Жизнь на Земле, Биология

Каким образом мы все появились на Земле? На протяжении многих веков люди задавали себе этот вопрос и пытались найти на него ответ. Это одна из самых сложных загадок для человеческого разума.

Одной из общепринятых версий возникновения жизни на Земле является теория Большого взрыва. Согласно ей, около 15 млрд лет назад Вселенная представляла собой небольшой горячий объект.

Затем произошел Большой взрыв, и этот объект стал расширяться и существенно увеличиваться в размерах. Так произошло рождение Вселенной. Образовались галактики, звезды, в том числе и Солнце.

Вокруг него начали вращаться 8 планет, одна из которых — наша Земля.

Жизнь на Земле, Биология

Большой взрыв, в результате которого появилась Вселенная

Формирование планеты Земля

Около 4,6 млрд лет назад Земля выглядела совсем по-другому. Вместо привычных зеленого, голубого и белого цветов наша планета была красно-оранжевой. Ее поверхность покрывал океан кипящей лавы. Вместо кислорода, которым мы дышим сегодня, воздух был насыщен смертельно ядовитыми газами.

Жизнь на Земле, Биология

Земля 4,6 млрд лет назад

На протяжении первых 500 млн лет своего существования Земля представляла собой огромный безжизненный шар огненной лавы. Затем в течение еще 300 млн лет планета была слишком горячей для появления воды. Потом она стала постепенно остывать. Повсюду начали идти дожди, причем настолько сильные, что образовались реки, озера, моря и океаны.

Но все водное и наземное пространство по-прежнему оставалось безжизненным: в воде не плавала рыба, по небу не летали птицы, не было ни людей, ни животных. Только песок и камень.

Появление жизни на Земле

По мнению биологов, жизнь на Земле образовалась в результате эволюции. Несмотря на видимую безжизненность древнего океана, он содержал химические соединения, которые были готовы преобразоваться в живые организмы.

Ученые назвали эти строительные вещества первичным бульоном, т.е. возможным источником возникновения жизни на Земле.

В состав этого бульона входили аминокислоты, белки, жиры, углеводы и другие основные компоненты клеток живого существа.

Когда на Земле зародилась жизнь?

Официальная “дата” зарождения жизни на Земле – 3,5 млрд. лет назад. Именно в это время возникли первые живые существа, населившие новую планету – сине-зеленые водоросли (простейшие цианобактерии). Они зародились совершенно уникальным образом в только что возникших океанах Земли и стали первыми “производителями” одного из главных элементов атмосферы нашей планеты – кислорода.

Жизнь на Земле, Биология

Цианобактерии

Несмотря на то, что время возникновения на Земле жизни научно доказано, тем не менее, некоторые геохимики, исследовав состав нашей планеты, утверждают, что жизнь на земном шаре возникла намного раньше – 4,4 млрд. лет назад, почти сразу же после рождения новой планеты.

Загадка кажется смешной, но в ней есть глубокий смысл. Подумай сам: если бы не было курицы, то не существовало бы и яиц, а с другой стороны, как появилась курица? Из яйца? Что все-таки было первым? Ответ на этот очень сложный вопрос касается не только курицы и яйца, но и всех форм жизни.

Жизнь на Земле, Биология

Чем питались первые клетки?

Первые клетки питались, скорее всего, первичным бульоном, тем, из которого они образовались. Большое количество белков, жиров и аминокислот позволяло клеткам жить и размножаться. Они стали родоначальниками клеток животных.

На протяжении миллионов лет запасы продовольствия постепенно сокращались. В результате стали образовываться новые клетки — так называемые продуценты. Они смогли развить способность создавать для себя пищу из окружающего строительного материала, используя энергию Солнца или тепло Земли.

Эти клетки положили начало всему растительному миру.

Клетка — это основной элемент живого существа. Она может питаться, двигаться и образовывать себе подобных. Первые клетки были достаточно примитивными, но они смогли взять необходимые элементы из первичного бульона и начать свою очень короткую жизнь. Жизнь на Земле, Биология

Первичный бульон — возможно, именно из него и возникла жизнь на планете Земля

Эволюционные изменения

Чтобы жизнь вокруг нас стала такой, какой мы ее видим сейчас, был пройден долгий и трудный путь превращения простейшей клетки в многоклеточный организм.

Жизнь на Земле, Биология

Кислород — основа жизни

Переломным моментом на этом пути стало использование клетками кислорода. Ты уже знаешь, что изначально в земной атмосфере кислород содержался в минимальных количествах или отсутствовал вообще, поэтому и первые клетки были устроены так, что не нуждались в нем.

Тем не менее клетки развивались и выделяли кислород в атмосферу. В течение довольно длительного времени атмосфера Земли из смеси смертельно ядовитых газов превратилась в среду, благоприятную для живых существ.

Следующий этап развития

Развитие многоклеточных организмов — следующий этап эволюционного развития. Жизнь больше не ограничивалась одноклеточными существами.

Стали появляться новые организмы, состоящие из двух, десяти, тысячи и даже миллиардов клеток. Более того, клетки с разным строением стали специализироваться на выполнении разных работ.

Например, одни исполняли роль глаз, другие — сердца, третьи — мозга, тем самым усложняя и совершенствуя устройство живого организма.

Жизнь на Земле, Биология

С изменением состава атмосферы изменилась и жизнь на Земле. Стали образовываться клетки, для жизнедеятельности которых понадобился кислород. А он благодаря своим свойствам открыл двери более сложным и продвинутым жизненным формам

Естественный отбор: выживают сильнейшие

Почему так происходит? Давай разбираться. Жизнь на Земле началась с простейших клеток, которые впоследствии развились в растения, животных и все остальные организмы. Но кто решил, как будет выглядеть каждый из них?

Почему у животных есть глаза, уши, нос и другие органы? Почему существует так много видов живых существ?

Да, и этот «кто-то» — естественный отбор. Согласно закону естественного отбора, сильный выживает, а слабый погибает. Например, в стае львов только самые сильные и здоровые животные способны к воспроизведению, т.е. выведению потомства.

Каким образом определяется внешний вид животных?

Ты сам можешь дать ответ на этот вопрос. Посмотри на себя в зеркало. На кого ты похож? На своих родителей, бабушек и дедушек.

То же происходит и с животными. У львов рождаются львята, у сов — совята и т.д. И если у львов длинный хвост, то такой же будет у львенка, когда он вырастет. Маленький совенок очень похож на своих взрослых родителей, и вряд ли ты его перепутаешь с птенцом павлина или цыпленком. Детеныши перенимают все внешние признаки своих родителей.

Жизнь на Земле, Биология

На протяжении миллионов лет образовывались многочисленные виды растений и животных. Одни из них были маленькие, другие — большие, одни жили на суше, другие — в воде. И всем этим процессом руководил естественный отбор

Эволюция в действии — совершенствование поколений

Представь, миллионы лет назад на Земле жили птицеподобные животные, которые не могли летать. Со временем у некоторых из них развилась способность высоко прыгать и, возможно, даже пролетать небольшие дистанции. Совершенно очевидно, что это умение давало им неоспоримые преимущества перед другими видами живых существ.

Прыгучие животные могли беспрепятственно скрываться от погони, быстрее перемещались и находили пищу. Поэтому выжили именно эти особи, а их детеныши унаследовали способность высоко прыгать и пролетать небольшие расстояния. И так происходило с каждым поколением, причем потомки еще выше прыгали и еще дольше могли находиться в воздухе.

А выживали самые сильные и здоровые, и у них появлялись детеныши, обладавшие выдающимися качествами своих родителей.

В конце концов спустя миллионы лет птицы стали непревзойденными асами полета.

Жизнь на Земле, Биология

Древнейшие предки птиц

Поделиться ссылкой

Урок 2. возникновение жизни на земле и появление человека – Экология – 10 класс – Российская электронная школа

  • Экология, 10 класс
  • Урок 2. Возникновение жизни на Земле и появление человека
  • Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
  • Мы узнаем:
  • гипотезы возникновения жизни на Земле;
  • как появился человек;
  • этапы взаимодействия человека и природы.

Научимся:

  • обосновывать концепцию абиогенеза;
  • выявлять причинно-следственные связи эволюционных процессов.

Сможем:

  • сравнивать и анализировать научные гипотезы.
  1. Мы узнаем:
  2. – гипотезы возникновения жизни на Земле;
  3. – как появился человек;
  4. – этапы взаимодействия человека и природы.
  5. Глоссарий по теме:
  6. Жизнь– это форма существования организмов, возможная только в открытых системах, подпитываемых из внешнего источника энергией.
  7. Энергия – это неотъемлемое свойство движущейся материи, способность тела, системы производить работу или теплообмен между объектами
  8. Основная и дополнительная литература (точные библиографические данные с указанием страниц):
  9. Обязательная литература:
  • Экология. 10–11 классы: учеб. пособие для общеобразоват. организаций: базовый уровень / М. В. Аргунова, Д. В. Моргун, Т. А. Плюснина. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 2018. – 143 с.

Дополнительные источники:

  • Крискунов Е.А., Пасечник В.В. Экология. 10–11 кл. М.: Дрофа, 2010.
Читайте также:  Память и мышление - биология

Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии):

Учение о биосфере: основные положения и понятия. АРТ консервация www.art- con.ru/node

Теоретический материал для самостоятельного изучения:

Возникновение жизни на Земле – одна из нераскрытых тайн прошлого. Живые организмы способны обмениваться друг с другом и со средой своего обитания энергией, веществом и информацией. Любая форма живого вещества – это сложная система, для которой необходим постоянный приток энергии. Жизнь возможна только в открытой системе.

Существует несколько гипотез возникновения жизни на Земле: гипотеза абиогенеза, креационизм, гипотеза панспермии, гипотеза стационарного состояния.

Одним из первых гипотезу о происхождении жизни из абиотической среды (биохимической эволюции) в 1924 г. сформулировал советский биохимик академик А. И. Опарин (1894–1987) (в 1936 г. он подробно изложил ее в своей книге «Возникновение жизни»).

А в 1950-х XX века американские ученые Стэнли Миллер и Гарольд Юри в доказательство гипотезы А.И. Опарина в лаборатории смоделировали условия, которые могли существовать у поверхности молодой Земли. Ими получено больше 20 аминокислот, сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот.

Гипотеза креационизма (или сотворения) возникла в XIX веке, когда этим словом стали называться сторонники различных версий появления мира и жизни, предложенных авторами Торы, Библии и других священных книг монотеистических религий.

Теории стационарного состояния и панспермии представляют собой взаимодополняющие элементы единой картины мира, сущность которой заключается в следующем: вселенная существует вечно и в ней вечно существует жизнь (стационарное состояние).

Жизнь переносится с планеты на планету путешествующими в космическом пространстве «семенами жизни», которые могут входить в состав комет и метеоритов (панспермия).

Подобных взглядов на происхождение жизни придерживался, в частности, основоположник учения о биосфере академик В.И. Вернадский.

В 1859 г. Ч. Дарвин предложил идею эволюции. Высшим проявлением эволюции на Земле в его учении стало появление вида Человек разумный (Homo sapiens), который отличается от всех животных наличием разума.

История становления человечества занимает короткий период и составляет менее 3 млн лет. Человек постоянно взаимодействует с окружающей природной средой изменяя её под воздействием хозяйственной деятельности.

Интересные факты.

История становления человечества

Если представить время с момента появления жизни на Земле как суточный циферблат часов, то современный человек появился всего за 2 секунды до полуночи, а его история начала записываться за 1/4 с. При этом развитие человечества протекало лишь в последние 2 с этих условных суток.

Несмотря на столь короткий период становления человечества в истории развития жизни на Земле, сегодня мы становимся свидетелями вымирания большого числа различных видов организмов.

За период существования человечества количество исчезнувших видов больше, чем за все предыдущие 5 млрд лет.

Сокращение биоразнообразия

В соответствии с летописью окаменелостей 94–99 % видов живых существ, живших на Земле, к настоящему времени вымерло. Сейчас количество видов оценивается в 5–30 млн, причем, ежегодно описывается около тысячи неизвестных видов.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля (не менее 2 заданий):

Тестовое задание на установление соответствия.

Задание. Установите соответствие между термином и его определением.

Жизнь Необратимое историческое развитие живой природы.
Энергия Неотъемлемое свойство движущейся материи, способность тела, системы производить работу или теплообмен между объектами.
Эволюция Форма существования организмов, возможная только в открытых системах, подпитываемых из внешнего источника энергией.

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):

Жизнь Форма существования организмов, возможная только в открытых системах, подпитываемых из внешнего источника энергией.
Энергия Неотъемлемое свойство движущейся материи, способность тела, системы производить работу или теплообмен между объектами.
Эволюция Необратимое историческое развитие живой природы.
  • Задание на актуализацию пройденного на уроке материала.
  • Текст задания: Разгадайте кроссворд.
  • По горизонтали:

1. Один из первых русских ученых, сформулировавший гипотезу абиогенеза (биохимиечкой эвалюции).

5. Первый элемент периодической системы элементов, один из атомов первичной земной среды.

6. Активная форма существования материи, возникшая на определенной ступени её развития.

По вертикали:

2. Обширная группа фотосинтезирующих организмов, иногда выделяемая в особое царство растений.

3. Бесцветный, не обладающий запахом газ, содержащийся в атмосферном воздухе и необходимый для жизни человека.

4. Неотъемлемое свойство движущейся материи, способность тела, системы производить работу или теплообмен между объектами.

Тип вариантов ответов: (Текстовые, Графические, Комбинированные).

Правильный вариант:

По горизонтали: 1. Опарин 5. Водород 6. Жизнь.

По вертикали: 2. Водород 3. Кислород 4. Энергия

Жизнь на Земле, Биология

Гипотезы возникновения жизни на Земле

Появление жизни на Земле по сей день остается одной из главных загадок для человечества. На протяжении тысячелетий люди выдвигали всевозможные гипотезы, некоторые из которых получили широкое распространение в разные отрезки истории.

Креационизм

Согласно креационизму, все живое, неживое, Земля и мир в целом были созданы Творцом или Богом. Однако, с развитием горного дела на Земле люди стали находить останки древних животных ныне не существующих, что стало приводить к массе противоречий. Впоследствии, креационизм прогрессировал в эволюционный креационизм, согласно которому Творец создал жизнь на Земле и запустил эволюционный процесс. А после того, как появился человек разумный, Творец еще раз спустился с небес, чтобы наделить человека душой.

Самозарождение жизни

Название гипотезы самозарождения жизни говорит само за себя. Согласно этой гипотезе, определенные частицы вещества содержат в себе активное начало, которое позволяет, например, зарождаться лягушкам из болота, личинкам мух из гнилого мяса, червям из земли. Однако, с распространением христианства, гипотеза самозарождения быстро перешла на второй план, уступив место креационизму.

Гипотеза стационарного состояния

Гипотеза стационарного состояния говорит о том, что жизнь никогда не возникала, а была всегда. Согласно этой гипотезе, все виды на Земле существовали всегда. Вид способен лишь изменять свою численность или вымирать.

Панспермия

Согласно гипотезе панспермии, жизнь на Землю была занесена из космоса на метеорите. Несколько миллиардов лет назад на Марсе были благоприятные условия для жизни. Возможно, в те времена в Марс врезался огромный метеорит, выбивший породы марсианской земли вместе с простейшими организмами, которые впоследствии попали на Землю. Однако, как в таком случае зародилась жизнь на Марсе остается загадкой.

Абиогенез — процесс появления живой природы из неживой. Другими словами, образование органических (углеродистых) соединений вне организма. На данный момент это самая популярная гипотеза возникновения жизни среди биологов.

Не забывайте поставить палец вверх, подписаться на наш канал и оставить комментарий, если вам понравилась данная публикация!

Telegram: https://t.me/different_angleЯндекс.Дзен: https://zen.yandex.ru/different_angle

Канал не позиционирует себя, как источник стопроцентно правдивой информации, а лишь претендует быть таковым.

Предложить свою статью, замечание или просто написать автору: @different_angle_botПредложить свою статью, замечание или просто написать автору: @different_angle_bot

Природа? Бог? Инопланетяне? Как учёные объясняют жизнь на Земле

Наука и технологии Главные научные теории о происхождении всего живогоЖизнь – завораживающее, таинственное явление. Жизнь – то, что делает Землю если не уникальным, то как минимум необычным местом во Вселенной, потому что сама по себе жизнь – чрезвычайно редкое явление для той части космоса, которая доступна человеку для изучения.

Как произошла жизнь на Земле? Чем больше человек узнавал об окружающем мире, тем больше разных объяснений феномену жизни он предлагал. До сих пор ученые со всего мира исследуют предпосылки и моделируют сам процесс возникновения жизни, и чем больше идут исследования, тем больше деталей мы узнаем. Исследования процесса возникновения жизни будут идти еще очень долго хотя бы по той причине, что сам процесс длился десятки, если не сотни миллионов лет, а первая жизнь, по предположениям ученых, появилась и вовсе несколько миллиардов лет назад. В этой статье мы рассмотрим несколько научных теорий, которые пытаются ответить этот вопрос.

Смысл этой гипотезы прост: земная жизнь имеет внеземное происхождение. У теории есть несколько разновидностей, но все они сходятся в одном – биологический материал, который дал Земле толчок для развития жизни, принесли из космоса астероиды, метеориты, кометы и прочие подобные космические тела.

При этом сторонники этой гипотезы до сих пор спорят о том, в каком виде жизнь была принесена на Землю: были ли то уже «готовые» микроорганизмы-экстремофилы либо же простые органические молекулы, которые уже после попадания на Землю эволюционировали в микроорганизмы.

Отдельные сторонники теории идут даже дальше и объясняют происхождение новых болезней попаданием внеземного биологического материала на нашу планету уже в наши дни.

Гипотеза панспермии появилась еще в античности и впервые была сформулирована в трудах древнегреческого философа Анаксагора. В разное время ее сторонниками были такие ученые, как Сванте Аррениус, Герман фон Гельмгольц, Герман Рихтер, Якоб Берцелиус, Кельвин. В качестве доводов в пользу своей теории, сторонники панспермии приводят такие наблюдения:

  • Микроорганизмы способны долго, в «спячке» переживать экстремальные условия вроде радиации, отсутствия кислорода, вакуума.
  • Солнечная система содержит целый ряд объектов, на которых находят не относящиеся к деятельности человека органических соединений – от молекул сахаров до белковых соединений. Пример такой находки – метеорит Acfer 086, где в 2020 году был найден белок ## гемолитин.
Читайте также:  Значение химических элементов для живых организмов - биология

Главным недостатком теории панспермии считается тот факт, что она не отвечает на главный вопрос, волнующий ученых и обывателей – как, собственно, возникла земная жизнь. По сути, эта гипотеза откладывает ответ на этот вопрос, ведь причину ее сторонники видят в областях космоса, которые люди еще не могут интенсивно исследовать.

В 1924 году русский ученый Александр Опарин опубликовал статью «Возникновение жизни», где высказал свои соображения по поводу этого процесса.

Общий смысл этой статьи – жизнь на Земле возникла в растворе высокомолекулярных соединений, где образовывались коацерваты – большие концентрации сложных химических соединений, которые в ходе цепочки реакций превращались в сначала в органические соединения, затем – в белки, и, в последнюю очередь, в белковые тела. К схожим выводам в 1930-е годы, когда статья Опарина была переведена на английский язык и опубликована на Западе, пришел и британский биолог Джон Холдейн.

Очень весомые аргументы в пользу теории этих двух ученых добыли американские химики Стенли Миллер и Гарольд Юри, которые смоделировали условия «первичного бульона» и доказали, что в условиях высоких температур, образования коацерватов и систематического воздействия на «первичный бульон» со стороны электрических разрядов (с их помощью симулировали удары молний из грозовой атмосферы древней Земли) могут возникать органические молекулы, а значит, именно такой сценарий возникновения жизни наиболее вероятен.

Дополнительные доказательства теории Опарина-Холдейна были получены в 2015 году британским ученым Джоном Сазерлендом, которому удалось доказать, что компоненты РНК и ДНК – базовые носители наследственной информации для всех живых организмов – могут быть получены из простых циановодорода и сероводорода в ходе цепочки химических реакций.

Заслуги теории Опарина-Холдейна настолько велики, что результаты ее разработки так или иначе принимают за основу своих исследований почти все современные исследователи процесса возникновения на Земле жизни.

Однако, и у нее есть недостаток: хотя она очень хорошо объясняет, откуда на Земле взялся «строительный материал» для живых организмов, в чистом виде она не объясняет, как именно просто белковые соединения перешли именно к живому состоянию – начали самовоспроизводиться и осуществлять обмен веществ обособленно от внешней среды.

Именно эти вопросы сейчас изучаются особенно тщательно, и гипотез, которые уточняют изыскания Опарина и Холдейна, сейчас много.

Одна из таких теорий, расширяющая изыскания Опарина и Холдейна – теория, объясняющая, как и почему современная белковая жизнь могла возникнуть именно из водорода и углерода.

Ответ на вопрос в сущности «водородно-углеродного шовинизма» кроется в химических свойствах, которые проявляют эти химические элементы при соединении друг с другом. Способность к образованию бесчисленного множества вариаций органических молекул обуславливает легкость, с которой белковые соединения могут меняться, а также быть настолько разнообразными.

Шотландский ученый Александер Кейрнс-Смит вместе с израильскими учеными сделал предположение о том, что сложные белковые молекулы могли возникнуть внутри пор глинистых минералов либо под толстым слоем кристаллической воды – то есть льда.

Причины, по которым подобное могло произойти именно под защитой таких структур, ученые видят в той роли, которую минералы и лед могли играть для белковых соединений в условиях, когда на Земле отсутствовал озоновый слой и ультрафиолет воздействовал на поверхность планеты гораздо сильнее, чем в наши дни. Именно минералы и лед могли спасти протомолекулы и даже примитивные формы жизни от гибели под интенсивным ультрафиолетом.

Еще одна гипотеза о том, где конкретно жизнь на Земле могла развиваться на ранних стадиях образования нашей экосистемы, могут дать океаны.

В наши дни выяснено, что огромные морские пространства на глубине не могут прокормить большое количество живых организмов и являются по сути пустынями под водой.

Однако, есть места, где океанская жизнь в буквальном смысле кипит – черные курильщики, подводные геотермальные источники.

Они интересны исследователям по нескольким причинам: во-первых, это места, где мантия Земли наиболее близко подходит к океанскому дну и откуда в океан выбрасываются огромные потоки минерализованной воды.

Во-вторых, температура около черных курильщиков невероятно высока, и в этих условиях вполне существуют микроорганизмы-экстремофилы, а также отдельные виды червей и креветок.

При этом микроорганизмы используют в своей жизнедеятельности железосерные реакции, о которых говорили Опарин и Холдейн в своих научных трудах.

Такие ученые, как Вильям Мартин и Михаэль Руссель, считают, что зоны, где располагались древние черные курильщики, могли быть одним из самых идеальных мест на молодой Земле для того, чтобы там возникла жизнь.

Этому способствует и то, что среда около черных курильщиков располагается на морской глубине (что согласуется с гипотезой «первичного бульона»), а также из-за особенностей подобных экосистем они тоже хорошо защищены от ультрафиолета.

Формы жизни, основанные на РНК, существуют и в наши дни – в основном, это разнообразные вирусы, проявляющие свойства как живой, так и неживой материи. Долгое время формы жизни, основанные на РНК, считались примитивными, однако, в последнее время взгляд на РНК и роль данных кислот в образовании жизни существенно изменился.

Если раньше считалось, что образованию молекул РНК предшествовало образование ДНК-молекул, то теперь появилась гипотеза о так называемом мире РНК, который предшествовал жизни в той форме, какую мы знаем сегодня.

Ученые при формулировании этой гипотезы пришли к подобному выводу на основании того, что молекулы РНК могут возникать как биогенным, так и небиогенным путем. Еще один дополнительный факт в копилку подтверждений этой теории – это доказанная экспериментально К. Боковым и С. Штейнбергом способность молекул РНК самостоятельно эволюционировать.

Свойства и возможности РНК в деле формирования жизни на Земле продолжаются по сей день, но уже сейчас можно сказать, что РНК играла в этом процессе немалую роль.

Главная загадка, которая до сих пор стоит перед учеными, изучающими химическую эволюцию, остается механизм перехода образования белковых коацерватов к структурам, которые способны к самовоспроизведению. Пока что «жизнь в пробирке» не удалось создать никому, но в тот момент, когда это произойдет, это станет сенсацией всемирного масштаба.

Открытие подобного механизма откроет огромные возможности как по улучшению медицины, сельского хозяйства, химической и других видов промышленности, так и даст толчок к созданию более отдаленных проектов – таких, как возможное терраформирование планет.

Однако даже когда жизнь будет изучена до мельчайшей детали, она не перестанет быть чудом – потому что если она даже не уникальна, то очень редка и красива.

Как появилась жизнь: кто был самым первым на нашей планете

Именно поэтому таинство возникновения жизни, которое не может быть изучено на ископаемых материалах, является предметом теоретических и экспериментальных изысканий и проблемой не столько биологической, сколько геологической. Можно смело сказать: истоки жизни находятся на другой планете. И дело вовсе не в том, что первые биологические существа были принесены к нам из космоса (хотя подобные гипотезы и обсуждаются). Просто та, ранняя Земля была очень мало похожа на нынешнюю.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Великолепная метафора для понимания сущности жизни принадлежит знаменитому французскому естествоиспытателю Жоржу Кювье, который уподобил живой организм смерчу. И в самом деле, торнадо имеет множество признаков, роднящих его с живым организмом.

Он поддерживает определенную форму, движется, растет, что-то вбирает в себя, что-то выбрасывает — и это напоминает обмен веществ. Смерч может раздваиваться, то есть как бы размножаться, и наконец, он преобразует среду. Но живет он лишь до тех пор, пока дует ветер.

Иссякнет поток энергии — и смерч утратит и форму, и движение.

Поэтому ключевым вопросом исследования биогенеза является поиск того потока энергии, который сумел «завести» процесс биологической жизни и обеспечил первым метаболическим системам динамическую стабильность, подобно тому как ветер поддерживает существование торнадо.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Животворящие «курильщики»

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Одна из групп существующих ныне гипотез рассматривает в качестве колыбели жизни горячие источники на дне океанов, температура воды в которых может превышать сотню градусов. Подобные источники существуют и по сей день в районе рифтовых зон океанического дна и называются «черными курильщиками».

Читайте также:  Класс Головоногие моллюски, Биология

Перегретая выше точки кипения вода выносит из недр растворенные до ионной формы минералы, которые часто тут же оседают в виде руды. На первый взгляд эта среда кажется смертельной для любой жизни, но уже там, где вода охлаждается до 120 градусов, живут бактерии — так называемые гипертермофилы.

Выносимые на поверхность сульфиды железа и никеля образуют на дне преципитат пирита и греигита- осадок в виде пористой шлакообразной породы.

Некоторые современные ученые, например Майкл Рассел, выдвинули гипотезу о том, что именно эти насыщенные микропорами (пузырьками) породы стали колыбелью жизни. В микроскопических пузырьках могли формироваться и рибонуклеиновые кислоты, и пептиды.

Пузырьки, таким образом, становились первичными катаклавами, в которых ранние метаболические цепочки обособились и превратились в клетку.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Гипотеза о происхождении жизни в горячих источниках интересна не только версией происхождения клетки, ее физического обособления, но и возможностью нащупать энергетическую первооснову жизни, направить исследования в область процессов, которые описываются не столько языком химии, сколько терминами физики.

Поскольку океаническая вода более кислая, а в гидротермальных водах и в поровом пространстве осадка — более щелочная, возникали разности потенциалов, что чрезвычайно важно для жизни.

Ведь все наши реакции в клетках по своей природе электрохимические. Они связаны с переносом электронов и с ионными (протонными) градиентами, которые вызывают перенос энергии.

Полупроницаемые стенки пузырьков играли роль мембраны, поддерживающей этот электрохимический градиент.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Драгоценность в белковом футляре

Разница сред — ниже дна (где сверхгорячей водой растворяются породы) и выше дна, где вода остывает, — также создает разность потенциалов, результатом которой является активное перемещение ионов и электронов. Такое явление даже получило название геохимической батареи.

Кроме подходящей среды для образования органических молекул и наличия энергетического потока, есть еще один фактор, позволяющий считать океанские гидротермы наиболее вероятным местом зарождения жизни. Это металлы.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Горячие источники находятся, как уже говорилось, в рифтовых зонах, где дно раздвигается и близко подступает горячая лава. Внутрь трещин проникает морская вода, которая затем выходит обратно в виде раскаленного пара.

При огромном давлении и высоких температурах базальты растворяются, как сахарный песок, вынося наружу огромное количество железа, никеля, вольфрама, марганца, цинка, меди.

Все эти металлы (и некоторые другие) играют колоссальную роль в живых организмах, поскольку имеют высокие каталитические свойства.

Реакции в наших живых клетках управляются ферментами. Это довольно большие белковые молекулы, которые увеличивают скорость реакции по сравнению с подобными реакциями вне клетки иногда на несколько порядков. И что интересно, в составе молекулы фермента на тысячи и тысячи атомов углерода, водорода, азота и серы подчас приходится всего 1−2 атома металла.

Но если эту пару атомов вытащить, белок перестает быть катализатором. То есть в паре «белок-металл» именно последний оказывается ведущим. Зачем же нужна тогда большая молекула белка? С одной стороны, она манипулирует атомом металла, «прислоняя» его к месту реакции. А с другой стороны, она его бережет, защищает от соединений с другими элементами.

И в этом есть глубокий смысл.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Дело в том, что многие из тех металлов, что были в изобилии на ранней Земле, когда кислорода не было, и сейчас доступны — там, где кислорода нет. Например, в вулканических источниках много вольфрама. Но как только этот металл выходит на поверхность, где встречается с кислородом, то тут же окисляется и оседает. То же происходит с железом и другими металлами.

Таким образом, задача большой белковой молекулы — сохранить металл активным. Все это наводит на мысль, что именно металлы первичны в истории жизни. Возникновение белков было фактором сохранения первичной среды, в которой металлы или их простые соединения сохраняли свои каталитические свойства, и обеспечило возможность их эффективного использования в биокатализе.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Формирование нашей планеты можно уподобить выплавке чугуна в мартеновской печи. В печи кокс, руда, флюсы – все это плавится, и в конце концов тяжелый жидкий металл стекает вниз, а наверху остается затвердевшая пена шлака.

Кроме того выделяются газы и вода. Точно так же образовалось металлическое ядро земли, «стекшее» к центру планеты. В результате этой «плавки» начался процесс, известный как дегазация мантии. Землю 4 млрд лет назад, когда, как считают, зародилась жизнь отличал активный вулканизм, не идущий ни в какое сравнение с нынешним.

Поток радиации из недр был раз в 10 мощнее, чем в наше время. В результате тектонических процессов и интенсивной метеоритной бомбардировки тонкая земная кора постоянно перерабатывалась.

Свой вклад, очевидно, вносила и находившаяся на значительно более близкой орбите Луна, которая своим гравитационным полем массировала и разогревала нашу планету.

Самое удивительное, что интенсивность свечения солнца в те далекие времена была ниже примерно на 30%. Если бы солнце стало в нашу эпоху стало светить хотя бы на 10% слабее, Земля моментально покрылась бы льдом. Но тогда у нашей планеты было намного больше собственного тепла, и ничего даже близко напоминавшего ледников на ее поверхности не встречалось.

Зато существовала  плотная атмосфера, хорошо удерживавшая тепло. По своему составу она имела восстановительный характер, то есть, в ней практически отсутствовал несвязанный кислород, зато она включала в себя значительное количество водорода, а также парниковые газы – водяной пар, метан и углекислый газ.

Короче говоря, первая жизнь на Земле появилась в условиях, в которых из живущих ныне организмов могли бы существовать лишь примитивные бактерии. Первые следы воды геологи находят в отложениях, возрастом 3,5 млрд лет, хотя, судя по всему в жидком виде она появилась на Земле несколько  раньше.

На это косвенно указывают имеющие окатанную форму цирконы, которую они приобрели, вероятно находясь в водоемах. Вода образовывалась из насыщавшего атмосферу водяного пара, когда Земля стала постепенно остывать.

Кроме того, воду (предположительно в объеме до 1,5 объема современного мирового океана) к нам принесли малые кометы, интенсивно бомбардировавшие земную поверхность. 

Водород как валюта

К древнейшему типу ферментов относятся гидрогеназы, которые катализируют простейшую из химических реакций — обратимое восстановление водорода из протонов и электронов. А активаторами этой реакции являются железо и никель, которые в изобилии присутствовали на ранней Земле. Немало было и водорода — он выделялся при дегазации мантии.

Именно водород, похоже, был главным источником энергии для самых ранних метаболических систем. Ведь и в нашу эпоху подавляющее большинство реакций, осуществляемых бактериями, включают в себя действия с водородом.

Как первичный источник электронов и протонов водород составляет основу энергетики микробов, являясь для них чем-то вроде энергетической валюты.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Жизнь зарождалась в бескислородной среде. Переход к дыханию кислородом требовал радикальных преобразований метаболических систем клетки, чтобы минимизировать активность этого агрессивного окислителя.

Адаптация к кислороду возникала прежде всего в ходе эволюции фотосинтеза. До этого же основой энергетики живого был водород и его простые соединения — сероводород, метан, аммиак.

Но это, вероятно, не единственное химическое отличие современной жизни от ранней.

Запасливые уранофилы

Возможно, самая ранняя жизнь не имела того состава, который имеет нынешняя, где в качестве базовых элементов преобладают углерод, водород, азот, кислород, фосфор, сера.

Дело в том, что жизнь предпочитает более легкие элементы, с которыми проще «играть». Но эти легкие элементы имеют маленький ионный радиус и создают слишком прочные соединения. А жизни этого-то и не надо. Ей надо уметь эти соединения легко расщеплять.

Сейчас у нас для этого есть множество ферментов, но на заре жизни их еще не существовало.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Несколько лет назад мы высказали предположение, что у некоторых из этих шести основных элементов живого (макроэлементы C, H, N, O, P, S) были более тяжелые, но и более «удобные» предшественники. Вместо серы в качестве одного из макроэлементов, скорее всего, работал селен, который легко соединяется и легко диссоциирует.

Место фосфора по той же причине, возможно, занимал мышьяк. Недавнее открытие бактерий, которые используют мышьяк вместо фосфора в своих ДНК и РНК, усиливает наши позиции. Причем все это справедливо не только для неметаллов, но и для металлов. Вместе с железом и никелем в процессе становления жизни значительную роль играл вольфрам.

Корни жизни, таким образом, надо, вероятно, уводить в низ таблицы Менделеева.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Для подтверждения или опровержения гипотез об изначальном составе биологических молекул нам стоит обратить пристальное внимание на бактерий, живущих в необычных средах, возможно отдаленно напоминающих Землю в древние времена.

Например, недавно японские ученые исследовали один из видов бактерий, обитающих в горячих источниках, и обнаружили в их слизистых оболочках урановые минералы. Для чего бактерии их накапливают? Возможно, уран имеет для них какую-то метаболическую ценность? Например, используется ионизирующий эффект радиации.

Есть другой известный пример — магнитобактерии, которые существуют в аэробных условиях, в относительно холодной воде, и накапливают железо в виде кристалликов магнетита, обернутых в белковую мембрану.

Когда железа в окружающей среде много — они формируют эту цепочку, когда железа нет — они его тратят и «сумочки» становятся пустыми. Это очень похоже на то, как у позвоночных накапливается жир в качестве энергетического запаса.

На глубине 2−3 км, в плотных осадках, оказывается, тоже живут бактерии и вполне обходятся без кислорода и солнечного света. Такие организмы обнаружены, например, в урановых шахтах Южной Африки.

Питаются они водородом, и здесь его достаточно, потому что уровень радиации настолько высок, что вода диссоциируется на кислород и водород. Генетических аналогов на поверхности Земли у этих организмов не обнаружено.

Где же эти бактерии сформировались? Где их предки? Поиск ответов на эти вопросы становится для нас настоящим путешествием во времени — к истокам живого на Земле.

Автор — академик РАН, директор Геологического института РАН

Ссылка на основную публикацию