Советский биолог Александр Иванович Опарин в 1924 году создал теорию о возникновении жизни на нашей планете посредством химической эволюции углеродосодержащих молекул. Он ввел термин «первичный » для обозначения воды с высокой концентрацией подобных молекул.
Предположительно «первичный бульон» существовал 4 миллиарда лет назад в мелких водоемах Земли. Он состоял из воды, молекул азотистых оснований, полипептидов, и нуклеотидов. «Первичный бульон» образовался под влиянием космического излучения, высокой температуры и электрических разрядов.
Органические вещества возникали , водорода, и воды. Энергия для их образования могла быть получена от грозовых электрических разрядов (молний) или от ультрафиолетового излучения. А.И. Опарин предположил, что нитеобразные молекулы полученных могли сворачиваться и «склеиваться» друг с другом.
В лабораторных условиях ученым удалось создать подобие «первичного бульона», в котором успешно образовывались скопления белков. Однако не был решен вопрос о воспроизводстве и дальнейшем развитии коацерватных капель.
Теория академика Наточина подтверждается анализом содержания элементов в современных живых клетках. В них так же, как и в гейзерах, преобладают ионы К+.
Видео по теме
Современная география – это целый комплекс естественных и общественных наук. На сегодняшний день учеными накоплен большой объем знаний о Земле, а наука география имеет собственную, длинную и интересную, историю зарождения.
География в древности
Географию можно считать одной из самых древних наук, потому что никакие другие знания не были так важны человеку, как знания об устройстве окружающего мира. Умение ориентироваться на местности, искать источники воды, убежища, предсказывать погоду – все это было необходимо человеку для выживания.
И хотя прообразы карт – рисунки на шкурах, изображающие план местности – были еще у первобытных людей, долгое время не являлась наукой в полном смысле. Если наука формулирует законы явлений и отвечает на вопрос «почему?», то география на протяжении длительного периода своего существования скорее стремилась описать явления, то есть ответить на вопросы «что?» и «где?». Кроме того, в античности география была тесно связана с другими науками, в том числе и гуманитарными: нередко вопрос о форме Земли или ее положении в носил в большей степени философский, чем естественнонаучный характер.
Достижения древних географов
Несмотря на то, что у древних географов было не так уж много возможностей экспериментально исследовать разнообразные явления, определенных успехов им все-таки удалось достигнуть.
Так в Древнем Египте, благодаря регулярным астрономическим наблюдениям, ученые смогли весьма точно определить продолжительность года, также в Египте был создан земельный кадастр.
Множество важных открытий было совершено в Древней Греции. Например, греки предположили, что Земля имеет форму шара. Существенные аргументы в пользу этой точки зрения высказал Аристотель, а Аристарх Самосский впервые обозначил приблизительное расстояние от Земли до Солнца. Именно греки стали использовать параллели и меридианы, а также научились определять географические координаты. Философ-стоик Кратет из Маллы впервые создал модель глобуса.
Древнейшие народы активно исследовали окружающий мир, отправляясь в морские и сухопутные путешествия. Многие ученые (Геродот, Страбон, Птолемей) пытались систематизировать в своих трудах имеющиеся знания о Земле. Например, в труде Клавдия Птолемея «География» были собраны сведения о 8000 географических названиях, а также указывались координаты почти четырехсот точек.
Также именно в Древней Греции наметились основные направления географической науки, которые впоследствии были развиты многими талантливыми учеными.
Видео по теме
Жизнь зародилась в воде. За последние десятилетия учёные, используя самые разные виды энергии, получили в лабораторных условиях самые разнообразные "органические" вещества. Во всех этих опытах моделировались условия первичной бескислородной атмосферы. Было установлено, что первичной бескислородной атмосфере древней Земли был возможен синтез "органических" молекул за счет энергии коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, энергии электрических разрядов и за счет других геотермальных источников энергии.
Первые эксперименты по неорганическому синтезу "органических" веществ в условиях первобытной Земли, провел в 1959 году С. Миллер (Miller S. L., 1959). Сконструированный им прибор заполнялся водой и смесью газов - водородом, метаном и аммиаком; свободный кислород в колбу не допускался. В верхней части колбы непрерывно создавались сильные электрические разряды. Внизу нагревалась до кипения вода, создавая циркуляцию пара и воды (рис. 9).
Рис. 9. Эксперимент Миллера, в котором под действием искрового разряда из водорода, метана, воды и аммиака в отсутствии кислорода образуются органические соединения.
В качестве источника энергии сначала использовался искровой разряд. Поскольку разряд дает меньше энергии, чем ультрафиолет, в последующих экспериментах использовали ультрафиолет. При этом из метана, аммиака и водорода синтезировались органические соединения – альдегиды и аминокислоты.
Опыты обнаружили, что 10-15 % углерода перешло в органическую форму. Около 2 % углерода оказались в виде аминокислот, причём самым распространённым из них оказался глицин. В реакционной смеси также были обнаружены сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот - нуклеозиды. Первичный анализ показал наличие в конечной смеси 5 аминокислот. Однако, более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году, показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот.
Оригинальные эксперименты Миллера вызвали большой интерес среди учёных всего мира. К аналогичным опытам приступили другие исследователи.
Гистограмма 2. Распределение соединений, полученных в опытах Миллера, по массе и числу атомов в молекуле (диаграммы построены по данным С. Миллера)
В 1960 году Уилсон, добавив в исходный раствор серу, получил более крупные молекулы полимеров, содержащие по 20 и более атомов углерода (Wilson A. T., 1960). В смеси полимеров образовались тонкие пленки размером около 1 см, представляющие собой поверхностно-активные вещества, скопившиеся на поверхности раздела газ - жидкость (см. рис. 10). Считается, что эти пленки молекул, синтезировавшихся на границе между разными фазами, играли важную роль на ранних стадиях возникновения жизни. Катализатором образования подобных пленок служила, по-видимому, сера, которая была широко распространена на первобытной Земле в форме зерен сульфидов, например, в пиритовых песках.
Рис. 10. Плоские плёнки органических макромолекул, образующихся при искровых разрядах в смеси аммиака, сероводорода, паров воды и золы пекарских дрожжей. Источник M. G. Rutten .
В 1969 году Поннамперума и сотр. провели эксперименты, подобные экспериментам Миллера, используя в качестве источника энергии ультрафиолетовый свет (Ponnamperuma C., 1969). Хотя по теоретическим соображениям синтезы, идущие под действием ультрафиолета, не должны принципиально отличаться от тех, которые вызываются электрическим разрядом, важно было получить экспериментальное подтверждение этого факта, поскольку в условиях первичной атмосферы гораздо больше энергии поступало с ультрафиолетовым излучением.
Исследователи не только смогли синтезировать аминокислоты и пурины, т. е. строительные блоки белков и нуклеиновых кислот, но также смогли синтезировать из этих блоков полимеры. Оказалось, что в присутствии цианистого водорода аминокислоты полимеризуются, образуя пептидные цепи. Причём, при добавлении фосфорной кислоты получались различные нуклеотиды.
Интересные результаты получил в 1965 году американский учёный Оро и сотр., показавший, что более крупные "органические" молекулы можно синтезировать и без помощи ультрафиолета, просто нагревая реакционную смесь (Oro J., 1965).
Известно, что в условиях восстановительной атмосферы малые "органические" молекулы могли синтезироваться за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца. Однако условия на Земле в эпоху примитивной атмосферы были для ранней жизни не менее опасными, чем они оказались бы для современной. Хотя первые организмы в бескислородной атмосфере не подвергалась окислению, ничто не защищало их от губительного воздействия жесткого ультрафиолетового излучения. Поэтому надо учитывать, что в те времена, возможно, использовались другие источники энергии. Например, свободные радикалы и малые "органические" молекулы могли синтезироваться за счет высокоэнергетического ультрафиолетового излучения Солнца, а для синтеза из малых молекул других, более сложных соединений могли служить и менее мощные геотермальные источники энергии (рис. 11). Так, в растворах формальдегида с гидроксиламином, формальдегида с гидразином и в растворах, содержащих цианистый водород, в конце опыта обнаруживались аминокислоты (Oro J., 1965). В других экспериментах эти продукты полимеризовались в пептидные цепи - большой шаг к неорганическому синтезу белка. В системе с раствором цианистого водорода в водном аммиаке также появлялись более сложные соединения - пурины и пиримидины (азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот).
Рис. 11. Предполагаемые механизмы образования пуринов из водной смеси аммиака и цианистого водорода (вверху) и аденина из водной смеси аммиака и цианистого водорода (внизу). По данным Oro J ., 1965
Все эти эксперименты указали возможный путь перехода от синтеза малых "органических" молекул за счет энергии ультрафиолетового солнечного излучения Солнца к более сложным "органическим" молекулам, образующимся при менее жестких воздействиях.
Как известно, молекулы протеинов построены из одной или нескольких полипептидных цепей, а те в свою очередь состоят из большого числа разных аминокислот. После того как образовались аминокислоты, может произойти следующий важный этап - их конденсация в полипептидные цепи. Учёные считают, что выделение молекулы воды, сопровождающее реакцию конденсации двух молекул аминокислот, - факт большой важности. Поскольку реакция поликонденсации сопровождается дегидратацией, скорость превращения будут выше при удалении воды из системы. Это соображение привело учёных к выводу, что раннее развитие жизни должно было происходить вблизи действующих вулканов, поскольку в ранние периоды геологической истории вулканическая деятельность шла более активно, чем в последующие времена. Однако дегидратация сопровождает не только полимеризацию аминокислот, но и объединение других строительных блоков в более крупные "органические" молекулы. Такое объединение всегда связано с реакцией конденсации, при которой от одного блока "отщепляется" атом водорода, а от другого - гидроксильная группа.
Первым возможность проведения реакций конденсации-дегидратации в условиях "первичного бульона" доказал в 1965 году американский учёный Кальвин (Calvin M., 1965). Из всех соединений лишь синильная кислота способна связывать молекулы воды "первичного бульона". Присутствие в "первичном бульоне" синильной кислоты доказано также первыми экспериментами Миллера.
Рис. 12. Реакции конденсации с дегидратацией, приводящие к образованию из отдельных строительных блоков более крупных "органических" молекул. Верхние три уравнения: конденсация и последующая полимеризация аминокислот в протеины, сахаров в полисахариды и кислот и спиртов в липиды. Нижнее уравнение - конденсация аденина с рибозой и фосфорной кислотой, в результате чего образуется нуклеотид. Полимеризация нуклеотидов в цепь нуклеиновой кислоты также представляет собой реакцию конденсации и протекает с выделением молекул воды.
Далее, обнаружилось, что два других, несколько более сложных соединения - цианамид и дицианамид HN(C = N) 2 - обладают ещё большей дегидратирующей способностью. Реакции с ними более сложны, их механизм еще не выяснен окончательно. В присутствии синильной кислоты и цианамидов конденсация отдельных блоков, сопровождаемая дегидратацией, может идти при нормальных температурах в сильно разбавленных водных растворах.
Интересные выводы сделал в 1966 году Эйбелсон, установивший, что реакции с синильной кислотой сильно зависят от кислотности водных растворов, в которых они протекают (Abelson Ph. H., 1966). Эти реакции не идут в кислых средах, тогда как щелочные условия (рН 8-9) им благоприятствуют. Учёные до сих пор спорят мог ли первичный океан имел такой состав, но вполне вероятно, что именно таким рН обладала озерная вода, соприкасавшаяся с базальтом, и эти реакции вполне могли происходить при контакте с базальтовыми породами.
Исследователи провели эксперименты, в которых безводную смесь аминокислот подвергали воздействию температур до 170 0 С. Оказалось, что наилучшие результаты по поликонденсации получаются со смесями, содержащими аспарагиновую и глутаминовую кислоты. Именно эти две аминокислоты относятся к числу важнейших аминокислот, встречающихся в современных организмах.
В ходе синтеза образовывались соединения, названные протеиноидами, сходные с природными белками. Так, они состояли из крупных молекул с молекулярной массой до 300000, сложенных из тех же блоков, что и природный белок. Они содержали 18 из 23 аминокислот, обычно встречающихся у современных организмов. Таким образом, они отвечали общему определению белка. С природным белком они сходны и по ряду других важных свойств, например по связыванию полинуклеотидов, по пригодности в пищу бактериям и крысам, по способности вызывать реакции, сходные с теми, которые катализируются ферментами в организмах. Так, эти искусственно синтезированные "органические" соединения способны каталитически разлагать глюкозу.
Другое важное свойство протеиноидных соединений - их "ограниченная гетерогенность". Это значит, что последовательность аминокислот в их пептидных цепях не совершенно случайна, а, напротив, более или менее закономерна. Но в то время было невозможно провести строгое сравнение этих искусственных соединений с природными белками, так как молекулы белков настолько сложны, что структура большинства из них еще не определена с достаточной точностью. Стремясь подчеркнуть сходство этих искусственных белковоподобных соединений с природными белками, Фокс назвал их протеиноидами. Поскольку они были синтезированы под действием тепла, в дальнейшем их стали называть "термическими протеиноидами".
С тех пор многое изучено в получении было сделано для изучения активности протеиноидов. Самое важное то, что промывая горячую смесь протеиноидов водой или водными растворами солей в среде образуются элементарные мембраноподобные микросферы – коацерваты (Rutten M. G., 1963). Размер микросфер очень мал, их диаметр составляет около 2 мкм. Внешне они напоминают мембрану клетки. Морфологические особенности протеноидных коацерватов показаны на рис. 13 и рис. 14.
Рис. 13 . Электронные микрофотографии срезов протеноидных коацерватов. Источник M. G. Rutten . The Origin of life by natural causes. Elsevier Publishich Comp., N. Y., 1971.
Рис. 14. Протеноидные коацерваты, сдвоенные при увеличении рН среды. Источник M. G. Rutten . The Origin of life by natural causes. Elsevier Publishich Comp., N. Y., 1971.
Коацерваты довольно стабильны. Если их помещают в растворы иной концентрации, чем концентрация раствора, в котором они образовались, то они реагируют на внешние условия. В слишком концентрированных растворах они сморщиваются, в разбавленных набухают, т. е. их реакция на изменение осмотического давления сходна с реакцией живых клеток. Это объясняется наличием у них полупроницаемой наружной оболочки, сходной с мембраной клетки, которая может быть также и двойной.
Образование коацерватов из смеси искусственных протеинов важно потому, что оно дает нам материал для суждения о том, как мог произойти следующий шаг в развитии жизни. Это шаг от разрозненных "органических" молекул к группам организованных молекул, собранным в отдельные структуры и отделенным от окружающего мира примитивной мембраной, что было продемонстрировано нашим соотечественником академиком А.И. Опариным.
С учётом вышесказанного происхождение жизни выглядит так: Первым этапом живой эволюции, по-видимому, было образование при очень высоких температурах аминокислот и азотистых соединений – аналогов нуклеиновых кислот. Такой синтез вполне возможен наряду с другими, т. е. при воздействии электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высокой температуры. Возможность такого термического синтеза экспериментально доказана опытами многих исследователей (Fox S. W., 1965). Следующий этап - поликопденсация полученных аминокислот при температуре 170 или 65 С (в последнем случае в присутствии некоторых фосфатов). Реакция поликонденсации происходит, если в смеси имеется достаточно аспарагиновой и глутаминовой кислот. В смеси протеиноидов при воздействии на нее водой или кислыми водными растворами (дождем) образуются коарцерваты – предшественники клеток. Способность протеиноидов к выполнению некоторых функций, сходных с функциями ферментов живых организмов, выражается в том, что они могут в присутствии гидрата окиси цинка расщеплять нуклеотид АТФ, т. е. обладают слабой ферментативной активностью.
В настоящее время есть много способов экспериментального получения "органических" молекул неорганическим путем в условиях, моделирующих первичную атмосферу. Но, результаты этих экспериментов с геологической точки зрения не являются удовлетворительными, поскольку довольно трудно моделировать геологическое прошлое. Для появления первых древнейших форм жизни естественным путем существенно важны два условия. Во-первых, атмосфера должна быть бескислородной, во-вторых, должно иметься все необходимое для построения "органических" молекул - атомы углерода, азота, неорганические катализаторы и вода. Если эти условия будут выполнены, немедленно начнется образование "органических" соединений.
Но это означает, что формирование жизни - процесс, свойственный не только нашей Земле. В принципе, на любой планете, отвечающей двум вышеизложенным требованиям, находилась она в нашей Солнечной или в любой другой системе, могут идти аналогичные процессы. Ведь бескислородная атмосфера, содержащая нужные для синтеза "органических" соединений атомы и молекулы, - обычное для Вселенной явление. Остается одно главное условие для образования жизни - наличие жидкой воды. Таким образом, образование "органических" соединений из неорганических в водной среде - распространенный космический процесс.
Вода является составной частью тела живых существ. Кровь, мышцы, жир, мозг и даже кости содержат воду в большом количестве. Обычно вода составляет 65-75% веса тела живого организма. Тело некоторых морских животных, например медуз, содержит в себе даже 97-98% воды. Все процессы, совершающиеся в теле животных и растений, происходят только при участии водных растворов. Без воды жизнь невозможна.
Первой заботой появившегося организма является питание. На суше отыскать пищу гораздо труднее, чем в море. Сухопутные растения должны длинными корнями добывать воду и растворённые в ней питательные вещества. Животные добывают себе пропитание с большой затратой сил. Другое дело в море. В солёной морской воде растворено много питательных веществ. Таким образом, морские растения со всех сторон окружены питательным раствором и легко его усваивают.
Не менее важно для организма поддерживать своё тело в пространстве. На суше это весьма трудная задача. Воздушная среда очень разрежена. Чтобы держаться на земле, необходимо иметь особые приспособления - сильные конечности или крепкие корни. На суше самым большим животным является слон. Но кит в 40 раз тяжелее слона. Если бы такое огромное животное начало двигаться по суше, то оно просто погибло бы, не выдержав собственной тяжести. Ни толстая кожа, ни массивные рёбра не были бы достаточной опорой для этой туши в 100 тонн весом. Совсем другое дело в воде. Всякий знает, что в воде можно легко поднять тяжёлый камень, который на суше едва сдвинешь с места. Происходит это потому, что в воде всякое тело теряет в весе столько, сколько весит вытесненная им вода. Вот почему киту для движения в воде приходится затрачивать в 10 раз меньше усилий, чем потребовалось бы этому гиганту на земле. Его тело, поддерживаемое водой со всех сторон, приобретает большую плавучесть, и киты, несмотря на свой огромный вес, могут с большой скоростью преодолевать огромные расстояния. В море живут и самые крупные растения. Водоросль макроцистис достигает 150-200 метров в длину. На земле такие гиганты редкость даже среди деревьев. Вода поддерживает огромную массу этой водоросли. Для прикрепления к грунту ей не требуется крепких корней, как наземным растениям.
Кроме того, в море температура более постоянна, чем в воздухе. А это очень важно, так как не нужно искать защиты от холода зимой и от жары летом. На суше разница между температурой воздуха зимой и летом достигает в некоторых районах 80-90 градусов. В ряде мест Сибири температура летом доходит до 35-40 градусов жары, а зимой стоят морозы в 50-55 градусов. В воде сезонные различия в температуре не превышают обычно 20 градусов. Для защиты от холода земные животные покрываются к зиме пушистым мехом, слоем подкожного жира, залегают в зимнюю спячку в берлоги и норы. Тяжело бороться с промерзающей почвой растениям. Вот почему в особо холодную зиму массами гибнут птицы, звери и другие наземные животные, а также вымерзают деревья.
Российский биолог и австралийский геолог рассказали о новых неожиданных открытиях, которые заставили ученых вернуться к классическим дарвиновским идеям о зарождении жизни в "теплом мелком пруду" на суше, а не в водах первичного океана Земли, и объяснили, где лучше искать ее за пределами нашей планеты.
Достаточно долгое время ученые считали, что жизнь на Земле зародилась примерно 3,5 миллиарда лет назад в первичном океане Земли, в окрестностях вулканов и геотермальных источников, так называемых "черных курильщиков", или их менее горячих собратьев - "белых курильщиков". Подобные представления, в силу большого количества доказательств их правоты, почти не подвергались сомнениям.
Армен Мулкиджанян, профессор МГУ имени М. В. Ломоносова и университета Оснабрюка в Германии, и Мартин ван Кранендонк, геолог и директор Астробиологического института Австралии, рассказали на всероссийском фестивале "Наука 0+", проходившем в стенах МГУ на прошлой неделе, о нескольких последних открытиях, которые пошатнули эти представления и заставили ученых вернуться к идее, которую озвучил еще сам Чарльз Дарвин более чем 150 лет назад.
Мир вулканов и ультрафиолета
"Абсолютно вся жизнь на Земле состоит из трех биологических полимеров - ДНК, хранилища информации, РНК, играющей роль ее переносчика, и белков, способных ускорять реакции в миллионы раз. Очевидно, что все они не могли появиться одновременно, и мы уже почти столетие пытаемся понять, какие молекулы появились первыми и как выглядела первая жизнь", - начал свой рассказ Мулкиджанян.
Исследования последних лет, как отмечает ученый, однозначно показывают, что первыми появились молекулы РНК. Они, в отличие от ДНК, сохраняют химическую активность и способны ускорять другие реакции, а также, в отличие от белков, могут играть роль переносчика информации и собирать как копии самих себя, так и другие молекулы.
По этой причине сегодня господствующей теорией зарождения жизни является гипотеза так называемого "мира РНК", в соответствии с которой изначально жизнь полностью состояла из универсальных РНК-молекул, способных исполнять сразу все функции, и лишь потом появились "узкоспециализированные" белки и ДНК.
Впадина Данакил в Эфиопии
"На Западе эти идеи стали популярны лишь в 1980-х годах, тогда как сама концепция предложена еще в 1957 году академиком Андреем Белозерским. Андрей Николаевич и его соратники открыли рибосомальную РНК, и это открытие заставило их осознать, что она не кодирует информацию, а участвует в сборе белков. Этого хватило для того, чтобы Белозерский понял, что вся жизнь могла состоять из РНК в прошлом", - продолжает Мулкиджанян.
Эта смелая гипотеза, как отмечает биолог, нашла свое подтверждение в последующие десятилетия - за последние годы ученые создали десятки молекул РНК, способных копировать себя и исполнять другие функции, которые обычно осуществляют белки, а также прототипы примитивных протоклеток на их базе. Поэтому сегодня никто не сомневается в том, что жизнь началась именно в "мире РНК", но пока ученые спорят, как и где он возник.
"Что же общего между тремя главными "молекулами жизни", а также сахарами и жирами? При их образовании, при слиянии одиночных звеньев полимерных цепей всегда выделяется вода. Как это связано с зарождением жизни? Это очень важное свойство живых существ, на которое мы обратили внимание лишь недавно. Оно означает, что для самопроизвольного появления длинных цепочек, РНК, ДНК, белков, жиров и сахаров нужно постоянно убирать эту воду, чтобы эти молекулы не распадались. Наши клетки тратят на это огромное количество энергии", - подчеркивает ученый.
Это порождает один из самых сложных и почти необъяснимых парадоксов в биологии и в изучении истории возникновения жизни. С одной стороны, вода нужна для существования жизни и химических реакций в клетках, а с другой стороны - ее большие количества будут мешать образованию первых сложных молекул, что сделает невозможным самопроизвольное формирование будущих "кирпичиков жизни".
"Сегодня среди геологов очень популярна идея о том, что жизнь могла зародиться на дне океана, у геотермальных источников, выбрасывающих огромное количество нутриентов и способных обеспечивать жизнь энергией даже в полной темноте. У этой идеи есть две проблемы: там всегда очень мокро - и эту "лишнюю" воду нельзя оттуда удалить, а во-вторых, там очень темно. Наличие света, как оказалось, является важнейшим фактором в появлении жизни. Поэтому мы считаем, что эта теория ошибочна", - заявил профессор МГУ.
Космический "слепой часовщик"
Ошибочность этой теории, по словам Мулкиджаняна, была недавно раскрыта опытами, в рамках которых российские ученые и их зарубежные коллеги попытались воспроизвести рождение "букв" РНК и ДНК - относительно просто устроенных органических молекул, получить которые, как неожиданно оказалось, очень сложно.
"Сегодня этот вопрос почему-то рассматривается очень поверхностно - многие наши коллеги просто отмахиваются от него, не пытаясь объяснить то, как возникают эти молекулы. Грубо говоря, они просто пропускают данный этап эволюции жизни, отмахиваясь от него и не объясняя, как эти вещества могли возникнуть на дне океана и как они постепенно начали усложняться и накапливаться в достаточных количествах", - продолжает ученый.
Эти вещества, как считает Мулкиджанян, возникли в ходе своеобразной химической эволюции - "неудачные" и нестабильные молекулы распадались, а более стабильные постепенно накапливались в среде и продолжали усложняться.
Роль дарвиновского "слепого часовщика", проводившего этот отбор и постепенно собиравшего эти основы жизни, по словам биолога, брали на себя две вещи - ультрафиолетовое излучение Солнца и та среда, в которой находились будущие "кирпичики жизни".
В пользу этого говорит несколько факторов. Во-первых, как отмечает биолог, все молекулы РНК и ДНК, а также отдельные их звенья уникальным образом реагируют на облучение ультрафиолетом, очень быстро избавляясь от энергии, которую им передает поглощенный квант света, преобразуя ее в тепло. Это, как отмечает исследователь, заметно сокращает вероятность того, что возбужденная молекула распадется на части. Ни белки, ни другие азотистые основания таким свойством не обладают.
Во-вторых, жизнь, судя по особенностям химического состава всех живых клеток и предположительным свойствам предка всех живых организмов, вычисленных генетическим путем, зародилась не в морской воде, а в очень необычной среде, у которой отличался не только химический состав, но и главный компонент. Растворителем в ней выступал формамид - соединение аммиака и метана, похожее по своим свойствам на воду, но кипящее при более высоких температурах.
"Первые примитивные формы жизни имели тот же химический состав, что и среда, в которой они жили, так как у них еще не было белков, способных "откачивать" ненужные элементы во внешнюю среду и не пускать их назад. Поэтому можно сказать, что первые клетки жили в особой жидкости, где было много калия, бора, фосфора, ионов переходных металлов и почти не содержалось натрия. Все это исключает возможность того, что жизнь зародилась в морской воде", - объясняет профессор.
Где такие водоемы, аналогов которым сегодня нет, могли встречаться на ранней Земле? Ответ на этот вопрос недавно нашли Мартин ван Кранендонк и его коллеги, проводящие уже два десятилетия раскопки в местечке под названием Пилбара на северо-западе Австралии, где залегают древнейшие горные породы планеты, сформировавшиеся 3,5 миллиарда лет назад.
Вулканическая колыбель жизни
"Этот регион, как давно считал сам я и мои коллеги, представлял собой мелководное дно первичного океана Земли, где в то время находился один из самых мощных очагов вулканизма на планете и где, как мы думали, обитали первые организмы на Земле. Три года назад мы нашли здесь породы, не похожие ни на что другое, полностью перевернувшие это представление", - заявил австралийский ученый.
По его словам, это открытие было совершено абсолютно случайно. Однажды, когда он и его аспирантка Тара Джокич прогуливались по зоне раскопок, она обратила внимание на странные горные породы, состоявшие из множества перемежающихся темных и светлых слоев, объединенных в волнистые структуры, содержащие множество пузырьков.
Мартин ван Кранендонк, геолог из Австралии
"Раньше мы считали, что Пилбара представляла в то время жерло супервулкана, покрытое морской водой, периодически то исчезавшей, то появлявшейся внутри него, и эти полосы мы считали следами этого процесса испарения и появления воды. Два года назад, будучи проездом в Новой Зеландии, я узнал, чем они являются, и это осознание сделало гейзеры в национальном парке Оракеи Корако моим самым любимым местом на Земле", - продолжает Кранендонк.
В окрестностях этих гейзеров Кранендонк и его коллеги нашли абсолютно такие же горные породы, так называемые гейзериты, как и в Пилбаре. Эти отложения, как оказалось, формируются на дне вулканических озер и рек, чьи воды питаются выбросами гейзеров и содержат в себе огромное количество микробов, питающихся различными химическими веществами, которые содержатся в этих водоемах.
Вода в этих реках и озерах, как вспоминает геолог, больше похожа на густой суп, чем на обычную воду, и в этом "супе" содержится множество пузырьков газов, выбрасываемых микробами. Еще большее удивление ожидало геологов тогда, когда они открыли следы бора, калия, цинка и многих других элементов, содержащихся в живых клетках и отсутствующих в морской воде.
Все это, как считает Кранендонк, указывает на то, что именно вулканические озера - а не "черные курильщики" или другие геотермальные источники на дне океана - были колыбелью жизни. Это, в свою очередь, говорит о том, что Дарвин был прав: жизнь действительно зародилась в "теплом мелком пруду".
"Уже сейчас можно сказать, что Дарвин действительно опередил время, но я, как ученый, не удержусь и покритикую его: жизнь не просто возникла в "теплом пруду", а в нескольких прудах, и в них были не только аммиак и органика, но и бор. Соответственно, мы можем поставить Дарвину только 97 из 100", - шутит геолог.
Подобные открытия, как отмечает ученый, имеют огромное значение для поиска следов внеземной жизни. Уже сейчас можно говорить, что три главных кандидата на роль ее прибежища - Европа, Энцелад и Титан, спутники Юпитера и Сатурна, вряд ли являются обитаемыми. Единственной обитаемой планетой Солнечной системы, помимо Земли, мог быть Марс, где найдены и следы гейзеров, и жидкая вода, и залежи бора и молибдена.
"Мы уже могли бы найти следы жизни на Марсе. Марсоход "Спирит" в последние дни своей работы случайно открыл отложения необычных белых пород, аналогичные тем, которые образуются от выбросов гейзеров в присутствии бактерий. Если бы я был Илоном Маском или имел миллиард долларов, я бы отправил миссию именно туда", - заключает ученый.
Наука
По подсчетам ученых, жизнь на земле зародилась около 3 миллиардов лет назад : за это время простейшие организмы развились в сложные формы жизни. Однако для ученых до сих пор остается загадкой, как зародилась жизнь на планете, и они выдвинули несколько теорий, объясняющих этот феномен:
1. Электрические искры
В ходе знаменитого эксперимента Миллера-Юри (Miller-Urey Experiment), ученые доказали, что молнии могли способствовать появлению основных веществ, необходимых для зарождения жизни: электрические искры образовывают аминокислоты в атмосфере, состоящей из огромного количества воды, метана, аммиака и водорода. Затем из аминокислот развились более сложные формы жизни. Эту теорию несколько изменили после того, как исследователи выяснили, что атмосфера планеты миллиарды лет назад была бедна водородом. Ученые предположили, что метан, аммиак и водород содержались в вулканических облаках, насыщенных электрическими зарядами.
2. Глина
Химик Александр Грэм Кэрнс-Смит (Alexander Graham Cairns-Smith) из университета Глазго, Шотландия, выдвинул теорию о том, что на заре зарождения жизни в глине содержалось много органических компонентов, находящихся недалеко друг от друга, и что глина способствовала организации этих веществ в структуры, подобные нашим генам.
ДНК хранит информацию о структуре молекул, и генетические последовательности ДНК указывает на то, как аминокислоты должны построиться в белки. Кэрнс-Смит предполагает, что кристаллы глины способствовали организации органических молекул в упорядоченные структуры, а позднее этим стали заниматься сами молекулы, "без помощи" глины.
3. Глубоководные жерла
Согласно этой теории, жизнь зародилась в подводных гидротермальных жерлах, выбрасывающих молекулы, богатые водородом.
На их каменистой поверхности эти молекулы могли собраться вместе и стать минеральными катализаторами для реакций, которые и привели к зарождению жизни. Даже сейчас у таких гидротермальных жерл, богатых химической и термальной энергией, обитает довольно большое количество живых существ.
4. Ледяное начало
3 миллиарда лет назад Солнце светило далеко не так ярко, как сейчас, и, соответственно, тепла до Земли доходило меньше. Вполне возможно, что поверхность земли покрывал толстый слой льда, который защищал хрупкие органические вещества
, находящиеся в воде под ним, от ультрафиолетовых лучей и космического воздействия. К тому же, холод помог молекулам дольше просуществовать, в результате чего стали возможны реакции, приведшие к зарождению жизни.
5. Мир РНК
ДНК нужны белки для формирования, а белкам для образования нужна ДНК. Как могли они сформироваться друг без друга? Ученые предположили, что в этом процессе участвовала РНК, которая, так же, как и ДНК, хранит информацию. Из РНК, соответственно, образовались белки и ДНК
, которые заменили ее в виду своей большей эффективности.
Возник другой вопрос: "Как появилась РНК?". Некоторые считают, что она самопроизвольно появилась на планете, а другие отрицают такую возможность.
6. "Простая" теория
Некоторые ученые предположили, что жизнь развилась не из сложных молекул вроде РНК, а из простых, которые взаимодействовали друг с другом. Они, возможно, находились в простых оболочках, сходных с клеточными мембранами. В результате взаимодействии этих простых молекул появились сложные
, которые эффективнее вступали в реакции.
7. Панспермия
В конце концов, жизнь могла зародиться не на нашей планете, а принесена из космоса
: в науке этот феномен называется панспермией. У этой теории есть вполне прочная основа: из-за космического воздействия от Марса периодически отделяются обломки камней, которые долетают и до Земли. После того, как ученые обнаружили марсианские метеориты на нашей планете, они предположили, что эти объекты и принесли с собой бактерии. Если верить им, то все мы марсиане
. Другие исследователи предположили, что жизнь принесли кометы из других звездных систем. Даже если они правы, то человечество будет искать ответ на другой вопрос: "А как жизнь зародилась в космосе?".