Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

☯ Зарождение жизни на Земле

Main page / Живомордность / ☯ Зарождение жизни на Земле

Содержание

    02-01

    Согласно современным представлениям, в первые 600 миллионов лет существования Земли жизнь на ней не возникала, то есть период с 4.6 до 4.0 миллиарда лет назад проходил в столь бурных условиях, что Земле было не до жизни на ней. Более того, вся та земная твердь, что была создана в то время, канула в расплавленную верхнюю мантию Земли и успешно там расплавилась, поэтому мы даже не можем исследовать породы, которые тогда возникали.

    02-02

    Тогда еще не было ни сформировавшихся океанов, ни плотной атмосферы, не было даже выделенного ядра и земной коры. Земля была то очень холодной, то потом очень горячей… и в общем там длинная и интересная история, связанная к тому же с образованием Луны.

    02-03

    Этот очень длинный период истории Земли носит название «Катархей» ( Hadean [‘hæɪdɪən] ), и подробно мы сможем его изучить не раньше, чем найдем планету, похожую на Землю, находящуюся на таком раннем этапе своей эволюции.

    02-04

    Я по себе знаю, что запоминание временных границ разных геологических эпох представляет из себя некоторую сложность. Главное, что следует делать в таких ситуациях, это не учить их скопом. Взять какую-нибудь одну, и запомнить что-то такое интересное, что происходило в это время, а спустя, скажем, неделю, а то и две, добавить еще один период. Тогда информация спокойно уляжется в голове и станет своего рода сеткой, на которую впоследствии будет удобно нанизывать другие эпохи и происходившие в них события. Поэтому сейчас я предлагаю запомнить только вот этот Катархей, и иметь в виду, что сразу за ним следует Архей, когда, наконец-то, возникла первая жизнь.

    До сих пор люди — ученые и не очень — ведут споры о том, как же появилась жизнь на Земле. Конечно, никто из нас не присутствовал при этом, не делал наблюдения, фотографии и т.п., но это не означает, что мы не можем достоверно узнать — как же все это происходило. Если теория объясняет существующие факты, является внутренне непротиворечивой, успешно сосуществует с другими теориями (теорией формирования Земли, например) и может быть подтверждена экспериментально, то она заслуживает восприятия ее как факта, не принятого на веру, а доказанного.

    Естественно, некоторые детали могут быть ошибочными, но в целом доказано, что сначала в булькающем, пронизываемом молниями океане, где вода была перемешана с атомами химических веществ, появились первые органические соединения этих самых атомов. Органическими ( organic [ɔː’gænɪk] ) называют соединения, в основе которых лежат атомы углерода ( carbon [‘kɑːbən] ), а к ним добавляются преимущественно водород ( hydrogen [‘haɪdrəʤən] ), азот, кислород, сера и фосфор. Это не просто случайный набор элементов — каждый из них имеет свои особенности, делающие именно такой состав первых молекул необходимым для выживания на Земле. В других условиях — например, на крупнейшем спутнике Сатурна Титане — организмы имели бы другой состав, так как для поддержания жизни им было бы необходимо вдыхать газообразный водород, питаться молекулами ацетилена (который мы используем в газовой сварке и для создания ракетного топлива) и выделять метан ( methane [‘miːθeɪn] ) (CH4).

    Поэтому то, что мы состоим из наиболее соответствующих земным условиям веществ, не является неким мистическим совпадением. Это совершенно естественный результат действия естественного же отбора в самом его начале, в первый миллиард лет истории Земли. Чем больше было какого-то элемента, тем больше молекул образовывалось с его участием. Чем более стабильна была определенная молекула, тем более длительное время она существовала. И тем больше было шансов на то, что именно она будет включена в состав первых молекулярных сообществ, появившихся, как только разные виды молекул научились использовать свойства друг друга, чтоб их существование стало стабильнее и длительнее, чем существование отдельной молекулы. Некоторые молекулярные сообщества образовывали отгороженное от внешней среды пространство, и именно их можно считать первыми существовавшими клетками. Предполагают, что было бесчисленное множество таких комбинаций, собиравшихся и распадавшихся, но только некоторые оказывались способными к успешному самовоспроизведению в условиях тогдашней Земли.

    Считается, что все организмы произошли эволюционным путем от общей предковой клетки, чье потомство было наиболее приспособленным в начальных условиях, и смогло меняться вместе с изменениями окружающего мира.

    Помня о том, что эта картина — продукт научных рассуждений и экспериментов, мы можем наблюдать зарождение жизни с самого её начала.

    Говоря об экспериментальном подтверждении теории возникновения жизни, обязательно надо упомянуть об эксперименте, проведенном в далеком 1953 году Стэнли Миллером (Stanley Miller) и Гарольдом Юри (Harold Urey). Интересно, что Миллер тогда был всего лишь студентом Чикагского университета, ну а Юри имел уже весьма солидный опыт ученого-физика, был пионером в исследовании изотопов и открыл дейтерий, за что и получил Нобелевскую премию.

    Miller1999

    urey_0501_101

    Идея эксперимента Миллера-Юри ( Miller–Urey experiment [‘milər-‘jʊəri ɪk’sperɪmənt] ) была очень проста. Настолько проста, что выглядела немножко безумной. Упрощенно говоря, в обычной лабораторной колбе они воссоздали примерную атмосферу древней Земли, как её представляли в то время: метан, аммиак, водород, монооксид углерода + водные пары. И сквозь всю эту смесь попускали электрические разряды, имитировавшие молнии, которых в атмосфере древней Земли было очень, очень много. После всего этого они уселись и стали ждать — что получится. Получится ли жизнь или хотя бы какие-то её зачатки. Всё-таки немного глупо, да? Не исключено, что даже сами экспериментаторы неловко посмеивались над собой и друг над другом. Но результаты оказались поразительными. Около 15% углерода перешло в органическую форму, и более того — 2% углерода оказались связанными в виде настоящих, реальных аминокислот ( amino acid [ə’miːnəʊ ‘æsɪd] ), среди которых больше всего было глицина. Еще там выявились сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот. С помощью такого «эволюционного самогоноварения» удалось получить целых 22 аминокислоты.

    Естественно, результаты этого эксперимента впоследствии подвергались самой разнообразной критике — как конструктивной, так и обскурантистской. С тех пор этот эксперимент был повторен сотни и тысячи раз по мере того, как совершенствовались наши представления об атмосфере древней Земли, и нас ждут еще тысячи еще более усложненных подобных экспериментов, но очевидно, что тот первый, наивный и в высшей степени несовершенный эксперимент явился своего рода аналогом того пресловутого «маленького шага» Армстронга по Луне, который заложил фундамент под правильное понимание возникновения жизни. Очевидно, что атомы и состоящие из них молекулы при определенных условиях, возникающих на формирующихся планетах, самостоятельно, самопроизвольно, в соответствии с законами физики и химии, а не по произволению крылатого мужика с арфой, образуют органические молекулы, на которые затем начинает действовать механизм естественного отбора.

    Titan_multi_spectral_overlay

    Интересно, что прямо в наше время мы можем быть (и я надеюсь, будем) свидетелями зарождения жизни на Титане ( Titan [‘taɪtən] ), спутнике Сатурна, ведь там происходит почти то же самое, что было на Земле, только жизнь, если она там и возникнет, будет основана на другом молекулярном наборе, способном функционировать при температурах минус 200 градусов. Некоторые уже проведенные моделирования показывают, что такое вполне возможно.

    бактерия

     

    Почему образование именно тех веществ, что были получены в эксперименте Миллера-Юри, считают подтверждением предполагаемого механизма зарождения жизни? Потому что именно из них состоят существующие на Земле живые организмы. Обычная бактерия состоит из белков ( protein [‘prəutiːn] ), строительным элементом которых являются аминокислоты. Кроме этого она состоит из сахаров, липидов (жиров и жироподобных веществ) и нуклеиновых кислот. Если сравнить бактерию с человеком, то разница будет только в количестве той или иной составляющей, но сами составляющие будут точно такими же.

    Каждое из этих веществ является абсолютно необходимым для жизни. Нуклеиновые кислоты являются носителями информации, определяющими — как именно будет развиваться и функционировать организм. Белки — это основные строительные элементы клетки, а также непременные участники и катализаторы происходящих в клетке всевозможных процессов преображения атомов в молекулы и органеллы (постоянные специализированные структуры в клетках). Белки являются также проводниками сигналов — как внутри клетки, так и вне ее. Липиды — один из основных компонентов клеточных мембран, но помимо этой чисто строительной функции они участвуют и во многих других клеточных процессах. Из разного рода сахаридов состоят все углеводы.

    PDB_1obc_EBI

    Если взглянуть на роль всех этих веществ как бы свысока, с перспективы, то вполне может показаться, что именно белки играют наиболее выдающуюся роль в жизнедеятельности клетки, и эта точка зрения вполне имеет право на существование, так что иногда даже сама наша земная жизнь определяется как форма существования белковых тел, и все же сами по себе белки могут проявлять себя таким выдающимся образом лишь постольку, поскольку другие жизненно важные вещества помогают им в этом. Если взглянуть на схематическое устройство какого-нибудь белка, то вполне можно испытать шок — они в самом деле чрезвычайно сложны сами по себе, да еще и удивительным образом скомпонованы, сложены, и иногда кажется совершенно невероятным, что такой запутанный, кажущийся хаотичным клубок на самом деле является точнейшим инструментом для осуществления филигранных операций внутри и снаружи клеток. На самом деле пугаться не стоит. В конце концов белки построены очень логично, и если начинать изучать их строение понемногу, с самых основ, от простого к сложному, то рано или поздно ты будешь наслаждаться тем, что без особого труда сможешь «читать» этот клубок, видеть в нем разные его элементы и понимать — что тут для чего.

    Мы не будем сейчас вдаваться в детали всех этих липидов и сахаров, но в завершение этой главы все-таки можно вывести на сцену двух главных героев генетики как таковой. Когда первые, самые простые органические молекулы только появились, вряд ли они предполагали, насколько интересной будет их жизнь через миллиарды лет. Они просто тусовались в бульоно-океане, сталкивались между собой, и либо отскакивали, либо прилипали друг к другу, когда получающаяся конфигурация атомов ( atom [‘ætəm] ) оказывалась энергетически выгодной. Именно такое прилипание позволяло аминокислотам со временем (с ОЧЕНЬ большим временем) объединяться в длинные молекулы белков, а нуклеотидам (это кирпичики нуклеиновых кислот) — в полинуклеотиды. Из двух видов полинуклеотидов самая известная — это ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), и она гораздо более известна, чем РНК (рибонуклеиновая кислота) за счет того, что именно она является носителем генетической информации развитых живых существ.

    booby

    Именно молекула ДНК является главным и любимым объектом изучения генетики, а все остальное к этому прилагается. Именно эта молекула, играющая центральную роль во всей жизни на Земле, в конечном счете и определила то, что ты будешь именно человеком, а голубоногая олуша ( blue-footed booby ) будет именно олушей. ДНК определяет каждую деталь твоего тела. Не только твой пол, цвет глаз и форму попы, но и все-все самые наимельчайшие особенности.

    Если сейчас ты в тексте видишь слишком много незнакомых терминов, то это несущественно — это самое общее описание, которое затем будет уточняться, а пока просто прими к сведению эту самую общую картину: из сложных органических молекул мы можем выделить такие классы, как белки, сахара, липиды и нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты, несущие генетическую информацию — это, во-первых, ДНК ( DNA [diənəi] ) и, во-вторых, РНК, и сложены они из кирпичиков — нуклеотидов ( nucleotide [nj’uːklɪətaɪd] ). Вот этого пока и достаточно.

    (Авторы статьи: РикаБодх)