5050. История самого древнего мира: происхождение жизни на Земле
Скептики сравнивают возможность зарождения жизни на Земле с ураганом, который пронесся над свалкой запчастей и из обломков случайным образом вдруг собрал новый боинг. Но, как это часто бывает, невероятное кажется нам невероятным лишь по незнанию
Текст: Алексей Ржешевский
Первые живые организмы появились на Земле как минимум 4 миллиарда лет назад. В 2013 году ученые нашли в геологической формации Исуа (Гренландия) возрастом 3,8 млрд лет графит со следами древних бактерий. Признаки жизни постоянно обнаруживаются в таких отдаленных временах, куда только ученые способны дотянуться своими инструментами. Но каким образом из случайных молекул могла зародиться жизнь?
Шаг 1. Растопите лед
Как и другие планеты Солнечной системы, Земля сформировалась из газопылевого облака около 4,6 миллиарда лет назад, и в тот момент условия на ней были малопригодны для какой-либо жизни. Десятки миллионов лет планета обращалась вокруг Солнца холодной бессмысленной глыбой, но вода, необходимое условие жизни, на ней уже была - в составе твердых пород в виде гидроокислов. Какую-то часть воды (лед) могли принести на Землю метеориты и кометы, активно бомбардировавшие нашу планету в этот «холодный» период.
Чтобы растопить лед и выпарить воду из недр, понадобилось разлучить два главных земных минерала - кремний и железо. Тяжелое железо постепенно отделялось от кремния и оседало вглубь Земли, формируя ядро планеты. Это оседание железа, в свою очередь, вызвало мощные вулканические процессы, которые и образовали гидросферу. Началось формирование водоемов с жидкой водой.
Колония бацилл, палочковидных бактерий
Но расплавить лед - это только полдела. Необходимо, чтобы вода оставалась жидкой. Нам повезло: Земля оказалась именно на таком расстоянии от Солнца, на котором вода не испаряется, как на Венере, и не замерзает, как на Марсе. Солнце обеспечило первобытной Земле необходимую для жизни температуру. А дальше начались химические эксперименты природы, которые и привели к отправной точке зарождения жизни - появлению молекулы РНК.
Шаг 2. Вынесите бульон на солнце
Эксперименты Джона Сазерленда, Мэтью Поунера и Беатрис Жерлан, биологов из Манчестерского университета, дают основания полагать, что главная роль в ранних процессах зарождения жизни была отведена формамиду - простому соединению атомов углерода, кислорода, водорода и азота. В течение нескольких дней британцы облучали ультрафиолетом смесь разнообразных химических соединений, растворенных в формамиде. В результате она чудесным образом «очистилась» от всех лишних «неправильных» нуклеотидов, остались лишь урацил и цитозин - два нуклеотида, входящие в состав РНК. Ультрафиолет уничтожил все лишнее и оставил только самое ценное.
Астробиолог Линн Ротшильд зондирует бактериальный мат в озере
Этот эксперимент подтвердил высказанную ранее российскими биологами гипотезу о том, что ультрафиолет на юной Земле не только выступал в качестве источника энергии для химических реакций, но и служил инструментом отбора. Миллиарды лет назад ультрафиолетовое излучение было гораздо мощнее, чем сегодня, - в атмосфере древней Земли еще не было защитного озонового слоя. Как теперь известно, кроме нуклеотидов из формамида при нагревании и облучении могут образовываться также и аминокислоты - полный набор для создания жизни.
Математика: неизбежное невероятное
Чарлз Кокелл, директор Центра астробиологии Великобритании, пару лет назад скептически оценил вероятность обнаружить жизнь на далекой планете. Она складывается из вероятностей: а) возникновения жизни на потенциально обитаемой планете, б) охвата биомассой всей планеты, в) производства этой биомассой специфических веществ-маркеров, г) существования этих веществ в достаточно больших количествах. Даже если каждая из четырех вероятностей составляет около 10 процентов, то мы можем ожидать в среднем один обитаемый мир на 10 000 обнаруженных, что в 10 раз больше известного числа экзопланет. Но Кокелл еще оптимист по сравнению с биологом Евгением Куниным, оценившим вероятность возникновения жизни в 10-1018, то есть как исчезающе малую. За эту цифру сразу ухватились креационисты (выступающие за идею творения, а не самозарождения жизни), однако сам Кунин подчеркивает, что в бесконечной Вселенной зарождение жизни «в то же самое время и неизбежно, несмотря на то, что в любой ее точке исключительно маловероятно».
Шаг 3. Поставьте в пароварку
Весь ХХ век среди биологов господствовало мнение, что жизнь зародилась в океане, в «первичном бульоне», где свободно плавали органические вещества, ставшие основой для клеток. Эта версия поставила ученых перед неразрешимой загадкой, получившей название натрий-калиевого парадокса. Первым его сформулировал еще в 1904 году канадский ученый Арчибальд Макаллум. Дело в том, что для нормального синтеза белков в живой клетке нужно много калия и мало натрия. Чтобы откачивать натрий из клетки, в мембраны клеток животных встроены ионные натрий-калиевые насосы - весьма непростые механизмы. На их работу живые организмы, в том числе и человек, тратят почти половину всей энергии. Между тем в океане очень много натрия (в 40 раз больше, чем в клеточной цитоплазме). Как в нем могла появиться первая клетка?
Геотермальные поля - вероятная колыбель жизни
Возможный ответ был предложен биофизиком Арменом Мулкиджаняном и его коллегами. Они предположили, что первые клетки возникли не в океанах, а в богатой калием среде, и обратили внимание на особые горячие источники - геотермальные поля, где под действием вулканических процессов из-под земли выходит горячий пар. Российские геохимики обследовали такие поля на Камчатке и обнаружили то, что искали: среду с богатым содержанием калия и почти без натрия.
Кроме калия геотермальный пар несет кремниевые соединения, сероводород и ионы переходных металлов, таких как железо, цинк и марганец. На древней Земле эти соединения должны были взаимодействовать между собой и осаждаться, образуя пористые структуры. Их ячейки могли служить природными инкубаторами для самых первых организмов. Также геотермальный пар выносит на поверхность образующиеся при высокой температуре в глубинах Земли органические молекулы, в частности жирные кислоты, - то, из чего состоят мембраны клеток.
Наконец, именно в геотермальных полях создаются наилучшие условия для концентрации формамида. Геотермальный пар содержит цианид, который, связываясь с водой, превращается в формамид. Из отдельных фрагментов, как из кусков мозаики, сложился образ «колыбели» первой жизни на Земле.
Шаг 4. Дайте подняться
Около 4 миллиардов лет назад на Земле появились первые одноклеточные организмы, бактерии и археи. И те и другие относятся к прокариотам, то есть не имеют ядра, однако они имеют разную эволюционную родословную.
Биолог Евгений Кунин сделал анализ геномов всех известных бактерий и архей тех времен и обнаружил у них несколько десятков общих белков. Это могло означать только одно: у самых первых бактерий и архей, а также у клеток животных, произошедших от архей, был общий предок, «прародитель» всех клеток на Земле.
Австралийские строматолиты - ископаемые остатки цианобактериальных матов
Его назвали LUCA (Last Universal Cellular Ancestor), последний общий клеточный предок. LUCA был очень коммуникабельным и «дружелюбным» существом. Он еще не научился жить самостоятельно и существовал в сообществе себе подобных - в своеобразном клеточном «общежитии», замкнутой экосистеме с общими биологическими циклами. Там эти древние клетки обменивались друг с другом через проницаемые мембраны необходимыми веществами, белками и метаболитами.
Что было до LUCA, ученые пока сказать не могут. Ясно, что LUCA были не первыми клетками, так как они достаточно сложны. Например, они содержали рибосомы (внутриклеточные органеллы, где происходит синтез белка), состоявшие из нескольких десятков специальных белков и РНК. Известно также, что геном LUCA был достаточно большим для того времени, около миллиона пар нуклеотидов (такой же, как и у некоторых современных бактерий).
Свой особый путь развития выбрали первые геномные паразиты - вирусы. Они образовались еще до LUCA, и сегодня все известные науке вирусы обладают общим набором генов, которых нет у клеток. Вирусы существовали обособленно друг от друга, но, проникнув в «общего врага» - клетку, активно обменивались генами, усиливая и обогащая своих собратьев. Таким образом они поступают и по сей день.
Шаг 5. Хорошо перемешайте
Бактерии, археи и вирусы полновластно правили Землей около двух миллиардов лет, пока не появились эукариоты - клетки с ядром, содержащим ДНК, а также сложной организацией. По времени появление клеток-эукариот совпало с «кислородной революцией» - резким повышением содержания кислорода в атмосфере Земли. Вызвана эта «революция» была тем, что железо стало меньше взаимодействовать с кислородом (окисляться им), осаждаясь и опускаясь вглубь недр в виде железных руд. Кислород, производимый цианобактериями, стал накапливаться и поначалу чуть не убил все живое на Земле.
Колония архей Methanosacrina, выделяющих метан
В условиях стресса одноклеточные начинают активно заглатывать все подряд из внешней среды. Спасаясь от кислорода, который был ядом для первых клеток, археи активно поглощали ДНК соседей. Начался симбиогенез - активный обмен генами между археями и бактериями. Археи становились все сильнее, приобретая необходимые для выживания свойства.
Археи обитали в нижних слоях «бактериального мата», сообщества одноклеточных организмов. Этажом выше жили пурпурные фотосинтезирующие бактерии, которые приспособились к кислороду, освоив аэробное дыхание. Вскоре археи-фагоциты поглотили соседей. Так в клетке из поглощенных бактерий образовались митохондрии, представлявшие собой крохотные заводы по производству энергии.
Попутно с этим археи-пожиратели столкнулись с новой малознакомой опасностью - внедрением в них геномных паразитов, вирусов и мобильных элементов. Чтобы противостоять им, археи окружили свой геном «защитой» - так появилось ядро с ДНК. Большую группу генов, ответственных за размножение (а по одной из версий, и само ядро), первые эукариоты получили от вирусов.
Астрохимик Макс Бернштейн воссоздает в лаборатории условия открытого космоса, при которых могла бы возникнуть жизнь
Шаг 6. Оставьте бродить
Эукариотическая клетка, взяв самое лучшее от бактерий, вирусов и архей, постепенно приобретает современный вид. После этого эволюция выходит на прямую дорогу, самый сложный и долгий период ею уже пройден. Жизнь развивается по сценарию, основы понимания которого были заложены Дарвином и который состоит из трех пунктов: наследственность, изменчивость, отбор. И ей остается пройти последний отрезок - путь длиной в 1,5 миллиарда лет до «кембрийского взрыва», появления первых сложных многоклеточных организмов. А затем еще около 500 миллионов - до появления человека.
Фото: Alamy, SPL (x5) / Legion-media, ImageBroker
Источник
Текст: Алексей Ржешевский
Первые живые организмы появились на Земле как минимум 4 миллиарда лет назад. В 2013 году ученые нашли в геологической формации Исуа (Гренландия) возрастом 3,8 млрд лет графит со следами древних бактерий. Признаки жизни постоянно обнаруживаются в таких отдаленных временах, куда только ученые способны дотянуться своими инструментами. Но каким образом из случайных молекул могла зародиться жизнь?
Шаг 1. Растопите лед
Как и другие планеты Солнечной системы, Земля сформировалась из газопылевого облака около 4,6 миллиарда лет назад, и в тот момент условия на ней были малопригодны для какой-либо жизни. Десятки миллионов лет планета обращалась вокруг Солнца холодной бессмысленной глыбой, но вода, необходимое условие жизни, на ней уже была - в составе твердых пород в виде гидроокислов. Какую-то часть воды (лед) могли принести на Землю метеориты и кометы, активно бомбардировавшие нашу планету в этот «холодный» период.
Чтобы растопить лед и выпарить воду из недр, понадобилось разлучить два главных земных минерала - кремний и железо. Тяжелое железо постепенно отделялось от кремния и оседало вглубь Земли, формируя ядро планеты. Это оседание железа, в свою очередь, вызвало мощные вулканические процессы, которые и образовали гидросферу. Началось формирование водоемов с жидкой водой.
Колония бацилл, палочковидных бактерий
Но расплавить лед - это только полдела. Необходимо, чтобы вода оставалась жидкой. Нам повезло: Земля оказалась именно на таком расстоянии от Солнца, на котором вода не испаряется, как на Венере, и не замерзает, как на Марсе. Солнце обеспечило первобытной Земле необходимую для жизни температуру. А дальше начались химические эксперименты природы, которые и привели к отправной точке зарождения жизни - появлению молекулы РНК.
Шаг 2. Вынесите бульон на солнце
Эксперименты Джона Сазерленда, Мэтью Поунера и Беатрис Жерлан, биологов из Манчестерского университета, дают основания полагать, что главная роль в ранних процессах зарождения жизни была отведена формамиду - простому соединению атомов углерода, кислорода, водорода и азота. В течение нескольких дней британцы облучали ультрафиолетом смесь разнообразных химических соединений, растворенных в формамиде. В результате она чудесным образом «очистилась» от всех лишних «неправильных» нуклеотидов, остались лишь урацил и цитозин - два нуклеотида, входящие в состав РНК. Ультрафиолет уничтожил все лишнее и оставил только самое ценное.
Астробиолог Линн Ротшильд зондирует бактериальный мат в озере
Этот эксперимент подтвердил высказанную ранее российскими биологами гипотезу о том, что ультрафиолет на юной Земле не только выступал в качестве источника энергии для химических реакций, но и служил инструментом отбора. Миллиарды лет назад ультрафиолетовое излучение было гораздо мощнее, чем сегодня, - в атмосфере древней Земли еще не было защитного озонового слоя. Как теперь известно, кроме нуклеотидов из формамида при нагревании и облучении могут образовываться также и аминокислоты - полный набор для создания жизни.
Математика: неизбежное невероятное
Чарлз Кокелл, директор Центра астробиологии Великобритании, пару лет назад скептически оценил вероятность обнаружить жизнь на далекой планете. Она складывается из вероятностей: а) возникновения жизни на потенциально обитаемой планете, б) охвата биомассой всей планеты, в) производства этой биомассой специфических веществ-маркеров, г) существования этих веществ в достаточно больших количествах. Даже если каждая из четырех вероятностей составляет около 10 процентов, то мы можем ожидать в среднем один обитаемый мир на 10 000 обнаруженных, что в 10 раз больше известного числа экзопланет. Но Кокелл еще оптимист по сравнению с биологом Евгением Куниным, оценившим вероятность возникновения жизни в 10-1018, то есть как исчезающе малую. За эту цифру сразу ухватились креационисты (выступающие за идею творения, а не самозарождения жизни), однако сам Кунин подчеркивает, что в бесконечной Вселенной зарождение жизни «в то же самое время и неизбежно, несмотря на то, что в любой ее точке исключительно маловероятно».
Шаг 3. Поставьте в пароварку
Весь ХХ век среди биологов господствовало мнение, что жизнь зародилась в океане, в «первичном бульоне», где свободно плавали органические вещества, ставшие основой для клеток. Эта версия поставила ученых перед неразрешимой загадкой, получившей название натрий-калиевого парадокса. Первым его сформулировал еще в 1904 году канадский ученый Арчибальд Макаллум. Дело в том, что для нормального синтеза белков в живой клетке нужно много калия и мало натрия. Чтобы откачивать натрий из клетки, в мембраны клеток животных встроены ионные натрий-калиевые насосы - весьма непростые механизмы. На их работу живые организмы, в том числе и человек, тратят почти половину всей энергии. Между тем в океане очень много натрия (в 40 раз больше, чем в клеточной цитоплазме). Как в нем могла появиться первая клетка?
Геотермальные поля - вероятная колыбель жизни
Возможный ответ был предложен биофизиком Арменом Мулкиджаняном и его коллегами. Они предположили, что первые клетки возникли не в океанах, а в богатой калием среде, и обратили внимание на особые горячие источники - геотермальные поля, где под действием вулканических процессов из-под земли выходит горячий пар. Российские геохимики обследовали такие поля на Камчатке и обнаружили то, что искали: среду с богатым содержанием калия и почти без натрия.
Кроме калия геотермальный пар несет кремниевые соединения, сероводород и ионы переходных металлов, таких как железо, цинк и марганец. На древней Земле эти соединения должны были взаимодействовать между собой и осаждаться, образуя пористые структуры. Их ячейки могли служить природными инкубаторами для самых первых организмов. Также геотермальный пар выносит на поверхность образующиеся при высокой температуре в глубинах Земли органические молекулы, в частности жирные кислоты, - то, из чего состоят мембраны клеток.
Наконец, именно в геотермальных полях создаются наилучшие условия для концентрации формамида. Геотермальный пар содержит цианид, который, связываясь с водой, превращается в формамид. Из отдельных фрагментов, как из кусков мозаики, сложился образ «колыбели» первой жизни на Земле.
Шаг 4. Дайте подняться
Около 4 миллиардов лет назад на Земле появились первые одноклеточные организмы, бактерии и археи. И те и другие относятся к прокариотам, то есть не имеют ядра, однако они имеют разную эволюционную родословную.
Биолог Евгений Кунин сделал анализ геномов всех известных бактерий и архей тех времен и обнаружил у них несколько десятков общих белков. Это могло означать только одно: у самых первых бактерий и архей, а также у клеток животных, произошедших от архей, был общий предок, «прародитель» всех клеток на Земле.
Австралийские строматолиты - ископаемые остатки цианобактериальных матов
Его назвали LUCA (Last Universal Cellular Ancestor), последний общий клеточный предок. LUCA был очень коммуникабельным и «дружелюбным» существом. Он еще не научился жить самостоятельно и существовал в сообществе себе подобных - в своеобразном клеточном «общежитии», замкнутой экосистеме с общими биологическими циклами. Там эти древние клетки обменивались друг с другом через проницаемые мембраны необходимыми веществами, белками и метаболитами.
Что было до LUCA, ученые пока сказать не могут. Ясно, что LUCA были не первыми клетками, так как они достаточно сложны. Например, они содержали рибосомы (внутриклеточные органеллы, где происходит синтез белка), состоявшие из нескольких десятков специальных белков и РНК. Известно также, что геном LUCA был достаточно большим для того времени, около миллиона пар нуклеотидов (такой же, как и у некоторых современных бактерий).
Свой особый путь развития выбрали первые геномные паразиты - вирусы. Они образовались еще до LUCA, и сегодня все известные науке вирусы обладают общим набором генов, которых нет у клеток. Вирусы существовали обособленно друг от друга, но, проникнув в «общего врага» - клетку, активно обменивались генами, усиливая и обогащая своих собратьев. Таким образом они поступают и по сей день.
Шаг 5. Хорошо перемешайте
Бактерии, археи и вирусы полновластно правили Землей около двух миллиардов лет, пока не появились эукариоты - клетки с ядром, содержащим ДНК, а также сложной организацией. По времени появление клеток-эукариот совпало с «кислородной революцией» - резким повышением содержания кислорода в атмосфере Земли. Вызвана эта «революция» была тем, что железо стало меньше взаимодействовать с кислородом (окисляться им), осаждаясь и опускаясь вглубь недр в виде железных руд. Кислород, производимый цианобактериями, стал накапливаться и поначалу чуть не убил все живое на Земле.
Колония архей Methanosacrina, выделяющих метан
В условиях стресса одноклеточные начинают активно заглатывать все подряд из внешней среды. Спасаясь от кислорода, который был ядом для первых клеток, археи активно поглощали ДНК соседей. Начался симбиогенез - активный обмен генами между археями и бактериями. Археи становились все сильнее, приобретая необходимые для выживания свойства.
Археи обитали в нижних слоях «бактериального мата», сообщества одноклеточных организмов. Этажом выше жили пурпурные фотосинтезирующие бактерии, которые приспособились к кислороду, освоив аэробное дыхание. Вскоре археи-фагоциты поглотили соседей. Так в клетке из поглощенных бактерий образовались митохондрии, представлявшие собой крохотные заводы по производству энергии.
Попутно с этим археи-пожиратели столкнулись с новой малознакомой опасностью - внедрением в них геномных паразитов, вирусов и мобильных элементов. Чтобы противостоять им, археи окружили свой геном «защитой» - так появилось ядро с ДНК. Большую группу генов, ответственных за размножение (а по одной из версий, и само ядро), первые эукариоты получили от вирусов.
Астрохимик Макс Бернштейн воссоздает в лаборатории условия открытого космоса, при которых могла бы возникнуть жизнь
Шаг 6. Оставьте бродить
Эукариотическая клетка, взяв самое лучшее от бактерий, вирусов и архей, постепенно приобретает современный вид. После этого эволюция выходит на прямую дорогу, самый сложный и долгий период ею уже пройден. Жизнь развивается по сценарию, основы понимания которого были заложены Дарвином и который состоит из трех пунктов: наследственность, изменчивость, отбор. И ей остается пройти последний отрезок - путь длиной в 1,5 миллиарда лет до «кембрийского взрыва», появления первых сложных многоклеточных организмов. А затем еще около 500 миллионов - до появления человека.
Фото: Alamy, SPL (x5) / Legion-media, ImageBroker
Источник