Как возникла жизнь на земле. Как появилась жизнь на Земле. Секретные материалы ученых

История жизни на Земле началась с момента появления первых живых организмов — примерно 3,7 миллиарда лет назад — и продолжается по сей день. Сходство между всеми организмами указывают на наличие общего предка, из которого все известные виды разошлись в процессе эволюции.

Цианобактериальные маты и археи были доминирующей формой жизни в начале архейского эона и были огромным эволюционным шагом того времени. Кислородный фотосинтез, появившийся тогда, около 3500000000 лет назад, в конечном итоге привел к оксигенации атмосферы, начиная примерно с 2400 млн лет назад. Первые свидетельства эукариот датируется 1850 млн лет назад, хотя, возможно, они появились раньше, их диверсификация ускорилась, когда они начали использовать кислород в метаболизме. Позже, около 1700000000 лет назад, стали появляться многоклеточные организмы с дифференцированными клетками выполнения специализированных функций.

Примерно 1200 млн лет назад появляются первые водоросли, а уже примерно 450 млн лет назад — первые высшие растения. Беспозвоночные животные появились в едиакарскому периоде, а позвоночные возникли около 525 000 000 лет назад во время кембрийского взрыва.

Возникновение жизни на Земле

В соответствии с современной концепцией мира РНК, рибонуклеиновая кислота (РНК) была первой молекулой, которая обладала способностью к самовоспроизведению. Могли пройти миллионы лет, прежде чем на Земле появилась первая такая молекула. Но после ее образования на нашей планете появилась возможность возникновения жизни.

Молекула РНК может работать как фермент, соединяя свободные нуклеотиды в комплементарную последовательность. Таким способом происходит размножение РНК.

Но эти химические соединения еще нельзя назвать живыми существами, поскольку они не имеют границ тела. Любой живой организм имеет следующие границы. Только внутри изолированного от внешнего хаотического движения частиц тела могут происходить сложные химические реакции, которые позволяют существу питаться, размножаться, двигаться и т. Д.

Появление изолированных полостей в океане довольно частым явлением. Их образуют жирные (алифатические) кислоты, которые попадают в воду. Все дело в том, что один конец молекулы гидрофильный, а другой — гидрофобный. Жирные кислоты, которые попадают в воду, образуют сферы таким образом, что гидрофобные концы молекул находятся внутри сферы. Возможно, молекулы РНК начали попадать в такие сферы.

Первый обмен веществ

Способность к самовоспроизведению и наличие границ тела — это еще не все признаки, которые отличают живое существо от неживой природы. Для воспроизведения внутри сферы из жирных кислот, молекулы РНК нужно было наладить процесс обмена веществ. Известно, что молекула РНК способна притягивать нужные нуклеотиды и отталкивать нужны. Поэтому ей ничего не мешало сделать это через мембрану. Скорее всего, процесс происходил так: нужен нуклеотид привлекался к мембране вплотную, как только он приближался на достаточно близкое расстояние, то начинал отталкивать от себя молекулы жирных кислот, из-за чего образовался проем по размерам нуклеотида, после чего он свободно проходил через него и присоединялся к создаваемому цепочки.

Первый деление клетки

Как начали делиться первые клетки, состоящие из молекулы РНК и мембраны из жирных кислот, в настоящее время неизвестно. Возможно, построенная внутри мембраны новая молекула РНК начинала отталкиваться от первой. В конце концов, одна из них прорывала мембрану. Вместе с молекулой РНК выходила и часть молекул жирных кислот, которые образовывали вокруг нее новую сферу.

докембрий

Докембрий длился около 3800000000 лет. В течение этого отрезка времени на Земле произошли значительные изменения: кора остыла, появились океаны и, что самое важное, появилось примитивная жизнь. Однако следы этой жизни в палеонтологической летописи редки, поскольку первые организмы были мелкими и не имели твердых оболочек.

На докембрий приходится большая часть геологической истории Земли. При этом его хронология разработана гораздо хуже, чем на следующий за ним фанерозоя. Причина этого в том, что органические остатки в докембрийских отложениях встречаются крайне редко, что является одной из характерных особенностей этих древних геологических образований. Поэтому палеонтологический метод изучения нельзя применять для докембрийских толщ.

архей

Охватывает временной промежуток 4,6-2,5 млрд лет назад.

Исследование метеоритов, горных пород и других материалов того времени показывают, что наша планета сформировалась примерно 4600000000 лет назад. К этому времени вокруг Солнца был только размытый диск, состоящий из газа и космической пыли. Затем, под действием силы тяжести пыль начал собираться в небольшие тела, которые со временем превратились в планеты.

В течение миллионов лет на Земле не существовало никаких форм жизни. После архейского эпизода расплавления верхней мантии и ее перегрева с возникновением в этой геосфере магматического океана вся начальная поверхность Земли вместе с ее первичной и сначала плотной литосферой очень быстро погрузилась в расплавы верхней мантии. Атмосфера в то время не была плотной и состояла из таких газов, как аммиак (NH 3), метан (CH 4), водород (H 2), хлор (Cl 2), пары серы. Температура ее достигала 80 ° C. Естественная радиоактивность была намного выше сегодняшней. Жизнь в таких условиях было невозможно.

4 млрд лет назад Земля столкнулась с планетой Тейя (ее размер был близок к размерам Марса). Столкновение было таким сильным, что образованные при столкновении обломки были выброшены в космос и образовали Луну. Образование Луны способствовало появлению жизни: он вызвал приливы, которые способствовали очищению и аэрации морей и стабилизировал ось вращения Земли.

Первые химические следы жизни возрастом около 3500000000 лет были обнаружены в горных породах Австралии (Пилбара). Возможно, жизнь зародилась именно в горячих источниках, где было много питательных веществ, в том числе и нуклеотидов.

Жизнь в археи развилось до бактерий и цианобактерий. Они вели придонный образ жизни: устилали дно моря тонким слоем слизи.

Катархей

Катархейський эон (др.-греч κατἀρχαῖος — «ниже древнейшего»), 4,6-3,8 миллиардов лет назад, известный как протопланетный этап развития Земли. Охватывает первую половину архея. Земля в то время была космическим телом без атмосферы и гидросферы. В таких условиях никакой жизни появиться не могло.

Во время катархею атмосфера не была плотной. Она состояла из газов и паров воды, появившиеся при столкновении Земли с астероидами.

В связи с тем, что Луна тогда был очень близко (всего на 17 000 километров) к Земле, сутки продолжалась недолго — всего 6:00. Но, по мере удаления Луны, сутки начала увеличиваться.

Эоархей

Охватывает время 4-3,6 млрд лет назад. Возможно, прокариоты появились уже в конце Эоархей. Кроме того, в еоархея относятся древнейшие геологические породы — формация Исуа в Гренландии.

палеоархея

Палеоархея (от др.-греч παλαιός — «старый» и ἀρχαῖος — «старый») продолжался с 3,6 по 3200000000 лет назад. В Австралии найдена древнейшая форма жизни, относится к этой эры — хорошо сохранившиеся остатки бактерий возрастом 3460000000 лет.

мезоархея

Мезоархея (от др.-греч μέσος — «средний» и ἀρχαῖος — «старый») продолжался 3,2-2,8 млрд лет назад. В мезоархеи уже встречаются строматолиты.

неоархей

Неоархей охватывает временной промежуток 2,8-2,5 млрд лет назад. В эту эру появился кислородный фотосинтез, который стал причиной кислородной катастрофы, которая произошла в палеопротерозоя. В этой эре активно развиваются бактерии и водоросли.

протерозойской эон

Охватывает временной промежуток 2500000000 — 543 млн лет назад. Протерозой (греч. Πρότερος — первый, старший, греч. Ζωή — жизнь) ознаменовался возникновением сложных растений, грибов и животных (например, губок). Жизнь в начале протерозоя, как и раньше, было сосредоточено в морях, так как условия на суше были не совсем благоприятными: атмосфера состояла преимущественно из сероводорода, CO 2, N 2, CH 4, и совсем малого количества O 2.

Однако, бактерии, которые жили в то время в морях, начали производить O 2 в качестве побочного продукта, и 2 млрд лет назад количество кислорода уже достигла устойчивого уровня. Но резкое увеличение количества кислорода в атмосфере привело к кислородной катастрофы, которая вызвала изменения органов дыхания у организмов, населявших в то время океаны (анаэробные изменились аэробными) и изменение состава атмосферы (образование озонового слоя). Вследствие ослабления парникового эффекта на Земле наступило длительное гуронское оледенение: температура опускалась до -40 ° С.

Дальнейшие ископаемые остатки первых многоклеточных встречаются уже после оледенения. В то время океаны населяли такие червеобразные животные, как сприггина (Spriggina). Такие животные, возможно, стали предками современных животных.

палеопротерозой

Палеопротерозой — геологическая эра, часть протерозоя, которая началась 2500000000 лет назад и закончилась 1600000000 лет назад. В это время состоялась первая стабилизация континентов. Эволюционировали цианобактерии — тип бактерий, использовал биохимический процесс фотосинтеза для производства энергии и кислорода.

Важнейшее событие раннего палеопротерозоя — кислородная катастрофа. К значительному повышению содержания кислорода в атмосфере почти все формы жизни, которые существовали в то время, были анаэробами, то есть обмен веществ в живых формах зависел от форм клеточного дыхания, не нуждались в кислороде. Кислород в больших количествах является губительным для большинства анаэробных бактерий, поэтому в настоящее время большая часть живых организмов на Земле исчезла. Формы жизни, которые остались, были или невосприимчивыми к действию кислорода, или жили в бескислородной среде.

мезопротерозой

Мезопротерозой — геологическая эра, часть протерозоя, которая началась 1600000000 лет назад и закончилась 1000000000 лет назад.

неопротерозоя

Неопротерозоя — геологическая эра (последняя эра протерозоя), которая началась 1000 млн лет назад и закончилась 542 млн лет назад. С геологической точки зрения характеризуется распадом древнего суперконтинента Родиния как минимум на 8 фрагментов, в связи с чем прекращает свое существование древней суперокеан Мировия. Во время криогению началось масштабное оледенение Земли — лед достигал экватора (Земля-снежок).

До позднего неопротерозою (Эдиакара) относятся древнейшие ископаемые остатки живых организмов, поскольку именно в это время в живых организмов начинает появляться что-то вроде твердой оболочки или скелета.

фанерозой

Фанерозойский эон (др.-греч φανερός ζωή — «явное жизни») начался примерно 543 млн лет назад и продолжается в наше время. В фанерозое появлялись и вымирали самые существа, в том числе гигантские насекомые и динозавры.

палеозойская эра

В начале палеозоя (греч. Πᾰλαιός — давний, греч. Ζωή — жизнь) появились животные с твердым наружным скелетом.

кембрийский период

Охватывает временной промежуток 543-490 млн лет назад. В кембрийский период внезапно появляется огромное разнообразие живых организмов — предков нынешних представителей многих подразделений царства животных (в отложениях, которые предшествовали кембрия, остатки таких организмов отсутствуют). Эта внезапная в геологическом масштабе событие, которое в реальности длилась миллионы лет, известная в науке как кембрийский взрыв.

Ископаемые остатки животных кембрийского периода находят довольно часто и во всем мире. В начале кембрийского периода (около 540 млн лет назад) в некоторых групп животных появляется сложно построенное глаз. Появление этого органа была огромным эволюционным шагом — теперь животные могли видеть окружающий мир. Так, жертвы теперь могли видеть охотников, а охотники — своих жертв.

В кембрийском периоде на суше жизни не существовало. Но океаны были густо населены беспозвоночными, например, губками, трилобитами, аномалокарамы. Время от времени огромные подводные оползни захоранивали группы морских существ под тоннами ила. Благодаря этим сдвигам мы можем наглядно представить себе, каким необычным был животный мир кембрийского периода, ведь в иле прекрасно сохранились в виде окаменелостей даже нежные мягкотелые животные.

В морях позднего кембрийского периода основными группами животных были членистоногие, иглокожие и моллюски. Но самым важным жителем морей того времени была бесчелюстные существо хайкоуихтис — у нее кроме глаз развилась хорда.

ордовикский период

Охватывает промежуток времени 490-443 млн лет назад. Во время ордовика суша оставалась необжитой, за исключением лишайников, которые первыми из растений стали жить на суше. Но основная жизнь развивалось достаточно активно в морях.

Основными жителями ордовикский морей были членистоногие, такие как мегалограпт. Они могли ненадолго выходить на сушу, чтобы отложить икру. Но были и другие жители, например, представитель класса головоногих ортокон камероцерас.

Позвоночные животные в ордовике сформировались еще не до конца. В морях плавали потомки хайкоуихтиса, в которых было образование, напоминавшей позвоночник.

Также в морях ордовикского периода жили представители кишечнополостных, иглокожих, кораллов, губок и других беспозвоночных.

силурийский период

Охватывает промежуток времени 443-417 млн ​​лет назад. В силуре на сушу выходят некоторые растения, например, куксония (Coocsonia), которые достигали в высоту не более 10 см, и некоторые виды лишайников. В некоторых членистоногих развились примитивные легкие, которые позволяли им дышать атмосферным воздухом, например, скорпион бронтоскорпио мог находиться на суше в течение четырех часов.

В морях через миллионы лет формируются огромные коралловые рифы, где находили приют мелкие ракообразные и членистоногие. В этом периоде членистоногие становятся еще больше, например, ракоскорпион птеригот мог достигать 2,5 метров в длину, однако, он был слишком большим, чтобы выползать на сушу.

В силурийских морях появляются полностью сформированы позвоночные животные. В отличие от членистоногих, у позвоночных был костяной хребет, позволявший им лучше маневрировать под водой.

девонский период

Охватывает промежуток времени 417-354 млн лет назад.

В девоне жизнь продолжает активно развиваться на суше и в море. Появляются первые примитивные леса, состоящие в основном из древнейших примитивных древовидных папоротников археоптерисив (Archaeopteris), которые росли в основном на берегах рек и озер.

Основное жизни в раннем девоне было представлено в основном Mesothelae и многоножками, которые дышали всей поверхностью тела и жили в очень влажных местах. Однако, к концу девона в древних артроподов появляется хитиновый панцирь, сокращается количество сегментов тела, четвертая пара лап превращается в усики и челюсти, в некоторых также развились крылья. Так появилась новая эволюционная ветвь — насекомые, которая смогла освоить самые разнообразные уголки планеты.

В середине девона на сушу ступили первые амфибии (например, гинерпетон, ихтиостега). Они не могли жить вдали от воды, так как их кожа была еще очень тонкой и незащищенной от пересыхания. К тому же, амфибии могли размножаться только при наличии воды — икринками. Вне воды потомство амфибии погибло бы: икру высушило бы солнце, ведь она не защищена никакой оболочкой, кроме тонкой пленки.

У рыб развились челюсти, которые позволяли им ловить быстрых жертв. Они начали стремительно увеличиваться в размерах. Уже к концу девона в морях появились первые костные рыбы, такие как гигантская хищная гинерия. Однако наиболее грозными обитателями девонских морей были представители группы плакодерм, такие как дунклеостей и динихтис, достигавшие в длину 8-10 метров.

каменноугольный период

Охватывает промежуток времени от 354-290 млн лет назад. В каменноугольном периоде почти по всей планете климат был жаркий и влажный. В болотистых лесах того времени росли преимущественно хвощи, древовидные папоротники и гигантские лепидодендроны, которые достигали в высоту от 10 до 35 метров, и в диаметре ствола — до одного метра.

Фауна была представлена ​​огромным количеством существ. Большое количество тепла, влаги и кислорода способствовала увеличению размера членистоногих, так, например, артроплевра могла достигать 2,5 метров в длину, а огромная стрекоза меганевра — 75 см в размахе крыльев.

Такие условия способствовали и расцвета амфибий. Они (например, протерогиринус) заняли все прибрежные области, практически окончательно вытеснив двоякодышащих и кистеперых. В каменноугольном периоде амфибии дали начало рептилиям. Первые рептилии были очень маленькими животными, которые напоминали современных ящериц, например, длина петролакозавра не превышала 40 сантиметров в длину. Рептилии могли откладывать яйца на суше — это было большим эволюционным шагом, к тому же их кожа была покрыта плотной чешуей, которая защищала кожу животного от высыхания, а следовательно, они могли спокойно отходить далеко от воды. Наличие таких приспособительных особенностей и определила их дальнейшее эволюционное успех в качестве наземных животных.

В морях каменноугольного периода также было много форм жизни. Акулы и костные рыбы (предки большинства современных рыб) доминировали в толще воды, а морское дно покрывали многочисленные коралловые рифы, которые простирались на многие километры вдоль побережья древних материков.

Конец карбона, около 290 млн лет назад, отметил длительный ледниковый период, который закончился в начале пермского периода. Ледники медленно подбирались к экватору с севера и юга. Многочисленные животные и растения не смогли приспособиться к таким климатическим условиям и вскоре вымерли.

Пермский период

Охватывает промежуток времени 290-248 млн лет назад. Через ледниковый период в конце карбона в пермском периоде климат стал холоднее и суше. Пышные тропические леса, болота изменились бескрайними пустынями и засушливыми равнинами. В таких условиях росли только самые стойкие растения — папоротники и примитивные хвойные.

Вследствие исчезновения болот резко сократилось количество амфибий, поскольку они могли жить только рядом с водой (например, амфибия-рептилиоморф сеймурия). Место амфибий заняли рептилии, поскольку они были хорошо приспособлены к жизни в сухом климате. Рептилии начали быстро увеличиваться в размере и численности, им удалось расселиться по всей суше, они дали начало таким крупным наземным животным, как пеликозавры (например, Диметродон и едафозавры). За холодного климата в таких рептилий развился парус, который помогал им регулировать температуру тела.

В эпоху поздней перми образовался единый суперконтинент — Пангея. В местах с особо сухим и жарким климатом начало образовываться все больше пустынь. В это время пеликозавры дали начало терапсид — звероподобным ящерам. Они отличались от своих предков прежде всего тем, что имели отличную от них строение зубов; во-вторых, эта группа имела гладкие кожные покровы (в процессе эволюции чешуя у них так и не развилась) в-третьих, у некоторых представителей этой группы развились вибрисы (а позже и шерстяной покров). Ряд терапсид включал как кровожадных хищников (например, горгонопсы), так и роющих растительноядных животных (например, дииктодона). Кроме терапсид на суше жили и представители семейства пареязаврив, например, покрытый толстой броней скутозавр.

В конце пермского периода климат стал намного суше, что привело к сокращению площади прибрежных зон с густой растительностью и увеличение площади пустынь. В результате из-за нехватки жизненного пространства, корма и кислорода, который производился растениями, многие виды животных и растений вымерли. Эта эволюционная событие получило название массового пермского вымирания, в процессе которого вымерло 95% всех живых существ. Ученые до сих пор спорят о причинах этого вымирания, и выдвигают некоторые гипотезы:

1. Падение одного или нескольких метеоритов, или столкновения Земли с астероидом диаметром в несколько десятков километров (одним из доказательств этой теории является наличие 500-километрового кратера в районе Земли Уилкса;
2. Усиление вулканической активности;
3. Внезапный выброс метана со дна моря;
4. Извержение трапов (базальтов), сначала относительно небольших Емейшанських трапов около 260 млн лет назад, затем колоссальных Сибирских трапов 251 млн лет назад. С этим могли быть связаны вулканическая зима, парниковый эффект из-за выброса вулканических газов и другие климатические изменения, которые повлияли на биосферу.

Однако, эволюция на этом не прекратилась: через некоторое время виды живых существ, которые выжили, дали начало новым, еще более удивительным формам жизни.

Мезозойская эра

Во время мезозоя на Земле обитали разнообразные причудливые организмы. Самые известные из них — динозавры. Они доминировали на протяжении 160 млн лет на всех континентах. Они имели самые разнообразные размеры: от совсем крошечного микрораптора, который достигал всего 70 см в длину и веса 0,5 кг, к гигантскому амфицелиаса, достигавший в длину 50 метров, а массы 150 тонн. В то время на Земле было большое разнообразие форм жизни, которые продолжали эволюционировать и совершенствоваться.

триасовый период

Охватывает временной промежуток 248-206 млн лет назад. В начале триасового периода жизни на планете продолжало медленно восстанавливаться после массового вымирания видов в конце пермского периода. Климат большей части земного шара был жарким и сухим, но достаточное количество осадков вполне могла обеспечить достаточно большое разнообразие растений. Наиболее распространенными в триасе были примитивные хвойные, папоротники и гинкговые, ископаемые остатки которых встречаются во всем мире, даже в полярных областях Земли.

Животные, которые пережили пермское массовое вымирание видов, оказались в очень выигрышной ситуации — ведь на планете почти не осталось ни их пищевых конкурентов, ни крупных хищников. Численность растительноядных рептилий начала быстро расти. То же самое произошло и с некоторыми хищниками. Вскоре большинство животных дали начало многочисленным новым и необычным видам рептилий. В раннем триасовом периоде некоторые рептилии вернулись жить в воду от них пошли нотозавры и другие полуводные существа.

В начале триасового периода жил и возможный предок динозавров — еупаркерия. Характерной особенностью еупаркерии от других ящериц было то, что она могла вставать и бегать на задних лапах.

В позднем триасовом периоде (227-206 млн лет назад) на Земле произошли события, которые определили развитие жизни в течение всей следующей части эры динозавров. В результате раскола гигантского суперконтинента Пангеи образовалось несколько материков. До позднего триаса на суше господствовали звероподобные (терапсиды) рептилии, представленные, например, плацериасом и листрозавром, а также несколько других групп причудливых пресмыкающихся, к которым относились танистрофей и протерозух. Но за сравнительно короткое время численность терапсид сильно сократилась (за исключением группы цинодонтов, которые дали начало млекопитающим). Их место заняли рептилии — архозавры, три основные группы которых вскоре стали господствующими. Этими группами животных были динозавры, птерозавры и крокодиломорфы рептилии. Быстро эволюционировали и морские рептилии, предки гигантских ихтиозавров.

Конец триасового периода отметило новое массовое вымирание видов, как и аналогичное событие в конце перми. Его причины остаются загадкой. В свое время ученые связывали его с падением на Землю астероида, оставившего после падения огромный кратер Маникуаган (Канада) диаметром 100 км, но, как оказалось, это событие произошло гораздо раньше.

Юрский период

Охватывает промежуток времени 206-144 млн лет назад. В раннем юрском периоде (206-180 млн лет назад) климат на Земле стал более теплым и влажным. В приполярных районах поднялись хвойные леса, а тропики покрылись зарослями хвойных растений, папоротников и саговников. По мере того, как континенты медленно расходились, в некоторых низменных уголках планеты формировался муссонный климат; образовались большие речные бассейны, которые регулярно затапливались водой. В раннем юрском периоде динозавры и птерозавры быстро увеличиваются в размерах, становятся более многочисленными и разнообразными и начинают расселяться по всему земному шару. Не отстают от них и морские рептилии (ихтиозавры и плезиозавры), а также моллюски (например, аммониты).

В среднем и позднем юрском периоде (180-144 млн лет назад) климат в некоторых тропических частях мира стал сухим. Возможно, изменение климата и была причиной того, что многие динозавры начали быстро превращаться в настоящих гигантов. Среди растительноядных динозавров — завропод — появляются диплодоки, брахиозавры и другие, а среди хищников — теропод — огромный алозавр. Но по суше бродили и представители других групп динозавров (например, стегозавры и отниелия). Крылатые птерозавры были представлены как рыбоядные видами (например, рамфоринхи), так и крошечными насекомоядными рептилиями (например, анурогнатом).

Теплые юрские моря изобиловали планктоном, который был кормом лидзихтисови и другим крупным рыбам. Хищные плезиозавры были представлены длинношеим криптоклидом и гигантским лиоплевродоном; в мелководных морях охотились древние морские крокодиломорфы (например, метриоринх).

меловой период

Охватывает временной промежуток 144-65 млн лет назад. В меловом периоде климат на планете по-прежнему оставался теплым; благодаря большому количеству сезонных дождей почти весь земной шар — от экватора до приполярных областей — была покрыта пышной растительностью. В позднем юрском периоде появились привычные сегодня цветочные (покрытосеменные) растения, а в меловом периоде они стали уже одной из господствующих групп растений на планете. В конце мелового периода цветочные вытеснили во многих регионах хвойные, папоротники и саговники, заявив свои права на господствующее положение в мире растений, которые они окончательно утвердят в кайнозойскую эру.

В результате различия континентов образовывались все новые протоки, моря и океаны, которые усложняли свободное перемещение животных по планете. Медленно на континентах начали появляться собственные виды растений и животных.

Меловой период был эпохой гигантов. В Южной Америке жили Гигантозавр и аргентинозавр — самые наземные животные, которые когда-либо жили на Земле, а в Северной Америке — огромные хищные тираннозавры и рогатые торозавра. Среди динозавров появились и специализированные виды; велоцираптор и протоцератопс, например, приспособились к жизни среди песчаных дюн монгольских пустынь, а лелинозавр — в южной полярной области. Млекопитающие (например, дидельфодон), как по-прежнему не играли в жизни планеты какой-либо существенной роли; они оставались небольшими животными, но их численность (особенно к концу мелового периода) начала заметно увеличиваться.

Большие изменения произошли и в морях. Их бывшие владельцы (ихтиозавры и плиозавры) уступили место быстрым хищным рыбам (например, ксифактинови) и мозазавров — новой группе гигантских рептилий, включавшей, например, тилозавра.

Увеличились размеры крылатых ящеров птерозавров. Орнитохейрус, птеранодон и большие птерозавры преодолевали по воздуху огромные расстояния и, возможно, даже перелетали с континента на континент. В воздухе летали примитивные птицы (например, иберомезорнис) некоторые морские пернатые (как, например, гесперорнис) летать не умели, но имели огромные размеры. Конец мелового периода (примерно 65 млн лет назад) был отмечен новым массовым вымиранием видов, которое стерло с лица Земли около 40% от всех существующих в то время семейств животных. Исчезли птерозавры, аммониты и мозазавры, но самыми знаменитыми жертвами этой катастрофы были, конечно же, динозавры. Едва оправились после этого испытания и много других групп живых существ.

Существуют и другие теории, касающиеся мел-палеогенового вымирания, но их придерживается лишь небольшое количество ученых.

Но, в конце концов, 65 млн лет назад на смену мезозойской эре — «возраста рептилий», пришла кайнозойская эра — «возраст млекопитающих».

кайнозойская эра

Массовое вымирание видов 65 млн лет назад отметило начало новой — кайнозойской эры, которая продолжается и сегодня. В результате катастрофических событий тех далеких времен с лица нашей планеты исчезли все животные, по размеру больше, чем крокодил. А уцелевшие небольшие животные оказались с началом новой эры в совершенно другом мире. В кайнозое продолжалось дрейф (расхождение) континентов. На каждом из них формировались уникальные сообщества растений и животных.

палеогеновый период

Палеогеновый период — геологический период, первый в кайнозое. Начался 65 млн лет назад, закончился — 24600000 лет назад, длился 40400000 лет.

В палеогене климат был равномерным тропическим. Практически вся Европа была покрыта вечнозелеными тропическими лесами, и только в северных областях росли листопадные растения. Во второй половине палеогена климат становится более континентальным, появляются ледяные шапки на полюсах.

В этом периоде начался бурный расцвет млекопитающих. После вымирания большого количества рептилий возникли многочисленные свободные экологические ниши, которые начали занимать новые виды млекопитающих. Были распространены яйцекладущие, сумчатые и плацентарные. В лесах и лесостепях Азии возникла так называемая «индрикотериева фауна».

В воздухе господствуют виялохвости беззубые птицы. Широко распространены крупные бегающие хищные птицы (диатрем). Увеличивается разнообразие цветковых растений и насекомых.

В морях процветают костистые рыбы. Появляются примитивные китообразные, новые группы кораллов, морских ежей, фораминифер — нумулитиды достигают нескольких сантиметров в диаметре, очень много для одноклеточных. Вымирают последние белемниты, начинается расцвет головоногих с редуцированной раковиной, или совсем без нее — осьминогов, каракатиц и кальмаров, которые вместе с белемнитами объединяются в группу колеоидей.

палеоценовую эпоха

Охватывает промежуток времени 65-55 млн лет назад.

С наступлением палеоцена опустела планета начинает медленно восстанавливаться от последствий катастрофы. Первыми преуспели в этом растения. Всего через несколько сотен тысяч лет значительная часть земной суши покрылась непроходимыми джунглями и болотами; густые леса зашумели даже в приполярных областях Земли. Животные, которые пережили массовое вымирание видов, оставались небольшими; они ловко лавировали между стволами деревьев и лазили по ветвям. Крупнейшими животными планеты в то время были птицы. В джунглях Европы и Северной Америки, например, охотился хищник гасторнис, который достигал высоты 2,2 метров.

Вымирание динозавров позволило млекопитающим широко расселиться по планете и занять новые экологические ниши. В конце палеоцена (около 55 млн лет назад) их разнообразие резко увеличилось. На Земле появились предки многих современных групп животных — копытных, слонов, грызунов, приматов, рукокрылых (например, летучих мышей), китов, сирен. Понемногу млекопитающие начинают покорять земной шар.

Эоцен

Охватывает промежуток времени 55-34 млн лет назад. В начале эоцена значительная часть суши все еще была покрыта непроходимыми джунглями. Климат оставался теплым и влажным. По лесной подстилке бегали примитивные млекопитающие (крошечный лошадь пропалеотерий, лептиктидий и др.). На деревьях жила годиноция (один из древнейших приматов), а в Азии жил амбулоцетус — примитивный кит, умел ходить по суше.

Около 43 млн лет назад климат на Земле стал холоднее и суше. На значительной части планеты густые джунгли уступили место редколесью и пыльным равнинам. Жизнь на открытой местности способствовало увеличению размеров млекопитающих.

Азия стала родиной гигантских бронтотерий (например, емболотерия) и массивных плотоядных животных (например, эндрюсарх, который достигал в длину 5,5 метров). В теплых морях плавали примитивные киты (например, базилозавр и дорудон), а на побережье Африки жили меритерий и странный арсинойтерий.

Около 36 млн лет назад начала замерзать расположена у южного полюса Антарктика; ее поверхность медленно покрывалась огромными ледовыми щитами. Климат на планете стал более холодным, а уровень воды в океанах упал. В разных частях света сильно изменился сезонных ритм дождей. Многочисленные животные не смогли приспособиться к этим изменениям, и всего через несколько миллионов лет примерно пятая часть всех видов живых существ, которые жили на Земле, вымерла.

олигоценового эпоха

Охватывает промежуток времени 34-24 млн лет назад. В начале олигоцена климат на планете был сухим и прохладным, что способствовало образованию открытых равнин, полупустынь и кустарниковых зарослей. В результате изменения климата в конце эоцена много древних семейств млекопитающих вымерли. Их место заняли новые виды животных, включая и прямых предков некоторых современных млекопитающих — носорогов, лошадей, свиней, верблюдов и кроликов.

Среди млекопитающих продолжают появляться гигантские вегетарианцы (индрикотерии, например, не уступали по размерам динозаврам — они могли достигать 8 метров в высоту и весить до 15 тонн) и хищники (например, энтелодонты и гиенодоны).

В результате различия континентов Южная Америка и Австралия полностью отделились от остального мира. Со временем на этих «островных» континентах сформировалась уникальная фауна, представленная сумчатыми млекопитающими и другими животными.

Около 25 млн лет назад в Азии образуются первые обширные равнины, поросшие злаками — степи. С тех пор злаки, которые когда-то были несущественным элементом наземных ландшафтов, во многих частях мира постепенно превращаются в господствующий тип растительности, покров наконец пятую часть поверхности суши.

неогеновый период

Неогеновый период начался около 25000000 лет назад, закончился лишь 2 миллиона лет назад. Продолжительность неогена — 23 миллионов лет. Млекопитающие осваивают моря и воздуха — возникают киты и рукокрылые. Плацентарные вытесняют на периферию остальное млекопитающих. Фауна этого периода становится все более похожей на современную. Но есть и отличия — все еще существуют мастодонт, гипарионы, саблезубый тигр. Большие нелетучие птицы играют большую роль, особенно в изолированных, островных экосистемах.

миоценовыми эпоха

Охватывает временной промежуток 24-5 млн лет назад. Чередование засушливых и дождливых сезонов привело к тому, что в миоцене значительная часть суши покрыта бескрайними степями. Поскольку злаки и другие травы перевариваются плохо, у травоядных млекопитающих сформировались новые типы зубов и изменился пищеварительный аппарат, что позволило им извлекать из этого легкодоступного корма максимум питательных веществ.

Степи стали родиной быков, оленей и лошадей. Многие из этих животных держались стадами и кочевали с места на место вслед за дождями. А за стадами травоядных шли следом и хищники.

Другие млекопитающие предпочитали ощипывания листьев деревьев и кустарников. Некоторые из них (например, Дейнотерий и Халикотерий) достигали очень больших размеров.

В миоцене образовались многочисленные горные системы — Альпы, Гималаи, Анды и Скалистые горы. Некоторые из них стали настолько высокими, что изменили характер циркуляции воздуха в атмосфере и начали играть важную роль в формировании климата.

плиоценовыми эпоха

Охватывает промежуток времени 5-2,6 млн лет назад. В плиоцене климат Земли стал еще разнообразнее. Планета разделилась на большое количество климатических регионов — от территорий, покрытых полярной льдом в жарких тропиков.

В поросших злаками степях каждого континента появлялись все новые виды травоядных животных и хищников, которые охотились на них. В восточной и южной частях Африки густые леса уступили открытым саваннам, что заставило первых гоминид (например, афарского австралопитека) спуститься с деревьев и добывать корм на земле.

Около 2500000 лет назад американский континент, примерно в течение 30 млн лет находился в изоляции от остального мира, столкнулся с Северной Америкой. С севера на территорию современной Аргентины проникли смилодон и другие хищники, а гигантские дедикуры, фороракосы и другие представители южноамериканской фауны перебрались в Северную Америку. Это переселение животных получило название «Большой обмен».

Антропогеновое (четвертичный) период

Это кратчайший геологический период, но именно в четвертичном периоде сформировалось большинство современных форм рельефа и произошло много существенных событий в истории Земли (с точки зрения человека), самые важные из которых — ледниковая эпоха и появление человека. Продолжительность четвертичного периода настолько мала, что привычные палеонтологические методы относительного и изотопного определения возраста оказались недостаточно точными и чувствительными. На таком коротком интервале времени используется, прежде всего, радиоуглеродный анализ и другие методы, большинство из которых базируется на распаде короткоживущих изотопов. Специфика четвертичного периода по сравнению с другими геологическими периодами вызвала появление особой ветви геологии — четвертичную.

Четвертичный период делится на плейстоцен и голоцен.

плейстоценовыми эпоха

Охватывает промежуток времени 2600000 — 11,7 тыс. Лет назад. В начале плейстоцена на Земле наступил длительный ледниковый период. В течение двух миллионов лет на планете многократно чередовались очень холодные и относительно теплые отрезки времени. В холодные промежутки, которые продолжались примерно 40000 лет, континенты покрывались ледниками. В промежутках теплее климатом (межледниковых) лед отступала, и уровень они в морях поднимался.

У многих животных холодных регионов планеты (например, у мамонта и шерстистого носорога) появился густой шерстистый покров и толстый слой подкожного жира. На равнинах паслись стада оленей и лошадей, на которых охотились пещерные львы и другие хищники. А около 180 000 лет назад на них начали охотиться и люди — сначала неандерталец, а затем и человек разумный.

Однако многие крупные животных не смогли приспособиться к резким колебаниям климата и вымерли. Около 10 000 лет назад ледниковый период закончился, и климат на Земле стал более теплым и влажным. Это способствовало быстрому увеличению численности человеческой популяции и расселению людей по всему земному шару. Они научились обрабатывать землю и выращивать культурные растения. Сначала маленькие сельскохозяйственные общины разрослись, появились города, а всего через несколько тысячелетий человечество превратилось в мировое сообщество, что использует все достижения высоких технологий. Однако многие виды животных, с которыми люди испокон веков делили планету, оказались на грани исчезновения. Ученые все чаще говорят о том, что по вине человека на Земле развернулось новое массовое вымирание видов.

голоценовом эпоха

Охватывает промежуток времени от 11,7 тыс. Лет назад и до наших дней. Жизнь животных и растений незначительно менялось в течение голоцена, но есть большие перемещения в их распределениях. Многие крупных животных, включая мамонтов и мастодонтов, саблезубых кошек (таких как смилодон и гомотерия) и гигантских ленивцев начали вымирать с позднего плейстоцена по ранней голоцен. В Северной Америке многочисленные животные, которые процветали в других краях (включая лошадей и верблюдов), вымирали. Некоторые объясняют сокращение американской мегафауны прибытия предков американских индейцев, но все же большинство ученых утверждают, что большее влияние оказало изменение климата.

Среди археологических культур того времени можно назвать гамбургскую культуру, культуру федермесер и натуфийской культуру. Возникают древнейшие города мира, например, Иерихон на Ближнем Востоке.

Вопрос происхождения жизни на Земле — один из самых сложных вопросов современного естествознания, на который до настоящего времени нет однозначного ответа.

Существует несколько теорий происхождения жизни на Земле, наиболее известные из которых:

• теория самопроизвольного (спонтанного) зарождения;
• теория креационизма (или сотворения);
• теория стационарного состояния;
• теория панспермии;
• теория биохимической эволюции (теория А.И. Опарина).

Рассмотрим основные положения этих теорий.

Теория самопроизвольного (спонтанного) зарождения

Теория самопроизвольного зарождения жизни была широко распространена в Древнем мире — Вавилоне, Китае, Древнем Египте и Древней Греции (этой теории придерживался, в частности, Аристотель).

Ученые Древнего мира и средневековой Европы верили в то, что живые существа постоянно возникают из неживой материи: черви — из грязи, лягушки — из тины, светлячки — из утренней росы и т.п. Так, известный голландский ученый 17 в. Ван-Гельмонт совершенно серьезно описывал в своем научном трактате опыт, в котором он за 3 недели получил в запертом темном шкафу мышей непосредственно из грязной рубашки и горсти пшеницы. Впервые широко распространенную теорию решился подвергнуть экспериментальной проверке итальянский ученый Франческо Реди (1688). Он поместил несколько кусков мяса в сосуды и часть из них закрыл кисеей. В открытых сосудах на поверхности гниющего мяса появились белые червячки — личинки мух. В сосудах же, прикрытых кисеей, личинки мух отсутствовали. Таким образом Ф. Реди удалось доказать, что личинки мух появляются не из гниющего мяса, а из яиц, отложенных мухами на его поверхность.

В 1765 г. известный итальянский ученый и врач Ладзаро Спаланцани прокипятил в запаянных стеклянных колбах мясные и овощные бульоны. Бульоны в запаянных колбах не портились. Он сделал вывод, что под действием высокой температуры погибли все живые существа, способные вызывать порчу бульона. Однако опыты Ф. Реди и Л. Спаланцани убедили далеко не всех. Ученые-виталисты (от лат.vita - жизнь) считали, что в прокипяченном бульоне не происходит самозарождения живых существ, так как в нем разрушается особая «жизненная сила», которая не может проникнуть в запаянный сосуд, поскольку переносится по воздуху.

Споры но поводу возможности самозарождения жизни активизировались в связи с открытием микроорганизмов. Если сложные живые существа не могут самозарождаться, возможно, это могут микроорганизмы?

В связи с этим в 1859 г. французская Академия объявила о присуждении премии тому, кто окончательно решит вопрос о возможности или невозможности самозарождения жизни. Эту премию получил в 1862 г. знаменитый французский химик и микробиолог Луи Пастер. Так же как Спаланцани, он прокипятил питательный бульон в стеклянной колбе, но колба была не обычная, а с горлышком в виде 5-образной трубки. Воздух, а следовательно и «жизненная сила», могли проникать в колбу, но пыль, а вместе с нею и микроорганизмы, присутствующие в воздухе, оседали в нижнем колене 5-образной трубки, и бульон в колбе оставался стерильным (рис. 1). Однако стоило сломать горло колбы или ополоснуть стерильным бульоном нижнее колено 5-образной трубки, как бульон начинал быстро мутнеть — в нем появлялись микроорганизмы.

Таким образом, благодаря работам Луи Пастера теория самозарождения была признана несостоятельной и в научном мире утвердилась теория биогенеза, краткая формулировка которой — «все живое — от живого».

Рис. 1. Пастеровская колба

Однако, если все живые организмы в исторически обозримый период развития человечества происходят только от других живых организмов, естественно возникает вопрос: когда и каким образом появились на Земле первые живые организмы?

Теория креационизма

Теория креационизма предполагает, что все живые организмы (либо только простейшие их формы) были в определенный период времени сотворены («сконструированы») неким сверхъестественным существом (божеством, абсолютной идеей, сверхразумом, сверхцивилизацией и т.п.). Очевидно, что именно этой точки зрения с глубокой древности придерживались последователи большинства ведущих религий мира, в частности христианской религии.

Теория креационизма и в настоящее время достаточно широко распространена, причем не только в религиозных, но и в научных кругах. Обычно ее используют для объяснения наиболее сложных, не имеющих на сегодняшний день решения вопросов биохимической и биологической эволюции, связанных с возникновением белков и нуклеиновых кислот, формированием механизма взаимодействия между ними, возникновением и формированием отдельных сложных органелл или органов (таких, как рибосома, глаз или мозг). Актами периодическою «сотворения» объясняется и отсутствие четких переходных звеньев от одного типа животных
к другому, например от червей к членистоногим, от обезьяны к человеку и т.п. Необходимо подчеркнуть, что философский спор о первичности сознания (сверхразума, абсолютной идеи, божества) либо материи принципиально не разрешим, однако, поскольку попытка объяснить любые трудности современной биохимии и эволюционной теории принципиально непостижимыми сверхъестественными актами творения выводит эти вопросы за рамки научных исследований, теорию креационизма нельзя отнести к разряду научных теорий происхождения жизни на Земле.

Теории стационарного состояния и панспермии

Обе эти теории представляют собой взаимодополняющие элементы единой картины мира, сущность которой заключается в следующем: вселенная существует вечно и в ней вечно существует жизнь (стационарное состояние). Жизнь переносится с планеты на планету путешествующими в космическом пространстве «семенами жизни», которые могут входить в состав комет и метеоритов (панспермия). Подобных взглядов на происхождение жизни придерживался, в частности, основоположник учения о биосфере академик В.И. Вернадский.

Однако теория стационарного состояния, предполагающая бесконечно долгое существование вселенной, не согласуется с данными современной астрофизики, согласно которым вселенная возникла сравнительно недавно (около 16 млрд лет т.н.) путем первичного взрыва.

Очевидно, что обе теории (панспермии и стационарного состояния) вообще не предлагают объяснения механизма первичного возникновения жизни, перенося его на другие планеты (панспермия) либо отодвигая по времени в бесконечность (теория стационарного состояния).

Теория биохимической эволюции (теория А.И. Опарина)

Из всех теорий происхождения жизни наиболее распространенной и признанной в научном мире является теория биохимической эволюции, предложенная в 1924 г. советским биохимиком академиком А.И. Опариным (в 1936 г. он подробно изложил ее в своей книге «Возникновение жизни»).

Сущность этой теории состоит в том, что биологической эволюции — т.е. появлению, развитию и усложнению различных форм живых организмов, предшествовала химическая эволюция — длительный период в истории Земли, связанный с появлением, усложнением и совершенствованием взаимодействия между элементарными единицами, «кирпичиками», из которых состоит все живое — органическими молекулами.

Предбиологическая (химическая) эволюция

По мнению большинства ученых (в первую очередь астрономов и геологов), Земля сформировалась как небесное тело около 5 млрд лет т.н. путем конденсации частиц вращавшегося вокруг Солнца газопылевого облака.

Под влиянием сил сжатия частицы, из которых формируется Земля, выделяют огромное количество тепла. В недрах Земли начинаются термоядерные реакции. В результате Земля сильно разогревается. Таким образом, 5 млрд лет т.н. Земля представляла собой несущийся в космическом пространстве раскаленный шар, температура поверхности которою достигала 4000-8000°С (смеха. 2).

Постепенно, за счет излучения тепловой энергии в космическое пространство, Земля начинает остывать. Около 4 млрд лет т.н. Земля остывает настолько, что на ее поверхности формируется твердая кора; одновременно из ее недр вырываются легкие, газообразные вещества, поднимающиеся вверх и формирующие первичную атмосферу. По составу первичная атмосфера существенно отличалась от современной. Свободный кислород в атмосфере древней Земли, по-видимому, отсутствовал, а в ее состав входили вещества в восстановленном состоянии, такие, как водород (Н 2), метан (СН 4), аммиак (NH 3), пары воды (Н 2 О), а возможно, также азот (N 2), окись и двуокись углерода (СО и С0 2).

Восстановительный характер первичной атмосферы Земли чрезвычайно важен для зарождения жизни, поскольку вещества в восстановленном состоянии обладают высокой реакционной способностью и в определенных условиях способны взаимодействовать друг с другом, образуя органические молекулы. Отсутствие в атмосфере первичной Земли свободного кислорода (практически весь кислород Земли был связан в виде окислов) также является важной предпосылкой возникновения жизни, поскольку кислород легко окисляет и тем самым разрушает органические соединения. Поэтому при наличии в атмосфере свободного кислорода накопление на древней Земле значительного количества органических веществ было бы невозможно.

Около 5 млрд лет т.п. — возникновение Земли как небесного тела; температура поверхности — 4000-8000°С

Около 4 млрд лет т.н. - формирование земной коры и первичной атмосферы

При температуре 1000°С — в первичной атмосфере начинается синтез простых органических молекул

Энергию для синтеза дают:

Температура первичной атмосферы ниже 100°С — формирование первичного океана -

Синтез сложных органических молекул — биополимеров из простых органических молекул:

• простые органические молекулы — мономеры
• сложные органические молекулы — биополимеры

Схема. 2. Основные этапы химической эволюции

Когда температура первичной атмосферы достигает 1000°С, в ней начинается синтез простых органических молекул, таких, как аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, простые сахара, многоатомные спирты, органические кислоты и др. Энергию для синтеза поставляют грозовые разряды, вулканическая деятельность, жесткое космическое излучение и, наконец, ультрафиолетовое излучение Солнца, от которого Земля еще не защищена озоновым экраном, причем именно ультрафиолетовое излучение ученые считают основным источником энергии для абиогенного (т.е. проходящею без участия живых организмов) синтеза органических веществ.

Признанию и широкому распространению теории А.И. Опарина во многом способствовало то, что процессы абиогенного синтеза органических молекул легко воспроизводятся в модельных экспериментах.

Возможность синтеза органических веществ из неорганических была известна с начала 19 в. Уже в 1828 г. выдающийся немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое вещество — мочевину из неорганическою — циановокислого аммония. Однако возможность абиогенного синтеза органических веществ в условиях, близких к условиям древней Земли, была впервые показана в опыте С. Миллера.

В 1953 г. молодой американский исследователь, студент- дипломник Чикагского университета Стенли Миллер воспроизвел в стеклянной колбе с впаянными в нес электродами первичную атмосферу Земли, которая, по мнению ученых того времени, состояла из водорода метана СН 4 , аммиака NH, и паров воды Н 2 0 (рис. 3). Через эту газовую смесь С. Миллер в течение недели пропускал электрические разряды, имитирующие грозовые. По окончании эксперимента в колбе были обнаружены α-аминокислоты (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), органические кислоты (янтарная, молочная, уксусная, гликоколовая), у-оксимасляная кислота и мочевина. При повторении опыта С. Миллеру удалось получить отдельные нуклеотиды и короткие полинуклеотидные цепочки из пяти-шести звеньев.

Рис. 3. Установка С. Миллера

В дальнейших опытах по абиогенному синтезу, проводимых различными исследователями, использовались не только электрические разряды, но и другие виды энергии, характерные для древней Земли, — космическое, ультрафиолетовое и радиоактивное излучения, высокие температуры, присущие вулканической деятельности, а также разнообразные варианты газовых смеси, имитирующих первичную атмосферу. В результате был получен практически весь спектр органических молекул, характерных для живого: аминокислоты, нуклеотиды, жироподобные вещества, простые сахара, органические кислоты.

Более того, абиогенный синтез органических молекул может происходить на Земле и в настоящее время (например, в процессе вулканической деятельности). При этом в вулканических выбросах можно обнаружить не только синильную кислоту HCN, являющуюся предшественником аминокислот и нуклеотидов, но и отдельные аминокислоты, нуклеотиды и даже такие сложные по строению органические вещества, как порфирины. Абиогенный синтез органических веществ возможен не только на Земле, но и в космическом пространстве. Простейшие аминокислоты обнаружены в составе метеоритов и комет.

Когда температура первичной атмосферы опустилась ниже 100°С, на Землю обрушились горячие дожди и появился первичный океан. С потоками дождя в первичный океан поступали абиогенно синтезированные органические вещества, что превратило его, но образному выражению английского биохимика Джона Холдейна, в разбавленный «первичный бульон». По-видимому, именно в первичном океане начинаются процессы образования из простых органических молекул — мономеров сложных органических молекул — биополимеров (см. рис. 2).

Однако процессы полимеризации отдельных нуклеогидов, аминокислот и Сахаров — это реакции конденсации, они протекают с отщеплением воды, следовательно, водная среда способствует не полимеризации, а, напротив, гидролизу биополимеров (т.е. разрушению их с присоединением воды).

Образование биополимеров (в частности, белков из аминокислот) могло происходить в атмосфере при температуре около 180°С, откуда они смывались в первичный океан с атмосферными осадками. Кроме того, возможно, на древней Земле аминокислоты концентрировались в пересыхающих водоемах и полимеризовались в сухом виде под действием ультрафиолетового света и тепла лавовых потоков.

Несмотря на то что вода способствует гидролизу биополимеров, в живой клетке синтез биополимеров осуществляется именно в водной среде. Этот процесс катализируют особые белки-катализаторы — ферменты, а необходимая для синтеза энергия выделяется при распаде аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ. Возможно, синтез биополимеров в водной среде первичного океана катализировался поверхностью некоторых минералов. Экспериментально показано, что раствор аминокислоты аланина может полимеризоваться в водной среде в присутствии особого вида глинозема. При этом образуется пептид полиаланин. Реакция полимеризации аланина сопровождается распадом АТФ.

Полимеризация нуклеотидов проходит легче, чем полимеризация аминокислот. Показано, что в растворах с высокой концентрацией солей отдельные нуклеотиды самопроизвольно полимеризуются, превращаясь в нуклеиновые кислоты.

Жизнь всех современных живых существ — это процесс непрерывного взаимодействия важнейших биополимеров живой клетки — белков и нуклеиновых кислот.

Белки — это «молекулы-рабочие», «молекулы-инженеры» живой клетки. Характеризуя их роль в обмене веществ, биохимики часто используют такие образные выражения, как «белок работает», «фермент ведет реакцию». Важнейшая функция белков- каталитическая . Как известно, катализаторы — это вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами в конечные продукты реакции не входят. Бачки-катализаторы называются ферментами. Ферменты в согни и тысячи раз ускоряют реакции обмена веществ. Обмен веществ, а значит, и жизнь без них невозможны.

Нуклеиновые кислоты — это «молекулы-компьютеры», молекулы — хранители наследственной информации. Нуклеиновые кислоты хранят информацию не обо всех веществах живой клетки, а только о белках. Достаточно воспроизвести в дочерней клетке белки, свойственные материнской клетке, чтобы они точно воссоздали все химические и структурные особенности материнской клетки, а также свойственный ей характер и темпы обмена веществ. Сами нуклеиновые кислоты также воспроизводятся благодаря каталитической активности белков.

Таким образом, тайна зарождения жизни — это тайна возникновения механизма взаимодействия белков и нуклеиновых кислот. Какими же сведениями об этом процессе располагает современная наука? Какие молекулы явились первичной основой жизни — белки или нуклеиновые кислоты?

Ученые полагают, что несмотря на ключевую роль белков в обмене веществ современных живых организмов, первыми «живыми» молекулами были не белки, а нуклеиновые кислоты, а именно рибонуклеиновые кислоты (РНК).

В 1982 г. американский биохимик Томас Чек открыл автокаталитические свойства РНК. Он экспериментально показал, что в среде, содержащей в высокой концентрации минеральные соли, рибонуклеотиды спонтанно (самопроизвольно) полимеризуются, образуя полинуклеотиды — молекулы РНК. На исходных полинуклеотидных цепях РНК, как на матрице, путем спаривания комплементарных азотистых оснований образуются РНК-копии. Реакция матричного копирования РНК катализируется исходной молекулой РНК и не требует участия ферментов либо других белков.

Дальнейшие события достаточно хорошо объясняются процессом, который можно было бы назвать «естественным отбором» на уровне молекул. При самокопировании (самосборке) молекул РНК неизбежно возникают неточности, ошибки. Содержащие ошибки копии РНК снова копируются. При повторном копировании вновь могут возникнуть ошибки. В результате популяция молекул РНК на определенном участке первичного океана будет неоднородна.

Поскольку параллельно с процессами синтеза идут и процессы распада РНК, в реакционной среде будут накапливаться молекулы, обладающие либо большей стабильностью, либо лучшими автокаталитическими свойствами (т.е. молекулы, которые быстрее себя копируют, быстрее «размножаются»).

На некоторых молекулах РНК, как на матрице, может происходить самосборка небольших белковых фрагментов — пептидов. Вокруг молекулы РНК образуется белковый «чехол».

Наряду с автокаталитическими функциями Томас Чек обнаружил у молекул РНК и явление самосплайсинга. В результате самосплайсинга участки РНК, не защищенные пептидами, самопроизвольно удаляются из РНК (они как бы «вырезаются» и «выбрасываются»), а оставшиеся участки РНК, кодирующие белковые фрагменты, «срастаются», т.е. самопроизвольно объединяются в единую молекулу. Эта новая молекула РНК уже будет кодировать большой сложный белок (рис. 4).

По-видимому, первоначально белковые чехлы выполняли в первую очередь, защитную функцию, предохраняя РНК от разрушения и повышая тем самым ее стабильность в растворе (такова функция белковых чехлов и у простейших современных вирусов).

Очевидно, что на определенном этапе биохимической эволюции преимущество получили молекулы РНК, кодирующие не только защитные белки, но и белки-катализаторы (ферменты), резко ускоряющие скорость копирования РНК. По-видимому, именно таким образом и возник процесс взаимодействия белков и нуклеиновых кислот, который мы в настоящее время называем жизнью.

В процессе дальнейшего развития, благодаря появлению белка с функциями фермента — обратной транскриптазы, на одно- цепочечных молекулах РНК стали синтезироваться состоящие из двух цепей молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Отсутствие у дезоксирибозы ОН-группы в 2" положении делает молекулы ДНК более стабильными по отношению к гидролитическому расщеплению в слабощелочных растворах, а именно слабощелочной была реакция среды в первичных водоемах (эта реакция среды сохранилась и в цитоплазме современных клеток).

Где же происходило развитие сложного процесса взаимодействия белков и нуклеиновых кислот? По теории А.И. Опарина, местом зарождения жизни стали так называемые коацерватные капли.

Рис. 4. Гипотеза возникновения взаимодействия белков и нуклеиновых кислот: а) в процессе самокопирования РНК накапливаются ошибки (1 — нуклеотиды, соответствующие исходной РНК; 2 — нуклеотиды, не соответствующие исходной РНК, — ошибки в копировании); б) на часть молекулы РНК за счет ее физико-химических свойств «налипают» аминокислоты (3 — молекула РНК; 4 — аминокислоты), которые, взаимодействуя друг с другом, превращаются в короткие белковые молекулы — пептиды. В результате свойственного молекулам РНК самосплайсинга незащищенные пептидами участки молекулы РНК разрушаются, а оставшиеся «срастаются» в единую молекулу, кодирующую крупный белок. В результате возникает молекула РНК, покрытая белковым чехлом (сходное строение имеют и наиболее примитивные современные вирусы, например вирус табачной мозаики)

Явление коацервации состоит в том, что в некоторых условиях (например, в присутствии электролитов) высокомолекулярные вещества отделяются от раствора, но не в форме осадка, а в виде более кон центрирован но го раствора — коацервата. При встряхивании коацерват распадается на отдельные мелкие капельки. В воде такие капли покрываются стабилизирующей их гидратной оболочкой (оболочкой из молекул воды) — рис. 5.

Коацерватные капли обладают некоторым подобием обмена веществ: иод воздействием чисто физико-химических сил они могут избирательно впитывать из раствора некоторые вещества и выделять в окружающую среду продукты их распада. За счет избирательного концентрирования веществ из окружающей среды они могут расти, а но достижении определенного размера начинают «размножаться», отпочковывая маленькие капельки, которые, в свою очередь, могут расти и «почковаться».

Возникшие в результате концентрирования белковых растворов коацерватные капли в процессе перемешивания под действием волн и ветра могут покрываться оболочкой из липи- дов: одинарной, напоминающей мицеллы мыла (при однократном отрыве капли от поверхности воды, покрытой липидным слоем), либо двойной, напоминающей клеточную мембрану (при повторном падении капли, покрытой однослойной липидной мембраной, на липидную пленку, покрывающую поверхность водоема — рис. 5).

Процессы возникновения коацерватных капель, их роста и «почкования», а также «одевания» их мембраной из двойного липидного слоя легко моделируются в лабораторных условиях.

Для коацерватных капель также существует процесс «естественного отбора», при котором в растворе сохраняются наиболее стабильные капли.

Несмотря на внешнее сходство коацерватных капель с живыми клетками, у коацерватных капель отсутствует главный признак живого — способность к точному самовоспроизведению, самокопированию. Очевидно, предшественниками живых клеток явились такие коацерватные капли, в состав которых вошли комплексы молекул-репликаторов (РНК или ДНК) и кодируемых ими белков. Возможно, комплексы РНК-белок длительное время существовали вне коацерватных капель в виде так называемого «свободноживущего гена», а возможно, их формирование проходило непосредственно внутри некоторых коацерватных капель.

Возможный путь перехода от коацерватных капель к примитивным клешам:

а) образование коацервата; 6) стабилизация коацерватных капель в водном растворе; в) — формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану: 1 — коацерватная капля; 2 — мономолекулярный слой липида на поверхности водоема; 3 — формирование вокруг капли одинарного липидного слоя; 4 — формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану; г) — коацерватная капля, окруженная двойным липидным слоем, с вошедшим в ее состав белково-нуклеотидным комплексом — прообраз первой живой клетки

Исключительно сложный, не до конца понятный современной науке процесс возникновения жизни на Земле прошел с исторической точки зрения чрезвычайно быстро. Уже 3,5 млрд лет т.н. химическая эволюция завершилась появлением первых живых клеток и началась биологическая эволюция.

Земля сформировалась, вероятно, 4,5-5 млрд. лет назад из гигантского облака космической пыли. частицы которой спрессовались в раскаленный шар. Из него в атмосферу выделялся водяной пар, а из атмосферы на медленно остывавшую Землю в течение миллионов лет в виде дождей выпадала вода. В углублениях земной поверхности образовался доисторический Океан. В нем примерно 3,8 млрд. лег назад зародилась первоначальная жизнь.

Есть несколько теорий о происхождении жизни на Земле. Например, одна из давних гипотез гласит, что она занесена на Землю из космоса, но неоспоримых доказательств этого нет. Кроме того, та жизнь, которую мы знаем, удивительно приспособлена для существования именно в земных условиях, поэтому если она и возникла вне Земли, то на планете земного типа. Большинство же современных ученых полагают, что жизнь зародилась на Земле, в ее морях. Но как произошла сама планета и как на ней появились моря?

По этому поводу существует одна широко признанная теория. В соответствии с ней Земля образовалась из облаков космической пыли, содержащей все известные в природе химические элементы, которые спрессовались в шар. Горячий водяной пар вырывался с поверхности этого раскаленного докрасна шара, окутывая его сплошным облачным покровом, Водяной пар в облаках медленно охлаждался и превращался в воду, которая выпадала в виде обильных непрерывных дождей на еще раскаленную, пылающую Землю. На ее поверхности она снова превращалась в водяной пар и возвращалась в атмосферу. За миллионы лет Земля постепенно потеряла так много тепла, что ее жидкая поверхность, остывая, начала твердеть. Так образовалась земная кора.

Прошли миллионы лет, и температура поверхности Земли еще больше понизилась. Ливневые воды перестали испаряться и стали стекать в огромные лужи. Так началось воздействие воды на земную поверхность. А потом из-за понижения температуры произошел настоящий потоп. Вода, которая до этого испарялась в атмосферу и превратилась в ее составную часть, беспрерывно низвергалась на Землю, С громом и молниями обрушивались из облаков мощные ливни. Мало-помалу в самых глубоких впадинах земной поверхности скапливалась вода, которая уже не успевала совсем испариться. Ее было так много, что постепенно на планете образовался доисторический Океан. Молнии рассекали небо. Но никто этого не видел. На Земле еще не было жизни. Непрерывный ливень начал размывать горы. Вода стекала с них шумными ручьями и бурными реками. За миллионы лет водные потоки глубоко разъели земную поверхность и кое-где появились долины. В атмосфере уменьшалось содержание воды, а на поверхности планеты ее скапливалось все больше. Сплошной облачный покров становился тоньше, пока в один прекрасный день Земли не коснулся первый луч солнца. Непрерывный дождь кончился. Большую часть суши покрыл доисторический Океан. Из ее верхних слоев вода вымывала огромное количество растворимых минералов и солей, которые попадали в море. Вода из него непрерывно испарялась, образуя облака, а соли оседали, и с течением времени происходило постепенное засоление морской воды. По-видимому, при каких-то существовавших в древности условиях образовались вещества, из которых возникли особые кристаллические формы. Они росли, как и все кристаллы, и давали начало новым кристаллам, которые присоединяли к себе все новые вещества. Солнечный свет и, возможно, очень сильные электрические разряды служили в этом процессе источником энергии. Может быть, из таких элементов зародились первые обитатели Земли - прокариоты, организмы без оформленного ядра, похожие на современных бактерий. Они были анаэробами, то есть не использовали для дыхания свободный кислород, которого тогда еще не было в атмосфере. Источником пищи для них служили органические соединения, возникшие на еще безжизненной Земле в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца, грозовых разрядов и тепла, образующегося при извержении вулканов. Жизнь существовала тогда в тонкой бактериальной пленке на дне водоемов и во влажных местах. Эту эру развития жизни называют архейской. Из бактерий, а возможно, и совершенно независимым путем, возникли и крошечные одноклеточные организмы - древнейшие простейшие животные.

Они и сейчас составляют основу жизни в морях и пресноводных водоемах. Они так малы, что их можно увидеть лишь с помощью микроскопа. В капле воды из небольшого пруда их тысячи и тысячи. С этих простейших одноклеточных началось развитие всей животной жизни. В конце протерозоя, следующей эры после архея, 1000 - 600 млн. лет назад, уже существовала довольно богатая фауна: медузы, полипы, плоские черви, моллюски и иглокожие.

На картинке, изображены примитивные существа, обитавшие приблизительно 600 - 570 млн. лет назад в кембрийском геологическом периоде, первом периоде палеозойской эры. Мы впервые узнали о них благодаря ископаемым окаменелостям, которые обнаружили геологи, изучавшие Кембрийские горы в Великобритании. Отсюда и произошло название геологического периода истории.

От более простых по строению животных и растений, населявших море в конце протерозоя, не сохранилось следов. Можно только предполагать, что это были организмы, состоявшие только из мягких тканей, которые после смерти быстро полностью разлагались. Настоящих рыб в кембрии еще не было, но уже жили кишечнополостные, губки, ныне вымершие археоциаты, плоские и многощетинковые черви, улитки, каракатицы, раки и трилобиты. Последние походили на раков длиной до 10 см. Для того времени это были настоящие гиганты, крупнее всех других существ. (На суше в то время жизни еще не было.) В конце кембрия, очевидно, уже появились первые хордовые, похожие на современных ланцетников. В течение последующих миллионов лет животные постепенно изменялись, и в следующем геологическом периоде - силуре, начавшемся 500 - 400 млн. лет назад, кроме многочисленных трилобитов на морском дне появились новые обитатели - морские скорпионы.

В толще вод силурийского моря пассивно дрейфовали одноклеточные организмы и медузы. А по морскому дну ползали ракообразные и трилобиты,черви и животные, защищенные раковинами, например двустворчатые моллюски и улитки. Плавать могли лишь очень немногие из них. Даже первые позвоночные, внешне уже напоминавшие рыб, обитали на морском дне. В силуре в морях и пресных водах появились и странные «рыбы» - без челюстей и парных плавников. До наших дней дожили их родственники - миксины и миноги. В силурийский период уже появились первые настоящие рыбы. У этих похожих на акул пловцов было обтекаемое, покрытое панцирем тело, плавники, рот с подвижной челюстью, напоминавшей клюв и усаженной острыми зубами. Примерно 450 млн. лет назад, в силуре, появились первые позвоночные животные - рыбы. Тело одной из древнейших - цефаласписа - было покрыто панцирной чешуей, а голова - костным панцирем. По-видимому, цефаласпис был плохим пловцом. За миллионы лет в том же геологическом периоде развились два больших класса рыб - хрящевые и костные (двоякодышащие, кистеперые и лучеперые). И хрящевым, то есть имеющим хрящевой скелет, относятся акулы и скаты. В отличие от них, скелет костных рыб частично или целиком состоит из костной ткани. К костным относятся почти все хорошо знакомые нам промысловые рыбы: сельдь, камбала, треска и скумбрия, карп, щука и многие другие. Всего на Земле в наши дни насчитывается 20 тысяч видов рыб, и населяют они не только моря, но и другие водоемы.

400 млн. лет назад силур сменился девонским геологическим периодом, который длился около 60 млн. лет. Тогда на суше появились первые растения - лишайники, которыми зарастали увлажненные берега водоемов. В течение девона от них произошли другие формы, в том числе и первые высшие растения - папоротники и хвощи. Кроме того, если прежде все животные дышали лишь кислородом, растворенным в воде, то теперь некоторые из них научились извлекать его из воздуха. Эти первые сухопутные животные - тысяченожки, скорпионы и бескрылые примитивные насекомые, вероятно, обитали поблизости от воды. Предком всех сухопутных позвоночных животных была кистеперая рыба с похожими на лапы грудными и брюшными плавниками. Постепенно у кистеперых рыб развились настоящие верхние и нижние конечности, и с течением времени появились земноводные (амфибии) и пресмыкающиеся (рептилии).

Откуда нам известно, как выглядели древние животные?

Все те изменения, которые претерпевала Земля с момента образования ее коры, изучает историческая геология. Ученые определяют возраст геологических слоев по окаменелостям - остаткам древних животных и растений, так как у каждой эпохи были свои характерные представители флоры и фауны. Изучением окаменелостей занимается палеонтология. Палеонтологи исследуют ископаемые остатки древних организмов и восстанавливают внешний облик вымерших животных. Когда живые организмы погибали в доисторическом Океане, они опускались на дно, где их покрывал ил или песок, который приносили реки. Миллионы лет илистые грунты вместе с погребенными под ними останками уплотнялись, превращаясь в камень. Мягкие ткани животных полностью разлагались но отпечаток оставался. Твердые раковины моллюсков или панцири ракообразных часто сохранялись неповрежденными. За время исторического развития Земли неоднократно морское дно под действием мощных сил и расплавленных недр планеты выталкивалось на большую высоту и становилось частью суши. Вкрапленные в горную породу остатки и отпечатки древних животных находят исследователи и по ним изучают геологические процессы. Слои горных пород для ученых - как страницы книги с множеством рисунков, и надо лишь правильно расшифровать «текст», чтобы понять, как развивалась жизнь на планете. Слои песка и ила с окаменелостями откладывались друг на друга миллионы лет. Так они и спрессовались: более древние слои - ниже, более поздние - выше. Накапливая сведения о том, в каких слоях преобладают те или иные виды окаменелостей, ученые научились определять, к какому геологическому времени они относятся. После этого уже довольно просто по найденным окаменелостям определить возраст геологической породы, в которой они были обнаружены.

Большой каньон реки Колорадо в американском штате Аризона - одно из немногих мест, где сохранилась огромная, удобная для «чтения» каменная летопись жизни на планете. Здесь река прорезала толщу осадочных пород - известняков, песчаников и сланцев - на глубину до 1800 м. Река образовала каньон, то есть глубокую долину с очень крутыми склонами и узким дном, размыв дно древнего моря. Оно поднималось очень медленно и равномерно. Горообразования, которое всегда сопровождается гигантскими сдвигами и разломами горных пород, здесь не было. Поэтому почти не изменилась последовательность залегания геологических пород. Изучив окаменелости слоев крутого склона, можно проследить за всеми изменениями, происходившими с животным миром древнего моря за сотни миллионов лет.

Материал подготовлен при использовании книги "Рыбы" издательство Слово

Живое на земле - откуда мы? В версиях недостатка нет - от сугубо научных до самых фантастических. Человечество ищет ответ на этот вопрос уже тысячелетия. Ответить на него попытался известный российский биофизик Всеволод Твердислов в ходе лекции, состоявшейся в образовательном центре «Сириус». Он объяснил, почему на Земле существует лишь один живой организм, что общего между слизевиком и железными дорогами в Токио и как нужно искать инопланетян. «Лента.ру» приводит основные тезисы его выступления.

Три вопроса

В науке для просвещенного человечества существует всего три вопроса: как появилась Вселенная, как в ней зародилась жизнь и как живое научилось думать. Чтобы разобраться в столь глобальных темах, мыслить нужно масштабно, не в рамках какой-либо одной конкретной науки.

Очень многие процессы можно объяснить с помощью такого понятия, как «самоорганизация активных сред». Активная среда энергетически и информационно совмещает разнородные процессы в пространстве и времени. Такие разные, казалось бы, явления, как распространение огня в степном пожаре, распространение слухов и инфекций, валют или языков объясняются одинаково, если рассматривать их с позиций биофизики.

Биофизика - раздел биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех ее уровнях, от молекул и клеток до биосферы в целом, а также наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов, и биологическими особенностями их жизнедеятельности.

Иными словами, механизмы самоорганизации в физико-химических, биологических, экологических и социальных системах можно рассматривать с общих позиций. Имея представление о самоорганизации активных сред, можно создать модели, которые описывают такие несхожие на первый взгляд процессы, как работа лазера, свертывание крови, химические реакции, биение сердца или появление годовых колец у дерева.

Еще Аристотель утверждал: «Правильно в философии рассматривать сходство даже в вещах, далеко отстоящих друг от друга». Современная наука исходит из того, что это утверждение верно не только для философии.

Местные мы

Сколько на Земле организмов? Один: биосфера. Это единственный самодостаточный организм, под ногами у него таблица Менделеева, сверху аш ню падает, то есть кванты света. Ну и условия Земли, конечно, надо принимать во внимание.

Активная среда самоорганизуется по одинаковым принципам, независимо от ее размера. В качестве примера можно рассмотреть то, как по коре дуба расползается слизевик. Простейший организм, клетка размером в полмиллиметра, кусочек слизи, который может настолько разрастись, что покроет метры дерева.

Ученые провели эксперимент, взяв за основу географическую карту Токио и окрестностей. Вокруг слизевика, который как бы находится на месте японской столицы, они разложили пищу в тех местах, где располагаются соседние с Токио города и поселки. Слизевик начал движение в сторону пищи, прокладывая к ней каналы - «тропы». Когда исследователи сравнили схему движения подопытного организма и реальную карту японских транспортных артерий, они совпали. Все активные среды самоорганизуются, подчиняясь одним и тем же законам.

Самоорганизация - основа всего живого на земле. При этом важно учитывать, что определяется эта самоорганизация прежде всего физическими законами - даже в биологии, хотя люди привыкли трактовать биологию через химические соединения. Если речь идет о наследственности, то вспоминают ДНК. Если говорят о биологических рабочих инструментах, то подразумевают белки и ферменты. Если слышат об оболочке клетки, то на ум приходят липидные мембраны.

В результате даже астрономы, когда ищут жизнь во Вселенной, ориентируются на углеродные соединения, напоминающие аминокислоты. Если встречается что-то, напоминающее нуклеиновые кислоты, то делается предположение о существовании там форм жизни. Но ведь совершенно не очевидно, что вне Земли будут такие же ДНК, как здесь.

Как происходит естественный отбор на Земле? Природа предпочитает одни кислоты и отвергает другие не потому, что они ей нравятся или не нравятся. И даже не сами аминокислоты отбираются - природа выбирает среди разных физических форм принципы эффективности: самая эффективная побеждает. А значит, и внеземные цивилизации надо искать не через ДНК, из которых состоим мы, люди, а через физические формы потребления энергии.

На этом основана концепция сферы Дайсона, разработанная американским астрофизиком Фрименом Дайсоном. Идею он, кстати, позаимствовал из книги «Создатель звезд» фантаста Олафа Стэплдона. Как он предлагал искать инопланетный разум? Необходимо создать в космосе тонкую сферическую оболочку большого радиуса, сопоставимого с радиусом планетных орбит, со звездой в центре. Предполагается, что развитая цивилизация инопланетян может использовать сферу для полной утилизации энергии звезды или для решения проблемы жизненного пространства. По энергетическим колебаниям инопланетяне и будут обнаружены.

Пока вне Земли не найдено ни одного даже самого примитивного соединения, какое не могло бы быть синтезировано на нашей планете. Все, что обнаружено в космосе, производится самой Землей сейчас. Иными словами, нет никаких доказательств, что жизнь на Землю была привнесена извне. Это опровергает гипотезу панспермии, которая предполагает, что зародыш жизни (например, споры микроорганизмов) был занесен на нашу планету из космоса, скажем, метеоритом.

Если на метеорите прилетит пять аминокислот, ведь из них еще нужно сделать клетку. Представьте, что у вас есть скрипка, барабан и фагот, но один лишь факт наличия этих музыкальных инструментов еще не означает, что у вас есть оркестр. В этом и состоит главная тайна зарождения жизни. Этот оркестр нам на Землю никто не привозил. Все соединения, которые обнаружены в космосе, получаются и на Земле - с помощью молний и естественных природных катализаторов.

Избегайте равновесия

Часто можно услышать выражение «этот организм находится в равновесии с окружающей средой». Физик данную фразу трактует однозначно: «этот организм мертв». Мы с вами принципиально неравновесные и удалены от термодинамического равновесия, и уж если говорить о наших отношениях с окружающей средой, то находимся мы в термодинамическом, энергетическом и материальном балансе. Это могут быть стационарные отношения или нестационарные, но никак не равновесные. Равновесие у нас может быть только на погосте.

Сама суть жизни - это взаимодействия разностей химических и электрических потенциалов, концентраций и так далее. Только в случае неравенства и неравновесия может идти химический процесс. С точки зрения биофизика, энергетическая жизнь - это парабола. В нижней точке жизнь замирает, в каком-то смысле ее там нет. Процессы самоорганизации активной среды начинаются тогда, когда заканчивается равновесие и система удаляется от него.

Если взять две системы с одинаковым электрическим потенциалом - неважно, сколь он велик, - то никакого движения зарядов быть не может. Нужна асимметрия. Это - главное условие начала процессов. Химическими процессами движет физика. На этом строятся современные системные биология и биофизика. И сейчас одно из самых перспективных направлений - это наука, которая с одной стороны включает в себя биофизику, а с другой - синергетику.

Синергетика, или теория сложных систем - междисциплинарное направление науки, изучающее общие закономерности явлений и процессов в сложных неравновесных системах (физических, химических, биологических, экологических, социальных и других) на основе присущих им принципов самоорганизации. Синергетика является междисциплинарным подходом, поскольку принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же безотносительно природы систем, и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.

Знаменитый французский физик, лауреат Нобелевской премии Пьер Кюри сказал, что природой движет нарушение симметрии, само движение по сути есть искажение симметрии, ведь симметрия - это статика.

Надо учитывать, что природа часто не подчиняется тому, что физики по традиции называют «законом». Например, закон Гука - утверждение, согласно которому деформация, возникающая в упругом теле, прямо пропорциональна приложенной к нему силе. Но этот закон неприменим к большим деформациям - невозможно растянуть пружинку, к примеру, на 10 километров. Значит, не каждый закон физики является законом природы. Надо разбираться в пропорциональных линейных зависимостях. Тут становится очевидным, что удаленные от равновесия системы могут проходить гладкие участки и попадать в так называемые точки бифуркации - то есть раздвоения.

Очень часто (особенно политики) говорят, что развитие должно идти по пути эволюции, а не революции. Но эволюция, в том числе биологическая, после гладкого развития идет как раз через бифуркацию, и предсказать, какой она будет, пройдя точку раздвоения, очень сложно. Степень точности прогноза - примерно как у синоптиков. Вероятность стопроцентного совпадения маловероятна, так как даже сама природа не знает, как себя поведет, пройдя точку бифуркации.

Предельно упрощая, можно сказать, что жизнь на Земле представляет собой систему, состоящую из двух сопряженных подсистем - биосферы и человеческой «экономики». Каждая из них является иерархически организованной активной средой, ни одна из них уже не может существовать сама по себе.

Именно в этом направлении сейчас развивается наука о живом - в поиске соотношения между потоками энергии вещества и информации и пространственно-временной самоорганизации. Например, почему рыбы часто плавают большими косяками? Таким образом они снижают сопротивление воды для каждой отдельной движущейся рыбы. Но вдруг появляется акула, и косяк распадается. Это функционально, но и это - изменение симметрии. А если посмотреть на произошедшее с точки зрения биофизика, это - бифуркация.

На пороге нового прорыва

К началу XX века практически все классические фундаментальные науки вроде бы были завершены. Географические открытия сделаны, астрономы все ближайшие созвездия и устройство Солнечной системы описали, геологи все разведали, физика и химия завершены, уравнения Максвелла написаны, электромагнетизм понят, теоретическая механика усвоена, таблица Менделеева есть, люди понимают, как устроены органические соединения. Казалось, все известно - дальше двигаться некуда.

И вдруг прорыв: появляется квантовая механика, появляется теория относительности, квантовая механика приходит в химию и придает ей новый мощный импульс. Уже к середине XX века у классических наук образовалось огромное количество ответвлений: физика твердого тела, физика высокомолекулярных соединений, физика космоса и так далее. Науки рассыпались по огромному числу прикладных направлений. Владимир Иванович Вернадский, знаменитый русский и советский ученый-естествоиспытатель, писал: «Рост научного знания XX века быстро стирает грани между отдельными науками. Мы все больше специализируемся не по наукам, а по проблемам».

Благодаря этому произошел сильнейший рывок цивилизации, мощный прорыв. Но человечество, обрадовавшись сильному старту, весьма бездарно провело вторую половину XX века и начало XXI. Прикладные направления наук не дали миру ничего по сути нового, они постоянно обновляют оболочку уже старых идей. Например, атомные электростанции стали намного надежнее, но сам принцип их функционирования не изменился с 1950-х годов. Гаджеты становятся тоньше, мы говорим, что они более современные, но принципы их действия остаются прежними.

Для нового цивилизационного прорыва настало время сосредоточиться не на прикладных направлениях науки, а на фундаментальных, чтобы дать миру новый прорыв, который затем прикладные направления будут еще сто лет эксплуатировать.

Происходит новое соединение наук. Физика начала соединять два своих крайних крыла, совмещая представления о самом малом и самом большом, то есть элементарные частицы и Вселенную. Ученые плотно занимаются теорией Большого взрыва. Такие же процессы идут в биологии. Исследователи консолидируют свои знания о большом (биосфере) и малом (геноме).

Кстати, в неспособности научить видеть картину мира в целом заключается одно из слабых мест и современного образования: ученики и студенты получают много разрозненных сведений, существующих в сознании обособленно, не превращаясь в единое знание. Часто употребляемое выражение «клиповое мышление» как нельзя лучше описывает эту ситуацию.

Что даст объединение наук? Скоро узнаем и, возможно, удивимся. Знаменитый английский писатель Артур Кларк, один из так называемой «большой тройки научных фантастов», чье влияние не ограничивалось рамками литературы, в своей книге «Черты будущего» (1962 год) сформулировал «законы Кларка», и первый из них гласит: «Если заслуженный, умудренный жизненным опытом ученый говорит, что нечто в науке возможно, он почти наверняка прав. Если же он говорит, что нечто невозможно, он почти определенно ошибается».

Безжизненные горы, камни и вода, огромная луна на небе и постоянная бомбардировка метеоритами - наиболее вероятный ландшафт Земли 4 миллиарда лет назад

Жизнь зародилась из неорганической материи в космосе или она возникла именно на Земле? Эта дилемма обязательно встает перед исследователем, заинтересовавшимся проблемой происхождения жизни. Доказать правоту какой-либо из двух существующих ныне гипотез до сих пор никому не удалось, как, впрочем, не удалось придумать и третий путь решения.

Первая гипотеза о происхождении жизни на Земле стара, в ее активе — солидные фигуры европейской науки: Г. Гельмгольц, Л. Пастер, С. Аррениус, В. Вернадский, Ф. Крик. Сложность живой материи, малая вероятность ее самозарождения на планете, а также неудачи экспериментаторов по синтезу живого из неживого приводят ученых в стан приверженцев данного подхода. Существуют многочисленные вариации того, как именно жизнь попала на Землю, и самая известная из них - теория панспермии. Согласно ей жизнь широко распространена в межзвездном пространстве, но поскольку там нет условий для развития, живая материя превращается в спермии, или споры, и таким образом перемещается по космосу. Миллиарды лет назад кометы занесли спермии на Землю, где сложилась благоприятная для их раскрытия среда.

Спермии - это мелкие зародыши, способные выдерживать большие перепады температур, космическое излучение и другие губительные для живого факторы внешней среды. Как предположил английский астроном Ф. Хойл, на роль спермий подходят межзвездные пылевые частицы, среди которых могут быть бактерии в графитовой оболочке. На сегодняшний день спермии в космосе не обнаружены. Но даже если бы они нашлись, столь удивительное открытие только сдвинуло бы проблему возникновения жизни с нашей планеты в другое место. И мы бы не избежали вопросов, откуда на Землю прилетели спермии и как они зародились. Вторая часть дилеммы - как из неорганической материи возникла жизнь - не столь романтична, поскольку опирается на законы физики и химии. Это узкий, механистический подход, именуемый теорией абиогенеза, вбирает в себя усилия многих специалистов. Возможно, из-за своей конкретности данный подход оказался плодотворным и за полстолетия продвинул целые разделы биохимии, эволюционной биологии и космологии.

По мнению ученых, синтез живой клетки - не за горами, это дело техники и вопрос времени. Но будет ли рожденная в пробирке клетка ответом на вопрос, как произошла жизнь на Земле? Вряд ли. Синтетическая клетка докажет лишь то, что абиогенез неким образом возможен. Но 4 миллиарда лет назад на Земле все могло произойти иначе. Например, так. Поверхность Земли остыла 4,5 миллиарда лет назад. Атмосфера была тонкой, и кометы активно бомбардировали Землю, в изобилии доставляя органику. Внеземное вещество оседало в мелких теплых водоемах, подогреваемых вулканами: на дне изливались лавы, росли острова, били горячие источники - фумаролы. Континенты в то время не были такими прочными и большими, как сейчас, они легко перемещались по земной коре, соединялись и распадались.

Луна была ближе, Земля вращалась быстрее, дни были короче, приливные волны выше, а шторма суровее. Над всем этим простирались стального цвета небеса, затемненные пыльными бурями, тучами вулканического пепла и осколками пород, выбитыми ударами метеоритов. Постепенно складывалась атмосфера, богатая азотом, углекислым газом и парами воды. Обилие парниковых газов вызвало потепление климата всей планеты. В таких экстремальных условиях происходил синтез живого вещества. Было ли это чудом, случайностью, произошедшим вопреки эволюции Вселенной, или только так и может появляться жизнь? Уже на ранних этапах проявилась одна из главных черт живой материи - приспособляемость к условиям среды. Ранняя атмосфера содержала мало свободного кислорода, озон был в дефиците, и земля купалась в ультрафиолетовых лучах, смертельных для живого. Так бы осталась планета необитаемой, если бы клетки не изобрели механизм защиты от ультрафиолета. Этот сценарий появления жизни в целом не отличается от предложенного еще Дарвином. Добавились новые детали - что-то узнали, изучая древнейшие горные породы и экспериментируя, о чем-то догадались. Будучи наиболее обоснованным, этот сценарий одновременно и самый спорный. Ученые бьются по каждому пункту, предлагая многочисленные альтернативы. Сомнения возникают с самого начала: откуда взялась первичная органика, произошел ли ее синтез на Земле или она упала с неба?

Революционная идея

Научные основы абиогенеза, или происхождение живого из неживого, заложил русский биохимик А.И. Опарин. В 1924 году, будучи 30-летним ученым, Опарин опубликовал статью «Происхождение жизни», которая, по мнению его коллег, «содержала семена интеллектуальной революции». Публикация книги Опарина на английском языке в 1938 году стала сенсацией и привлекла к проблеме жизни значительные интеллектуальные ресурсы Запада. В 1953 году С. Миллер, аспирант Университета Чикаго, провел успешный опыт по абиогенному синтезу. Он создал условия ранней Земли в лабораторной пробирке и в результате химической реакции получил набор аминокислот. Так, теория Опарина начала получать экспериментальные подтверждения.

Опарин и священник

По воспоминаниям коллег, академик А.И. Опарин был убежденным материалистом и атеистом. Тому подтверждение - его теория абиогенеза, которая, казалось бы, не оставляет надежды на сверхъестественное объяснение загадок жизни. Тем не менее взгляды и личность ученого привлекали к нему людей совершенно противоположных мировоззрений. Занимаясь научной и просветительской работой, участвуя в движении пацифистов, он много выезжал за рубеж. Однажды, где-то в 1950-х годах, Опарин читал лекции в Италии по проблеме происхождения жизни. После доклада ему сказали, что с ним хочет познакомиться не кто иной, как президент Папской академии наук из Ватикана. Александр Иванович, будучи советским человеком и прекрасно зная предвзятое отношение зарубежной интеллигенции к СССР, не ожидал от представителя католической церкви ничего хорошего, наверняка какая-нибудь провокация. Все же знакомство состоялось. Преподобный синьор пожал Опарину руку, поблагодарил за лекцию и воскликнул: «Профессор, я восхищен тем, как прекрасно Вы вскрыли промысел Божий!»

Вероятность возникновения жизни

Теория абиогенеза предполагает, что жизнь зародилась на определенном этапе развития материи. С момента образования Вселенной и первых частиц материя встает на путь постоянных изменений. Сначала возникли атомы и молекулы, потом появились звезды и пыль, из нее - планеты, а на планетах зародилась жизнь. Живое возникает из неживого, повинуясь некоему высшему закону, сущность которого нам пока неизвестна. Жизнь не могла не возникнуть на Земле, где были подходящие условия. Разумеется, опровергнуть сие метафизическое обобщение невозможно, но семена сомнения проросли. Дело в том, что условия, необходимые для синтеза жизни, весьма многочисленны, часто противоречат фактам и друг другу. К примеру, нет доказательств того, что на ранней Земле была восстановительная атмосфера. Неясно, как возник генетический код. Удивляет своей сложностью строение живой клетки и ее функции. Какова вообще вероятность зарождения жизни? Вот несколько примеров.

Белки состоят только из так называемых «левых» аминокислот, то есть асимметричных молекул, которые вращают поляризацию проходящего через них света влево. Почему при строительстве белка используются только левые аминокислоты, неизвестно. Может быть, это произошло случайно и где-то во Вселенной есть живые существа, состоящие из правых аминокислот. Скорее всего, в первичном бульоне, где происходил синтез исходных белков, было поровну левых и правых аминокислот. И только появление реально живой «левой» структуры нарушило эту симметрию и биогенный синтез аминокислот пошел по «левому» пути.

Впечатляет расчет, который Фред Хойл приводит в своей книге «Evolution from Space». Вероятность получения случайным образом 2 000 ферментов клетки, состоящих из 200 аминокислот каждый, равна 10 -4000 - абсурдно малая величина, даже если бы весь космос был органическим супом.

Вероятность синтеза одного белка, состоящего из 300 аминокислот, - один шанс на 2×10 390 . Опять ничтожно мало. Уменьшим число аминокислот в белке до 20, тогда число возможных комбинаций синтеза такого белка составит 1 018 - всего на порядок больше числа секунд в 4,5 миллиарда лет. Нетрудно видеть, что времени на перебор всех вариантов и выбор наилучшего у эволюции просто не было. Если учесть, что аминокислоты в белках соединены в определенные последовательности, а не случайным образом, то вероятность синтеза молекулы белка будет такой же, как если бы мартышка случайно напечатала одну из трагедий Шекспира, то есть почти нулевой.

Ученые рассчитали, что молекула ДНК, участвующая в простейшем цикле кодирования белков, должна была состоять из 600 нуклеотидов в определенной последовательности. Вероятность случайного синтеза такой ДНК равна 10 -400 , иначе говоря, для этого потребуется 10 400 попыток.

Не все ученые согласны с такими подсчетами вероятности. Они указывают, что рассчитывать шансы синтеза белка случайным перебором комбинаций некорректно, так как у молекул есть предпочтения, и одни химические связи всегда более вероятны, чем другие. По мнению австралийского биохимика Яна Мусгрейва, рассчитывать вероятность абиогенеза вообще бессмысленно. Во-первых, образование полимеров из мономеров не случайно, а подчиняется законам физики и химии. Вовторых, рассчитывать образование современных молекул белка, ДНК или РНК неправильно потому, что они не входили в состав первых живых систем. Возможно, в структуре существующих ныне организмов ничего не осталось от прошлых времен. Как сейчас считают, первыми организмами были очень простые системы коротких молекул, состоящих всего из 30-40 мономеров. Жизнь начиналась с очень простых организмов, постепенно усложняя конструкцию. Природа даже не пыталась сразу построить «Боинг-747». В-третьих, не надо бояться малой вероятности. Один шанс на миллион миллионов? И что с того, ведь он может выпасть с первой же попытки.

Что такое жизнь

Поисками определения жизни занимаются не только философы. Такое определение необходимо биохимикам, чтобы понять: а что же получилось в пробирке - живое или неживое? Палеонтологам, изучающим древнейшие горные породы в поисках начала жизни. Экзобиологам, ищущим организмы внеземного происхождения. Дать определение жизни непросто. Говоря словами Большой Советской Энциклопедии, «строго научное разграничение на живые и неживые объекты встречает определенные трудности». Действительно, что характерно только для живого организма? Может быть, набор внешних признаков? Нечто белое, мягкое, двигается, издает звуки. В это примитивное определение не попадают растения, микробы и еще многие организмы, потому что они молчат и не двигаются. Можно рассмотреть жизнь с химической точки зрения как материю, состоящую из сложных органических соединений: аминокислот, белков, жиров. Но тогда и простую механическую смесь этих соединений следует считать живой, что неверно. Более удачное определение, по которому в целом существует научный консенсус, связано с уникальными функциями живых систем.

Способность к размножению, когда потомкам передается точная копия наследственной информации, присуща всей земной жизни, причем даже самой малой ее частице - клетке. Вот почему клетку принимают за единицу измерения жизни. Слагаемые же клетки: белки, аминокислоты, ферменты - взятые по отдельности, живыми не будут. Отсюда следует важный вывод о том, что успешные опыты по синтезу этих веществ нельзя считать ответом на вопрос о происхождении жизни. В этой области произойдет революция, только когда станет ясно, как возникла целая клетка. Без сомнения, первооткрывателям тайны вручат Нобелевскую премию. Помимо функции размножения есть ряд необходимых, но недостаточных свойств системы для того, чтобы называться живой. Живой организм может приспосабливаться к изменению окружающей среды на генетическом уровне. Это очень важно для выживания. Благодаря изменчивости жизнь сохранилась на ранней Земле, во время катастроф и в суровые ледниковые периоды.

Важное свойство живой системы - каталитическая активность, то есть умение проводить только определенные реакции. На этом свойстве основан обмен веществ - выбор из окружающей среды нужных веществ, их переработка и получение энергии, необходимой для дальнейшей жизнедеятельности. Схема обмена веществ, которая представляет собой не что иное, как алгоритм выживания, зашита в генетическом коде клетки и через механизм наследственности передается потомкам. Химикам известно много систем с каталитической активностью, которые, однако, не умеют размножаться, и потому их нельзя считать живыми.

Решающий эксперимент

Нет никакой надежды, что однажды клетка получилась сама собой из атомов химических элементов. Это невероятный вариант. Простая клетка бактерии содержит сотни генов, тысячи белков и разных молекул. Фред Хойл шутил, что синтез клетки так же невероятен, как сборка «Боинга» ураганом, пронесшимся над свалкой запчастей. И все же «Боинг» существует, значит, он был каким-то образом «собран», точнее «самособран». По нынешним представлениям, «самосборка» «Боинга» началась 4,5 миллиарда лет назад, процесс шел постепенно и был растянут во времени на миллиард лет. По крайней мере 3,5 миллиарда лет назад живая клетка уже существовала на Земле.

Для синтеза живого из неживого на начальном этапе в атмосфере и водоемах планеты должны присутствовать простые органические и неорганические соединения: C, C 2 , C 3 , CH, CN, CO, CS, HCN, CH 3 CH, NH, O, OH, H 2 O, S. Стэнли Миллер в своих знаменитых опытах по абиогенному синтезу смешал водород, метан, аммиак и водяные пары, потом пропускал нагретую смесь через электрические разряды и охлаждал. Через неделю в колбе образовалась коричневая жидкость, содержащая семь аминокислот, и в том числе глицин, аланин и аспарагиновую кислоту, входящие в состав клеточных белков. Эксперимент Миллера показал, как могла образоваться предбиологическая органика - вещества, которые участвуют в синтезе более сложных компонентов клетки. С тех пор биологи считают этот вопрос решенным, несмотря на серьезную проблему. Дело в том, что абиогенный синтез аминокислот идет только в восстановительных условиях, вот почему Опарин полагал атмосферу ранней Земли метаново-аммиачной. Но геологи не согласны с таким выводом.

Проблема ранней атмосферы

Метану и аммиаку неоткуда взяться в большом количестве на Земле, считают специалисты. К тому же эти соединения очень неустойчивы и разрушаются под действием солнечного света, метаново-аммиачная атмосфера не могла бы существовать, даже если бы эти газы выделялись из недр планеты. По данным геологов, в атмосфере Земли 4,5 миллиарда лет назад преобладали углекислый газ и азот, что в химическом отношении создает нейтральную среду. Об этом свидетельствует состав древнейших горных пород, которые в тот период были выплавлены из мантии. Самые древние породы на планете возрастом 3,9 миллиарда лет обнаружили в Гренландии. Это так называемые серые гнейсы - сильно измененные магматические породы среднего состава. Изменение этих горных пород шло миллионы лет под влиянием углекислых флюидов мантии, которые одновременно насыщали и атмосферу. В таких условиях абиогенный синтез невозможен.

Проблему ранней атмосферы Земли пытается решить академик Э.М. Галимов, директор Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН. Он рассчитал, что земная кора возникла очень рано, в первые 50-100 миллионов лет после образования планеты, и была по преимуществу металлической. В таком случае мантия действительно должна была выделять метан и аммиак в достаточном количестве для создания восстановительных условий. Американские ученые К. Саган и К. Чайба предложили механизм самозащиты метановой атмосферы от разрушения. По их схеме разложение метана под действием ультрафиолета могло привести к созданию в верхних слоях атмосферы аэрозоля из частиц органики. Эти частицы поглощали солнечную радиацию и защищали восстановительную среду планеты. Правда, этот механизм разработали для Марса, но он применим и к ранней Земле.

Подходящие условия для образования предбиологической органики не сохранялись на Земле долго. В течение следующих 200-300 миллионов лет мантия начала окисляться, что привело к выделению из нее углекислого газа и смене состава атмосферы. Но к тому времени среда для зарождения жизни уже была подготовлена.

На дне морском

Первожизнь могла зародиться вокруг вулканов. Представьте себе на еще хрупком дне океанов многочисленные разломы и трещины, сочащиеся магмой и бурлящие газами. В таких зонах, насыщенных парами сероводорода, образуются месторождения сульфидов металлов: железа, цинка, меди. Что если синтез первичной органики шел прямо на поверхности железо-серных минералов с помощью реакции углекислоты и водорода? Благо вокруг много и того и другого: диоксид и оксид углерода выделяются из магмы, а водород - из воды при ее химическом взаимодействии с горячей магмой. Есть и необходимый для синтеза приток энергии.

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 XX 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 (FeS 2), 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.

Цианобактерии, способные усваивать атмосферный азот

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 XX 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 Землю. 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.

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 XX 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 Землю. 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 Земле 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.

Источник органики

Если на Земле 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. По подсчетам астрономов, на поверхность Земли выпало 1 021 кг кометного вещества. 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.

В клетке полимеры производятся постоянно с помощью сложных матричных химических реакций. Чтобы получить белок, у одной аминокислоты нужно отсоединить гидроксильную группу OH 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.

Глиняный ген

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 XX 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

В черных сланцах Западной Австралии возрастом 3,5 миллиарда лет сохранились остатки самых древних организмов, когда-либо обнаруженных на Земле. 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 Земле. 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 окаменолостей, 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 материей
2. У них сложное строение - волоконца состоят из клеток разной формы: цилиндров, коробочек, дисков
3. Объектов много - всего 200 ископаемых включают в себя 1 900 клеток
4. Объекты похожи друг на друга, как современные представители одной популяции
5. Это были организмы, хорошо приспособленные к условиям ранней Земли. Они обитали на дне моря, защищенные от ультрафиолета толстым слоем воды и слизи
6. 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 Западной Австралии на планете сохранилось только одно место с очень древними породами, где могут встретиться окаменолости - 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.

Реалист и сюрреалист

Первая конференция Международного общества по изучению происхождения жизни (ISSOL) состоялась в 1973 году в Барселоне. Эмблему к этой конференции нарисовал Сальвадор Дали. Дело было так. Джон Оро, американский биохимик, был дружен с художником. В 1973 году они встретились в Париже, отобедали у «Максима» и отправились на лекцию по голографии. После лекции Дали неожиданно предложил ученому зайти на другой день к нему в отель. Оро пришел, и Дали вручил ему рисунок, символизирующий проблему хиральности в живых системах. Два кристалла растут из сочащейся лужи в виде перевернутых песочных часов, что намекает на конечное время эволюции. Слева сидит женская фигура, справа стоит мужчина и держит крыло бабочки, между кристаллами вьется червячок ДНК. Изображенные на рисунке левый и правый кристаллы кварца взяты из книги Опарина «Происхождение жизни на Земле» 1957 года. К удивлению ученого, Дали хранил эту книгу у себя в номере! После конференции супруги Опарины поехали в гости к Дали, на берег Каталонии. Обе знаменитости умирали от желания пообщаться. Между реалистом и сюрреалистом завязалась длинная беседа, оживленная языком мимики и жестов - ведь Опарин говорил только по-русски.

Мир РНК

В теории абиогенеза поиски первоначала жизни приводят к идее о более простой, нежели клетка, системе. Современная клетка необычайно сложна, ее работа держится на трех китах: ДНК, РНК и белки. 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 Земли по пластам горных пород, биологи открывают эволюцию жизни по строению клетки. Череда открытий XX 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 XX 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.