История представлений о возникновении жизни на Земле

Что считать жизнью?

В настоящее  время существует несколько научных  определений жизни, но все они  не точны. Одни из них настолько широки, что под них попадают такие  неживые объекты, как огонь или  кристаллы минералов. Другие - слишком  узки, и в соответствии с ними мулы, не дающие потомства, не признаются живыми.

Одно из наиболее удачных определяет жизнь как  самоподдерживающуюся химическую систему, способную вести себя в соответствии с законами дарвиновской эволюции. Это значит, что, во-первых, группа живых  особей должна производить подобных себе потомков, которые наследуют  признаки родителей. Во-вторых, в поколениях потомков должны проявляться последствия  мутаций - генетических изменений, которые  наследуются последующими поколениями  и обуславливают популяционную  изменчивость. И, в-третьих, необходимо, чтобы действовала система естественного  отбора, в результате которого одни особи получают преимущество перед  другими и выживают в изменившихся условиях, давая потомство.

Какие же элементы системы были необходимы, чтобы у  неё появились характеристики живого организма? Большое число биохимиков и молекулярных биологов считают, что  необходимыми свойствами обладали молекулы РНК. Рибонуклеиновые кислоты - это  особенные молекулы. Одни из них  могут реплицироваться, мутировать, таким образом, передавая информацию, и, следовательно, они могли участвовать  в естественном отборе. Правда, они  не способны сами катализировать процесс  репликации, хотя учёные надеются, что  в недалёком будущем будет  найден фрагмент РНК с такой функцией. Другие молекулы РНК задействованы  в "считывании" генетической информации и передаче её на рибосомы, где происходит синтез белковых молекул, в котором  принимают участие молекулы РНК  третьего типа.

Таким образом, самая примитивная живая система  могла быть представлена молекулами РНК, удваивающимися, подвергающимися  мутациям и подверженными естественного  отбору. В ходе эволюции на основе РНК  возникли специализированные молекулы ДНК - хранители генетической информации - и не менее специализированные молекулы белка, взявшие на себя функции  катализаторов синтеза всех известных  в настоящее время биологических  молекул.

В некий момент времени "живая система" из ДНК, РНК и белка нашла приют  внутри мешочка, образованного липидной мембраной, и эта более защищённая от внешних воздействий структура  послужила прототипом самых первых клеток, давших начало трём основным ветвям жизни, которые представлены в современном  мире бактериями, археями и эукариотами. Что касается даты и последовательности появления таких первичных клеток, то это остаётся загадкой. Кроме  того, по простым вероятностным оценкам  для эволюционного перехода от органических молекул к первым организмам не хватает  времени - первые простейшие организмы  появились слишком внезапно.

В течение  многих лет учёные полагали, что  жизнь вряд ли могла возникнуть и  развиваться в тот период, когда  Земля постоянно подвергалась столкновениям  с большими кометами и метеоритами, а завершился этот период примерно 3,8 миллиарда лет тому назад. Однако недавно в самых древних на Земле осадочных породах, найденных  в юго-западной части Гренландии, были обнаружены следы сложных клеточных  структур, возраст которых составляет, по крайней мере, 3,86 миллиардов лет. Значит, первые формы жизни могли  возникнуть за миллионы лет до того, как прекратилась бомбардировка  нашей планеты крупными космическими телами. Но тогда возможен и совсем другой сценарий (рис. 4). Органическое вещество попадало на Землю из космоса  вместе с метеоритами и другими  внеземными объектами, бомбардировавшими планету в течение сотен миллионов лет с момента её образования. Ныне столкновение с метеоритом - событие довольно редкое, но и сейчас из космоса вместе с межпланетным материалом на Землю продолжают поступать точно такие же соединения, как и на заре жизни.

Падавшие  на Землю космические объекты  могли сыграть центральную роль в возникновении жизни на нашей  планете, так как, по мнению ряда исследователей, клетки, подобные бактериям, могли возникнуть на другой планете и затем уже  попасть на Землю вместе с астероидами. Одно из свидетельств в пользу теории внеземного происхождения жизни  было обнаружено внутри метеорита, по форме напоминающего картофелину  и названного ALH84001. Первоначально  этот метеорит был частичкой марсианской  коры, которая затем была выброшена  в космос в результате взрыва при  столкновении огромного астероида  с поверхностью Марса, происшедшего около 16 миллионов лет назад. А 13 тысяч лет назад после длительного  путешествия в пределах Солнечной  системы этот осколок марсианской  породы в виде метеорита приземлился  в Антарктике, где и был недавно  обнаружен. При детальном исследовании метеорита внутри него были обнаружены палочковидные структуры, напоминающие по форме окаменелые бактерии, что  дало повод для бурных научных  споров о возможности жизни в  глубине марсианской коры. Разрешить  эти споры удастся не ранее 2005 года, когда Национальное управление по аэронавтике и космическим  исследованиям Соединённых Штатов Америки осуществит программу полёта на Марс межпланетного корабля для  отбора проб марсианской коры и доставки образцов на Землю. И если учёным удастся  доказать, что микроорганизмы когда-то населяли Марс, то о внеземном возникновении  жизни и о возможности занесения  жизни из Космоса можно будет  говорить с большей долей уверенности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Эволюция  жизни на Земле

В настоящее  время, да, наверное, и в будущем, наука не сможет дать ответ на вопрос, как выглядел самый первый организм, появившийся на Земле, - предок, от которого берут начало три основные ветви  древа жизни. Одна из ветвей - эукариоты, клетки которых имеют оформленное  ядро, содержащее генетический материал, и специализированные органеллы: митохондрии, вырабатывающие энергию, вакуоли и  др. К эукариотным организмам относятся  водоросли, грибы, растения, животные и  человек.

Вторая ветвь - это бактерии - прокариотные (доядерные) одноклеточные организмы, не имеющие  выраженного ядра и органелл. И  наконец, третья ветвь - одноклеточные  организмы, именуемые археями, или  архебактериями, клетки которых имеют  такое же строение, как и у прокариот, но совсем другую химическую структуру  липидов.

Многие архебактерии способны выживать в крайне неблагоприятных  экологических условиях. Некоторые  из них являются термофилами и  обитают только в горячих источниках с температурой 90С и даже выше, где другие организмы попросту погибли  бы. Превосходно чувствуя себя в  таких условиях, эти одноклеточные  организмы потребляют железо и серосодержащие вещества, а также ряд химических соединений, токсичных для других форм жизни. По мнению учёных, найденные  термофильные архебактерии являются крайне примитивными организмами и в  эволюционном отношении - близкими родственниками самых древних форм жизни на Земле. Интересно, что современные представители  всех трёх ветвей жизни, наиболее похожие  на своих прародителей, и сегодня  обитают в местах с высокой  температурой. Исходя из этого, некоторые  учёные склонны считать, что, вероятнее  всего, жизнь возникла около 4 миллиардов лет тому назад на дне океана вблизи горячих источников, извергающих  потоки, богатые металлами и высокоэнергетическими  веществами. Взаимодействуя друг с  другом и с водой стерильного  тогда океана, вступая в самые  разнообразные химические реакции, эти соединения дали начало принципиально  новым молекулам. Так, в течение  десятков миллионов лет в этой "химической кухне" готовилось самое  большое блюдо - жизнь. И вот около 4,5 миллиардов лет назад на Земле  появились одноклеточные организмы, одинокое существование которых  продолжалось весь докембрийский период.

Всплеск эволюции, давший начало многоклеточным организмам, произошёл гораздо позже, немногим более полумиллиарда лет назад. Хотя размеры микроорганизмов столь  малы, что в одной капле воды могут поместиться миллиарды, масштабы проведённой ими работы грандиозны.

Полагают, что  первоначально в земной атмосфере  и Мировом океане не было свободного кислорода, и в этих условиях жили и развивались лишь анаэробные микроорганизмы. Особым шагом в эволюции живого было возникновение фотосинтезирующих  бактерий, которые, используя энергию  света, превращали углекислый газ в  углеводные соединения, служащие пищей  для других микроорганизмов. Если первые фотосинтетики выделяли метан или  сероводород, то появившиеся однажды  мутанты начали вырабатывать в процессе фотосинтеза кислород. По мере накопления кислорода в атмосфере и водах  анаэробные бактерии, для которых  он губителен, заняли бескислородные ниши.

В древних  ископаемых остатках, найденных в  Австралии, возраст которых исчисляется 3,46 миллиардов лет, были обнаружены структуры, которые считают остатками цианобактерий - первых фотосинтезирующих микроорганизмов. О былом господстве анаэробных микроорганизмов  и цианобактерий свидетельствуют  строматолиты, встречающиеся в мелководных  прибрежных акваториях не загрязнённых солёных водоёмов. По форме они напоминают большие валуны и представляют интересное сообщество микроорганизмов, живущее в известняковых или доломитовых породах, образовавшихся в результате их жизнедеятельности. На глубину нескольких сантиметров от поверхности строматолиты насыщены микроорганизмами: в самом верхнем слое обитают фотосинтезирующие цианобактерии, вырабатывающие кислород; глубже обнаруживаются бактерии, которые до определённой степени терпимы к кислороду и не нуждаются в свете; в нижнем слое присутствуют бактерии, которые могут жить только в отсутствии кислорода. Расположенные в разных слоях, эти микроорганизмы составляют систему, объединённую сложными взаимоотношениями между ними, в том числе пищевыми. За микробной плёнкой обнаруживается порода, образующаяся в результате взаимодействия остатков отмёрших микроорганизмов с растворённым в воде карбонатом кальция. Учёные считают, что когда на первобытной Земле ещё не было континентов, и лишь архипелаги вулканов возвышались над поверхностью океана, мелководье изобиловало строматолитами.

В результате жизнедеятельности фотосинтезирующих  цианобактерий в океане появился кислород, а примерно через 1 миллиард лет после этого он начал накапливаться  в атмосфере. Сначала образовавшийся кислород взаимодействовал с растворённым в воде железом, что привело к  появлению окислов железа, которые  постепенно осаждались на дне. Так в  течение миллионов лет с участием микроорганизмов возникли огромные залежи железной руды, из которой сегодня  выплавляется сталь.

Затем, когда  основное количество железа в океанах  подверглось окислению и уже  не могло связывать кислород, он в газообразном виде ушёл в атмосферу.

После того как  фотосинтезирующиеся цианобактерии  создали из углекислого газа определённый запас богатого энергией органического  вещества и обогатили земную атмосферу  кислородом, возникли новые бактерии - аэробы, которые могут существовать только в присутствии кислорода. Кислород им необходим для окисления (сжигания) органических соединений, а  значительная часть получаемой энергии  превращается в биологически доступную  форму - аденозинтрифосфат (АТФ). Этот процесс  энергетически очень выгоден: анаэробные бактерии при разложении одной молекулы глюкозы получают только две молекулы АТФ, а аэробные бактерии, использующие кислород, - 36 молекул АТФ.

С появлением достаточного для аэробног образа жизни  количества кислорода дебютировали и эукариотные клетки, имеющие  в отличие от бактерий ядро и такие  органеллы, как митохондрии, лизосомы, а у водорослей и высших растений - хлоропласты, где совершаются фотосинтетические  реакции. По поводу возникновения и  развития эукариот существует интересная и вполне обоснованная гипотеза, высказанная  почти 30 лет назад американским исследователем Л. Маргулисом. Согласно этой гипотезе митохондрии, выполняющие функции  фабрик энергии в эукариотной  клетке, - это аэробные бактерии, а  хлоропласты растительных клеток, в  которых происходит фотосинтез, - цианобактерии, поглощённые, вероятно, около двух миллиардов лет назад примитивными амёбами. В результате взаимовыгодных взаимодействий поглощённые бактерии стали внутренними  симбионитами и образовали с поглотившей  их клеткой устойчивую систему - эукариотную  клетку.

Исследования  ископаемых останков организмов в породах  разного геологического возраста показали, что на протяжении сотен миллионов  лет после возникновения эукариотные  формы жизни были представлены микроскопическими  шаровидными одноклеточными организмами, такими как дрожжи, а их эволюционное развитие протекало очень медленными темпами. Но немногим более 1 миллиарда  лет назад возникло множество новых видов эукариот, что обозначило резкий скачок в эволюции жизни.

Прежде всего  это было связано с появлением полового размножения. И если бактерии и одноклеточные эукариоты размножались, производя генетически идентичные копии самих себя и не нуждаясь в половом партнёре, то половое  размножение у более высокоорганизованных эукариотных организмов происходит следующим образом. Две гаплоидные, имеющие одиарный набор хромосом половые клетки родителей, сливаясь, образуют зиготу, имеющую двойной  набор хромосом с генами обоих  партнёров, что создаёт возможности  для новых генных комбинаций. Возникновение  полового размножения привело к  появлению новых организмов, которые  и вышли на арену эволюции.