К 1. Глава 6 Возникновение жизни на Земле

Возникновение жизни, или абиогенез — это процесс, который превращает неживую природу в живую. В более узком смысле, под абиогенезом понимают образование органических соединений вне организма без участия ферментов. Альтернативой абиогенезу в этом контексте является панспермия. Сегодня мы имеем надёжные доказательства того, что жизнь существовала на Земле более 3,5 миллиардов лет назад. Однако точно определить момент возникновения жизни сложно, поскольку трудно провести грань между «почти живым» и «по-настоящему живым». Тем не менее, можно сказать с уверенностью, что этот волшебный процесс длился многие миллионы лет.

Чем больше человек узнаёт о жизни, тем сложнее становится понять её происхождение и сущность. Эта сложность любопытна тем, что каждый человек ясно понимает разницу между живым и неживым. Наши знания показывают, что переход от жизни к смерти включает последовательный ряд прекращения многих биологических процессов. Тем не менее, нам становится всё труднее научно и юридически определить момент, когда заканчивается жизнь. То же самое можно сказать и о начале жизни. Эти трудности отражают современную точку зрения, отрицающую наличие чёткой границы между живым и неживым.

Все живые системы обладают очевидными особенностями, которые отличают их от неживых. Среди них: ассимиляция и химическая переработка пищи как источника энергии; выделение наружу непригодной для организма части поглощаемого питания; рост и старение; репродукция себе подобных и так далее. Однако есть исключения, такие как бесплодность мула, а дыхание и движение свойственны только многоклеточным организмам, одноклеточные на это не способны.

Сегодня большинство учёных считают, что жизнь является внутренним свойством некоторых видов материи. Они полагают, что благодаря вполне объяснимым атомным и молекулярным свойствам, материя стремится к самоорганизации во всё более сложные формы, и что жизнь — это неизбежный результат этой самоорганизации. Значит у материи должен быть постепенный переход от неживого к живому и в середине этого перехода находятся вирусы. Вне живой клетки вирусы представляют собой сложные молекулы, которые не являются «живыми». Но внутри живой клетки они проявляют свойства, присущие живой материи.

К наиболее высоким проявлениям жизни относятся мышление, духовность, элементы поведения и так далее. Высшие формы живого демонстрируют комплекс особенностей, называемый ментальным поведением. Это, наряду с репродуктивностью, является атрибутом живого, который отсутствует у любой машины. Но бактерия, насколько нам известно, не обладает мышлением. Остаётся только репродуктивность. Но многие кристаллы обладают репродуктивностью при наличии подходящей среды. Таким образом, исчерпывающее определение «живого» и «неживого» не так просто.

Репродуктивность живых систем имеет одну особенность: они могут мутировать, то есть подвергаться изменениям своего генетического и наследственного материала под воздействием некоторых факторов окружающей среды, например, радиоактивности. Эти изменения передаются последующим поколениям и закрепляются. Всё это и составляет основу Дарвиновской теории эволюции. Следовательно, если к репродуктивности мы добавляем мутации и передачу этих мутаций по наследству, мы, в конечном счете, получаем комплекс свойств, присущих только жизни. Если «это» — репродуктивность с сохранением мутаций, то «это» и есть живое и обладает всеми вышеупомянутыми свойствами.

Ещё одна поразительная черта жизни — это высочайшая степень сложности живого существа. При ближайшем изучении цветка, насекомого или млекопитающего обнаруживается почти невероятная точность расположения частей, которая абсолютно повторяется у бесчисленных индивидуальностей данного вида. При этом структура точно соответствует функциям: каждая часть неизменно находится на своём необходимом месте. Листья деревьев не появляются под землёй, так же, как и корни не растут на ветвях. Эта необходимая для жизни организация просто немыслима в неживых системах. В последних размещение частей определяется случайностью и хаотичностью.

Теперь обсудим характеристики живого: все живые существа состоят из клеток и могут быть одно- или многоклеточными. Простейшие одноклеточные организмы также, как и многоклеточные обладают свойствами репродуктивности с мутацией, передаваемой поколениям. Они питаются с помощью простейшего способа — всасывания пищи через мембрану (наружную оболочку клетки), экскреция (выделение отработанных веществ) осуществляется посредством движений мембраны в противоположном направлении, имеется и реакция на внешние раздражения.

Несмотря на мириады видов живых существ вокруг нас и под линзами наших микроскопов, число видов молекул, из которых состоит масса живого материала, удивительно невелико. Генетический материал — длинные полимерные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК, одинаковы у всех живых систем от микроба до человека. Единственное различие состоит в последовательности четырёх и только четырёх звеньев, образующих цепь этих длинных молекул. Энзимы, катализаторы, определяющие всю метаболическую химию жизни в неизменных и контролируемых пропорциях, состоят всего лишь из одного вида молекул — протеинов. Как и ДНК, протеины — это длинные полимерные молекулы. Они построены из примерно 20-ти видов аминокислот и различаются только числом и последовательностью этих аминокислотных «бусинок» в протеиновом «ожерелье», которое образует различные протеины для всех живых существ.

Соединения, которые образуют стенки клеток, кровь, жиры, кости, мозги и многие другие ткани, удивительно немногочисленны. Назвав около сотни веществ, биолог перечислит почти всё, из чего построена жизнь. Это сходство «строительных белков» указывает на общность происхождения для всей жизни на Земле. После смерти живые организмы оставляют вещества, которые мы определяем как продукты жизнедеятельности — нефть, уголь и так далее. Их состав и структуры те же, что и в живущих сегодня организмах. Чтобы оценить чудо возникновения жизни по достоинству, необходимо познакомиться с теориями, которые описывают разные варианты и этапы рождения жизни. Давайте переберём всё, что достойно внимания, но задержимся на одной из них. Поехали!

Но вот что необходимо сказать для начала. Все эти теории есть ряд утверждений, которые никто никогда не сможет доказать до конца, а также никогда не сможем опровергнуть. Прямого экспериментального подтверждения ни одной из них не существует, да и вряд ли оно появится — воспроизвести эволюционные процессы, на которые потребовались десятки миллионов лет в лабораторных условиях, очень непросто. Но всё же, давайте попробуем узнать, как могла появиться жизнь!
Креационизм.

Креационизм — это теория, утверждающая, что всё многообразие форм органического мира было создано высшим существом или существами. Эта теория отвергает идею изменения видов и их эволюции. Доказательств креационизма не существует, так как это вопрос веры. Кажется, что всё логично, и больше ничего не нужно объяснять — просто наслаждайтесь созданным шедевром!

Фантазиям древних авторов о происхождении мира можно только позавидовать. Они предлагали самые разнообразные и почти всегда красивые версии. Растения, рыбы и звери вылавливались с морского дна огромным вороном, люди выползали червями из тела первопредка, лепились из глины и пепла, рождались от браков богов и чудовищ. Всё это удивительно поэтично, но, конечно, не имеет никакого отношения к науке.

Индийская религия предлагает нам поэтическую картину вечного странствия каждой живой души по бесконечному множеству миров и их обитателей. Душа может перерождаться то в ничтожное насекомое, то в возвышенного поэта, а то и в существо, неизвестное нам — демона или бога. Каждое существо без конца вращается на этой карусели всеобщего возвращения, и проблема первичного происхождения исчезает где-то в калейдоскопе бесчисленных повторений.

Представители трёх религий — христианства, мусульманства и иудаизма — считают, что вселенная создавалась Вседержителем в течение 7 дней. Первых людей он создал на шестой день, а седьмые сутки Бог сделал днём отдыха.
Теория самозарождения жизни.

Эта теория была широко распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Индии и Древнем Египте как альтернатива креационизму. Она существовала параллельно с креационистскими представлениями. Одним из её сторонников был Аристотель, которого часто называют основателем биологии. Согласно его теории, определённые «частицы» вещества содержат «активное начало», способное при определённых условиях порождать живые организмы. Аристотель был прав, полагая, что это активное начало присутствует в оплодотворённом яйце, но ошибался, считая, что оно также присутствует в солнечном свете, тине и гниющем мясе. В своих учениях он утверждал, что мухи появляются из испорченной пищи, тля — из капелек росы, оседающих на листьях растений, а крокодилы — из брёвен, перегнивающих на дне пресных водоёмов.

С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась в упадке, но продолжала существовать на заднем плане ещё много веков. Вплоть до XIX века в научной среде существовало представление о «жизненной силе» — некой всепроникающей субстанции, которая заставляла живое появляться из неживого (лягушек — из болота, личинок мух — из мяса, червей — из почвы и так далее).

Франческо Реди в XVII веке опубликовал результаты опытов, которые опровергали теорию самозарождения. Однако решающими стали эксперименты известного французского биолога и химика Луи Пастера, проведённые в 1859 году. В результате серии экспериментов Пастер окончательно доказал, что даже микробы могут появляться только от других микробов. К концу XIX века практически все учёные признали, что живые организмы возникают только от других живых организмов.
Теория стационарного состояния.

Согласно теории стационарного состояния, Земля существовала всегда и была способна поддерживать жизнь. Если и происходили какие-либо изменения, то они были незначительными. Эта теория также утверждает, что виды не возникали, а существовали всегда, и у каждого вида есть только две возможности: либо изменение численности, либо вымирание.

Однако эта гипотеза вступает в противоречие с данными современной астрономии, которая указывает на конечное время существования любых звёзд и, следовательно, планетных систем вокруг них. Поэтому академическая наука не рассматривает эту теорию. Она представляет интерес только с исторической или философской точки зрения.
Панспермия.

Согласно теории панспермии, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно, что внеземные организмы попали к нам с метеоритами и космической пылью. Это предположение основано на высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим неблагоприятным условиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, обнаруженных в метеоритах. Но даже если бы они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос о её изначальном возникновении остался бы без ответа.

Другой вариант — управляемая панспермия, то есть намеренное «заражение» Земли микроорганизмами, доставленными на непилотируемых космических аппаратах развитой инопланетной цивилизацией. В пользу этой теории приводят два основных довода: универсальность генетического кода (известные другие вариации кода используются в биосфере гораздо реже и мало отличаются от универсального) и значительную роль молибдена в некоторых ферментах. Молибден — очень редкий элемент для всей Солнечной системы. Возможно, первоначальная цивилизация обитала возле звезды, обогащённой молибденом.

Против возражения о том, что теория панспермии не решает вопрос о зарождении жизни, сторонники теории выдвинули следующий аргумент: на планетах другого неизвестного нам типа вероятность зарождения жизни изначально может быть намного выше, чем на Земле. Есть также приверженцы теории космогонии, которые утверждают, что первичная жизнь зародилась в космосе, а не на одной из планет.

Легко заметить, что при всей своей увлекательности теория панспермии лишь переносит вопрос о возникновении жизни в другое место и другое время. Что бы ни занесло первые организмы на Землю — случайный ли метеорит или хитрый план высокоразвитых инопланетян, они должны были где-то и как-то родиться. Пусть не здесь и гораздо дальше в прошлом — но жизнь должна была вырасти из безжизненной материи. Вопрос «Как?» остаётся открытым.
Теория абиогенеза.

Абиогенез — это теория, согласно которой жизнь возникла из неживой материи. Несмотря на множество альтернативных гипотез, только эта теория получила научное подтверждение. Согласно абиогенезу, жизнь на Земле могла зародиться лишь в условиях древней атмосферы, когда не было живых организмов. Ученые предполагают, что около 4-4,5 миллиардов лет назад под воздействием различных видов энергии, таких как электрические разряды, ядерные реакции, солнечная радиация, извержения вулканов и падения метеоритов, на Земле могли образоваться простейшие органические соединения, необходимые для зарождения жизни.

Гипотеза абиогенеза сталкивается с множеством нерешенных вопросов и различных взглядов на определенные этапы химической эволюции. Главная нерешенная проблема — это детали перехода от сложных неживых систем к простым живым организмам. Эта теория продолжает развиваться учеными и по сей день. Однако некоторые её аспекты были подтверждены опытным путем. Исследователи провели эксперимент, пропуская электрические заряды через смесь, имитирующую первичную атмосферу. В результате были получены мочевина, формальдегид, спирты, уксусная и муравьиная кислота, аминокислоты и другие органические вещества. Это стало первым экспериментом по абиогенному синтезу белковоподобных и других органических соединений в условиях, которые воспроизводили условия первобытной Земли. Последующие эксперименты расширили набор продуктов синтеза, получив пуриновые основания — аденин и гуанин, четырех- и пятиуглеродные сахара, а также выяснив, что образуется 22 различные аминокислоты и другие органические соединения.

 

Мощный электрический разряд молний мог способствовать образованию органических соединений в океане молодой Земли.

На древней Земле не происходило окисления образовавшихся веществ из-за отсутствия свободного кислорода. Синтезированные вещества постепенно накапливались в древнем океане в течение десятков миллионов лет. Накопление этих веществ привело к образованию однородной массы, получившей название «первичный бульон». Следует отметить, что на древней Земле простейшие органические вещества могли образовываться не только абиогенно, но и заноситься из космоса.

В «первичном бульоне» могла возникнуть возможность образования всех базовых «молекул жизни» — РНК и белков — из небольшого набора исходных компонентов. Главными героями этой смеси являются циановодород и сероводород, которые не так уж редко встречаются на нашей планете. К ним добавляются некоторые минеральные вещества и металлы, также имеющиеся на Земле в достаточном количестве, такие как фосфаты, соли меди и железа. Ученые разработали детальную схему реакций, которые могли бы создать эти полимеры в насыщенном «первичном бульоне». Однако остаётся вопрос: почему соединения начали усложняться?

Следующий этап в происхождении жизни может быть связан с одной из трёх возможных отправных точек: самовоспроизведение — способность организма производить потомство, похожее на него; обмен веществ — способность питаться и восстанавливать себя; и клеточные мембраны — позволяющие потреблять пищу и выводить отходы, но исключающие попадание нежелательных веществ.
РНК-мир

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — это ключевое соединение в наших клетках, способное хранить информацию о белках, транспортировать их и даже синтезировать! Однако возникает вопрос: как же появились РНК? Ученые предложили неожиданный ответ на этот вопрос, заявив, что не все молекулы способны эволюционировать, а лишь некоторые из них, называемые предками РНК. Именно эти соединения могли усложняться в своем строении, что привело к возникновению первых одноклеточных организмов. Сегодня ученые знают, что предками РНК были полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Их можно обнаружить в экспериментах с молнией. Некоторые из наиболее сложных ПАУ могли достраивать себя, что способствовало их дальнейшему усложнению. Так появилась знакомая нам РНК.

РНК не так эффективна в хранении и передаче информации, как ДНК, а в выполнении ферментативных функций уступает белкам. Белки не могут реплицироваться без информации, содержащейся в ДНК, а ДНК не способна на это без помощи белков. Однако молекулы РНК способны выполнять обе эти функции, и до сих пор они служат передаточным звеном в информационном обмене клетки, а также катализируют множество реакций в ней. Открытие того, что некоторые типы молекул РНК, называемые рибозимами, могут катализировать как самовоспроизведение, так и синтез белков, привело к гипотезе, что ранние формы жизни были основаны исключительно на РНК. Такой молекуле было достаточно возникнуть единожды, чтобы в дальнейшем она могла копировать себя, используя органические соединения из окружающей среды — насыщенного органикой «бульона».

Предполагается, что первые живые существа были РНК-организмами без белков и ДНК. Сахара, необходимые для синтеза РНК, в частности рибоза, как было указано в экспериментах с молнией, уже присутствовали в то время на Земле. Позже РНК была заменена на ДНК, которая является более стабильной и позволяет создавать более длинные геномы, расширяя спектр возможностей. Это предположение, называемое гипотезой РНК-мира, пользуется широкой поддержкой среди ученых.
Метаболизм: железосерный мир

Согласно другой теории, ранние формы жизни состояли из белковых молекул. Доказано, что аминокислоты могли самостоятельно формировать белки-ферменты, ускоряющие химические реакции в организме. Самоподдерживающийся синтез белков мог начаться возле гидротермальных источников. Черные курильщики океана — это места, богатые минералами и уникальные экосистемы. Бактерии, обитающие там, используют железосерные реакции для питания. Эти экосистемы являются основой для разнообразной жизни, включая множество уникальных червей и креветок. Возможно, они стали отправной точкой зарождения жизни на планете, поскольку теоретически такие системы содержат все необходимое для этого.
Мембраны: липидный мир

Процессы репликации и метаболизма, безусловно, являются важными для «нормальной жизни». Однако одной лишь способности к размножению и обмену веществ недостаточно. Любая жизнь — это, прежде всего, пространственно изолированный участок среды, который разделяет процессы обмена, облегчая протекание одних реакций и исключая другие. И «протоклетки» должны были появиться уже на самых ранних этапах зарождения жизни на Земле.

Было высказано предположение, что первым шагом к созданию клетки могли стать липидные «пузыри». Эксперименты, воссоздающие условия ранней Земли, показали, что липиды способны самопроизвольно формироваться в такие «пузыри» — липосомы. Согласно этой теории, следующим шагом стало образование коацерватных капель. При определенных условиях липосомы отделяли группу молекул от окружающего «первичного бульона». Молекулы, окруженные водной оболочкой, объединялись, образуя многомолекулярные комплексы — коацерваты.

 

Коацерватные капли были способны поглощать вещества извне, действуя как открытые системы. При добавлении различных катализаторов, включая ферменты, в них происходили разнообразные реакции, что приводило к увеличению объема и веса капель, а затем к их дроблению на дочерние образования. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться и осуществлять обмен веществ.

Теория была достаточно обоснованной, за исключением одной проблемы, которую долгое время игнорировали почти все специалисты. Если в коацервате спонтанно возникали единичные удачные конструкции белковых молекул, то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения. Однако было показано, что первые коацерваты могли вступить в симбиоз с «живыми растворами» — колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, катализирующих синтез липидов. Такое сообщество уже можно назвать организмом. Естественный отбор в дальнейшем способствовал выживанию наиболее устойчивых коацерватных систем, которые были способны к дальнейшему усложнению.
Теория глины

Группа учёных выдвинула гипотезу, согласно которой первичная организация молекул могла происходить в микропорах глинистых минералов, которые выполняли структурную функцию. На внутренней поверхности этих пор, словно на матрице, могли оседать и полимеризоваться сложные биомолекулы. Исследования показали, что такие условия позволяют выращивать достаточно длинные белковые цепочки. Здесь же могли скапливаться необходимые количества солей металлов, которые играют важную роль катализаторов химических реакций. Однако это лишь одна из многих гипотез, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны.

Умение воспроизводиться и наличие границ тела — это основные черты каждого живого организма на Земле. Но до сих пор никто не знает, как разные сущности с РНК внутри смогли стать замкнутой клеткой. В клетке нуклеиновые кислоты кодируют состав белка, а белки помогают самовоспроизводству нуклеиновых кислот. Однако, как эти два соединения смогли «договориться» о взаимной помощи? Как у клетки появились мембраны, через которые она получает полезные вещества и отбрасывает вредные? На все эти вопросы еще предстоит найти ответы.

Подведём итог
Первичные органические молекулы, обитавшие в «первичном бульоне», объединялись, формируя более сложные структуры, и стали предками живых организмов — протобионтами. Вероятно, на ранних этапах эволюции на Земле существовало огромное разнообразие этих удивительных созданий. В процессе эволюции протобионты объединились в коацерватные капли, известные как коацерваты (от латинского «coacerv;tus» — «собранный в кучу»), представляющие собой обособленные структуры с высокой концентрацией сложных молекул. Эти капли еще не были ни клетками, ни живыми существами, но уже активно поглощали необходимые им вещества из окружающей среды, взаимодействовали друг с другом и росли. Однако от настоящих живых организмов их отличала неспособность размножаться.

На последнем этапе эволюции эта способность у них наконец появилась, и различия между коацерватными каплями и клетками окончательно стерлись. Достигнув определенных размеров, капля делилась, давая начало дочерним образованиям, которые сохраняли ее свойства. Началось самовоспроизводство живых существ на Земле. Коацерватные капли стали первыми примитивными одноклеточными организмами. Все они были анаэробными гетеротрофами, то есть обладали бескислородным типом дыхания и поглощали готовые органические вещества (первичную органику). Уже на этом этапе могли возникнуть хищничество и другие формы связей между видами, создавая первичные сообщества. Капли, как и все живые организмы, подвергались естественному отбору, что способствовало их эволюции.

Эволюция коацервантов уже не была химической, а стала предбиологической. Она привела к совершенствованию каталитической функции белков, которые стали выполнять роль ферментов, мембран и их избирательной проницаемости, что сделало коацервант устойчивым набором полимеров. Также возник матричный синтез — перенос информации с нуклеиновой кислоты на нуклеиновую кислоту и с нуклеиновой кислоты на белок. Химическая эволюция «первичного бульона», эволюция протобионтов и коацервантов длилась более 1 млрд лет.

В процессе эволюции остались лишь те системы, которые были более способны к саморегуляции и самовоспроизведению. Это знаменовало наступление следующего этапа возникновения жизни — появление прокариотов. Эти тела имели сложный химический состав и ряд свойств живых существ. Прокариоты можно рассматривать как наиболее устойчивые и удачно получившиеся коацерваты. Они были похожи на современных бактерий, не имели ядра и дышали без участия кислорода, питаясь органическими соединениями и защищаясь тончайшей бактериальной плёнкой.

Принято считать, что эволюция прокариотов вскоре привела к появлению трех царств живых существ: архебактерий, современных бактерий (эубактерий) и надцарства (включающего несколько царств) эукариот. К последним относятся те, чьи клетки имеют более сложную организацию — они включают окруженное мембраной ядро, содержащее ДНК в виде хромосом. В составе цитоплазмы эукариотических клеток есть высокоразвитые органеллы (митохондрии, хлоропласты, эндоплазматический ретикулум и др.), которых нет у бактерий. В ходе эволюции ни архебактерии, ни эубактерии не дали начала новым формам жизни. Эта участь выпала только эукариотам — простейшим архейских морей.

При увеличении численности бактерий запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при естественном отборе приобретали организмы, способные к автотрофности, то есть к синтезу органических веществ из неорганических. Поэтому следующим этапом эволюции стало развитие реакций с использованием солнечного света — фотосинтез. Бактерии, оказавшиеся способными фиксировать углекислый газ с образованием органических веществ, получили преимущество. Автотрофный синтез питательных веществ более сложный, чем гетеротрофное питание. Из некоторых веществ под действием энергии солнечного излучения образовывались соединения необходимых клетке. Первые фотосинтезирующие организмы не выделяли кислорода. Фотосинтез с его выделением появился позже.

Одноклеточная жизнь стала расцветать на нашей планете везде, где могла существовать жидкая вода. Бактерии были найдены в воде горячих источников при температуре 900C. На другой стороне температурной шкалы бактерия была найдена живой при температуре -240C в одном из прудов Антарктики. Вода в пруду сохранялась жидкой вследствие высокой концентрации соли. Бактерии были найдены на глубинах 11 км в Тихом океане, свыше 3 км в земной коре и на высоте около 20 км в атмосфере. Они могут переносить давление от одной миллионной доли атмосферы до нескольких сот атмосфер.

Бескислородные, или анаэробные (от греческих слов «ан» — отрицательная частица, «аер» — воздух и «биос» — жизнь), существа живут рядом с нами и по сей день. С тех древних времен они не изменили своих свойств: большинство этих бактерий и поныне анаэробы. Они прошли путь от безжизненного набора несложных органических соединений до протоорганизмов, познавших смерть и вступивших в бесконечную гонку биологической изменчивости. В конце концов, не эти ли два слагаемых – изменчивость и смерть – порождают всю сумму жизни?

Бесчисленные мутации имели место в прошлом, и они до сих пор происходят. Ныне, однако, на Земле существует новый феномен: живущий творец — человек, который понимает, как происходят мутации, и поэтому стремиться овладеть могучей силой контролировать и управлять ими. Использование этих возможностей человеком позволит определять будущее истории жизни на нашей планете. Как хочется, чтобы это было во благо.