Как появились первые клетки, организмы, экосистемы в экстремальных условиях? Это один из самых сложных вопросов науки. Ответ на него ищут биологи, химики, физики, астрономы. Но пока безуспешно. Гипотез много, но какая из них ближе к истине? Рассмотрим основные версии, их доказательства и слабые места.
Еще в древности люди объясняли происхождение жизни мифами: боги создавали первых существ из глины, света, хаоса. С точки зрения науки к этому вопросу серьезно стали подходить лишь в XIX веке, когда Луи Пастер доказал, что жизнь не возникает самопроизвольно из гнилого куска мяса или воды.
Дальнейшие исследования показали, что жизнь на нашей планете могла возникнуть 3,5–3,8 миллиарда лет назад. Это мнение основано на данных радиоактивного датирования древнейших горных пород, а также на находках микрофоссилий (например, строматолитов), возраст которых оценивается примерно в 3,7 млрд лет. Ископаемые бактерии и химические следы биологической активности найдены в древних породах Австралии и Гренландии. Планета тогда была весьма негостеприимным местом: постоянные извержения вулканов, метеориты, отсутствие кислорода. Но жизнь появилась. Как?
Геологические данные указывают, что примерно четыре миллиарда лет назад Земля находилась в стадии так называемой «тяжелой метеоритной бомбардировки». Частые столкновения с космическими объектами могли доставлять на поверхность планеты не только воду, но и органические соединения. Однако возникает вопрос: могли ли они пережить жесткие условия ранней Земли?
На сегодняшний день существует десяток самых разных гипотез, объясняющих, как могла появиться жизнь на нашей планете. Давайте познакомимся с самыми интересными.
1. Первичный бульон и абиогенез: Химическая эволюция в древних океанах
Абиогенез — идея о том, что жизнь возникла из неорганических веществ.
Идея «первичного бульона» предполагает, что жизнь возникла в водоемах ранней Земли, где под действием электрического разряда, ультрафиолета и вулканической активности неорганические молекулы объединялись в сложные органические соединения: аминокислоты, сахара, липиды. Эти вещества накапливались в океанах, формируя «бульон», в котором позже возникли первые самовоспроизводящиеся системы.
В 1952 году химики Стэнли Миллер и физик Гарольд Юри провели свой знаменитый эксперимент. Они воссоздали условия ранней Земли в лаборатории: смешали воду, метан, аммиак и водород (предположительный состав древней атмосферы) в стеклянных колбах, через которые пропускали электрические разряды, имитируя молнии.
Через неделю в жидкости обнаружили аминокислоты — строительные блоки жизни. Это доказало, что органические молекулы могут возникать из неорганических.
Позже, в 2008 году, ученые из Пенсильванского университета повторили опыт, добавив в модель углекислый газ и азот, которые, как сейчас считают, преобладали в древней атмосфере. Результат оказался скромнее, но аминокислоты тоже образовались.
Современные геологи считают, что в атмосфере ранней Земли было меньше метана и аммиака, чем предполагали Миллер и Юри. Это снижает эффективность реакций. Кроме того, нет объяснения, как аминокислоты объединились в белки и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК). Для этого требуются ферменты, которых еще не существовало.
2. Панспермия: Жизнь как космический путешественник
Панспермия предполагает, что жизнь или ее «семена» (органические молекулы, бактерии) попали на Землю с метеоритами, кометами или межзвездной пылью. Эта гипотеза не объясняет происхождение жизни как таковой, но предлагает механизм ее распространения во Вселенной.
В 1969 году в метеорите Мурчисон обнаружили 70 видов аминокислот, включая те, что входят в состав земных белков. В 2020 году японские ученые нашли в метеорите Рюгу сахара (рибозу), критически важные для РНК.
Эта гипотеза гласит, что микроорганизмы могут путешествовать внутри метеоритов, защищенных от радиации и высоких температур. При падении на планету с подходящими условиями (вода, атмосфера) они начинают размножаться. Например, экспериментально доказано, что бактерии Deinococcus radiodurans выживают в условиях открытого космоса. В 2020 году их поместили на внешнюю обшивку МКС, через три года часть клеток сохранила жизнеспособность.
Даже если допустить, что первые организмы прибыли на землю из космоса, это не отвечает на вопрос, как жизнь возникла в принципе — лишь переносит загадку в другую точку Вселенной.
Панспермию поддерживают как дополнение к другим гипотезам. Например, органические молекулы из космоса могли обогатить «первичный бульон», ускорив химическую эволюцию.
3. Гидротермальные источники: Энергия из морских глубин
В 1980-х геолог Майкл Рассел предположил, что жизнь зародилась в щелочных гидротермальных источниках на дне океанов. Эти структуры, похожие на подводные дымоходы, состоят из пористых минералов (сульфидов железа). Они создают градиенты температуры и pH, которые могли служить источником энергии для первых биохимических реакций.
Рассел считал, что теплая щелочная вода из источников смешивается с холодной кислой океанской водой. В порах минералов концентрируются ионы водорода, создавая разность зарядов — аналог батарейки. Эта энергия могла использоваться для синтеза органических молекул.
В 2019 году команда из Университетского колледжа Лондона создала протоклетки в условиях, имитирующих гидротермальные источники. При смешивании теплой щелочной и холодной кислой воды в минеральных порах самопроизвольно формировались липидные мембраны.
В 2022 году ученые из Гарварда синтезировали ацетат (ключевой компонент метаболизма) в условиях, аналогичных источникам.
Отметим, что у этой гипотезы есть слабая сторона. Высокие температуры (до 400°C) в некоторых источниках разрушают сложные молекулы, такие как РНК. Неясно, как в таких условиях могла возникнуть генетическая система (ДНК/РНК).
4. РНК-мир: Первая молекула жизни
В 1980-х биологи Томас Чек и Сидни Олтмен открыли рибозимы — молекулы РНК, способные катализировать химические реакции, как белки. Это привело к идее «РНК-мира»: до появления ДНК и белков жизнь основывалась на РНК, которая могла как хранить информацию, так и ускорять реакции.
Рибозимы могут разрезать, соединять и даже копировать фрагменты РНК. В 2016 году ученые из Института Скриппса создали рибозим, способный реплицировать цепи РНК длиной до 30 нуклеотидов. РНК проще синтезировать абиогенно, чем ДНК. В 2020 году химики из Мюнхенского университета получили РНК из циановодорода под ультрафиолетом — условия, возможные на ранней Земле.
Однако РНК быстро разрушается в воде. Для ее стабильности нужны особые условия: высыхание, замерзание или защита в минеральных порах. У науки пока нет примеров самовоспроизводящейся РНК, способной создать полноценную систему.
5. Глина как катализатор: Минеральный матрикс
В 1985 году химик Александр Кейрнс-Смит предположил, что глинистые минералы могли служить «шаблоном» для сборки первых органических молекул. Их слоистая структура с заряженными поверхностями могла концентрировать и упорядочивать вещества, ускоряя реакции.
Чуть позже выяснилось, что глина монтмориллонит катализирует образование липидных пузырьков — прообразов клеточных мембран. В 2013 году в Университете Глазго показали, что на поверхности глины формируются цепи РНК длиной до 50 нуклеотидов. Глина может служить «ловушкой» для органики. В 2017 году ученые из MIT доказали, что минералы концентрируют аминокислоты в 10 000 раз эффективнее, чем вода.
К чему склоняется современная наука?
Сейчас ученые рассматривают комбинацию гипотез. Возможно, простейшие органические молекулы появились в атмосфере или в космосе, затем осели в водоемах. Вода стала реакционной средой, а гидротермальные источники обеспечили энергию. РНК, вероятно, сыграла ключевую роль на ранних этапах, а затем эволюция привела к появлению ДНК и белков.
Post Scriptum
Каждая гипотеза заполняет часть пазла, но ни одна не дает полного ответа. Возможно, жизнь возникла из-за уникального стечения обстоятельств: теплые источники на дне океана, защищенные минералами, обогащенные космической органикой, где РНК научилась копировать себя. Чтобы проверить это, ученые разрабатывают искусственные клетки, ищут жизнь на спутнике Сатурна Энцеладе и моделируют условия на древней Земле в лабораториях. Возможно, к концу столетия, люди, наконец, смогут воспроизвести рождение жизни в пробирке — и это станет величайшим открытием в истории науки.
-----
Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости
