый считал «глиняный ген» первичным. Изначально минерал и зарождающаяся жизнь существовали вместе, а на определенном этапе "разбежались".
Идея разрушения (хаоса) в зарождающемся мире проложила путь к теории катастрофизма как к одному из предшественников теории эволюции. Ее сторонники считают, что Земля в прошлом была затронута внезапными, недолговечными, бурными событиями, а настоящее является ключом к прошлому. Каждая очередная катастрофа разрушала существующую жизнь. Последующее творение возрождало ее уже отличной от предыдущей.
Материалистическое учение
А вот еще одна версия относительно того, как зарождалась жизнь на Земле. Ее выдвинули материалисты. Они считают, что жизнь появилась в результате растянутых во времени и пространстве постепенных химических преобразований, которые, по всей вероятности, происходили почти 3,8 млрд лет тому назад. Такое развитие называют молекулярным, оно затрагивает область дезоксирибонуклеиновых и рибонуклеиновых кислот и протеинов (белков).
Как научное течение учение возникло в 1960 годы, когда проводились активные исследования, затрагивающие молекулярную и эволюционную биологию, генетику популяций. Ученые тогда пытались понять и подтвердить недавние открытия, касающиеся нуклеиновых кислот и белков.
Одной из ключевых тем, которые стимулировали развитие этой области знаний, была эволюция ферментативной функции, использование дивергенции нуклеиновой кислоты в качестве "молекулярных часов". Ее раскрытие способствовало более глубокому изучению дивергенции (разветвления) видов.
Органическое происхождение
О том, как появилась жизнь на Земле, сторонники этого учения рассуждают так. Образование видов началось давно - более 3,5 млрд лет назад (цифра обозначает период, в который жизнь существует). Вероятно, сначала шел медленный и постепенный процесс преобразования, а затем начался быстрый (в рамках Вселенной) этап совершенствования, перехода из одного статического состояния в другое под влиянием существующих условий.
Эволюция, известная как биологическая или органическая, - это процесс изменения с течением времени одного или нескольких наследуемых признаков, обнаруженных в популяциях организмов. Наследственные черты - особые отличительные признаки, в том числе анатомические, биохимические и поведенческие, которые передаются от одного поколения к другому.
Эволюция привела к разнообразию и разностороннему развитию всех живых организмов (диверсификации). Наш красочный мир Чарльз Дарвин охарактеризовал как «бесконечные формы, самые красивые и самые замечательные». Складывается впечатление, что зарождение жизни - история без начала и конца.
Особое творение
Согласно этой теории, все формы жизни, которые существуют сегодня на планете Земля, созданы Богом. Адам и Ева - первые мужчина и женщина, созданные Вседержителем. Жизнь на Земле началась с них, - считают христиане, мусульмане и евреи. Три религии сошлись в том, что Бог создал вселенную в течение семи дней, сделав шестой день кульминацией труда: сотворил из праха земного Адама и из его ребра Еву.
На седьмой день Бог отдыхал. Затем он вдохнул в и отправил ухаживать за садом под названием Эдем. В центре росли Древо жизни и Древо познания добра. Бог разрешил есть плоды всех деревьев в саду, кроме Дерева познания («ибо в тот день, который вы вкусите их, умрете»).
Но люди ослушались. В Коране говорится, что попробовать яблоко предложил Адам. Бог простил грешников и послал обоих на землю в качестве своих представителей. И все же... Откуда на Земле появилась жизнь? Как видите, однозначного ответа не существует. Хотя современные ученые все больше склоняются к абиогенной (неорганической) теории возникновения всего живого.
Жизнь – результат эволюции или творения? Эта дилемма беспокоит умы не одного поколения ученых. Нескончаемые споры на этот счет порождают всё более любопытные теории.
Порядок против хаоса
Второй закон термодинамики (энтропия) гласит, что все элементы космоса движутся от порядка к хаосу. На это обращает внимание ученый из НАСА Роберт Дестроу, который утверждает, что «вселенная останавливается как часы». Креационисты опираются на закон энтропии, чтобы доказать несостоятельность точки зрения эволюционистов, которая предполагает самопроизвольное развитие и усложнение всех элементов окружающего мира.
Теолог XIX столетия Уильям Пели провел следующую аналогию. Мы знаем, что карманные часы не возникли сами собой, а были сделаны человеком: из этого следует, что такая сложная структура как человеческий организм тоже результат творения.
Чарльз Дарвин противопоставил этой точке зрения свою теорию о силе естественного отбора, которая, опираясь на наследственную изменчивость в процессе длительной эволюции, способна сформировать сложнейшие органические структуры.
«Но из неживой материи не могла появиться органическая жизнь», – указывали креационисты на уязвимое место теории Дарвина.
Лишь сравнительно недавно исследования химиков Стэнли Миллера и Гарольда Юри позволили получить аргументы в защиту теории эволюции.
Эксперимент американских ученых подтвердил гипотезу о том, что на примитивной Земле существовали условия, способствовавшие возникновению биологических молекул из неорганических веществ. Согласно их выводам, молекулы образовались в атмосфере в результате обычных химических реакций, а затем, попав с дождем в океан, привели к зарождению первой клетки.
Сколько лет Земле?
В 2010 году американский биохимик Даглас Теобальд попытался доказать, что у всего живого на Земле есть общий предок. Он математически проанализировал последовательности наиболее распространенных белков и выявил, что выбранные молекулы есть и у человека, и у мухи, и у растений, и у бактерий. Вероятность общего предка по расчетам ученого составила 102860.
Согласно теории эволюции, процесс перехода от простейших организмов к высшим занимает миллиарды лет. Но креационисты заявляют, что это невозможно, так как возраст Земли не превышает нескольких десятков тысяч лет.
Все виды животных и растений, по их мнению, появились практически одновременно и независимо друг от друга – в том виде, в котором мы можем наблюдать их сейчас.
Современная наука, опираясь на данные радиоизотопного анализа земных образцов и метеоритного вещества определяет возраст Земли цифрой 4,54 млрд. лет. Однако, как показали некоторые эксперименты, такой метод датирования может иметь очень серьезные погрешности.
В 1968 году американский «Журнал географических исследований» опубликовал данные радиоизотопного анализа вулканических пород, образовавшихся на Гавайях в результате извержения вулкана, произошедшего в 1800 году. Возраст пород был определен диапазоном от 22 млн. до 2 млрд. лет.
Много вопросов оставляет и радиоуглеродный анализ, с помощью которого производят датировку биологических останков. Такой метод позволяет установить предельный возраст образцов в 60 000 лет с 10 периодами полураспада углерода-14. Но как объяснить то, что углерод-14 находят в образцах «юрской древесины»? «Только тем, что возраст Земли необоснованно состарили», – настаивают креационисты.
Палеонтолог Гарольд Коффин отмечает, что образование осадочных пород происходило неравномерно и по ним сложно узнать истинный возраст нашей планеты. К примеру, окаменелости ископаемых деревьев близ Джоггинса (Канада), вертикально пронизывающие слой земли на 3 и более метров, свидетельствуют о том, что растения были погребены под толщей пород за очень короткий промежуток времени в результате катастрофических событий.
Стремительная эволюция
Если допустить, что Земля не такая древняя, возможно ли, чтобы эволюция «вписалась» в более сжатые временные рамки? Команда американских биологов под руководством Ричарда Ленски в 1988 году решила провести долговременный эксперимент, моделирующий в лабораторных условиях эволюционный процесс на примере бактерии кишечной палочки.
12 колоний бактерий поместили в идентичную среду, где в качестве источника питания присутствовала только глюкоза, а также цитрат, который при наличии кислорода не мог усваиваться бактериями.
Ученые наблюдали за кишечной палочкой в течение 20 лет, за это время сменилось более 44 тыс. поколений бактерий. Кроме типичных для всех колоний изменений в размерах бактерий ученые обнаружили интересную особенность, присущую лишь одной колонии: в ней бактерии где-то между 31-й и 32-й тысячей поколений проявили способность усваивать цитрат.
В 1971 году итальянские ученые завезли 5 особей стенных ящериц на остров Под Маркару, находящийся в Адриатическом море. В отличие от прежнего места обитания, на острове было мало насекомых, которыми питались ящерицы, но много травы. Результаты своего эксперимента ученые проверили лишь в 2004 году. Что же они увидели?
Ящерицы приспособились к непривычной среде: их популяция достигла 5000 особей, но главное, у пресмыкающихся изменились внешний вид и строение внутренних органов. В частности, увеличилась голова и сила укуса, чтобы справляться с большими листьями, а также появился новый отдел в пищеварительном тракте – камера брожения, позволявшая кишечнику ящериц переваривать жесткую целлюлозу. Так, всего за 33 года стенные ящерицы из хищников превратились в травоядных!
Слабое звено
Если внутривидовые изменения наука способна подтвердить экспериментально, то возможность появления в ходе эволюции нового вида пока остается исключительно в теории. Сторонники креационизма не только указывают эволюционистам на отсутствие промежуточных форм живых организмов, но и пытаются научно подтвердить несостоятельность эволюционной теории происхождения видов.
Испанскому генетику Сванте Паабо удалось извлечь ДНК из фрагмента позвонка неандертальца, жившего предположительно около 50 000 лет назад. Сравнительный анализ ДНК современного человека и неандертальца показал, что последний не является нашим предком.
Генетик из США Алан Уилсон при помощи метода митохондриальной ДНК смог предположительно сказать, когда на Земле появилась «Ева». Его исследования дали возраст в 150-200 тыс. лет. Японский ученый Сатоси Хораи приводит похожие данные. По его мнению, современный человек появился в Африке около 200 тыс. лет назад, а оттуда переселился в Евразию, где довольно быстро вытеснил неандертальца.
Опираясь на данные палеонтологической летописи, биолог Джонатан Уэллс замечает: «Совершенно ясно, что на уровне царств, типов и классов происхождение от общих предков посредством модификации нельзя считать непреложным фактом».
Точки соприкосновения
У приверженцев эволюционистских и креационистских взглядов на происхождение жизни не всегда существуют кардинальные разногласия. Так, многие ученые-креационисты являются сторонниками древнего возраста Земли, а среди богословов немало критиков буквалистского креационизма.
К примеру, протодиакон Андрей Кураев пишет следующее: «В православии нет ни текстуального, ни доктринального основания для отторжения эволюционизма… у православия в отличие от язычества, демонизирующего материю, и от протестантизма, лишающего тварный мир права на сотворчество, нет оснований для отрицания тезиса, согласно которому Творец создал материю способной к благому развитию».
Российский математик и философ Юлий Шредер отмечает, что мы не знаем как в известных нам масштабах измерить длительность шести дней, за которые Бог создал мир, ведь и само время было сотворено за эти же дни. «Порядок творения вполне соответствует представлениям современной космологии», – отмечает ученый.
Доктор биологических наук Юрий Симаков и вовсе считает человека продуктом генной инженерии. Он предполагает, что эксперимент был проведен на стыке двух видов – неандертальца и Homo sapiens. По словам биолога, налицо «сложное и намеренное вмешательство разума, который должен на порядок превосходить наш».
Сотрудники зала эволюции, который находится в зоопарке Сент-Луиса решили в шутливой форме примирить две теории. На входе они повесили объявление, гласящее: «Здесь вовсе не утверждается, что мир живого не мог быть создан сразу – просто он выглядит так, будто появился в результате долгой эволюции».
