Авторы: Ржешевский Алексей

Cкептически настроенные исследователи сравнивают возможность случайного зарождения жизни на Земле с ураганом, который пронёсся над свалкой разбитых самолётов и из обломков построил новый «Боинг». Но, как это часто бывает, невероятное кажется нам невероятным лишь из-за незнания фактической стороны дела.

Как сегодня известно науке, первые живые организмы появились на Земле около 4 млрд лет назад. В 2013 году японские учёные из университета Тохоку обнаружили в Гренландии, в геологической формации Исуа возрастом 3,8 млрд лет, графит со следами древних бактерий. Ранее там же был найден углерод органического происхождения, прошедший через фотосинтетический цикл древних организмов. Кроме этого, подобные находки были найдены на территории западной Австралии — строматолитные отложения в слоях Земли возрастом 3,5 млрд лет, образованные древними цианобактериями. Можно сказать, что следы жизни обнаруживаются в таких далёких временах, куда только ученые способны дотянуться своими инструментами, — в самых старых сохранившихся осадочных породах.

Но каким образом из случайных молекул могла зародиться жизнь? Эволюционные биологи вместе с генетиками собрали немало фактов, проливающих свет на те «дела давно минувших дней», когда Земля была ещё юной и её населяли загадочные организмы, которые и стали началом всей жизни.

Шаг 1. Растопите лед

Как все мы знаем, наша планета сформировалась из газопылевого облака под действием сил притяжения около 4,5 млрд лет назад, и в тот момент условия на ней были малопригодны для какой-либо жизни. Одним из главных условий возникновения живых организмов является наличие воды на планете. Несколько миллионов лет Земля носилась в космосе холодной безжизненной глыбой, но вода на ней уже была — в составе твёрдых пород в виде гидроокислов. Какую-то часть воды в виде льда могли принести на Землю метеориты и кометы, бомбардировавшие нашу планету несколько миллионов лет подряд. Чтобы растопить лёд и выпарить воду из недр, понадобилось участие двух главных земных минералов — кремния и железа. Тяжёлое железо постепенно отделялось от кремния и оседало, опускаясь вглубь Земли и формируя ядро планеты. Это оседание железа вызвало, в свою очередь, мощные вулканические процессы, которые и образовали гидросферу. Началось формирование водоёмов с жидкой водой.

Но растопить лёд — это только полдела. Необходимо, чтобы вода оставалась жидкой. Нам повезло: Земля оказалась именно на таком расстоянии от Солнца, когда вода не испаряется, как на Венере, и не замерзает, как на Марсе. Ласковое Солнце обеспечило первобытной Земле нужную для жизни температуру. А дальше начались химические эксперименты природы, которые и привели к отправной точке зарождения жизни – появлению молекулы РНК. Природа никуда не спешила, у неё в запасе были миллионы лет, чтобы перебрать все возможные варианты.

Шаг 2. Вынесите бульон на солнце

Долгое время, до самых последних лет, учёные ломали голову над тем, как на Земле могли появиться первые нуклеотиды — те самые «кирпичики» жизни, из которых складывается наша ДНК. И здесь не было недостатка в самых экстравагантных версиях, вплоть до участия инопланетян. Даже первооткрыватель ДНК, нобелевский лауреат Фрэнсис Крик, предполагал, что жизнь на Землю могла быть занесена из космоса — настолько невероятным ему казалось случайное возникновение этой универсальной структуры здесь. В конце концов, учёным всё же удалось отодвинуть в сторону «инопланетное вмешательство» и найти более реалистичное объяснение. И главная роль в этих ранних процессах зарождения жизни была отведена веществу под названием формамид.

Формамид представляет собой простое соединение атомов углерода, кислорода, водорода и азота. В 2009 году английские биологи из Манчестерского университета, Джон Сазерланд, Мэтью Поунер и Беатрис Джерланд, используя формамид, смогли получить два нуклеотида, входящие в состав РНК, — урацил и цитозин. Они в течение нескольких дней облучали ультрафиолетом смесь химических соединений, растворённую в формамиде. В результате этого два нуклеотида просто чудесным образом «очистились» от всех посторонних примесей — ультрафиолет удалил все химические вещества, кроме нуклеотидов.

Этот эксперимент подтвердил высказанную ранее гипотезу российских биологов о том, что ультрафиолет на юной Земле не только выступал в качестве источника энергии для химических реакций, но и служил инструментом отбора — неустойчивые к ультрафиолету соединения распадались. Миллиарды лет назад ультрафиолетовое излучение было гораздо мощнее, чем сегодня, — на той давней Земле ещё не было атмосферы и защитного озонового слоя. Как теперь известно, кроме нуклеотидов из формамида при нагревании и облучении могут образовываться также и аминокислоты — вот вам и полный набор для создания жизни.

Шаг 3. Поставьте в пароварку

Весь ХХ век среди биологов господствовало мнение, что жизнь зародилась в океане — в «первичном бульоне», где свободно плавали органические вещества, ставшие основой для клеток. Эта версия поставила ученых перед неразрешимой загадкой, получившей название натрий-калиевого парадокса. Первым его сформулировал ещё в 1904 году канадский ученый Арчибальд Макаллум. Дело в том, что для нормального синтеза белков в живой клетке нужно много калия и мало натрия. Для того чтобы откачивать натрий из клетки, в мембраны клеток животных встроены ионные натрий-калиевые насосы — весьма непростые механизмы. На их работу живые организмы (в том числе и человек) тратят почти половину всей энергии!

Но если жизнь зародилась в океане, где очень много натрия (в 40 раз больше, чем в клеточной цитоплазме), как в нем могла появиться первая клетка? Выходит, сложнейший насос появился раньше самой первой клетки? Звучит не слишком правдоподобно.

После долгих поисков возможный ответ был найден российскими учёными, биофизиком Арменом Мулкиджаняном и его коллегами. Предположив, что первые клетки возникли не в океанах, а в богатой калием среде, они обратили внимание на особые горячие источники — геотермальные поля, где под действием вулканических процессов из-под Земли выходит горячий пар. Российские геохимики обследовали такие геотермальные поля на Камчатке и обнаружили то, что искали, — среду с богатым содержанием калия и почти без натрия. Кроме калия геотермальный пар содержит в себе кремниевые соединения, сероводород и ионы переходных металлов, таких как железо, цинк и марганец. На древней Земле эти соединения должны были взаимодействовать между собой и осаждаться, образуя пористые структуры, ячейки которых могли служить природными «инкубаторами» для самых первых организмов. Также геотермальный пар выносит на поверхность образующиеся при высокой температуре в глубинах земли органические молекулы, в частности жирные кислоты — то, из чего состоят мембраны клеток, а также цианид.

Убедительным аргументом в пользу этой версии стало и то, что именно в геотермальных полях создаются наилучшие условия для концентрации формамида — геотермальный пар содержит цианид, который, связываясь с водой, превращается в формамид. Из отдельных фрагментов, как из кусков мозаики, сложилась почти полная и целостная картина — место, отвечающее всем условиям того, что можно назвать «колыбелью» первой жизни на Земле.

Шаг 4. Дайте подняться

На самой заре жизни на планете Земля господствовал мир РНК. И в этом мире молекулы РНК могли самовоспроизводиться, делать копии самих себя. В биологической летописи Земли существует отрезок в несколько миллионов лет, покрытый некоторым мраком и не до конца понятный учёным. В это время древние протоклетки с помощью РНК научились синтезировать белок и размножать себя, приобретя устойчивый генетический код.

Около 4 млрд лет назад на Земле появились первые одноклеточные организмы. Какими они были? В 2000 году известный российский биолог, работающий в США, Евгений Кунин сделал анализ геномов всех известных тогда бактерий и архей (одноклеточных организмов без ядра) и обнаружил несколько десятков общих для всех этих видов белков. Это могло означать только одно — у самых первых бактерий и архей, а также у клеток животных, произошедших от архей, был общий предок, «прародитель» всех клеток на Земле.

Его назвали LUCA (Last Universal Cellular Ancestor) — последний общий клеточный предок. LUCA был очень коммуникабельным и «дружелюбным» существом. Он ещё не научился жить полностью самостоятельно и существовал в сообществе себе подобных — в своеобразном клеточном «общежитии», замкнутой экосистеме с общими биологическими циклами. Там эти древние клетки обменивались друг с другом через проницаемые мембраны необходимыми веществами, белками и метаболитами.

Что было до LUCA, учёные пока сказать не могут, но ясно, что это были не самые первые клетки, так как у них уже сформировались довольно сложные структуры. Такие, например, как рибосомы (внутриклеточные органеллы, где происходит синтез белка), состоявшие из нескольких десятков специальных белков и РНК. Известно также, что геном LUCA был достаточно большим для того времени — около миллиона пар нуклеотидов (такой же, как и у некоторых современных бактерий). LUCA стал основой для появления двух видов живых организмов — бактерий и архей.

Постепенно перед взором учёных предстал древний мир, который даже в самом начале был довольно сложным и разнообразным. Кроме бактерий и архей из самых первых протоорганизмов (ещё до LUCA) образовались первые геномные паразиты — вирусы. Они приняли активное участие в дальнейшей эволюции. Все известные сегодня науке вирусы обладают набором общих генов, которых нет у клеток. Это означает, что вместе с РНК-миром на юной Земле царствовал и отдельный «мир вирусов». Вирусы существовали обособленно друг от друга, но, проникнув в «общего врага» — клетку, активно обменивались генами, усиливая и обогащая друг друга. Так они поступают по сей день.

Шаг 5. Оставьте бродить

Около двух миллиардов лет Землей полновластно правили бактерии, археи и вирусы, пока не пришло время появиться первым эукариотам — клеткам с ядром, содержащим ДНК, а также сложной внутриклеточной организацией. По времени появление клеток-эукариотов совпало с «кислородной революцией» — резким повышением содержания кислорода в атмосфере Земли. Вызвана эта «революция» была тем, что железо стало меньше взаимодействовать с кислородом (окисляться им), осаждаясь и опускаясь в глубь недр в виде железных руд. Кислород, производимый цианобактериями, стал накапливаться. И этот процесс оказал большое влияние на появление новых — более сложных видов жизни. Хотя поначалу избыток кислорода чуть не убил жизнь на Земле.

Считается, что клетки-эукариоты произошли от архей, обитавших в нижних слоях «бактериального мата» — сообщества одноклеточных организмов. Спасаясь от кислорода, который был ядом для первых клеток, археи активно поглощали ДНК из внешней среды, приобретая гены для защиты от кислорода. Начался процесс симбиогенеза — активного обмена генами между археями и бактериями. Археи становились всё сильнее, приобретая необходимые для выживания свойства. Они научились производить фагоцитоз: поглощать своих более мелких соседей. Так археи не только питались, но и накапливали нужные гены.

Тем временем соседи архей по мату, жившие «этажом» выше пурпурные фотосинтезирующие бактерии, приспосабливаясь к кислороду, освоили аэробное дыхание — производство энергии посредством кислорода. Для появления полноценной современной клетки эти бактерии должны были встретиться с археями-фагоцитами и соединиться вместе, что вскоре и произошло. Так в клетке из поглощённых бактерий образовались митохондрии — «заводы» по производству энергии.

Попутно с этим археи-пожиратели столкнулись с новой малознакомой опасностью — внедрением в них геномных паразитов, вирусов и мобильных элементов. Чтобы противостоять им, археи окружили свой геном «защитой» — так появилось ядро с ДНК. Большую группу генов, ответственных за размножение (по одной из версий — и само ядро), первые эукариоты получили от вирусов.

Эукариотическая клетка, взяв самое лучшее от бактерий, вирусов и архей, постепенно приобретает современный вид. После этого эволюция выходит на «прямую» дорогу. Жизнь развивается по сценарию, основы понимания которого были заложены еще Дарвином. Сценарий этот упрощенно состоит из трёх слагаемых: наследственность, изменчивость, отбор. И эволюции остаётся пройти последний отрезок — путь длиной в 1,5 млрд лет, который заканчивается «кембрийским взрывом» — появлением первых сложных многоклеточных организмов. А затем остается ещё чуть-чуть (около 500 миллионов лет) до появления человека.

Источник

опубликовано 16/09/2016 13:39
обновлено 21/09/2016
Публицистика

Комментарии 1

Для того чтобы оставить комментарий, пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь.

Юлия Т.
18/09/2016 00:18 #

Юлия Т. Россия, Ростов-на-Дону

Замечательная статья - познавательная и интересная. Большое спасибо!

Скачивайте наши приложения

Приложение Кроха