Рецепт Бога: История самого древнего мира


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 только по незнанию фактов

F0130085-Chemistry_research.jpg

Первые живые организмы появились на Земле как минимум около 4 миллиардов лет назад. В 2013 году ученые обнаружили в геологической формации Исуа (Гренландия) в возрасте 3,8 миллиарда лет графит со следами древних бактерий. Признаки жизни постоянно оказываются в таких отдаленных времена, куда только ученые способны дотянуться своими инструментами. Но каким образом из случайных молекул могла зародиться жизнь?

Шаг 1. Растопить 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 малопригодны для любой жизнь. Десятки миллионов лет планета вращалась 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 бомбардировали нашу планету в этот «холодный» период.

Чтобы растопить лед и выпарить воду из недр, понадобилось развести два главных земных минерала — кремний и железо. Тяжелое железо постепенно отделялся от кремния и оседало вглубь Земли, формируя ядро ​​планеты. Это осадки железа, в свою очередь, вызвало мощные вулканические процессы, которые и образовали гидросферу. Началось формирование водоемов с жидкой водой.

F0131534-Bacteria.jpg
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 Земли необходимую для жизни температуру . А дальше начались химические эксперименты природы, которые и привели к отправной точке зарождения жизни — появления молекулы РНК.

Шаг 2. Вынесите бульон на солнце

Эксперименты Джона Сазерленда, Мэтью Поунера и Беатрис Жерлан, биологов из Манчестерского университета дают основания считать, что главная роль в ранних процессах зарождения жизни была отведена формамид — простому соединению атомов углерода, кислорода, водорода и азота. В течение нескольких дней британцы облучали ультрафиолетом смесь различных химических соединений, растворенных в формамид. В результате она чудесным образом «очистилась» от всех лишних «неправильных» нуклеотидов, остались только урацил и цитозин — два нуклеотида, входящих в состав РНК. Ультрафиолет уничтожил все лишнее и оставил только самое ценное.

G3650016-Astrobiology.jpg
Астробиология 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 намного мощнее, чем сегодня, — в атмосфере древней Земли еще не было защитного озонового слоя. Как теперь известно, кроме нуклеотидов с формамид при нагревании и облучении могут образовываться также и аминокислоты — полный набор для создания жизни.

МАТЕМАТИКА
Неизбежно невероятное

Чарлз Кокелл, директор Центра астробиологии Великобритании, пару лет назад скептически оценил вероятность обнаружить жизнь на далекой планете. Она состоит из вероятностей: а) возникновения жизни на потенциально обитаемой планете, б) охват биомассой всей планеты, в) производства этой биомассой специфических веществ-маркеров, г) существование 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 10000 выявленных, что в 10 раз больше известного числа экзопланет. Но Кокелл еще оптимист по сравнению с биологом Евгением Куниным, который оценил вероятность возникновения жизни в 10 -1018 , то есть как исчезающе малую. За эту цифру сразу ухватились креационисты (которые выступают за идею творения, а не самозарождения жизни), однако сам Кунин подчеркивает, что в бесконечной Вселенной зарождения 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 века среди биологов господствовало мнение, что жизнь зародилась в океане, в «первичном бульоне», где свободно плавали органические вещества, которые являются 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 МакКаллум. 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 встроенные 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?

CBWBKT.jpg
Геотермальные поля — вероятная колыбель жизни

Возможен ответ был предложен биофизиком Арменом Мулкиджанян 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 геохимик обследовали такие поля на Камчатке и обнаружили то, что искали: среду с богатым содержанием калия и почти без натрия.

Кроме калия геотермальная пара несет кремниевые соединения, сероводород и ионы переходных металлов, таких как железо, цинк и марганец. На древней Земли эти соединения имели взаимодействовать между собой и оседать, образуя пористые структуры. Их ячейки могли служить естественными инкубаторами для первых организмов. Также геотермальная пара выносит на поверхность образуются при высокой температуре в глубинах Земли органические молекулы, в том числе жирные кислоты, — то, из чего состоят мембраны клеток.

Наконец, именно в геотермальных полях создаются лучшие условия для концентрации формамид. 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 в них несколько десятков общих белков. Это могло означать только одно: в первых бактерий и архей, а также у клеток животных, произошедших от архей, был общий предок, «прародитель» всех клеток на Земле .

iblgzs00750370.jpg
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), состоящие 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 в 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, содержащий 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), оседая и опускаясь вглубь недр в виде железных руд. Кислород, производимый цианобактериями, стал накапливаться и сначала чуть не убил все живое на Земле.

C0051661-Colony_of_Archaea.jpg
Колония архей Methanosacrina , которые выделяют 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, покупая необходимые для выживания свойства.

Археи жили 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 с поглощенных бактерий образовались митохондрии, которые представляли собой крошечные 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.

G3650017-Astrochemistry.jpg
астрохимик Макс Бернштейн воспроизводит в лаборатории условия открытого космоса, при которых могла бы возникнуть жизнь

Шаг 6. Оставьте бродить

клетке, взяв лучшее от бактерий, вирусов и архей, постепенно приобретает современный вид. После этого эволюция выходит на прямую дорогу, сложный и долгий период ней 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 потом еще около 500 000 000 — до появления человека.

Фото: Alamy, SPL (x5) / Legion-media, ImageBroker



Источник ссылка