Происхождение

Гипотеза возникновения жизни на Земле.



Уверен, коллеги, что многие из вас слышали гипотезу  о внеземном происхождении жизни, но   мало кто знает, что у этой гипотезы есть достаточно веские доказательства.
Ниже расскажу о  главных из них.
Для информации – гипотеза о внеземном происхождении жизни на Земле имеет специальное научное название -  «Панспермия» (от древнегреческого: пансперсос — смесь всяких семян, где слово ХХХ (pan) —означает  «всё»,  а слово ХХХХХХ (sperma) — «семя»  (увы, греческие символы здесь не отображаются.


Согласно гипотезе панспермии, рассеянные в  пространстве Вселенной «зародыши» жизни (например, бактерии, споры, вирусы, замёрзшие клетки и т.п.) переносятся с планеты на планету метеоритами или кометами, а в ряде случаев – единичных «зародышей»  (по причине  своей малости)  - под воздействием давления света.

Поясню также, что панспермия не даёт представлений о том, как при попадании на планету пригодную для их жизни, эти «зародыши» начинают развиваться и эволюционировать – это задача для другой науки…

Одним из фундаментов любой космологической теории является достаточно весомое предположение, что первые звёзды, ядерные реакции которых позволили синтезировать большинство известных нам химических элементов (включая тяжелые),  появились уже через 0,5 -  2 млрд. лет  с момента образования Вселенной (на сегодняшний день её возраст оценивается в  13,4 млрд. лет).
 
Именно раннее появление таких звёзд играет в истории возникновения жизни ключевую роль.

Эти звёзды ещё называют вторым поколением  - поскольку они образовались из «осколков» произошедших перед этим взрывов звёзд первого поколения (первых сверхновых, подаривших Вселенной химические элементы с атомной массой выше 26).

Таким образом, времени для зарождения жизни в различных галактиках и звездных системах Вселенной было предостаточно, равно как и времени для её переноса на планеты земного типа и последующего развития на них.

Ряд космологов (ученых, изучающих свойства и эволюцию Вселенной в целом), таких как  выдающийся учёные биохимик  Leslie  Orgel и физиолог Francis Crick  (лауреат Нобелевской премии 1962г. по физиологии и медицине) сделали ещё в 1973г. более интересное предположение – о направленной панспермии, согласно которому «зародыши» жизни не «летают»  в пространстве хаотично, а целевым образом направляются на потенциально пригодные для колонизации планеты гипотетически существовавшей (или всё еще существующей) древней цивилизацией (или цивилизациями).

К экспериментам проф. Оргела мы вернёмся чуть позже, а сейчас сделаем небольшой акцент на рациональности этого предположения.

Одной из глобальных проблем колонизации, как близлежащих планет, так и уголков далёкого космоса  - являются расстояния. Сегодня, все планеты, которые мы наблюдаем за пределами Солнечной системы, находятся на расстояниях, часто измеряемых световыми годами – т.е. эквивалентных пути, пройденному световым лучом в космическом пространстве (читай - в вакууме) за календарный земной год.
 
Чтобы добраться до ближайшей к нам звёздной системы Альфа Центавра с её планетарной системой нужно преодолеть расстояние в каких-то 4,4 световых года.
 
Если же перевести это в привычные нам километры, то получится фантастическое число – 567 648 000 000 000 км – 567 триллионов 648 миллиардов километров!

При сегодняшних скоростях, которые могут быть достижимы космическими аппаратами – пусть это будет 15 000 км/с (что составляет 5% от скорости света) -  такое путешествие с учетом разгона и торможения,  займёт не менее 100 земных лет…

А чтобы только привести в движение, затем  разогнать до 15 000 км/с, а затем затормозить до орбитальной скорости  корабль, достаточный по размерам, чтобы ему хватило припасов на всё время путешествия, потребуется такое количество энергии, которое эквивалентно всему производству известных  видов энергии на Земле за календарный год.

Таким образом, первоначальная колонизация пригодной для обитания планеты – т.е. заселение её привычными (слово «привычными» - приведено с определёнными допущениями) для колонизирующей цивилизации  различными растениями, животными, микроорганизмами и другими формами жизни путём запуска процессов их естественной эволюции из «зародышей» – вполне себе рационально.

Причем для этого достаточно создать смесь из выносливых и устойчивых в воздействию космоса «зародышей», добавив в смесь необходимых для первоначального синтеза чистых  химических веществ и минералов, затем законсервировать их – например, заморозить, и направить, предварительно рассчитав траектории, в сторону планет-кандидатов на колонизацию. 

Чисто теоретически земляне могли бы сделать тоже самое уже сейчас, запуская такие  каменно-ледяные «микрокапсулы» в направлении звёзд-соседей с помощью «пушки», установленной, например, на той же  МКС. Дёшево и сердито.

Да, результата придётся ждать не одному десятку поколений, но эффект получения полностью пригодной планеты в «родном» исполнении – однозначно перевешивает все мыслимые затраты, которые понадобились бы человечеству для достижения аналогичного результата путём переброски колоссального количества людей, животных,  материалов и технологий.

Кроме  того, подобный подход позволяет начать одновременную «пред-колонизацию» огромного количества планет с минимальными начальными затратами. 

Теперь вернёмся к экспериментам профессора Оргела.

Занимаясь химическими  исследованиями в университете Оксфорда он  постепенно увлёкся  молекулярной химией и биофизикой. Толчком к этому стало создание Францисом Криком (из университета Кембриджа) первой структурной модели ДНК (1953г). А структура, как известно,  определяет многие свойства любых химических соединений…

Оргел теперь плотно занимается биологией и биохимией и его в 1964г. приглашают в Калифорнийский Университет в Сан-Диего, на должность профессора Химии и Биохимии.

Совместно со своими коллегами Оргел  экспериментирует с цепочками РНК и ПНК (пептидо-нуклеидовые кислоты – химические вещества, схожие с  РНК или ДНК. ПНК, кстати, до сих пор не обнаружены в составе живых организмов, но могут быть  получены в процессе химического синтеза, т.е. искусственным путём).

По ходу эксперимента Оргел с коллегами добавляли к пробирке с РНК яд – бромид этидия, подавляющий синтез РНК. Слово яд, в данном случае, не очень корректно – поскольку это вещество не «убивало» РНК, а лишь подавляло «активность» её реакции- такие вещества в применении к конкретным реакциям называют ингибиторами.

Продолжим. Сперва темп синтеза был замедлен ядом, но примерно после девяти «пробирочных поколений» эволюции, т.е. в процессе естественного отбора, вывелась новая порода РНК, стойкая к яду. Путём последовательного удвоения доз яда была выведена порода РНК, стойкая к очень высоким его концентрациям. Всего в эксперименте сменилось 100 пробирочных поколений (и намного больше поколений РНК внутри каждой из пробирок)…

В ходе этих экспериментов были получены ошеломляющие результаты, согласно которым при определённых условиях  помещенные в специальный «бульон» (включавший также необходимые ферменты)  РНК могут многократно самореплицироваться и  определенным образом мутировать, и, в том числе  удлиняться, создавая двойные цепочки. Причем была выявлена следующая закономерность - чем  короче были цепочки РНК, тем выше оказывалась скорость репликации (самовоспроизведения)!

Кроме того, Оргел обнаружил, что РНК способны и к спонтанному самореплицированию даже без добавления фермента, правда, процесс при этом проходил намного медленнее.

Это открытие говорило о том, что состав «прото-будьона» мог быть более простым, чем использовался в базовых экспериментах.

 Таким образом, появилась гипотеза «Мира РНК» (впервые названная так и сформулированная проф. Карл Вёзе  в 1968г.) - возможного периода в эволюции жизни на Земле, когда функцию хранения генетической информации, а так же катализа химических реакций выполняли группы (или в научной терминологии -  «ансамбли») молекул РНК. 
Предполагается, что именно из этих ансамблей и продуктов их деятельности  возникла жизнь (ДНК-РНК-белковая), обособленная от внешней среды мембраной.

Что ещё интересней – Оргел сделал и другой важный вывод  из своих наблюдений – ПНК (т.е., как мы указывали выше -  искусственно синтезированные  молекулы) вели себя эффективней, чем РНК…

Для гипотезы панспермии – это очень важный момент. Фактически удалось экспериментально доказать возможность саморепликации, мутаций и синтеза новых молекул определёнными органическими соединениями при их  попадании в некий «прото-бульон», каким вполне мог оказаться по составу Земной океан миллиарды лет тому назад.

Параллельно  описанным выше исследованиям, проводились эксперименты по проверке теории абиогенеза -  смысл которой в возможности образования живой природы из неживой.

Кстати, большой вклад в построение теории возникновения жизни на Земле внёс наш с вами соотечественник академик  Александр Иванович Опарин – выдающийся советский биолог и биохимик, на трудах которого выросли многие мировые светила современной науки.

Итак, с середины 20-х годов ХХ века в разных странах проводились эксперименты по проверке  гипотезы абиогенеза. И, наконец, в 1953г. Stanley Miller  и Harold Urey, сперва в лабораториях университета Чикаго, а затем в Калифорнийском университете в Сан-Диего (помните, где были сделаны открытия Ортела?) провели эксперимент, названный в последствии экспериментом Миллера-Юри,  в котором им удалось  сымитировать условия, которые могли иметь место на поверхности молодой Земли.

Миллер и Юри собрали аппарат, представлявший из себя  собой две колбы - верхнюю и нижнюю, соединённые стеклянными трубками в замкнутую систему. Всю систему заполнял газ, представлявший собой смесь из метана (CH4), аммиака (NH3), водорода (H2) и монооксида углерода (CO).  Нижняя  колба была наполовину заполнена водой, которая при нагревании испарялась, после чего водяные пары попадали в верхнюю колбу, внутрь которой были введены электроды.  С помощью электродов подавались электрические разряды, имитирующие разряды молний на ранней Земле. По охлаждаемой трубке конденсировавшийся пар возвращался в нижнюю колбу, обеспечивая постоянную циркуляцию.

После одной недели непрерывного цикла Миллер и Юри обнаружили, что 10—15 % углерода имевшегося  газах перешло в органическую форму. Около 2 % углерода оказались в виде аминокислот, причём глицин оказался наиболее распространённой из них.
Были также обнаружены сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот. Эксперимент повторялся многократно в течение 1953 и 1954 годов. Причем Миллер использовал уже два варианта аппарата - второй, т. н. «вулканический»,  имел определённое сужение в трубке, что приводило к ускоренному потоку водных паров через разрядную колбу, что, по мнению Миллера, имитировало вулканическую активность. 

Всего в ходе первоначальных экспериментов Миллера-Юри было обнаружено 5 видов жизненноважных аминокислот.

 Что интересно - повторный анализ проб, проведённый Миллером и его постоянным ассистентом  Джеффри Бейдом через 50 лет после первых опытов,  уже конечно с использованием современных методов исследований, обнаружил в пробах из «вулканического» аппарата 22 аминокислоты, то есть гораздо больше, чем считалось ранее.

С одной стороны, подобный эксперимент, казалось, мог бы опровергнуть гипотезу Ортела, (подтверждая, что для зарождения жизни достаточно условий, похожих на условия из эксперимента Миллера-Юри), однако в действительности он дополнял её тем, что многие вспомогательные органические вещества могли быть непосредственно синтезированы в атмосфере и океане прото-земли и этим ускорили эволюцию соединений, попавших на Землю из космоса.

Вернёмся теперь к возможности существования древней развитой цивилизации, направлявшей, согласно гипотезы направленной панспермии,  «капсулы» с «зародышами» жизни на планируемые  к колонизации планеты.

Учёные этой прото-цивилизации должны были иметь возможность дифференцировать планеты-кандидаты на колонизацию от непригодных для этих целей планет.

Дифференцировать – значит знать признаки планет-кандидатов  и уметь их регистрировать, даже на космических расстояниях.

Понятно, что для таких исследований должны были использоваться методы сверх-высокоразрешающей спектрометрии, которые мы, сейчас в ХХI веке, только-только начинаем разрабатывать.

С помощью этих методов возможно было бы с высокой детализацией  изучать планеты-кандидаты.

При прочих равных – т.е. при  наличии в атмосфере молекул водорода, метана, воды, аммиака, углекислого и/или угарного газа  в определённых  пропорциях - здесь же замечательным помощником явилась бы вулканическая активность, наличие которой давало бы ответы на множество дополнительных вопросов:

- само наличие вулкана подразумевает наличие у планеты-кандидата  твёрдой поверхности
- наличие действующего вулкана подразумевает горячее ядро планеты
- действующий вулкан – означает высокую электрическую активность атмосферы (т.е. наличие молний – высокоэнергетических разрядов)
- действующий вулкан – означает выбросы в верхние слои атмосферы значительного количества газов и твёрдых частиц, несущих информацию о составе ядра и коры планеты
- скорость и время оседания (изменения состава атмосферы) выброшенных частиц говорит о силе тяжести на поверхности планеты
- более-менее постоянный состав  атмосферных газов – говорит об атмосферном давлении…

Отправимся дальше…

Вот еще одно интересное предположение Оргела и Крика - химический состав возникших живых систем должен был, отражать условия их возникновения. Поэтому наличие в земных формах жизни определённых элементов вполне могло (точнее может)свидетельствовать об их внеземном происхождении.

В случае с Землянами - одним из таких маркерных элементов является молибден.
Среднее расчётное предположение (конечно же - на основе многолетних фундаментальных исследований)  содержание молибдена на Земле составляет  порядка 0,02%. При этом роль молибдена и потребность земных организмов в его содержании для  поддержания нормальной жизнедеятельности,  говорят о его серьёзной недостаточности в нашей солнечной системе.  Слово недорстаточность в данном случае подразумевает принципиальный его дефицит в жизненном цикле самой звезды.

В то же время,  весьма заметна  корреляция  «молибденового цикла» (назовём его так – имея в виду  участие молибдена в жизненноважных процессах)  в земных организмах с содержанием молибдена в «молибденовых» (т.е. выполняющих синтез этого элемента) звёздах и звёздных системах, расположенных в сотнях световых от Солнца лет в областях, близких к центру нашей галактики (её название – Млечный Путь – должно быть вам знакомо).

Это исследование не является прямым доказательством гипотезы панспермии  по причине отсутствия достаточных объёмов связанной с молибденом  статистики, но, тем не менее, даёт определённое направление для исследований.

Без сомнения,  если бы для всех существующих гипотез достаточно было бы лишь одного доказательства – мы были бы самыми счастливыми (а может и нет) существами во Вселенной…

Благо, Вселенная настолько сложна, что не даёт нам таких привилегий.

На закуску.

Человеки не были бы человеками, если бы не искали доказательств своих теорий в обозримом космосе.

Конечно же,  с разработкой методов идентификации органических молекул множество телескопов, оснащенных соответствующими аналитическими приборами, стали в очередной раз «бороздить» просторы космоса. И не зря… Куда не взгляни – везде следы органики. Да не простой, а жизненно важной. Вот и в спектре туманных  облаков Ориона было идентифицировано правильных органических молекул  (взято на сайте http://galspace.spb.ru/index61-7.html).

Европейская инфракрасная космическая обсерватория Herschel обнаружила в БТО спектральные «отпечатки» органических молекул. На приведенном на указанной странице  изображении  инфракрасный снимок Туманности Ориона, полученный космическим телескопом Spitzer (NASA), наложен ее спектр, снятый спектрографом высокого разрешения HIFI обсерватории Herschel. Он наглядно демонстрирует ее насыщенность сложными молекулами: в спектре легко отождествляются линии воды, моноксида углерода и диоксида серы, а также органических соединений - формальдегида, метанола, диметилового эфира, синильной кислоты и их изотопных аналогов. Неподписанные пики принадлежат многочисленным и пока не идентифицированным молекулам.

Я не стал приводить список из множества таких исследований – их очень много и большинство доступны на профильных сайтах в интернете – просто из соображений лаконичности.

Но я хочу остановиться еще на одном интересном эксперименте  - проекте БИОН № М-1 –  космическом аппарате конверсионного производства (созданном на базе известного советского разведывательного спутника  «Зенит»). 

Последний из запусков БИОНа состоялся 19 апреля 2013г. с космодрома Байконур.
В числе экспериментальных модулей БИОНА были капсулы с животными, растениями и внешний модуль с условным названием «Метеор», содержавший  простейшие микроорганизмы, гибки, бактерии и споры. Его задачей было выдержать падение (после 30-ти дневного пребывания в условиях открытого космоса)  на Землю, имитируя падение на Землю метеорита – со всеми присущими тому воздействиями…

Так вот. Обитатели большинства модулей не дожили до конца эксперимента – по неправильному расчету, из-за нехватки жизнеобеспечивающих ресурсов и другим аналогичным  причинам…
Но обитатели модуля с условным названием  «Метеор» - ВСЕ выжили…

Дальше – простор для вашей фантазии…

P.S. В подготовке материала использовано больше количество web-источников, включая Wiki,  научные и научно-популярные журналы, сайт NASA и т.п. и т.д....