Как появилась жизнь на Земле?

Как появилась первая жизнь? Произошло ли это на Земле или же в глубинах древнего космоса?

На протяжении большей части человеческой истории было принято считать, что возникновение жизни было божественным событием. И даже сегодня многие придерживаются мнения о том, что Бог создал людей и другие земные формы жизни. Однако научное мнение претерпело ряд радикальных изменений в период с XVII века до наших дней. Более того, только в XX столетии вопросы происхождения жизни и существования внеземной жизни стали считаться тесно переплетенными.

Исторические идеи

В начале семнадцатого века происхождение жизни рассматривалось прежде всего как богословская проблема. Однако считалось возможным, что маленькие существа, такие как личинки и даже мыши, могут возникнуть из неживого материала путем спонтанной генерации. Эта гипотеза была впервые предложена Аристотелем. Когда эксперименты Реди, Пастера и других исследователей подорвали эту теорию, представления о том, что живые существа каким-то образом принципиально отличались от неодушевленной материи на какое-то время было трудно избежать и витализм пережил период ренессанса. Отсутствие данных приводило к научным размышлениям о происхождении проблемы возникновения жизни, хотя возможность постепенного, химического происхождения жизни. озвучивалась уже во второй половине XIX века Томасом Гексли, Джоном Тиндалем и бельгийским ученым Лео Эррера.

Интригующая альтернативная гипотеза, подробно изложенная Аррениусом, заключается в том, что жизнь вечна и распространилась из мира в мир в процессе панспермии. Однако в то время эта идея не смогла привлечь широкую поддержку и, как казалось, была связана с техническими трудностями. В первые десятилетия двадцатого века она уступила место более согласованному исследованию концепции химического происхождения жизни на Земле, теории, рост популярности которой совпал с дебатами о природе самой жизни между виталистами и механиками. В конечном итоге было принято мнение, гласящее, что жизнь по существу является сложным химическим и физическим явлением, и ее происхождение может лежать в относительно простых химических и физических процессах, которые происходили на молодой Земле.

Еще в 1868 году Томас Хаксли предположил, что основой для всей наземной животной и растительной жизни является «протоплазма». С появлением новой дисциплины – биохимии, между 1901 и 1905 годами, возникла идея, что ферменты могут лучше определить основную единицу живых существ, а в 1914 году Леонард Тролэнд выдвинул химическую теорию происхождения жизни с точки зрения автокаталитических ферментов. Другие полагали, что недавно обнаруженные вирусы и, в частности, бактериальные вирусы, известные как бактериофаги, могут представлять собой наименьшие живые частицы. В 1929 году генетик Герман Меллер (HJ Muller) предположил, что первые живые существа на Земле могли быть размерами и сложностью «немного больше, чем гены». Разбор жизни на более простые компоненты – вирусы , ферменты или гены – облегчил признание научным миром возможности того, что первые организмы могли возникнуть в результате случайной серии химических реакций.

Гипотеза Опарина – Холдейна

В 1920-х и начале 1930-х годов советский биолог А.И.Опарин и его английский коллега Холдейн Джон Бёрдон Сандерсон
независимо друг от друга разрабатывали теории, изучающие, как именно условия на ранней Земле, возможно, способствовали химической эволюции жизни. Оба постулировали примитивную атмосферу, в которой синтезировались простые органические химические вещества. Они утверждали, что эти органические вещества накапливаются в поверхностных водах океана, образуя «первичный бульон», из которого со временем возникла жизнь в своей самой элементарной форме. В 1950-х годах, благодаря одобрению других известных ученых, гипотеза Опарина – Холдейна получила широкое признание и мощную эмпирическую поддержку положительными результатами эксперимента Миллера-Юри (1953). Примерно в то же время биологи Уотсон и Крик исследовали генетический код, выяснив структуру ДНК и, таким образом, дали человечеству знания о структуре основных химических строительных блоков земной жизни.

В середине 1950-х годов также произошла первая интеграция исследователей происхождения жизни с теми учеными, которые занимались проблемами существования жизни в других мирах. В 1964 году Опарин писал о «неразрывной связи» между астробиологией и происхождением жизни. Понимание того, как возникла жизнь на Земле, теперь рассматривалось как необходимое условие для проведения исследований, направленных на изучение того, где и как жизнь могла возникнуть в других частях Вселенной.

Главной проблемой для исследователей тех лет была неспособность в лабораторных экспериментах по пребиотическому синтезу продвинуться значительно дальше получения аминокислот и других относительно простых органических строительных блоков. Как комментировал тогда один из исследователей: «Переход от бактерии к людям – это проще, чем переход от смеси аминокислот к бактерии». Разрыв между молекулой аминокислоты, содержащей менее 100 атомов, и самой примитивной бактерией, содержащей около 100 миллиардов атомов, представляет собой серьезное препятствие для гипотезы Опарина – Холдейна. Более того, необходимость поиска новых возможных сред и механизмов пребиотической эволюции была вызвана пониманием (основанным на новых геофизических данных) того, что примитивная атмосфера Земли почти не отличалась от современного ее состояния.

Проблемы гипотез происхождения жизни

Существовали две фундаментальные проблемы: во-первых, нужно было объяснить, как гигантские полимеры, которые необходимы для жизни, особенно белки и нуклеиновые кислоты, были синтезированы в естественных условиях из своих составляющих, и во-вторых, нужно было понять происхождение клеток. В 1947 году Джон Бернал утверждал, что необходим какой-то способ концентрации основных ингредиентов, и что лагуны и приливные бассейны вокруг ранних океанов хорошо служили бы этой цели. Полимеризация, предположил он, возможно, имела место в присутствии глинистых минералов. Они обеспечили бы поверхность для адсорбции органических молекул и выступали бы как средство их удержания при соединении, а так же обеспечивали бы защиту от разрушительных эффектов солнечного ультрафиолета. Возможная роль глины и полусухой, лагуноподобной среды была озвучена и другими исследователями, в частности Кернсом-Смитом и Миллером.

Постепенно биологи пришли к выводу что, возможно, ранние фазы развития жизни не имели ДНК. В частности, открытие Томасом Чеком самокатализирующих рибозим привело к внезапному росту интереса к возможности первичного «мира РНК», концепции, получившей второе рождение с подачи гарвардского биолога Уолтера Гилберта в 1986 году, впервые предложенная в 1968 году Фрэнсисом Криком. Однако, хотя РНК обладает комбинированными свойствами самокатализатор, ее хрупкость заставила исследователей рассмотреть альтернативные сценарии. Некоторые предположили, что белковые катализаторы предшествуют любым молекулам-репликаторам, таким как ДНК или РНК, тогда как другие, такие как Фримен Дайсон, предположили, что они появились вместе. В настоящее время популярна гипотеза идея о том, что перед РНК-миром существовала еще более ранняя эпоха, в которой доминировали такие вещества, как ПНА.

Вторая главная проблема, связанная с происхождением жизни, – это появление клеток – в частности, и «контейнеров» для клеток или клеточных мембран. Уже в 1932 году в лаборатории были созданы примитивные органические оболочки, известные как коацерваты, и они были предложены в качестве предшественников клеточной мембраны. Альтернативный кандидат появился в 1950-х годах в виде микросфер , свойства и синтез которых продолжают изучаться.

Экстремофилы и теория панспермии

Открытие экстремофилов вызвало новые предположения о том, как появились первые земные организмы. Некоторые исследователи выступают за горячие окрестности подводных гидротермальных жерл как вероятное место рождения жизни.  Эта гипотеза получила шанс на существование в 1999 году, когда японскими исследователями  удалось синтезировать пептиды вокруг искусственного глубоководного источника.

Параллельные исследования привели к возрождению интереса к гипотезе панспермии, которая предполагает, что часть строительных материалов для жизни и, возможно, даже первобытная жизнь, попали на Землю из космоса. Открытие все более сложных молекул в межзвездном пространстве, а также в метеоритах, кометах и атмосферах планет-гигантов, способствовало предположению о том, что семена, из которых земная жизнь родилась, возможно, были высажены на ранней стадии бомбардировки нашей планеты. В частности, экспериментальные работы, проведенные в Исследовательском центре Эймса (NASA), предназначенные для имитации условий в межзвездных облаках газа и пыли, показали возможность получения в таких условиях ранних предшественников жизни.

Дополнительные ценные данные о возможной внеземной природе происхождения жизни будут получены из ряда текущих и запланированных космических миссий, предназначенных для сбора образцов материала из комет или астероидов и доставки их на Землю для лабораторного анализа. Идентификация метеоритов, которые почти наверняка имеют лунное и марсианское происхождение показала, что органические материалы вполне могут перемещаться между планетами в результате крупных воздействий, что дает возможность рассуждать о баллистической панспермии. К самым экстравагантным можно отнести идеи о том, что примитивные организмы, возможно, эволюционировали непосредственно в космическом пространстве.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Комментировать

Войти с помощью: 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: