Возникновение жизни 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.

Возникновение жизни 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.

Возникновение жизни 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.

Возникновение жизни 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.

Возникновение жизни 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. Возникновение жизни 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.

Возникновение жизни 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.

Возникновение жизни 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.

Возникновение жизни 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.

Возникновение жизни на Земле, Биология

Древнейшие предки птиц

Поделиться ссылкой

Первоначальные взгляды на возникновение жизни на Земле

Предпосылки возникновения жизни. По научным данным, планета Солнечной системы Земля образовалась из газово-пылевого облака около 4,5—5 млрд. лет назад. Такая газово-пылевая материя встречается в межзвездном пространстве и в настоящее время. Для возникновения жизни на Земле необходимы определенные космические и планетарные условия.

Одним из таких условий являются размеры планеты. Масса планеты не должна быть слишком большой, так как энергия атомного распада природных радиоактивных веществ может привести к перегреванию планеты или радиоактивному загрязнению среды. Но если масса планеты будет маленькой, то она не способна удерживать около себя атмосферу.

Также необходимо движение планеты вокруг звезды по круговой орбите, позволяющее постоянно и равномерно получать необходимое количество энергии. Для развития и возникновения жизни важно равномерное поступление потока энергии на планету, потому что существование живых организмов возможно в пределах определенных температурных условий.

Таким образом, к основным условиям возникновения жизни на Земле относятся размеры планеты, энергия, определенные температурные условия. Научно доказано, что эти условия существуют только на планете Земля. Вопрос о происхождении жизни уже давно волнует человечество, известно множество гипотез.

В древности из-за отсутствия научных данных о возникновении жизни существовали различные взгляды. Великий ученый своего времени Аристотель (IV в. до н. э.) придерживался такого мнения, что из мяса возникла вошь, из сока животного — клоп, из ила — червь. В средние века, несмотря на расширение научных знаний, имели место различные представления о возникновении жизни.

Позднее, с открытием микроскопа, уточнялись данные о строении организма. Соответственно появились опыты, которые поколебали идеи о зарождении жизни из неживой природы. Однако до середины XVII в. было еще много сторонников взгляда о самозарождении. Для познания тайн жизни английский философ Ф. Бэкон (1561— 1626) предложил проведение исследований в виде наблюдений и экспериментов.

Взгляды ученого оказали особое влияние на развитие естествознания. В середине XVII в. итальянский врач Франческо Реди (1626—1698) нанес серьезный удар по теории самопроизвольного зарождения жизни, поставив следующий опыт (1668 г.). Он поместил в четыре сосуда мясо и оставил их открытыми, а другие четыре сосуда с мясом закрыл марлей.

В открытых сосудах из яиц, отложенных мухами, вывелись личинки. В закрытом же сосуде, куда мухи не могли проникнуть, личинки не появились. На основании этого опыта Реди доказал, что мухи выводятся из яичек, отложенных мухами, т. е. мухи не самозарождаются. В 1775 г. М. М. Тереховский провел следующий опыт. Он в два сосуда налил бульон.

Первый сосуд с бульоном он вскипятил и плотно закрыл пробкой, где позже никаких изменений на наблюдал. Второй сосуд М. М. Тереховский оставил открытым. Через несколько суток в открытом сосуде он обнаружил прокисший бульон. Однако в то время еще не знали о существовании микроорганизмов.

Читайте также:  Вирусы – неклеточная форма жизни, биология

Согласно представлениям этих ученых, живое возникает из неживого под действием сверхъестественных “жизненных сил”. В закрытый сосуд “жизненная сила” не может проникнуть, а при кипячении она погибает. Такие взгляды получили название виталистических (лат. vitalis — “живой, жизненный”). По вопросу возникновения жизни на Земле сформировались два противоположных взгляда.

Первый (теория абиогенеза) — живое возникает из неживой природы. Второй взгляд (теория биогенеза) — живое не может возникнуть самопроизвольно, оно происходит от живого. Непримиримая борьба между этими взглядами продолжается до сих пор. Для доказательства невозможности самозарождения жизни французский ученый-микробиолог Л. Пастер (1822—1895) в I860 г. поставил такой опыт.

Он видоизменил опыт М. Тереховского и использовал колбу с S-образным узким горлышком. Л. Пастер прокипятил питательную среду и поместил ее в колбу с длинным изогнутым горлышком, воздух проходил в колбу свободно. Но микробы в нее попасть не могли, так как они оседали в изогнутой части горлышка. В такой колбе жидкость сохранялась долго без появления микроорганизмов. С помощью такого простого опыта Л. Пастер доказал, что взгляды виталистов ошибочны. Он убедительно доказал правильность теории биогенеза — живое возникает только из живого.

Но сторонники теории абиогенеза не признали опыты JI. Пастера.

Возникновение жизни на Земле, Биология

Луи Пастер (1822- 1895). Французский микробиолог. Изучил процессы брожения и гниения. Доказал невозможность самопроизвольного зарождения микроорганизмов. Разработал метод пастеризации продуктов питания. Доказал распространение инфекционных болезней через микробов.

Возникновение жизни на Земле, Биология

Александр Иванович Опарин (1894—1980). Известный русский биохимик. Основатель гипотезы о возникновении органических веществ абиогенным путем. Разработал естественнонаучную теорию возникновении жизни на Земле. Основоположник эволюционной биохимии.

Возникновение жизни на Земле, Биология

Джон Холдейн (1892—1964). Известный английский биохимик, генетик и физиолог. Автор гипотезы “первичного бульона”, один из основоположников популяционной генетики. Имеет множество трудов в области определения частоты мутации человека, математической теории отбора.

Некоторые из них утверждали, что “существует некая жизненная сила, и жизнь на Земле вечна”. Этот взгляд получил название креационизм (лат. creatio — “создатель”). Его сторонниками были К. Линней, Ж. Кювье и др. Они утверждали, что зародыши жизни занесены на Землю с других планет посредством метеоритов и космической пыли.

Этот взгляд известен в науке под названием теория панспермии (греч. pan — “единство”, sperma — “зародыш”). “Теорию панспермии” впервые в 1865 г. предложил немецкий ученый Г. Рихтер. По его мнению, жизнь на Земле появилась не из неорганических веществ, а занесена с других планет посредством микроорганизмов и их спор.

Эту теорию поддержали известные в то время ученые Г. Гельмгольц, Г. Томсон, С. Аррениус, Т. Лазарев. Однако до настоящего времени нет научных доказательств занесения микроорганизмов в составе метеоритов из далеких космических пространств. В 1880 г. немецкий ученый В.

Прейер предложил теорию вечности жизни на Земле, которую поддержал известный русский ученый В. И. Вернадский. Данная теория отрицает разницу между живой и неживой природой. Понятие о происхождении жизни тесно связано с расширением и углублением знаний о живых организмах. В этой области немецкий ученый Э. Пфлюгер (1875) исследовал белковые вещества.

Он придавал особое значение белку как основной составной части цитоплазмы, пытаясь объяснить возникновение жизни с материалистической точки зрения.

Огромное научное значение имеет гипотеза русского ученого А. И. Опарина (1924), доказывающая появление жизни на Земле абиогенным путем из органических веществ. Его взгляды поддержали многие зарубежные ученые. В 1928 г. английский биолог Д. Холдейн пришел к выводу, что энергия, необходимая для образования органических соединений, — это ультрафиолетовые лучи Солнца.

Возникновение жизни на Земле, Биология

Джон Бернал (1901—1971). Английский ученый, общественный деятель. Основатель теории возникновения современной жизни на Земле. Создал труды по исследованию состава белков рентгеном.

В настоящее время многие ученые придерживаются мнения о том, что жизнь появилась впервые в результате обособления аминокислот и других органических соединений в морской воде.

Витализм. Абиогенез. Биогенез. Креационизм. Панспермия.

          1. Согласно теории абиогенеза жизнь появилась из неживой природы в результате усложнения химических соединений.
          2. Опыт Ф. Реди убедительно доказал несостоятельность теории самозарождения.
          3. Виталистическая теория означает, что жизнь возникла под действием “жизненной силы”.
          4. Согласно теории панспермии, жизнь на Землю занесена из другой планеты, а не создана из органических веществ.
          5. Современное определение жизни: “Жизнь представляет собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот”.
            1. Как объяснил Аристотель появление жизни?
            2. В чем смысл теории панспермии?
            3. Что доказал опыт Ф. Реди?
              1. Какие условия необходимы для возникновения жизни?
              2. Как объясняет креационизм возникновение жизни?
              3. Охарактеризуйте опыт Л. Пастера?
                1. Какие взаимно противоположные точки зрения имеются для объяснения появления жизни?
                2. Каково значение исследований Э. Пфлюгера?
                3. Какие гипотезы были выдвинуты А. И. Опариным и Д. Холдейном?

Напишите реферат или сообщение, посвященные различным взглядам на возникновение жизни.

  • Электронный учебник по биологии © 2021

Первые свидетельства в пользу физической теории происхождения жизни

SLY_G 2 сентября 2017 в 13:31 Возникновение жизни на Земле, 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».

Возникновение жизни на Земле, 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.

Читайте также:  Выводы к главе Питание, Биология

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».

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 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.

Читайте также:  Значение диких видов - биология

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».

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