Первичные организмы возникли в первичном бульоне

Как зародилась жизнь на нашей планете? Может быть, она появилась, как учит религия, в одночасье, в результате Божественного акта творения? Но, возможно, её зародыши были занесены из космоса? Или жизнь возникла из соединения простых органических молекул в результате сложных физико-химических процессов, бушевавших миллиарды лет назад на пустынной Земле?

За миллиард лет до нашей эры

Последние 90 лет большинство учёных считает, что жизнь зародилась именно так. Ещё в 1924 году советский академик Александр Опарин опубликовал книгу «Происхождение жизни», в которой обосновал возможность появления сложных органических соединений из «первичного бульона» — доисторического океана, полного самых различных химических соединений.

Миллиард лет назад на Земле был сущий хаос. Постоянное извержение множества вулканов заливало её поверхность потоками раскалённой лавы. Водяные пары, конденсируясь в атмосфере, обрушивались на её поверхность чудовищными ливнями. Часть воды испарялась на всё ещё горячей поверхности, но другая часть оставалась внизу, образуя огромные водные пространства.

Под воздействием ультрафиолетового излучения солнца, перепадов температуры и электрических разрядов от почти беспрерывно бьющих в первобытный океан молний в нём образовывались сложные органические соединения, названные Опариным протобионтами и коацерватами. Последние со временем оказались способными поглощать различные вещества, растворённые в водах океана, и выделять продукты их переработки, т.е. Наладили с окружающей средой обмен веществ.

Следующим этапом развития коацерватов стала способность деления самых «шустрых», обогнавших по росту своих конкурентов, на две равноправные капли, сохранявшие все полезные свойства «родителя». Таким образом, коацерват стал, по сути, первым живым организмом Земли, так как обладал двумя важнейшими качествами — способностями к самовоспроизводству и обмену веществ. От коацерватов и произошли спустя миллионы лет простейшие одноклеточные организмы.

Загадка «биологической революции»

Ну хорошо, скажет скептически настроенный читатель, пусть всё так и было. Миллиард лет назад в первобытном океане плавали амёбы и прочие простейшие. Но как случилось, что часть из них выбралась на сушу? Как и почему из этих одноклеточных получились растения и животные? Да, наконец, и высокоразвитые млекопитающие — в частности, Homo sapiens?

А вот на этот вопрос до сих пор нет точного ответа. Между тем он настолько интересен, что в 1997 году организация ЮНЕСКО одобрила биологический проект ВОБР (Великое ордовикское биологическое разнообразие) как имеющий всемирное научное значение. А после получения первых данных по проекту в 2003 году приняла решение продолжить исследования.

ВОБР — это событие, произошедшее на Земле 470 миллионов лет назад, в ордовикский период. Заключалось оно в том, что за очень короткий (в геологическом отношении) промежуток времени число видов, населявших первобытный океан, увеличилось во много раз. Новые виды сильно потеснили старые, населявшие океан в предыдущий, кембрийский период, а затем некоторые из этих новых видов выбрались на сушу.

Так на суше и появились первые растения — мхи и лишайники, первые животные — членистоногие. И началась стремительная эволюция наземных видов, приведшая в итоге к появлению человека.

Но «историческое значение» (как писали раньше в учебниках) ВОБР заключается не только в этом. Великое ордовикское биологическое разнообразие, случившееся 470 миллионов лет назад, представляет собой одну из величайших научных загадок — ведь ни до него, ни после не происходило подобной «биологической революции».

Вулканы или метеориты?

В начале исследования ВОБР учёные полагали, что главную роль тут сыграли земные вулканы. Из-за существенных подвижек геологических плит в раннем и среднем ордовике закрывались одни моря и открывались другие. Плиты, несущие на себе эти моря, входили одна под другую, из-за чего возникали очаги гигантских землетрясений и вулканических извержений. Это приводило к выбросу в воду огромного количества новообразованных химических веществ, которые с удовольствием поедались первобытным планктоном.

Ну а бурное размножение планктона, которым питались в то время все остальные морские обитатели, и «запустило» ВОБР.

Кроме того, значительные выбросы в атмосферу вулканической пыли могли надолго затмить солнце, что привело к снижению температуры от кембрийских 70-80 °С до вполне комфортных ордовикских 35-40 «С. Отчего бы в таких условиях, наевшись планктона, и не попытаться выбраться на сушу?

Всё бы хорошо, но у сторонников «вулканической» гипотезы пока не получается «привязать» по времени описываемые тектонические сдвиги и начало ВОБР.

Другой, альтернативной гипотезой появления ВОБР до последнего времени считалась мощная метеоритная бомбардировка Земли.

Метеориты с кулак

Шведский геолог Биргер Шмиц в 2001 году обнаружил в скалах времён среднего ордовика большое число крупных, размером с кулак, оплавленных остатков метеоритов. Их количество было столь велико, что для объяснения находки Шмиц выдвинул сенсационное предположение: в те времена метеориты падали на Землю в сотни раз чаще, чем теперь. Причём эта бомбардировка длилась несколько миллионов лет и происходила именно во времена ВОБР.

Астрономы косвенно подтвердили правоту Шмица. Компьютерное моделирование метеоритных потоков с учётом всех законов небесной механики показало, что в те времена действительно мог расколоться один очень большой астероид, двигавшийся по орбите между Марсом и Юпитером. Его обломки как раз и должны были попасть на Землю в ближайшие миллионы лет в виде крупных метеоритов.

Как тут было не предположить, что существует причинно-следственная связь между усиленной метеоритной бомбардировкой Земли и началом «биологической революции»? И хотя ни Шмиц, ни его последователи так и не сумели внятно объяснить, как именно падение метеоритов могло «запустить» ВОБР, эта гипотеза на протяжении долгих 16 лет представлялась исследователям даже более привлекательной, нежели «вулканическая».

И снова — неизвестность

Однако в начале 2017 года «космическая» гипотеза была опровергнута. Журнал Nature Communications в январе 2017 года опубликовал статью шведских и датских исследователей, в которой были приведены доказательства того, что метеоритная бомбардировка Земли произошла лишь спустя три миллиона лет после начала ВОБР. Более точную датировку этого события им удалось установить, исследуя найденные в одном из шведских карьеров метеориты с кристаллами циркона.

Таким образом, до сих пор неизвестно, что привело к Великому ордовикскому биологическому разнообразию. Понятно только, что, не будь этого события, на Земле, возможно, и по сей день колыхались бы волны первобытного океана. Из которого на сушу иногда (но не очень часто, потому что мало ли что…) поглядывали бы с опаской самые любопытные трилобиты.

Учёные смоделировали первичный бульон — субстанцию из множества "пузырьков", возникших в недрах планеты.

Немецкие учёные смоделировали процесс зарождения жизни на Земле. Об этом сообщается в недавно вышедшей книге The First Cell, она опубликована издательством Sparinger. Согласно приведённым данным, исследователи из Университета Дуйсбург-Эссен воссоздали субстанцию из мельчайших пузырьков, известную как первичный бульон.

Напомним, гипотезу о происхождении жизни из "бульона" органических соединений выдвинул в 1924 году советский биолог Александр Опарин. По его версии, первые белковые молекулы сформировались из простых веществ, например метана, аммиака и воды, под действием ультрафиолетовых лучей, ударов молний и высоких температур.

"Жизнь произошла не на Земле". Академик РАН показал следы бактерий в метеоритах

Впоследствии, как считал Опарин, получившиеся нитевидные соединения сворачивались в своеобразные пузырьки и покрывались слоем жиров, образуя первый прообраз современной клетки. Согласно теории, всё это происходило примерно 4 миллиарда лет назад.

Больше о происхождении жизни на Земле

В немецкой лаборатории повторили процесс появления жизни на Земле

Микроб со щупальцами пролил свет на тайну происхождения жизни на Земле

Учёные объяснили, как Земля стала пригодной для жизни

Считается, что подходящая для первичного бульона среда до сих пор сохраняется глубоко в земных недрах и геотермальных источниках. Германским исследователям удалось воссоздать аналогичные условия в лаборатории. Таким образом, учёные понаблюдали за возникновением и разрушением полутора тысяч "поколений" белковых пузырьков.

Микроб со щупальцами пролил свет на тайну происхождения жизни на Земле

В итоге, по словам авторов научной работы, некоторые органические структуры разработали собственную "стратегию выживания": внедряли белки из разрушенных пузырей в свою "мембрану", чтобы сделать её крепче. Исследователи полагают, что именно так и происходило в самом начале эволюции жизни. Со временем, считают они, первичный бульон стал настолько стабильным, что пузырьки оставались в целости и сохранности после извержений гейзеров, и таким образом первичный бульон попадал на поверхность Земли.

Больше интересного из мира науки и технологий — в телеграм-канале автора.

Бульон (значения) — Бульон: Содержание 1 Местность, населённые пункты 2 Личности 3 Биология … Википедия

ЖИЗНЬ — ЖИЗНЬ, комплекс процессов, наличие которого отличает организмы от косной природы. В основе этого комплекса лежит способность организмов получать энергию от Солнца прямо либо через посредство пищи и использовать ее для роста и воспроизводства. Все … Научно-технический энциклопедический словарь

К'тан — Эта статья об объекте вымышленного мира описывает его только на основе самого художественного произведения. Статья, состоящая только из информации на базе самого произведения, может быть удалена. Вы можете помочь проекту … Википедия

Смысл и тело — (тело смысла) одна из ключевых проблем нового сдвига гуманитарной парадигмы. Развенчание логоцентризма в культуре постмодерна фактически оказалось последней ступенью развоплощения смысла, обернулось логомахией, и грамматоцентризмом, утратой… … Проективный философский словарь

Чума — История. В прежнее время Ч. назывались многие эпидемические болезни, поражавшие современников колоссальной смертностью. Поэтому очень трудно бывает по описаниям древних авторов с уверенностью сказать, имеют ли они в виду именно ту болезнь,… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

ТУБЕРКУЛЕЗ — ТУБЕРКУЛЕЗ. Содержание: I. Исторический очерк. 9 II. Возбудитель туберкулеза. 18 III. Патологическая анатомия. 34 IV. Статистика. 55 V. Социальное значение туберкулеза. 63 VІ.… … Большая медицинская энциклопедия

ЖЕЛУДОК — ЖЕЛУДОК. (gaster, ventriculus), расширенный отдел кишечника, имеющий благодаря наличию специальных желез значение особо важного пищеварительного органа. Ясно диференцированные «желудки» многих беспозвоночных, особенно членистоногих и… … Большая медицинская энциклопедия

КИШЕЧНИК — КИШЕЧНИК. Сравнительно анатомические данные. Кишечник (enteron) представляет собой б. или м. длинную трубку, начинающуюся ротовым отверстием на переднем конце тела (обычно с брюшной стороны) и кончающуюся у большинства животных особым, анальным… … Большая медицинская энциклопедия

АКТИНОМИКОЗ — АКТИНОМИКОЗ, actinomycosis (от греч. aktis луч и mykes гриб), лучисто грибковая болезнь, вызываемая внедрением в человеческий или животный организм ак тиномицетов (Actinomycetes), лучистых грибков. Актиномицеты группа низших растительных… … Большая медицинская энциклопедия

СИБИРСКАЯ ЯЗВА — СИБИРСКАЯ ЯЗВА. Содержание: Этиология. 379 Статистика и географическое распространение . 381 Эпидемиология. 384 Патологическая анатомия. 385 Пути заражения и патогенез. 386 Клиническая… … Большая медицинская энциклопедия

Вставьте в текст «Первые организмы на Земле» пропущенные термины из предложенного перечня, используя для этого числовые обозначения. Запишите в текст цифры выбранных ответов, а затем получившуюся последовательность цифр (по тексту) впишите в ответ.

ПЕРВЫЕ ОРГАНИЗМЫ НА ЗЕМЛЕ

Согласно самой распространённой на сегодняшний момент теории, первыми в ходе эволюции на Земле возникли гетеротрофные _________ (А) организмы, питавшиеся _________ (Б) веществами «первичного бульона». По мере истощения «первичного бульона» возникла необходимость в дополнительном источнике органических веществ. Тогда стали появляться _________ (В) организмы. Первые из таких организмов использовали энергию _________ (Г) реакций, энергию солнечного света автотрофы стали использовать позднее.

Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:

Согласно самой распространённой на сегодняшний момент теории, первыми в ходе эволюции на Земле возникли гетеротрофные прокариотические организмы, питавшиеся органическими веществами «первичного бульона». По мере истощения «первичного бульона» возникла необходимость в дополнительном источнике органических веществ. Тогда стали появляться автотрофные организмы. Первые из таких организмов использовали энергию окислительно-восстановительных реакций, энергию солнечного света автотрофы стали использовать позднее.

Долгое время ученые придерживались теории, что жизнь зародилась в море. Вернее, в древнем океане, наполненном так называемым «первичным бульоном». Сейчас эта теория, при всей ее ценности для понимания некоторых процессов, уже несколько устарела. Если как следует проанализировать состав жидкостей в нашем теле, то картина получается более сложная.

Теорию «первичного бульона» выдвинул в первой трети прошлого века советский биохимик Александр Иванович Опарин, и она надолго стала одной из самых влиятельных в научном мире. Работа Опарина «Происхождение жизни» вышла в 1924 г. и была переведена на английский язык в 1938 г. Но еще раньше идеи Опарина нашли горячую поддержку у британского биолога Джона Холдейна, и он опубликовал ряд работ в том же направлении.

Согласно теории Опарина — Холдейна древнейшая атмосфера Земли была полностью лишена кислорода и состояла из метана, аммиака и водорода. Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии — грозы и извержения вулканов, — в океане начали формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни. С течением времени молекулы органических веществ накапливались в океанах, пока не достигли консистенции горячего разбавленного бульона. Однако в некоторых районах концентрация молекул, необходимых для зарождения жизни, была особо высокой, и там образовались нуклеиновые кислоты и протеины. Взаимодействие между возникшими нуклеиновыми кислотами и протеинами в конце концов привело к возникновению генетического кода. В дальнейшем эти молекулы объединились, и появилась первая живая клетка.

В 1954 г. Стэнли Миллер провел следующий эксперимент. Он создал аппарат из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб Миллер поместил устройство, имитирующее грозовые эффекты, — два электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 тыс. вольт; в другой колбе постоянно кипела вода. Затем он заполнил аппарат газовым составом, который, как он полагал, соответстветствовал атмосфере древней Земли: метаном, водородом и аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы продукты реакции. В получившемся вязком месиве было обнаружено некоторое количество органических веществ, в том числе и простейшие аминокислоты — глицин и аланин. Позднее в разных условиях были получены также сахара и нуклеотиды.

Результат был очень вдохновляющим, но прошло несколько десятилетий —и восторги несколько поутихли. Во-первых, предположение, что древнейшая атмосфера Земли состояла из метана, аммиака и водорода не подтвердилось. Для атмосфер каменистых планет характерен углекислый газ. Во-вторых, в 1960-х гг. случился прорыв в области изучения внутреннего устройства клетки. Тутто и выяснилось, что даже самая простая клетка устроена невероятно сложно. В клетке налажен изумительный механизм сложнейших молекул, и чтобы научиться такому слаженному взаимодействию, они должны были собраться в одном месте и остаться в близком соседстве надолго. Это очень трудно представить себе на морских просторах, где любая тесная компания в любой момент может быть разбавлена. Молекулы современной клетки удерживает от разброда и шатания сложно устроенная оболочка, но ведь когда-то ее не было! Скорее всего, дружное сообщество молекул возникло в каком-то ограниченном пространстве, вероятно, очень небольшом. Вдумчивый анализ химического состава нашего организма поможет понять, где и как это произошло.

Продолжение статьи читайте в мартовском номере журнала "Наука и техника" за 2020 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.

В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой

Бульон (значения) — Бульон: Содержание 1 Местность, населённые пункты 2 Личности 3 Биология … Википедия

Почему жизнь зародилась в воде
Как произошла жизнь на Земле
Почему возникло учение витализм

Теория «первичного бульона»

Советский биолог Александр Иванович Опарин в 1924 году создал теорию о возникновении жизни на нашей планете посредством химической эволюции углеродосодержащих молекул. Он ввел термин «первичный бульон» для обозначения воды с высокой концентрацией подобных молекул.

Предположительно «первичный бульон» существовал 4 миллиарда лет назад в мелких водоемах Земли. Он состоял из воды, молекул азотистых оснований, полипептидов, аминокислот и нуклеотидов. «Первичный бульон» образовался под влиянием космического излучения, высокой температуры и электрических разрядов.

Органические вещества возникали из аммиака, водорода, метана и воды. Энергия для их образования могла быть получена от грозовых электрических разрядов (молний) или от ультрафиолетового излучения. А.И. Опарин предположил, что нитеобразные молекулы полученных белков могли сворачиваться и «склеиваться» друг с другом.

В лабораторных условиях ученым удалось создать подобие «первичного бульона», в котором успешно образовывались скопления белков. Однако не был решен вопрос о воспроизводстве и дальнейшем развитии коацерватных капель.

Белковые «шарики» притягивали к себе молекулы жиров и воды. Жиры располагались на поверхности белковых образований, покрывая их слоем, который по структуре отдаленно напоминал клеточную мембрану. Опарин назвал этот процесс коацервацией, а образовавшиеся скопления белков – коацерватными каплями. Со временем коацерватные капли поглощали из окружающей среды все новые порции вещества, постепенно усложняя свою структуру, пока не превратились в примитивные живые клетки.

Зарождение жизни в горячих источниках

Минеральная вода и особенно насыщенные солями горячие гейзеры могут успешно поддерживать примитивные формы жизни. Академик Ю.В. Наточин в 2005 году предположил, что средой образования живых протоклеток был не Древний океан, а теплый водоем с преобладанием ионов К+. В морской воде доминируют ионы Na+.

Теория академика Наточина подтверждается анализом содержания элементов в современных живых клетках. В них так же, как и в гейзерах, преобладают ионы К+.

В 2011 году японский ученый Тадаси Сугавара сумел создать живую клетку в горячей минерализованной воде. Примитивные бактериологические образования – строматолиты и сейчас образуются в естественных условиях в гейзерах Гренландии и Исландии.

Вопрос 1. По какому принципу историю Земли делят на эры и периоды?
Разделение истории Земли на этапы произошло после того, как геологи и палеонтологи сравнили между собой разноуровневые пласты осадочных пород и находящиеся в них окаменелости. Временные границы между эрами и периодами были установлены с учетом особенностей геологических процессов, климата, появления и исчезновения определенных групп живых организмов.

Вопрос 2. Когда возникли первые живые организмы?
Первые живые организмы возникли около 3,5 млрд лет назад. Это были анаэробные гетеротрофы, которые питались органическими веществами, содержащимися в «первичном бульоне».

Вопрос 3. Какими организмами был представлен живой мир в криптозое (докембрии)?
Криптозой состоит из нескольких эр. В архейскую эру Землю населяли первые анаэробные гетеротрофы; 3 млрд лет назад появились цианобактерии. В протерозойскую эру (2,5 — 0,5 млрд лет назад) в атмосфере накопилось достаточно кислорода, чтобы возникли первые аэробные организмы. В результате симбиоза разных групп древних простейших организмов сформировались эукариотические клетки, близкие к современным. В итоге в протерозое на клеточном уровне уже обнаруживаются все царства живых организмов (растения, животные и грибы). В последние 100 млн лет этой эры появилась многоклеточность; возникли губки, кишечнополостные, черви, иглокожие, членистоногие, моллюски и, наконец, первые хордовые.

Вопрос 4. Почему в пермский период палеозойской эры вымерло большое количество видов амфибий?
В пермский период (285—230 млн лет назад) климат стал существенно холоднее и суше, чем в карбоне. Поэтому численность амфибий, которым вода необходима для увлажнения кожи и развития личинок, стала резко сокращаться. Многие крупные и гигантские виды быстро исчезли. В целом произошла довольно быстрая смена амфибий рептилиями, которые были гораздо лучше приспособлены к сухопутному образу жизни.

Вопрос 5. В каком направлении шла эволюция растений на суше?
Первыми растениями, появившимися на Земле, были водоросли, которые росли и развивались в океане. Первые наземные растения — псилофиты вышли на сушу в силуре(440—410 млн лет назад). Карбон (350— 285 млн лет назад) представлял собой царство споровых — папоротников, хвощей, плаунов. Их древовидные формы достигали в высоту 30—40 м и образовывали огромные леса. Первые виды голосеменных возникли в пермский период, и почти всю мезозойскую эру (230-67 млн лет назад) голосеменные доминировали на Земле. В меловом периоде (137—67 млн лет назад) появляются и быстро распространяются покрытосеменные. Они постепенно вытеснили споровых, существенно потеснили голосеменных и господствуют на планете в настоящее время.
В целом эволюция растений шла в сторону все большего приспособления к жизни на суше: развитие тканей (в том числе покровных, механических и проводящих), переход к оплодотворению, не зависящему от наличия воды, появление семян и плодов.

Вопрос 6. Охарактеризуйте эволюцию животных в палеозойскую эру.
Палеозойская эра (570—230 млн лет назад) разделяется на шесть периодов. В кембрии (570—500 млн лет назад) и ордовике (500—440 млн лет назад) в океане преобладают медузы и кораллы. Появляются древние членистоногие-трилобиты. Постепенно усложняются хордовые. В силуре образуются настоящие позвоночные — бесчелюстные рыбы, от которых произошли современные рыбы. На сушу выходят первые беспозвоночные — древние паукообразные.
В девоне (410—350 млн лет назад) господствуют хрящевые рыбы и уже появляются первые костные. Возникновение кистеперых и двоякодышащих рыб приводит к постепенному выходу позвоночных на сушу. Появляются первые амфибии, в том числе крупные стегоцефалы. В карбоне в лесах обитают первые крылатые насекомые, напоминающие гигантских стрекоз, и множество амфибий. В пермский период численность амфибий сокращается, и хозяевами суши становятся пресмыкающиеся.

Вопрос 7. Расскажите об особенностях эволюции в мезозойскую эру.
Мезозойская эра состояла из трех периодов. Триасовый период (230—195 млн лет назад) — это начало расцвета гигантских пресмыкающихся — динозавров. Появляются крокодилы и черепахи, а также первые млекопитающие; резко сокращается численность амфибий; почти полностью вымирают семенные папоротники (предки семенных растений).
В юрском периоде (195—137 млн лет назад) господствуют голосеменные растения. В океане появляются головоногие моллюски. В конце периода возникают археоптериксы и другие переходные формы между рептилиями и птицами.
В меловом периоде появляются высшие млекопитающие и птицы. Покрытосеменные растения постепенно вытесняют голосеменные и споровые. В конце периода происходит массовое вымирание динозавров.

Вопрос 8. Какое влияние оказали обширные оледенения на развитие растений и животных в кайнозойскую эру?
Четыре гигантских оледенения в антропогенный период (начался 1,5 млн лет назад) привели к появлению животных, приспособленных к суровому климату: мамонтов, шерстистых носорогов, овцебыков. Оледенения ускорили эволюцию и многих других млекопитающих (в том числе человека). После глобального потепления мамонты и значительная часть крупных копытных вымерли.
Оледенения привели к значительному обеднению видового разнообразия растений. Особенно это сильно проявилось в Евразии, где основные горные цепи (в отличие от Америки) идут в широтном направлении и многие виды растений при наступлении ледников были лишены возможности сместить свой ареал к югу.

Вопрос 9. Как вы можете объяснить сходство фауны и флоры Евразии и Северной Америки?
В течение длительного времени в антропогенном периоде Евразия и Америка были соединены участком суши в районе современного Берингова пролива. Благодаря такому «мосту» растения и животные широко расселились по всей территории единой суши. Лишь относительно недавно по геологическим меркам (10—12 тыс. лет назад) континенты разделились. Поэтому флора и фауна Евразии и Северной Америки в настоящее время сохраняют большое сходство. Другим примером из этой области является относительно недавнее формирование Панамского перешейка. Взаимное проникновение флоры и фауны Северной и Южной Америки протекает в настоящее время, поэтому животный и растительный мир этих двух соседних континентов сильно отличается.

Теории и практики

Древние и средневековые ученые были уверены, что живые организмы постоянно самозарождаются из неживой материи: мухи — из гниющего мяса, а мыши — из грязных тряпок. Теперь мы знаем, что в клетках используются именно белки и ДНК, а не другие вещества, а сами цепи ДНК состоят из четырех видов звеньев. Но почему? В издательстве «Альпина нон-фикшн» вышла книга биолога Михаила Никитина «Происхождение жизни. От туманности до клетки», в которой он собрал самые свежие ответы науки на подобные вопросы об устройстве мира. В рамках спецпроекта с премией «Просветитель» T&P публикуют отрывок из главы, посвященный веществу, без активного участия которого, по устоявшемуся мнению, жизнь была бы невозможна — воде.

Почему жизнь на планете Земля устроена так, а не иначе? Подобные вопросы часто возникают у школьников и студентов, изучающих биологию. Но в учебниках ответов на них нет. В результате студенты привыкали, что задавать эти вопросы бесполезно. И даже когда они вырастали в ученых и могли попытаться на них ответить сами, привычка мешала им это сделать. Тем временем наметился путь к ответам на эти вопросы. Успехи химиков привели к возникновению синтетической биологии — созданию новых организмов с новыми, невиданными свойствами. Достижения синтетической биологии, например, расширение генетического алфавита до шести букв, позволяют сравнить решения, выбранные нашей земной жизнью, с альтернативными вариантами и выяснить, по каким причинам эволюция предпочла один из них. Тот или иной выбор был сделан жизнью очень давно, скорее всего, до появления клеток. Изучая каждую альтернативу, мы лучше понимаем, как возникла жизнь на нашей планете.

В XXI веке бурно развивалась не только биология. Например, астрономы за последние годы открыли тысячи планет у других звезд (они называются экзопланеты). С этими данными мы теперь можем оценить, насколько наша Солнечная система уникальна или типична для Галактики. Космические зонды, отправленные к дальним планетам, кометам и астероидам, собрали много новой информации о древнейшей истории Солнечной системы. Геологи, вооруженные тончайшими методами анализа горных пород и метеоритов, узнали много нового об условиях, существовавших на древней Земле в те времена, когда жизнь на ней только зарождалась.

Сколько воды надо для появления жизни?

«Первичный бульон» как среда для появления жизни имеет свои недостатки. В водной среде белки, РНК и ДНК неустойчивы. Эти длинные молекулы со временем распадаются на отдельные звенья — аминокислоты или нуклеотиды. Химическое соединение аминокислот в белок или нуклеотидов в РНК происходит с выделением воды. Поэтому когда ее вокруг много, равновесие этой реакции смещено в сторону распада белка или РНК (такой распад с участием воды называется «гидролиз»). Первым обратил внимание на эту проблему в контексте происхождения жизни Джон Бернал еще в 1949 году.

Клетки строят длинные молекулы, используя активированные нуклеотиды и аминокислоты. При построении РНК и ДНК в ход идут нуклеотид-трифосфаты, их соединение в цепочку сопровождается выделением пирофосфорной кислоты, а не воды. Похожая хитрость позволяет клеткам собирать белки. Однако в аппарате Миллера получаются обычные, а не активированные аминокислоты. Без сложных клеточных систем активации получить из них белки в водной среде нельзя. Поэтому на безжизненной планете для соединения аминокислот и нуклеотидов в цепочки надо избавляться от воды. Для этого хорошо подходят, например, заливы и лагуны по берегам океана, которые наполняются водой во время прилива и пересыхают в отлив. Похожие условия частого высыхания возможны в вулканических районах благодаря регулярным выбросам горячей воды из гейзеров.

Эксперименты показали, что запекание сухих смесей нуклеотидов при температуре 120С приводит к образованию коротких цепочек РНК из 3–10 нуклеотидов. Для соединения аминокислот в белки эти условия слишком жесткие, они приводят к разложению самих аминокислот. Однако, как выяснилось, полного высыхания и не требуется: достаточно, чтобы в растворе не было «химически свободной» воды. В крепком рассоле (100 и более граммов NaCl на литр, как в Мертвом море) все молекулы воды прочно связаны с ионами натрия и хлора и не являются химически свободными. Поэтому в рассоле при температурах 60–80С равновесие смещено в сторону образования связей, и аминокислоты соединяются в короткие цепочки (эта реакция называется «солевой пептидный синтез» и будет подробнее описана в следующих главах). Так что, хотя вода и необходима для жизни, ее не должно быть слишком много.

Другая проблема теории «первичного бульона» связана с тем, что в нем нет границ. В клетках тысячи генов «играют в одной команде» благодаря клеточной мембране, отделяющей их от внешней среды. Чтобы возникла простейшая кооперация между разными РНК, одни из которых занимаются копированием, а другие, например, готовят для этого детали-нуклеотиды, эти РНК должны как-то отделить свою тесную компанию от остального мира. Тогда нуклеотиды пойдут на копирование только тех РНК, которые их делали, а копирующая РНК будет копировать только себя и своих соседей, которые поставляют ей нуклеотиды. В безграничном бульоне же эти нуклеотиды будут расплываться и достанутся всем соседям, независимо от их вклада в общее дело. Копирующая РНК, которая попытается копировать не только себя, но и другие молекулы, в условиях бульона не сможет отличить союзников от прихлебателей и в итоге проиграет в конкуренции.

Ученые предложили два разных решения проблемы границ, которые по аналогии с «первичным бульоном» были названы «первичная пицца» и «первичный майонез». В модели «первичной пиццы», изложенной в книге «The Major Transitions in Evolution» (John Maynard Smith, Eörs Szathmáry, 1995), предполагается, что жизнь зарождалась в виде тонкого слоя органических молекул на поверхности глины (например, каолинита или смектита), частицы которой состоят из тонких алюмосиликатных слоев. Глина может набухать, потому что молекулы воды, как и другие катионы и анионы, внедряются между этими слоями, увеличивая расстояния между ними. Эксперименты показали, что глина довольно прочно связывает аминокислоты, нуклеотиды, белки, РНК и другие биологические молекулы. На поверхности кристаллов глины и между ее слоями они накапливаются в высокой концентрации даже из очень разбавленного раствора. Адсорбирующие свойства глины используются и в быту: вы наверняка видели смектит под названием «минеральный наполнитель для кошачьих туалетов». На глине нуклеотиды самопроизвольно выстраиваются именно так, как нужно для их «сшивания» в цепочку РНК. Длинные молекулы РНК очень редко отделяются от глины полностью, но могут медленно перемещаться по ее поверхности, открепляясь то одним, то другим концом. Математическое моделирование взаимодействия разных РНК на плоской минеральной поверхности (Czaran T., Szathmary E., 2000) показало, что в таких условиях легко образуются группы разных молекул, связанных взаимной помощью, а размножение паразитов ограничено и не приводит к вымиранию кооперирующихся РНК. Так что, хотя четких границ на минеральной поверхности нет, она достаточно ограничивает подвижность РНК и нуклеотидов, чтобы могли появиться тесные группы взаимопомощи.

Еще один вклад минеральной подложки в возникновение жизни состоит в том, что она может работать катализатором, т. е. ускорять химические реакции. Эта функция выходит на первый план в тех вариантах модели «первичной пиццы», в которых в качестве минеральной основы предлагается не глина, а сульфидные минералы — пирит (FeS2), сфалерит (ZnS), алабандин (MnS). Дальше в этой главе мы подробнее рассмотрим связь сульфидных минералов с биохимией. Модель «первичного майонеза» предложена Гарольдом Моровицем в книге «Mayonnaise and The Origin of Life: Thoughts of Minds and Molecules». Она предполагает, что примитивные аналоги клеточных мембран существовали с древнейших времен, еще до появления самокопирующихся РНК. Иными словами, весь мир РНК существовал внутри протоклеток — мелких жировых пузырьков. Теория «первичного майонеза» имеет меньше сторонников, чем теория «первичной пиццы», потому что для протоклеток существует проблема питания: нуклеотиды очень плохо проходят через мембраны. В современных клетках для этого существуют специальные транспортные белки, но адекватного решения для поглощения нуклеотидов примитивными протоклетками пока не найдено. Зато в модели «первичного майонеза» достигается очень эффективное разделение молекул РНК на кооперирующиеся группы, поэтому отвергать ее ученые не спешат. Более того, есть пути совмещения теорий «первичной пиццы» и «первичного майонеза»: частицы глины, как оказалось, помогают образованию мембранных пузырьков, при этом возникший пузырек окружает частицу глины со всех сторон.

Возникновение органических соединений

Какие космические факторы на ранних этапах развития Земли явились предпосылками для возникновения органических соединений?

На ранних этапах развития Земли органические соединения образовывались из неорганических абиогенным путем. Источником энергии для этих процессов служило ультрафиолетовое излучение Солнца. В атмосфере не существовало ни озона, ни кислорода, поэтому ультрафиолет ничем не задерживался и достигал поверхности планеты. Под его воздействием, а также при участии электрических грозовых разрядов из воды и газов образовывались простейшие органические вещества: формальдегид, глицерин, аминокислоты, мочевина и др.

Теория биопоэза

Назовите основные стадии возникновения жизни согласно теории биопоэза.

Согласно теории биопоэза, сформулированной в 1947 г. английским физиком и историком науки Джоном Берналом (1901–1971), можно выделить три стадии возникновения жизни:

абиогенный синтез и накопление органических мономеров (формирование «первичного бульона»);
образование биологических полимеров и коацерватов (от лат. coacervus — сгусток);
формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов).

Основное место протекания всех этих процессов — древний океан.

Образование и эволюция коацерватов

Как образовывались, какими свойствами обладали и в каком направлении эволюционировали коацерваты?

Образование коацерватов было бы невозможно без взаимодействия органических веществ друг с другом и с неорганическими соединениями. В результате такого взаимодействия из жирных кислот и спиртов образовались липиды, из аминокислот — пептиды, из нуклеотидов — нуклеиновые кислоты. Липиды формировали пленки на поверхности водоемов, а белки — растворенные в воде полимерные комплексы. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, образовывали коацерваты — структуры, обособленные от остальной массы воды. Коацерваты были способны, обмениваясь с окружающей средой, концентрировать различные вещества. Так, накопление ионов металлов и их взаимодействие с белками привело к образованию ферментов. Нуклеиновые кислоты, попавшие в коацерваты, имели больше шансов сохранить свою структуру и не разрушиться. Коацерваты обладали некоторыми признаками живого, но для превращений их в первые живые организмы не хватало биологических мембран.

Возникновение пробионтов

Расскажите, как возникли пробионты.

Мембраны пробионтов могли образовываться из липидных пленок на поверхности водоемов, к которым присоединялись плавающие в воде коацерваты. Для эволюции жизни были важны те коацерваты, которые содержали не только белок, но и нуклеиновые кислоты. Из их комплексов с липидами можно считать живыми организмами лишь те, которые оказались способны к самовоспроизведению нуклеиновых кислот. Так возникли пробионты — примитивные гетеротрофы, живущие за счет органических веществ абиогенного происхождения («первичного бульона»). На этом этапе закончилась химическая и началась биологическая эволюция.

Эволюция гетеротрофов

Опишите, как могло происходить усложнение внутреннего строения первых гетеротрофов.

Постепенно количество органических веществ абиогенного происхождения стало уменьшаться. Это привело к жесткой конкуренции между пробионтами, которая ускорила возникновение автотрофов, использующих для создания органики энергию солнечного света. Первые автотрофы использовали бескислородный путь фотосинтеза. Позднее появились цианобактерии, способные к фотосинтезу с выделением кислорода. Следствием накопления кислорода в атмосфере стало, во-первых, возникновение аэробных организмов, во-вторых, формирование защитного озонового слоя.

Параллельно происходило усложнение внутреннего строения клеток, которое в итоге привело к появлению эукариотов. Некоторые гетеротрофы вступали в симбиоз с аэробными бактериями, захватывая их и используя в качестве «энергетических станций» — будущих митохондрий. Такие симбионты дали начало животным и грибам. Другие гетеротрофы, помимо аэробных бактерий, захватывали и автотрофов-цианобактерий, которые стали хлоропластами. Так появились предшественники растений.

Самозарождение жизни в современных условиях

Почему невозможно самозарождение жизни в современных условиях?

Самозарождение жизни на Земле в настоящее время невозможно, поскольку в условиях современной богатой кислородом атмосферы органические соединения быстро разрушаются, не накапливаются и не достигают должной степени сложности. Кроме того, появления коацерватов и пробионтов не происходит из-за огромного количества гетеротрофов, очень быстро «поедающих» любое скопление органических веществ.

Эры и периоды истории Земли

По какому принципу историю Земли делят на эры и периоды?

Разделение истории Земли на этапы произошло после того, как геологи и палеонтологи сравнили между собой разноуровневые пласты осадочных пород и находящиеся в них окаменелости. Временные границы между эрами и периодами были установлены с учетом особенностей геологических процессов, климата, появления и исчезновения определенных групп живых организмов.

Возникновение жизни

Когда возникли первые живые организмы?

Первые живые организмы возникли около 3,5 млрд лет назад. Это были анаэробные гетеротрофы, которые питались органическими веществами, содержащимися в «первичном бульоне».

Криптозой

Какими организмами был представлен живой мир в криптозое (докембрии)?

Криптозой состоит из нескольких эр. В архейскую эру Землю населяли первые анаэробные гетеротрофы; 3 млрд лет назад появились цианобактерии. В протерозойскую эру (2,5–0,5 млрд лет назад) в атмосфере накопилось достаточно кислорода, чтобы возникли первые аэробные организмы. В результате симбиоза разных групп древних простейших организмов сформировались эукариотические клетки, близкие к современным. В итоге в протерозое на клеточном уровне уже обнаруживаются все царства живых организмов (растения, животные и грибы). В последние 100 млн лет этой эры появилась многоклеточность; возникли губки, кишечнополостные, черви, иглокожие, членистоногие, моллюски и, наконец, первые хордовые.

Пермский период

Почему в пермский период палеозойской эры вымерло большое количество видов амфибий?

В пермский период (285–230 млн лет назад) климат стал существенно холоднее и суше, чем в карбоне. Поэтому численность амфибий, которым вода необходима для увлажнения кожи и развития личинок, стала резко сокращаться. Многие крупные и гигантские виды быстро исчезли. В целом произошла довольно быстрая смена амфибий рептилиями, которые были гораздо лучше приспособлены к сухопутному образу жизни.

Страница 26 из 35

Читайте также: