Теория миллера о происхождении жизни на земле. Жизнь на земле

Ни для кого не секрет, что вечный вопрос о том, когда на Земле зародилась жизнь, всегда беспокоил не исключительно ученых, но и всех людей. В данной статье мы попробуем поверхностно ознакомиться со всеми предполагаемыми теориями возникновения всего живого на нашей планете. Постараемся разложить по полочкам этапы ее развития и описать то, какой была история развития жизни на Земле

Зарождение жизни на Земле в науке

С научной точки зрения есть несколько версий происхождения жизни. Рассмотрим то, как появилась жизнь на Земле по мнению ученных, которые уже много веков бьются над этим таинственным вопросом, выдвигая все новые гипотезы.

Теория гласит, что жизнь зародилась в кусочке льда. Довольно нелепая идея, но все возможно. Одни из ученных считают, что наличествующий в воздухе углекислый газ снабжал поддержание тепличных условий, прочие полагают, что на земле в ту пору был постоянный Зимний сезон.
Наука, которая изучает возникновение жизни на Земле - биология. Она придерживается теории Чарлза Дарвина. Он и его современники считали, что жизнь начала образовалаться в водоеме. Данной теории большинство ученых следуют и в настоящее время. Органические вещества, доставляемые впадающими в него водами, имели возможность скапливаться в нужных количествах, в замкнутом и довольно мелком водоеме. Далее эти соединения еще больше сосредоточивались на внутренних поверхностях слоистых минералов. Они и могли бы быть катализаторами реакций.
Вода – это источник жизни на Земле для всех живых существ на Земле – человека, растительного и животного мира. Она крайне важный и дорогой ресурс на нашей планете. Все воды земли находятся в непрерывном взаимоотношении с горными породами и атмосферой. Вода самоочищается благодаря непрерывному ходу, который снабжает существование на нашей земле. Древним и универсальным символом плодородия чистоты является вода. Человек состоит на 80% из воды, животных на75% и растения 89- 90% от общей массы тела. Вода - незаменимый продукт, поскольку это основной строительный материал для человеческого организма. Она значительно ценнее железа, газа, угля и нефти. Без воды бы жизнь на земле никогда бы не смогла зародиться, ни поддерживаться и никак вообще не могла бы существовать. Вода – это сама жизнь.
А вдруг, жизнь появилась в зонах вулканической активности? Сразу после формирования Земля представляла собой огнедышащий шар магмы. С газами, высвобождавшимися из расплавленной магмы, на земную поверхность выносились многообразные химические вещества, нужные для синтеза органических молекул - это происходило при извержениях вулканов.

Происхождение жизни на земле в религии

Рассмотрим, как зародилась жизнь на земле с точки зрения религии. Еще одна гипотеза о происхождении жизни на земле, находит объяснение в разных религиях. Рассмотрим христианскую:

Основной догмой создания всего живого в христианстве является фраза «сотворение из ничего», в коей Творцом выступает Бог в своём волевом действии. Господь при этом представляется и первопричиной бытия. Вместе с тем Бог не обязан был создавать мир, для Божественной сущности оно не определено никакой «внутренней нуждой». Это был Его свободный выбор, подарок человечеству «от преизбытка любви». Путь и этапы создания мира описаны в первых трёх главах книги Бытия.

Основные этапы жизни на Земле

Об истории развития жизни на земле можно говорить бесконечно долго. Эта тема довольно обширна и необъятна, перечислим лишь основные этапы зарождения жизни:

Жизнь возникла в морях.
Существование простейших морских организмов.
В морях возникают многоклеточные живые создания
В морях появляются многочисленные беспозвоночные. Среди беспозвоночных находим предков современных моллюсков и членистоногих.
Зарождаются первые морские позвоночные панцирные, современные рыбы. Жизнь развивается на возникающих участках суши. Первыми поселенцами являются: грибы, бактерии, мхи и небольшие беспозвоночные животные, за ними следуют земноводные.
Земля покрывается мощными лесами папоротников и иных растений, исчезнувших к нашему времени. Появляются насекомые.
Зарождение пресмыкающихся.
Эра рептилий, животные распространяются также и в морях. Отдельные виды достигают немалых размеров.
Появляются млекопитающие и птицы. Распространяются первые цветочные растения. Появляются первые покрытосемянные растения.
Вымирают динозавры и прочие крупные рептилии.
Млекопитающие распространяются по всей территории земли, вытесняя рептилий, количество которых быстро уменьшается.
Зарождаются разнообразные виды млекопитающих: плотоядные, рукокрылые и предки теперешних обезьян и человека. Зарождаются травоядные.
Отдельные млекопитающие заселяют моря. Например: киты.
Возникает прародитель человека - австралопитек.
Пропадают отдельные большие млекопитающие. Человек становится абсолютным владельцем Земли.

Теперь вы знаете, как выглядела в древности Земля. Жизнь без людей была совсем другой.

Доктор геолого-минералогических наук И. А. РЕЗАНОВ

Говоря языком литературы, жизнь родилась, “когда Земля вскрикнула”. Но чтобы Земля вскрикнула, оказалось недостаточно опыта профессора Челленджера и мало воображения Конан-Дойля, заставившего своего героя бурить скважину. Если говорить научным языком, то я полагаю, что мы обязаны жизнью двум катастрофам космического масштаба. По-моему, лишь один источник информации способен достоверно рассказать, какие события привели к возникновению жизни,- это “каменная летопись” планеты.

Неспециалисту трудно поверить, что радиоактивный анализ позволяет не только точно датировать эпизоды геологического сценария даже такой непредставимой давности, но и воссоздать картины физических процессов того времени. Как же из мертвой материи возникла жизнь?

Согласно новейшим геологическим данным, в первые 600 миллионов лет существования Земли (4,0-3,9 млрд лет назад) на планете царили такие экстремальные условия, что жизнь была невозможна. Плотная атмосфера состояла в основном из водорода с примесью гелия. Жерла многочисленных вулканов извергали углекислоту, метан, аммиак, сероводород и другие газы. Анализ камней-патриархов показал, что давление доходило до шести тысяч атмосфер, поверхность планеты нагревалась до 600 °С, то есть в этом адском пекле было жарче, чем сейчас на Венере, где жизнь не обнаружена.

А вот породы помоложе, родившиеся 3,8 миллиарда лет назад и позже, формировались уже в условиях, близких к современным. Эти страницы каменной летописи свидетельствуют, что к тому времени плотная и сильно нагретая водородная атмосфера покинула планету. Понять, чем это спровоцировано, удалось, только дождавшись возвращения космических аппаратов с Луны. Изучая пробы лунного грунта, селенологи в этом космическом приложении к каменной летописи Земли прочитали, что 3,9 миллиарда лет назад в Солнечной системе произошла гигантская катастрофа. Лунные моря – кратерообразные воронки диаметром до 1200 километров – именно в то время были выбиты при бомбардировке гигантскими астероидами. Космические тела, бомбя Луну, дали ей мощный импульс тепла, которое разогрело ее недра до плавления. С тех пор на поверхности Луны выделяются два типа рельефа: светлые “материки” и темные “моря”, залитые расплавленными базальтами.

Наиболее вероятная причина катастрофы, полагали академик В. Г. Фесенков и многие другие астрономы,- это взрыв планеты, орбита которой совпадала с поясом астероидов, расположенным между орбитами Марса и Юпитера.

Если мерить масштабами Солнечной системы, то Луна недалеко от Земли. Следовательно, и на Землю обрушился шквал астероидов и метеоритов. Все знают, что звук передается благодаря колебаниям молекул. Если на Луне и тогда атмосферы не было, то все эти катаклизмы вершились в жуткой тишине (для человека, конечно, если бы он там мог присутствовать). Но что за циклопическую симфонию услышал бы свидетель над нашей планетой? Пожалуй, слабо сказать вслед за Конан-Дойлем, что “Земля вскрикнула”. Она взревела. Падая, обломки-астероиды вызвали мощные воздушные течения, и в пекле стало на 100 градусов жарче. Дополнительного тепла хватило, чтобы сорвать с Земли ее водородное одеяние. И только после этого на Земле появились подходящие условия для возникновения жизни. Как говорится, не было бы счастья, да несчастье помогло.

Получается, что катастрофа стала необходимым условием рождения жизни, но было ли этого достаточно? Нет, потому что на поверхности Земли не осталось ни атмосферы, ни гидросферы, а кора и мантия расплавились. Планету обволакивала расплавленная, вязкая гранитная кора, не пропускавшая сквозь себя газы. Газы копились в менее вязкой мантии. Лишь при давлении не менее десяти тысяч атмосфер и температуре не ниже 1000° плохо растворимые в магме газы СО, С02, Н2, СН4, NH3 прорывались сквозь кору в виде гигантских струй.

Известно, что при вулканическом извержении образуются сложные органические соединения (аминокислоты, сахара, порфирины). Так, только за одно извержение вулкана Тятя на Курильских островах в 1973 г. в пепле накопилось 200 тонн сложной органики. Сколько же ее образовалось на планете после срыва первичной водородной атмосферы с Земли, когда то и дело фонтанировали гигантские газовые струи с интенсивностью, в тысячи раз превышающей силу нынешних вулканических извержений? В ту пору в жерлах газовых вулканов ежегодно синтезировались миллионы тонн органических соединений. За геологически короткое время (первые миллионы лет) на поверхности планеты испекся слоеный пирог толщиной в несколько десятков метров из чередующихся прослоек пепла и органических соединений.

Обилие органики было второй необходимой причиной для рождения жизни на Земле. Но и этого было недостаточно. Чего же еще?

Более ста лет назад знаменитый французский естествоиспытатель Луи Пастер обнаружил, что органические соединения в составе растений и животных оптически асимметричны – они вращают плоскость поляризации падающего на них света. Все аминокислоты, входящие в состав животных и растений, вращают плоскость поляризации влево, а все сахара – вправо. Если мы синтезируем такие же по химическому составу соединения, то в каждом из них будет равное количество лево- и правовращающих молекул.

Теперь представьте себе, что среда с левыми и правыми молекулами перешла в состояние только с левыми или только с правыми молекулами. Такую среду специалисты называют хирально (от греческого слова “хейра” – рука) упорядоченной. Самовоспроизведение живого (биопоэз – по определению Д. Бернала) могло возникнуть и поддерживаться только в такой среде.

Советский ученый Л. Л. Морозов доказал, что переход к хиральной упорядоченности мог произойти не эволюционно, а только при резком фазовом изменении. Академик В. И. Гольданский назвал этот переход хиральной катастрофой. Все-таки ученые отличаются от остальных людей не только знаниями. Все привыкли считать, что катастрофа – это нечто ужасающее, а физики назвали катастрофой явление, благодаря которому зародилась жизнь и, в конечном счете, они сами.

Как же возникли условия для фазовой катастрофы, вызвавшей хиральный переход?

Наиболее важным было то, что нижние слои нарастающего пепло-органического пирога жарились на разогретой до 600 земной коре, а верхние остывали до температуры космоса, то есть абсолютного нуля. Перепад температуры достигал 1000°. Ясно, что низ пирога пригорал, то есть органические молекулы плавились под действием высокой температуры и даже полностью разрушались, а верх пирога оставался до поры до времени непропеченным, так как органические молекулы замораживались. Конечно, газы и, воз- можно, пары воды, которые просачивались из земной коры, меняли химический состав органических соединений. Газы несли с собой тепло, из-за чего граница плавления органического слоя смещалась вверх и вниз.

При очень низких давлениях атмосферы вода была на земной поверхности лишь в виде пара и льда. Когда же давление достигало так называемой тройной точки воды (0,006 атмосферы), вода впервые смогла находиться в виде жидкости.

Конечно, лишь экспериментально можно доказать, что именно вызвало хиральный переход: земные или космические причины. Но так или иначе в какой-то момент хирально упорядоченные молекулы (а именно – левовращающие аминокислоты и правовращающие сахара) оказались более устойчивыми и начался неостановимый рост их количества – хиральный переход.

Из архивов «Континента»

Хорошо известно, что наша Вселенная образовалась около 14 миллиардов лет тому назад в результате гигантского взрыва, известного в науке как Big Bang. Возникновение Вселенной “из ничего” не противоречит известным законам физики: положительная энергия вещества, образовавшегося после взрыва, в точности равна отрицательной энергии гравитации, так что полная энергия такого процесса равна нулю. В последнее время ученые обсуждают также возможность образования и других вселенных – “пузырей”. Мир, согласно этим теориям, состоит из бесконечного числа вселенных, о которых мы пока еще ничего не знаем. Интересно, что в момент взрыва образовалось не только трехмерное пространство, но, и что очень важно, и время, связанное с пространством. Время – причина всех тех изменений, которые произошли во Вселенной после Big Bang. Эти изменения происходили последовательно, шаг за шагом по мере возрастания стрелы времени, и включают в себя образование огромного числа галактик (порядка 100 млрд.), звезд (число галактик умноженное на 100 млрд.), планетных систем и в конечном счете самой жизни, включая разумную жизнь. Чтобы представить себе, как много звезд во Вселенной, астрономы приводят такое любопытное сравнение: число звезд в нашей Вселенной сравнимо с числом песчинок на всех пляжах Земли, включая моря, реки и океаны. Вселенная, замороженная во времени, была бы неизменной и мало интересной и в ней не было бы никакого развития, т.е. всех тех изменений, которые произошли потом и в конечном счете привели к существующей картине мира.

Возраст нашей Галактики 12.4 миллиардов лет, а нашей солнечной системы 4.6 млрд. лет. Возраст метеоритов и самых старых камней на Земле немного меньше 3.8-4.4 млрд. лет. Первые одноклеточные организмы, лишенные ядер прокариоты и зелено-голубые бактерии, появились 3.0-3.5 млрд. лет тому назад. Это простейшие биологические системы, способные образовывать протеины, цепи аминокислот, состоящие из основных элементов жизни С, Н, О, N, S, и ведущие независимый образ жизни. Простые зелено-голубые “аlgае”, т.е. водяные растения без сосудистых тканей и “archaebacteria” или старые бактерии (используемые для приготовления лекарственных препаратов) и сегодня важная часть нашей биосферы. Эти бактерии – первое успешное приспособление жизни на Земле. Интересно, что зелено-голубые бактерии и другие прокариоты почти не изменились в течение млрд. лет, в то же время исчезнувшие динозавры и другие виды уже никогда не могут возродиться снова, т.к. условия на Земле сильно изменились, и они уже не могут пройти через все те этапы развития, которые они прошли в те далекие годы. Если по тем или иным причинам жизнь на Земле прекратится (из-за столкновения с гигантским метеоритом, в результате взрыва соседней к солнечной системе суперновой или нашего собственного самоуничтожения), она не может начаться вновь в том же виде, ибо теперешние условия в корне отличаются от тех, которые были около четырех млрд. лет тому назад (например, наличие свободного кислорода в атмосфере, а также изменение фауны Земли). Эволюция, уникальная по своей сути, уже не может повториться в том же виде и пройти все те этапы, через которые она прошла за минувшие миллиарды лет. Доктор Пайсон из Лос-Аламосской Национальной Лаборатории США высказал весьма любопытную мысль о роли эволюции в организации системы живых структур: “Жизнь – это последовательность молекулярных взаимодействий. Если мы откроем в биологии принцип иной, чем эволюция, мы научимся создавать живые системы лабораторным путем и таким образом понять механизм образования жизни”. Причина, почему мы не можем лабораторным путем осуществить превращение видов (например, мухи дрозофилы в какой-нибудь другой вид), состоит в том, что в естественных условиях на это понадобились миллионы лет, и мы сегодня не знаем другого принципа, как вызвать такое превращение.

По мере увеличения количества прокариотов они “изобрели” явление фотосинтеза, т.е. сложную цепь химических реакций, в которых энергия солнечного света вместе с углекислым газом и водой преобразуется в кислород и глюкозу. В растениях фотосинтез осуществляется в хлоропластах, которые содержатся в их листьях, приводя к атмосферному кислороду. Атмосфера, насыщенная кислородом, появилась 2-2.5 млрд. тому назад. Эукариоты, многоклеточные клетки, содержащие ядро с генетической информацией, а также органеллы, образовались 1-2 млрд. лет тому назад. Органеллы содержатся в клетках прокариотов, а также в клетках животных и растений. ДНК – это генетический материал любой живой клетки, в которой содержится наследственная информация. Наследственные гены расположены в хромосомах, которые содержат протеины, связанные с ДНК. Все организмы – бактерии, растительный и животный миры – несмотря на гигантское разнообразие видов, имеют общее происхождение, т.е. имеют общего предка (common ancestor). Дерево жизни состоит из трех основных ветвей – Bacteria, Archaea, Eukaria. В последнюю группу входит весь растительный и животный мир. Все известные живые организмы образуют протеины, используя лишь 20 основных аминокислот (хотя общее количество аминокислот в природе равно 70), а также используют одну и то же молекулу энергии АТФ для запаса энергии в клетках. Они также используют молекулы ДНК для передачи генов из одного поколения другому. Ген – это фундаментальная единица наследственности, часть ДНК, который содержит информацию, необходимую для синтеза протеина. Различные организмы имеют сходные гены, которые могут подвергаться мутации или улучшаться в течение длительной эволюции. От бактерий до амеб и от амеб до человека) гены ответственны за характеристики организмов и улучшение видов, тогда как протеины поддерживают жизнь. Все живые организмы используют ДНК, чтобы передать свои гены другому поколению. Генетическая информация передается от ДНК протеину путем сложной цепочки превращений посредством РНК, которая подобна ДНК, но отличается от нее своей структурой. В цепочке превращений химия®биология®жизнь синтезируется органическая молекула. Биологам хорошо известны все эти превращения. Самое удивительное из них – расшифровка генетического кода (The Human Genome Project), которая поражает воображение как сложностью, так и совершенством. Генетический код универсален для всех трех ветвей дерева жизни.

Самый интересный вопрос, некоторый человечество ищет ответ в течение всей своей истории, это как возникла первая жизнь и, в частности, зародилась ли она на Земле или же была привнесена из межзвездной среды с помощью метеоритов. Все основные молекулы жизни, включая аминокислоты и ДНК, найдены и в метеоритах. Теория направленной пансмермии (panspermia) предполагает, что жизнь возникла в межзвездном пространстве (интересно, откуда?), мигрирует через огромное пространство, однако эта теория не может объяснить, как жизнь может сохраниться в суровых условиях космоса (опасная радиация, низкие температуры, отсутствие атмосферы и т.д.). Ученые придерживаются теории, согласно которой естественные, хотя и примитивные условия на Земле привели к образованию простых органических молекул, а также к развитию форм различной химической активности, которые, в конечном счете, запустили дерево жизни. В очень интересном эксперименте Miller and Urey, выполненном в 1953 году, они доказали образование сложных органических молекул (альдегидов, карбоксилов и аминокислот) путем пропускания мощного электрического разряда – аналога молнии в естественных условиях – через смесь газов CН4, NH3, H2O, H2, которые имелись в первичной атмосфере Земли. Этот эксперимент продемонстрировал, что основные химические компоненты жизни, т.е. биологические молекулы, могут быть естественным путем сформированы путем симуляции примитивных условий на Земле. Однако, никакие формы жизни, включая полимеризацию молекул ДНК, не были обнаружены которые, по-видимому, могли возникнуть только в результате длительной эволюции.

Тем временем стали появляться более сложные структуры, огромные клетки – органы и большие живые образования, состоящие из млн. и млрд. клеток (например, человек состоит из десяти триллионов клеток). Сложность системы зависела от прошедшего времени и глубины естественного отбора, который сохранял виды, наиболее приспособленные к новым условиям жизни. Хотя все простые эукариоты воспроизводились путем деления, более сложные системы образовывались половым путем. В последнем случае каждая новая клетка берет половину генов от одного родителя и вторую половину от другого.

Жизнь в течение очень длительного периода ее истории (почти 90%) существовала в микроскопических и невидимых формах. Примерно 540 млн. лет тому назад начался совершенно новый революционный период, известный в науке как Cambrian era. Это период бурного возникновения огромного количества многоклеточных видов с твердой оболочкой, скелетом и мощным панцирем. Появились первые рыбы и позвоночные, растения из океанов начали мигрировать по всей Земле. Первые насекомые и их потомки способствовали распространению по Земле и животного мира. Последовательно стали появляться насекомые с крыльями, амфибии, первые деревья, пресмыкающиеся, динозавры и мамонты, первые птицы и первые цветы (динозавры исчезли 65 млн. лет тому назад, по-видимому, вследствие гигантского столкновения Земли с массивным метеоритом). Затем наступил период дельфинов, китов, акул и приматов, прародителей обезьян. Примерно 3 млн. лет тому назад появились существа с необычайно большим и сильно развитым мозгом, hominids (первые предки людей). Появление первого человека (homo sapiens) датируется 200,000 лет тому назад. Согласно некоторым теориям, появление первого человека, который качественно отличается от всех других видов животного мира, возможно, является результатом сильной мутации hominids, которое явилось источником образования новой аллели (allele) – измененной формы одного из генов. Появление современного человека датируется примерно 100,000 лет – тому назад, исторические и культурные свидетельства нашей истории не превышают 3000-7 4000 лет, однако технологически – развитой цивилизацией мы стали совсем недавно, всего лишь 200 лет назад!

Жизнь на Земле – это продукт биологической эволюции, насчитывающей примерно 3.5 млрд. лет. Появление жизни на Земле – это результат большого числа благоприятных условий – астрономических, геологических, химических и биологических. Все живые организмы от бактерий до человека имеют общего предка и состоят из нескольких основных молекул, присущих всем объектам нашей Вселенной. Главные свойства живых организмов – они имеют реакцию, растут, размножаются и передают информацию от одного поколения другому. Мы, земная цивилизация, несмотря на свой юношеский возраст, многого достигли: освоили атомную энергию, расшифровали генетический код человека, создали сложные технологии, стали экспериментировать в области генной инженерии (синтетической жизни), занимаемся клонированием, работаем над увеличением продолжительности нашей жизни (уже сегодня ученые обсуждают возможность увеличения продолжительности жизни до 800 и более лет), начали летать в космос, изобрели компьютеры и даже пытаемся вступить в контакт с внеземной цивилизацией (программа SETI, Search for Extraterrestrial Intelligence). Т.к. другая цивилизация пройдет совершенно другой путь развития, она полностью будет отличаться от нашей. В этом смысле каждая цивилизация по-своему уникальна – возможно, – это одна из причин, почему программа SETI оказалась безуспешной. Мы стали вмешиваться в святая святых, т.е. в процессы, которые в естественной среде занимали бы миллионы и миллионы лет.

Чтобы лучше понять, как мы молоды, предположим, что полная история Земли равна одному году и что наша история началась 1 января. В этой шкале уже 1 июня появились прокариоты и зелено-голубые бактерии, которые вскоре привели к насыщенной кислородом атмосфере. Cambrion эра началась 13 ноября. Динозавры жили на Земле с 13 по 26 декабря, а первые hominids появились днем 31 декабря. К Новому году мы, уже современные люди, послали первое послание в космос – в другую часть нашей Галактики. Только примерно через 100,000 лет (или по нашей шкале через 15 минут) наше послание (не прочитанное еще никем) покинет нашу Галактику и устремится к другим галактикам. Будет ли оно прочитано когда-нибудь? Мы этого не узнаем. Вероятнее всего нет.

Для возникновения в другой части Вселенной цивилизации, подобной нашей, не только потребуются миллиарды лет. Важно, чтобы такая цивилизация имела достаточно времени для своего развития и превращения в технологическую, а главное не уничтожила себя (это другая причина, почему мы не можем найти другую цивилизацию, хотя мы ее ищем более 50 лет: она, возможно, погибает раньше, чем успевает стать технологической). Наша технология может оказать пагубное влияние на атмосферу. Уже сегодня мы озабочены появлением озоновых дыр в нашей атмосфере, которые сильно увеличились за последние 50 лет (озон – трехатомная молекула кислорода, которая, в общем, является ядом). Это – результат нашей технологической активности. Озоновая оболочка предохраняет нас от опасного ультрафиолетового излучения Солнца. Такое излучение, при наличии озоновых дыр, приведет к повышению земной температуры и как результат – к глобальному потеплению (global warming). Поверхность Марса сегодня стерильна из-за отсутствия озонового слоя. За последние 20 лет озоновая дыра в атмосфере Земли возросла до размеров большого континента. Увеличение температуры даже на 2 градуса приведет к таянию льдов, возрастанию уровня океанов, а также к их испарению и опасному увеличению углекислого газа в атмосфере. Затем произойдет новое потепление атмосферы, и этот процесс будет продолжаться, пока не испаряться все моря и океаны (ученые называют это явление runaway greenhouse effect). После испарения океанов количество углекислого газа в атмосфере увеличится примерно в 100,000 раз и составит около 100%, что приведет к полному и необратимому уничтожению не только озонового слоя земной атмосферы, но и всего живого на Земле. Такое развитие событий уже имело место в истории нашей солнечной системы на Венере. 4 млрд. лет тому назад условия на Венере были близки к земным и, возможно, даже там была жизнь, т.к. Солнце в те далекие времена светило не так ярко (известно, что интенсивность излучения Солнца постепенно увеличивается). Возможно, что жизнь с Венеры мигрировала на Землю, а с Земли, по мере возрастания солнечного излучения, мигрирует на Марс, хотя, по-видимому, такое развитие событий маловероятно из-за проблем миграции живой клетки через космос. Количество углекислого газа в атмосфере Венеры сегодня равно 98%, а атмосферное давление почти в сто раз превышает земное. Возможно, это результат глобального потепления и испарения венерианских океанов. Венера и Марс преподают нам важный урок, т.е. мы знаем сегодня, что может произойти и с нашей планетой, если не предпринимать никаких мер. Другая проблема связана с возрастанием излучения Солнца, которое, в конечном счете, обусловит runaway greenhouse effect на Земле с известным результатом.

Наше развитие идет по экспоненте, с ускорением. Население Земли удваивается каждые 40 лет и возросло примерно с 200 тысяч до 6 млрд. за последние 2000 лет. Однако, не содержатся ли в таком бурном развитии семена опасности нашему существованию? Не погубим ли мы свою цивилизацию? Успеем ли мы стать высокоразвитой цивилизацией и понять нашу историю? Сумеем ли мы летать глубоко в космос и найти другую цивилизацию, подобную нашей? Согласно Эйнштейну, самое удивительное в мире состоит в том, что мир познаваем. Пожалуй, эта одна из самых интригующих особенностей человеческой цивилизации – умение раскрывать тайны мира. Мы можем понять мир, в котором живем, и понять законы, управляющие им. Однако, почему эти законы существуют? Почему скорость света, например, равна 300,000 км/сек или почему хорошо известное в математике число я (отношение длины окружности к его диаметру) равно именно 3.14159…? Американский физик А. Майкельсон получил Нобелевскую премию за измерения скорости света с невиданной точностью (напомню, что это гигантская величина: двигаясь с такой скоростью мы бы оказались на Луне через примерно одну секунду, на Солнце через 8 минут, а в центре Галактики через 28,000 лет). Другой пример – расшифровка генетического кода, состоящего из 30 млн. кусочков, каждый длиной в 500-600 букв, потребовала 15 лет работы с использованием сложных программ и компьютеров. Оказалось, что длина всего кода равна длине 100 млн. писем. Это открытие было сделано на рубеже двух тысячелетий и показало, что, возможно, мы научимся лечить болезни любой сложности путем исправления ошибок соответствующего участка поврежденного гена. Математики с помощью быстрых компьютеров рассчитали число я с немыслимой точностью до триллиона знаков после запятой, чтобы знать точное его значение и описать это число с помощью какой-нибудь простой формулы. Кто придумал эти числа и почему они именно такие? Как генетический код мог оказаться столь совершенным? Как физические постоянные связаны с нашим мирозданием? Разумеется, они отражают геометрическую структуру нашей Вселенной и, по-видимому, имеют разное значение для разных вселенных. Мы не знаем этого сегодня, как, впрочем, много другого. Но мы стремимся найти общие законы нашего мира или даже единый закон, из которого могли бы получить все другие законы в частном случае, а также, что очень важно, понять смысл мировых постоянных. Мы также не знаем, связано ли наше существование с выполнением какой-то миссии.

Но вернемся к нашей истории и нашей эволюции. Закончилась ли она и в чем ее смысл? Что произойдет с нами через миллионы лет, если, конечно, мы сумеем решить намят технологические проблемы и не уничтожим себя? В чем смысл появления в нашей истории таких гениальных личностей, как Эйнштейн, Шекспир или Моцарт? Возможна ли новая мутация и создание другого более совершенного вида, чем человек? Может ли этот новый вид решить проблемы мироздания и понять смысл нашей истории? Мы открыли законы и измерили с захватывающей дух точностью мировые постоянные, но мы не понимаем, почему они такие и какова их роль во Вселенной. Если совсем немного изменить те постоянные, то вся наша история выглядела бы по-другому. Несмотря на всю сложность и загадочность генетического кода, загадки самой Вселенной выглядят бесконечными. В чем суть этих загадок и удастся ли нам расшифровать их? Безусловно, мы изменимся. Но как? Являемся ли мы высшим и последним звеном в длительной истории нашего развития? Является ли наша история результатом какого-то остроумного плана или же оно просто результат сотен и тысяч благоприятных условий, которые стали возможными благодаря времени и длительной эволюции? Вне сомнения, что нашему развитию нет предела и оно также бесконечно, как бесконечен мир, состоящий из миллионов и миллионов вселенных, которые постоянно и разрушаются и образуются вновь.

Илья Гулькаров, Профессор, доктор физико-математических наук, Чикаго
June 18, 2005

ВАМ ПОНРАВИЛСЯ МАТЕРИАЛ? ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ НА НАШУ EMAIL-РАССЫЛКУ:

Каждый понедельник, среду и пятницу мы будем присылать вам на email дайджест самых интересных материалов нашего сайта.

Возникновение жизни на Земле - одна из самых впечатляющих загадок, которая будоражит умы человечества в течение всей нашей разумной истории. Сегодня мы хорошо знаем, когда появилась первая жизнь на нашей планете.

Это произошло около 4 млрд. тому назад, тогда как Cambrian explosion, т.е. период бурного появления многоклеточных организмов, соответствует времени 540 миллионов лет тому назад. С тех пор жизнь на Земле совершенствовалась в течение длительного времени, вследствие Дарвиновской эволюции. Огромные изменения, которые произошли в жизни человечества и во Вселенной, показывают, что наша эволюция даже ускоряется. Наша технология и сама жизнь становятся всё более и более совершенными. Мы движемся вперёд с огромным ускорением, и мы не знаем сегодня, что может стать результатом этих ускорений.

Как же возникла первая жизнь на Земле? В Книге Бытия утверждается, что жизнь, включая самого человека, была создана богом из земной пыли (“The God formed man of dust of the ground”, Genesis). Любопытно, что, в общем, это соответствует действительности, хотя естественно и не объясняется как же это произошло на самом деле. Ответ на этот вопрос может быть найден с помощью науки, задачей которой является объяснение естественных процессов внутри нашей Вселенной. Наука не оперирует не доказанными утверждениями. Цель науки не только проследить все этапы возникновения жизни на Земле, но и воспроизвести эти этапы в лабораторных условиях, как, например, физики не только объяснили механизмы термоядерных реакций внутри Солнца, высвобождающие гигантскую энергию, но и создали водородную бомбу, работающую на основе тех же принципов. Физики называют её маленькое Солнце на Земле. Немецкий учёный Г. Бете стал лауреатом Нобелевской премии за объяснение термоядерных процессов внутри Солнца.

Сегодня учёными доказано, что живые организмы возникли из неживой материи в длинной цепочке превращений от простых молекул до первой жизни - бактерии. Бактерия - это одноклеточный организм, тогда как сложные живые структуры являются многоклеточными. Например, человек состоит из триллиона клеток, в то время как бактерия лишь из одной. Более того, используя эти цепочки, учёные пытаются создать в лабораторных условиях полностью самовоспроизводящие искусственные организмы. Эти исследования позволяют проверить: является ли правильным наше понимание сложных процессов, приведших к возникновению первой жизни. В 2009 г. учёные создали в лаборатории первую молекулярную систему, которая копировала себя и могла эволюционировать.

Биологи нашли способ формирования сложных генетических молекул (РНК и ДНК), используя простые молекулы (О, С, N, Р), существовавшие на ранней стадии развития Земли несколько миллиардов лет тому назад. Открытие структуры РНК и ДНК позволяет понять ключевую особенность биологических молекул - копировать себя и эволюционировать. ДНК - это сложная молекула с молекулярной массой в один триллион, тогда как РНК имеет молекулярную массу всего 35000. Напомню, что молекулярная масса воды равна 18, а углерода 12. Основными элементами жизни на Земле являются вода и углерод. Углерод способен вступать в различные химические связи с другими элементами и производить сложные органические молекулы, включая липиды, карбогидраты, протеины и генетические молекулы РНК и ДНК, которые являются основными молекулами жизни. Поэтому жизнь на нашей Земле - это carbon - based life, хотя в других местах Вселенной возможны и другие формы жизни, например, silicon - based life.

Известно, что основными элементами во Вселенной являются водород и гелий. Внимательный читатель может спросить, каким же образом сложные молекулы или тяжёлые элементы, отличные от водорода и гелия, появились на нашей планете. Кто их «принёс» на Землю? Ответ на этот вопрос нам хорошо известен из астрономии: так называемые сверхмассивные звёзды производят в своих недрах многие известные нам химические элементы вследствие различных термоядерных реакций. После гибели таких звёзд они выбрасывают эти элементы внутрь галактики, которые становятся частью межзвёздной пыли и планет. Все тяжёлые элементы на Земле - это результат взрыва сверхновых звёзд, которые в конечном счёте обусловили появление первой жизни на Земле.

Без этих элементов жизнь была бы просто невозможной. Мы можем даже утверждать (возможно, с гордостью!), что являемся частью звёздного вещества (“We are star stuff!”). Например, наличие железа в нашем организме, которое определяет цвет нашей крови, является результатом производства железа внутри звёзд, который высвобождается после гибели звезды. Спекральный анализ вещества внутри звёзд и галактик показывает, что все тела во Вселенной состоят из одинакового набора элементов, составляющих таблицу Менделеева, а все живые организмы, включая растительный мир, имеют единого предка (a common ancestor), т.е. они появились из одного и того же корня дерева жизни. Само дерево жизни состоит из трёх основных частей (eukarya, archaea, bacteria) и лишь две ветки “eukarya” включают в себя весь растительный и животный миры. Жизнь на Земле возникла не сразу, а после почти 10 млрд. лет с момента Big Bang, когда появились все необходимые условия для возникновения первой жизни. Интересно, что наша Вселенная также произошла в результате гигантского взрыва из одной «точки». Эта «точка», которую физики называют “singularity”, имела чрезвычайно маленький размер и почти бесконечную плотность. Вследствие инфляции (быстрое расширение) и ускорений наша Вселенная стала сегодня гигантской. Свет может пересечь Вселенную лишь за 14 млрд. лет, хотя и покрывает расстояние от Земли до Солнца всего за восемь минут.

Вернёмся однако к основному вопросу этой статьи - как возникла первая жизнь на Земле. Два выдающихся учёных из the University of Chicago L.Miller and H.Urey ещё в 1950-х годах провели интереснейший эксперимент, который продемонстрировал, что жизнь могла быть сформирована естественным путём из набора различных молекул (H2. H2O, CH4, NH3), существовавших на ранней Земле, и серии химических реакций. Эксперимент показал, что основные молекулы жизни - аминокислоты (протеины) и нуклеиновые кислоты (основания РНК и ДНК) - могут быть легко получены из молекул, которые имелись в первичной атмосфере ранней Земли. Они поместили в стеклянную трубку воду, водород, метан и аммоний и пропустили через неё сильный электрический ток, который является аналогом молнии в природе. Через неделю в трубке были обнаружены различные органические молекулы, включая протеины. Последние ответственны за все сложные метаболические функции живой клетки. Однако, подобные эксперименты, хотя и явились первым важным шагом на пути от неживой материи к первой жизни, они не могли объяснить многие другие процессы, включающие переход от аминокислот (протеинов) к первой жизни и, в частности, каким образом примитивная клетка могла воспроизводить себя, эволюционировала, т.е. как она приводила к появлению новой жизни.

В последнее время учёные сумели объяснить все основные процессы, каким образом первые живые организмы на Земле возникли из неживой материи (например, журнал “Scientific American”, September, 2009). Эти процессы включают формирование нуклеотидов, состоящих из сахаров, фосфатов, оснований цианидов, ацетилена и воды, генетические молекулы РНК и ДНК, а также протоклетки, дающей рост первой жизни. Молекула РНК может быть сформирована из простых молекул имеющихся на ранней Земле до формирования первой жизни. Она была первым генетическим материалом сформировавшим жизнь на Земле вместе с ДНК, явившимся результатом эволюции позже. РНК порождает ДНК, которая в свою очередь порождает протеины. «РНК мир» включает в себя появление первого живого организма - протоклетки с РНК геномом, способной к самокопированию и Дарвиновской эволюции, тогда как «ДНК мир» включает бактериальную клетку с ДНК геномом, протеины и начало дерева жизни с общим предком для всего живого на Земле. Оба РНК и ДНК имеют длинные основания (от 2 до 40 в случае РНК и от 1000 до миллиона в случае типичного гена), которые включают сахара, фосфаты и простые молекулы - цианид, ацетилен, формальдегид и воду, имевшихся в ранней Земле. Нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК) ответственны за генетический код и дают инструкции для всех процессов внутри клетки. Чтобы образовать протеины, нуклеиновые кислоты должны сформировать длинные и сложные цепи. Все молекулы ДНК во всех живых организмах на Земле имеют одинаковую структуру, хотя и разный набор генов, и отличаются друг от друга различным подключением их ДНК.

Итак, на первом этапе простые и органические молекулы, а также различные химические реакции привели к образованию нуклеотидов. Три компоненты нуклеотидов - сахара, фосфаты и нуклеиновые основания - образовались спонтанно из простых молекул. Затем нуклеотиды соединившись дали начало первой генетической молекуле - РНК, а затем, на более поздней стадии развития, молекулу ДНК. Нуклеиновые кислоты, представляющие совокупность нуклеотидов, содержат генетическую информацию. Следующий этап - образование примитивной клетки с РНК геномом, включающая мембрану и способной к самокопированию путём деления. Протоклетка начала эволюционировать. Метаболизм, включающий серию химических реакций, позволил протоклетке получать энергию из окружающей среды. Следующий этап - образование ДНК и появление новой клетки с ДНК геномом, играющей роль первичной генетической молекулы. РНК теперь выполняет промежуточную роль между ДНК и протеином. Возникает первая бактерия с ДНК геномом и мембраной. Она способна к самокопированию и способна эволюционировать. Если раньше РНК была ответственна за образование протеинов, теперь протеины принимают на себя функции РНК в осуществлении самокопирования клетки и метаболических процессов. Интересно, что старый парадокс - что появилось раньше «курица или яйцо» - находит на основе этих процессов простое объяснение: сначала была курица (нуклеиновые кислоты), а затем уже появилось яйцо (протеины). Затем протеины (яйцо) служили началом образования нуклеиновых кислот (курица).

Жизнь - это химическая система способная к самокопированию и Дарвиновской эволюции. Э. Шредингер, один из основателей квантовой механики, в своей книге «Жизнь с Точки Зрения Физика» дал следующее определение жизни: “The living systems is self-assemble against nature’s tendency toward disorder, or entropy”.

Подведём итоги. Жизнь началась после того как химические молекулы ранней Земли сформировали нуклеотиды, важные элементы РНК. Затем образовалась протоклетка с РНК геномом, на следующем этапе образовалась ДНК и первая бактерия с ДНК геномом. Бактерии оставались без изменений миллиарды лет и начали эволюционировать в более сложные организмы, когда началась эра под названием Cambrian explosion, когда мир животных эволюционировал из маленьких и примитивных организмов в многоклеточные организмы. В это же время на основе Дарвиновской эволюции появилось огромное разнообразие мира животных и около 5 млн. лет тому назад появились первые человекоподобные существа hominids. Недавно был обнаружен hominid Ardi, которому 4.4 млн. лет и который, возможно, является первой фазой в эволюции человека. Современный человек homo sapiens появился примерно 50,000-100,000 лет тому назад на юго-востоке Африки и позднее распространился по всему миру. 5000 лет тому назад были построены Египетские пирамиды. Около двести лет назад мы стали технологической цивилизацией, когда было открыто электричество, появились паровые машины и самолёты. Если это время сравнить с возрастом нашей Вселенной (14 млрд. лет), то оно составляет лишь 0.00001% от этого времени, т.е. мы являемся молодой цивилизацией, хотя и во многом преуспели. Другое сравнение основано на использовании космического календаря. Если принять, что вся история Вселенной равнялась одному году, то первые современные люди появились лишь две минуты назад, 11 секунд назад были построены египетские пирамиды, одну секунду назад Галилей и Кеплер доказали, что солнечной система является гелиоцентрической и лишь полсекунды назад мы стали технологической цивилизацией.

Давайте заглянем в наше будущее и зададим себе вопрос - закончилась ли наша эволюция. Чтобы ответить на этот вопрос нам следует понять, почему происходит эволюция, т.е. изменения в нашем организме во времени, и появляются ли в нашем геноме новые гены. Ответ на второй вопрос найден - да, дополнительные гены появляются и наша эволюция не только продолжается, но и ускоряется во времени. Ева Яблонски, теоретик в области биологии из Тель-авивского университета, опубликовала результаты своих исследований, согласно которым имеется более ста наследственных изменений, которые отсутствовали в последовательности ДНК. Эти изменения охватывают бактерии, грибы, растения, а также животных. Токсические вещества, диета и даже стресс могут быть причиной изменений в геноме. Мутации - причина возникновения новых ген. Сегодня мы изменяемся быстрее, чем за любые предыдущие периоды нашей истории.

Интересно, что сравнительно недавно было открыто ускорение нашей Вселенной. Нет ли какой-либо взаимосвязи между ускорениями Вселенной и ускорением нашей эволюции? Чтобы объяснить причину ускорения Вселенной, физики предположили существование тёмной энергии, т.е. особой силы отталкивания (a repulsive force), которая обусловливает ускорение Вселенной. Сегодня мы знаем немного о природе этой силы, несмотря на то, что сотни учёных around the world пытаются разгадать её структуру.

Время - самая фундаментальная характеристика Вселенной и оно ответственно за все изменения в нашем мире. Причина изменений в мире, возможно, состоит в том, что температура космоса сильно изменилась - от 1032К во времена Big Bang (эта температура триллион триллионов раз превышает температуру в центре самых горячих звёзд) до 3К сегодня (-270С) в течение 14 млрд. лет. Эта температура измерена по спектру остаточного излучения космоса, которое заполняет всю нашу Вселенную и которое является ярким доказательством реальности Big Bang и того факта, что было начало мира. Такое резкое уменьшение температуры космоса связано с её расширением (inflation). Разумеется, это расширение и спад температуры не могут не отражаться на скорости всех процессов внутри Вселенной, обусловливая изменения не только Вселенной, но и влияют на темпы нашей эволюции, которая будет продолжаться всегда, пока наша Вселенная существует и изменяется во времени. Если температура космоса упадёт до нуля, наша Вселенная погибнет, что будет означать конец эволюции и самой жизни. Любопытно, что из четырёх сценариев развития нашей Вселенной, которые рассматриваются в астрономии, имеется доказательство, что наша Вселенная в конечном счёте погибнет, вследствие безудержного расширения и спада температуры до абсолютного нуля. Такой вывод основан на анализе данных о взрывах так называемых «белых карликов» (white dwarf supernova explosion).

Тогда другой Big Bang возвестит о начале новой вселенной и нового мира. Эта новая вселенная пройдёт совершенно другой путь развития и в ней будут другие законы физики с другими фундаментальными постоянными, такими как скорость света, масса электрона, гравитационная постоянная и т.д., и, разумеется, другой жизнью. Сегодня учёные обсуждают вероятность существования других вселенных (multiverse), в которых также возможна жизнь, но основанная на других принципах и других законах природы.

Илья Гулькаров, Чикаго

Жизнь на Земле началась три миллиарда лет назад. С тех пор эволюция превратила элементарные одноклеточные организмы в разнообразие форм, цветов, размеров и функций, которое мы наблюдаем сегодня. Но каким именно образом возникла жизнь в первичном бульоне - воде, содержащейся в неглубоких источниках и насыщенной аминокислотами и нуклеотидами?

Существует масса теоретических ответов на вопрос, что именно стало причиной возникновения жизни, от удара молнии до космического тела. Вот только некоторые из них.

Искра электричества

Той самой метафорической искрой жизни могла стать вполне буквальная искра или множество искр, источником которых была молния. Электрические искры, попадающие в воду, могли стать причиной образования аминокислот и глюкозы, преобразуя их из богатой метаном, водой, водородом и аммиаком атмосферы. Эта теория даже была подтверждена экспериментально в 1953 году, доказывая, что молния вполне могла оказаться причиной формирования основных элементов, необходимых для возникновения первых форм жизни.

После проведения эксперимента ученым удалось доказать, что ранняя атмосфера нашей планеты не могла содержать достаточное количество водорода, однако вулканические облака, покрывающие поверхность Земли, могли включать в себя все необходимые элементы и, соответственно, достаточно электронов, чтобы вызывать молнию.

Подводные гидротермальные источники

Сравнительно сильные глубоководные жерла могли стать необходимым источником водорода для формирования первых живых организмов на их каменистых поверхностях. Даже сегодня вокруг гидротермальных источников, даже на большой глубине, развиваются разнообразнейшие экосистемы.

Глина

Первые органические молекулы могли встретиться на глиняной поверхности. В глине всегда содержится достаточное количество органических компонентов, кроме того, она могла бы стать своего рода организатором этих компонентов в более сложные и эффективные структуры, похожие на ДНК.

Фактически ДНК является своеобразной картой для аминокислот, указывающей, как именно они должны быть организованы в клетках сложных жиров. Группа биологов из Университета Глазго в Шотландии утверждает, что глина могла бы стать такой картой для простейших полимеров и жиров, до тех пор пока они не научились «самоорганизации».

Панспермия

Эта теория заставляет задуматься над возможностью космического происхождения жизни. То есть, согласно ее постулатам, жизнь возникла не на Земле, а всего лишь была принесена сюда с помощью метеорита, например, с Марса. На земле было найдено достаточно осколков, которые предположительно попали к нам с красной планеты. Еще одним способом «космического такси» для неизвестных форм жизни являются кометы, которые способны путешествовать между звездными системами.

Даже если это правда, панспермия все равно не способна ответить на вопрос, как именно зародилась жизнь там, откуда ее принесло на планету Земля.

Под ледяным покровом

Вполне возможно, что океаны и материки три миллиарда лет назад были покрыты толстым слоем льда, ведь Солнце светило не так ярко, как сегодня. Лед мог стать защитным слоем для хрупких органических молекул, не позволяя ультрафиолетовым лучам и космическим телам, сталкивающимся с поверхностью, причинять вред первым и слабым формам жизни. Кроме того, более низкая температура могла стать причиной эволюции первых молекул в более крепкие и продолжительные.

Мир РНК

Теория мира РНК основана на философском вопросе яйца и курицы. Дело в том, что для образования (удвоения) ДНК нужны белки, а белки не могут самовоспроизводиться без той самой карты, заложенной в ДНК. Так каким же образом возникла жизнь, если одно не может появиться без другого, но оба прекрасно существуют в настоящем? Ответом может стать РНК - рибонуклеиновая кислота, которая способна хранить информацию, как ДНК, и служить в качестве белковых энзимов. На основе РНК образовалась более совершенная ДНК, затем более эффективные белки полностью заменили собой РНК.

Сегодня РНК существует и выполняет несколько функций в сложных организмах, например, отвечает за работу некоторых генов. Эта теория вполне логична, однако она не отвечает на вопрос, что послужило катализатором для образования самой рибонуклеиновой кислоты. Предположение, что она могла появиться сама собой, отвергает большинство ученых. Теоретическим объяснением является формирование простейших кислот ПНК и ТНК, которые затем развились в РНК.

Простейшее начало

Эта теория называется голобиозом и происходит из идеи о том, что жизнь началась не из сложных молекул РНК и первичного генетического кода, а из простейших частиц, взаимодействующих между собой ради обмена веществ. Возможно, эти частицы со временем развили защитную оболочку, вроде мембраны, а затем и эволюционировали в один, более комплексный, организм. Эту модель называют «ферментной моделью обмена веществ», в то время как теорию мира РНК называют «моделью первичного генетического кода».