Коли утворилося життя землі. Життя на Землі (7 фото)

Наука

За підрахунками вчених, життя на землі зародилося близько 3 мільярдів років тому: за цей час найпростіші організми розвинулися у складні форми життя Однак для вчених досі залишається загадкою, як зародилося життя на планеті, і вони висунули кілька теорій, які пояснюють цей феномен:

1. Електричні іскри

У ході знаменитого експерименту Міллера-Юрі (Miller-Urey Experiment), вчені довели, що блискавки могли сприяти появі основних речовин, необхідних зародження життя: електричні іскри утворюють амінокислоти в атмосфері, що складається з величезної кількості води, метану, аміаку та водню. Потім з амінокислот розвинулися складніші форми життя. Цю теорію дещо змінили після того, як дослідники з'ясували, що атмосфера планети мільярди років тому була бідна на водень. Вчені припустили, що метан, аміак та водень утримувалися у вулканічних хмарах, насичених електричними зарядами.

2. Глина

Хімік Олександр Грем Кернс-Сміт (Alexander Graham Cairns-Smith) з університету Глазго, Шотландія, висунув теорію про те, що на зорі зародження життя в глині ​​містилося багато органічних компонентів, що знаходяться недалеко один від одного, і що глина сприяла організації цих речовин у структури, подібні до наших генів.

ДНК зберігає інформацію про структуру молекул, і генетичні послідовності ДНК вказують на те, як амінокислоти повинні побудуватися в білки. Кернс-Сміт припускає, що кристали глини сприяли організації органічних молекул в упорядковані структури, а пізніше цим почали займатися самі молекули, "без допомоги" глини.

3. Глибоководні жерла

Відповідно до цієї теорії, життя зародилося в підводних гідротермальних жерлах, що викидають молекули, багаті на водень.На їх кам'янистій поверхні ці молекули могли зібратися разом і стати мінеральними каталізаторами для реакцій, які призвели до зародження життя. Навіть зараз у таких гідротермальних жерл, багатих на хімічну та термальну енергію, мешкає досить велика кількість живих істот.

4. Крижаний початок

3 мільярди років тому Сонце світило далеко не так яскраво, як зараз, і відповідно тепла до Землі доходило менше. Цілком можливо, що поверхню землі покривав товстий шар льоду, який захищав крихкі органічні речовини., що знаходяться у воді під ним, від ультрафіолетових променів та космічного впливу. До того ж, холод допоміг молекулам довше проіснувати, у результаті стали можливі реакції, які призвели до зародження життя.

5. Світ РНК

ДНК потрібні білки на формування, а білкам для освіти потрібна ДНК. Як могли вони сформуватися один без одного? Вчені припустили, що в цьому брала участь РНК, яка, так само, як і ДНК, зберігає інформацію. З РНК, відповідно, утворилися білки та ДНК, які замінили її через свою більшу ефективність.

Виникло інше питання: "Як виникла РНК?". Дехто вважає, що вона мимоволі з'явилася на планеті, а інші заперечують таку можливість.

6. "Проста" теорія

Деякі вчені припустили, що життя розвинулося не зі складних молекул на кшталт РНК, та якщо з простих, які взаємодіяли друг з одним. Вони, можливо, знаходилися в простих оболонках, подібних до клітинних мембран. Внаслідок взаємодії цих простих молекул з'явилися складні, які ефективніше вступали у реакції.

7. Панспермія

В кінці кінців, життя могло зародитися не на нашій планеті, а принесене з космосу: у науці цей феномен називається панспермією Ця теорія має цілком міцну основу: через космічний вплив від Марса періодично відокремлюються уламки каменів, які долітають і до Землі. Після того, як вчені виявили марсіанські метеорити на нашій планеті, вони припустили, що ці об'єкти принесли з собою бактерії. Якщо вірити їм, то усі ми марсіани. Інші дослідники припустили, що життя принесли комети інших зіркових систем. Навіть якщо вони мають рацію, то людство шукатиме відповідь на інше питання: "А як життя зародилося в космосі?".

Інструкція

На даний момент визнаною є біохімічна теорія походження життя. Вона була розроблена радянським вченим ОлександромОпаріним 1924 року. Відповідно до цієї теорії поява і подальша живих неможливі без попередньої тривалої хімічної еволюції, яка полягає у появі та розвитку органічних молекул.

Близько 4 мільярдів років тому Земля вже мала тверду кору і атмосферу, що істотно відрізняється від нинішньої, в ній практично не було кисню, але надлишок був присутній воднем, метаном, азотом і парою води. Відсутність кисню, без якого не можна уявити сучасне життя, На першому етапі хімічної еволюції було благо, тому що кисень є сильним окислювачем, і за його великої кількості органічні молекули просто не могли б формуватися.

Після того як Земля досить охолонула, в її атмосфері почали відбуватися процеси синтезу органічних молекул, причому проходили ці процеси абіогенно, тобто синтез йшов не за допомогою яких ще не було, але завдяки випадковим реакціям між хімічними. Енергію для синтезу давали блискавки, космічне випромінювання та, насамперед, жорстке ультрафіолетове випромінювання Сонця. Можливість абіогенного синтезу повністю доведена, оскільки його вдається легко повторити у лабораторії, крім того, він спостерігається зараз при вулканічній діяльності.

Поступово температура первинної атмосфери падала, деякі речовини стали переходити з газоподібного стану в рідкий, почалися дощі, утворилися перші океани, насичені простими органічними сполуками, які почали активно взаємодіяти, створюючи складніші сполуки.

У 1986 році була сформульована теорія світу РНК, відповідно до якої першими сполуками, здатними відтворювати подібні до себе молекули, були молекули рибонуклеїнової кислоти. Молекули РНК не можна назвати живими організмами, тому що вони не мали оболонки, що відокремлює їх від довкілля.

Передбачається, що оболонки з'явилися у перших РНК, коли вони випадково потрапляли у сфери з жирних кислот. Усередині оболонок стала можливою поява складних біохімічних процесів обміну речовин. У процесі еволюції залишалися найбільш життєздатні сполуки, у результаті виникли перші найпростіші живі організми.

Існує кілька інших теорій походження життя Землі:
- теорія самозародження життя відома з давніх-давен, передбачалося, що живі організми випадковим чином з'являються з неживої матерії, наприклад, мухи - з гниючого м'яса, птиці - з листя і т.д.;
- теорія креаціонізму заявляє, що живі істоти були створені надрозумом – інопланетною цивілізацією, Богом, абсолютною ідеєю;
- Існує теорія, відповідно до якої життя на нашу планету було занесено з космосу, але ця теорія просто переносить виникнення життя в інше місце і не пояснює його механізму.

Відео на тему

Всесвіт складається з безлічі галактик і зірок, що мають планетні системи, які можуть бути цілком придатними для існування організмів. Чи означає це, що іскра живої матерії могла спалахнути за межами Сонячна система, після чого було занесено на планету Земля? Запитання, пов'язані з виникненням життя, хвилюють уже кілька поколінь вчених.

Інструкція

Декілька років тому в американській пресі з'явилося про те, що група вчених з Копенгагенського університету з'ясувала, ніби життя у Всесвіті з'явилося близько 13 млрд років тому, тобто майже відразу після гіпотетичного Великого вибуху. Фізики ретельно досліджували віддалені галактики, світлове випромінювання яких несе інформацію про цей далекий час. Втім, не всі експерти вважають висновки європейських вчених обґрунтованими.

До сенсаційного відкриття фізиків із Копенгагена вважалося, що найпростіші життєві форми могли зародитися у просторі Всесвіту порівняно недавно – три-чотири мільярди років тому. Але і ця тимчасова дистанція для сучасної людини є гігантською, навіть якщо врахувати, що планета Земля утворилася близько 4,5 млрд років тому.

У ту далеку епоху в структурі всесвіту вже з'явилися важкі хімічні елементи, яких не було в момент зародження Всесвіту. Базою для майбутнього життя, говорили колишні висновки, могли стати лише термоядерні реакції, що відбувалися в надрах перших зірок. Для їх запуску потрібно було кілька мільярдів років.

Але для сучасних дослідників цікавить не тільки можливий вік існування життя, але також і місце, де воно зародилося. Сучасні дослідники щодо цього розділилися на два табори. Одні вчені стверджують, що життя – унікальне явищеу Всесвіті. І зародилася вона на Землі, умови якої були оптимальними для формування найпростіших білкових систем, що виділилися із давнього хімічного «бульйону».

Є й ті, хто вважає, що фундаментальні життєві форми розкидані по всьому неосяжному Всесвіту. Подорожуючи з космічними тілами, мікроорганізми, які можна умовно назвати "протожиттям", досягли і планети Земля. У цьому куточку Сонячної системи існували умови, які дозволили мікроорганізмам розвинутись у складніші форми життя. Ці процеси еволюції живої речовини розтягнулися на мільярди років.

Як би там не було, але виникнення життя в масштабах Всесвіту вчені вважають не випадковим, а закономірним процесом. З моменту свого утворення матерія постійно розвивалася від найпростіших форм до складних. Атоми та молекули повільно з'єднувалися в речовину, виникали малі та дуже великі космічні об'єкти. Логіка розвитку матерії, яка поки що повністю не піддається матеріалістичному поясненню, призвела до ускладнення речовини та появи хитромудрих конструкцій з «первоцигарок» життя – амінокислот.

Безпосередній процес зародження та становлення життя у Всесвіті дотепер залишається для вчених загадкою. Мова сьогодні може йти лише про більш менш справедливі припущення, які потребують ретельної перевірки. Істотну допомогу в цьому можуть надати дослідження так званого реліктового випромінювання, яке несе у собі вихідну інформацію про перебіг еволюції матерії, що тривала мільярди років.

Відео на тему

Джерела:

• Велика таємниця життя у 2019

Напевно, люди не одні у Всесвіті. Просто людство ще готове прийняти факт існування розумного життя поза Сонячної системи. Егоїзм і звична картина світу заважають бачити те, що приховано від пильного погляду в повсякденній метушні.

Рідкісна людина не замислювалася про те, чи є у Всесвіті інше життя, крім земного. Було б наївно і навіть егоїстично вважати, що тільки на планеті Земля є розумне життя. Факти появи НЛО у різних частинах світу, історичні манускрипти, археологічні розкопки свідчать, що люди не одні у Всесвіті. Більше того, є «контактери», які спілкуються з представниками інших цивілізацій. Принаймні вони так стверджують.

Подвійний стандарт

На жаль, більшість відкриттів, зроблених під егідою уряду, має гриф «Цілком таємно», що приховує від звичайних людей масу фактів наявності інших форм життя у Всесвіті. Наприклад, зникло кілька тисяч знімків, зроблених з поверхні Марса, на яких відображені канали, незвичайні будови та піраміди.

Можна довго розмірковувати про можливе життя в межах Сонячної системи та за її межами, але науковому світупотрібні докази, які можна помацати, подивитися.

Останнє цікаве відкриття

Вже кілька поколінь вчених намагається знайти докази існування розумного життя у Всесвіті. Нещодавно відбулася чергова зустріч Американського астрономічного товариства, під час якої було озвучено важливу подію: за допомогою обладнання обсерваторії Кеплера вдалося виявити планету, яка дуже схожа на Землю як своїми параметрами, так і астрономічним становищем.

Здавалося б, що такого? Виявляється, що атмосфера виявленої планети має хмари, сформовані водою! Звичайно, наявність хмар ще ні про що не каже, якщо розглядати питання про життя на планеті. Хоча ще тридцять років тому вчені запевняли, що наявність води на планеті означатиме, що на ній є життя. Хмари – це пряме доказове наявність води.

Хоча давно відомо, що Венера теж має хмари, але вони складаються із сірчаної кислоти. У таких умовах життя неспроможна розвиватися лежить на поверхні планети.

Щоб відповісти на низку питань, вченими під егідою NASA було ухвалено рішення відправити у 2017 році супутник, який вирушить за межі Сонячної системи. Він повинен буде знайти докази наявності розумного життя за її межами.

А може коштувати пошукати не на Землі?

За твердженням багатьох дослідників, Землю періодично відвідують представники інших цивілізацій. Саме вони залишили Керченські катакомби, підземні коди під Уральськими горами, Перу, Антарктиду, які використовуються досі. Дуже добре про них написано у книгах Г. Сидорова «Хронолого-езотеричний аналіз розвитку людської цивілізації». На її сторінках багато фактів, що підтверджують наявність розумного життя за межами Сонячної системи.

До цього часу фахівці не можуть відповісти на питання, як будувалися піраміди в Єгипті, Мексиці та Перу. Цілком розумно припустити, що їх споруджували представники

Важко знайти людину, яка б не ставила питання про те, як зародилося життя на Землі. Ідей щодо цього достатньо, від Біблії та Дарвіна до сучасної теоріїеволюції, яка безперервно зазнає змін відповідно до новітніх відкриття вчених.

Про динозаврів, природно, всі чули, бачили їх у фільмах та музеях, і мало хто заперечує їхнє історичне існування.

Хоча до 1842 року людство навіть і не здогадувалося, що знайдені в різних місцях планети кістки гігантських тварин належали до одного типу, називаючи їх "драконами" або приписуючи останки титанам, що боролися у Троянській війні. Знадобилося прозріння вчених, які зіставили дані та дали назву дивовижним останкам: динозаври. А сьогодні ми чудово знаємо, як виглядали ці вимерлі мільйони років тому велетенські ящери, описали безліч їхніх видів, і кожна дитина в курсі, хто вони такі.

Той факт, що ці гігантські плазуни з'явилися на Землі 225-250 мільйонів років тому і вимерли геть-чисто приблизно 66 мільйонів років до нашого літочислення, не шокує більшість простого народу, який не цікавиться в деталях наукою. Звичайно, ми також пам'ятаємо споріднених динозаврів крокодилів, які беруть свій початок як вид 83 мільйони років тому, і зуміли вижити з тих незапам'ятних часів. Але ці цифри рідко співвідносяться в нашій свідомості в масштабі.

Скільки років людству?

Не багатьом відомий і вік сучасного вигляду Homo Sapiens, що означає людина розумна, яку вчені оцінюють лише у 200 тисяч років. Тобто вік людства як виду у 1250 разів менший, ніж вік класу рептилій, до яких належали і динозаври.

Помістити в свідомість і впорядкувати ці дані необхідно, якщо ми хочемо збагнути, як з'явилося життя на нашій планеті спочатку. І звідки взялися самі люди, котрі сьогодні намагаються зрозуміти це життя?

Сьогодні секретні матеріали вчених стали надбанням публіки. Шокуюча історія експериментів останніх років, які переписали теорію еволюції та пролили світло на те, як почалося життя на нашій планеті, підірвали багаторічні усталені догми. Таємниці генетики, зазвичай доступні лише вузькому колу “посвячених”, дали однозначну відповідь припущення Дарвіна.

Виду Homo Sapiens (людина розумна) всього 200 тисяч років. А нашій планеті 4,5 мільярди!

Секретні матеріали

Усього якихось століть тому за подібні ідеї можна було чекати страти на багатті. Джордано Бруно спалили за брехню трохи більше 400 років тому, у лютому 1600 року. Але сьогодні підпільні дослідження сміливих першопрохідців стали надбанням громадськості.

Ще 50 років тому батьки через незнання частенько виховували дітей інших чоловіків, навіть сама мати не завжди знала правду. Сьогодні ж встановити батьківство – рядовий аналіз. Кожен з нас може замовити аналіз ДНК та дізнатися, хто були його предки, чия кров тече у його чи її жилах. Слід поколінь назавжди відображений у генетичному коді.

Саме в цьому коді і міститься відповідь на найбільш актуальне питання, яке займає уми людства: як почалося життя?

Секретні матеріали вчених розкривають історію прагнення визначити єдино правильну відповідь. Це історія про завзятість, наполегливість і приголомшливу креативність, що охоплює найбільші відкриття сучасної науки.

У своєму прагненні зрозуміти, як зародилося життя, люди вирушили на дослідження найдальших куточків планети. У ході цих пошуків деякі вчені отримали тавро «извергів» за свої експерименти, а іншим доводилося проводити їх під пильною увагою тоталітарного ладу.

Як почалося життя Землі?

Мабуть, це найскладніше з усіх питань. Протягом тисячоліть абсолютна більшість людей пояснювали це однією тезою – життя створили боги. Інші пояснення були просто немислимі. Але згодом ситуація змінилася. Все минуле століття вчені намагалися розібратися, яким саме саме зародилося перше життя на планеті, пише Майкл Маршалл для BBC.

Більшість сучасних учених, які вивчають походження життя, впевнені, що вони рухаються у вірному напрямку - а експерименти, що проводяться, тільки закріплюють їх впевненість. Відкриття Ньютонів від генетики переписують книгу знань від першої сторінки до останньої.

• Нещодавно вчені виявили найдавнішого предка людини, яка жила на планеті приблизно 540 мільйонів років тому. Саме від цього “зубастого мішка” і походять усі хребетні, вважають дослідники. Розмір загального предка був лише з міліметр.
• Сучасним дослідникам навіть вдалося створити перший напівсинтетичний організм із фундаментальними змінами в ДНК. Ми вже зовсім поруч із синтезом нових білків, тобто цілком штучним життям. Всього за кілька століть людство зуміло освоїти створення нового типу живих організмів.
• Не лише ми створюємо нові організми, а й впевнено редагуємо вже існуючі. Вчені навіть створили "програмне забезпечення", що дозволяє за допомогою клітинних інструментів редагувати ланцюжок ДНК. До речі, лише 1% ДНК несе генетичну інформацію, вважають дослідники. Навіщо ж потрібні інші 99%?
• ДНК настільки універсальна, що на ній можна зберігати інформацію як на жорсткому диску. На ДНК вже записали фільм і зуміли завантажити інформацію назад без проблем, як раніше брали файли з дискети.

Вважаєте себе освіченою та сучасною людиною? Тоді ви просто повинні це знати.

Хоча відкриття ДНК датується 1869 роком, тільки 1986 ці знання вперше використовували в криміналістиці.

Перед вами історія зародження життя на Землі

Життя старе. Динозаври – це, мабуть, найбільш відомі з усіх істот, що вимерли, але і вони з'явилися всього 250 мільйонів років тому. Перше життя на планеті зародилося набагато раніше.

Найдавнішим скам'янілостям, за оцінками експертів, близько 3,5 мільярда років. Іншими словами, вони в 14 разів старші за перші динозаври!

Однак і це не межа. Наприклад, у серпні 2016 року було знайдено викопні бактерії, вік яких становить 3,7 мільярда років. Це в 15 тисяч разів старше за динозаврів!

Сама Земля ненабагато старша за ці бактерії – наша планета остаточно сформувалася близько 4,5 мільярдів років тому. Тобто перше життя на Землі зародилося досить "швидко", вже через якихось 800 мільйонів років на планеті існували бактерії - живі організми, які, згідно з вченими, зуміли з часом ускладнитися і започаткувати спочатку прості організми в океані, а в кінці -Кінців, і самому людському роду.

Нещодавнє повідомлення з Канади підтверджує ці дані: вік найстаріших бактерій оцінюється від 3,770 до 4,300 мільярдів років. Тобто життя на нашій планеті, цілком можливо, зародилося "якихось" 200 мільйонів років після його утворення. Знайдені мікроорганізми мешкали на залозі. Останки їх знайшли в кварцових породах.

Якщо припустити, що життя зародилося на Землі - що звучить розумно, враховуючи, що на інших космічних тілах ми її ще поки не знайшли, ні на інших планетах, ні на уламках занесених з космосу метеоритів, то це мало статися в тому тимчасовому проміжку. , що охоплює мільярд років між моментом, коли планета остаточно сформувалася, і датою появи знайдених у наш час скам'янілостей.

Отже, звузивши цікавий для нас період часу, спираючись на останні дослідження, можна припустити, яким саме було перше життя на Землі.

Вчені відтворили вигляд доісторичних гігантів за скелетами, знайденими під час розкопок.

Кожен живий організм складається з клітин (і ви теж)

Ще в 19-му столітті біологи встановили, що всі живі організми складаються з «клітин» – крихітних згустків органічної матерії різних форм та розмірів.

Вперше клітини були виявлені ще в 17-му столітті – одночасно з винаходом щодо потужних мікроскопів, але лише через півтора століття вчені дійшли єдиного висновку: клітини – це основа всього життя на планеті.

Зрозуміло, зовні людина не схожа ні на риб, ні на динозаврів, але достатньо лише поглянути в мікроскоп, щоб переконатися, що люди складаються практично з тих самих клітин, що й представники тваринного світу. Більше того, ті ж клітини лежать в основі рослин та грибів.

Всі організми складаються з клітин, включаючи вас.

Найчисленніша форма життя – одноклітинні бактерії

На сьогоднішній день найчисленнішими формами життя можна сміливо назвати мікроорганізми, кожен з яких складається лише з однієї клітини.

Найвідоміший вид подібного життя – це бактерії, що мешкають у будь-якій точці земної кулі.

У квітні 2016 року вчені представили оновлену версію «дерева життя»: свого роду генеалогічного дерева для кожного виду живих організмів. Абсолютна більшість "гілок" цього дерева займають бактерії. Понад те, форма дерева дозволяє припустити, що предком всього життя Землі була бактерія. Іншими словами, все різноманіття живих організмів (у тому числі і ви) походить від однієї-єдиної бактерії.

Таким чином ми можемо точніше підійти до питання зародження життя. Щоб відтворити ту саму першоклітинку, потрібно максимально точно відтворити умови, що панували на планеті понад 3,5 мільярда років тому.

Тож наскільки це важко?

Одноклітинні бактерії - найпоширеніша форма життя Землі.

Початок експериментів

Протягом багатьох століть питання «з чого почалося життя?» практично не ставився всерйоз. Адже, як ми вже згадали на самому початку, відповідь була відома: життя створене Творцем.

Аж до 19 століття більшість людей вірили в «віталізм». Це вчення засноване на ідеї про те, що всі живі істоти наділені особливою надприродною силою, що відрізняє їх від неживих предметів.

Ідеї ​​віталізму часто перегукувались із релігійними постулатами. У Біблії говориться, що Бог за допомогою «дихання життя» пожвавив перших людей, і що безсмертна душа – це один із проявів віталізму.

Але є одна проблема. Ідеї ​​віталізму докорінно невірні.

На початку 19-го століття вчені виявили кілька речовин, які були лише у живих істот. Однією з таких речовин була сечовина, що міститься в урині, і отримати її вдалося 1799 року.

Це відкриття, проте, не суперечило концепції віталізму. Сечовина з'являлася лише в живих організмах, тому, можливо, вони були наділені особливою життєвою енергією, яка й робила їх унікальними.

Смерть віталізму

Але в 1828 німецький хімік Фрідріх Велер зумів синтезувати сечовину з неорганічної сполуки - ціанату амонію, який ніяк не був пов'язаний з живими істотами. Його експеримент змогли повторити інші вчені, і незабаром стало ясно, що всі органічні сполуки можна отримати з простих – неорганічних.

Це поклало край віталізму як наукової концепції.

Але позбавитися своїх переконань людям було досить важко. Факт того, що в органічних сполуках, властивих тільки живим істотам, насправді немає нічого особливого, для багатьох начебто позбавив життя елемента чаклунства, перетворивши людей із божественних створінь чи не на машини. Зрозуміло, це суперечило Біблії.

Навіть деякі вчені продовжували виборювати віталізм. 1913 року англійський біохімік Бенджамін Мур гаряче просував свою теорію «біотичної енергії», яка, по суті, була тим самим віталізмом, але в іншій обкладинці. Ідея віталізму знайшла досить міцне коріння в людській душі на емоційному рівні.

Сьогодні ж її відображення можна знайти у найнесподіваніших місцях. Взяти, наприклад, низку науково-фантастичних історій, у яких «життєву енергію» персонажа можна поповнити чи викачати. Згадайте «енергію регенерації», якою користувалася раса Володарів Часу із серіалу «Доктор Хто». Цю енергію можна було поповнювати, якщо вона добігала кінця. Хоча ідея виглядає футуристично, але насправді це відображення старомодних теорій.

Таким чином, після 1828 року у вчених, нарешті, з'явилися вагомі причини шукати нове пояснення зародження життя, цього разу відкинувши домисли про божественне втручання.

Але шукати не почали. Здавалося б, тема досліджень напросилася сама собою, але насправді загадку походження життя не підступали ще кілька десятиліть. Можливо, всі, як і раніше, були надто прив'язані до віталізму, щоб рухатися далі.

Хімік Фрідріх Велер зумів синтезувати сечовину – органічну сполуку – з неорганічних речовин.

Дарвін та теорія еволюції

Головним проривом у галузі біологічних досліджень 19 століття стала теорія еволюції, розроблена Чарльзом Дарвіном і продовжена іншими вченими.

Теорія Дарвіна, викладена у роботі «Походження видів» 1859 року, пояснювала, як усе різноманіття тваринного світу виникло від єдиного предка.

Дарвін стверджував, що Бог не створював кожен вид живих істот окремо, а всі ці види походять від первісного організму, що з'явився мільйони років тому, який називають останнім універсальним спільним предком.

Ідея виявилася вкрай суперечливою, знову ж таки тому, що спростовувала біблійні постулати. Теорія Дарвіна зазнала запеклої критики, зокрема, від ображених християн.

Але в теорії еволюції не говорилося ні слова про те, як з'явився перший організм.

Як же з'явилося перше життя?

Дарвін розумів, що це ґрунтовне питання, але (можливо, не бажаючи вступати в черговий конфлікт з духовенством) торкнувся він його лише у листі 1871 року. Емоційний тон листа показував, що вчений усвідомлював усе глибоке значення цього питання:

«…Але якби зараз [ах, яке велике якщо!]в будь-якій теплій водоймі, що містить всі необхідні солі амонію і фосфору і доступному впливу світла, тепла, електрики тощо, хімічно утворився білок, здатний до подальших все більш складних перетворень…»

Іншими словами: уявіть собі невелику водойму, наповнену простими органічними сполуками і знаходиться під сонцем. Деякі сполук цілком можуть почати взаємодіяти, створюючи складніші речовини, на зразок білка, які, у свою чергу, також взаємодіятимуть і розвиватимуться.

Ідея була досить поверховою. Проте вона лягла в основу перших гіпотез про походження життя.

Дарвін не тільки створив теорію еволюції, але й припустив, що життя зародилося у теплій воді, насиченій необхідними неорганічними сполуками.

Революційні ідеї Олександра Опаріна

І перші кроки в цьому напрямку були зроблені зовсім не там, де ви могли б очікувати. Ви, можливо, думаєте, що такі дослідження, які мали на увазі свободу думки, повинні були проводитися у Великій Британії чи США, наприклад. Але насправді перші гіпотези про походження життя були висунуті на рідних теренах сталінського СРСР, вченим, ім'я якого ви, ймовірно, ніколи не чули.

Відомо, що Сталін закривав багато досліджень у сфері генетики. Натомість він пропагував ідеї агронома Трофима Лисенка, які, як йому здавалося, більше підходили для комуністичної ідеології. Вчені, які проводили дослідження у сфері генетики, мали публічно підтримувати ідеї Лисенка, інакше ризикуючи опинитися у таборах.

Саме в такій напруженій атмосфері доводилося проводити свої досліди біохіміку Олександру Івановичу Опаріну. Це було можливим тому, що він зарекомендував себе надійним комуністом: підтримував ідеї Лисенка і навіть отримав орден Леніна – найпочеснішу нагороду з тих, що на той час існували.

Радянський біохімік Олександр Опарін припустив, що перші живі організми сформувалися як коацервати.

Нова теорія виникнення першого життя землі

Опарін описував, що являла собою Земля у перші дні після свого формування. Планета мала гарячу поверхню і притягувала невеликі метеорити. Навколо були лише наполовину розплавлені камені, в яких містився величезний спектр хімічних речовин, багато з них ґрунтувалися на вуглеці.

Зрештою, Земля досить охолола, і випари вперше перетворилися на рідку воду, створивши таким чином перший дощ. Через деякий час на планеті з'явилися гарячі океани, які були багаті на хімічні речовини, засновані на вуглеці. Далі події могли розвиватися за двома сценаріями.

Перший мав на увазі взаємодію речовин, при якому з'являлися б складніші сполуки. Опарін припустив, що важливі для живих організмів цукор та амінокислоти могли сформуватися у водяному басейні планети.

За другого сценарію деякі речовини при взаємодії починали формувати мікроскопічні структури. Як відомо, багато органічних сполук не розчиняються у воді: наприклад, масло формує шар на поверхні води. Але деякі речовини при контакті з водою утворюють сферичні глобули, або коацервати, діаметром до 0,01 см (або 0,004 дюйма).

Спостерігаючи за коацерватами під мікроскопом, можна побачити їх схожість із живими клітинами. Вони ростуть, змінюють форму і поділяються на дві частини. Вони також взаємодіють з оточуючими сполуками, тому всередині них можуть концентруватися інші речовини. Опарін припустив, що коацервати були предками сучасних клітин.

Теорія першого життя Джона Холдейна

Через п'ять років, в 1929 році англійський біолог Джон Бердон Сандерсон Холдейн незалежно висунув свою теорію зі схожими ідеями, яка була опублікована в журналі Rationalist Annual.

Холдейн на той час вже зробив величезний внесок у розвиток теорії еволюції, сприяючи інтеграції ідей Дарвіна в науку про генетику.

І людиною він був дуже незабутнім. Одного разу в ході експерименту в декомпресійній камері він пережив розрив барабанної перетинки, про що пізніше написав наступне: “Перепонка вже гоїться, і навіть якщо в ній залишиться отвір, то, незважаючи на глухоту, звідти можна буде задумливо випускати кільця тютюнового диму, що я вважаю важливим досягненням”.

Як і Опарін, Холдейн припустив, як саме у воді могли взаємодіяти органічні сполуки: «(раніше) перші океани досягли консистенції гарячого бульйону». Це створило умови для появи перших живих або наполовину живих організмів. У цих умовах найпростіші організми могли опинитися всередині «масляної плівки».

Джон Холдейн, незалежно від Опаріна, висунув подібні ідеї про зародження перших організмів.

Гіпотеза Опаріна-Холдейна

Таким чином, першими біологами, які висунули цю теорію, стали Опарін та Холдейн. Але думка про те, що у формуванні живих організмів не брав участь Бог або навіть абстрактна « життєва сила», була радикальною. Як і теорія еволюції Дарвіна, ця думка була ляпасом для християнства.

Влада СРСР цей факт повністю влаштовував. За радянського режиму країни панував атеїзм, а влада з радістю підтримувала матеріалістичні пояснення таких складних явищ, як життя. До речі, Холдейн теж був атеїстом та комуністом.

"У ті часи на цю ідею дивилися виключно через призму власних переконань: релігійні люди сприймали її в багнети на відміну від прихильників комуністичних ідей", - розповідає Армен Мулкіджанян, експерт з питань походження життя в Оснабрюкському університеті Німеччини. «У Радянському Союзі цю ідею ухвалили з радістю, оскільки їм не потрібний був Бог. А на Заході її поділяли ті самі прихильники лівих поглядів, комуністи тощо».

Концепцію того, що життя сформувалося у «первинному бульйоні» з органічних сполук, називають гіпотезою Опаріна-Холдейна. Вона мала досить переконливий вигляд, але була одна проблема. На той момент не було проведено жодного практичного експерименту, який би довів правдивість цієї гіпотези.

Почалися такі досліди лише майже через чверть століття.

Перші експерименти зі створення життя "у пробірці"

Питанням походження життя зацікавився Гарольд Юрі, знаменитий вчений, який уже одержав на той час Нобелівську премію з хімії в 1934 році і навіть взяв участь у створенні атомної бомби.

У ході Другої світової війни Юрі брав участь у Манхеттенському проекті, займаючись збиранням нестабільного урану-235, необхідного для ядра бомби. Після закінчення війни Юрі виступав за цивільний контроль за ядерними технологіями.

Юрі зацікавився хімічними явищами, що відбуваються у відкритому космосі. А найбільший інтерес для нього були процеси, що відбувалися в період формування Сонячної системи. На одній зі своїх лекцій він зазначив, що спочатку на Землі, швидше за все, не було кисню. І ці умови були ідеальними для формування «первинного бульйону», про який говорили Опарін і Холдейн, оскільки деякі з необхідних речовин були настільки слабкими, що розчинилися при контакті з киснем.

На лекції був присутній студент докторантури на ім'я Стенлі Міллер, який звернувся до Юрі з пропозицією провести експеримент, що ґрунтується на цій ідеї. Спочатку Юрі поставився до ідеї скептично, але потім Міллер зумів його умовити.

У 1952 році Міллер провів найзнаменитіший експеримент із усіх, що були пов'язані з поясненням походження життя на Землі.

Експеримент Стенлі Міллера став найвідомішим історія вивчення зародження живих організмів на планеті.

Найзнаменитіший експеримент про походження життя на Землі

Підготовка не зайняла багато часу. Міллер з'єднав ряд скляних колб, за якими циркулювали 4 речовини, які, ймовірно, існували на ранній Землі: кипляча вода, водень, аміак і метан. Гази зазнавали систематичних іскрових розрядів – це була симуляція ударів блискавок, які були звичним явищем на ранній Землі.

Міллер виявив, що «вода в колбі помітно порозовів після першого дня, а після першого тижня розчин помутнішав і набув темно-червоного кольору». В наявності було формування нових хімічних сполук.

Коли Міллер проаналізував склад розчину, він виявив, що в ньому містяться дві амінокислоти: гліцин та аланін. Як відомо, амінокислоти часто описуються як будівельні блоки життя. Ці амінокислоти використовуються у формуванні білків, які контролюють більшість біохімічних процесів у нашому організмі. Міллер буквально створив з нуля два найважливіші компоненти живого організму.

У 1953 році результати досвіду були опубліковані в престижному журналі Science. Юрі благородним, хоч і не властивим вченим його віку, жестом прибрав своє ім'я із заголовка, залишивши всю славу Міллеру. Але незважаючи на це дослідження зазвичай називають «Експериментом Міллера-Юрі».

Значення експерименту Міллера-Юрі

«Цінність експерименту Міллера-Юрі полягає в тому, що він показує, що навіть у простій атмосфері може бути утворена безліч біологічних молекул», говорить Джон Сазерленд, вчений Кембриджської лабораторії молекулярної біології.

Не всі деталі експерименту були точними, як з'ясувалося пізніше. Насправді дослідження показали, що у атмосфері ранньої Землі перебували інші гази. Але це не применшує значення експерименту.

«Це був знаковий експеримент, який приголомшив уяву багатьох, і саме тому на нього посилаються й досі», каже Сазерленд.

У світлі експерименту Міллера багато вчених почали шукати способи створення простих біологічних молекул з нуля. Відповідь питанням «Як почалося життя Землі?», здавалося, був зовсім поруч.

Але потім виявилося, що життя набагато складніше, ніж можна собі уявити. Живі клітини, як з'ясувалося, це просто набір хімічних сполук, а складні маленькі механізми. Раптом створення живих клітин з нуля перетворилося на значно серйознішу проблему, ніж на те очікували вчені.

Вивчення генів та ДНК

На початку 50-х років 20-го століття вчені вже далеко відійшли від думки, що життя було подарунком богів.

Натомість вони почали вивчати можливість стихійного та природного виникнення життя на ранній Землі – і завдяки знаковому експерименту Стенлі Міллера у цієї ідеї почали з'являтися докази.

Поки Міллер намагався створювати життя з нуля, інші вчені розбиралися, з чого складаються гени.

До цього моменту вже було вивчено більшість біологічних молекул. До них відносяться цукор, жири, білки та нуклеїнові кислоти, на кшталт “дезоксирибонуклеїнової кислоти” – вона ж ДНК.

Сьогодні всі знають, що ДНК містять наші гени, але для біологів 1950-х років це було справжнім шоком.

Білки мали складнішу структуру, через що вчені вважали, що генна інформація міститься саме в них.

Теорія була спростована 1952 року вченими з Інституту Карнегі – Алфредом Херші та Мартою Чейз. Вони вивчали прості віруси, що складаються з білка та ДНК, які розмножувалися шляхом зараження інших бактерій. Вчені з'ясували, що у бактерії проникає вірусна ДНК, а не білок. З цього було зроблено висновок, що ДНК є генетичним матеріалом.

Відкриття Херші та Чейз стало початком гонки, метою якої було вивчення структури ДНК та принципів її роботи.

Марта Чейз та Алфред Херші відкрили, що ДНК несе генетичну інформацію.

Спіральна структура ДНК - одне з найважливіших відкриттів 20 століття

Першими до вирішення питання прийшли Френсіс Крік та Джеймс Вотсон з Кембриджського університету, не без неодооціненої допомоги своєї колеги, Розалінд Франклін. Сталося це через рік після дослідів Херші та Чейз.

Їх відкриття стало одним із найважливіших у 20-му столітті. Це відкриття змінило погляд пошуки витоків походження життя, розкриваючи неймовірно складний пристрій живих клітин.

Вотсон і Крик виявили, що ДНК є подвійною спіраль (подвійний гвинт), яка схожа на вигнуті сходи. Кожен із двох «полюсів» цих сходів складається з молекул, званих нуклеотидами.

Ця структура дає зрозуміти, як клітини копіюють свою ДНК. Іншими словами, стає зрозумілим, як батьки передають копії своїх генів дітям.

Важливо зрозуміти, що подвійну спіраль можна розв'язати. Це відкриє доступ до генетичного коду, що складається з послідовності генетичних основ (A, T, C і G), зазвичай укладеного всередині «східців» сходів ДНК. Кожна нитка потім використовується як шаблон під час створення копії інший.

Цей механізм дозволяє генам передаватися у спадок із самого виникнення життя. Ваші власні гени зрештою беруть свій початок у стародавньої бактерії - і при кожній їх передачі використовувався той самий механізм, що виявили Крик і Вотсон.

Перед громадськістю вперше розкрилася одна з найпотаємніших таємниць життя.

Структура ДНК: 2 кістяки (антипаралельні ланцюжки) та пари нукледотидів.

Завдання ДНК

Як з'ясувалося, завдання ДНК лише одне. Ваша ДНК повідомляє клітинам вашого тіла, як потрібно створювати білки (протеїни) - молекули, що виконують безліч важливих завдань.

Без білків ви не змогли б перетравлювати їжу, ваше серце перестало битися, а дихання зупинилося б.

Але відтворення процесу формування білків за допомогою ДНК насправді виявилося надзвичайно важким завданням. Кожен, хто намагався пояснити походження життя, просто не міг зрозуміти, як щось настільки складне взагалі могло самостійно з'явитися та розвинутися.

Кожен білок - це по суті довгий ланцюг амінокислот, пов'язаних у певному порядку. Цей порядок визначає тривимірну форму білка і, отже, його призначення.

Ця інформація кодується в послідовності основ ДНК. Отже, коли клітині необхідно створити конкретний білок, вона зчитує відповідний ген ДНК, щоб побудувати потім задану послідовність амінокислот.

Що таке РНК?

У процесі використання ДНК клітинами один аспект.

• ДНК – це дорогоцінний ресурс клітини. Тому клітини вважають за краще не звертатися до ДНК при кожній дії.
• Натомість клітини копіюють інформацію з ДНК у малі молекули іншої речовини під назвою РНК (рибонуклеїнова кислота).
• РНК схожа на ДНК, однак у неї лише один ланцюжок.

Якщо провести аналогію між ДНК та бібліотечною книгою, то РНК тут буде виглядати як сторінка з коротким змістомкниги.

Процес перетворення інформації через ланцюг РНК на білок завершується за допомогою дуже складної молекули під назвою «рибосома».

Цей процес відбувається у кожній живій клітині, навіть у найпростіших бактеріях. Для підтримки життя він важливий так само, як їжа та дихання.

Таким чином, будь-яке пояснення появи життя має показати, як виникло і як почало працювати складне тріо, куди входять ДНК, РНК та рибосоми.

Різниця між ДНК та РНК.

Все набагато складніше

Теорії Опаріна і Холдейна тепер здавалися наївними і простими, а експеримент Міллера, під час якого було створено кілька амінокислот, необхідні формування білка, виглядав дилетантським. На довгому шляху створення життя його дослідження, нехай і продуктивне, явно було лише першим кроком.

"ДНК змушує РНК робити білок, і все це в закритому мішечку хімічних речовин", - каже Джон Сазерленд. - «Ви дивіться на це і дивуєтесь, наскільки це складно. Що нам зробити, щоб знайти органічну сполуку, яка робитиме все це за один раз?»

Можливо, життя почалося з РНК?

Першим на це запитання спробував відповісти британський хімік Леслі Орджел. Він одним із перших побачив модель ДНК, створену Криком і Вотсоном, а пізніше допомагав НАСА в рамках програми «Вікінг», у ході якої на Марс було відправлено посадкові модулі.

Орджел мав намір спростити завдання. У 1968 році за підтримки Крику він припустив, що в перших живих клітинах не було ні білків, ні ДНК. Навпаки, вони майже повністю складалися з РНК. І тут первинні молекули РНК мали бути універсальними. Наприклад, їм потрібно було створювати власні копії, мабуть, використовуючи той самий механізм утворення пар, як і ДНК.

Думка про те, що життя почалося з РНК, мало неймовірний вплив на всі подальші дослідження. І стала причиною запеклих дебатів у науковій спільноті, які не вщухають і донині.

Припускаючи, що життя почалося з РНК і ще одного елемента, Орджел припустив, що з найважливіших аспектів життя – здатність самовідтворення – виник раніше інших. Можна сказати, що він розмірковував не лише про те, як уперше з'явилося життя, а говорив про саму сутність життя.

Багато біологів погодилися з ідеєю Орджела у тому, що «відтворення було першим». Теоретично еволюції Дарвіна здатність до продовження роду стоїть на чільному місці: це єдиний спосіб для організму «виграти» в цій гонці – тобто залишити після себе численних дітей.

Леслі Орджел висунув ідею, що перші клітини функціонували з урахуванням РНК.

Поділ на 3 табори

Але для життя характерні й інші особливості, причому однаково важливі.

Найочевидніша з них – метаболізм: здатність поглинати навколишню енергію та використовувати її для виживання.

Для багатьох біологів метаболізм є визначальною характеристикою життя, здатність відтворення ставлять на друге місце.

Отже, починаючи з 1960-х років, вчені, що б'ються над загадкою походження життя, почали ділитися на 2 табори.

Перший стверджував, що метаболізм з'явився раніше генетики, другий дотримувався зворотної думки, пояснює Сазерленд.

Існувала і третя група, яка стверджує, що спочатку мав з'явитися якийсь контейнер для ключових молекул, який би дозволяв їм розпадатися.

«Компартменталізація мала з'явитися першою, тому що без неї метаболізм клітин втрачає будь-який сенс», пояснює Сазерленд.

Іншими словами, біля витоків життя мала стояти клітина, як це вже підкреслили Опарін і Холдейн за кілька десятків років до цього, і, можливо, ця клітина мала бути покрита простими жирами та ліпідами.

Кожна з трьох ідей набула своїх прихильників і дожила до наших днів. Вчені часом забували про холоднокровний професіоналізм і сліпо підтримували одну з трьох ідей.

В результаті, наукові конференції з цього питання часто супроводжувалися скандалами, а журналісти, які висвітлюють ці події, часто чули неприємні відгуки вчених одного табору про роботу своїх колег із двох інших.

Завдяки Орджел, думка про те, що життя почалося з РНК, наблизила громадськість ще на крок вперед до розгадки.

А у 1980-х роках відбулося приголомшливе відкриття, яке фактично підтвердило гіпотезу Орджела.

Що було першим: контейнер, метаболізм чи генетика?

Отже, наприкінці 1960-х років у пошуках відповіді на загадку походження життя на планеті вчені розділилися на 3 табори.

1. Перші були певні, що життя почалося з формування примітивних версій біологічних клітин.
2. Другі вважали, що першим та ключовим кроком була система метаболізму.
3. Треті ж сфокусувалися на важливості генетики та відтворення (реплікації).

Цей третій табір намагався зрозуміти, як міг виглядати перший реплікатор, тримаючи в голові ідею, що реплікатор повинен складатися з РНК.

Багатолика РНК

До 1960-х років у вчених накопичилося чимало причин вважати, що РНК була джерелом життя.

До цих причин ставився той факт, що РНК могла робити те, чого не могла ДНК.

Будучи одноланцюжковою молекулою, РНК могла згинатися, надаючи собі різних форм, що було недоступно для жорсткої ДНК з двома ланцюгами.

Складається ніби орігамі РНК сильно нагадувала своєю поведінкою білки. Адже білки – це такі самі довгі ланцюжка, але які з амінокислот, а чи не нуклеотидів, що дозволяє їм створювати складніші структури.

Це і є ключ до найдивовижнішої здатності білків. Деякі білки можуть прискорювати або «каталізувати» хімічні реакції. Ці білки називають ферментами.

Наприклад, у людських кишках міститься чимало ферментів, що розбивають складні молекули їжі на прості (на кшталт цукру) – тобто такі, які надалі використовуються нашими клітинами. Жити без ферментів було б просто неможливо. Наприклад, недавня смерть зведеного брата корейського лідера в аеропорту Малайзії була викликана тим, що в його організмі припинив функціонувати фермент (ензим), дія якого пригнічує нервовий реагент VX - в результаті паралізується робота системи дихання і людина помирає протягом декількох хвилин. Такі важливі роботи нашого організму ферменти.

Леслі Орджел та Френсіс Крік висунули чергову гіпотезу. Якщо РНК могла складатися, як це робили білки, чи могла вона формувати ще й ферменти?

Якби це виявилося так, то РНК могла б бути оригінальною – і вкрай універсальною – живою молекулою, що зберігає інформацію (як це робить ДНК) та каталізуючою реакцією, що властиво деяким білкам.

Ідея була цікавою, але за наступні 10 років доказів на її підтримку так і не було знайдено.

Ферменти РНК

Томас Чек народився і виріс у Айові. Ще в дитинстві його пристрастю були камені та мінерали. І вже у старших класах школи він був постійним гостем у геологів місцевого університету, які показували йому моделі мінеральних структур. Зрештою він став біохіміком, зосередившись вивчення РНК.

На початку 1980-х років Чек та його колеги з Колорадського університету в Боулдері вивчали одноклітинний організм під назвою Tetrahymena thermophile. Частина цього клітинного організму включала ланцюги РНК. Чек зауважив, що один із сегментів РНК іноді відокремлюється від інших, наче його відділили ножицями.

Коли його команда виключила всі ферменти та інші молекули, які могли виступати в ролі молекулярних ножиць, РНК, як і раніше, продовжувала ізолювати цей сегмент. Тоді ж було виявлено перший фермент РНК: маленький сегмент РНК, здатний самостійно відокремлюватися від великого ланцюга, до якого він був приєднаний.

Оскільки два ферменти РНК виявили відносно швидко, вчені припустили, що їх насправді може бути набагато більше. Тепер все більше фактів говорило на користь того, що життя почалося з РНК.

Томас Чек виявив перший фермент РНК.

Світ РНК

Першим, хто дав ім'я цієї концепції став Уолтер Гілберт.

Будучи фізиком, який несподівано зацікавився молекулярною біологією, Гілберт одним із перших виступив на захист теорії про секвенування геному людини.

У 1986 році у своїй статті в журналі "Nature" Гілберт припустив, що життя почалося в так званому "Світі РНК".

Перший етап еволюції, за словами Гілберта, складався з "процесу, в ході якого молекули РНК виконували роль каталізаторів, збираючи себе в бульйоні з нуклеотидів".

Копіюючи і вставляючи різні фрагменти РНК у загальний ланцюг, молекули РНК створювали корисніші ланцюжки з урахуванням наявних. У результаті настав момент, коли вони навчилися створювати білки та білкові ферменти, які виявилися набагато кориснішими за РНК-версії, здебільшого витіснивши їх і давши початок тому життю, яке ми спостерігаємо сьогодні.

«Світ РНК» – це досить витончений спосіб створення складних живих організмів з нуля.

У цій концепції не потрібно покладатися на одночасне формування десятків біологічних молекул у «первинному бульйоні», достатньо буде однієї-єдиної молекули, з якої все й почалося.

Докази

У 2000 році гіпотеза про «Світ РНК» набула солідних доказів.

Томас Стейц провів 30 років, вивчаючи структури молекул у живих клітинах. У 90-ті роки він розпочав головне дослідження свого життя: вивчення структури рибосоми.

У кожній живій клітині є рибосома. Ця велика молекула зчитує інструкції з РНК та поєднує амінокислоти для створення білків. Рибосоми у клітинах людини вибудовують практично кожен шматочок тіла.

На той час вже було відомо, що рибосома містить РНК. Але 2000 року команда Стейца представила деталізовану модель структури рибосоми, у якій РНК постала у ролі каталітичного ядра рибосоми.

Це відкриття було серйозним, особливо враховуючи, наскільки давньою та фундаментально важливою для життя вважалася рибосома. Факт того, що настільки важливий механізм був заснований на РНК, зробив теорію «Світу РНК» набагато правдоподібнішим у наукових колах. Найбільше відкриття раділи прихильники концепції «Світу РНК», а Стейц у 2009 році отримав Нобелівську премію.

Але після цього вчені почали з'являтися сумніви.

Проблеми теорії "Світу РНК"

Теоретично «Світу РНК» спочатку було дві проблеми.

По-перше, чи могла РНК насправді виконувати всі життєво важливі функції? І чи могла вона сформуватися за умов ранньої Землі?

Пройшло вже 30 років з моменту створення Гілбертом теорії «Світу РНК», а в нас, як і раніше, немає вичерпних доказів того, що РНК справді здатна на все, що описано в теорії. Так, це напрочуд функціональна молекула, але чи достатньо однієї РНК для всіх функцій, що їй приписуються?

В очі впадала одна нестикування. Якщо життя почалося з молекули РНК, то, отже, РНК вміє створювати свої копії чи репліки.

Але цієї можливості немає в жодної з усіх відомих РНК. Для створення точної копії фрагмента РНК або ДНК потрібна безліч ферментів та інших молекул.

Тому наприкінці 80-х група біологів розпочала досить відчайдушні дослідження. Вони мали намір створити РНК, здатну до самореплікації.

Спроби створити РНК, що самовідтворюється.

Джек Шостак із Гарвардської медичної школи був першим із цих дослідників. З раннього дитинства він був настільки захоплений хімією, що навіть перетворив свій підвал на лабораторію. До своєї безпеки він ставився з нехтуванням, що одного разу призвело до вибуху, який пригвоздив скляну колбу до стелі.

На початку 80-х Шостак наочно продемонстрував, як людські гени захищають себе від старіння. Це раннє дослідження пізніше приведе його до лауреатів Нобелівської премії.

Але незабаром він перейнявся дослідженнями Чека, пов'язаними з ферментами РНК. "Я вважаю, що це неймовірна робота", – каже Шостак. – «В принципі, цілком імовірно, що РНК може бути каталізатором для створення власних копій».

У 1988 році Чек виявив фермент РНК, здатний формувати малу молекулу РНК завдовжки 10 нуклеотидів.

Шостак вирішив піти далі і створити нові ферменти РНК в лабораторії. Його команда створила набір випадкових послідовностей і протестувала кожну, щоб знайти хоча б одну, яка мала б здібності каталізатора. Далі послідовності змінювалися, і тест продовжувався.

Після 10 спроб Шостак зумів створити фермент РНК, який у ролі каталізатора прискорював реакцію у 7 мільйонів разів швидше, ніж це відбувається у природному середовищі.

Команда Шостака довела, що ферменти РНК можуть бути дуже потужними. Але їхній фермент не міг створювати свої репліки. Це був глухий кут для Шостака.

Фермент R18

У 2001 році наступний прорив зробив колишній учень Шостака - Девід Бартель з Массачусетського технологічного інституту в Кембриджі.

Бартель створив фермент РНК під назвою R18, який міг додавати нові нуклеотиди в ланцюжок РНК на основі існуючих.

Іншими словами, фермент не просто додавав випадкові нуклеотиди, а точно копіював послідовність.

До молекул, що самовідтворюються, було ще далеко, але напрямок був вірним.

Фермент R18 складався з ланцюжка, куди входило 189 нуклеотидів, і міг додавати до нього ще 11 - тобто 6% від своєї довжини. Дослідники сподівалися, що ще через кілька дослідів ці 6% вдасться перетворити на 100%.

Найудачливішим у цьому полі виявився Філіп Холлігер з Лабораторії молекулярної біології у Кембриджі. У 2011 році його команда модифікувала фермент R18, створивши фермент tC19Z, який міг копіювати послідовність до 95 нуклеотидів. Це становило 48% його довжини більше, ніж у R18, але явно не необхідні 100%.

Джеральд Джойс і Трейсі Лінкольн з Дослідницького інституту Скрипса в Ла-Холья представили альтернативний підхід до питання. 2009 року вони створили фермент РНК, який створює свою репліку побічно.

Їхній фермент об'єднує два короткі фрагменти РНК і створює інший фермент. Той, своєю чергою, поєднує два інших фрагменти РНК, щоб відтворити оригінальний фермент.

За наявності вихідних матеріалів цей простий цикл може тривати нескінченно. Але ферменти працюють належним чином тільки якщо є потрібні ланцюги РНК, створені Джойсом і Лінкольн.

Для багатьох вчених, які скептично ставляться до ідеї «Світу РНК», відсутність самостійної реплікації РНК – це головна причина скепсису. РНК просто не справляється з участю автора всього життя.

Не додають оптимізму та невдачі хіміків у створенні РНК із нуля. І хоча РНК – це набагато простіша молекула, ніж ДНК, її створення виявилося неймовірною проблемою.

Перші клітини, швидше за все, розмножувалися поділом.

Проблема у цукрі

Вся справа в цукрі, що присутня в кожному нуклеотиді, і основі нуклеотиду. Їх реально створити окремо, але зв'язати їх воєдино неможливо.

На початку 90-х ця проблема вже була очевидною. Багатьох біологів вона переконала в тому, що гіпотеза «Світу РНК», хоч би якою привабливою вона здавалася, все-таки залишається лише гіпотезою.

• Можливо, на ранній Землі спочатку існувала інша молекула: простіше, ніж РНК, і зуміла зібратися з «первинного бульйону», а потім розпочати самовідтворення.
• Можливо, першою була ця молекула, а вже після неї з'явилися РНК, ДНК та інші.

Поліамідна нуклеїнова кислота (ПНК)

У 1991 році Петер Нільсен з Копенгагенського університету в Данії, здавалося, знайшов відповідного кандидата на роль первинного реплікатора.

Насправді, це була значно вдосконалена версія ДНК. Нільсен залишив основу незмінною – стандартні A, T, C та G – але замість молекул цукру використовував молекули під назвою поліаміди.

молекулу, що вийшла, він назвав поліамідною нуклеїновою кислотою, або ПНК. Однак, з часом розшифровка абревіатури чомусь перетворилася на «пептидна нуклеїнова кислота».

У природі ПНК немає. Але її поведінка сильно нагадує поведінку ДНК. Ланцюг ПНК навіть може замінити ланцюг у молекулі ДНК, і підстави спарюються як завжди. Понад те, ПНК може закручуватися в подвійну спіраль, як ДНК.

Стенлі Міллер був заінтригований. З глибоким скепсисом ставлячись до концепції «Світу РНК», він вважав, що ПНК краще на роль першого генетичного матеріалу.

2000 року він підкріпив свою думку доказами. До того моменту йому вже було 70 років і він пережив кілька інсультів, після яких міг би опинитися і в будинку для людей похилого віку, проте здаватися він не збирався.

Міллер повторив свій класичний експеримент, описаний раніше, цього разу використовуючи метан, азот, аміак та воду, і отримав у результаті поліамідну основу ПНК.

З цього випливало, що на ранній Землі цілком могли бути умови для появи ПНК, на відміну від РНК.

Поведінка ПНК нагадує ДНК.

Треозо-нуклеїнова кислота (ТНК)

Тим часом, інші хіміки створили власні нуклеїнові кислоти.

В 2000 Альберт Ешенмозер створив треозо-нуклеїнову кислоту (ТНК).

По суті це була та сама ДНК, але з іншим видом цукру в основі. Ланцюги ТНК могли утворювати подвійну спіраль, а інформація могла передаватися з РНК ТНК і назад.

Понад те, ТНК могла утворювати і складні форми, зокрема і форму білка. Це натякало те що, що ТНК могла виконувати роль ферменту, як і РНК.

Гліколь-нуклеїнова кислота (ГНК)

У 2005 році Ерік Меггерс створив глікольнуклеїнову кислоту, також здатну утворювати спіраль.

У кожної з цих нуклеїнових кислот були свої прихильники: зазвичай самі творці кислот.

Але в природі від подібних нуклеїнових кислот не залишилося ні сліду, тож навіть якщо припустити, що їх використало перше життя, то на якомусь етапі вона мала відмовитися від них на користь РНК та ДНК.

Звучить правдоподібно, але не підкріплюється доказами.

Гарна була концепція, але…

Таким чином, до середини першого десятиліття 21-го століття прихильники концепції «Світу РНК» опинилися у скрутному становищі.

З одного боку, ферменти РНК існували в природі і включали один з найважливіших фрагментів біологічних механізмів - рибосому. Це не погано.

Але, з іншого боку, в природі не було знайдено РНК, що самовідтворюється, і ніхто так і зміг пояснити, як саме сформувалася РНК в «первинному бульйоні». Останнє могло пояснюватись альтернативними нуклеїновими кислотами, але й їх у природі вже (або ніколи) не існувало. Це погано.

Вердикт до всієї концепції «Світу РНК» був очевидним: концепція хороша, але не вичерпна.

А тим часом ще з середини 80-х років повільно розвивалася інша теорія. Її прихильники запевняли, що життя почалося не з РНК, ДНК чи будь-якої іншої генетичної субстанції. На їхню думку, життя зародилося як механізм використання енергії.

Спершу енергія?

Отже, з роками вчені, які займаються питаннями походження життя, розділилися на 3 табори.

Представники першого були переконані, що життя почалося з молекули РНК, але їм не вдалося з'ясувати, як молекулам РНК або подібним до РНК вдалося спонтанно з'явитися на ранній Землі та почати самовідтворення. Успіхи вчених спочатку захоплювали, але в результаті дослідники прийшли в глухий кут. Однак, навіть коли ці дослідження були в розпалі, вже знайшлися ті, хто був упевнений, що життя зародилося зовсім інакше.

Теорія «Світу РНК» спирається просту ідею: найважливіша функція організму – це здатність до продовження роду. З цим згодні більшість біологів. Усі живі істоти – від бактерій до синіх китів – прагнуть залишити потомство.

Тим не менш, багато дослідників цього питання не згодні, що репродуктивна функція стоїть на першому місці. Вони кажуть, що до початку розмноження організм має стати самодостатнім. Він має бути здатний підтримувати життя у собі. Зрештою, не вдасться завести дітей, якщо до цього померти.

Ми підтримуємо життя за допомогою їжі, тоді як рослини поглинають енергію із сонячного світла.

Так, хлопець, який із задоволенням уплітає соковиту відбивну, явно не схожий на віковий дуб, але по суті вони обоє поглинають енергію.

Поглинання енергії є основою життя.

Метаболізм

Говорячи про енергію живих істот, ми маємо справу з метаболізмом.

1. Перший етап - це отримання енергії, припустимо, з речовин, багатих на енергію (наприклад, цукор).
2. Другий - використання енергії для побудови корисних клітин в організмі.

Процес використання енергії надзвичайно важливий, і багато дослідників впевнені, що саме він став тим, з чого почалося життя.

Але як могли виглядати організми з лише функцією метаболізму?

Перше та найвпливовіше припущення було висунуто Гюнтером Вахтершаузером наприкінці 80-х років 20-го століття. За професією він був патентним юристом, але мав пристойні знання в галузі хімії.

Вахтершаузер припустив, що перші організми «дивовижно відрізнялися від усього, що ми знаємо». Вони не складалися з кліток. Вони не мали ферментів, ДНК чи РНК.

Для наочності Вахтершаузер описав потік гарячої води, що з вулкана. Вода була насичена вулканічними газами типу аміаку та містила частинки мінералів із центру вулкану.

У місцях, де потік протікав скелями, починалися хімічні реакції. Метали, що містяться у воді, сприяли створенню великих органічних сполук більш простих.

Метаболічний цикл

Поворотним моментом стало створення першого метаболічного циклу.

У ході цього процесу одна хімічна речовина перетворюється на кілька інших, і так далі, поки в результаті все не приходить до відтворення першої речовини.

Під час процесу вся система, що бере участь у метаболізмі, накопичує енергію, яку можна використовувати для перезапуску циклу або для запуску якогось нового процесу.

Решта, ніж наділені сучасні організми (ДНК, клітини, мозок), з'явилося пізніше, причому з урахуванням цих хімічних циклів.

Метаболічні цикли не дуже схожі на життя. Тому Вахтершаузер називав свої винаходи прекурсорними організмами і писав, що їх навряд чи можна називати живими.

Але описані Вахтершаузером метаболічні цикли завжди стоять у центрі будь-якого живого організму.

Ваші клітини – це насправді мікроскопічні заводи, які невпинно розщеплюють одні речовини, перетворюючи їх на інші.

Метаболічні цикли, незважаючи на «механічність», є фундаментально важливими для життя.

Дві останні декади 20 століття Вахтершаузер присвятив своїй теорії, опрацьовуючи її в деталях. Він описав, які мінерали підійшли б краще за інші і які хімічні цикли могли мати місце. Його міркування почали набирати прихильників.

Експериментальне підтвердження

У 1977 році команда Джека Корлісса з Університету штату Орегон здійснила занурення у води східного Тихого Океану на глибину 2,5 кілометра (1,5 милі). Вчені вивчали Галапагоське гаряче джерело у місці, де з дна піднімалися хребти гірських порід. Хребти, як було відомо, були вулканічно активними.

Корлісс виявив, що хребти були практично усіяні гарячими джерелами. Гаряча та насичена хімічними речовинами вода піднімалася з-під морського дна і випливала через отвори у скелях.

Напрочуд, але ці «гідротермальні жерла» були густо населені дивними створіннями. Це були величезні молюски кількох видів, мідії та кільчасті черв'яки.

Вода також була сповнена бактерій. Всі ці організми жили за рахунок енергії із гідротермальних жерл.

Відкриття гідротермальних жерл створило Корлісу чудову репутацію. Воно також змусило його замислитись.

Гідротермальні жерла в океані забезпечують життя організмів сьогодні. Можливо, вони й стали її першоджерелом?

Гідротермальні жерла

1981 року Джек Корлісс припустив, що подібні жерла існували на Землі 4 мільярди років тому і саме навколо них зародилося життя. Всю свою подальшу кар'єру він присвятив розробці цієї ідеї.

Корлісс припустив, що гідротермальні жерла могли створювати суміш хімічних речовин. Кожне жерло, стверджував він, було чимось подібним до розпилювача «первинного бульйону».

• Бувай гаряча водатекла крізь скелі, тепло і тиск змушувало найпростіші органічні сполуки перетворюватися на складніші, на кшталт амінокислот, нуклеотидів і цукру.
• Ближче до виходу в океан, де вода була вже не такою гарячою, вони починали утворювати ланцюги, формуючи вуглеводи, білки та нуклеотиди на кшталт ДНК.
• Потім, уже в самому океані, де вода значно охолоджувалась, ці молекули збиралися у прості клітини.

Теорія звучала розумно та привернула увагу.

Але Стенлі Міллер, чий експеримент обговорювався раніше, не поділяв ентузіазму. У 1988 році він писав, що жерла були надто гарячими для утворення в них життя.

Теорія Корліса полягала в тому, що екстремальна температура могла запустити формування речовин на кшталт амінокислот, але експерименти Міллера показували, що вона могла і знищити їх.

Ключові сполуки типу цукру могли протриматися кілька секунд.

Більше того, ці прості молекули навряд чи зуміли б утворити ланцюги, оскільки вода, що оточує, практично моментально розірвала б їх.

Тепло, ще тепліше.

У цей момент у дискусію вступив геолог Майк Расселл. Він вважав, що теорія про жерла ідеально вписується в припущення Вахтершаузера про прекурсорні організми. Ці думки привели його до створення однієї з найпопулярніших теорій щодо походження життя.

Молодість Расселла пройшла за створенням аспірину та вивченням цінних мінералів. А під час можливого виверження вулкана у 60-х він успішно координував план реагування, не маючи за спиною досвіду. Але йому було цікаво вивчати, як змінювалася поверхня Землі протягом різних епох. Можливість подивитись історію з перспективи геолога і сформувала його теорію про походження життя.

У 80-х він знайшов скам'янілості, що свідчать про те, що в давнину існували гідротермальні жерла, де температура не перевищувала 150 градусів за Цельсієм. Ці помірні температури, як він стверджував, могли дозволити молекулам протриматися набагато довше, ніж Міллер.

Більше того, в скам'янілості цих менш гарячих жерл знайшлося щось цікаве. Мінерал під назвою пірит, що складається із заліза та сірки, у вигляді трубочок довжиною в 1 міліметр.

У своїй лабораторії Рассел виявив, що пірит може формувати ще й сферичні краплі. Він припустив, що перші складні органічні молекули сформувалися саме всередині структури з піриту.

Приблизно в той же час Вахтершаузер почав публікувати свої теорії, що базуються на тому, що потік води, багатої на хімікати, вступав у взаємодію з деяким мінералом. Він навіть припустив, що цим мінералом міг бути бенкет.

2+2=?

Расселлу залишалося лише скласти 2 та 2.

Він припустив, що всередині теплих гідротермальних жерл у глибокому морі, де могли утворитися пірітові структури, сформувалися прекурсорні організми Вахтершаузера. Якщо Рассел не помилявся, то життя зародилося на глибині моря, а першим з'явився метаболізм.

Все це було викладено у статті Расселла, опублікованій у 1993 році, через 40 років після класичного експерименту Міллера.

Резонанс у пресі виник набагато менший, але важливість відкриття це не применшує. Рассел об'єднав дві різні ідеї (метаболічні цикли Вахтершаузера та гідротермальні жерла Корлісса) в одну досить переконливу концепцію.

Концепція стала ще більш вражаючою, коли Рассел поділився своїми ідеями, як перші організми поглинали енергію. Іншими словами, він пояснив, як міг працювати їхній метаболізм. Його ідея спиралася на роботу одного із забутих геніїв сучасної науки.

"Недолугі" експерименти Мітчелла

У 60-х роках біохімік Пітер Мітчелл через хворобу був змушений покинути Единбурзький університет.

Він переобладнав особняк у Корнуоллі на особисту лабораторію. Будучи відрізаним від наукового співтовариства, він фінансував свою роботу, продаючи молоко своїх домашніх корів. Багато біохіміки, зокрема і Леслі Орджел, чиї дослідження РНК обговорювалися раніше, вважали роботу Мітчелла вкрай безглуздою.

Майже через два десятки років Мітчелл переміг, отримавши Нобелівську премію з хімії в 1978 році. Знаменитим він так і не став, проте його ідеї простежуються у будь-якому підручнику з біології.

Мітчелл присвятив своє життя вивченню того, на що організми витрачають енергію, що отримується з їжі. Іншими словами, йому було цікаво, як ми залишаємося живими від секунди до секунди.

Британський біохімік Пітер Мітчелл отримав Нобелівську премію з хімії за свою роботу з відкриття механізму синтезу АТФ.

Як організм зберігає енергію

Мітчелл знав, що всі клітини зберігають енергію у конкретній молекулі – аденозинтрифосфат (АТФ). Важливо те, що до аденозину прикріплено ланцюжок із трьох фосфатів. На приєднання третього фосфату йде багато енергії, яка пізніше полягає в АТФ.

Коли клітині потрібна енергія (припустимо при скороченні м'яза), вона відсікає третій фосфат від АТФ. Це перетворює АТФ на аденозидифосфат (АДФ) і вивільняє накопичену енергію.

Мітчелл хотів зрозуміти, як клітинам спочатку вдалося створити АТФ. Як вони концентрували достатньо енергії в АДФ для того, щоб приєднався третій фосфат?

Мітчелл знав, що фермент, який утворює АТФ, знаходиться на мембрані. Він зробив висновок, що клітина закачує заряджені частинки, звані протонами, через мембрану, і тому з одного боку можна побачити безліч протонів, тоді як з іншого боку майже немає.

Потім протони намагаються повернутися в мембрану, щоб зберегти баланс з кожного боку, але вони можуть потрапити тільки в фермент. Потік протонів, що снують, і дає ферменту необхідну енергію для створення АТФ.

Мітчелл вперше висловив цю ідею 1961 року. Наступні 15 років він захищав свою теорію від нападок, незважаючи на незаперечні докази.

Сьогодні відомо, що процес, описаний Мітчеллом, властивий кожній живій істоті на планеті. Він відбувається у ваших клітинах прямо зараз. Як і ДНК, це фундаментальна частина того життя, що ми знаємо.

Для життя був потрібний природний поділ протонів

Будуючи свою теорію життя, Расселл звернув увагу на поділ протонів, показаний Мітчеллом: безліч протонів з одного боку мембрани і лише кілька – з іншого.

Всім клітинам потрібний такий поділ протонів, щоб зберігати енергію.

Сучасні клітини створюють такий поділ, викачуючи протони з мембрани, але тут задіяна складна молекулярна механіка, яка не могла просто з'явитися миттєво.

Так що Рассел зробив ще один логічний висновок: життя сформувалося там, де є природний поділ протонів.

Десь біля гідротермальних жерл. Але жерло має бути конкретного типу.

Рання Земля мала кислі моря, а кисла вода просто насичена протонами. Для поділу протонів вода у гідротермальних жерл повинна бути мізерна на протони: іншими словами, вона повинна бути лужною.

Гідротермальні жерла Корліса не підходили під цю умову. Вони не тільки були надто гарячими, а й надто насиченими кислотами.

Але в 2000 році Дебор Келлі з Вашингтонського університету виявила перші лужні гідротермальні жерла.

Доктор Дебор Келлі.

Лужні та прохолодні гідротермальні жерла

Келлі насилу вдалося стати вченою. Її батько помер, коли вона була у старших класах, і їй доводилося працювати після лекцій, щоб сплатити за навчання в університеті.

Але вона досягла успіху, а пізніше загорілася ідеєю вивчення підводних вулканів і гарячих гідротермальних джерел. Пристрасть до вивчення вулканів та підводних гарячих жерл привела її до серця Атлантичного океану. Саме тут у глибині знаходився величний гірський хребет, що височіє з океанського дна.

На цьому хребті Келлі виявила цілу мережу гідротермальних жерл, які назвала «Загубленим містом». Вони не були схожими на ті, що знайшов Корлісс.

З них текла вода температурою 40-75 градусів за Цельсієм та з невеликим вмістом лугу. Карбонатні мінерали з такої води утворювали круті білі стовпи, схожі зі стовпами диму і що височіли з дна подібно до труб органу. Незважаючи на моторошний і «примарний» вигляд, ці стовпи насправді були будинком для колоній мікроорганізмів, що мешкають у теплій воді.

Ці лужні жерла чудово підходили під теорію Расселла. Він був упевнений, що життя почалося в жерлах, схожих на жерла «Загубленого міста».

Але була одна проблема. Будучи геологом, Рассел недостатньо багато знав про біологічні клітини, щоб зробити свою теорію максимально переконливою.

Найвичерпніша теорія виникнення життя на Землі

Щоб подолати проблеми обмеженості своїх знань, Рассел об'єднався з американським біологом Вільямом Мартіном. Любитель суперечок Мартін більшу частинусвоєї кар'єри працював у Німеччині.

У 2003 році вони представили покращену версію ранньої концепції Расселла. І, мабуть, цю теорію про походження життя на Землі можна назвати найвичерпнішою з усіх існуючих.

Завдяки Келлі вони знали, що скелі лужних жерл були пористими: вони були усіяні невеликими отворами, наповненими водою. Вчені припустили, що ці отвори виконували роль клітин. У кожному їх містилися важливі речовини, на кшталт мінералів на кшталт піриту. Додайте сюди природний поділ протонів, який забезпечували жерла, та отримайте ідеальне місце для зародження метаболізму.

Як тільки життя почало використовувати хімічну енергію води з жерл, припустили Рассел і Мартін, вона почала створювати молекули на кшталт РНК. Зрештою, вона створила власну мембрану, ставши справжньою клітиною, і залишила пористу скелю, подавшись у відкриті води.

На сьогоднішній день це одна з провідних гіпотез щодо походження життя.

Останні відкриття

Серйозну підтримку ця теорія отримала у липні 2016 року, коли Мартін опублікував дослідження, в ході яких здійснювалася реконструкція деяких особливостей «останнього універсального спільного предка» (ПВОП). Це умовна назва організму, що існував мільярди років тому, який і дав початок усьому розмаїттю сучасного життя.

Нам, можливо, вже не вдасться знайти скам'янілості цього організму, але на основі всіх даних ми можемо припустити, як він виглядав і які характеристики мав, вивчивши сучасні мікроорганізми.

Саме це зробив Мартін. Він вивчив ДНК 1930 р. сучасних мікроорганізмів і виділив 355 генів, які були присутні майже в кожному з них.

Можна припустити, що саме ці 355 генів передавалися з покоління до покоління, оскільки всі ці 1930 мікробів мали спільного предка – імовірно, з тих часів, коли ще існував ПУОП.

Серед цих генів були ті, що відповідали за використання поділу протонів, але не відповідали за створення цього поділу – точно як у теорії Расселла і Мартіна.

Більше того, ПУОП, схоже, зумів адаптуватися до речовин на кшталт метану, що мало на увазі наявність вулканічно активного навколишнього середовища навколо. Тобто гідротермального жерла.

Не все так просто

Проте прихильники ідеї «Світу РНК» знайшли дві проблеми у концепції Расселла-Мартіна. Одну можна потенційно виправити, але інша могла означати крах всієї теорії.

Перша проблема полягає у відсутності експериментальних доказів того, що описані Расселлом та Мартіном процеси реально мали місце.

Так, вчені крок за кроком вибудували теорію, але жоден із кроків не був поки що відтворений у лабораторних умовах.

«Прихильники ідеї про первинну появу реплікаціїрегулярно надають результати дослідів», каже Армен Мулкіджанян, експерт із питань походження життя. «Прибічники ж ідеї про первинну появу метаболізмуцього не роблять».

Але це може незабаром змінитися завдяки колезі Мартіна, Ніку Лейну з Університетського коледжу Лондона. Лейн сконструював «реактор походження життя», який симулюватиме умови всередині лужного жерла. Він сподівається відтворити метаболічні цикли та, можливо, навіть РНК. Але поки що про це рано говорити.

Друга проблема полягає в тому, що жерла розташовані глибоко під водою. Як зазначив Міллер у 1988 році, молекули з довгими ланцюгами, на кшталт РНК та білків, не зможуть сформуватися у воді за відсутності ферментів, які не дозволять їм розпастися.

Для багатьох дослідників цей аргумент став вирішальним.

"Маючи освіту в галузі хімії, повірити в теорію з глибоководними жерлами не вийде, оскільки ви знаєте хімію і розумієте, що всі ці молекули несумісні з водою", говорить Мулкіджанян.

Тим не менш, Рассел і його прихильники не поспішають зрікатися своїх ідей.

Але в останні десятиліття на передній план вийшов третій підхід, який супроводжувався серією вкрай цікавих експериментів.

На відміну від теорій про «Світ РНК» та гідротермальні жерла, цей підхід у разі успіху обіцяв немислиме – створення живої клітини з нуля.

Як створити клітку?

На початку 21 століття існувало дві провідні концепції походження життя.

1. Прихильники «Світу РНК»стверджували, що життя почалося з молекули, що самовідтворюється.
2. Прихильники ж теорії про « первинному метаболізмі»створили детальне уявлення про те, як могло зародитися життя у глибоководних гідротермальних джерелах.

Проте на передній план вийшла третя теорія.

Кожна жива істота Землі складається з клітин. Кожна клітина - це по суті м'яка кулька з жорсткою стінкою, або мембраною.

Завдання клітини – утримувати всі життєво важливі елементи усередині. Якщо порветься зовнішня стінка, то виллються нутрощі, а клітина фактично загине – як випотрошена людина.

Зовнішня стінка клітини настільки важлива, що деякі вчені вважають, що саме вона мала з'явитися першою. Вони впевнені, що теорія про «первинну генетику» та теорія про «первинний метаболізм» докорінно невірні.

Їхня альтернатива, «первинна компартменталізація», спирається насамперед на праці П'єра Луїджі Луїзі з Університету Рома Тре в Римі.

Теорія протоклетки

Докази Луїзі прості та переконливі. Як можна уявити собі процес метаболізму або РНК, що самовідтворюється, де потрібна сила-силенна речовин в одному місці, якщо ще не існує контейнера, де молекули знаходяться в безпеці?

Висновок із цього наступний: є лише один варіант походження життя.

Якось серед спеки і буревінь ранньої Землі деякі вихідні матеріали сформували примітивні клітини, чи «протоклетки».

Щоб довести цю теорію, необхідно провести досліди у лабораторії – спробувати створити просту живу клітину.

Корінням ідеї Луїзі сягали праці радянського вченого Олександра Опаріна, про якого йшлося раніше. Опарін підкреслив, що деякі речовини формують бульбашки, які називаються коацерватами, які можуть утримувати інші речовини у своєму центрі.

Луїзі припустив, що ці коацервати були першими протоклетками.

Коацервати були першими протоклетками.

Світ ліпідів

Будь-яка жирна чи олійна речовина утворює бульбашки чи плівку на воді. Ця група речовин називається ліпідами, а теорія про те, що саме вони дали початок життя, зветься «Світом ліпідів».

Але одного формування пухирів недостатньо. Вони повинні бути стабільними, мати можливість поділу, щоб створювати «дочірні» бульбашки, і хоча б трохи контролювати потік речовин, що входять і виходять з них – все це без білків, які відповідають за дані функції в сучасних клітинах.

Отже, потрібно було створити протоклетки з корисних матеріалів. Саме цим і займався Луїзі кілька десятиліть, але нічого переконливого так і не уявив.

Протоклетка з РНК

Потім 1994 року Луїзі висловив сміливе припущення. На його думку, перші протоклетки мали утримувати РНК. Понад те, ця РНК мала вміти самовідтворюватися всередині протоклетки.

Дане припущення означало відмову від чистої «первинної компартменталізації», але в Луїзі були на те вагомі причини.

Клітина із зовнішньою стінкою, але без генів усередині, була позбавлена ​​багатьох функцій. Вона мала бути здатною ділитися на дочірні клітини, але з могла передавати інформацію себе своєму потомству. Почати розвиватися і ставати складніше клітина могла лише за наявності хоча б кількох генів.

Незабаром теорія набула солідного прихильника в особі Джека Шостака, чия робота з гіпотези «Світу РНК» обговорювалася раніше. Протягом багатьох років ці вчені були з різних боків наукового співтовариства – Луїзі підтримував ідею «первинної компартменталізації», а Шостак – «первинної генетики».

"На конференціях з питань походження життя ми завжди вступали в довгі дебати щодо того, що було важливіше і що з'явилося раніше", згадує Шостак. «Зрештою, ми зрозуміли, що клітинам необхідно і те, й інше. Ми дійшли висновку, що без компартменталізації та генетичної системи не змогло б утворитися перше життя».

У 2001 році Шостак та Луїзі об'єднали зусилля та продовжили дослідження. У статті в журналі «Nature» вони стверджували, що для створення живої клітини з нуля необхідно помістити РНК, що самовідтворюється, в просту краплю жиру.

Ідея була смілива, і незабаром Шостак повністю присвятив себе її реалізації. Справедливо розсудивши, що «не можна розписувати теорію без практичних доказів», він вирішив розпочати експерименти із протоклітками.

Везикули

Через два роки Шостак із двома колегами оголосили про великий науковий прорив.

Досліди проводилися на везикулах: сферичних краплях із двома шарами жирних кислот зовні та рідким ядром усередині.

У спробі прискорити створення везикул вчені додали частки глинистого мінералу під назвою монтморилоніт. Це прискорило формування везикул у 100 разів. Поверхня глини була каталізатором, по суті виконуючи завдання ферменту.

Більш того, везикули могли поглинати частинки монтморилоніту, так і ланцюги РНК з поверхні глини.

Завдяки простій добавці глини, в результаті протоклетки містили і гени, і каталізатор.

Рішення додати монтморилоніт виникло неспроста. Десятиліття досліджень показували, що монтморилоніт та інші глинисті мінерали були дуже важливими при зародженні життя.

Монтморіллоніт – це звичайна глина. Нині він широко використовується в побуті, наприклад, як наповнювач для котячих туалетів. Формується він при розщепленні вулканічного попелу під впливом кліматичних умов. Оскільки на ранній Землі існувало чимало вулканів, логічно припустити, що монтморилоніту було надлишку.

Ще 1986 року хімік Джеймс Ферріс довів, що монтморилоніт – це каталізатор, що сприяє формуванню органічних молекул. Пізніше він також виявив, що мінерал прискорює формування малих РНК.

Це навело Ферріса на думку, що непоказна глина була свого часу місцем появи життя. Шостак підхопив цю ідею і використав монтморилоніт при створенні протокліток.

Формування везикул за участю глини відбувалося у сотні разів швидше.

Розвиток та поділ протокліток

Через рік команда Шостака виявила, що їхні протоклетки зростають самі собою.

Принаймні додавання нових молекул РНК в протоклетку, зовнішня стінка прогиналася під наростаючим тиском. Виглядало це так, ніби протоклетка набила собі живіт і ось-ось лусне.

Щоб компенсувати тиск, протоклетки вибирали жирні кислоти і вбудовували їх у стінку, щоб продовжити безпечно роздмухуватися до великих розмірів.

Але важливим є те, що жирні кислоти бралися з інших протокліток з меншим вмістом РНК, через що ті почали стискатися. Це означало, що протоклетки змагалися, а вигравали ті, що містили більше РНК.

Це вело до вражаючих висновків. Якщо протоклетки могли зростати, чи могли вони ділитися? Чи зможе Шостак змусити протоклетки самостійно відтворюватись?

Перші досліди Шостака показали один із способів поділу протокліток. При проштовхуванні протоклеток крізь маленькі отвори вони стискалися у форму трубочок, які ділилися на «дочірні» протоклетки.

Це було круто, адже у процесі не було задіяно жодних клітинних механізмів, лише звичайний механічний тиск.

Але були й мінуси, оскільки у процесі досвіду протоклетки втрачали частину свого вмісту. Також виходило, що перші клітини могли ділитися лише під тиском зовнішніх сил, які б проштовхували їх крізь вузькі отвори.

Існує багато способів змусити везикул ділитися: наприклад, додати потужний потік води. Але треба було знайти спосіб, у якому протоклетки ділилися б, не втрачаючи свого вмісту.

Принцип цибулини

У 2009 році Шостак та його студент Тінь Чжу знайшли рішення. Вони створили трохи складніші протоклетки з кількома стінками, що трохи нагадували шари цибулини. Незважаючи на складність, створити такі протоклетки було досить просто.

Поки Чжу підживлював їх жирними кислотами, протоклетки росли і змінювали форму, подовжуючись і набуваючи ниткоподібної форми. Коли протоклетка ставала досить великою, вистачало лише невеликого застосування сили, щоб вона розпалася на маленькі дочірні протоклетки.

Кожна дочірня протоклетка містила РНК з материнської протоклетки, і майже жоден елемент РНК не губився. Більше того, протоклетки могли й надалі продовжувати цей цикл – дочірні протоклетки росли та ділилися вже самостійно.

У ході подальших дослідів Чжу та Шостак знайшли спосіб змусити протоклетки ділитися. Схоже, одну частину проблеми було вирішено.

Необхідність самокопіювальної РНК

Проте, протоклетки досі не функціонували належним чином. Луїзі бачив протоклетки в ролі носіїв РНК, що самовідтворюються, але поки що РНК просто знаходилися всередині і ні на що не впливали.

Щоб продемонструвати, що протоклетки справді були першим життям на Землі, Шостаку необхідно було змусити РНК створювати свої копії.

Завдання було не з легких, оскільки десятиліття досвідів вчених, про які ми писали раніше, так і не призвели до створення РНК, що самовідтворюється.

З цією ж проблемою зіштовхнувся сам Шостак у ході своїх ранніх робіт над теорією «Світу РНК». З того часу її, схоже, ніхто так і не вирішив.

Орджел провів 70-ті та 80-ті роки за вивченням принципу копіювання ланцюгів РНК.

Суть його проста. Потрібно взяти один ланцюг РНК і помістити його в ємність із нуклеотидами. Потім використовувати ці нуклеотиди для створення другого ланцюга РНК, який доповнить перший.

Наприклад, ланцюг РНК зразка CGC сформує додатковий ланцюг зразка GCG. Наступна копія відтворить оригінальний ланцюг «CGC».

Орджел зауважив, що за певних умов ланцюга РНК копіюються у такий спосіб без допомоги ферментів. Цілком можливо, що перше життя копіювало свої гени саме в такий спосіб.

До 1987 року Орджел міг створювати додаткові ланцюга довжиною в 14 нуклеотидів в ланцюжках РНК, чия довжина дорівнювала 14 нуклеотидам.

Недостатній елемент

Адамала та Шостак виявили, що для реакції необхідний магній. Це було проблематично, оскільки магній знищував протоклетки. Але був і вихід: використовувати цитрат, який практично ідентичний лимонної кислоти, що міститься в лимонах та апельсинах, і який присутній у будь-якій живій клітині.

У доповіді, опублікованій у 2013 році, Адамала та Шостак розповіли про дослідження, в ході якого до протоклітки було додано цитрат, що накладається на магній та захищає протоклетки, не заважаючи при цьому копіюванню ланцюжків.

Іншими словами, вони досягли того, про що говорив Луїзі 1994 року. "Ми запустили самовідтворення РНК усередині жирно-кислотних везикул", каже Шостак.

Усього за десять років досліджень команда Шостака досягла неймовірних результатів.

• Вчені створили протоклетки, які зберігають свої гени, водночас поглинаючи корисні молекули із довкілля.
• Протоклетки можуть рости та ділитися і навіть змагатися один з одним.
• Вони існують РНК, які самовідтворюються.
• За всіма параметрами, створені в лабораторії протоклетки дивовижно нагадують життя.

Вони також були стійкими. У 2008 році команда Шостака виявила, що протоклетки можуть пережити температуру до 100 градусів за Цельсієм – температуру, за якої гине більшість сучасних клітин. Це лише посилило впевненість у тому, що протоклетки схожі з першим життям, яким необхідно було якось виживати за умов постійних метеоритних дощів.

«Успіхи Шостака вражають», – каже Армен Мулкіджанян.

Однак, на перший погляд, підхід Шостака дуже відрізняється від інших досліджень походження життя, що тривали останні 40 років. Замість фокусуватися на «первинному самовідтворенні» чи «первинній компартменталізації», він знайшов спосіб поєднати ці теорії.

Це стало приводом до створення нового об'єднаного підходу до вивчення питання походження життя Землі.

Цей підхід передбачає, що в першому житті не було характеристики, що з'явилася раніше за інші. Ідея про «первинний набір характеристик» має чимало практичних доказів і гіпотетично може вирішити всі проблеми існуючих теорій.

Велике об'єднання

У пошуках відповіді на питання про зародження життя вчені 20 століття розділилися на 3 табори. Кожен дотримувався лише своїх гіпотез і зверхньо відгукувався про роботи двох інших. Такий підхід виразно був результативним, але кожен із таборів у результаті зіткнувся з нерозв'язними проблемами. Тому в наші дні кілька вчених вирішили випробувати об'єднаний підхід до цієї проблеми.

Ідея об'єднання бере своє коріння в недавньому відкритті, яке доводить традиційну теорію про «первинне самовідтворення» «Світу РНК», але лише на перший погляд.

У 2009 році прихильники теорії "Світу РНК" зіткнулися з великою проблемою. Вони не могли створити нуклеотиди, будівельні блоки РНК, таким чином, як вони могли б самостворитися в умовах ранньої Землі.

Як ми бачили раніше, це призвело багатьох дослідників до думки, що перше життя ґрунтувалося зовсім не на РНК.

Джон Сазерленд розмірковував над цим ще з 80-х років минулого століття. «Було б чудово, якби хтось зумів продемонструвати, як самостійно збирається РНК», – каже він.

На щастя Сазерленда, він працював у Кембриджській лабораторії молекулярної біології (ЛМБ). Більшість дослідних інститутівпостійно гальмують своїх працівників в очікуванні нових відкриттів, але ЛМБ дозволяла співробітникам серйозно попрацювати над проблемою. Тому Сазерленд міг спокійно розмірковувати про те, чому так складно створити нуклеотиди РНК і протягом кількох років розробляв альтернативний підхід.

У результаті Сазерленд дійшов абсолютно нових поглядів на походження життя, які полягали в тому, що всі ключові компоненти життя могли сформуватися одночасно.

Скромний будинок Кембриджської лабораторії молекулярної біології.

Щасливий збіг молекул та обставин

"У хімії РНК не працювали відразу кілька ключових аспектів", - пояснює Сазерленд. Кожен нуклеотид РНК складається з цукру, основи та фосфату. Але на практиці змусити цукор та підставу взаємодіяти виявилося неможливо. Молекули були просто не тієї форми.

Тому Сазерленд розпочав експерименти з іншими речовинами. У результаті його команда створила 5 простих молекул, що складаються з іншого виду цукру та ціанаміду, який, як видно за назвою, споріднений з ціанідом. Ці речовини пропустили через ряд хімічних реакцій, що у результаті призвело до створення двох із чотирьох нуклеотидів.

Безперечно, це був успіх, який миттєво підняв репутацію Сазерленда.

Багатьом спостерігачам здалося, що це черговий доказ на користь теорії про «Світ РНК». Але сам Сазерленд дивився на це інакше.

«Класична» гіпотеза «Світу РНК» концентрувалася у тому, що у перших організмах РНК відповідала за всі життєві функції. Але Сазерленд називає це твердження «безнадійно оптимістичним». Він вважає, що РНК брала у яких участь, але була єдино важливим для життєздатності компонентом.

Сазерленд надихнувся останньою роботою Джека Шостака, який поєднав концепцію «первинного самовідтворення» «Світу РНК» з ідеями П'єра Луїджі Луїзі про «первинну компартменталізацію».

Як створити живу клітину з нуля

Увага Сазерленда привернула цікава деталь у синтезі нуклеотидів, що спочатку здавалася випадковою.

Останнім кроком у дослідах Сазерленд завжди було додавання фосфатів в нуклеотид. Але пізніше він зрозумів, що додавати його слід з самого початкуоскільки фосфат прискорює реакції на ранніх етапах.

Початкове додавання фосфату, здавалося, лише збільшує хаотичність реакції, але Сазерленд зумів зрозуміти, що ця хаотичність йде на користь.

Це навело його думки про те, що суміші мають бути хаотичними. На ранній Землі, швидше за все, в одній калюжі плавала сила-силенна хімічних речовин. Зрозуміло, суміші не повинні нагадувати болотяні води, адже потрібно знайти оптимальний рівень хаотичності.

Створені в 1950 році суміші Стенлі Міллера, про які говорилося раніше, були куди хаотичніші за суміш Сазерленда. Вони містили біологічні молекули, але, як каже Сазерленд, їх «було небагато, і супроводжувалися вони значною кількістю не біологічних сполук».

Сазерленд вважає, що умови досвіду Міллера були недостатньо чистими. Суміш була надто хаотичною, через що потрібні речовини просто губилися в ній.

Тому Сазерленд вирішив підібрати «хімію Золотовласки»: не настільки перевантажену різними речовинами, щоб стати марною, але й не настільки просту, щоб вона була обмежена у можливостях.

Потрібно було створити ускладнену суміш, у якій одночасно могли утворитися, та був і об'єднатися все компоненти життя.

Первісний ставок та формування життя за кілька хвилин

Простіше кажучи, уявіть, що 4 мільярди років тому на Землі існував невеликий ставок. Протягом багатьох років у ньому утворювалися необхідні речовини, доки суміш не придбала хімічний склад, який і потрібний, щоб запустити процес. А потім сформувалася перша клітина, можливо, лише за кілька хвилин.

Це може звучати фантастично, наче твердження середньовічних алхіміків. Але в Сазерленд почали з'являтися докази.

З 2009 року він демонстрував, що за допомогою тих же речовин, на основі яких сформувалися перші два нуклеотиди РНК, можна створити й інші молекули, важливі для будь-якого живого організму.

Очевидним наступним кроком мало стати створення інших нуклеотидів РНК. Із цим Сазерленд поки що не впорався, але в 2010 році продемонстрував близькі до цього молекули, які потенційно могли перетворитися на нуклеотиди.

А у 2013 році він зібрав прекурсори амінокислот. На цей раз для створення необхідної реакції він додав ціанід міді.

Речовини, засновані на ціаніді, були присутні у багатьох дослідах, і в 2015 році Сазерленд знову використав їх. Він показав, що з тим самим набором речовин можна створити прекурсори ліпідів – молекул, у тому числі складаються стінки клітин. Реакція проходила під впливом ультрафіолету, і в ній брали участь сірка та мідь, які допомагали прискорити процес.

"Всі будівельні блоки [сформувалися] із загального ядра хімічних реакцій", - пояснює Шостак.

Якщо Сазерленд має рацію, то наша точка зору на питання походження життя була в корені невірною останні 40 років.

З моменту, коли вчені побачили, наскільки складною була конструкція клітини, всі були сконцентровані на думці про те, що перші клітини збиралися докупи. поступово, елемент за елементом.

З тих пір, як Леслі Орджел озвучив думку, що першою з'явилася РНК, дослідники «намагалися брати за основу один елемент, а потім змушувати його створювати інші», говорить Сазерленд. Сам він вважає, що створювати треба все відразу.

Хаос – необхідна умова життя

«Ми поставили під питання ідею про те, що клітина надто складна, щоб виникнути одразу», – каже Сазерленд. - "Як бачите, можна одночасно створити будівельні блоки для всіх систем".

Шостак навіть підозрює, що більшість спроб створити молекули життя і зібрати їх у живі клітини зазнавали невдачі з тієї ж причини: надто стерильні умови дослідів.

Вчені брали необхідні речовини і зовсім забували про ті, які, можливо, також існували на Землі. Але робота Сазерленд показує, що при додаванні нових речовин в суміш виникають складніші сполуки.

Шостак і сам зіткнувся з цим у 2005 році, коли намагався запровадити фермент РНК у свої протоклетки. Ферменту був потрібен магній, який знищував мембрану протокліток.

Рішення було елегантним. Замість того, щоб створювати везикули з однієї лише жирної кислоти, створювати їх із суміші з двох кислот. Везикули могли справлятися з магнієм, а значить, могли виконувати роль «носіїв» ферментів РНК.

Більше того, Шостак каже, що першим генам, ймовірно, властива хаотичність.

Сучасні організми використовують чисту ДНК для передачі генів, але, швидше за все, на початку чистої ДНК просто не існувало. На її місці могла бути суміш із нуклеотидів РНК та нуклеотидів ДНК.

У 2012 році Шостак показав, що подібна суміш може збиратися в «мозаїчні» молекули, які виглядають і поводяться як чиста РНК. І це доводить, що теорія про перемішані молекули РНК і ДНК має право на існування.

Ці досліди говорили про наступне – не має значення, чи могли перші організми мати чисту РНК чи чисту ДНК.

«Насправді я повернувся до ідеї про те, що перший полімер був схожий на РНК, але виглядав трохи хаотичнішим», – каже Шостак.

Альтернативи РНК

Цілком можливо, що альтернатив РНК тепер могло стати більше, на додаток до вже існуючих ТНК та ПНК, про які йшлося раніше. Ми не знаємо, чи існували вони на ранній Землі, але навіть якщо й існували, то перші організми цілком могли використовувати їх разом із РНК.

Це був уже не «Світ РНК», а «Світ чогось-ні».

З усього цього можна отримати наступний урок - самостворення першої живої клітини зовсім не було такою складною справою, як нам раніше здавалося. Так, клітини – це комплексні механізми. Але, як з'ясувалося, вони працюватимуть, хай і не ідеально, навіть якщо їх «зліпити абияк» з підручних матеріалів.

З'явившись, такі грубі у плані будови клітини, здавалося б, мали трохи шансів вижити на ранній Землі. З іншого боку, у них не було конкуренції, їм не загрожували ніякі хижаки, тож у багатьох сенсах життя на первозданній Землі було простіше, ніж зараз.

Але є одне але"

Але є одна проблема, яку не змогли вирішити ні Сазерленд, ні Шостак, і вона досить серйозна.

У першого організму мала бути якась форма метаболізму. З самого початку у життя мала бути здатність отримати енергію, а інакше це життя загинула б.

У цей момент Сазерленд погодився з ідеями Майка Расселла, Білла Мартіна та інших прихильників первинного метаболізму.

«Прибічники теорій про «світ РНК» і «первинний метаболізм» даремно сперечалися один з одним. В обох сторін вистачало вагомих аргументів», – пояснює Сазерленд.

"Метаболізм так чи інакше з чогось почався", - пише Шостак. – «Але що стало джерелом хімічної енергії – це велике питання».

Навіть якщо Мартін і Расселл помиляються в тому, що життя почалося в глибоководних жерлах, багато частин їхньої теорії близькі до істини. Перша – важлива роль металів при зародженні життя.

Багато ферментів у природі мають у своєму ядрі атом металу. Зазвичай це «активна» частина ферменту, тоді як решта молекули – це структура, що підтримує.

У першому житті не могли бути складні ферменти, тому швидше за все вона використовувала «голі» метали як каталізатори.

Каталізатори та ферменти

Про те саме говорив і Гюнтер Вахтеншаузер, коли припустив, що життя сформувалося на залізному піриті. Рассел також наголошує, що вода в гідротермальних жерлах насичена металами, які можуть бути каталізаторами, а дослідження Мартіна на тему останнього універсального загального предка у сучасних бактерій свідчать про наявність у ньому багатьох ферментів на основі заліза.

Все це говорить про те, що багато хімічних реакцій Сазерленду протікали успішно лише за рахунок міді (і сірки, як підкреслив Вахтершаузер), і що РНК протоклітки Шостака потребує магнію.

Цілком може виявитися, що гідротермальні жерла також є важливими для створення життя.

«Якщо поглянути на сучасний метаболізм, то можна побачити елементи, які говорять самі за себе, на кшталт кластерів із заліза та сірки», – пояснює Шостак. – «Це вписується в ідею про те, що життя зародилося всередині або біля жерла, де вода насичена залізом та сіркою».

З урахуванням сказаного можна додати лише одне. Якщо Сазерленд і Шостак на вірному шляху, то один аспект теорії про жерла виразно є оманою: життя не могло початися в глибині моря.

«Відкриті нами хімічні процесисильно залежить від ультрафіолетового випромінювання», – вважає Сазерленд.

Єдине джерело такого випромінювання – це Сонце, отже реакції мають відбуватися безпосередньо під його променями. Це викреслює версію із глибоководними жерлами.

Шостак згоден, що глибини моря не можна вважати колискою життя. «Найгірше те, що вони ізольовані від взаємодії з атмосферою, яка є джерелом вихідних матеріалів, багатих на енергію, на кшталт ціаніду».

Але всі ці проблеми не роблять теорію про гідротермальні жерла марною. Можливо, ці жерла розташовувалися на мілководді, де мали доступ до сонячного світла та ціаніду.

Життя зародилося над океані, але в суші

Армен Мулкіджанян запропонував альтернативу. Що, якщо життя зародилося у воді, але не в океані, а на суші? А саме – у вулканічному ставку.

Мулкіджанян звернув увагу на хімічний склад клітин: зокрема які речовини вони приймають, а які відкидають. З'ясувалося, що клітини будь-якого організму містять багато фосфату, калію та інших металів, крім натрію.

Сучасні клітини зберігають баланс металів, викачуючи їх із навколишнього середовища, але в перших клітин такої можливості не було – механізм викачування ще розвинений. Тому Мулкіджанян припустив, що перші клітини з'явилися там, де був зразковий набір речовин, з яких складаються нинішні клітини.

Це одразу викреслює океан зі списку потенційної колиски життя. У живих клітинах набагато більше калію та фосфату і набагато менше натрію, ніж міститься в океані.

Під цю теорію найбільше підходять геотермальні джерела поблизу вулканів. У цих ставках міститься та сама суміш металів, що у клітинах.

Шостак ідею палко підтримує. «Мені здається, ідеальним місцем для всіх умов було б дрібне озеро або ставок у геотермально активній області», – підтверджує він. «Потрібні гідротермальні жерла, але не глибоководні, а скоріше схожі на ті, що є у вулканічно активних областях на кшталт Єллоустона».

Там могли б протікати хімічні реакції Сазерленда. У джерелах є необхідний набір речовин, рівень води коливається, тому деякі ділянки часом пересихають, і немає нестачі сонячних ультрафіолетових променів.

Більше того, Шостак каже, що подібні ставки чудово підходять для його протокліток.

«Протоклітки переважно зберігають низьку температуру, що добре впливає на копіювання РНК та інші види простого метаболізму», – стверджує Шостак. - «Але іноді вони ненадовго нагріваються, що сприяє поділу ланцюгів РНК і готує їх до подальшого самовідтворення». Ділитись протоклеткам також можуть допомогти потоки холодної чи гарячої води.

Геотермальні джерела вулканів цілком могли стати місцем зародження життя.

Життю могли допомогти метеорити

На основі всіх аргументів Сазерленд пропонує і третій варіант – місце падіння метеорита.

Земля регулярно зазнавала метеоритних дощів у перші 500 мільйонів років існування – вони падають і донині, але значно рідше. Пристойних розмірів місце падіння метеорита могло створити ті самі умови, що й ставки, про які говорив Мулкіджанян.

По-перше, метеорити здебільшого складаються з металу. А місця їх падіння часто багаті на метали типу заліза і сірки. І, що найголовніше, у місцях падіння метеорита продавлюється земна кора, що веде до геотермальної активності та появи гарячої води.

Сазерленд описує невеликі річки та струмки, що струмують по схилах новостворених кратерів, які витягують речовини, засновані на ціаніді, з каменів – і все це відбувається під впливом ультрафіолетових променів. Кожен струмок несе в собі трохи відмінну від інших суміш речовин, так що в результаті відбуваються різні реакції і виробляється цілий ряд органічних речовин.

Зрештою струмки об'єднуються у вулканічний ставок на дні кратера. Можливо, саме в такому ставку у свій час зібралися всі потрібні речовини, з яких сформувалися перші протоклетки.

«Це дуже специфічний перебіг подій», – погоджується Сазерленд. Але він схиляється до нього на підставі знайдених хімічних реакцій: «Це єдиний перебіг подій, де могли б протікати всі реакції, показані у моїх дослідах».

Шостак же ще не до кінця впевнений у цьому, але він згоден, що ідеї Сазерленда заслуговують на пильну увагу: «Мені здається, що ці події могли відбуватися на місці падіння метеорита. Але мені також подобається ідея із вулканічними системами. На користь обох версій є міцні аргументи.

Коли ми отримаємо відповідь на запитання: як зародилося життя?

Дебати, схоже, припиняться ще не скоро, і на загальну думку вчені прийдуть не одразу. Рішення буде прийнято на основі дослідів з хімічними реакціями та протоклітками. Якщо з'ясується, що в одному з варіантів не вистачає ключової речовини, або використовується речовина, що руйнує протоклетки, його визнають неправильним.

Це означає, що вперше в історії ми стоїмо на порозі найповнішого пояснення того, як зародилося життя.

"Завдання вже не здаються нездійсненними", - оптимістично заявляє Сазерленд.

Поки що підхід із умовною назвою «все й одразу» від Шостака та Сазерленда – це лише грубі нариси. Але кожен із аргументів цього підходу було доведено десятиліттями експериментів.

Ця концепція спирається попри всі підходи, що існували раніше. Вона комбінує у собі всі вдалі напрацювання, водночас вирішуючи окремі проблеми кожного підходу.

Наприклад, не спростовує теорію Расселла про гідротермальні жерла, а використовує її найвдаліші елементи.

Що сталося 4 мільярди років тому

Ми не знаємо, напевно, що відбувалося 4 мільярди років тому.

«Навіть якщо створити реактор, звідки вискочить кишкова паличка… не можна сказати, що це відтворення того самого першого життя», – вважає Мартін.

Найкраще, що ми можемо зробити – це уявити перебіг подій, підкріпивши своє бачення доказами: дослідами в галузі хімії, всіма знаннями про ранню Землю та всім тим, що говорить біологія про ранні форми життя.

У результаті після століть напружених зусиль ми побачимо, як почне вимальовуватися історія реального перебігу подій.

Це означає, що ми наближаємося до найбільшого поділу в історії людства: поділу на тих, хто дізнається історію зародження життя, і тих, хто не дожив до цього моменту, а тому вже ніколи не зможе його дізнатися.

Усі ті, хто не дожив до публікації «Походження видів» Дарвіна в 1859 році, померли, не маючи жодного уявлення про походження людини, оскільки вони нічого не знали про еволюцію. Але сьогодні кожен, за винятком низки ізольованих громад, може дізнатися правду про нашу спорідненість з іншими представниками тваринного світу.

Так само всі, хто народився після виходу Юрія Гагаріна на орбіту Землі, стали членами суспільства, яке здатне подорожувати до інших світів. І нехай поза межами планети побував далеко не кожен її мешканець, але космічні подорожі вже стали сучасною реальністю.

Нова реальність

Ці факти непомітно змінюють наше світовідчуття. Вони роблять нас мудрішими. Еволюція вчить нас цінувати будь-яку живу істоту, оскільки нас усіх можна вважати родичами, нехай і далекими. Космічні подорожі вчать нас дивитися на свою рідну планету збоку, щоб зрозуміти, наскільки вона унікальна і тендітна.

Деякі з людей, які живуть зараз, незабаром стануть першими в історії з тих, хто здатний розповісти про своє походження. Вони знатимуть про свого єдиного предка і про те, де він мешкав.

Це знання змінить нас. З суто наукової точки зору воно дасть нам уявлення про шанси зародження життя у Всесвіті і про те, де його можна шукати. Воно також розкриє нам сутність життя.

Але нам залишається лише здогадуватися, яка мудрість постане перед нами у момент, коли секрет походження життя буде розкритий. З кожним місяцем та роком ми ближче до розгадки великої таємницізародження життя на планеті. Нові відкриття відбуваються зараз, коли ви читаєте ці рядки.

Прочитайте також:

Share this article

Існує гіпотеза про можливе занесення бактерій, мікробів та інших дрібних організмів за допомогою занесення небесними тілами. Організми розвивалися й у результаті тривалих перетворень, поступово з'являлося життя Землі. У гіпотезі розглядаються організми, здатні функціонувати навіть у безкисневому середовищі та в аномально високих чи низьких температурах.

Це пов'язано з перебуванням бактерій-переселенців на астероїдах і метеоритах, які є уламками від зіткнень планет або інших тіл. Через наявність зносостійкої зовнішньої оболонки, а також завдяки здатності уповільнювати всі процеси життєдіяльності (іноді перетворюючись на суперечку), такого роду життя здатне пересуватися дуже тривалий час і на дуже далекі відстані.

При попаданні ж у більш гостинні умови, міжгалактичні мандрівники активують основні життєзабезпечуючі функції. І самі того не розуміючи, утворюють з часом, життя Землі.

Факт існування синтетичних та органічних речовин у наші дні незаперечний. Більш того, ще в далекому дев'ятнадцятому столітті, німецький вчений Фрідріх Велер синтезував органічну речовину (сечовину) з неорганічного (ціанат амонію). Потім було синтезовано вуглеводні. Отже, життя планети Земля цілком імовірно зародилася шляхом синтезу з неорганічного матеріалу. Через абіогенез висуваються теорії походження життя.

Оскільки основну роль будові будь-якого органічного організму становлять амінокислоти. Логічно було б припустити про їхню причетність до заселення Землі життя. На даних, отриманих від експерименту Стенлі Міллера та Гарольда Юрі (утворення амінокислот, перепусткою електричного зарядучерез гази), можна говорити про можливість утворення амінокислот. Адже амінокислоти – це цегла, за допомогою якої будуються складні системи організму та будь-якого життя відповідно.

Космогонічна гіпотеза

Напевно найпопулярніше з усіх трактування, яке знає кожен школяр. Теорія великого вибуху була і залишається актуальною темою для гарячих обговорень. Великий вибух стався від сингулярної точки скупчення енергії, внаслідок звільнення якої значно розширився Всесвіт. Утворилися космічні тіла. Незважаючи на всю спроможність, Теорія великого вибуху не пояснює утворення самого Всесвіту. Як і не може пояснити жодна існуюча гіпотеза.

Симбіоз органел ядерних організмів

Цю версію зародження життя Землі, ще називають эндосимбиозом. Чіткі положення системи були складені російським ботаніком та зоологом К. С. Мережковським. Суть даної концепції полягає у взаємовигідному співіснуванні органели з клітиною. Що у свою чергу дозволяє припустити про ендосимбіоз, як про вигідний для обох сторін симбіоз з утворенням клітин еукаріотів (клітини в яких присутні ядро). Потім за допомогою передачі генетичної інформації між бактеріями, здійснювалося їх розвиток та збільшення популяції. Відповідно до цієї версії, весь розвиток життя і життєвих форм, зобов'язане попередньому предку сучасних видів.

Самозародження

Такого виду твердження в дев'ятнадцятому столітті не могло не сприйматися без частки скепсису. Раптова поява видів, а саме утворення життя з неживого, здавалося фантастикою для тогочасних людей. При цьому гетерогенез (Спосіб розмноження, в результаті якого народжуються особини, які сильно відрізняються від батьківських) визнавався обґрунтованим поясненням життя. Простим прикладом буде утворення складної життєздатної системи з речовин, що розкладаються.

Приміром у тому ж Єгипті, єгипетські ієрогліфи повідомляють про появу різноманітного життя з води, піску, залишків рослин, що розкладаються і гниють. Ця новина нітрохи не здивувала б давньогрецьких філософів. Там переконання про зародження життя з неживого сприймалося як факт, що не потребує обґрунтування. Великий грецький філософ Аристотель, так говорив про зриму істину: ” попелиця утворюється з протухлих продуктів харчування, Крокодил – результат процесів у гниючих колод, що під водою”. Загадково, але незважаючи на всілякі переслідування з боку церкви, переконання під лоном таємниці, прожило ціле століття.

Суперечки про життя Землі що неспроможні тривати вічно. Саме тому, наприкінці ХІХ століття, французький мікробіолог і хімік Луї Пастер проводив свої аналізи. Його дослідження мали суворо науковий характер. Експеримент проводився у 1860–1862. Завдяки виведенню суперечки із сонного стану, Пастер зміг вирішити питання про самозародження життя. (За що йому присудила премію Французька академія наук)

Створення сущого із звичайної глини

Звучить як безумство, але насправді ця тема має право життя. Адже не дарма Шотландський учений-досліджував А.ДЖ.Кернс-Сміт, висунув білкову теорію про життя. Міцно складаючи основу з схожих досліджень, він говорив про взаємодію на молекулярному рівні між органічними складовими та простою глиною… Виявляючись під її впливом, компоненти утворювали стійкі системи, у яких відбувалися зміни у структурі обох складових, а потім і утворенням заможного життя. Ось таким унікальним та оригінальним чином пояснював свою позицію Кернс-Сміт. Кристали глини, з які у ній біологічними включеннями, зароджували життя разом, після чого їх “співробітництво” закінчувалося.

Теорія постійних катастроф

Згідно з концепцією, розробленою Жоржем Кюв'є, світ, який прямо зараз можна бачити, зовсім не є первинним. А чим він є, так це всього лише черговою ланкою ланцюжка, що послідовно розривається. Це означає, що ми живемо у світі, який згодом зазнає масового вимирання життя. При цьому не все на Землі зазнавало глобального знищення (наприклад, наступав потоп). Деякі види, у перебіг своєї пристосованості виживали, цим заселяючи Землю. Будова видів та життя, за словами Жоржа Кюв'є, залишалася незмінною.

Матерія як об'єктивна реалія

Головна тема вчення - різні сфери та області, що наближають до розуміння еволюції, з точки зору точних наук. (матеріалізм - світогляд у філософії, що розкриває всі причинно-наслідкові обставини, явища та фактори реальності. Закони застосовні до людини, суспільства, Землі). Теорія висунута відомими прихильниками матеріалізму, які вважають, що Землі зародилася від перетворень лише на рівні хімії. При тому, що відбувалися майже 4 мільярди років тому. Пояснення життя має прямий зв'язок із ДНК, (дезоксирибонуклеїнова кислота) РНК (рибонуклеїнова кислота), а також до деяких ВМС (високомолекулярних сполук, в даному випадку – білків).

Концепція утворилася за допомогою наукових досліджень, що розкривають суть молекулярної та генетичної біології, генетики. Джерела авторитетні, особливо з огляду на їх молодість. Адже дослідження гіпотези про світ РНК почали проводитися наприкінці двадцятого століття. Величезний внесок у теорію зробив Карл Річард Вёзе.

Вчення Чарльза Дарвіна

Говорячи про походження видів, неможливо не згадати такої воістину геніальної людини, як Чарльз Дарвін. Робота його життя – природний відбір, що поклала початок масовим атеїстичним рухам. З іншого боку, дала небувалий поштовх науці, невичерпний ґрунт для досліджень та експериментів. Суть вчення полягала у виживанні видів протягом усієї історії, шляхом пристосування організмів до місцевих умов, утворення нових ознак, що допомагають в умовах конкуренції.

Під еволюцією мають на увазі деякі процеси, спрямовані на зміну життя організму і самого організму з часом. Під спадковими ж рисами, мають на увазі передачу поведінкової, генетичної, або іншого роду інформації (передачею від материнського до дочірнього.)

Основними силами руху еволюції, за Дарвіном є боротьба право на існування, шляхом відбору та мінливості видів. Під впливом Дарвінівських ідей, на початку ХХ століття, активно проводилися дослідження щодо екології, і навіть генетики. Докорінно змінювалося викладання зоології.

Творіння Бога

Багато людей з усієї земної кулі досі сповідують віру в Бога. Креаціонізм є тлумаченням освіти життя Землі. Тлумачення складається із системи тверджень, заснованих на біблії, і розглядає життя, як створене богом-творцем істота. Дані беруться зі Старого Завіту, Євангелія та інших священних писань.

Інтерпретації створення життя в різних релігіяху чомусь схожі. Орієнтуючись по біблії, Земля було створено сім днів. Небо, що світило небесне, вода тощо, створювалося п'ять днів. На шостий Бог створив Адама з глини. Побачивши самотню, самотню людину, Бог вирішив створити ще одне диво. Взявши ребро Адама, він створив Єву. Сьомий день визнавався вихідним.

Жили Адам з Євою без бід, доки зловтішний диявол в образі змії не вирішив спокусити Єву. Адже посеред раю стояло дерево пізнання добра і зла. Перша мати запропонувала Адаму розділити трапезу, порушивши слово, дане Богу (він заборонив чіпати заборонені плоди.)

Перші люди виганяються в наш світ, тим самим розпочинаючи історію всього людства та життя на Землі.

За сучасними уявленнями, життя на Землі зародилося понад 3,5 мільярда років тому. Це була зовсім не та планета, яку ми знаємо сьогодні: розпечена кам'яниста куля без кисню, що стрясається бурхливою діяльністю молодих вулканів, над яким з божевільною швидкістю проносилося сонце та зірки – адже доба тривала лише близько 6 годин. Теорій про походження перших форм життя, а потім і складніших, існує безліч - включаючи розумний задум. Ми ж ознайомимося з основними науковими ідеями, розуміння яких також дозволяє нам припускати, де і за яких умов може існувати позаземне життя.

Панспермія

Панспермія (від грецьк. «суміш» та «насіння») – дуже авторитетна у наш час теорія про появу життя на Землі внаслідок перенесення «зародків життя» з інших планет. Цю гіпотезу висунув німецький вчений Г. Ріхтер у 1865 році, який мав на увазі перенесення суперечок мікроорганізмів або метеоритами, або під впливом тиску світла. Пізніше було відкрито космічна радіація, що діє живі організми щонайменше згубно, ніж розпад урану. І теорія панспермії «припадала пилом» аж до першого польоту на Місяць – коли на зонді «Сервеєр-3», що прилунав, все-таки були знайдені живі мікроорганізми із Землі, які благополучно пережили тривалий політ у відкритому космосі.

У 2006 році було виявлено присутність у кометній речовині як води, так і найпростіших органічних сполук. Забавно, але це означає, що маленький метеорит зі шлейфом, що світиться, який наближається до набагато більшої кулі планети, - це щось на зразок космічного аналога жіночої та чоловічої статевих клітин, що разом дають початок новому життю.

Частина послідовників панспермії вважає, що обмін бактеріями відбувся між Землею і Марсом у період, коли Червона планета ще процвітала і частково вкрита океанами. Причому не обов'язково цьому послужили метеорити – можливо, бактерії сюди завезли розумні відвідувачі (але це вже окрема тема). Але навіть якщо такі події мали місце в історії – ми змушені будемо розгадувати, звідки життя почалося на іншій планеті.

Електрика та первинний бульйон

Відомий експеримент Міллера-Урея у 1953 році довів, що електричні іскри можуть генерувати основу життя – амінокислоти та сахарозу – за наявності в атмосфері води, метану, аміаку та водню. Це означає, що звичайні блискавки могли створити основні будівельні блоки життя на давньої Землі, Звані первинним бульйоном. Цей термін запровадив у 1924 році радянський біолог Опарін. Згідно з його теорією, цей «супчик» виник близько 4 мільярдів років тому у дрібних водоймах планети під впливом електричних розрядів, космічного випромінювання та високої температури рідини. Спочатку в його складі переважали нуклеотиди, поліпептиди, азотисті основи та амінокислоти. Потім протягом мільйонів років у первинному бульйоні формувалися складніші молекули, доки утворили найпростіші одноклітинні організми – бактерії.

Глиняне життя

Якщо вірити релігійним джерелам, Адам був створений із пороху земного, а в Корані і в деяких народів (наприклад, японців), боги зліпили людей із глини. На думку хіміка-органіка Олександра Грем Кернс-Сміт із Університету Глазго в Шотландії, це може бути не простою алегорією: перші молекули життя могли утворитися саме на глині. Спочатку примітивні вуглецеві сполуки не мали ДНК, а отже, не могли відтворювати собі подібних – «розмноження» могло бути стимульоване лише джерелами із зовнішнього середовища.

Таким джерелом могла бути глиняна порода, яка є не просто якоюсь масою землі – це організована, впорядкована послідовність молекул. Глиняна поверхня могла не лише концентрувати та поєднувати органічні сполуки, але на мікроскопічному рівні організовувати їх у структури, діючи на зразок геному. Згодом органічні молекули «запам'ятали» цю послідовність і навчилися самоорганізовуватись. Згодом вони ускладнювалися: у них виник прототип ДНК, РНК та інших нуклеїнових кислот.

Життя з океанів

"Теорія підводних гідротермальних джерел" припускає, що життя могло зародитися біля витоків підводних вулканів, які викидали крізь тріщини в океанічному дні багаті на водень молекули і багато тепла. Ці молекули поєднувалися на поверхні скель, які забезпечували мінеральні каталізатори для нових хімічних реакцій.

Так народилися бактерії, які утворили всесвітньо відому геологічну дивину - строматоліти (від "строматос" - килим і "літос" - камінь). У скам'янілому вигляді ці освіти збереглися досі. А підводні джерела такого типу у наш час продовжують відігравати важливу роль у підтримці різноманітних морських екосистем.

Холод – каталізатор еволюції

Хто б з учених не мав рацію, але прості одноклітинні бактерії все-таки заселили планету - і в такому вигляді вони незмінно існували протягом мільярда років. Потім стався неймовірно швидкий за мірками еволюції вибух – почали розвиватися набагато складніші форми життя, які освоїли спочатку океани, а потім сушу, ґрунти та, нарешті, повітря. Нещодавно вчені зуміли розібратися, що стало поштовхом для вирішальних змін. Ним виявився найпотужніший льодовиковий період за всю історію Землі, що настав близько 3 мільярдів років тому. Планета була повністю покрита льодом завтовшки до одного кілометра – фахівці назвали це явище «Земля-сніжок» (на зразок тих, у які грають діти).

Умови життя для найпростіших мікроорганізмів різко змінилися – але, з іншого боку, під товщею льоду витривалим бактеріям-екстрімофілам довелося адаптуватись! Саме в цей «інкубаторний» період відбувся первинний поділ бактерій за способами виживання: одні з них навчилися отримувати енергію із сонячного світла, інші черпали сили, переробляючи розчинені у воді речовини. Це започаткувало царствам живої природи – перші у майбутньому стануть рослинами та одноклітинними фотосинтезуючими тваринами, другі – багатоклітинними тваринами та грибами.

Але одного разу гарячі вулкани знову прокинулися, і виплеснули в атмосферу величезну кількість вуглекислого газу, який спричинив потужний парникового ефекту. Планета зігрілася, льоди розтанули і випустили на волю «бактерії, що подорослішали». Процес фотосинтезу, що відбувається в ціанобактерії (синьо-зелених водоростях), дав нову реакцію - і атмосфера в короткі терміни наситилася киснем. А уламки мінеральних порід, що потрапили в океан, принесених льодовиком, дали нові варіанти хімічних реакцій. Це, як стає зрозуміло, дозволило еволюціонувати тваринам. Незабаром, замість поділу бактерій на дві нових, вони почали ділитися без відходу у «вільне плавання» і утворювати перші багатоклітинні структури. Прикладом можуть бути найдавніші багатоклітинні тварини без нервової, кров'яної і травної систем – морські губки.

Згідно з цією теорією, життя цілком ймовірне під товстим шаром льоду на одному із супутників Юпітера – у прихованих від космічних зондів холодних океанах Європи. Група дослідників з NASA також встановила, що під льодами супутника є геотермальна активність. Тому цілком можливо, що Європа повторює наш власний шлях, і коли наше сонце почне старіти і стане яскравішим, еволюція також візьме гору над вічним холодом.