Что ученые знают о происхождении жизни на Земле

Облака газа, раскаленная лава, падающие метеориты — такой была наша Земля в своем детстве, около 4 миллиардов лет назад. Кипящая планета, на которой происходили бесконечные химические реакции и физические процессы, была в то же время совершенно безжизненной. Не было ни бактерии, ни клетки, ни того, кто мог бы рассказать, как все изменилось. Но ученые постепенно приближаются к решению этой загадки. 

Что думали о возникновении жизни в прошлом

На протяжении всей своей истории человечество задает себе один и тот же вопрос: как появилась жизнь? В различные эпохи ответ звучал по-разному. Сильное влияние на науку оказала идея Аристотеля, высказанная более 2000 лет назад. Великий грек считал, что живое может произойти из неживого. В качестве примера он приводил личинок мух, выползающих из гнилого мяса.

В 1859 году французский химик Луи Пастер наглядно показал, что философ заблуждался. Пастер стерилизовал бульон и поместил его в стеклянный сосуд. Пока жидкость была защищена от внешнего мира, она не загнивала. Но когда в колбу впустили воздух, а вместе с ним и микробов, бульон быстро испортился под воздействием микроорганизмов. Опыт Пастера доказал, что неживое само по себе не может создать жизнь. 

Что точно известно о происхождении жизни

Но в каком-то смысле идея самозарождения жизни не так уж далека от истины.

Самый первый живой организм на Земле мог появиться только из неживых химических соединений. Когда именно это произошло — неясно. Самые древние окаменелости Земли имеют возраст не менее 3,4 миллиарда лет. По некоторым свидетельствам, жизнь могла возникнуть более чем за полмиллиарда лет до этого. 

В 1953 году американский химик Стэнли Миллер провел эксперимент, продемонстрировавший, как могла зародиться жизнь на нашей планете. Миллер пропустил через химическую смесь, имитирующую условия древней Земли, электрические искры. В результате в жидкости начали образовываться органические молекулы, в том числе аминокислоты. Это означает, что в теории органические химические соединения могли возникнуть из неорганических. 

Затем такие органические соединения должны были объединяться во все более сложные структуры, до тех пор пока не возникла такая, которую можно назвать живой. В ходе долгого развития химические реакции вызвали появление ранних форм метаболизма и компартментов, то есть покрытых оболочкой отсеков, которые позже превратились в клеточные мембраны. Кроме того, молекулы стали передавать информацию.

С этими фактами согласны все ученые. Но больше никакой точной информации о том, как на Земле возникла жизнь, у нас нет. Биологи бесконечно спорят между собой, выдвигая противоречащие друг другу гипотезы. Главные из них — «сначала метаболизм» и «сначала РНК» (или гипотеза мира РНК).

Главные гипотезы о происхождении жизни

1. Гипотеза «сначала метаболизм» предполагает, что первым достижением на пути к обретению жизни стала способность молекул превращать простые химические вещества в сложные.

Согласно этой версии, в условиях древней Земли химические реакции между элементами и соединениями проходили хаотично. Постепенно спонтанные простые реакции приводили к образованию молекул, запасающих энергию. Эти молекулы запускали более сложные химические реакции, и возникал самоподдерживающийся цикл химических процессов, итогом которого стало появление рибонуклеиновой кислоты, или РНК.

РНК — это одноцепочечный носитель генетической информации. Информация в РНК кодируется последовательностью четырех оснований: аденина, цитозина, гуанина и урацила. Те же основания входят и в состав дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК. Отличие состоит только в том, что молекула ДНК состоит из двух цепей и урацил заменен в ней тимином.

2. Во второй гипотезе отправной точкой ранней эволюции становится РНК.

Предполагается, что древние РНК ускоряли протекание химических реакций, а также были способны к самокопированию, хранению и передаче информации. Позже функцию катализатора взяли на себя белки, а ДНК досталась роль хранилища генетической информации.

Где возникла жизнь на Земле

Отдельный спор касается того, в каких условиях внешней среды зародилась жизнь.

• Одни вслед за Чарльзом Дарвином считают, что она появилась в водоемах на поверхности Земли, например, в небольшом теплом пруду.
• Другие приводят аргументы в пользу горячих источников.
• Третьи полагают, что колыбелью жизни были глубоководные «черные курильщики» (гидротермальные источники на дне океанов, которые выглядят как гигантские каменные трубы, извергающие клубы густого чёрного «дыма». На самом деле это не дым, а перенасыщенная минералами вода, разогретая магмой до невероятных 350–400 °C).

Во всех этих версиях катализатором, ускоряющим химические реакции, служит тепло. 

• Четвертое предположение — что жизнь на Землю могли принести из космоса астероиды. На фрагментах астероидов и метеоритах действительно обнаруживают органические молекулы.
• В настоящее время все более популярной становится гипотеза о зарождении жизни в содовых озерах. Дело в том, что ключевую роль в процессах жизнедеятельности всех организмов на Земле играют фосфаты. Они входят в состав генома, обеспечивают поступление энергии и управляют работой белков. Но содержание фосфатов в воде на нашей планете настолько низко, что непонятно, как первые живые организмы могли бы накопить это химическое соединение в таком количестве. 

Проблема разрешится, если представить, что жизнь возникла в содовом озере, где концентрация фосфатов в десятки раз выше, чем в обычных природных водоемах. В таких озерах чрезвычайно высок уровень карбоната, компонента пищевой соды. Реагируя с кальцием, карбонат предотвращает осаждение фосфатов и позволяет им накапливаться в огромных концентрациях. 

Самая высокая концентрация фосфатов в мире задокументирована в канадском содовом озере Ласт-Ченс. Именно этот водоем глубиной всего 30 сантиметров многие ученые называют потенциальным местом возникновения жизни.

Итак, точного ответа на вопрос о происхождении жизни пока нет. Возможно, новые доказательства появятся благодаря изучению содовых озер или далеких планет. 

По материалам: www.scientificamerican.com.