Возникновение земной жизни. Часть 2Эволюция
Эта гипотеза не противоречит геологическим данным и основана на предположении, что ранние организмы жили в экстремальных условиях, как современные хемосинтетические бактерии. В 60-х годах ХХ века исследователи открыли на дне Тихого океана подводные вулканы - черные курильщики. Там в клубах ядовитых газов, без доступа солнечного света и кислорода, при температуре +120° существуют колонии микроорганизмов. Подобные черным курильщикам условия были на Земле уже 2,5 миллиарда лет назад, как о том свидетельствуют пласты строматолитов - следов жизнедеятельности синезеленых водорослей. Формы, похожие на этих микробов, есть и среди остатков древнейших организмов возрастом 3,5 миллиарда лет.Для подтверждения вулканической гипотезы нужен эксперимент, который показал бы, что абиогенный синтез в данных условиях возможен. Работы в этом направлении ведут группы биохимиков из США, Германии, Англии и России, но пока безуспешно. Обнадеживающие результаты получил в 2003 году молодой исследователь Михаил Владимиров из лаборатории эволюционной биохимии Института биохимии им. А.Н. Баха РАН. Он создал в лаборатории искусственный черный курильщик: в автоклав, наполненный солевым раствором, был помещен диск из пирита (FeS2), служивший катодом; через систему проходили углекислый газ и электрический ток. Через сутки в автоклаве появилась муравьиная кислота - простейшая органика, которая участвует в метаболизме живых клеток и служит материалом для абиогенного синтеза более сложных биологических веществ.Если на 3емле не было условий для синтеза предбиологической органики, то они могли быть в космосе. Еще в 1961 году американский биохимик Джон Оро опубликовал статью о кометном происхождении органических молекул. Молодая Земля, не защищенная плотной атмосферой, подвергалась массированным бомбардировкам кометами, которые состоят в основном изо льда, но также содержат аммиак, формальдегид, цианид водорода, цианоацетилен, аденин и другие соединения, необходимые для абиогенного синтеза аминокислот, нуклеиновых и жирных кислот - основных компонентов клетки. Вода комет образовала океаны, где через сотни миллионов лет расцвела жизнь. Наблюдения подтверждают, что в космических телах и межзвездных пылевых облаках есть простая органика и даже аминокислоты. Спектральный анализ показал наличие аденина и пурина в хвосте кометы Хейли-Боппа, а в метеорите Мерчисон нашли пиримидин. Образование этих соединений в условиях космоса не противоречит законам физики и химии.Кометная гипотеза популярна среди космологов еще и тем, что она объясняет появление жизни на Земле после образования Луны. Как принято считать, примерно 4,5 миллиарда лет назад Земля столкнулась с огромным космическим телом. Ее поверхность расплавилась, часть вещества выплеснулась на орбиту, где из него образовался небольшой спутник - Луна. После такой катастрофы на планете не должно было остаться никакой органики и воды. Откуда же они появились? Их снова принесли кометы.
Проблема полимеров
Клеточные белки, ДНК, РНК - все это полимеры, очень длинные молекулы, наподобие нитей. Строение полимеров довольно простое, они состоят из частей, повторяющихся в определенном порядке. К примеру, целлюлоза - самая распространенная молекула в мире, которая входит в состав растений. Одна молекула целлюлозы состоит из десятков тысяч атомов углерода, водорода и кислорода, но вместе с тем это не что иное, как многократное повторение более коротких молекул глюкозы, сцепленных между собой, как в ожерелье. Белки - это цепь аминокислот. ДНК и РНК - последовательность нуклеотидов. Причем суммарно это очень длинные последовательности. Так, расшифрованный геном человека состоит из 3 миллиардов пар нуклеотидов. Воспроизведение в лабораторных условиях водно-метаново-аммиачно-водородной атмосферы ранней Земли, мощного ультрафиолетового излучения и электрических разрядов.
В клетке полимеры производятся постоянно с помощью сложных матричных химических реакций. Воспроизведение в лабораторных условиях водно-метаново-аммиачно-водородной атмосферы ранней Земли, мощного ультрафиолетового излучения и электрических разрядов. Чтобы получить белок, у одной аминокислоты нужно отсоединить гидроксильную группу ОН с одного конца и атом водорода с другого, и только после этого «приклеить» следующую аминокислоту. Нетрудно видеть, что в этом процессе образуется вода, причем снова и снова. Освобождение от воды, дегидратация, - очень древний процесс, ключевой для зарождения жизни. Как он происходил, когда еще не было клетки с ее фабрикой по производству белков? Возникает проблема и с теплым мелким прудом - колыбелью живых систем. Ведь при полимеризации вода должна удаляться, но это невозможно, если ее полно вокруг.В первичном бульоне должно было находиться нечто, что помогло родиться живой системе, ускорило процесс и снабдило энергией. Английский кристаллограф Джон Бернал в 50-х годах ХХ века предположил, что таким помощником могла служить обычная глина, которой в изобилии устлано дно любого водоема. Минералы глины способствовали образованию биополимеров и возникновению механизма наследственности. Гипотеза Бернала с годами окрепла и привлекла много последователей. Оказалось, что облученные ультрафиолетом глинистые частицы хранят полученный запас энергии, который расходуют на реакцию сборки биополимеров. В присутствии глины мономеры собираются в самореплицирующиеся молекулы, нечто вроде РНК. Большинство глинистых минералов похоже по своей структуре на полимеры. Они состоят из огромного числа слоев, соединенных между собой слабыми химическими связями. Такая минеральная лента растет сама собой, каждый следующий слой повторяет предыдущий, а иногда случаются дефекты - мутации, как в настоящих генах. Шотландский химик А.Дж. Кернс - Смит утверждал, что первым организмом на Земле был именно «глиняный ген». Попадая между слоями глинистых частиц, органические молекулы взаимодействовали с ними, перенимали способ хранения информации и роста, можно сказать, обучались. Какое-то время минералы и протожизнь мирно сосуществовали, но вскоре произошел разрыв, или генетический захват, по Кернс-Смиту, после чего жизнь покинула минеральный дом и начала свое собственное развитие.
Самые древние микробы
Художественное изображение двойственной спирали ДНК, оставляющей в воде свою копию. В черных сланцах Западной Австралии возрастом 3,5 миллиарда лет сохранились остатки самых древних организмов, когда-либо обнаруженных на 3емле. Видимые лишь под микроскопом шарики и волоконца принадлежат прокариотам - микробам, в клетке которых еще нет ядра и спираль ДНК уложена прямо в цитоплазме. Древнейшие окаменолости обнаружил в 1993 году американский палеобиолог Уильям Шопф. Вулканические и осадочные породы комплекса Пилбара, что к западу от Большой песчаной пустыни в Австралии - одни из самых старых пород на 3емле. По счастливой случайности эти образования не столь сильно изменились под действием мощных геологических процессов и сохранили в прослоях остатки ранних существ.Убедиться в том, что крохотные шарики и волоконца в прошлом были живыми организмами, оказалось трудно. Ряд мелких бусинок в горной породе может быть чем угодно: минералами, небиологической органикой, обманом зрения. Всего Шопф насчитал 11 видов окаменелостей, относящихся к прокариотам. Из них 6, по мнению ученого, - это цианобактерии, или синезеленые водоросли. Подобные виды до сих пор существуют на Земле в пресных водоемах и океанах, в горячих ключах и близ вулканов. Шопф насчитал шесть признаков, по которым подозрительные объекты в черных сланцах следует считать живыми.Вот эти признаки:1. Ископаемые сложены органической материей2. У них сложное строение - волоконца состоят из клеток разной формы: цилиндров, коробочек, дисков3. Объектов много - всего 200 ископаемых включают в себя 1 900 клеток4. Объекты похожи друг на друга, как современные представители одной популяции5. Это были организмы, хорошо приспособленные к условиям ранней Земли. Они обитали на дне моря, защищенные от ультрафиолета толстым слоем воды и слизи6. Объекты размножались как современные бактерии, о чем говорят находки клеток в стадии деления.Обнаружение столь древних цианобактерий означает, что почти 3,5 миллиарда лет назад существовали организмы, которые потребляли углекислый газ и производили кислород, умели скрываться от солнечной радиации и восстанавливаться после ранений, как это делают современные виды. Биосфера уже начала складываться. Для науки в этом кроется пикантный момент. Как признается Уильям Шопф, в столь почтенных породах он бы предпочел найти более примитивные создания. Ведь находка древнейших цианобактерий отодвигает начало жизни на период, стертый из геологической истории навсегда, вряд ли геологи когда-либо смогут его обнаружить и прочесть. Чем старше породы, тем дольше они пребывали под давлением, температурой, выветривались. Помимо 3ападной Австралии на планете сохранилось только одно место с очень древними породами, где могут встретиться окаменелости - на востоке Южной Африки в королевстве Свазиленд. Но африканские породы за миллиарды лет претерпели сильнейшие изменения, и следы древних организмов потерялись.В настоящее время геологи не нашли начала жизни в горных породах Земли. Строго говоря, они вообще не могут назвать интервал времени, когда живых организмов еще не было. Не могут они и проследить ранние - до 3,5 миллиарда лет назад - этапы эволюции живого. Во многом из-за отсутствия геологических свидетельств тайна происхождения жизни остается нераскрытой.В теории абиогенеза поиски первоначала жизни приводят к идее о более простой, нежели клетка, системе. Современная клетка необычайно сложна, ее работа держится на трех Рибонуклеиновая кислота (РНК) способная к репликации, то есть самовоспроизводится, служа сама себе и матрицей для дублирования, и катализатором, инициирующим сборку новой молекулы.
китах: ДНК, РНК и белки. Рибонуклеиновая кислота (РНК) способная к репликации, то есть самовоспроизводится, служа сама себе и матрицей для дублирования, и катализатором, инициирующим сборку новой молекулы. ДНК хранит наследственную информацию, белки осуществляют химические реакции по схеме, заложенной в ДНК, информацию от ДНК к белкам передает РНК. Что может входить в упрощенную систему? Какая-то одна из составных частей клетки, которая умеет, как минимум, воспроизводить себя и регулировать обмен веществ.Поиски наиболее древней молекулы, с которой, собственно, и началась жизнь, продолжаются почти столетие. Подобно геологам, восстанавливающим историю 3емли по пластам горных пород, биологи открывают эволюцию жизни по строению клетки. Череда открытий ХХ века привела к гипотезе спонтанно зародившегося гена, который стал прародителем жизни. Естественно думать, что таким первогеном могла быть молекула ДНК, ведь она хранит информацию о своей структуре и об изменениях в ней. Постепенно выяснили, что ДНК не может сама передать информацию другим поколениям, для этого ей нужны помощники - РНК и белки. Когда во второй половине ХХ века открыли новые свойства РНК, то оказалось, что эта молекула больше подходит на главную роль в пьесе о происхождении жизни.Молекула РНК проще по своему строению, чем ДНК. Она короче и состоит из одной нити. Эта молекула может служить катализатором, то есть проводить избирательные химические реакции, например соединять между собой аминокислоты, и в частности осуществлять собственную репликацию, то есть воспроизведение. Как известно, избирательная каталитическая активность - одно из основных свойств, присущих живым системам. В современных клетках эту функцию выполняют только белки. Возможно, эта способность перешла к ним со временем, а когда-то этим занималась РНК.Чтобы выяснить, на что еще способна РНК, ученые стали разводить ее искусственно. В насыщенном молекулами РНК растворе кипит собственная жизнь. Обитатели обмениваются частями и воспроизводят сами себя, то есть идет передача информации потомкам. Спонтанный отбор молекул в такой колонии напоминает естественный отбор, а значит, им можно управлять. Как селекционеры выращивают новые породы животных, так же стали выращивать РНК с заданными свойствами. Например, молекулы, которые помогают сшивать нуклеотиды в длинные цепочки; молекулы, устойчивые к высокой температуре, и так далее.Колонии молекул в чашках Петри - это и есть мир РНК, только искусственный. Натуральный мир РНК мог возникнуть 4 миллиарда лет назад в теплых лужах и мелких озерцах, где шло спонтанное размножение молекул. Постепенно молекулы стали собираться в сообщества и соревноваться между собой за место под солнцем, выживали наиболее приспособленные. Правда, передача информации в таких колониях происходит неточно, и вновь приобретенные признаки отдельной «особи» могут теряться, но этот недостаток покрывается большим количеством комбинаций. Отбор РНК шел очень быстро, и за полмиллиарда лет могла возникнуть клетка. Дав толчок возникновению жизни, мир РНК не исчез, он продолжает существовать внутри всех организмов на Земле.Мир РНК - почти живой, до полного оживления ему остается всего один шаг - произвести клетку. Клетка отделена от окружающей среды прочной мембраной, значит, следующий этап эволюции мира РНК-заключение колоний, где молекулы связаны между собой родством, в жировую оболочку. Такая протоклетка могла получиться случайно, но, чтобы стать полноценной живой клеткой, мембрана должна была воспроизводиться от поколения к поколению. С помощью искусственного отбора в колонии можно вывести РНК, которая отвечает за рост мембраны, но произошло ли это на самом деле? Авторы экспериментов из Массачусетсского технологического института США подчеркивают, что результаты, полученные в лаборатории, не обязательно будут похожи на реальную сборку живой клетки, а может быть, и вовсе далеки от истины. Впрочем, создать живую клетку в пробирке пока не удалось. Мир РНК не раскрыл до конца своих тайн. Охотники за обитаемыми планетами
Обе теории происхождения жизни, и панспермия и абиогенез, допускают, что жизнь не уникальное явление во Вселенной, она должна быть на других планетах. Но как ее обнаружить? Долгое время существовал единственный метод поиска жизни, который пока не дал положительных результатов, - по радиосигналам от инопланетян. В конце ХХ столетия возникла новая идея - с помощью телескопов искать планеты вне Солнечной системы. Началась охота за экзопланетами. В 1995 году поймали первый экземпляр: планету массой в пол-Юпитера, быстро вращающуюся вокруг 51-й звезды созвездия Пегас. В результате почти 10-летних поисков обнаружили 118 планетных систем, содержащих 141 планету. Ни одна из этих систем не похожа на Солнечную, ни одна из планет - на 3емлю. Найденные экзопланеты близки по массе к Юпитеру, то есть они гораздо больше Земли. Далекие гиганты непригодны для жизни в силу особенностей своих орбит. Часть из них вращается очень близко к своей звезде, значит, их поверхности раскалены и нет жидкой воды, в которой развивается жизнь. Остальные планеты - их меньшинство - перемещаются по вытянутой эллиптической орбите, что драматично влияет на климат: смена сезонов там должна быть очень резкой, а это губительно для организмов. Тот факт, что ни одной планетной системы типа Солнечной не обнаружили, вызвал пессимистические заявления некоторых ученых. Возможно, небольшие каменные планеты очень редки во Вселенной или наша Земля вообще единственная в своем роде, а возможно, нам просто не хватает точности измерений. Но надежда умирает последней, и астрономы продолжают оттачивать свои методы. Сейчас планеты ищут не прямым наблюдением, а по косвенным признакам, потому что не хватает разрешения телескопов. Так, положение юпитероподобных гигантов вычисляют по гравитационному возмущению, которое они оказывают на орбиты своих звезд. В 2006 году Европейское космическое агентство запустит спутник «Корот», который будет искать планеты земной массы, за счет уменьшения блеска звезды во время их прохождения по ее диску. Тем же способом охотиться за планетами будет спутник NASA «Кеплер», начиная с 2007 года. Еще через 2 года NASA организует миссию космической интерферометрии - очень чувствительный метод обнаружения маленьких планет по их воздействию на тела большей массы. Лишь к 2015 году ученые построят приборы для прямого наблюдения - это будет целая флотилия космических телескопов под названием «Охотник за планетами земного типа», способная одновременно искать признаки жизни. Когда обнаружат подобные 3емле планеты, в науке наступит новая эпоха, и ученые готовятся к этому событию уже сейчас. С огромного расстояния нужно суметь распознать в атмосфере планеты следы жизни, пусть даже самых примитивных ее форм - бактерий или простейших многоклеточных. Вероятность обнаружить примитивную жизнь во Вселенной выше, чем вступить в контакт с зелеными человечками, ведь на Земле жизнь существует более 4 миллиардов лет, из них на развитую цивилизацию приходится лишь одно столетие. До появления техногенных сигналов узнать о нашем существовании можно было только по наличию в атмосфере особых соединений - биомаркеров. Главный биомаркер - это озон, который указывает на присутствие кислорода. Пары воды означают наличие жидкой воды. Углекислый газ и метан выделяют некоторые виды организмов. Искать биомаркеры на далеких планетах поручат миссии «Дарвин», которую европейские ученые запустят в 2015 году. Шесть инфракрасных телескопов будут кружиться по орбите в 1,5 миллиона километров от Земли и обследовать несколько тысяч ближайших планетных систем. По количеству кислорода в атмосфере проект «Дарвин» способен определить совсем молодую жизнь, возрастом несколько сот миллионов лет.Если в излучении атмосферы планеты есть спектральные линии трех веществ - озона, паров воды и метана - это дополнительное свидетельство в пользу наличия жизни. Следующий шаг - установить ее тип и степень ее развития. К примеру, присутствие молекул хлорофилла будет означать, что на планете есть бактерии и растения, которые используют фотосинтез для получения энергии. Разработка биомаркеров следующего поколения очень перспективная задача, но это еще далекое будущее.