Происхождение Земли, Биология

Происхождение жизни на Земле — один из наиболее трудных и в то же время актуальный и интересный вопрос в современном естествознании.

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. лет назад зародилась первоначальная жизнь.

Возникновение жизни на Земле

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.

Происхождение Земли, Биология

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.

Происхождение Земли, Биология

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.

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.

Происхождение Земли, Биология

Теории происхождения жизни на Земле

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?

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.

Теория биогенеза

В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает теория биогенеза — происхождение живого только от живого. Но многие считают ее несостоятельной, поскольку она принципиально противопоставляет живое неживому и утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни.

Абиогенез — идея о происхождении живого из неживого — исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 1924 г. известный биохимик А. И.

Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 г. американский исследователь С.

Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом, в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.

Теория панспермии

Теория панспермии — это возможности переноса органических соединений, спор микроорганизмов с одного космического тела на другое.

Но она совершенно не дает ответа на вопрос, как зародилась жизнь во Вселенной? Возникает необходимость обоснования возникновения жизни в той точке Вселенной, возраст которой, согласно теории Большого взрыва, ограничен 12-14 миллиардами лет. До этого времени не было даже элементарных частиц.

А если нет ядер и электронов, нет и химических веществ. Потом в течение нескольких минут возникли протоны, нейтроны, электроны, и материя вступила на путь эволюции.

Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО, наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сообщения якобы о встречах с инопланетянами.

При изучении материалов метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» — такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, которые, возможно, сыграли роль «семян», падавших на голую Землю.

Происхождение Земли, Биология

Сторонниками этой гипотезы были лауреаты Нобелевской премии Ф.Крик, Л.Оргел. Ф.Крик основывался на двух косвенных доказательствах: универсальности генетического кода: необходимости для нормального метаболизма всех живых существ молибдена, который встречается сейчас на планете крайне редко.

Зарождение жизни на Земле невозможно без метеоритов и комет

Исследователь из Техасского технологического университета, после анализа огромного объема собранной информации, выдвинул теорию о том, как же на Земле смогла образоваться жизнь.

Ученый уверен, что появление ранних форм простейшей жизни на нашей планете было бы невозможно без участия упавших на нее комет и метеоритов.

О своей работе исследователь поделился на 125-й ежегодной встрече геологического общества Америки, проходившей 31 октября в городе Денвер, Колорадо.

Автор работы, профессор геонауки в Техасском технологическом университете (ТТУ) и куратор музея палеонтологии при университете, Санкар Чаттерджи рассказал, что к такому выводу он пришел после анализа информации о ранней геологической истории нашей планеты и сопоставления этих данных с различными теориями химической эволюции.

Эксперт считает, что такой подход позволяет объяснить один из самых скрытых и не до конца изученных периодов в истории нашей планеты. По мнению многих геологов, основная масса космических «бомбардировок», в которых участвовали кометы и метеориты, приходилась на время около 4 миллиардов лет тому назад.

Чаттерджи считает, что самая ранняя жизнь на Земле образовалась в кратерах, оставленных при падении метеоритов и комет. И вероятнее всего это произошло в период «Поздней тяжелой бомбардировки» (3,8-4,1 миллиарда лет назад), когда столкновение мелких космических объектов с нашей планетой резко возросло.

На то время приходилось сразу несколько тысяч случаев падения комет. Что интересно, эту теорию косвенно поддерживает Модель Ниццы.

Согласно оной реальное число комет и метеоритов, которые должны были упасть на Землю в то время, соответствует реальному числу кратеров на Луне, явившейся в свою очередь своего рода щитом для нашей планеты и не позволившей бесконечной бомбардировке ее уничтожить.

Читайте также:  Прокариотические клетки

Происхождение Земли, Биология

Некоторые ученые предполагают, что результатом этой бомбардировки является заселение жизнью океанов Земли. При этом несколько исследований на эту тему указывают на то, что наша планета имеет больше запасов воды, чем должна была. А излишек этот списывают на кометы, которые прилетели к нам с Облака Оорта, находящегося предположительно в одном световом годе от нас.

Чаттерджи указывает, что образовавшиеся в результате этих столкновений кратеры заполнились растаявшей водой из самих комет, а также необходимыми химическими строительными блоками, необходимыми для образования простейших организмов. При этом ученый считает, что те места, где даже после такой бомбардировки не появилась жизнь, просто оказались непригодны для этого.

«Когда около 4,5 миллиарда лет назад образовалась Земля, она была полностью непригодна для появления на ней живых организмов. Это был настоящий кипящий котел из вулканов, ядовитого горячего газа и постоянно падающих на нее метеоритов», — пишет онлайн-журнал AstroBiology, ссылаясь на ученого.

«А спустя один миллиард лет она стала тихой и спокойно планетой, богатой огромными запасами воды, населенной различными представителями микробной жизни — предками всех живых существ».

Жизнь на Земле могла возникнуть благодаря глине

Группа учёных под руководством Дань Ло (Dan Luo) из Корнеллского университета выступила с гипотезой, что концентратором для древнейших биомолекул могла служить обычная глина.

Изначально исследователи занимались не проблемой происхождения жизни — они искали способ повысить эффективность бесклеточных систем синтеза белка.

Вместо того чтобы позволить ДНК и обслуживающим её белкам свободно плавать в реакционной смеси, учёные попробовали загнать их в частицы гидрогеля.

Этот гидрогель, словно губка, впитывал реакционную смесь, сорбировал нужные молекулы, и в результате все нужные компоненты оказывались заперты в небольшом объёме — подобно тому, как это происходит в клетке.

Происхождение Земли, Биология

Затем авторы исследования попытались использовать в качестве недорогого заменителя гидрогеля глину. Частицы глины оказались похожи на частицы гидрогеля, становясь своеобразными микрореакторами для взаимодействующих биомолекул.

Получив такие результаты, учёные не могли не вспомнить о проблеме происхождения жизни.

Частицы глины с их способностью сорбировать биомолекулы могли бы на самом деле послужить самыми первыми биореакторами для самых первых биомолекул, пока те ещё не обзавелись мембранами.

В пользу такой гипотезы говорит ещё и то, что вымывание силикатов и других минералов из скал с образованием глины началось, по геологическим прикидкам, как раз перед тем, когда, по мнению биологов, древнейшие биомолекулы начали объединяться в протоклетки.

— В воде, точнее в растворе, мало что могло произойти, потому что процессы в растворе идут абсолютно хаотично, а все соединения очень неустойчивы.

Глина современной наукой — точнее, поверхность частиц глинистых минералов — рассматривается как матрица, на которой могли образовываться первичные полимеры. Но это тоже только одна из многих гипотез, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны.

Но чтобы смоделировать зарождение жизни в полном масштабе, нужно действительно быть Богом. Хотя на Западе сегодня уже появляются статьи с названиями «Конструирование клетки» или «Моделирование клетки».

Например, один из последних нобелевских лауреатов Джеймс Шостак сейчас активно предпринимает попытки создания эффективных клеточных моделей, которые размножаются сами по себе, воспроизводя себе подобных.

Первые свидетельства в пользу физической теории происхождения жизни

SLY_G 2 сентября 2017 в 13:31 Происхождение Земли, Биология

Биофизик Джереми Ингланд взбудоражил общественность в 2013 году своей новой теорией, делающей происхождение жизни неизбежным следствием термодинамики. Его уравнения подразумевают, что при определённых условиях группы атомов естественным образом перегруппировываются так, чтобы тратить всё больше и больше энергии, содействуя непрерывному рассеянию энергии и появлению «энтропии», или беспорядка во Вселенной. Ингланд говорит, что этот эффект реструктуризации, называемый им адаптацией под воздействием рассеяния, стимулирует рост сложных структур, включая и живые организмы. Существование жизни – не загадка и не удача, писал он в 2014-м, оно следует из основных физических принципов и «должно быть настолько же неудивительно, как катящиеся с горы камни».

С тех пор Ингланд, 35-летний адъюнкт-профессор в Массачусетском технологическом институте проверял аспекты своей идеи в компьютерных симуляциях. Две наиболее важных из ряда его работ были опубликованы в июле 2017 – самый интересный результат появился в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), а второй – в Physical Review Letters (PRL). Результаты обоих экспериментов, судя по всему, подтверждают основное утверждение Ингланда об адаптации под воздействием рассеяния, хотя возможность их применения к реальной жизни остаётся под вопросом.

«Это, очевидно, новаторское исследование», – сказал Майкл Лассиг [Michael Lässig], специалист по статистической физике и количественной биологии из Кёльнского университета в Германии, по поводу работы из PNAS, написанной Ингландом и постдоком из MIT, Джорданом Хоровицем. Лассиг пишет, что это «пример изучения заданного набора правил в относительно небольшой системе, поэтому пока рано говорить, можно ли будет его обобщать. Однако очевидным интересным вопросом будет – что это означает для жизни».

В работе разбираются практически важные детали клеток и биологии, и описывается упрощённая, симулированная система химических соединений, в которой, тем не менее, возможно спонтанное возникновение исключительной структуры – этот феномен Ингланд считает побуждающей силой, стоящей за возникновением жизни. «Это не значит, что вы гарантированно получите эту структуру», – поясняет Ингланд. Динамика системы слишком сложна и нелинейна для того, чтобы предсказывать результаты.

В симуляции участвует суп из 25 химических соединений, взаимодействующих друг с другом огромным количеством способов. Источники энергии заставляют проходить некоторые из этих реакций, как солнечный свет запускает выработку озона в атмосфере, а химическое топливо аденозинтрифосфат управляет процессами в клетке.

Начав со случайных начальных концентраций, скоростей реакций и «принудительных ландшафтов» [forcing landscapes] – правил, говорящих, какие реакции получат подпитку внешних сил и какую именно – симулированная сеть химических реакций развивается, пока не достигнет конечного, стабильного состояния, или «фиксированной точки».

Происхождение Земли, Биология

Система часто успокаивается в равновесном состоянии со сбалансированной концентрацией химических веществ и реакциями, с равной вероятностью идущими в обе стороны.

Стремление к равновесию, например, чашка кофе, остывающая до комнатной температуры – самый знакомый результат второго закона термодинамики, постулирующего, что энергия постоянно распространяется, а энтропия Вселенной постоянно увеличивается.

Второй закон работает потому, что у энергии есть больше способов распределиться между частицами, чем сконцентрироваться в одном месте, поэтому по мере передвижения и взаимодействия частиц более вероятно распределение энергии между ними.

Но для некоторых начальных условий сеть химических реакций в симуляции развивается совершенно по-другому. В этих случаях она эволюционирует до фиксированных состояний, находящихся далеко от точки равновесия, где начинает активно гонять циклы реакций, забирая максимально доступное количество энергии из окружающей среды. Эти случаи можно считать «примерами тонкой подстройки» между системой и окружением, как пишут Хоровиц и Ингланд, когда система находит «редкие состояния экстремального термодинамического принуждения». Живые существа также поддерживают стабильные состояния экстремального принуждения: мы суперпотребители, сжигающие огромное количество химической энергии через реакции в клетках, увеличивая тем самым энтропию Вселенной. Компьютер эмулирует это поведение в более простой и абстрактной химической системе, и показывает, что это состояние может появиться «прямо сразу, без огромного времени ожидания», – говорит Лассиг, что показывает доступность этих точек на практике. Многие биофизики считают, что в истории жизни могло встретиться нечто похожее на то, что описывает Ингланд. Но нашёл ли он самый главный этап в происхождении жизни, зависит от того, что есть сущность жизни? Тут мнения расходятся.

Форма и функционирование

Ингланд, всесторонне одарённый человек, работавший в Гарварде, Оксфорде, Стэнфорде и Принстоне перед тем, как прийти в MIT в 29 лет, считает, что сущностью живых существ является исключительное расположение составляющих их атомов.

«Если представить, что я случайным образом перемешаю атомы бактерии – возьму, помечу, и перемешаю в пространстве – я, вероятно, получу некий мусор, – писал он ранее. – Большая часть комбинаций атомов не превратится в такую метаболическую энергостанцию, как бактерия». Группе атомов нелегко получить доступ к химической энергии и сжечь её.

Для выполнения такой задачи атомы должны выстроиться в очень необычную структуру. По Ингланду, само существование взаимосвязи формы и функции «подразумевает, что окружающая среда ставит задачу, которую решает получившаяся структура».

Читайте также:  Особенности внутреннего строения и жизнедеятельности птиц, биология

Но как и почему атомы принимают определённую форму и функцию бактерии, с её оптимальной для потребления химической энергии конфигурацией? Ингланд считает, что это естественное следствие термодинамики для систем, находящихся далеко от точки равновесия.

Физический химик, лауреат нобелевской премии Илья Пригожин, занимался схожими идеями в 1960-х, но его методы были ограничены. Традиционные термодинамические уравнения хорошо работают только для изучения систем, находящихся в состоянии, близком к равновесному – таких, как медленно охлаждаемый или нагреваемый газ. Системы, подпитываемые мощными внешними источниками энергии, обладают куда как более сложной динамикой и их гораздо сложнее изучать.

Ситуация поменялась в конце 1990-х, когда физики Гэвин Крукс и Крис Ярзинский [Gavin Crooks and Chris Jarzynski] вывели “теоремы флуктуации”, которую можно использовать для подсчёта того, насколько прямые физические процессы происходят чаще обратных.

Теоремы позволяют исследователям изучать эволюцию системы, даже далёкой от равновесия. Новый подход Ингланда, по словам Сары Уокер, физика-теоретика и специалиста по происхождению жизни из Аризонского университета, заключается в применении теорем флуктуации к «задачам, связанным с происхождением жизни.

Я думаю, он единственный человек из всех, делающий это достаточно досконально».

Кофе остывает из-за того, что его ничто не нагревает, но подсчёты Ингланда говорят о том, что группы атомов, питаемые внешними источниками энергии, могут вести себя по-другому. Они стремятся подключиться к этим источникам энергии, выравниваются и меняются местами так, чтобы лучше поглощать энергию и рассеивать её в виде тепла.

Далее он показал, что эта статистическая тенденция к рассеиванию энергии может поддерживать самовоспроизведение (как он объяснял в 2014 году, «отличным способом рассеять больше энергии будет изготовление копий самого себя).

Ингланд считает, что жизнь, и её необычайное объединение формы и функции, служит итогом адаптации, питаемой стремлением к рассеиванию и самовоспроизведения.

Однако, даже с использованием теорем флуктуации условия на ранней Земле или в клетке будут слишком сложными для того, чтобы исходя из этих принципов можно было делать предсказания. Поэтому идеи необходимо проверять в упрощённых условиях, симулируемых на компьютере, в попытках приблизиться к реалистичности. В работе для PRL Ингланд и соавторы, Тал Качман и Джереми Оуэн [Tal Kachman and Jeremy Owen] из MIT симулировали систему взаимодействующих частиц. Они обнаружили, что система со временем увеличивает поглощение энергии, формируя и разрывая связи для того, чтобы лучше резонировать с движущей её частотой. „Это в некотором смысле более простой результат“, чем работа для PNAS, в которой участвует сеть химических реакций, говорит Ингланд.

Во второй работе он и Хоровиц создали сложные условия, в которых специальные конфигурации атомов должны будут подключаться к доступным источникам энергии, так же, как особая конфигурация атомов бактерии позволяет ей проводить метаболизм. В симуляции внешние источники энергии подстёгивали определённые химические реакции в сети реакций.

Активность такой стимуляции зависела от концентраций различных химических соединений. С ходом реакций и увеличением концентраций сила стимуляции могла резко изменяться.

Такая резкость приводила к тому, что системе было сложно „находить комбинации реакций, способных оптимально добывать доступную энергию“, поясняет Джереми Гунавардена, математик и системный биолог из Гарвардской медицинской школы.

И всё же, когда исследователи позволяли сети реакций развиваться в таком окружении, она становилась тонко подстроенной под это окружение. Случайный набор начальных условий эволюционировал и принимал редкие состояния энергичной химической активности и экстремальной поддержки в четыре раза чаще, чем ожидалось. А когда такие результаты наступали, это случалось очень резко. При этом системы проходили через циклы реакций и рассеивали в процессе энергию, что, с точки зрения Ингланда, служит простейшим взаимоотношением формы и функциональности, необходимой для возникновения жизни.

Обработчики информации

Эксперты говорят, что следующим важным шагом для Ингланда и его коллег будет масштабирование сетей химических реакций с тем, чтобы посмотреть, происходит ли с ними динамическая эволюция до редких фиксированных состояний экстремальной поддержки.

Они также могут попытаться сделать стимуляцию менее абстрактной, приведя химические концентрации, скорости реакций и условия поддержки к таким, которые могли существовать в приливных заводях или рядом с вулканическими трубками в первичном бульоне ранней Земли (но воспроизведение условий, из которых на самом деле возникла жизнь – это, в основном, догадки и предположения). Рауль Сарпешкар [Rahul Sarpeshkar], профессор машиностроения, физик и микробиолог в Колледже Дартмура, сказал: „Было бы неплохо получить конкретную физическую информацию по этим абстрактным построениям“. Он надеется увидеть, как эти ситуации будут воспроизведены в реальных экспериментах, возможно, при помощи относящихся к биологии химических соединений и источников энергии, таких, как глюкоза.

Но даже если можно будет увидеть состояния с тонкой подстройкой, очень сильно напоминающие условия, которые, как предполагается, дали старт зарождению жизни, некоторые исследователи считают, что диссертация Ингланда описывает „необходимые, но недостаточные“ условия для объяснения появления жизни, как говорит Уокер. Они не могут описать то, что некоторые считают истинным признаком биологических систем: способность к обработке информации. От простейшего хемотаксиса (способности бактерий двигаться по направлению к концентрации питательных веществ или в направлении от ядовитых соединений) до человеческого общения, формы жизни принимают и реагируют на информацию о своём окружении.

Уокер считает, что это отличает нас от других систем, попадающих под охват теории Ингланда об адаптации под воздействием рассеяния, таких, как Большое красное пятно Юпитера.

„Это неравновесная рассеивающая структура, существующая, по меньшей мере, 300 лет, и она сильно отличается от неравновесных рассеивающих структур, существующих на Земле сегодня и эволюционировавших миллиарды лет“, – говорит она. Понимание того, что выделяет среди таких структур жизнь, „требует явного определения информации, выходящего за пределы процесса рассеивания“.

С её точки зрения, возможность реагировать на информацию является ключом к этому: „Нам нужны сети химических реакций, которые могут встать на ноги и уйти от той среды, в которой зародились“.

Гунавардена отмечает, что кроме термодинамических свойств и возможностей обработки информации, существующих у форм жизни, они также хранят и передают генетическую информацию о себе своим потомкам. Происхождение жизни, говорит он, это „не просто появление структуры, это появление определённой динамики, дарвиновского толка. Это появление воспроизводящихся структур. И возможность влияния свойств этих объектов на скорость воспроизведения. Когда вы выполните оба условия, вы окажетесь в ситуации начала дарвиновской эволюции, и биологи считают, что в этом вся суть“.

Евгений Шахнович, профессор химии и химической биологии в Гарварде, руководивший исследованием Ингланда, чётко разделяет работу своего бывшего студента и вопросы биологии.

„Он начал свою научную карьеру в моей лаборатории и я знаю, какой он способный, – говорит Шахнович, – но работа Джереми представляет потенциально интересные упражнения в неравновесной статистической механике простых абстрактных систем“.

Все заявления о том, что они имеют отношение к происхождению жизни, добавляет он, „являются чистой и бесстыдной спекуляцией“.

Даже если Ингланд находится на правильном пути с точки зрения физики, биологам нужно больше конкретных вещей – к примеру, теория того, из каких примитивных протоклеток появились первые живые клетки, и как появился генетический код.

Ингланд соглашается, что на эти вопросы у его открытий нет ответа. „В краткосрочной перспективе они мало что говорят мне о работе биологических систем, я даже не заявляю, что они обязательно расскажут мне о том, откуда взялась известная нам жизнь“, – говорит он.

Оба вопроса – это „удручающая мешанина“, основанная на „обрывочных свидетельствах“, от которых он „намерен пока держаться подальше“.

Он просто предлагает, что в наборе инструментов у первой жизни „возможно, есть кое-что, что можно получить за просто так, а затем оптимизировать при помощи дарвиновского механизма“.

Сарпешкар, судя по всему, расценил адаптацию под воздействием рассеяния как первый акт истории происхождения жизни.

„Джереми показывает, что если вы способны добывать энергию из окружения, порядок спонтанно появится и самонастроится“, – говорит он.

Он отмечает, что живые организмы совершают гораздо больше действий, чем сеть химических реакций Ингланда и Хоровица. „Но мы говорим о том, как впервые появилась жизнь – как порядок мог появиться из ничего“.

Как зарождалась планета Земля

Существующие методы исследования позволили установить, что примерный возраст нашей планеты составляет 4,5 млрд лет, но о том, как появилась Земля и какие процессы поспособствовали ее формированию, есть лишь теории и гипотезы. Осталось немного геологических свидетельств данных процессов, а современные наблюдения за особенностями формирования планет в других галактиках охватывают слишком короткий период.

Планета ночью из космоса. Credit: ICRAR

Ранние теории происхождения планеты

Ранние этапы формирования планеты являются наименее изученными, поэтому по мере развития науки стали появляться теории, кратко объясняющие, как создавалась Земля. Первые гипотезы формирования планеты появились еще в 17 в., но многие из них уже опровергнуты исследованиями.

Читайте также:  Температура воздуха - биология

Сейчас большинство ученых придерживаются мнения, что зарождение Земли произошло из пыли и газов на ранних этапах формирования Солнечной системы, но и более ранние гипотезы не могут быть полностью опровергнуты.

Концепция Лапласа

Предложенная П. С. Лапласом в 1796 г. гипотеза образования планеты на протяжении длительного времени признавалась в научном обществе, т.к. была частично обоснована математическими расчетами. Этот исследователь предположил, что формирование Солнечной системы и всех ее элементов произошло в результате вращения первичной туманности.

При сжатии центробежная сила может расти быстрее притяжения, но при их равенстве способна возникнуть ротационная неустойчивость, которая будет провоцировать сплющивание туманности и отделение плотного вещества из ее центра. Выброшенные газы и пыль сформировали плоские кольца, а затем вещества под нарастающей силой тяжести стянулись, образовав планеты.

Гипотеза Канта

Кант выдвинул первую космогоническую гипотезу, в которой предположил, что зарождение всех элементов Солнечной системы, в т.ч. Земли, произошло из пыли и газов. Поспособствовала данному процессу сила тяжести. Сначала в центре сформировалось Солнце, а затем появились планеты.

Недостаток гипотез Канта и Лапласа

Гипотезы о происхождении Земли, выдвинутые Лапласом и Кантом, имеют ряд недостатков. Многие современные астрофизики считают следующее: первичная туманность имела настолько малую плотность, что ее вращение не могло происходить так же, как твердого тела. Это ставит под сомнение возможность влияния вращения на процесс формирования центральной звезды и окружающих ее планет.

Кроме того, вещество не может отрываться скачками в экваториальной части формации. Считается, что данный процесс должен быть непрерывным, как при формировании туманности.

Некоторые исследователи отмечают, что кольцо, масса которого равна планете, не смогло бы сгуститься и впоследствии рассеялось под собственным весом. Ядро Солнца выбрасывает большое количество энергии не за счет сжатия, а благодаря термоядерному синтезу.

Теория Фесенкова

В. Г. Фесенков выдвинул несколько теорий формирования Солнца и Земли. Согласно его раннему предположению, звезда зарождается со сверхвысокой температурой, но в дальнейшем из-за остывания и высокой скорости вращения от нее отделяется газовая масса, из которой формируется планета.

Позже В. Г. Фесенков предположил, что возможно формирование планеты могло произойти из первичного холодного облака пыли и газов. Этому процессу предшествует набор избыточной скорости вращения звезды, приводящий к выбросу вещества и к уплотнению газопылевой среды. Зародыши планеты имели плотность около 10 г/см³.

Теории Мультона и Чемберлина

Происхождение по теории Мультона и Чемберлина. Credit: ICRAR

Геолог Т. Чемберлин и астроном Ф. Мультон предположили, что 65-70 млрд лет назад Солнце не имело спутников в виде планет. Однако в дальнейшем к нему приблизилась другая звезда.

Сила ее тяжести стала причиной формирования большой приливной волны, состоящей из веществ в жидком и газообразном состоянии. Она двигалась следом за близко подошедшей звездой.

Оторванные массы при этом стали удерживаться притяжением Солнца на некотором расстоянии от него. В дальнейшем в процессе конденсации газов элементы соединялись друг с другом.

Сформировались небольшие плотные тела, а затем планеты, спутники, метеориты и т.д.

Суждения Джинса

Д. Джинс считал, что после формирования Солнца близко к нему проходила другая звезда, из которой силой притяжения было вынуто некоторое количество материи. Эта смесь газов сгустилась до образования сначала небольших твердых тел, а затем астероидов, планет и т.д. В дальнейшем сформированные тела могли сталкиваться, пока их орбита не стабилизировалась.

Гипотеза Шмидта

О. Ю. Шмидт вдвинул теорию, что сначала сформировалось Солнце, вокруг которого вращалось облако, содержащее частички замерзшего газа и пыли.

Находясь в движении, данные элементы уплотнялись, сталкивались и притягивались друг к другу. Постепенно облако уплотнялось и сплющивалось. Твердые элементы начали двигаться по круговой орбите.

В дальнейшем из них формировались такие крупные объекты, как планеты.

Предположения Рудника и Соботовича

Е. Соботович и В. Рудник в 1984 г. выдвинули свою теорию зарождения Земли. Согласно их предположению, изначально на месте нашей Солнечной системы была газово-пылевая туманность. В дальнейшем произошло крупное событие, которое повлияло на нее. Велика вероятность, что им стал взрыв сверхновой звезды, располагавшейся рядом.

Образование солнечной системы по предположению Рудника и Соботовича. Credit: Socratic

Выброс большого количества энергии спровоцировал сжатие туманности и начало формирования центрального сгустка — Солнца. Вокруг центра под действием данного процесса образовались кольца, состоящие из пыли, твердых камней и газов. Сжатие и сила тяжести поспособствовали образованию Земли и других планет.

Взрыв вселенского масштаба

Некоторые исследователи придерживаются теории, что Вселенная зародилась в результате большого взрыва. Существовавшая изначально материя или плазма, отличавшаяся крайне высокой температурой, по какой-то причине взорвалась. Вырвавшаяся раскаленная материя и частицы получили большое ускорение. В разные стороны они разлетались неравномерно.

При этом длительное время температура Вселенной была крайне высокой, поэтому разбросанные частицы не могли соединяться. При снижении температуры до 4000°C были сформированы атомы гелия и водорода, отличающиеся малой массой. По мере охлаждения Вселенной появились более тяжелые химические элементы.

После остывания атомы сформировали первичные туманности, состоящие из газа и пыли, а затем тела разных размеров. Данному процессу поспособствовала гравитация. Считается, что формирование галактик произошло примерно через 1-2 млрд лет после большого взрыва. Из туманности сначала сформировалось Солнце, а затем и планеты.

Зарождение вселенной в результате большого взрыва. Credit: chandra.harvard.edu

Появление Земли от газа к твердому телу

Сначала сформировавшееся Солнце окружали газы и мелкие частички пыли. Они двигались хаотично, сталкивались и соединялись. При этом на них продолжало оказывать действие притяжение Солнца, а также выделенные из него тела и атомы. Уплотнение газов и пыли поспособствовало формированию сначала камней, метеоров и астероидов, а затем и таких крупных твердых тел, как планеты.

Формирование планеты

Земля — это не твердый камень, а многослойная структура. После того как объем планеты стал достаточно большим, произошло уплотнение ее ядра.

В молодой планете присутствовало много радиоактивных веществ, в т.ч.:

  • иридий;
  • уран;
  • рений;
  • торий;
  • самарий;
  • люцетий и т.д.

Ядерная реакция, протекающая в ядре, и распад изотопов стали причиной расплавления планеты. На раннем этапе формирования почти вся ее поверхность была покрыта расплавленным океаном лавы.

На протяжении миллионов лет наблюдалась повышенная вулканическая активность. При этом на поверхность расплавленной Земли падало большое количество астероидов, комет и метеоров, которые приносили ряд химических веществ.

Фазы формирования нашей планеты. Credit: Cosmoseye

Постепенно поверхность Земли начала остывать, что создало условия для формирования коры. Однако примерно через 30 млн лет после завершения формирования Земли произошло ее столкновение с другой планетой — Теей. Это стало причиной высвобождения большого количества энергии.

Две планеты слились и снова вернулись в жидкое состояние. При этом большое количество обломков были выброшены в космос, а затем под действием силы притяжения они сформировали кольцо, из которого в дальнейшем образовалась Луна.

Процесс радиоактивного распада длительное время поддерживал Землю в расплавленном состоянии, но постепенно вулканическая активность снизилась, поверхность остыла и сформировалась кора.

На ней начала скапливаться вода, что привело к формированию первичного мирового океана.

На его поверхности присутствовало большое количество вулканических островов, но они быстро разрушались под действием морской стихии.

Усиление вулканической активности стало причиной разломов в коре, просачивания в них воды и появления нового типа горных пород, таких как гранит. Этот материал стал основой для формирования современных континентов.

Дрейф материков

Движение континентов. Credit: Infourok

Первые материки были сформированы из гранита 3,5 млрд лет назад. Данный материал был устойчивым к воздействию воды и при этом достаточно легким и менее плотным, чем базальт, из которого была сформирована океаническая кора.

Из-за разницы в плотности и весе гранитные материки могли дрейфовать по мантии.

На протяжении всего периода развития Земли они неоднократно соединялись, формируя суперконтиненты, а затем снова раскалывались из-за влияния на них внутреннего тепла планеты.

Возникновение жизни

Считается, что жизнь зародилась в период формирования первых материков. Под водой протекали активные вулканические процессы. «Черные курильщики» выбрасывали горячую воду, насыщенную разными микроэлементами. Кроме того, в океан с метеоритами и астероидами попадали аминокислоты и другие соединения.

Особые условия спровоцировали случайное возникновение первых одноклеточных микроорганизмов, которые питались за счет энергии подводных вулканов.

Изменяющиеся условия стали причиной подъема некоторых видов бактерий к поверхности и развития способности получать пищу путем фотосинтеза. На мелководье возле сформировавшихся материков возникли обширные колонии строматолитов. Эти водоросли вырабатывали большое количество кислорода. Увеличение его количества в воде и атмосфере подтолкнуло формирование многоклеточных организмов.

Ссылка на основную публикацию