Из всех девяти планет Солнечной системы, только на Земле сложились уникальные условия, благодаря которым, стало возможным появление воды — простой, и одновременно одной из самых загадочных жидкостей во Вселенной. Воду неспроста называют таинственной субстанцией, ведь именно в ней на нашей планете зародились первые живые простейшие, эволюционирование которых привело к появлению царя природы - человека. Правда, этому «царю», так и не удалось постичь все тайны воды, новые свойства которой, ученые открывают чуть ли не ежегодно. Но вода с каждым годом не становится чище, повышается уровень содержания железа, поэтому желательно использовать специальные фильтры, например обезжелезиватель Atoll RFI-1215ТSE , особенно это актуально для тех, кто живет за городом, где контролировать качество воды приходится самостоятельно.

Сама тайны зарождения жизни на Земле, так и осталось неразгаданной, хотя и существуют несколько теорий, одна из которых научным сообществом считается единственно верной. Но и ее подтвердить со стопроцентной точностью так и не удается. И проблема эта заключается не в недостатке доказательств возникновения живых существ на нашей планете, а в том, что до сих пор непонятен сам механизм появления простейших микроорганизмов в воде. Вот так, поневоле и задумаешься о Всевышнем, создавшим жизнь на Земле всего за несколько дней, а общепринятая теорию Дарвина покажется ошибочной. Но как бы то ни было, мы будем придерживаться официальной теории, которую преподают в школах по всему миру. И одним из ключевых ее моментов является мнение, согласно которому, жизнь в воде на Земле зародилась благодаря солнечным лучам, которые, проникая через атмосферу, прогревали поверхность древнего Мирового океана. И именно солнце стало тем катализатором, который послужил толчком к появлению первых живых существ на планете.

Ученые предполагают, что древний Мировой океан получал такое количество солнечных лучей, что прогревался в среднем до температуры + 17,4 градусов Цельсия. Химический состав атмосферы в те доисторические времена кардинально отличаться от сегодняшнего. Однако, он всегда обеспечивал необходимые условия, препятствующие испарению воды в космическое пространство. В результате, как сейчас говорят, Земля постоянно испытывала «парниковый» эффект, благодаря которому при смене дня и ночи не происходило значительных колебаний температур на поверхности планеты. Следующим условием, без которого на Земле не было бы людей в частности, и животного мира вообще, стало появление в атмосфере кислорода, который, также присутствовал в воде в растворенном виде. Более того, если большая часть живых существ на Земле на значительную долю состоит из воды, то 90 ее процентов - это кислород, который является как-бы связующим звеном между солнечной энергией и водой. Поэтому, кислород есть во всех тканях людей и животных, и входит в состав основных белков и аминокислот крови, в состав скелета, способствует выводу из организма продуктов распада органических веществ, а также обеспечивает дыхание. Посему, можно с уверенностью утверждать, что жизнь на третей планете от солнца возникла благодаря уникальному стечению обстоятельств и трем основным составляющим - солнечная энергия, кислород и вода, последняя из которых и стала колыбелью человечества. В наши дни, к сожалению, качество воды быстро ухудшается, но в продаже можно найти разные модели очистного оборудования, например,

Вода является составной частью тела живых существ. Кровь, мышцы, жир, мозг и даже кости содержат воду в большом количестве. Обычно вода составляет 65-75% веса тела живого организма. Тело некоторых морских животных, например медуз, содержит в себе даже 97-98% воды. Все процессы, совершающиеся в теле животных и растений, происходят только при участии водных растворов. Без воды жизнь невозможна.

Первой заботой появившегося организма является питание. На суше отыскать пищу гораздо труднее, чем в море. Сухопутные растения должны длинными корнями добывать воду и растворённые в ней питательные вещества. Животные добывают себе пропитание с большой затратой сил. Другое дело в море. В солёной морской воде растворено много питательных веществ. Таким образом, морские растения со всех сторон окружены питательным раствором и легко его усваивают.

Не менее важно для организма поддерживать своё тело в пространстве. На суше это весьма трудная задача. Воздушная среда очень разрежена. Чтобы держаться на земле, необходимо иметь особые приспособления – сильные конечности или крепкие корни. На суше самым большим животным является слон. Но кит в 40 раз тяжелее слона. Если бы такое огромное животное начало двигаться по суше, то оно просто погибло бы, не выдержав собственной тяжести. Ни толстая кожа, ни массивные рёбра не были бы достаточной опорой для этой туши в 100 тонн весом. Совсем другое дело в воде. Всякий знает, что в воде можно легко поднять тяжёлый камень, который на суше едва сдвинешь с места. Происходит это потому, что в воде всякое тело теряет в весе столько, сколько весит вытесненная им вода. Вот почему киту для движения в воде приходится затрачивать в 10 раз меньше усилий, чем потребовалось бы этому гиганту на земле. Его тело, поддерживаемое водой со всех сторон, приобретает большую плавучесть, и киты, несмотря на свой огромный вес, могут с большой скоростью преодолевать огромные расстояния. В море живут и самые крупные растения. Водоросль макроцистис достигает 150-200 метров в длину. На земле такие гиганты редкость даже среди деревьев. Вода поддерживает огромную массу этой водоросли. Для прикрепления к грунту ей не требуется крепких корней, как наземным растениям.

Кроме того, в море температура более постоянна, чем в воздухе. А это очень важно, так как не нужно искать защиты от холода зимой и от жары летом. На суше разница между температурой воздуха зимой и летом достигает в некоторых районах 80-90 градусов. В ряде мест Сибири температура летом доходит до 35-40 градусов жары, а зимой стоят морозы в 50-55 градусов. В воде сезонные различия в температуре не превышают обычно 20 градусов. Для защиты от холода земные животные покрываются к зиме пушистым мехом, слоем подкожного жира, залегают в зимнюю спячку в берлоги и норы. Тяжело бороться с промерзающей почвой растениям. Вот почему в особо холодную зиму массами гибнут птицы, звери и другие наземные животные, а также вымерзают деревья.

Жизнь зародилась в воде. За последние десятилетия учёные, используя самые разные виды энергии, получили в лабораторных условиях самые разнообразные "органические" вещества. Во всех этих опытах моделировались условия первичной бескислородной атмосферы. Было установлено, что первичной бескислородной атмосфере древней Земли был возможен синтез "органических" молекул за счет энергии коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, энергии электрических разрядов и за счет других геотермальных источников энергии.

Первые эксперименты по неорганическому синтезу "органических" веществ в условиях первобытной Земли, провел в 1959 году С. Миллер (Miller S. L., 1959). Сконструированный им прибор заполнялся водой и смесью газов - водородом, метаном и аммиаком; свободный кислород в колбу не допускался. В верхней части колбы непрерывно создавались сильные электрические разряды. Внизу нагревалась до кипения вода, создавая циркуляцию пара и воды (рис. 9).

Рис. 9. Эксперимент Миллера, в котором под действием искрового разряда из водорода, метана, воды и аммиака в отсутствии кислорода образуются органические соединения.

В качестве источника энергии сначала использовался искровой разряд. Поскольку разряд дает меньше энергии, чем ультрафиолет, в последующих экспериментах использовали ультрафиолет. При этом из метана, аммиака и водорода синтезировались органические соединения – альдегиды и аминокислоты.

Опыты обнаружили, что 10-15 % углерода перешло в органическую форму. Около 2 % углерода оказались в виде аминокислот, причём самым распространённым из них оказался глицин. В реакционной смеси также были обнаружены сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот - нуклеозиды. Первичный анализ показал наличие в конечной смеси 5 аминокислот. Однако, более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году, показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот.

Оригинальные эксперименты Миллера вызвали большой интерес среди учёных всего мира. К аналогичным опытам приступили другие исследователи.

Гистограмма 2. Распределение соединений, полученных в опытах Миллера, по массе и числу атомов в молекуле (диаграммы построены по данным С. Миллера)

В 1960 году Уилсон, добавив в исходный раствор серу, получил более крупные молекулы полимеров, содержащие по 20 и более атомов углерода (Wilson A. T., 1960). В смеси полимеров образовались тонкие пленки размером около 1 см, представляющие собой поверхностно-активные вещества, скопившиеся на поверхности раздела газ - жидкость (см. рис. 10). Считается, что эти пленки молекул, синтезировавшихся на границе между разными фазами, играли важную роль на ранних стадиях возникновения жизни. Катализатором образования подобных пленок служила, по-видимому, сера, которая была широко распространена на первобытной Земле в форме зерен сульфидов, например, в пиритовых песках.

Рис. 10. Плоские плёнки органических макромолекул, образующихся при искровых разрядах в смеси аммиака, сероводорода, паров воды и золы пекарских дрожжей. Источник M. G. Rutten .

В 1969 году Поннамперума и сотр. провели эксперименты, подобные экспериментам Миллера, используя в качестве источника энергии ультрафиолетовый свет (Ponnamperuma C., 1969). Хотя по теоретическим соображениям синтезы, идущие под действием ультрафиолета, не должны принципиально отличаться от тех, которые вызываются электрическим разрядом, важно было получить экспериментальное подтверждение этого факта, поскольку в условиях первичной атмосферы гораздо больше энергии поступало с ультрафиолетовым излучением.

Исследователи не только смогли синтезировать аминокислоты и пурины, т. е. строительные блоки белков и нуклеиновых кислот, но также смогли синтезировать из этих блоков полимеры. Оказалось, что в присутствии цианистого водорода аминокислоты полимеризуются, образуя пептидные цепи. Причём, при добавлении фосфорной кислоты получались различные нуклеотиды.

Интересные результаты получил в 1965 году американский учёный Оро и сотр., показавший, что более крупные "органические" молекулы можно синтезировать и без помощи ультрафиолета, просто нагревая реакционную смесь (Oro J., 1965).

Известно, что в условиях восстановительной атмосферы малые "органические" молекулы могли синтезироваться за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца. Однако условия на Земле в эпоху примитивной атмосферы были для ранней жизни не менее опасными, чем они оказались бы для современной. Хотя первые организмы в бескислородной атмосфере не подвергалась окислению, ничто не защищало их от губительного воздействия жесткого ультрафиолетового излучения. Поэтому надо учитывать, что в те времена, возможно, использовались другие источники энергии. Например, свободные радикалы и малые "органические" молекулы могли синтезироваться за счет высокоэнергетического ультрафиолетового излучения Солнца, а для синтеза из малых молекул других, более сложных соединений могли служить и менее мощные геотермальные источники энергии (рис. 11). Так, в растворах формальдегида с гидроксиламином, формальдегида с гидразином и в растворах, содержащих цианистый водород, в конце опыта обнаруживались аминокислоты (Oro J., 1965). В других экспериментах эти продукты полимеризовались в пептидные цепи - большой шаг к неорганическому синтезу белка. В системе с раствором цианистого водорода в водном аммиаке также появлялись более сложные соединения - пурины и пиримидины (азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот).

Рис. 11. Предполагаемые механизмы образования пуринов из водной смеси аммиака и цианистого водорода (вверху) и аденина из водной смеси аммиака и цианистого водорода (внизу). По данным Oro J ., 1965

Все эти эксперименты указали возможный путь перехода от синтеза малых "органических" молекул за счет энергии ультрафиолетового солнечного излучения Солнца к более сложным "органическим" молекулам, образующимся при менее жестких воздействиях.

Как известно, молекулы протеинов построены из одной или нескольких полипептидных цепей, а те в свою очередь состоят из большого числа разных аминокислот. После того как образовались аминокислоты, может произойти следующий важный этап - их конденсация в полипептидные цепи. Учёные считают, что выделение молекулы воды, сопровождающее реакцию конденсации двух молекул аминокислот, - факт большой важности. Поскольку реакция поликонденсации сопровождается дегидратацией, скорость превращения будут выше при удалении воды из системы. Это соображение привело учёных к выводу, что раннее развитие жизни должно было происходить вблизи действующих вулканов, поскольку в ранние периоды геологической истории вулканическая деятельность шла более активно, чем в последующие времена. Однако дегидратация сопровождает не только полимеризацию аминокислот, но и объединение других строительных блоков в более крупные "органические" молекулы. Такое объединение всегда связано с реакцией конденсации, при которой от одного блока "отщепляется" атом водорода, а от другого - гидроксильная группа.

Первым возможность проведения реакций конденсации-дегидратации в условиях "первичного бульона" доказал в 1965 году американский учёный Кальвин (Calvin M., 1965). Из всех соединений лишь синильная кислота способна связывать молекулы воды "первичного бульона". Присутствие в "первичном бульоне" синильной кислоты доказано также первыми экспериментами Миллера.

Рис. 12. Реакции конденсации с дегидратацией, приводящие к образованию из отдельных строительных блоков более крупных "органических" молекул. Верхние три уравнения: конденсация и последующая полимеризация аминокислот в протеины, сахаров в полисахариды и кислот и спиртов в липиды. Нижнее уравнение - конденсация аденина с рибозой и фосфорной кислотой, в результате чего образуется нуклеотид. Полимеризация нуклеотидов в цепь нуклеиновой кислоты также представляет собой реакцию конденсации и протекает с выделением молекул воды.

Далее, обнаружилось, что два других, несколько более сложных соединения - цианамид и дицианамид HN(C = N) 2 - обладают ещё большей дегидратирующей способностью. Реакции с ними более сложны, их механизм еще не выяснен окончательно. В присутствии синильной кислоты и цианамидов конденсация отдельных блоков, сопровождаемая дегидратацией, может идти при нормальных температурах в сильно разбавленных водных растворах.

Интересные выводы сделал в 1966 году Эйбелсон, установивший, что реакции с синильной кислотой сильно зависят от кислотности водных растворов, в которых они протекают (Abelson Ph. H., 1966). Эти реакции не идут в кислых средах, тогда как щелочные условия (рН 8-9) им благоприятствуют. Учёные до сих пор спорят мог ли первичный океан имел такой состав, но вполне вероятно, что именно таким рН обладала озерная вода, соприкасавшаяся с базальтом, и эти реакции вполне могли происходить при контакте с базальтовыми породами.

Исследователи провели эксперименты, в которых безводную смесь аминокислот подвергали воздействию температур до 170 0 С. Оказалось, что наилучшие результаты по поликонденсации получаются со смесями, содержащими аспарагиновую и глутаминовую кислоты. Именно эти две аминокислоты относятся к числу важнейших аминокислот, встречающихся в современных организмах.

В ходе синтеза образовывались соединения, названные протеиноидами, сходные с природными белками. Так, они состояли из крупных молекул с молекулярной массой до 300000, сложенных из тех же блоков, что и природный белок. Они содержали 18 из 23 аминокислот, обычно встречающихся у современных организмов. Таким образом, они отвечали общему определению белка. С природным белком они сходны и по ряду других важных свойств, например по связыванию полинуклеотидов, по пригодности в пищу бактериям и крысам, по способности вызывать реакции, сходные с теми, которые катализируются ферментами в организмах. Так, эти искусственно синтезированные "органические" соединения способны каталитически разлагать глюкозу.

Другое важное свойство протеиноидных соединений - их "ограниченная гетерогенность". Это значит, что последовательность аминокислот в их пептидных цепях не совершенно случайна, а, напротив, более или менее закономерна. Но в то время было невозможно провести строгое сравнение этих искусственных соединений с природными белками, так как молекулы белков настолько сложны, что структура большинства из них еще не определена с достаточной точностью. Стремясь подчеркнуть сходство этих искусственных белковоподобных соединений с природными белками, Фокс назвал их протеиноидами. Поскольку они были синтезированы под действием тепла, в дальнейшем их стали называть "термическими протеиноидами".

С тех пор многое изучено в получении было сделано для изучения активности протеиноидов. Самое важное то, что промывая горячую смесь протеиноидов водой или водными растворами солей в среде образуются элементарные мембраноподобные микросферы – коацерваты (Rutten M. G., 1963). Размер микросфер очень мал, их диаметр составляет около 2 мкм. Внешне они напоминают мембрану клетки. Морфологические особенности протеноидных коацерватов показаны на рис. 13 и рис. 14.

Рис. 13 . Электронные микрофотографии срезов протеноидных коацерватов. Источник M. G. Rutten . The Origin of life by natural causes. Elsevier Publishich Comp., N. Y., 1971.

Рис. 14. Протеноидные коацерваты, сдвоенные при увеличении рН среды. Источник M. G. Rutten . The Origin of life by natural causes. Elsevier Publishich Comp., N. Y., 1971.

Коацерваты довольно стабильны. Если их помещают в растворы иной концентрации, чем концентрация раствора, в котором они образовались, то они реагируют на внешние условия. В слишком концентрированных растворах они сморщиваются, в разбавленных набухают, т. е. их реакция на изменение осмотического давления сходна с реакцией живых клеток. Это объясняется наличием у них полупроницаемой наружной оболочки, сходной с мембраной клетки, которая может быть также и двойной.

Образование коацерватов из смеси искусственных протеинов важно потому, что оно дает нам материал для суждения о том, как мог произойти следующий шаг в развитии жизни. Это шаг от разрозненных "органических" молекул к группам организованных молекул, собранным в отдельные структуры и отделенным от окружающего мира примитивной мембраной, что было продемонстрировано нашим соотечественником академиком А.И. Опариным.

С учётом вышесказанного происхождение жизни выглядит так: Первым этапом живой эволюции, по-видимому, было образование при очень высоких температурах аминокислот и азотистых соединений – аналогов нуклеиновых кислот. Такой синтез вполне возможен наряду с другими, т. е. при воздействии электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высокой температуры. Возможность такого термического синтеза экспериментально доказана опытами многих исследователей (Fox S. W., 1965). Следующий этап - поликопденсация полученных аминокислот при температуре 170 или 65 С (в последнем случае в присутствии некоторых фосфатов). Реакция поликонденсации происходит, если в смеси имеется достаточно аспарагиновой и глутаминовой кислот. В смеси протеиноидов при воздействии на нее водой или кислыми водными растворами (дождем) образуются коарцерваты – предшественники клеток. Способность протеиноидов к выполнению некоторых функций, сходных с функциями ферментов живых организмов, выражается в том, что они могут в присутствии гидрата окиси цинка расщеплять нуклеотид АТФ, т. е. обладают слабой ферментативной активностью.

В настоящее время есть много способов экспериментального получения "органических" молекул неорганическим путем в условиях, моделирующих первичную атмосферу. Но, результаты этих экспериментов с геологической точки зрения не являются удовлетворительными, поскольку довольно трудно моделировать геологическое прошлое. Для появления первых древнейших форм жизни естественным путем существенно важны два условия. Во-первых, атмосфера должна быть бескислородной, во-вторых, должно иметься все необходимое для построения "органических" молекул - атомы углерода, азота, неорганические катализаторы и вода. Если эти условия будут выполнены, немедленно начнется образование "органических" соединений.

Но это означает, что формирование жизни - процесс, свойственный не только нашей Земле. В принципе, на любой планете, отвечающей двум вышеизложенным требованиям, находилась она в нашей Солнечной или в любой другой системе, могут идти аналогичные процессы. Ведь бескислородная атмосфера, содержащая нужные для синтеза "органических" соединений атомы и молекулы, - обычное для Вселенной явление. Остается одно главное условие для образования жизни - наличие жидкой воды. Таким образом, образование "органических" соединений из неорганических в водной среде - распространенный космический процесс.

Земля сформировалась, вероятно, 4,5-5 млрд. лет назад из гигантского облака космической пыли. частицы которой спрессовались в раскаленный шар. Из него в атмосферу выделялся водяной пар, а из атмосферы на медленно остывавшую Землю в течение миллионов лет в виде дождей выпадала вода. В углублениях земной поверхности образовался доисторический Океан. В нем примерно 3,8 млрд. лег назад зародилась первоначальная жизнь.

Есть несколько теорий о происхождении жизни на Земле. Например, одна из давних гипотез гласит, что она занесена на Землю из космоса, но неоспоримых доказательств этого нет. Кроме того, та жизнь, которую мы знаем, удивительно приспособлена для существования именно в земных условиях, поэтому если она и возникла вне Земли, то на планете земного типа. Большинство же современных ученых полагают, что жизнь зародилась на Земле, в ее морях. Но как произошла сама планета и как на ней появились моря?

По этому поводу существует одна широко признанная теория. В соответствии с ней Земля образовалась из облаков космической пыли, содержащей все известные в природе химические элементы, которые спрессовались в шар. Горячий водяной пар вырывался с поверхности этого раскаленного докрасна шара, окутывая его сплошным облачным покровом, Водяной пар в облаках медленно охлаждался и превращался в воду, которая выпадала в виде обильных непрерывных дождей на еще раскаленную, пылающую Землю. На ее поверхности она снова превращалась в водяной пар и возвращалась в атмосферу. За миллионы лет Земля постепенно потеряла так много тепла, что ее жидкая поверхность, остывая, начала твердеть. Так образовалась земная кора.

Прошли миллионы лет, и температура поверхности Земли еще больше понизилась. Ливневые воды перестали испаряться и стали стекать в огромные лужи. Так началось воздействие воды на земную поверхность. А потом из-за понижения температуры произошел настоящий потоп. Вода, которая до этого испарялась в атмосферу и превратилась в ее составную часть, беспрерывно низвергалась на Землю, С громом и молниями обрушивались из облаков мощные ливни. Мало-помалу в самых глубоких впадинах земной поверхности скапливалась вода, которая уже не успевала совсем испариться. Ее было так много, что постепенно на планете образовался доисторический Океан. Молнии рассекали небо. Но никто этого не видел. На Земле еще не было жизни. Непрерывный ливень начал размывать горы. Вода стекала с них шумными ручьями и бурными реками. За миллионы лет водные потоки глубоко разъели земную поверхность и кое-где появились долины. В атмосфере уменьшалось содержание воды, а на поверхности планеты ее скапливалось все больше. Сплошной облачный покров становился тоньше, пока в один прекрасный день Земли не коснулся первый луч солнца. Непрерывный дождь кончился. Большую часть суши покрыл доисторический Океан. Из ее верхних слоев вода вымывала огромное количество растворимых минералов и солей, которые попадали в море. Вода из него непрерывно испарялась, образуя облака, а соли оседали, и с течением времени происходило постепенное засоление морской воды. По-видимому, при каких-то существовавших в древности условиях образовались вещества, из которых возникли особые кристаллические формы. Они росли, как и все кристаллы, и давали начало новым кристаллам, которые присоединяли к себе все новые вещества. Солнечный свет и, возможно, очень сильные электрические разряды служили в этом процессе источником энергии. Может быть, из таких элементов зародились первые обитатели Земли - прокариоты, организмы без оформленного ядра, похожие на современных бактерий. Они были анаэробами, то есть не использовали для дыхания свободный кислород, которого тогда еще не было в атмосфере. Источником пищи для них служили органические соединения, возникшие на еще безжизненной Земле в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца, грозовых разрядов и тепла, образующегося при извержении вулканов. Жизнь существовала тогда в тонкой бактериальной пленке на дне водоемов и во влажных местах. Эту эру развития жизни называют архейской. Из бактерий, а возможно, и совершенно независимым путем, возникли и крошечные одноклеточные организмы - древнейшие простейшие животные.

Они и сейчас составляют основу жизни в морях и пресноводных водоемах. Они так малы, что их можно увидеть лишь с помощью микроскопа. В капле воды из небольшого пруда их тысячи и тысячи. С этих простейших одноклеточных началось развитие всей животной жизни. В конце протерозоя, следующей эры после архея, 1000 - 600 млн. лет назад, уже существовала довольно богатая фауна: медузы, полипы, плоские черви, моллюски и иглокожие.

На картинке, изображены примитивные существа, обитавшие приблизительно 600 - 570 млн. лет назад в кембрийском геологическом периоде, первом периоде палеозойской эры. Мы впервые узнали о них благодаря ископаемым окаменелостям, которые обнаружили геологи, изучавшие Кембрийские горы в Великобритании. Отсюда и произошло название геологического периода истории.

От более простых по строению животных и растений, населявших море в конце протерозоя, не сохранилось следов. Можно только предполагать, что это были организмы, состоявшие только из мягких тканей, которые после смерти быстро полностью разлагались. Настоящих рыб в кембрии еще не было, но уже жили кишечнополостные, губки, ныне вымершие археоциаты, плоские и многощетинковые черви, улитки, каракатицы, раки и трилобиты. Последние походили на раков длиной до 10 см. Для того времени это были настоящие гиганты, крупнее всех других существ. (На суше в то время жизни еще не было.) В конце кембрия, очевидно, уже появились первые хордовые, похожие на современных ланцетников. В течение последующих миллионов лет животные постепенно изменялись, и в следующем геологическом периоде - силуре, начавшемся 500 - 400 млн. лет назад, кроме многочисленных трилобитов на морском дне появились новые обитатели - морские скорпионы.

В толще вод силурийского моря пассивно дрейфовали одноклеточные организмы и медузы. А по морскому дну ползали ракообразные и трилобиты,черви и животные, защищенные раковинами, например двустворчатые моллюски и улитки. Плавать могли лишь очень немногие из них. Даже первые позвоночные, внешне уже напоминавшие рыб, обитали на морском дне. В силуре в морях и пресных водах появились и странные «рыбы» - без челюстей и парных плавников. До наших дней дожили их родственники - миксины и миноги. В силурийский период уже появились первые настоящие рыбы. У этих похожих на акул пловцов было обтекаемое, покрытое панцирем тело, плавники, рот с подвижной челюстью, напоминавшей клюв и усаженной острыми зубами. Примерно 450 млн. лет назад, в силуре, появились первые позвоночные животные - рыбы. Тело одной из древнейших - цефаласписа - было покрыто панцирной чешуей, а голова - костным панцирем. По-видимому, цефаласпис был плохим пловцом. За миллионы лет в том же геологическом периоде развились два больших класса рыб - хрящевые и костные (двоякодышащие, кистеперые и лучеперые). И хрящевым, то есть имеющим хрящевой скелет, относятся акулы и скаты. В отличие от них, скелет костных рыб частично или целиком состоит из костной ткани. К костным относятся почти все хорошо знакомые нам промысловые рыбы: сельдь, камбала, треска и скумбрия, карп, щука и многие другие. Всего на Земле в наши дни насчитывается 20 тысяч видов рыб, и населяют они не только моря, но и другие водоемы.

400 млн. лет назад силур сменился девонским геологическим периодом, который длился около 60 млн. лет. Тогда на суше появились первые растения - лишайники, которыми зарастали увлажненные берега водоемов. В течение девона от них произошли другие формы, в том числе и первые высшие растения - папоротники и хвощи. Кроме того, если прежде все животные дышали лишь кислородом, растворенным в воде, то теперь некоторые из них научились извлекать его из воздуха. Эти первые сухопутные животные - тысяченожки, скорпионы и бескрылые примитивные насекомые, вероятно, обитали поблизости от воды. Предком всех сухопутных позвоночных животных была кистеперая рыба с похожими на лапы грудными и брюшными плавниками. Постепенно у кистеперых рыб развились настоящие верхние и нижние конечности, и с течением времени появились земноводные (амфибии) и пресмыкающиеся (рептилии).

Откуда нам известно, как выглядели древние животные?

Все те изменения, которые претерпевала Земля с момента образования ее коры, изучает историческая геология. Ученые определяют возраст геологических слоев по окаменелостям - остаткам древних животных и растений, так как у каждой эпохи были свои характерные представители флоры и фауны. Изучением окаменелостей занимается палеонтология. Палеонтологи исследуют ископаемые остатки древних организмов и восстанавливают внешний облик вымерших животных. Когда живые организмы погибали в доисторическом Океане, они опускались на дно, где их покрывал ил или песок, который приносили реки. Миллионы лет илистые грунты вместе с погребенными под ними останками уплотнялись, превращаясь в камень. Мягкие ткани животных полностью разлагались но отпечаток оставался. Твердые раковины моллюсков или панцири ракообразных часто сохранялись неповрежденными. За время исторического развития Земли неоднократно морское дно под действием мощных сил и расплавленных недр планеты выталкивалось на большую высоту и становилось частью суши. Вкрапленные в горную породу остатки и отпечатки древних животных находят исследователи и по ним изучают геологические процессы. Слои горных пород для ученых - как страницы книги с множеством рисунков, и надо лишь правильно расшифровать «текст», чтобы понять, как развивалась жизнь на планете. Слои песка и ила с окаменелостями откладывались друг на друга миллионы лет. Так они и спрессовались: более древние слои - ниже, более поздние - выше. Накапливая сведения о том, в каких слоях преобладают те или иные виды окаменелостей, ученые научились определять, к какому геологическому времени они относятся. После этого уже довольно просто по найденным окаменелостям определить возраст геологической породы, в которой они были обнаружены.

Большой каньон реки Колорадо в американском штате Аризона - одно из немногих мест, где сохранилась огромная, удобная для «чтения» каменная летопись жизни на планете. Здесь река прорезала толщу осадочных пород - известняков, песчаников и сланцев - на глубину до 1800 м. Река образовала каньон, то есть глубокую долину с очень крутыми склонами и узким дном, размыв дно древнего моря. Оно поднималось очень медленно и равномерно. Горообразования, которое всегда сопровождается гигантскими сдвигами и разломами горных пород, здесь не было. Поэтому почти не изменилась последовательность залегания геологических пород. Изучив окаменелости слоев крутого склона, можно проследить за всеми изменениями, происходившими с животным миром древнего моря за сотни миллионов лет.

Земля обладает двумя особенностями, которые стали главными предпосылками возникновения жизни. Жидкая вода служит растворителем для биохимических реакций, а тектоническая энергия может эти реакции запустить. О том, как выглядела планета, когда этот процесс только начинался, в своей книге «От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни» рассказывает биолог Сергей Ястребов. T&P и премия «Просветитель» публикуют отрывок из главы с актуальными гипотезами ученых об истоках эволюции.

Есть несколько гипотез, более-менее детально расписывающих вероятные первые химические шаги на пути к жизни. Они отличаются в деталях, но едины в главном. Все эти гипотезы предполагают, что местами зарождения жизни были не открытые водоемы, а микрополости в грунте или минеральных осадках, куда подводилась энергия от горячих источников или от вулканов. Надо сказать, что это не такая уж новость. Например, известный швейцарский биолог Карл фон Нэгели еще в XIX веке писал по поводу зарождения жизни: «Вероятно, это случилось не в открытой воде, а во влажном слое тонкого пористого материала (песка, глины), где совместно действовали молекулярные силы твердых, жидких и газообразных тел». Вот это мнение сейчас и стало научным мейнстримом. Где возникновение жизни наименее вероятно - так это в водной толще спокойного океана, освещенного солнцем. Там просто нет таких потоков энергии и вещества, которые зарождающаяся жизнь могла бы «оседлать» и перенаправить себе на пользу.

Итак, где-то в воде, пропитывавшей окрестности древних вулканов или горячих источников, начались автокаталитические (то есть самоускоряющиеся) химические реакции, цепочки которых вскоре стали пересекаться за счет общих промежуточных продуктов и замыкаться в циклы. Главные участники этих реакций, скорее всего, были небольшими органическими молекулами, поначалу даже одноуглеродными. Но реакции-то были не простыми. Особенность любой автокаталитической реакции по определению состоит в том, что ее продукт одновременно является катализатором, то есть веществом, ускоряющим ход самой реакции. При условии достаточной сложности реакционной системы (а оно в данном случае наверняка соблюдалось: и реагентов, и продуктов было множество) автокаталитические реакции приобретают свойство саморазвития, потому что в них появляется обратная связь: небольшое изменение механизма реакции влияет на состав ее продуктов, изменение которого, в свою очередь, влияет на механизм - и так шаг за шагом. Спустя какое-то время в системе автокаталитических реакций начали синтезироваться аминокислоты, простейшие углеводы, а там дело дошло и до полимеров - сперва простых, потом посложнее. Наконец, некоторые из этих полимеров «научились» катализировать сначала синтез друг друга (это совсем легко), а потом и воспроизводство самих себя. Иными словами, они стали репликаторами. А с появлением репликаторов автоматически включается дарвиновский механизм естественного отбора, необходимые и достаточные условия для которого - самовоспроизводство, наследственность, изменчивость и конкуренция за субстрат. Все, с этого момента биологическая запущена.

Можно не сомневаться, что на этих первых этапах жизнь была еще практически незаметной для постороннего наблюдателя (если бы, конечно, он мог тогда существовать). Это легко понять, если вообразить себя инопланетным путешественником, прибывшим пусть даже к самой колыбели земной жизни. Что он увидит? Теплый вулканический грунт, башни пористых осадков на морском дне… И все. Ничего примечательного. Без химического анализа такой путешественник и не понял бы, с чем столкнулся.

Первыми в истории Земли полноценными репликаторами, скорее всего, были молекулы РНК. Дело в том, что из всех биологически активных молекул только РНК может выполнять сразу все жизненно важные функции: и хранение наследственной информации, и ее копирование, и катализ реакций обмена веществ. Белки и их предшественники, более простые пептиды, никогда таких возможностей не имели. Тем не менее первые пептиды наверняка появились примерно в те же времена, что и первые РНК. Это следует из чисто химических соображений. Дело в том, что синтез РНК довольно сложен, а вот аминокислоты - причем именно альфа-аминокислоты, из которых пептиды обычно состоят, - достаточно легко синтезируются из самых простых молекул, например из угарного газа (CO) и циановодорода (HC≡N), в условиях, примерно соответствующих вероятным условиям в окрестностях древних вулканов. Поэтому существование эволюционного этапа, когда автокаталитические системы состояли бы исключительно из РНК, маловероятно. Скорее всего, эволюция пептидов и РНК была сопряженной всегда, еще со времен их гораздо более простых общих предшественников. Возможно, что дополнительной (в придачу к самокопированию) задачей первых репликаторов как раз и был катализ синтеза пептидов, влиявших на химическую среду таким образом, чтобы эти репликаторы с большей вероятностью могли выжить.

Начало эволюции жизни на Земле (до расхождения клеточных организмов на архей и бактерий). Разумеется, это гипотетический сценарий, но достаточно правдоподобный. Момент приобретения клетками (или их предшественниками) собственного механизма репликации ДНК тут намеренно не уточняется, этот вопрос все еще открыт.

Следующим важным эволюционным событием был перенос генетической информации с РНК на ДНК. Дело в том, что молекула РНК всем хороша, но вот химическая устойчивость у нее низкая и разрушается она довольно легко. Поэтому длительно хранить на ней генетическую информацию - дело ненадежное. Для этого предпочтителен какой-нибудь другой полимер. Им-то и стала . Если первые РНК вполне могли синтезироваться спонтанно в неживой природе, то синтез ДНК уже со всей определенностью является «изобретением» живых организмов, и эта молекула с самого начала получила единственную функцию: хранить информацию. Ничего другого она делать не умеет. Одно-единственное преимущество, которое имеет ДНК перед РНК, - ее высокая химическая устойчивость, позволяющая долго и надежно храниться. Для того, кто владеет уникальным «ноу-хау» синтеза каких-нибудь полезных белков, это по-настоящему ценно.

Таким образом, началась эпоха великой перезаписи геномов с РНК на ДНК.

В начале этой эпохи на Земле жили РНК-содержащие организмы, которые наверняка уже освоили к тому моменту технологию точного синтеза белка. Иными словами, ДНК появилась эволюционно позже, чем трансляция. Вполне возможно, что генетическая стратегия первых ДНК-содержащих организмов была похожа на генетическую стратегию ретровирусов. В жизненном цикле вирусов этого типа есть обязательная стадия ретротранскрипции, то есть обратной транскрипции - переноса генетической информации с РНК на ДНК. А вот собственного механизма репликации ДНК у ретровирусов нет. И у клеточных организмов его тоже, скорее всего, вначале не было. Надежные ферменты репликации (они называются ДНК-зависимые ДНК-полимеразы) появились позже. Но уж когда они появились, это дало возможность хранить на ДНК генетическую информацию непрерывно, при необходимости сразу перезаписывая ее с одной молекулы ДНК на другую. И тогда ретротранскрипция стала не нужна.

В результате образовалась самая привычная нам форма жизни: с генетической стратегией «ДНК-РНК-белок».

Признаемся честно: мы не знаем, когда именно живое вещество разбилось на клетки, отделенные от внешней среды и друг от друга замкнутыми липидными мембранами. Вполне возможно, что это произошло раньше, чем появилась репликация ДНК и исчезла обязательная ретротранскрипция.

Парадоксальным образом размножаются все живые клетки именно делением. Материнская клетка делится на две дочерние, которые получают достаточно точные копии ее генома. Цепь последовательно делящихся клеток - это цепь прямых, без всяких метафор, предков и потомков. Иногда потомки одной и той же клетки оказываются в разных условиях (или получают разные мутации) и начинают под действием естественного отбора накапливать различия. Тогда мы можем заметить, что линия предков и потомков ветвится.

Первым таким ветвлением было разделение всех клеточных организмов на архей и бактерий. Оно произошло точно раньше, чем появился полноценный механизм репликации ДНК, и наверняка раньше, чем появились клеточные мембраны современного типа. А это означает, что типичные (с нашей точки зрения) клетки, окруженные липидной мембраной и имеющие генетическую стратегию «ДНК-РНК-белок», с самого начала существовали в виде двух расходящихся эволюционных ветвей. Так возникло древо жизни.