Природа? Бог? Инопланетяне? Как учёные объясняют жизнь на Земле

Жизнь – завораживающее, таинственное явление. Жизнь – то, что делает Землю если не уникальным, то как минимум необычным местом во Вселенной, потому что сама по себе жизнь – чрезвычайно редкое явление для той части космоса, которая доступна человеку для изучения.

Как произошла жизнь на Земле? Чем больше человек узнавал об окружающем мире, тем больше разных объяснений феномену жизни он предлагал. До сих пор ученые со всего мира исследуют предпосылки и моделируют сам процесс возникновения жизни, и чем больше идут исследования, тем больше деталей мы узнаем. Исследования процесса возникновения жизни будут идти еще очень долго хотя бы по той причине, что сам процесс длился десятки, если не сотни миллионов лет, а первая жизнь, по предположениям ученых, появилась и вовсе несколько миллиардов лет назад. В этой статье мы рассмотрим несколько научных теорий, которые пытаются ответить этот вопрос.

Панспермия

Смысл этой гипотезы прост: земная жизнь имеет внеземное происхождение. У теории есть несколько разновидностей, но все они сходятся в одном – биологический материал, который дал Земле толчок для развития жизни, принесли из космоса астероиды, метеориты, кометы и прочие подобные космические тела. При этом сторонники этой гипотезы до сих пор спорят о том, в каком виде жизнь была принесена на Землю: были ли то уже «готовые» микроорганизмы-экстремофилы либо же простые органические молекулы, которые уже после попадания на Землю эволюционировали в микроорганизмы. Отдельные сторонники теории идут даже дальше и объясняют происхождение новых болезней попаданием внеземного биологического материала на нашу планету уже в наши дни.

Гипотеза панспермии появилась еще в античности и впервые была сформулирована в трудах древнегреческого философа Анаксагора. В разное время ее сторонниками были такие ученые, как Сванте Аррениус, Герман фон Гельмгольц, Герман Рихтер, Якоб Берцелиус, Кельвин. В качестве доводов в пользу своей теории, сторонники панспермии приводят такие наблюдения:

Микроорганизмы способны долго, в «спячке» переживать экстремальные условия вроде радиации, отсутствия кислорода, вакуума. Солнечная система содержит целый ряд объектов, на которых находят не относящиеся к деятельности человека органических соединений – от молекул сахаров до белковых соединений. Пример такой находки – метеорит Acfer 086, где в 2020 году был найден белок ## гемолитин.

Структура гемолитина

Главным недостатком теории панспермии считается тот факт, что она не отвечает на главный вопрос, волнующий ученых и обывателей – как, собственно, возникла земная жизнь. По сути, эта гипотеза откладывает ответ на этот вопрос, ведь причину ее сторонники видят в областях космоса, которые люди еще не могут интенсивно исследовать.

Теория Опарина – Холдейна

В 1924 году русский ученый Александр Опарин опубликовал статью «Возникновение жизни», где высказал свои соображения по поводу этого процесса. Общий смысл этой статьи – жизнь на Земле возникла в растворе высокомолекулярных соединений, где образовывались коацерваты – большие концентрации сложных химических соединений, которые в ходе цепочки реакций превращались в сначала в органические соединения, затем – в белки, и, в последнюю очередь, в белковые тела. К схожим выводам в 1930-е годы, когда статья Опарина была переведена на английский язык и опубликована на Западе, пришел и британский биолог Джон Холдейн.

Александр Опарин

Джон Холдейн

Очень весомые аргументы в пользу теории этих двух ученых добыли американские химики Стенли Миллер и Гарольд Юри, которые смоделировали условия «первичного бульона» и доказали, что в условиях высоких температур, образования коацерватов и систематического воздействия на «первичный бульон» со стороны электрических разрядов (с их помощью симулировали удары молний из грозовой атмосферы древней Земли) могут возникать органические молекулы, а значит, именно такой сценарий возникновения жизни наиболее вероятен.

Дополнительные доказательства теории Опарина-Холдейна были получены в 2015 году британским ученым Джоном Сазерлендом, которому удалось доказать, что компоненты РНК и ДНК – базовые носители наследственной информации для всех живых организмов – могут быть получены из простых циановодорода и сероводорода в ходе цепочки химических реакций.

Сходства и различия молекул ДНК и РНК

Заслуги теории Опарина-Холдейна настолько велики, что результаты ее разработки так или иначе принимают за основу своих исследований почти все современные исследователи процесса возникновения на Земле жизни. Однако, и у нее есть недостаток: хотя она очень хорошо объясняет, откуда на Земле взялся «строительный материал» для живых организмов, в чистом виде она не объясняет, как именно просто белковые соединения перешли именно к живому состоянию – начали самовоспроизводиться и осуществлять обмен веществ обособленно от внешней среды. Именно эти вопросы сейчас изучаются особенно тщательно, и гипотез, которые уточняют изыскания Опарина и Холдейна, сейчас много.

Теория химической эволюции

Одна из таких теорий, расширяющая изыскания Опарина и Холдейна – теория, объясняющая, как и почему современная белковая жизнь могла возникнуть именно из водорода и углерода.

Ответ на вопрос в сущности «водородно-углеродного шовинизма» кроется в химических свойствах, которые проявляют эти химические элементы при соединении друг с другом. Способность к образованию бесчисленного множества вариаций органических молекул обуславливает легкость, с которой белковые соединения могут меняться, а также быть настолько разнообразными.

Шотландский ученый Александер Кейрнс-Смит вместе с израильскими учеными сделал предположение о том, что сложные белковые молекулы могли возникнуть внутри пор глинистых минералов либо под толстым слоем кристаллической воды – то есть льда.

Белок-белковое взаимодействие подковообразного ингибитора рибонуклеазы с рибонуклеазой

Причины, по которым подобное могло произойти именно под защитой таких структур, ученые видят в той роли, которую минералы и лед могли играть для белковых соединений в условиях, когда на Земле отсутствовал озоновый слой и ультрафиолет воздействовал на поверхность планеты гораздо сильнее, чем в наши дни. Именно минералы и лед могли спасти протомолекулы и даже примитивные формы жизни от гибели под интенсивным ультрафиолетом.

Черные курильщики

Еще одна гипотеза о том, где конкретно жизнь на Земле могла развиваться на ранних стадиях образования нашей экосистемы, могут дать океаны. В наши дни выяснено, что огромные морские пространства на глубине не могут прокормить большое количество живых организмов и являются по сути пустынями под водой. Однако, есть места, где океанская жизнь в буквальном смысле кипит – черные курильщики, подводные геотермальные источники.

Из них в океаны поступает высокоминерализованная горячая вода под давлением в сотни атмосфер

Они интересны исследователям по нескольким причинам: во-первых, это места, где мантия Земли наиболее близко подходит к океанскому дну и откуда в океан выбрасываются огромные потоки минерализованной воды. Во-вторых, температура около черных курильщиков невероятно высока, и в этих условиях вполне существуют микроорганизмы-экстремофилы, а также отдельные виды червей и креветок. При этом микроорганизмы используют в своей жизнедеятельности железосерные реакции, о которых говорили Опарин и Холдейн в своих научных трудах.

Такие ученые, как Вильям Мартин и Михаэль Руссель, считают, что зоны, где располагались древние черные курильщики, могли быть одним из самых идеальных мест на молодой Земле для того, чтобы там возникла жизнь. Этому способствует и то, что среда около черных курильщиков располагается на морской глубине (что согласуется с гипотезой «первичного бульона»), а также из-за особенностей подобных экосистем они тоже хорошо защищены от ультрафиолета.

Гипотеза о мире РНК

Формы жизни, основанные на РНК, существуют и в наши дни – в основном, это разнообразные вирусы, проявляющие свойства как живой, так и неживой материи. Долгое время формы жизни, основанные на РНК, считались примитивными, однако, в последнее время взгляд на РНК и роль данных кислот в образовании жизни существенно изменился.

Модель РНК

Если раньше считалось, что образованию молекул РНК предшествовало образование ДНК-молекул, то теперь появилась гипотеза о так называемом мире РНК, который предшествовал жизни в той форме, какую мы знаем сегодня. Ученые при формулировании этой гипотезы пришли к подобному выводу на основании того, что молекулы РНК могут возникать как биогенным, так и небиогенным путем. Еще один дополнительный факт в копилку подтверждений этой теории – это доказанная экспериментально К. Боковым и С. Штейнбергом способность молекул РНК самостоятельно эволюционировать. Свойства и возможности РНК в деле формирования жизни на Земле продолжаются по сей день, но уже сейчас можно сказать, что РНК играла в этом процессе немалую роль.

Главная загадка, которая до сих пор стоит перед учеными, изучающими химическую эволюцию, остается механизм перехода образования белковых коацерватов к структурам, которые способны к самовоспроизведению. Пока что «жизнь в пробирке» не удалось создать никому, но в тот момент, когда это произойдет, это станет сенсацией всемирного масштаба. Открытие подобного механизма откроет огромные возможности как по улучшению медицины, сельского хозяйства, химической и других видов промышленности, так и даст толчок к созданию более отдаленных проектов – таких, как возможное терраформирование планет. Однако даже когда жизнь будет изучена до мельчайшей детали, она не перестанет быть чудом – потому что если она даже не уникальна, то очень редка и красива.