Как появилась жизнь на земле

Проблема появления живых организмов является, пожалуй, одной из самых сложных в современной науке. За долгие годы ученые смогли лишь доказать несостоятельность фантастических гипотез и предложить ряд экспериментально подтвержденных теорий появления жизни на нашей планете.

Удачные условия - большая случайность

Примерно 4 млрд. лет назад атмосфера нашей планеты не содержала кислорода в свободной форме (он входил только в состав окислов). На Земле тогда не было ни одного живого организма, даже бактерий. К сожалению, невозможно составить полное представление о том, что происходило на Земле в тот период, и о том, как она выглядела. Это можно лишь предполагать, поскольку уже разрушились даже горные породы, существовавшие в то время. Попытка воспроизвести процесс зарождения жизни будет лишь лабораторным экспериментом. В лаборатории невозможно воссоздать все условия, которые сопровождали появление первых органических соединений.

Стэнли Миллер – признанный специалист в этой сфере – полагал, что жизнь возникла в тот момент, когда органические молекулы организовались в структуры, способные воспроизводить самих себя. Данное утверждение не вызывает возражений в научном мире. При этом важно знать, в каких условиях, и каким образом появились органические молекулы, по какой причине они организовывались в структуры, создавшие основу для появления живых организмов. На этот счет существует несколько теорий.

В соответствии с одной из гипотез жизнь зародилась в кусочке льда. Сторонники этой гипотезы считают, что в то время на Земле лютовали холода. Как известно, воздействие низких температур делает химические соединения более стабильными, они накапливаются в больших количествах. Осколки метеоритов, выбросы термальных источников и химические реакции в атмосфере под воздействием электрических разрядов, стали источником аммиака, а также таких органических соединений, как цианид и формальдегид. Попадая в воду, они замерзали. В толще льда молекулы сближались. Они вступали во взаимодействия, в результате которых появились аминокислоты (органические соединения), служащие «строительным материалом» белков. Толща льда на поверхности океана защищала их от разрушительного действия ультрафиолета. По мнению сторонников данной гипотезы, льды могли растаять, например, в результате падения очень крупного метеорита.

По мнению Чарльза Дарвина, средой, в которой зародилась жизнь, был небольшой водоем. Именно в водах замкнутого водоема органические вещества могли накопиться в достаточном количестве. Соединения накапливались на поверхности слоистых минералов, которые служили катализаторами, т.е. вызывали соответствующие реакции.

Сторонники третьей версии считают, что причиной зарождения жизни стала вулканическая деятельность. По их мнению, после образования Земли, на ее поверхность выливались потоки магмы. Именно они содержали вещества, послужившие основой образования органических молекул.

Первичный бульон

Основные этапы появления жизни выделили ученые А. Опарин и Дж. Бернал. Благодаря отсутствию кислорода ультрафиолетовое излучение беспрепятственно достигало поверхности Земли. Под его влиянием, а также под влиянием грозовых разрядов и высоких температур в районах вулканической деятельности из водорода, метана, аммиака, паров воды образовались органические соединения.

В 50-х годах прошлого века Стэнли Миллер в лабораторных условиях получил аминокислоты, которые предположительно положили начало зарождению жизни. В эксперименте использовалась система колб. Одна из них была предназначена для получения электрического разряда очень большой мощности, имитирующего разряд молнии. В процессе эксперимента ученый заполнил ее природными газами, содержавшимися, по мнению Миллера, в атмосфере Земли до зарождения жизни (водород, аммиак и метан). Нижняя колба содержала воду.

Ученый предполагал, что под действием электрического разряда будут образованы химические соединения, а оказавшись в воде, они вступят в реакцию друг с другом. Результатом реакций должно было стать образование сложных молекул. И действительно вода в нижней колбе превратилась в «бульон» из аминокислот. Таким образом, Миллеру удалось продемонстрировать, насколько легко могли возникнуть молекулы, являющиеся основой жизни.

Оппоненты Стэнли Миллера утверждали, что атмосфера Земли включала другие газы –азот и углекислоту. В установке, использованной для опыта Миллером, эта смесь газов дала ничтожно малую концентрацию органических соединений. Маловероятно, что в таком слабом растворе могла возникнуть жизнь. Было высказано мнение, что первичное органическое вещество попало на Землю из космоса вместе с кометами, астероидами, метеоритами.

Практически невозможно узнать, какая из этих версий наиболее близка к истине. Тем не менее, можно считать доказанным, что основой жизни был именно «первичный бульон». Содержащиеся в нем вещества объединялись в небольшие капли, внутри которых происходили химические реакции. Эти капли и стали первыми «комочками жизни». Примерно 4 млрд. лет назад в воде Мирового океана появились принципиально новые молекулы, послужившие основой появления одноклеточных организмов.

Появление бактерий

Поскольку первоначально свободного кислорода не было ни в атмосфере, ни в Мировом океане, в таких условиях могли развиваться только анаэробные микроорганизмы, которые получали энергию при отсутствии кислорода. Важным событием было появление фотосинтезирующих бактерий. Они используют энергию света для превращения углекислого газа в углеводы, которыми питаются другие микроорганизмы. Продуктом жизнедеятельности первых фотосинтезирующих организмов были газы сероводород или метан. В определенный момент появились микроорганизмы-мутанты, которые в процессе фотосинтеза стали выделять кислород – цианобактерии.

В результате жизнедеятельности цианобактерий в океане постепенно появился кислород, который вначале взаимодействовал с железом, растворенным в воде. Окислы железа, которые осаждались на дне, превратились в залежи железной руды. После того, как произошло окисление содержащегося в воде железа, кислород стал уходить в атмосферу и накапливаться в ней.

Благодаря накоплению кислорода в атмосфере возник новый тип бактерий – аэробы. Кислород необходим этим организмам для сжигания органических соединений. Этот процесс сопровождался выделением энергии.

Образование клеток

3 млрд. лет назад океан населяли простейшие водоросли и бактерии. С накоплением достаточного количества кислорода примерно 2 млрд. лет назад появились эукариотные клетки. Они имеют, во-первых, ядро, которое содержит генетический материал, во-вторых, - особые органеллы (элементы структуры клетки): митохондрии (служат источником энергии клетки), вакуоли (регулируют водно-солевой обмен, поддерживают давление, выполняют ряд дополнительных функций) и др. Высшие растения и водоросли имеют хлоропласты – структуры, с помощью которых происходит фотосинтез (образование на свету органических веществ из воды и углекислоты).

Американский ученый Л. Маргулис более 30 лет назад выдвинул теорию, согласно которой митохондрии являются аэробными бактериями, а хлоропласты – цианобактериями, поглощенными примитивными амебами примерно 2 млрд. лет назад. Поглощенные бактерии и поглотившая их клетка «наладили взаимовыгодное сотрудничество», что через определенный период привело к образованию эукариотной клетки как устойчивой системы.

Выход из воды

После возникновения эукариотов в течение сотен миллионов лет они представляли собой микроскопические одноклеточные организмы, например, дрожжи. Их эволюционное развитие шло очень и очень медленно. Примерно 1,2 млрд. лет назад в результате появления полового размножения возникло множество видов эукариотных организмов. Одноклеточные эукариоты и бактерии размножались делением, т.е. производили свои генетические копии. При половом размножении две клетки родителей сливаются, образуя зиготу с двойным набором хромосом, т.е. с генами обоих родителей, что дает возможность получить новые сочетания генов. Со временем это привело к появлению новых эукариотных организмов.

В кембрийском периоде (570-500 млн. лет назад) были известны представители большинства классов животных. При этом трилобиты (по внешнему виду эти существа напоминали современных мокриц) занимали господствующее положение. Вторую группу составляли брахиоподы – двустворчатые плеченогие наподобие современных моллюсков. В кембрийский период океан населяли также археоцеаты – организмы с известковым скелетом, образовывавшие рифы. Жителями океана в этот период были черви, медузы, губки и т.п. Широкое распространение получили водоросли. Все эти организмы были морскими. Суша в кембрийский период все еще представляла собой пустыню, но на прибрежных камнях уже появлялись пленки водорослей и колонии растений, напоминающих современные мхи.

Трилобиты были известны и в силурийском периоде (ок. 400 млн. лет назад), но их скелеты и глаза изменились. Увеличились и размеры этих существ, многие из них научились плавать. К концу силурийского периода трилобитов вытесняют другие животные. Предполагают, что одними из них были наутилоидеи – головоногие моллюски. В этот период появились ракоскорпионы, морские ежи и некоторые другие животные.

Началось завоевание суши. Первыми из воды выбрались низкорослые растения псилофиты, которые еще не имели настоящих корней. К этому времени наземные водоросли и бактерии, скорее всего, подготовили особый субстрат наподобие почвы. Вскоре океан покинули и первые животные – ракоскорпионы, клещи и некоторые другие.