Происхождение жизни на Земле

Примерно 3 800 миллионов лет назад в результате химических реакций образовалось первое сложное соединение, способное самовоспроизводиться. Так было положено начало жизни на Земле.

Зарождение жизни на Земле, в целом, по-прежнему остается загадкой. Но с тех пор как Чарльз Дарвин впервые описал процесс эволюции растительного и животного мира, ученые придерживаются мнения, что все формы жизни находятся в процессе постоянного и непрерывного развития.

С каждым новым поколением сильные стороны оттачиваются, а слабые отсеиваются. Один вид пращуров мог породить несколько форм жизни, после чего или вымирал, или находил собственную нишу в экосистеме.

Судя по найденным окаменелостям, ясно: система родственных линий между существующими и исчезнувшими организмами напоминает дерево, на котором с течением времени появляются все новые ветви. Многие из них засыхают и отмирают (например, динозавры), но другие ветви вырастают и расцветают. Если проследить любую из них до основания, то, в конечном итоге, мы придем к единому стволу - прародителю всех когда-либо живших организмов, т. е. источнику происхождения жизни.

Следы в горной породе

К сожалению, это сделать непросто. По современным оценкам, возраст Земли составляет примерно 4 500 млн. лет, а древнейшим окаменелостям, как считают, не более 590 млн. лет, что соответствует началу т. н. кембрийского геологического периода.

Окаменелости, найденные в породах кембрия, включают останки различных форм жизни, таких как черви и моллюски, произошедших, очевидно, от своих примитивных предков. Их происхождение в эпоху, известную как докембрий, остается неясным в связи с тем, что в породах данного периода не сохранилось никаких органических останков.

Причину этого легко объяснить. Мягкотелые организмы не оставляют окаменелостей, так как, умирая, обычно успевают полностью разложиться прежде, чем окружающие их отложения превратятся в твердую породу. Вероятно, большинство организмов, живших в докембрийский период (составляющий 80% всей истории Земли), были слишком хрупки, чтобы оставить четкие отложения.

Но это не означает, что они совсем не оставили следов. В начале 1950-х годов двое исследователей приступили к тщательному изучению на берегах оз. Верхнего (США) пласта породы, имеющей возраст 2000 млн. лет и известной как кремнистый сланец. В породе находились любопытные белые кольца, каждое диаметром около метра. На первый взгляд, в них не было ничего органического, но, несмотря на это, ученые решили исследовать небольшие образцы колец с помощью сильного микроскопа.

Удивительное открытие

Они обнаружили несомненные признаки древней жизни: останки крошечных организмов, напоминающих микроскопические одноклеточные водоросли и бактерии, которые благополучно живут и поныне. Каким-то чудесным образом эти хрупкие организмы пропитались стекловидным кремнеземом, затвердевшим и превратившимся в кремнистый сланец, где они и сохранились, подобно мухам в янтаре. Белые кольца в породе оказались размытыми останками их колоний (каменистых сферических образований, называемых строматолитами и напоминающих коралловые рифы в водах тропических широт).

Находка содержащих органические останки образцов явилась открытием. Ученые всего мира возобновили изучение пород, которые они ранее считали лишенными окаменелостей. Их усилия были вознаграждены поразительными результатами: древнейшим из обнаруженных на сегодняшний день формам жизни (в западной части Австралии) около 3 500 млн. лет. Между тем, тщательное изучение самых древних из известных нам пород - гнейсов Амитсока на юго-западе   Гренландии,   возраст   которых 3 800 млн. лет, не дало ожидаемых результатов.

Никаких чудес

Биологи не находят ничего удивительного в том, что найденные первобытные останки напоминают современные водоросли и бактерии. Такие одноклеточные организмы всегда считались простейшими формами жизни, и вполне естественно, что они являются и наиболее примитивными ее формами. Благодаря простоте одноклеточных организмов относительно легко выяснить способ их существования. Вместо изучения механизма функционирования органов и мышц, биологи исследуют, каким образом исходные химические вещества превращаются в "кирпичики" жизни - белки, жиры и сахар.

Простая клетка

Эти исследования особенно важны для раскрытия тайны возникновения жизни, поскольку должно было иметь место, следующее превращение, положившее начало всему процессу - из неорганических химических веществ в живую материю.

Бактерия - сама себя питающая простейшая клетка - студенистая, наполненная жидкостью оболочка, которая перерабатывает простые химические вещества, состоящие из водорода, кислорода, углерода и азота, в сложные органические соединения: необходимые для ее роста белки и дающие ей энергию углеводы (сахар).

Строение ДНК

Данными процессами, в конечном итоге, управляет органическое вещество - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Кроме того, ДНК обладает еще одним важным свойством: она может воспроизводить самое себя.

Каждая молекула ДНК напоминает винтовую лестницу, где цепочки атомов образуют боксовые стороны с перемычками ("ступеньками"), расположенными через равные промежутки. Вся молекула, при необходимости, может раздваиваться, при этом "ступеньки" разделяются посередине. После раздвоения спирали укороченные "ступеньки" притягивают другие вещества, которые, присоединяясь, образуют недостающие половинки "лестницы" - таким образом, из одной спирали получаются две.

Этот простой прием является сущностью жизни. Благодаря нему одноклеточный организм растет и воспроизводит себя, расщепляясь посередине и копируя при этом свой внутренний химический процесс.

В более сложных формах жизни размножающиеся клетки совместно формируют многоклеточные структуры, при этом каждая структура является лишь частью крайне сложного организма. Всем процессом управляет генетический код, заложенный в молекуле ДНК и отличающийся не только у разных видов, но и у всех особей.

Функции ДНК

Все жизненные процессы (еда, питье, выведение из организма продуктов жизнедеятельности и т. п.) являются механизмами, служащими для обеспечения деятельности ДНК.

ДНК - очень сложная молекула, и чем сложнее форма жизни, тем сложнее ее ДНК. Но даже структура самой простой ДНК (в клетке бактерии) состоит из тысяч атомов, сгруппированных в нуклеотиды - соединения Сахаров, фосфатов и азотистых оснований.

Каждый нуклеотид сам по себе также является достаточно сложной структурой, это же относится и к другим органическим молекулам, таким как белки и углеводы. Так, белки состоят из цепей аминокислот (всего их 20 различных видов), расположенных в определенной последовательности. Простая цепь может состоять из 100 звеньев, а сложная - из нескольких тысяч. Вся структура определяется генетическим кодом ДНК данного организма.

Самая простая клетка бактерии содержит белки, углеводы и ДНК (и другие подобные нуклеиновые кислоты), без которых она не сможет функционировать. Поскольку эти клетки - наиболее примитивная из известных сегодня форм жизни, напрашивается вывод, что они возникли их неживых структур, синтезировавших эти важнейшие элементы жизни еще до того, как смогли найти им органическое применение.

"Первичный бульон"

Никто не знает, каким был наш мир 3 800 млн. лет назад, но в 20-е гг. ученые Опарин и Халдейн выдвинули теорию, согласно которой атмосфера Земли в те далекие времена была почти полностью лишена кислорода, а состояла из аммиака, воды, окиси углерода, метана, водорода и ряда других веществ. Они предположили, что большая часть поверхности Земли была покрыта слоем горячей воды, кипение которой поддерживалось магмой, расплавленной породой, находящейся под тонкой океанической земной корой.

По их гипотезе, такая смесь газов и горячей воды могла привести к образованию так называемого "первичного бульона", богатого именно теми химическими элементами, которые необходимы для синтеза жизни. Реакция могла быть инициирована вулканической деятельностью, интенсивным ультрафиолетовым излучением, проходящим через тонкий слой атмосферы, или электрическим разрядом молнии. Данная теория была проверена опытным путем в 1953 г. американским ученым Стэнли Миллером.

Миллер создал модель первозданного мира, состоящую из двух колб и стеклянных трубок. В одной из колб находился раствор, состав которого теоретически соответствовал морской воде. Пространство над жидкостью он заполнил смесью газов, которая, опять же теоретически, соответствовала предполагаемой атмосфере. Данная колба соединялась трубкой с другой колбой, имеющей два электрода для получения искры - миниатюрной модели молнии. От этой искровой камеры отходила еще одна трубка, ведущая к первой колбе через конденсатор и П-образный коллектор.

Когда Миллер нагрел смесь в нижней колбе, она закипела, превратилась в газ, поступила в искровую камеру, а затем сконденсировалась и стекла обратно в нижнюю колбу. Процесс непрерывно поддерживался в течение недели, после чего жидкость была откачана для анализа.

Результаты оказались положительными: полученная смесь содержала три аминокислоты - соединения, из которых образуются белки. Многие исследователи подхватили эту идею, провели подобные эксперименты и получили еще больше аминокислот и даже простые нуклеотиды - строительные блоки ДНК.

Убедительные результаты

Результаты этих экспериментов считаются убедительными и дают основания полагать, что весь белок (и не только он) мог быть синтезирован на протяжении нескольких миллиардов лет. Предположительно, могла быть создана даже ДНК с ее тысячами строго расположенных атомов. Однажды возникнув, она могла репродуцировать себя, создавать свои собственные белки и другие сложные органические вещества и развиться в функционирующую самовоспроизводящуюся форму жизни, такую как клетка бактерии.

Нечто подобное могло произойти, но математическая вероятность создания такого сложного вещества, как белок или ДНК, в результате случайного соединения химических элементов в "первичном бульоне" бесконечно мала.

Данная теория сегодня признана многими учеными, продолжающими поиск механизма, который способствовал бы соединению аминокислот (подобных полученным в лаборатории Миллера) в белки без управления со стороны ДНК.

Если такой механизм будет найден, мы сделаем важный шаг на пути к пониманию загадки образования ДНК и, следовательно, происхождения жизни.