На протяжении большей части человеческой истории было принято считать, что жизнь на планете Земля появилась благодаря какому-то божественному событию. И даже сегодня многие придерживаются мнения о том, что это Бог создал людей. Как и другие земные формы жизни. Однако научное мнение претерпело ряд радикальных изменений в период с XVII века до наших дней. И только в XX столетии вопросы происхождения жизни и существования внеземной жизни стали считаться тесно переплетенными.
Жизнь на планете Земля. 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 некой спонтанной генерации. Эту гипотезу впервые высказал Аристотель. Эксперименты Реди, Пастера и других исследователей подорвали эту теорию. И представлений о том, что живые существа каким-то образом принципиально отличались от неодушевленной материи было трудно избежать. И поэтому витализм пережил период ренессанса. Однако отсутствие данных снова приводило к научным размышлениям о проблеме возникновения жизни. Хотя возможность постепенного, химического происхождения жизни озвучивалась уже во второй половине XIX века. Об этом говорили Томас Гексли, Джон Тиндаль и бельгийский ученый Лео Эррера.
Интригующая альтернативная гипотеза, подробно изложенная Аррениусом, заключается в том, что жизнь вечна. И распространяется 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. А именно – концепции химического варианта появления жизни на планете Земля. Рост популярности этой теории совпал с дебатами о природе самой жизни между виталистами и механиками. В конечном итоге было принято определенное мнение. Оно гласило, что жизнь на планете Земля является сложным химическим и физическим явлением. И ее происхождение может лежать в относительно простых химических и физических процессах. Которые поддерживала молодая Земля.
Случайная химия
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 ученые 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, которых увидела Земля, 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 новые теории. Они изучали как именно условия, которые имела ранняя Земля, возможно, способствовали химической эволюции жизни. Оба постулировали примитивную атмосферу. В которой синтезировались простые органические химические вещества. Ученые утверждали, что эти органические вещества накапливаются в поверхностных водах океана. Они образовывали «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 еще мощную эмпирическую поддержку положительными результатами эксперимента Миллера-Юри. Примерно в то же время биологи Уотсон и Крик исследовали генетический код, выяснив структуру ДНК. И. Таким образом они дали человечеству знания о структуре основных химических строительных блоков земной жизни.
В середине 1950-х годов произошла первая интеграция исследователей происхождения жизни с теми учеными, которые занимались проблемами существования жизни в других мирах. Понимание того, как возникла жизнь на планете Земля, 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 также 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 интересному выводу. Звучал он так – 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». Эта концепция, получившая второе рождение с подачи гарвардского биолога Уолтера Гилберта в 1986 году. Впервые предложена она в 1968 году Фрэнсисом Криком. Однако, хотя РНК обладает комбинированными свойствами самокатализатора, слишком хрупка. И эта хрупкость заставила исследователей рассмотреть альтернативные сценарии. Некоторые предположили, что белковые катализаторы предшествуют любым молекулам-репликаторам, таким как ДНК или РНК. Однако другие исследователи, 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. 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. Это так называемые микросферы. Свойства и синтез которых продолжают подвергаться изучению.
Экстремофилы и теория панспермии
Открытие экстремофилов вызвало новые предположения. Например 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. Тогда японскими исследователями удалось синтезировать пептиды вокруг искусственного глубоководного источника.
Параллельные исследования привели к возрождению интереса к гипотезе панспермии. Она 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 родилась земная жизнь, возможно, были оказались на Земле 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 в ходе выполнения ряда текущих и запланированных космических миссий. Они предназначены 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 нам полное право возможность рассуждать о баллистической панспермии. К самым экстравагантным можно отнести идеи о том, что примитивные организмы, возможно, эволюционировали непосредственно в космическом пространстве.