Як з’явилося життя на землі - науково-популярний журнал «не знали»

Проблема появи живих організмів є, мабуть, однією з найскладніших в сучасній науці. За довгі роки вчені змогли лише довести неспроможність фантастичних гіпотез і запропонувати ряд експериментально підтверджених теорій появи життя на нашій планеті.

Вдалі умови - велика випадковість

Приблизно 4 млрд. Років тому атмосфера нашої планети не містила кисню у вільній формі (він входив тільки до складу оксидів). На Землі тоді не було жодного живого організму, навіть бактерій. На жаль, неможливо скласти повне уявлення про те, що відбувалося на Землі в той період, і про те, як вона виглядала. Це можна лише припускати, оскільки вже зруйнувалися навіть гірські породи, що існували в той час. Спроба відтворити процес зародження життя буде лише лабораторним експериментом. У лабораторії неможливо відтворити всі умови, які супроводжували появу перших органічних сполук.

Стенлі Міллер - визнаний фахівець у цій сфері - думав, що життя виникло в той момент, коли органічні молекули організувалися в структури, здатні відтворювати самих себе. Дане твердження не викликає заперечень у науковому світі. При цьому важливо знати, в яких умовах, і яким чином з'явилися органічні молекули, з якої причини вони організовувалися в структури, які створили основу для появи живих організмів. На цей рахунок існує кілька теорій.

Відповідно до однієї з гіпотез життя зародилося в шматочку льоду. Прихильники цієї гіпотези вважають, що в той час на Землі лютували холоду. Як відомо, вплив низьких температур робить хімічні сполуки більш стабільними, вони накопичуються в великих кількостях. Осколки метеоритів, викиди термальних джерел і хімічні реакції в атмосфері під впливом електричних розрядів, стали джерелом аміаку, а також таких органічних сполук, як ціанід і формальдегід. Потрапляючи в воду, вони замерзали. У товщі льоду молекули зближувалися. Вони вступали у взаємодії, в результаті яких з'явилися амінокислоти (органічні сполуки), службовці «будівельним матеріалом» білків. Товща льоду на поверхні океану захищала їх від руйнівної дії ультрафіолету. На думку прихильників цієї гіпотези, льоди могли розтанути, наприклад, в результаті падіння дуже великого метеорита.

На думку Чарльза Дарвіна, середовищем, в якій зародилося життя, був невелика водойма. Саме в водах замкнутого водойми органічні речовини могли накопичитися в достатній кількості. З'єднання накопичувалися на поверхні шаруватих мінералів, які служили каталізаторами, тобто викликали відповідні реакції.

Прихильники третьої версії вважають, що причиною зародження життя стала вулканічна діяльність. На їхню думку, після утворення Землі, на її поверхню виливалися потоки магми. Саме вони містили речовини, які послужили основою утворення органічних молекул.

Первинний бульйон

Основні етапи появи життя виділили вчені А. Опарін і Дж. Бернал. Завдяки відсутності кисню ультрафіолетове випромінювання безперешкодно досягало поверхні Землі. Під його впливом, а також під впливом грозових розрядів і високих температур в районах вулканічної діяльності з водню, метану, аміаку, водяної пари утворилися органічні сполуки.

У 50-х роках минулого століття Стенлі Міллер у лабораторних умовах отримав амінокислоти, які, ймовірно, поклали початок зародженню життя. В експерименті використовувалася система колб. Одна з них була призначена для отримання електричного розряду дуже великої потужності, що імітує розряд блискавки. В процесі експерименту вчений заповнив її природними газами, що містилися, на думку Міллера, в атмосфері Землі до зародження життя (водень, аміак і метан). Нижня колба містила воду.

Вчений припускав, що під дією електричного розряду будуть утворені хімічні сполуки, а опинившись у воді, вони вступлять в реакцію один з одним. Результатом реакцій мало стати утворення складних молекул. І дійсно вода в нижній колбі перетворилася в «бульйон» з амінокислот. Таким чином, Міллеру вдалося продемонструвати, наскільки легко могли виникнути молекули, що є основою життя.

Опоненти Стенлі Міллера стверджували, що атмосфера Землі включала інші гази -азот і вуглекислоту. В установці, використаної для досвіду Міллером, ця суміш газів дала мізерну концентрацію органічних сполук. Малоймовірно, що в такому слабкому розчині могла виникнути життя. Було висловлено думку, що первинне органічна речовина потрапила на Землю з космосу разом з кометами, астероїдами, метеоритами.

Практично неможливо дізнатися, яка з цих версій найбільш близька до істини. Проте, можна вважати доведеним, що основою життя був саме «первинний бульйон». Вміщені в ньому речовини об'єднувалися в невеликі краплі, всередині яких відбувалися хімічні реакції. Ці краплі і стали першими «грудочками життя». Приблизно 4 млрд. Років тому в воді Світового океану з'явилися принципово нові молекули, які послужили основою появи одноклітинних організмів.

Ріст бактерій

Оскільки спочатку вільного кисню не було ні в атмосфері, ні в Світовому океані, в таких умовах могли розвиватися тільки анаеробні мікроорганізми, які отримували енергію при відсутності кисню. Важливою подією була поява фотосинтезуючих бактерій. Вони використовують енергію світла для перетворення вуглекислого газу в вуглеводи, якими харчуються інші мікроорганізми. Продуктом життєдіяльності перших фотосинтезуючих організмів були гази сірководень або метан. У певний момент з'явилися мікроорганізми-мутанти, які в процесі фотосинтезу стали виділяти кисень - ціанобактерії.

В результаті життєдіяльності ціанобактерій в океані поступово з'явився кисень, який спочатку взаємодіяв з залізом, розчиненим у воді. Оксиди заліза, які осідали на дні, перетворилися в поклади залізної руди. Після того, як відбулося окислення міститься у воді заліза, кисень став йти в атмосферу і накопичуватися в ній.

Завдяки накопиченню кисню в атмосфері виник новий тип бактерій - аероби. Кисень необхідний цим організмам для спалювання органічних сполук. Цей процес супроводжувався виділенням енергії.

Освіта клітин

3 млрд. Років тому океан населяли найпростіші водорості і бактерії. З накопиченням достатньої кількості кисню приблизно 2 млрд. Років тому з'явилися еукаріотні клітини. Вони мають, по-перше, ядро, яке містить генетичний матеріал, по-друге, - особливі органели (елементи структури клітини): мітохондрії (служать джерелом енергії клітини), вакуолі (регулюють водно-сольовий обмін, підтримують тиск, виконують ряд додаткових функцій ) і ін. Вищі рослини і водорості мають хлоропласти - структури, за допомогою яких відбувається фотосинтез (освіта на світлі органічних речовин з води і вуглекислоти).

Американський вчений Л. Маргуліс більше 30 років тому висунув теорію, згідно з якою мітохондрії є аеробними бактеріями, а хлоропласти - ціанобактеріями, поглиненими примітивними амебами приблизно 2 млрд. Років тому. Заклопотані бактерії і поглинула їх клітина «налагодили взаємовигідну співпрацю», що через певний період призвело до утворення еукаріотних клітини як стійкої системи.

Вихід з води

Після виникнення еукаріотів протягом сотень мільйонів років вони представляли собою мікроскопічні одноклітинні організми, наприклад, дріжджі. Їх еволюційний розвиток йшло дуже і дуже повільно. Приблизно 1,2 млрд. Років тому в результаті появи статевого розмноження виникло безліч видів еукаріотних організмів. Одноклітинні еукаріоти і бактерії розмножувалися поділом, тобто виробляли свої генетичні копії. При статевому розмноженні дві клітини батьків зливаються, утворюючи зиготу з подвійним набором хромосом, тобто з генами обох батьків, що дає можливість отримати нові поєднання генів. Згодом це призвело до появи нових еукаріотних організмів.

У кембрійського періоду (570-500 млн. Років тому) були відомі представники більшості класів тварин. При цьому трилобіти (за зовнішнім виглядом ці істоти нагадували сучасних мокриць) займали панівне становище. Другу групу становили брахиоподи - двостулкові плеченогие зразок сучасних молюсків. У кембрійський період океан населяли також археоцеати - організми з вапняним скелетом, які утворювали рифи. Жителями океану в цей період були черв'яки, медузи, губки тощо Широке поширення отримали водорості. Всі ці організми були морськими. Суша в кембрійський період все ще являла собою пустелю, але на прибережних каменях вже з'являлися плівки водоростей і колонії рослин, що нагадують сучасні мохи.

Трилобіти були відомі і в силурийском періоді (бл. 400 млн. Років тому), але їх скелети і очі змінилися. Збільшилися і розміри цих істот, багато хто з них навчилися плавати. До кінця силурійського періоду трилобітів витісняють інші тварини. Припускають, що одними з них були наутилоидеи - головоногі молюски. У цей період з'явилися ракоскорпіони, морські їжаки і деякі інші тварини.

Почалося завоювання суші. Першими з води вибралися низькорослі рослини псилофіти, які ще не мали справжніх коренів. До цього часу наземні водорості і бактерії, швидше за все, підготували особливий субстрат на зразок грунту. Незабаром океан покинули і перші тварини - ракоскорпіони, кліщі і деякі інші.