Ученые из Кембриджского университета (Великобритания), под руководством доктора (Emily Mitchell) разобрались в том, как размножались рангеоморфы – одни из первых на Земле многоклеточных организмов. Статью об этом, опубликованную в журнале Nature, пересказывает сайт LiveScience.
Рангеоморфы обитали в море 565 лет назад, во время эдиакарского периода (нео-протерозойская эра). Будучи еще очень примитивными животными, они не имели ни рта, ни других органов, и не могли двигаться, а прикреплялись к морскому дну. Их тело состояло из ветвящихся трубочек четырех уровней и отдаленно напоминало листья современных папоротников.
Кембриджские ученые проанализировали ископаемые отпечатки представителей Fractofusus, одного из родов рангеоморф, из эдиакарских горных пород на о. Ньюфаундленд (Канада), где останки живых существ данного геологического периода сохранились лучше всего в мире.
Применив статистические методы к анализу расположения отпечатков рангеоморф, биологи из Кембриджа установили, что они использовали две стратегии размножения. Первое поколение этих живых существ, поселившееся на какой-либо территории, рождалось из принесенных водою спор. (Пока не ясно, образовывались ли эти споры половым, или бесполым путем.) Последующие же поколения уже отпочковывались от этих первопроходцев с помощью отростков.
«Размножение таким способом сделало рангеоморф очень успешными, поскольку они могли сначала быстро осваивать новые территории, а потом столь же быстро их заселять, — сказала доктор Митчелл. — Способность этих организмов переключаться между двумя разными моделями размножения показывает, насколько сложной была их идеология, что удивительно, поскольку в ту эпоху большинство остальных форм жизни были чрезвычайно примитивными».
Рангеоморфы действительно распространились в морях эдиакария очень широко, однако в начале следующего, кембрийского периода (который относился уже к палеозойской эре) внезапно загадочно исчезли. В том числе и по этой причине ученые пока не могут подобрать им достоверных «родственников» среди ныне живущих организмов.
Возвращаясь же к открытию, сделанному доктором Митчелл с коллегами, отметим, что оно имеет важное значение для понимая процессов размножения первых многоклеточных животных, и их жизни вообще.
Изучение древних организмов, по их ископаемым останкам, подчас приводит к неожиданным результатам. Например, только недавно у разобрались, наконец, в анатомии ископаемого предка современных червей, ученым удалось разобраться в особенностях анатомии предка всех червей, жившего в эпоху Кембрийского взрыва (540 млн лет назад) и названного за свой причудливый внешний вид Hallucigenia. Оказалось, что то, что до сих пор принимали за голову данного червя — это хвост, а «ноги» оказались шипами на спине.
Панспермия
Сторонники идеи панспермии убеждены, что на Землю первые микроорганизмы были принесены из космоса. Так считал известный немецкий ученый-энциклопедист Герман Гельмгольц, английский физик Кельвин, российский ученый Владимир Вернадский и шведский химик Сванте Аррениус, считающийся сегодня родоначальником этой теории.
Научно подтвержден факт, что на Земле неоднократно были обнаружены метеориты с Марса и других планет, возможно с комет, которые могли прибыть даже из чужих звездных систем. В этом сегодня никто не сомневается, однако пока не понятно как жизнь могла возникнуть на других мирах. По сути, апологеты панспермии переносят "ответственность" за происходящее на инопланетные цивилизации.
Теория о первичном бульоне
Рождению этой гипотезы поспособствовали эксперименты Гарольда Юри и Стэнли Миллера, проведенные в 1950-е годы. Они смогли воссоздать почти те же условия, которые существовали на поверхности нашей планеты до зарождения жизни. Через смесь молекулярного водорода, угарного газа и метана пропустили небольшие электрические разряды и ультрафиолет.
Возникновение жизни
Согласно современной концепции мира РНК, рибонуклеиновая кислота (РНК) была первой молекулой, которая приобрела способность самовоспроизводиться. Могли пройти миллионы лет, прежде чем на Земле появилась первая такая молекула. Но после её образования на нашей планете появилась возможность возникновения жизни.
Молекула РНК может работать как фермент, соединяя свободные нуклеотиды в комплементарную последовательность. Таким образом происходит размножение РНК . Но эти химические соединения ещё нельзя назвать живым существом, так как они не имеют границ тела. Любой живой организм имеет такие границы. Только внутри изолированного от внешнего хаотического движения частиц тела могут происходить сложнейшие химические реакции, позволяющие существу питаться, размножаться, двигаться, и так далее.
Появление изолированных полостей в океане — явление довольно частое. Их образуют жирные кислоты (алифатические кислоты), попавшие в воду . Всё дело в том, что один конец молекулы гидрофильный, а другой — гидрофобный. Попавшие в воду жирные кислоты образуют сферы таким образом, что гидрофобные концы молекул находятся внутри сферы. Возможно, молекулы РНК стали попадать в такие сферы .
Сколько лет человечеству?
Не многим известен и возраст современного вида Homo Sapiens, что означает человек разумный, который ученые оценивают всего в 200 тысяч лет. То есть возраст человечества как вида в 1250 раз меньше, чем возраст класса рептилий, к которым принадлежали и динозавры.
Уместить в сознание и упорядочить эти данные необходимо, если мы хотим постигнуть, как появилась жизнь на нашей планете первоначально. И откуда взялись сами люди, которые сегодня пытаются понять эту жизнь?
Сегодня секретные материалы ученых стали достоянием публики. Шокирующая история экспериментов последних лет, которые переписали теорию эволюции и пролили свет на то, как началась жизнь на нашей планете, взорвали многолетние устоявшиеся догмы. Тайны генетики, обычно доступные лишь узкому кругу “посвященных”, дали однозначный ответ на предположение Дарвина.
Виду Homo Sapiens (человек разумный) всего 200 тысяч лет. А нашей планете 4,5 миллиарда!
Первое деление клетки
Как начали делиться первые клетки, состоящие из молекулы РНК и мембраны из жирных кислот, в настоящее время неизвестно. Возможно, построенная внутри мембраны новая молекула РНК начинала отталкиваться от первой. В конце концов, одна из них прорывала мембрану. Вместе с молекулой РНК уходила и часть молекул жирных кислот, которые образовывали вокруг неё новую сферу.
Секретные материалы
Всего каких-то несколько столетий назад за подобные идеи можно было ожидать казни на костре. Джордано Бруно сожгли за ересь чуть больше 400 лет назад, в феврале 1600 года. Но сегодня подпольные исследования смелых первопроходцев стали достоянием общественности.
Еще 50 лет назад отцы по неведению частенько воспитывали детей других мужчин, даже сама мать не всегда знала правду. Сегодня же установить отцовство — рядовой анализ. Каждый из нас может заказать анализ ДНК и узнать, кто были его предки, чья кровь течет в его или ее жилах. След поколений навсегда запечатлен в генетическом коде.
Именно в этом коде и содержится ответ на самый животрепещущий вопрос, занимающий умы человечества: как началась жизнь?
Секретные материалы ученых раскрывают историю стремления найти единственно верный ответ. Это история об упорстве, настойчивости и потрясающей креативности, охватывающая величайшие открытия современной науки.
В своем стремлении понять, как зародилась жизнь, люди отправились на исследование самых дальних уголков планеты. В ходе этих поисков некоторые ученые получили клеймо «извергов» за свои эксперименты, а другим приходилось проводить их под пристальным вниманием тоталитарного строя.
Докембрий (Криптозой)
Докембрий длился почти 4 млрд лет. В этот отрезок времени на Земле произошли значительные изменения: Кора остыла, появились океаны и, что самое важное, появилась примитивная жизнь. Однако следы этой жизни в палеонтологической летописи редки, поскольку первые организмы были мелкими и не имели твёрдых оболочек.
На докембрий приходится большая часть геологической истории Земли — около 3,8 млрд лет. При этом его хронология разработана гораздо хуже, чем последовавшего за ним фанерозоя. Причина этого в том, что органические остатки в докембрийских отложениях встречаются крайне редко, что является одной из отличительных особенностей этих древнейших геологических образований. Поэтому палеонтологический метод изучения для докембрийских толщ неприменим.
Архейский эон (4,6 — 2,5 млрд лет назад)
Исследования метеоритов, горных пород и других материалов того времени показывают, что наша планета сформировалась примерно 4,6 млрд лет назад. До этого времени вокруг Солнца был только размытый диск, состоящий из газа и космической пыли. Затем, под действием силы притяжения, пыль стала собираться в небольшие тела, которые в итоге превратились в планеты.
На протяжении многих миллионов лет на Земле не существовало никаких форм жизни. После архейского эпизода расплавления верхней мантии и её перегрева с возникновением в этой геосфере магматического океана вся первозданная поверхность Земли вместе с её первичной и изначально плотной литосферой очень быстро погрузилась в расплавы верхней мантии. Атмосфера в то время не была плотной и состояла из ядовитых газов, таких как аммиак (NH3), метан (CH4), водород (H2), хлор (Cl2), сера. Температура её достигала 80°С. Естественная радиоактивность была во много раз выше нынешней. Жизнь в таких условиях была невозможна.
4,5 млрд лет назад Земля предположительно столкнулась с небесным телом размером с Марс, гипотетической планетой Тейей. Столкновение было таким сильным, что образовавшиеся при столкновении обломки были выброшены в космос и образовали Луну. Образование Луны способствовало появлению жизни: она вызывала приливы, способствовавшие очищению и аэрации морей, и стабилизировала [ источник не указан 2933 дня ] ось вращения Земли.
Первые химические следы жизни возрастом примерно 3,5 млрд лет были обнаружены в горных породах Австралии (Пилбара) . Позднее органический углерод был обнаружен в породах, датируемых 4,1 млрд лет . Возможно, жизнь зародилась именно в горячих источниках, где было много питательных веществ, в том числе и нуклеотидов.
Жизнь в архее развилась до бактерий и цианобактерий. Они вели придонный образ жизни: устилали дно моря тонким слоем слизи.
Как же началась жизнь на Земле?
Пожалуй, это самый сложный из всех существующих вопросов. На протяжении тысячелетий абсолютное большинство людей объясняли это одним тезисом – «жизнь сотворили боги». Другие объяснения были попросту немыслимы. Но со временем ситуация изменилась. Весь прошлый век ученые пытались разобраться, каким же именно образом зародилась первая жизнь на планете, пишет Майкл Маршалл для BBC.
Большинство современных ученых, изучающих происхождение жизни, уверены, что они движутся в верном направлении – а проводимые эксперименты только закрепляют их уверенность. Открытия в генетике переписывают книгу знаний от первой страницы до последней.
- Не так давно ученые обнаружили древнейшего предка человека, жившего на планете примерно 540 миллионов лет назад. Именно от этого “зубастого мешка” и произошли все позвоночные, считают исследователи. Размер общего предка был всего с миллиметр.
- Современным исследователям даже удалось создать первый полусинтетический организм с фундаментальными изменениями в ДНК. Мы уже совсем рядом с синтезом новых белков, то есть полностью искусственной жизнью. Всего за какие-то пару столетий человечество сумело освоить создание нового типа живых организмов.
- Не только мы создаем новые организмы, но и уверенно редактируем уже существующие. Ученые даже создали “программное обеспечение”, позволяющее с помощью клеточных инструментов редактировать цепочку ДНК. Кстати, всего 1% ДНК несет генетическую информацию, считают исследователи. Для чего же нужны остальные 99%?
- ДНК настолько универсальна, что на ней можно хранить информацию, как на жёстком диске. На ДНК уже записали фильм и сумели скачать информацию обратно без проблем, как раньше брали файлы с дискеты.
Считаете себя образованным и современным человеком? Тогда вы просто обязаны это знать.
Хотя открытие ДНК датируется 1869 годом, только в 1986 эти знания впервые использовали в криминалистике.
Перед вами история зарождения жизни на Земле
Жизнь стара. Динозавры – это, пожалуй, наиболее известные из всех вымерших существ, но и они появились всего 250 миллионов лет назад. Первая же жизнь на планете зародилась намного раньше.
Самым древним окаменелостям, по оценкам экспертов, около 3,5 миллиардов лет. Иными словами, они в 14 раз старше первых динозавров!
Однако и это не предел. К примеру, в августе 2016 года были найдены ископаемые бактерии, возраст которых составляет 3,7 миллиардов лет. Это в 15 тысяч раз старше динозавров!
Сама Земля ненамного старше этих бактерий – наша планета окончательно сформировалась около 4,5 миллиардов лет назад. То есть первая жизнь на Земле зародилась довольно “быстро”, уже через каких-то 800 миллионов лет на планете существовали бактерии – живые организмы, которые, согласно ученым, сумели с течением времени усложниться и положить начало сперва простым организмам в океане, а в конце-концов, и самому человеческому роду.
Недавнее сообщение из Канады дает подтверждение этим данным: возраст самых старейших бактерий оценивается от 3,770 до 4,300 миллиардов лет. То есть жизнь на нашей планете, вполне возможно, зародилась “каких-то” 200 миллионов лет после ее образования. Найденные микроорганизмы жили на железе. Останки их были найдены в кварцевых породах.
Если допустить, что жизнь зародилась на Земле – что звучит разумно, учитывая, что на других космических телах мы ее еще пока не нашли, ни на других планетах, ни на осколках занесенных из космоса метеоритов, – то произойти это должно было в том временном промежутке, который охватывает миллиард лет между моментом, когда планета окончательно сформировалась, и датой появления найденных в наше время окаменелостей.
Итак, сузив интересующий нас период времени, опираясь на последние исследования, можно предположить, какой именно была первая жизнь на Земле.
Ученые воссоздали облик доисторических гигантов по скелетам, найденным при раскопках.
Каждый живой организм состоит из клеток (и вы тоже)
Еще в 19-м веке биологи установили, что все живые организмы состоят из «клеток» – крошечных сгустков органической материи различных форм и размеров.
Впервые клетки были обнаружены еще в 17-м веке – одновременно с изобретением относительно мощных микроскопов, но лишь спустя полтора века ученые пришли к единому выводу: клетки – это основа всей жизни на планете.
Разумеется, внешне человек не похож ни на рыб, ни на динозавров, но достаточно лишь взглянуть в микроскоп, чтобы убедиться, что люди состоят практически из тех же клеток, что и представители животного мира. Более того, те же клетки лежат в основе растений и грибов.
Все организмы состоят из клеток, включая вас.
Самая многочисленная форма жизни – одноклеточные бактерии
На сегодняшний день самыми многочисленными формами жизни можно смело назвать микроорганизмы, каждый из которых состоит лишь из одной единственной клетки.
Самый известный вид подобной жизни – это бактерии, обитающие в любой точке земного шара.
В апреле 2016 года ученые представили обновленную версию «древа жизни»: своего рода генеалогического древа для каждого вида живых организмов. Абсолютное большинство «ветвей» этого дерева занимают бактерии. Более того, форма дерева позволяет предположить, что предком всей жизни на Земле была бактерия. Иными словами, все многообразие живых организмов (в том числе и вы) произошло от одной-единственной бактерии.
Таким образом, мы можем точнее подойти к вопросу зарождения жизни. Чтобы воссоздать ту самую первоклетку, нужно максимально точно воссоздать условия, царившие на планете более 3,5 миллиардов лет назад.
Так насколько же это трудно?
Одноклеточные бактерии — самая распространенная форма жизни на Земле.
Начало экспериментов
На протяжении многих веков вопрос «с чего началась жизнь?» практически не задавался всерьез. Ведь, как мы уже вспомнили в самом начале, ответ был известен: жизнь создана Создателем.
Вплоть до 19-го века большинство людей верили в «витализм». Это учение основано на идее о том, что все живые существа наделены особой, сверхъестественной силой, отличающей их от неодушевленных предметов.
Идеи витализма часто перекликались с религиозными постулатами. В Библии говорится, что Бог с помощью «дыхания жизни» оживил первых людей, и что бессмертная душа – это одно из проявлений витализма.
Но есть одна проблема. Идеи витализма в корне неверны.
К началу 19-го века ученые обнаружили несколько веществ, которые имелись в наличии исключительно у живых существ. Одним из таких веществ была мочевина, содержащаяся в урине, и получить ее удалось в 1799 году.
Данное открытие, тем не менее, не противоречило концепции витализма. Мочевина появлялась лишь в живых организмах, так что, возможно, они были наделены особой жизненной энергией, которая и делала их уникальными.
Смерть витализма
Но в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер сумел синтезировать мочевину из неорганического соединения – цианата аммония, который никак не был связан с живыми существами. Его эксперимент смогли повторить другие ученые, и вскоре стало ясно, что все органические соединения можно получить из более простых – неорганических.
Это положило конец витализму как научной концепции.
Но избавиться от своих убеждений людям было довольно тяжело. Факт того, что в органических соединениях, свойственных только живым существам, на самом деле нет ничего особенного, для многих словно лишил жизнь элемента волшебства, превратив людей из божественных созданий чуть ли не в машины. Разумеется, это сильно противоречило Библии.
Даже некоторые ученые продолжали бороться за витализм. В 1913 году английский биохимик Бенджамин Мур горячо продвигал свою теорию «биотической энергии», которая, по сути, была тем же витализмом, но в другой обложке. Идея витализма нашла довольно прочные корни в человеческой душе на эмоциональном уровне.
Сегодня же ее отражения можно найти в самых неожиданных местах. Взять, к примеру, ряд научно-фантастических историй, в которых «жизненную энергию» персонажа можно пополнить или выкачать. Вспомните «энергию регенерации», которой пользовалась раса Повелителей Времени из сериала «Доктор Кто». Данную энергию можно было пополнять, если она подходила к концу. Хотя идея и выглядит футуристически, но на деле это отражение старомодных теорий.
Таким образом, после 1828 года у ученых, наконец, появились веские причины искать новое объяснение зарождению жизни, на этот раз отбросив домыслы о божественном вмешательстве.
Но искать они не начали. Казалось бы, тема исследований напросилась сама собой, но на деле к загадке происхождения жизни не подступались еще несколько десятилетий. Возможно, все по-прежнему были слишком привязаны к витализму, чтобы двигаться дальше.
Дарвин и теория эволюции
Главным прорывом в области биологических исследований 19-го века стала теория эволюции, разработанная Чарльзом Дарвином и продолженная другими учеными.
Теория Дарвина, изложенная в работе «Происхождение видов» 1859 года, объясняла, каким образом все многообразие животного мира появилось от одного единого предка.
Дарвин утверждал, что Бог не создавал каждый вид живых существ по отдельности, а все эти виды происходят от первобытного организма, появившегося миллионы лет назад, который также называют последним универсальным общим предком.
Идея оказалась крайне противоречивой, опять же потому, что опровергала библейские постулаты. Теория Дарвина подверглась яростной критике, в частности, от оскорбленных христиан.
Но в теории эволюции не говорилось ни слова о том, как появился самый первый организм.
Как же появилась первая жизнь?
Дарвин понимал, что это основательный вопрос, но (возможно, не желая вступать в очередной конфликт с духовенством) затронул он его лишь в письме 1871 года. Эмоциональный тон письма показывал, что ученый осознавал все глубокое значение данного вопроса:
«…Но если бы сейчас [ах, какое большое если!] в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т. п., химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным превращениям…»
Иными словами: представьте себе небольшой водоем, наполненный простыми органическими соединениями и находящийся под солнцем. Некоторые из соединений вполне могут начать взаимодействовать, создавая более сложные вещества, вроде белка, которые, в свою очередь, также будут взаимодействовать и развиваться.
Идея была довольно поверхностной. Но, тем не менее, она легла в основу первых гипотез о происхождении жизни.
Дарвин не только создал теорию эволюции, но и предположил, что жизнь зародилась в теплой воде, насыщенной необходимыми неорганическими соединениями.
Революционные идеи Александра Опарина
И первые шаги в этом направлении были сделаны совсем не там, где вы могли бы ожидать. Вы, возможно, думаете, что такие исследования, подразумевающие свободу мысли, должны были проводиться в Великобритании или США, к примеру. Но на самом деле первые гипотезы о происхождении жизни были выдвинуты на родных просторах сталинского СССР, ученым, имя которого вы, вероятно, никогда не слышали.
Известно, что Сталин закрывал многие исследования в сфере генетики. Вместо этого он пропагандировал идеи агронома Трофима Лысенко, которые, как ему казалось, больше подходили для коммунистической идеологии. Ученые, проводившие исследования в сфере генетики, обязаны были публично поддерживать идеи Лысенко, в противном случае рискуя оказаться в лагерях.
Именно в такой напряженной обстановке приходилось проводить свои опыты биохимику Александру Ивановичу Опарину. Это было возможным потому, что он зарекомендовал себя надежным коммунистом: поддерживал идеи Лысенко и даже получил орден Ленина – самую почетную награду из всех существовавших в то время.
В 1924 году Опарин опубликовал книгу «О возникновении жизни». В ней он изложил свой взгляд на происхождение жизни, который был удивительно похож на схематичный пример «теплого водоема» Дарвина.
Советский биохимик Александр Опарин предположил, что первые живые организмы сформировались как коацерваты.
Новая теория возникновения первой жизни на земле
Опарин описывал, что собой представляла Земля в первые дни после своего формирования. Планета имела обжигающе горячую поверхность и притягивала небольшие метеориты. Кругом были лишь наполовину расплавленные камни, в которых содержался огромный спектр химических веществ, многие из них основывались на углероде.
В конце концов Земля достаточно остыла, и испарения впервые превратились в жидкую воду, создав таким образом первый дождь. Через некоторое время на планете появились горячие океаны, которые были богаты химическими веществами, основанными на углероде. Далее события могли развиваться по двум сценариям.
Первый подразумевал взаимодействие веществ, при котором появлялись бы более сложные соединения. Опарин предположил, что важные для живых организмов сахар и аминокислоты могли сформироваться в водяном бассейне планеты.
При втором сценарии некоторые вещества при взаимодействии начинали формировать микроскопические структуры. Как известно, многие органические соединения не растворяются в воде: к примеру, масло формирует слой на поверхности воды. Но некоторые вещества при контакте с водой образуют сферические глобулы, или «коацерваты», диаметром до 0,01 см (или 0,004 дюйма).
Наблюдая за коацерватами под микроскопом, можно заметить их сходство с живыми клетками. Они растут, меняют форму и иногда делятся на две части. Они также взаимодействуют с окружающими соединениями, так что внутри них могут концентрироваться другие вещества. Опарин предположил, что коацерваты были предками современных клеток.
Теория первой жизни Джона Холдейна
Спустя пять лет, в 1929 году английский биолог Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн независимо выдвинул свою теорию со схожими идеями, которая была опубликована в журнале «Rationalist Annual».
Холдейн к тому моменту уже внес огромный вклад в развитие теории эволюции, способствуя интеграции идей Дарвина в науку о генетике.
И человеком он был весьма запоминающимся. Однажды в ходе эксперимента в декомпрессионной камере он пережил разрыв барабанной перепонки, о чем позже написал следующее: “Перепонка уже заживает, и даже если в ней останется отверстие, то, несмотря на глухоту, оттуда можно будет задумчиво выпускать колечки табачного дыма, что я считаю важным достижением”.
Как и Опарин, Холдейн предположил, каким именно образом в воде могли взаимодействовать органические соединения: «(ранее) первые океаны достигли консистенции горячего бульона». Это создало условия для появления «первых живых или наполовину живых организмов». В этих же условиях простейшие организмы могли оказаться внутри «масляной пленки».
Джон Холдейн, независимо от Опарина, выдвинул схожие идеи о зарождении первых организмов.
Гипотеза Опарина-Холдейна
Таким образом, первыми биологами, выдвинувшими данную теорию, стали Опарин и Холдейн. Но мысль о том, что в формировании живых организмов не участвовал Бог или даже некая абстрактная «жизненная сила», была радикальной. Как и теория эволюции Дарвина, эта мысль была пощечиной для христианства.
Власть СССР этот факт полностью устраивал. При советском режиме в стране царил атеизм, а власть с радостью поддерживала материалистические объяснения таких сложных явлений, как жизнь. Кстати, Холдейн тоже был атеистом и коммунистом.
«В те времена на эту идею смотрели исключительно через призму собственных убеждений: религиозные люди воспринимали ее в штыки в отличие от сторонников коммунистических идей», рассказывает Армен Мулкиджанян, эксперт по вопросам происхождения жизни в Оснабрюкском университете Германии. «В Советском Союзе эту идею приняли с радостью, поскольку им не нужен был Бог. А на Западе ее разделяли все те же сторонники левых взглядов, коммунисты и т.д.»
Концепцию того, что жизнь сформировалась в «первичном бульоне» из органических соединений, называют гипотезой Опарина-Холдейна. Она выглядела достаточно убедительно, но была одна проблема. На тот момент не было проведено ни одного практического эксперимента, который доказал бы правдивость этой гипотезы.
Начались такие опыты только спустя почти четверть века.
Первые экперименты по созданию жизни “в пробирке”
Вопросом происхождения жизни заинтересовался Гарольд Юри, знаменитый ученый, уже получивший к тому времени Нобелевскую премию по химии в 1934 году и даже принявший участие в создании атомной бомбы.
В ходе Второй мировой войны Юри участвовал в Манхэттенском проекте, занимаясь сбором нестабильного урана-235, необходимого для ядра бомбы. После окончания войны Юри выступал за гражданский контроль над ядерными технологиями.
Юри заинтересовался химическими явлениями, происходящими в открытом космосе. А наибольший интерес для него представляли процессы, происходившие в период формирования Солнечной системы. На одной из своих лекций он указал, что в первое время на Земле, скорее всего, не было кислорода. И эти условия были идеальными для формирования «первичного бульона», о котором говорили Опарин и Холдейн, поскольку некоторые из необходимых веществ были настолько слабыми, что растворились бы при контакте с кислородом.
На лекции присутствовал студент докторантуры по имени Стэнли Миллер, который обратился к Юри с предложением провести эксперимент, основанный на этой идее. Поначалу Юри отнесся к идее скептически, но позже Миллер сумел его уговорить.
В 1952 году Миллер провел самый знаменитый эксперимент из всех, что были связаны с объяснением происхождения жизни на Земле.
Эксперимент Стэнли Миллера стал самым известным в истории изучения зарождения живых организмов на нашей планете.
Самый знаменитый эксперимент о происхождении жизни на Земле
Подготовка не заняла много времени. Миллер соединил ряд стеклянных колб, по которым циркулировали 4 вещества, предположительно существовавших на ранней Земле: кипящая вода, водород, аммиак и метан. Газы подвергались систематическим искровым разрядам – это была симуляция ударов молний, которые были привычным явлением на ранней Земле.
Миллер обнаружил, что «вода в колбе заметно порозовела после первого дня, а после первой недели раствор помутнел и приобрел темно-красный цвет». Налицо было формирование новых химических соединений.
Когда Миллер проанализировал состав раствора, он обнаружил, что в нем содержатся две аминокислоты: глицин и аланин. Как известно, аминокислоты часто описываются как строительные блоки жизни. Эти аминокислоты используются в формировании белков, которые контролируют большинство биохимических процессов в нашем организме. Миллер буквально создал с нуля два самых важных компонента живого организма.
В 1953 году результаты опыта были опубликованы в престижном журнале «Science». Юри благородным, хотя и не свойственным ученым его возраста, жестом убрал свое имя из заголовка, оставив всю славу Миллеру. Но несмотря на это, исследование обычно называют «Экспериментом Миллера-Юри».
Значимость экперимента Миллера-Юри
«Ценность эксперимента Миллера-Юри заключается в том, что он показывает, что даже в простой атмосфере может быть образовано множество биологических молекул», говорит Джон Сазерленд, ученый из Кембриджской лаборатории молекулярной биологии.
Не все детали эксперимента были точны, как выяснилось позже. На самом деле исследования показали, что в атмосфере ранней Земли находились другие газы. Но это никак не умаляет значимость эксперимента.
«Это был знаковый эксперимент, потрясший воображение многих, и именно поэтому на него ссылаются и по сей день», говорит Сазерленд.
В свете эксперимента Миллера многие ученые начали искать способы создания простых биологических молекул с нуля. Ответ на вопрос «Как началась жизнь на Земле?», казалось, был совсем рядом.
Но затем оказалось, что жизнь куда сложнее, чем можно себе представить. Живые клетки, как выяснилось, это не просто набор химических соединений, а сложные маленькие механизмы. Внезапно создание живых клеток с нуля превратилось в куда более серьезную проблему, чем того ожидали ученые.
Изучение генов и ДНК
К началу 50-х годов 20-го века ученые уже далеко отошли от мысли, что жизнь была подарком богов.
Вместо этого они начали изучать возможность стихийного и естественного возникновения жизни на ранней Земле – и, благодаря знаковому эксперименту Стэнли Миллера, у этой идеи начали появляться доказательства.
Пока Миллер пытался создавать жизнь с нуля, другие ученые разбирались, из чего состоят гены.
К этому моменту уже было изучено большинство биологических молекул. К ним относятся сахар, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, вроде “дезоксирибонуклеиновой кислоты” – она же ДНК.
Сегодня все знают, что в ДНК содержатся наши гены, но для биологов 1950-х годов это было настоящим шоком.
Белки имели более сложную структуру, из-за чего ученые полагали, что генная информация содержится именно в них.
Теория была опровергнута в 1952 году учеными из Института Карнеги – Алфредом Херши и Мартой Чейз. Они изучали простые вирусы, состоящие из белка и ДНК, которые размножались путем заражения других бактерий. Ученые выяснили, что в бактерии проникает вирусная ДНК, а не белок. Из этого был сделан вывод, что ДНК представляет собой генетический материал.
Открытие Херши и Чейз стало началом гонки, целью которой было изучение структуры ДНК и принципов ее работы.
Марта Чейз и Алфред Херши открыли, что ДНК несет генетическую информацию.
Спиральная стуктура ДНК — одно из важнейших открытий 20 века
Первыми к решению вопроса пришли Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон из Кембриджского университета, не без неодооцененной помощи своей коллеги, Розалинд Франклин. Произошло это через год после опытов Херши и Чейз.
Их открытие стало одним из важнейших в 20-м веке. Это открытие изменило взгляд на поиски истоков происхождения жизни, раскрывая невероятно сложное устройство живых клеток.
Уотсон и Крик обнаружили, что ДНК представляет собой двойную спираль (двойной винт), которая похожа на изогнутую лестницу. Каждый из двух «полюсов» этой лестницы состоит из молекул, называемых нуклеотидами.
Данная структура дает понять, каким образом клетки копируют свою ДНК. Иными словами, становится понятно, как родители передают копии своих генов детям.
Важно понять, что двойную спираль можно «развязать». Это откроет доступ к генетическому коду, состоящему из последовательности генетических оснований (A, T, C и G), обычно заключенному внутри «ступеней» лестницы ДНК. Каждая нить затем используется как шаблон при создании копии другой.
Этот механизм позволяет генам передаваться по наследству с самого возникновения жизни. Ваши собственные гены в конечном итоге берут свое начало у древней бактерии – и при каждой их передаче использовался тот самый механизм, что обнаружили Крик и Уотсон.
В 1953 году Уотсон и Крик опубликовали свой доклад в журнале «Nature». Последующие несколько лет ученые пытались понять, какая именно информация содержится в ДНК, и каким образом она используется в живых клетках.
Перед общественностью впервые раскрылась одна из самых сокровенных тайн жизни.
Структура ДНК: 2 остова (антипараллельные цепочки) и пары нукледотидов.
Задача ДНК
Как выяснилось, задача у ДНК всего одна. Ваша ДНК сообщает клеткам вашего тела, как нужно создавать белки (протеины) – молекулы, выполняющие множество важных задач.
Без белков вы не смогли бы переваривать пищу, ваше сердце перестало бы биться, а дыхание остановилось бы.
Но воссоздание процесса формирования белков при помощи ДНК на деле оказалось ошеломительно трудной задачей. Каждый, кто пытался объяснить происхождение жизни, просто не мог понять, как нечто настолько сложное вообще могло самостоятельно появиться и развиться.
Каждый белок – это по сути длинная цепь аминокислот, сплетенных в определенном порядке. Этот порядок определяет трехмерную форму белка и, следовательно, его предназначение.
Данная информация кодируется в последовательности оснований ДНК. Так что, когда клетке необходимо создать конкретный белок, она считывает соответствующий ген в ДНК, чтобы построить потом заданную последовательность аминокислот.
Что такое РНК?
В процессе использования ДНК клетками один нюанс.
- ДНК – это самый драгоценный ресурс клетки. Поэтому клетки предпочитают не обращаться к ДНК при каждом действии.
- Вместо этого клетки копируют информацию из ДНК в малые молекулы другого вещества под названием РНК (рибонуклеиновая кислота).
- РНК похожа на ДНК, однако у нее всего одна цепочка.
Если провести аналогию между ДНК и библиотечной книгой, то РНК здесь будет выглядеть как страничка с кратким содержанием книги.
Процесс преобразования информации через цепь РНК в белок завершается при помощи очень сложной молекулы под названием «рибосома».
Данный процесс происходит в каждой живой клетке, даже в самых простейших бактериях. Для поддержания жизни он важен так же, как пища и дыхание.
Таким образом, любое объяснение появления жизни обязано показать, как появилось и как начало работать сложное трио, куда входят ДНК, РНК и рибосомы.
Разница между ДНК и РНК.
Все гораздо сложнее
Теории Опарина и Холдейна теперь казались наивными и простыми, а эксперимент Миллера, в ходе которого было создано несколько аминокислот, необходимых для формирования белка, выглядел дилетантским. На длинном пути к созданию жизни его исследование, пусть и продуктивное, явно было лишь первым шагом.
«ДНК заставляет РНК делать белок, и все это в закрытом мешочке химических веществ», — говорит Джон Сазерленд. — «Вы смотрите на это и поражаетесь, насколько это сложно. Что нам сделать, чтобы найти органическое соединение, которое будет делать все это за один раз?»
Возможно, жизнь началась с РНК?
Первым на этот вопрос попытался ответить британский химик по имени Лесли Орджел. Он одним из первых увидел модель ДНК, созданную Криком и Уотсоном, а позже помогал НАСА в рамках программы «Викинг», в ходе которой на Марс были отправлены посадочные модули.
Орджел намеревался упростить задачу. В 1968 году при поддержке Крика он предположил, что в первых живых клетках не было ни белков, ни ДНК. Напротив, они практически целиком состояли из РНК. В этом случае первичные молекулы РНК должны были быть универсальными. К примеру, им необходимо было создавать собственные копии, вероятно, используя тот же механизм образования пар, что и ДНК.
Мысль о том, что жизнь началась с РНК, оказала невероятное влияние на все дальнейшие исследования. И стала причиной ожесточенных дебатов в научном сообществе, не утихающих и по сей день.
Допуская, что жизнь началась с РНК и еще одного некоего элемента, Орджел предположил, что один из важнейших аспектов жизни – способность самовоспроизведения – появился раньше прочих. Можно сказать, что он размышлял не только о том, как впервые появилась жизнь, а говорил о самой сути жизни.
Многие биологи согласились с идеей Орджела о том, что «воспроизведение было первым». В теории эволюции Дарвина способность к продолжению рода стоит во главе угла: это единственный способ для организма «выиграть» в этой гонке – то есть, оставить после себя многочисленных детей.
Лесли Орджел выдвинул идею, что первые клетки функционировали на основе РНК.
Разделение на 3 лагеря
Но для жизни характерны и другие особенности, при этом в равной степени важные.
Самая очевидная из них – метаболизм: способность поглощать окружающую энергию и использовать ее для выживания.
Для многих биологов метаболизм является определяющей характеристикой жизни, способность воспроизведения они ставят на второе место.
Итак, начиная с 1960-х годов, ученые, бьющиеся над загадкой происхождения жизни, начали делиться на 2 лагеря.
«Первый утверждал, что метаболизм появился раньше генетики, второй придерживался обратного мнения», объясняет Сазерленд.
Существовала и третья группа, утверждающая, что сначала должен был появиться некий контейнер для ключевых молекул, который не позволял бы им распадаться.
«Компартментализация должна была появиться первой, потому что без нее метаболизм клеток теряет всякий смысл», поясняет Сазерленд.
Иными словами, у истоков жизни должна была стоять клетка, как это уже подчеркнули Опарин и Холдейн за несколько десятков лет до этого, и, возможно, эта клетка должна была быть покрыта простыми жирами и липидами.
Каждая из трех идей обзавелась своими сторонниками и дожила до наших дней. Ученые порой забывали о хладнокровном профессионализме и слепо поддерживали одну из трех идей.
В результате, научные конференции по данному вопросу зачастую сопровождались скандалами, а журналисты, освещающие эти события, часто слышали нелицеприятные отзывы ученых одного лагеря о работе своих коллег из двух других.
Благодаря Орджелу, мысль о том, что жизнь началась с РНК, приблизила общественность еще на шаг вперед к разгадке.
А в 1980-х годах произошло потрясающее открытие, которое фактически подтвердило гипотезу Орджела.
Что было первым: контейнер, метаболизм или генетика?
Итак, в конце 1960-х годов в поисках ответа на загадку происхождения жизни на планете ученые разделились на 3 лагеря.
- Первые были уверены, что жизнь началась с формирования примитивных версий биологических клеток.
- Вторые полагали, что первым и ключевым шагом была система метаболизма.
- Третьи же сфокусировались на важности генетики и воспроизведения (репликации).
Этот третий лагерь пытался понять, как мог выглядеть самый первый репликатор, держа в уме идею, что репликатор должен состоять из РНК.
Многоликая РНК
К 1960-м годам у ученых накопилось немало причин полагать, что РНК была источником всей жизни.
К этим причинам относился тот факт, что РНК могла делать то, чего не могла ДНК.
Будучи одноцепочной молекулой, РНК могла сгибаться, придавая себе различные формы, что было недоступно для жесткой ДНК с двумя цепями.
Складывающаяся словно оригами РНК сильно напоминала своим поведением белки. Ведь белки – это по сути такие же длинные цепочки, но состоящие из аминокислот, а не нуклеотидов, что позволяет им создавать более сложные структуры.
Это и есть ключ к самой поразительной способности белков. Некоторые белки могут ускорять, или «катализировать», химические реакции. Эти белки называют ферментами.
Например, в человеческих кишках содержится немало ферментов, разбивающих сложные молекулы еды на простые (вроде сахара) – то есть такие, которые в дальнейшем используются нашими клетками. Жить без ферментов было бы попросту невозможно. Например, недавняя смерть сводного брата корейского лидера в аэропорту Малайзии была вывана тем, что в его организме прекратил функционировать фермент (энзим), действие которого подавляет нервный реагент VX — в результате, парализуется работа системы дыхания и человек умирает в течение нескольких минут. Настолько важны для работы нашего организма ферменты.
Лесли Орджел и Фрэнсис Крик выдвинули очередную гипотезу. Если РНК могла складываться, как это делали белки, то могла ли она формировать еще и ферменты?
Если бы это оказалось так, то РНК могла бы быть оригинальной – и крайне универсальной – живой молекулой, хранящей информацию (как это делает ДНК) и катализирующей реакции, что свойственно некоторым белкам.
Идея была интересной, но за следующие 10 лет доказательств в ее поддержку так и не было найдено.
Ферменты РНК
Томас Чек родился и вырос в Айове. Еще в детстве его страстью были камни и минералы. И уже в старших классах школы он был постоянным гостем у геологов местного университета, которые показывали ему модели минеральных структур. В конце концов он стал биохимиком, сосредоточившись на изучении РНК.
В начале 1980-х годов Чек и его коллеги из Колорадского университета в Боулдере изучали одноклеточный организм под названием «Tetrahymena thermophile». Часть этого клеточного организма включала в себя цепи РНК. Чек заметил, что один из сегментов РНК иногда отделяется от прочих, словно его отделили ножницами.
Когда его команда исключила все ферменты и другие молекулы, которые могли выступать в роли молекулярных ножниц, РНК по-прежнему продолжала изолировать этот сегмент. Тогда же был обнаружен первый фермент РНК: маленький сегмент РНК, способный самостоятельно отделяться от крупной цепи, к которой он был присоединен.
Чек опубликовал результаты в 1982 году. Год спустя другие исследователи обнаружили второй фермент РНК, он же «рибозим».
Поскольку два фермента РНК нашли относительно быстро, ученые предположили, что их на самом деле может быть намного больше. Теперь все больше фактов говорило в пользу того, что жизнь началась с РНК.
Томас Чек нашел первый фермент РНК.
Мир РНК
Первым, кто дал имя данной концепции стал Уолтер Гилберт.
Будучи физиком, который неожиданно заинтересовался молекулярной биологией, Гилберт одним из первых выступил в защиту теории о секвенировании генома человека.
В 1986 году в своей статье в журнале «Nature» Гилберт предположил, что жизнь началась в так называемом «Мире РНК».
Первый этап эволюции, по словам Гилберта, состоял из «процесса, в ходе которого молекулы РНК выполняли роль катализаторов, собирая себя в бульоне из нуклеотидов».
Копируя и вставляя различные фрагменты РНК в общую цепь, молекулы РНК создавали более полезные цепочки на основе имеющихся. В итоге настал момент, когда они научились создавать белки и белковые ферменты, которые оказались намного полезнее РНК-версий, по большей части вытеснив их и дав начало той жизни, которую мы наблюдаем сегодня.
«Мир РНК» – это довольной изящный способ создания сложных живых организмов с нуля.
В этой концепции не нужно полагаться на одновременное формирование десятков биологических молекул в «первичном бульоне», достаточно будет одной-единственной молекулы, с которой все и началось.
Доказательства
В 2000 году гипотеза о «Мире РНК» обрела солидные доказательства.
Томас Стейц провел 30 лет, изучая структуры молекул в живых клетках. В 90-е годы он приступил к главному исследованию своей жизни: изучению структуры рибосомы.
В каждой живой клетке присутствует рибосома. Эта крупная молекула считывает инструкции из РНК и соединяет аминокислоты для создания белков. Рибосомы в клетках человека выстраивают практически каждый кусочек тела.
К тому моменту уже было известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейца представила детализированную модель структуры рибосомы, в которой РНК предстала в роли каталитического ядра рибосомы.
Это открытие было серьезным, особенно учитывая, насколько древней и фундаментально важной для жизни считалась рибосома. Факт того, что настолько важный механизм был основан на РНК, сделал теорию «Мира РНК» намного правдоподобней в научных кругах. Больше всего открытию радовались сторонники концепции «Мира РНК», а Стейц в 2009 году получил Нобелевскую премию.
Но после этого у ученых начали появляться сомнения.
Проблемы теории “Мира РНК”
В теории «Мира РНК» изначально было две проблемы.
Во-первых, могла ли РНК на самом деле выполнять все жизненно важные функции? И могла ли она сформироваться в условиях ранней Земли?
Прошло уже 30 лет с момента создания Гилбертом теории «Мира РНК», а у нас по-прежнему нет исчерпывающих доказательств того, что РНК действительно способна на все, что описано в теории. Да, это удивительно функциональная молекула, но достаточно ли одной РНК для всех приписываемых ей функций?
В глаза бросалась одна несостыковка. Если жизнь началась с молекулы РНК, то, значит, РНК умеет создавать свои копии, или реплики.
Но этой способности нет ни у одной из всех известных РНК. Для создания точной копии фрагмента РНК или ДНК необходимо множество ферментов и других молекул.
Поэтому в конце 80-х годов группа биологов начала довольно отчаянные исследования. Они намеревались создать РНК, способную к саморепликации.
Попытки создать самовоспроизводящуюся РНК
Джек Шостак из Гарвардской медицинской школы был первым из этих исследователей. С раннего детства он был настолько увлечен химией, что даже превратил свой подвал в лабораторию. К своей безопасности он относился с пренебрежением, что однажды привело к взрыву, который пригвоздил стеклянную колбу к потолку.
В начале 80-х Шостак наглядно продемонстрировал, как человеческие гены защищают себя от процесса старения. Это раннее исследование позднее приведет его в число лауреатов Нобелевской премии.
Но вскоре он проникся исследованиями Чека, связанными с ферментами РНК. «Я считаю, что это невероятная работа», – говорит Шостак. – «В принципе, весьма вероятно, что РНК может служить катализатором для создания собственных копий».
В 1988 году Чек обнаружил фермент РНК, способный формировать малую молекулу РНК длиной в 10 нуклеотидов.
Шостак же решил пойти дальше и создать новые ферменты РНК в лаборатории. Его команда создала набор случайных последовательностей и протестировала каждую, чтобы найти хотя бы одну, которая обладала бы способностями катализатора. Далее последовательности менялись, и тест продолжался.
После 10 попыток Шостак сумел создать фермент РНК, который в роли катализатора ускорял реакцию в 7 миллионов раз быстрее, чем это происходит в естественной среде.
Команда Шостака доказала, что ферменты РНК могут быть крайне мощными. Но их фермент не мог создавать свои реплики. Это был тупик для Шостака.
Фермент R18
В 2001 году следующий прорыв совершил бывший ученик Шостака – Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже.
Бартель создал фермент РНК под названием R18, который мог добавлять новые нуклеотиды в цепочку РНК на основе уже существующих.
Другими словами, фермент не просто добавлял случайные нуклеотиды, а точно копировал последовательность.
До самовоспроизводящихся молекул было еще далеко, но направление было верным.
Фермент R18 состоял из цепочки, куда входило 189 нуклеотидов, и мог добавлять в нее еще 11 – то есть, 6% от своей длины. Исследователи надеялись, что еще через несколько опытов эти 6% удастся превратить в 100%.
Самым удачливым на этом поле оказался Филипп Холлигер из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. В 2011 году его команда модифицировала фермент R18, создав фермент tC19Z, который мог копировать последовательность до 95 нуклеотидов. Это составляло 48% его длины – больше, чем у R18, но явно не необходимые 100%.
Джеральд Джойс и Трэйси Линкольн из Исследовательского института Скриппса в Ла-Холья представили альтернативный подход к вопросу. В 2009 году они создали фермент РНК, который создает свою реплику косвенно.
Их фермент объединяет два коротких фрагмента РНК и создает другой фермент. Тот, в свою очередь, объединяет два других фрагмента РНК, чтобы воссоздать оригинальный фермент.
При наличии исходных материалов этот простой цикл может продолжаться бесконечно. Но ферменты работают должным образом, только если есть нужные цепи РНК, созданные Джойсом и Линкольн.
Для многих ученых, относящихся скептически к идее «Мира РНК», отсутствие самостоятельной репликации РНК – это главная причина скепсиса. РНК попросту не справляется с ролью создателя всей жизни.
Не добавляют оптимизма и неудачи химиков в создании РНК с нуля. И хотя РНК – это намного более простая молекула, чем ДНК, ее создание оказалось невероятной проблемой.
Первые клетки, скорее всего, размножались делением.
Проблема в сахаре
Все дело в сахаре, присутствующем в каждом нуклеотиде, и основе нуклеотида. Их реально создать по отдельности, но связать их воедино не представляется возможным.
К началу 90-х эта проблема уже была очевидной. Многих биологов она убедила в том, что гипотеза «Мира РНК», какой бы привлекательной она ни казалась, все-таки остается лишь гипотезой.
- Возможно, на ранней Земле изначально существовала другая молекула: проще, чем РНК, и сумевшая собраться из «первичного бульона», а позже начать самовоспроизведение.
- Возможно, первой была именно эта молекула, а уже после нее появились РНК, ДНК и прочие.
Полиамидная нуклеиновая кислота (ПНК)
В 1991 году Петер Нильсен из Копенгагенского университета в Дании, казалось, нашел подходящего кандидата на роль первичного репликатора.
На самом деле это была значительно усовершенствованная версия ДНК. Нильсен оставил основу неизменной – стандартные A, T, C и G – но вместо молекул сахара использовал молекулы под названием полиамиды.
Получившуюся молекулу он назвал полиамидной нуклеиновой кислотой, или ПНК. Однако, со временем расшифровка аббревиатуры отчего-то превратилась в «пептидная нуклеиновая кислота».
В природе ПНК не встречается. Но ее поведение сильно напоминает поведение ДНК. Цепь ПНК даже может заменить цепь в молекуле ДНК, и основания спарятся как обычно. Более того, ПНК может закручиваться в двойную спираль, как ДНК.
Стэнли Миллер был заинтригован. С глубоким скепсисом относясь к концепции «Мира РНК», он полагал, что ПНК лучше подходит на роль первого генетического материала.
В 2000 году он подкрепил свое мнение доказательствами. К тому моменту ему уже было 70 лет и он пережил несколько инсультов, после которых мог бы оказаться и в доме престарелых, однако сдаваться он не собирался.
Миллер повторил свой классический эксперимент, описанный ранее, в этот раз используя метан, азот, аммиак и воду, и получил в итоге полиамидную основу ПНК.
Из этого следовало, что на ранней Земле вполне могли быть условия для появления ПНК, в отличие от РНК.
Поведение ПНК напоминает ДНК.
Треозо-нуклеиновая кислота (ТНК)
Тем временем другие химики создали собственные нуклеиновые кислоты.
В 2000 году Альберт Эшенмозер создал треозо-нуклеиновую кислоту (ТНК).
По сути это была та же ДНК, но с другим видом сахара в основании. Цепи ТНК могли образовывать двойную спираль, а информация могла передаваться из РНК в ТНК и обратно.
Более того, ТНК могла образовывать и сложные формы, в том числе и форму белка. Это намекало на то, что ТНК могла выполнять роль фермента, как и РНК.
Гликоль-нуклеиновая кислота (ГНК)
В 2005 году Эрик Меггерс создал гликоль-нуклеиновую кислоту, также способную образовывать спираль.
У каждой из этих нуклеиновых кислот находились свои сторонники: обычно сами создатели кислот.
Но в природе от подобных нуклеиновых кислот не осталось ни следа, так что даже если допустить, что их использовала первая жизнь, то на каком-то этапе она должна была отказаться от них в пользу РНК и ДНК.
Звучит правдоподобно, но не подкрепляется доказательствами.
Хороша была концепция, но…
Таким образом, к середине первого десятилетия 21-го века, сторонники концепции «Мира РНК» оказались в затруднительном положении.
С одной стороны, ферменты РНК существовали в природе и включали в себя один из важнейших фрагментов биологических механизмов – рибосому. Это неплохо.
Но, с другой стороны, в природе не было найдено самовоспроизводящейся РНК, и никто так и смог объяснить, как именно сформировалась РНК в «первичном бульоне». Последнее могло объясняться альтернативными нуклеиновыми кислотами, но и их в природе уже (или никогда) не существовало. Это плохо.
Вердикт ко всей концепции «Мира РНК» был очевиден: концепция хороша, но не исчерпывающа.
А тем временем, еще с середины 80-х годов, медленно развивалась другая теория. Ее сторонники уверяли, что жизнь началась не с РНК, ДНК или любой другой генетической субстанции. По их мнению, жизнь зародилась как механизм использования энергии.
Сначала энергия?
Итак, с годами ученые, занимающиеся вопросами происхождения жизни, разделились на 3 лагеря.
Представители первого были убеждены, что жизнь началась с молекулы РНК, но им не удалось выяснить, как молекулам РНК или схожим с РНК удалось спонтанно появиться на ранней Земле и начать самовоспроизведение. Успехи ученых поначалу восхищали, но в итоге исследователи пришли в тупик. Однако, даже когда эти исследования были в самом разгаре, уже нашлись те, кто был уверен, что жизнь зародилась совсем иначе.
Теория «Мира РНК» опирается на простую идею: самая важная функция организма – это способность к продолжению рода. С этим согласны большинство биологов. Все живые существа – от бактерий до синих китов – стремятся оставить потомство.
Тем не менее, многие исследователи данного вопроса не согласны, что репродуктивная функция стоит на первом месте. Они говорят, что до начала размножения организм должен стать самодостаточным. Он должен быть способен поддерживать жизнь в себе. В конце концов, ведь не получится завести детей, если до этого умереть.
Мы поддерживаем жизнь при помощи пищи, в то время как растения поглощают энергию из солнечного света.
Да, парень, с удовольствием уплетающий сочную отбивную, явно не похож на вековой дуб, но ведь по сути они оба поглощают энергию.
Поглощение энергии является основой жизни.
Метаболизм
Говоря об энергии живых существ, мы имеем дело с метаболизмом.
- Первый этап – это получение энергии, допустим, из веществ, богатых энергией (например, сахар).
- Второй – использование энергии для постройки полезных клеток в организме.
Процесс использования энергии чрезвычайно важен, и многие исследователи уверены, что именно он стал тем, с чего началась жизнь.
Но как могли выглядеть организмы с одной лишь функцией метаболизма?
Первое и самое влиятельное предположение было выдвинуто Гюнтером Вахтершаузером в конце 80-х годов 20-го века. По профессии он был патентным юристом, но имел приличные познания в области химии.
Вахтершаузер предположил, что первые организмы «разительно отличались от всего, что мы знаем». Они не состояли из клеток. У них не было ферментов, ДНК или РНК.
Для наглядности Вахтершаузер описал поток горячей воды, вытекающей из вулкана. Вода была насыщена вулканическими газами типа аммиака и содержала частички минералов из центра вулкана.
В местах, где поток протекал по скалам, начинались химические реакции. Металлы, содержащиеся в воде, способствовали созданию крупных органических соединений из более простых.
Метаболический цикл
Поворотным моментом стало создание первого метаболического цикла.
В ходе этого процесса одно химическое вещество превращается в несколько других, и так далее, пока в итоге все не приходит к воссозданию первого вещества.
Во время процесса вся система, участвующая в метаболизме, накапливает энергию, которую можно использовать для перезапуска цикла или же для запуска какого-то нового процесса.
Метаболические циклы, несмотря на «механичность», фундаментально важны для жизни.
Все остальное, чем наделены современные организмы (ДНК, клетки, мозг), появилось уже позже, причем на основе этих химических циклов.
Метаболические циклы не очень похожи на жизнь. Поэтому Вахтершаузер называл свои изобретения «прекурсорными организмами» и писал, что их «едва ли можно называть живыми».
Но описанные Вахтершаузером метаболические циклы всегда стоят в центре любого живого организма.
Ваши клетки – это на самом деле микроскопические заводы, беспрестанно расщепляющие одни вещества, превращая их в другие.
Метаболические циклы, несмотря на «механичность», фундаментально важны для жизни.
Две последние декады 20-го века Вахтершаузер посвятил своей теории, прорабатывая ее в деталях. Он описал, какие минералы подошли бы лучше прочих и какие химические циклы могли иметь место. Его рассуждения начали набирать сторонников.
Экспериментальное подтверждение
Но дальше теорий дело не заходило. Вахтершаузеру нужно было практическое открытие, которое доказало бы его теории. К счастью, оно уже было сделано за десять лет до этого.
В 1977 команда Джека Корлисса из Университета штата Орегон совершила погружение в воды восточного Тихого Океана на глубину 2,5 километра (1,5 мили). Ученые изучали Галапагосский горячий источник в месте, где со дна поднимались хребты горных пород. Хребты, как было известно, были изначально вулканически активными.
Корлисс обнаружил, что хребты были практически усеяны горячими источниками. Горячая и насыщенная химическими веществами вода поднималась из-под морского дна и вытекала через отверстия в скалах.
Поразительно, но эти «гидротермальные жерла» были густо населены странными созданиями. Это были огромные моллюски нескольких видов, мидии и кольчатые черви.
Вода также была полна бактерий. Все эти организмы жили за счет энергии из гидротермальных жерл.
Открытие гидротермальных жерл создало Корлиссу отличную репутацию. Оно также заставило его задуматься.
Гидротермальные жерла в океане обеспечивают жизнь организмов сегодня. Возможно, они и стали ее первоисточником?
Гидротермальные жерла
В 1981 году Джек Корлисс предположил, что подобные жерла существовали на Земле 4 миллиарда лет назад и именно вокруг них зародилась жизнь. Всю свою дальшейшую карьеру он посвятил разработке данной идеи.
Корлисс предположил, что гидротермальные жерла могли создавать смесь химических веществ. Каждое жерло, утверждал он, было чем-то вроде распылителя «первичного бульона».
- Пока горячая вода текла сквозь скалы, тепло и давление заставляло простейшие органические соединения превращаться в более сложные, вроде аминокислот, нуклеотидов и сахара.
- Ближе к выходу в океан, где вода была уже не такой горячей, они начинали образовывать цепи, формируя углеводы, белки и нуклеотиды вроде ДНК.
- Затем, уже в самом океане, где вода значительно охлаждалась, эти молекулы собирались в простые клетки.
Теория звучала разумно и привлекла внимание.
Но Стэнли Миллер, чей эксперимент обсуждался ранее, не разделял энтузиазма. В 1988 году он писал, что жерла были чересчур горячими для образования в них жизни.
Теория Корлисса заключалась в том, что экстремальная температура могла запустить формирование веществ вроде аминокислот, но эксперименты Миллера показывали, что она также могла и уничтожить их.
Ключевые соединения типа сахара могли продержаться от силы несколько секунд.
Более того, эти простые молекулы вряд ли сумели бы образовать цепи, поскольку окружающая вода практически моментально разорвала бы их.
Тепло, еще теплее…
В этот момент в дискуссию вступил геолог Майк Расселл. Он полагал, что теория о жерлах идеально вписывается в предположения Вахтершаузера о прекурсорных организмах. Эти мысли привели его к созданию одной из самых популярных теорий о происхождении жизни.
Молодость Расселла прошла за созданием аспирина и изучением ценных минералов. А в ходе возможного извержения вулкана в 60-х он успешно координировал план реагирования, не имея за спиной опыта. Но ему было интересно изучать, как менялась поверхность Земли на протяжении различных эпох. Возможность взглянуть на историю с перспективы геолога и сформировала его теорию о происхождении жизни.
В 80-х он нашел окаменелости, свидетельствующие о том, что в древности существовали гидротермальные жерла, где температура не превышала 150 градусов по Цельсию. Эти умеренные температуры, как он утверждал, могли позволить молекулам продержаться намного дольше, чем считал Миллер.
Более того, в окаменелостях этих менее горячих жерл нашлось нечто любопытное. Минерал под названием пирит, состоящий из железа и серы, в виде трубочек длиной в 1 миллиметр.
В своей лаборатории Расселл обнаружил, что пирит может формировать еще и сферические капли. Он предположил, что первые сложные органические молекулы сформировались именно внутри структур из пирита.
Приблизительно в то же время Вахтершаузер начал публиковать свои теории, базирующиеся на том, что поток воды, богатой на химикаты, вступал во взаимодействие с неким минералом. Он даже предположил, что этим минералом мог быть пирит.
Расселлу оставалось только сложить 2 и 2.
Он допустил, что внутри теплых гидротермальных жерл в глубоком море, где могли образоваться пиритовые структуры, сформировались прекурсорные организмы Вахтершаузера. Если Расселл не заблуждался, то жизнь зародилась на глубине моря, а первым появился метаболизм.
Все это было изложено в статье Расселла, опубликованной в 1993 году, спустя 40 лет после классического эксперимента Миллера.
Резонанс в прессе возник куда меньший, но важность открытия это не умаляет. Расселл объединил две разные идеи (метаболические циклы Вахтершаузера и гидротермальные жерла Корлисса) в одну довольно убедительную концепцию.
Концепция стала еще более впечатляющей, когда Расселл поделился своими идеями, каким образом первые организмы поглощали энергию. Другими словами, он объяснил, как мог работать их метаболизм. Его идея опиралась на работу одного из забытых гениев современной науки.
“Нелепые” эксперименты Митчелла
В 60-х годах биохимик Питер Митчелл по причине болезни был вынужден покинуть Эдинбургский университет.
Он переоборудовал особняк в Корнуолле в личную лабораторию. Будучи отрезанным от научного сообщества, он финансировал свою работу, продавая молоко своих домашних коров. Многие биохимики, в том числе и Лесли Орджел, чьи исследования РНК обсуждались ранее, считали работу Митчелла в крайней степени нелепой.
Почти два десятка лет спустя Митчелл восторжествовал, получив Нобелевскую премию по химии в 1978 году. Знаменитым он так и не стал, однако его идеи прослеживаются в любом учебнике по биологии.
Митчелл посвятил свою жизнь изучению того, на что организмы тратят получаемую из пищи энергию. Другими словами, ему было интересно, как мы остаемся в живых от секунды к секунде.
Британский биохимик Питер Митчелл получил Нобелевскую премию по химии за свою работу по открытию механизма синтеза АТФ.
Как организм хранит энергию
Митчелл знал, что все клетки хранят энергию в конкретной молекуле – аденозинтрифосфат (АТФ). Важно то, что к аденозину прикреплена цепочка из трех фосфатов. На присоединение третьего фосфата уходит много энергии, которая позже заключается в АТФ.
Когда клетке нужна энергия (допустим, при сокращении мышцы), она отсекает третий фосфат от АТФ. Это превращает АТФ в аденозидифосфат (АДФ) и высвобождает накопленную энергию.
Митчелл хотел понять, как клеткам изначально удалось создать АТФ. Как они сконцентрировали достаточно энергии в АДФ для того, чтобы присоединился третий фосфат?
Митчелл знал, что фермент, образующий АТФ, находится на мембране. Он сделал вывод, что клетка закачивает заряженные частицы, называемые протонами, через мембрану, и поэтому по одну сторону можно увидеть множество протонов, в то время как с другой стороны их почти нет.
Затем протоны пытаются вернуться в мембрану, чтобы сохранить баланс с каждой стороны, но попасть они могут только в фермент. Поток снующих протонов и дает ферменту необходимую энергию для создания АТФ.
Митчелл впервые высказал эту идею в 1961 году. Следующие 15 лет он защищал свою теорию от нападок, несмотря на неопровержимые доказательства.
Сегодня известно, что процесс, описанный Митчеллом, свойствен каждому живому существу на планете. Он происходит в ваших клетках прямо сейчас. Как и ДНК, это фундаментальная часть той жизни, что мы знаем.
Катархей
Катархейский эон (др.-греч. κατἀρχαῖος — «ниже древнейшего»), 4,6—4 миллиарда лет назад, известен как протопланетный этап развития Земли. Охватывает первую половину архея. Земля в то время была холодным телом с разреженной атмосферой и без гидросферы. В таких условиях никакой жизни появиться не могло.
Во время катархея атмосфера не была плотной. Она состояла из газов и паров воды, появлявшихся при столкновении Земли с астероидами.
В связи с тем, что Луна тогда была слишком приближена (всего на 170 тысяч км) к Земле (длина экватора - 40 тысяч км), сутки длились недолго — всего 6 часов. Но, по мере отдаления Луны, сутки стали увеличиваться.
Протерозойский эон (2,5 млрд — 543 млн лет назад)
Протерозой (греч. πρότερος — первый, старший, греч. ζωή — жизнь) — ознаменован возникновением сложно устроенных растений, грибов и животных (например, губки). Жизнь в начале протерозоя по-прежнему была сосредоточена в морях, так как условия на суше были не совсем благоприятными: атмосфера состояла преимущественно из сероводорода, CO2, N2, CH4, и совсем малого количества O2.
Однако, бактерии, жившие в то время в морях, стали вырабатывать O2 в качестве побочного продукта, и 2 млрд лет назад количество кислорода уже достигло устойчивого уровня. Но резкое увеличение кислорода в атмосфере привело к кислородной катастрофе, которая привела к изменению органов дыхания у организмов, населявших в то время океаны (анаэробные сменились аэробными) и изменению состава атмосферы (образования озонового слоя). Вследствие уменьшения парникового эффекта на Земле наступило длительное Гуронское оледенение: температура опускалась до −40°С.
Дальнейшие ископаемые остатки первых многоклеточных встречаются уже после оледенения. В то время океаны населяли такие животные как сприггина (Spriggina) — червеобразные животные, имевшие головной и задний концы. Такие животные, возможно, стали предками современных животных .
Палеопротерозой
Палеопротерозо́й — геологическая эра, часть протерозоя, начавшаяся 2,5 миллиарда лет назад и окончившаяся 1,6 миллиарда лет назад. В это время наступает первая стабилизация континентов. В это время также эволюционировали цианобактерии — тип бактерий, использующих биохимический процесс фотосинтеза для производства энергии и кислорода.
Важнейшее событие раннего палеопротерозоя — кислородная катастрофа. До значительного повышения содержания кислорода в атмосфере почти все существующие формы жизни были анаэробами, то есть обмен веществ в живых формах зависел от форм клеточного дыхания, которые не требовали кислорода. Доступ кислорода в больших количествах губителен для большинства анаэробных бактерий, поэтому в это время большая часть живых организмов на Земле исчезла. Оставшиеся формы жизни были либо невосприимчивы к окислению и губительному воздействию кислорода, либо проводили свой жизненный цикл в среде, лишенной кислорода.
Неопротерозой
Неопротерозой, англ. Neoproterozoic Era — геохронологическая эра (последняя эра протерозоя), начавшаяся 1000 млн лет назад и завершившаяся 542 млн лет назад.
С геологической точки зрения характеризуется распадом древнего суперконтинента Родиния как минимум на 8 фрагментов, в связи с чем прекращает существование древний суперокеан Мировия. Во время криогения наступило самое масштабное оледенение Земли — льды достигали экватора (Земля-снежок).
К позднему неопротерозою (Эдиакарий) относятся древнейшие ископаемые остатки живых организмов, так как именно в это время у живых организмов начинает вырабатываться некое подобие твёрдой оболочки или скелета.
Кембрийский период (543—490 млн лет назад)
В кембрийском периоде внезапно появляется огромное разнообразие живых организмов — предков нынешних представителей многих подразделений животного царства (в отложениях, предшествующих кембрию остатки таких организмов отсутствуют). Это внезапное в геологическом масштабе событие, но в реальности длившееся миллионы лет, известно в науке как кембрийский взрыв .
Ископаемые остатки животных кембрийского периода находят довольно часто и по всему миру. В начале кембрийского периода (примерно 540 млн лет назад) у некоторых групп животных появляется сложно устроенный глаз . Появление этого органа было огромным эволюционным шагом — теперь животные могли видеть окружающий их мир. Так, жертвы теперь могли видеть охотников, а охотники — своих жертв .
В кембрийском периоде на суше жизнь не существовала. Но океаны были густо населены беспозвоночными, например, губками, трилобитами , аномалокарами . Время от времени огромные подводные оползни погребали сообщества морских существ под тоннами ила. Благодаря этим оползням мы можем наглядно представить себе, каким причудливым был животный мир кембрийского периода, ведь в иле прекрасно сохранились в виде окаменелостей даже нежные мягкотелые животные.
В морях позднего кембрийского периода основными группами животных были членистоногие, иглокожие и моллюски. Но самым важным обитателем морей того времени было бесчелюстное существо хайкоуихтис — у него кроме глаз развилась хорда .
Ордовикский период (490—443 млн лет назад)
Во время ордовика суша оставалась не обжитой, за исключением лишайников, которые первыми из растений стали жить на суше. Но основная жизнь развивалась довольно активно в морях.
Основными обитателями ордовикских морей были членистоногие, такие как мегалограпт. Они могли ненадолго выходить на сушу, чтобы отложить икру. Но были и другие обитатели, например, представитель класса головоногих ортокон камерацер.
Позвоночные животные в ордовике сформировались ещё не до конца. В морях плавали потомки хайкоуихтиса, у которых имелось образование, напоминающее позвоночник.
Также в морях ордовикского периода жили представители кишечнополостных, иглокожих, кораллов, губок и других беспозвоночных.
Силурийский период (443—417 млн лет назад)
В силуре на сушу выходят некоторые растения, к примеру, куксонии (Coocsonia), которые достигали в высоту не более 10 см, и некоторые виды лишайников. У некоторых членистоногих развились примитивные лёгкие, позволявшие им дышать атмосферным воздухом, например, скорпион бронтоскорпио мог находиться на суше в течение четырёх часов [ источник не указан 1968 дней ] .
В морях спустя миллионы лет формируются огромные коралловые рифы, где находили себе убежище мелкие ракообразные и плеченогие. В этом периоде членистоногие становятся ещё больше, например, ракоскорпион птеригот мог достигать 2,5 метров в длину, однако, он был слишком крупным, чтобы выползать на сушу.
В силурийских морях появляются окончательно сформировавшиеся позвоночные животные. В отличие от членистоногих, у позвоночных имелся костный хребет, позволявший им лучше маневрировать под водой. У позвоночного цефаласписа, например, также развились сенсорные органы, которые генерировали особое магнитное поле, позволявшее ему ощущать окружающую среду. Также у цефаласписа развился примитивный мозг, позволявший животному запоминать некоторые события.
Девонский период (417—354 млн лет назад)
В девоне жизнь продолжает активно развиваться на суше и в море. Появляются первые примитивные леса, состоящие в основном из древнейших примитивных древовидных папоротников археоптерисов (Archaeopteris), которые произрастали в основном по берегам рек и озёр .
Основная жизнь в раннем девоне была представлена в основном членистобрюхими и многоножками, которые дышали всей поверхностью тела и жили в очень влажных местах. Однако, к концу девона у древних артроподов появляется хитиновый панцирь, сокращается число сегментов тела, четвёртая пара лап превращается в усики и челюсти, у некоторых также развились крылья. Так появилась новая эволюционная ветвь — насекомые, которая смогла освоить самые разнообразные уголки планеты.
В середине девона на сушу ступили первые амфибии (например, гинерпетон, ихтиостега). Они не могли жить вдали от воды, так как их кожа была ещё очень тонка и не защищена от пересыхания. К тому же, амфибии могли размножаться только при помощи воды — икринками. Вне воды потомство амфибии погибло бы: икру иссушило бы солнце, ведь она не защищена никакой оболочкой, кроме тонкой плёнки .
У рыб развились челюсти, позволявшие им ловить быстро плавающих жертв. Они стали стремительно увеличиваться в размерах. Девонский период характеризуется расцветом примитивных рыб, в частности, хрящевых. К концу девона в морях появились первые костные рыбы, такие как гигантская хищная гинерия, которые оттеснили хрящевых рыб (в частности, предков современных акул) на задний план. Однако самыми грозными обитателями девонских морей были представители группы плакодерм, такие как дунклеостей и динихтис, достигавшие в длину 8-10 метров .
Каменноугольный период (354—290 млн лет назад)
В каменноугольном периоде почти на всей планете климат был жаркий и влажный. В болотистых лесах того времени росли преимущественно хвощи, древовидные папоротники и гигантские лепидодендроны, достигавшие в высоту от 10 до 35 метров, и в диаметре ствола — до одного метра .
Фауна была представлена огромным количеством существ. Обилие тепла, влаги и кислорода способствовало увеличению размера членистоногих, так, например, артроплевра могла достигать 2,5 метров в длину , а громадная стрекоза меганевра — 75 см в размахе крыльев .
Такие условия способствовали и процветанию амфибий. Они (например, протерогиринус) заняли все прибрежные области обитания, практически окончательно вытеснив двоякодышащих и кистепёрых . В каменноугольном периоде амфибии дали начало первым рептилиям (завропсидам) и синапсидам или их общему предку . Первые рептилоподобные существа были очень маленькими животными, напоминавшими современных ящериц, например, длина петролакозавра не превышала 40 сантиметров в длину. Они могли откладывать яйца на суше — это было большим эволюционным шагом, к тому же их кожа была защищена плотной чешуёй, защищавшей кожу животного от высыхания, а значит, они могли спокойно уходить далеко от воды. Наличие таких приспособительных особенностей и определило их дальнейший эволюционный успех в качестве наземных животных .
В морях каменноугольного периода также было множество форм жизни. Костные рыбы (предки большинства современных рыб) доминировали в толще воды, а морское дно покрывали многочисленные коралловые рифы, тянущиеся на многие километры вдоль побережий древних материков.
Конец карбона, примерно 290 млн лет назад, ознаменовал длительный ледниковый период, окончившийся в начале перми. Ледники медленно подбирались к экватору с севера и юга. Многие животные и растения не смогли приспособиться к таким климатическим условиям и вскоре вымерли.
Пермский период (290—248 млн лет назад)
Из-за ледникового периода в конце карбона в пермском периоде климат стал прохладнее и суше. Пышные тропические леса, болота сменили бескрайние пустыни и засушливые равнины . В таких условиях росли только самые стойкие растения — папоротники и примитивные хвойные.
Вследствие исчезновения болот резко сократилась численность амфибий, так как они могли жить только рядом с водой (например, амфибия-рептилиоморф сеймурия ). Место амфибий заняли рептилии и синапсиды, так как они были хорошо приспособлены к жизни в сухом климате. Синапсиды стали быстро увеличиваться в размере и численности, им удалось расселиться по всей суше, они дали начало таким крупным наземным животным, как пеликозавры (например, диметродоны и эдафозавры ). Из-за холодного климата у таких животных развился парус, который помогал им регулировать температуру тела .
В эпоху поздней перми сложился единый суперконтинент — Пангея . В местах с особенно сухим и жарким климатом стало образовываться всё больше пустынь. В это время пеликозавры дали начало терапсидам — предкам млекопитающих . Они отличались от своих предков прежде всего тем, что имели отличное от них строение зубов, во-вторых эта группа имела гладкие кожные покровы (в процессе эволюции чешуя у них так и не развилась), в-третьих у некоторых представителей этой группы развились вибриссы (а позже и шёрстный покров). Отряд терапсид включал как кровожадных хищников (например, горгонопсы), так и роющих растительноядных животных (например, дииктодона ). Помимо терапсид, на суше обитали и представители семейства парейазавров подкласса анапсидов, например, покрытый толстой бронёй скутозавр . Появляются и первые архозавроморы, такие как архозавр. Как и терапсиды, эти существа несли ряд прогрессивных признаков, в частности, повышение уровня обмена веществ (вплоть до теплокровности).
К концу пермского периода климат стал намного более сухим, что привело к сокращению площади прибрежных зон с густой растительностью и увеличению площади пустынь. В результате из-за недостатка жизненного пространства, корма и кислорода, вырабатываемого растениями, многие виды животных и растений вымерли. Это эволюционное событие получило название массового пермского вымирания в процессе которого вымерло 95 % всех живых существ. Учёные до сих пор спорят о причинах этого вымирания, и выдвигают некоторые гипотезы:
- Падение одного или нескольких метеоритов либо столкновение Земли с астероидом диаметром в несколько десятков километров (одним из доказательств этой теории служит наличие 500-километрового кратера в районе Земли Уилкса ,
- Усиление вулканической активности,
- Внезапный выброс метана со дна моря,
- Излияние траппов (базальтов), вначале относительно небольших Эмейшаньских траппов около 260 млн лет назад, затем колоссальных Сибирских траппов 251 млн лет назад . С этим могли быть связаны вулканическая зима, парниковый эффект из-за выброса вулканических газов и другие климатические изменения, повлиявшие на биосферу .
Однако, эволюция на этом не прекратилась: через некоторое время выжившие виды живых существ дали начало новым, ещё более диковинным формам жизни.
Мезозойская эра
Во время мезозоя на земле обитали самые причудливые организмы. Самые известные из них — динозавры. Они доминировали в течение 160 млн лет на всех континентах. Они были самых различных размеров: от совсем крошечного микрораптора, который достигал всего 70 см в длину и веса 0,5 кг , до гигантского амфицелия, возможно достигавшего в длину 50 метров, а веса 150 тонн . Но, кроме динозавров, в то время нашу планету населяло ещё множество не менее интересных существ. Вышедшие на передний план рептилии также заняли воздушную и водную среду. В то время на Земле было огромное разнообразие форм жизни, которые продолжали эволюционировать и совершенствоваться.
Триасовый период (248—206 млн лет назад)
В начале триасового периода жизнь на планете продолжала медленно восстанавливаться после массового вымирания видов в конце пермского периода. Климат на большей части земного шара был жарким и сухим, но количество выпадавших осадков вполне могло обеспечить довольно высокое разнообразие растений. Самыми распространёнными в триасе были примитивные хвойные, папоротники и гинкговые, ископаемые остатки которых встречаются по всему свету, включая даже полярные области Земли.
Животные, пережившие пермское массовое вымирание видов, оказались в очень выигрышной ситуации — ведь на планете почти не осталось ни их пищевых конкурентов, ни крупных хищников. Хотя уже в конце пермского периода архозавроморфы медленно начали выходить на передний план. Растительноядные рептилии стали быстро увеличиваться в численности. То же самое произошло и с некоторыми хищниками. В скором времени большинство животных дало начало множеству новых и необычных видов. В раннем триасовом периоде некоторые рептилии возвратились жить в воду, от них произошли нотозавры и прочие полуводные существа.
В начале триасового периода жили возможные предки динозавров, такие как эупаркерия. Отличительным свойством эупаркерии от других архозавроморфов было то, что она могла вставать и бегать на задних лапах.
В позднем триасовом периоде (227—206 млн лет назад) на Земле произошли события, предопределившие развитие жизни на протяжении всей остальной части эры динозавров. В результате раскола гигантского суперконтинента Пангеи образовалось несколько материков. Вплоть до позднего триаса на суше были распространены последние терапсиды, представленные, например, плацериасом и листрозавром, а также несколько других групп причудливых пресмыкающихся, к которым относились танистрофей и протерозух. Но за сравнительно короткое время численность терапсид сильно сократилась (за исключением группы цинодонтов, давших начало млекопитающим). Их место заняли рептилии — архозавры, три основные группы которых вскоре стали господствующими. Этими группами животных были динозавры, птицы (произошедшие, возможно, от динозавров), птерозавры и крокодиломорфы. Быстро эволюционировали и морские рептилии: ранние ихтиозавры и завроптеригии.
Конец триасового периода ознаменовало новое массовое вымирание видов, сравнимое с аналогичным событием в конце перми. Его причины остаются загадкой. Одно время учёные связывали его с падением на Землю астероида, оставившего после себя огромный кратер Маникуаган (Канада) диаметром 100 км, но, как выяснилось, это событие произошло гораздо раньше.
Юрский период (206—144 млн лет назад)
В раннем юрском периоде (206—180 млн лет назад) климат на Земле стал более тёплым и влажным. В приполярных регионах поднялись хвойные леса, а тропики покрылись зарослями хвойных растений, папоротников и саговников. По мере того, как континенты медленно расходились, в некоторых низинных уголках планеты формировался муссонный климат, образовались обширные речные бассейны, регулярно затопляемые водой. В ранний юрский период динозавры и птерозавры быстро увеличиваются в размерах, становятся более многочисленными и разнообразными и начинают расселяться по всему земному шару. Не отстают от них и морские рептилии (ихтиозавры и плезиозавры), а также моллюски (например, аммониты).
В среднем и позднем юрском периоде (180—144 млн лет назад) климат в некоторых тропических частях света стал более сухим. Возможно, изменение климата и явилось причиной того, что многие динозавры начали быстро превращаться в настоящих гигантов. Среди растительноядных динозавров — завропод — появляются, например, диплодоки, брахиозавры и прочие тяжеловесные монстры, а среди хищников — развитые тероподы — такие, как громадный аллозавр. Но по суше бродили и представители других групп динозавров (например, стегозавры и отниелия). Помимо динозавров, на суше были распространены и наземные крокодиломорфы — столь же активные, теплокровные охотники (хотя известен и ряд всеядных или растительноядных форм), они занимали более скромные экологические ниши. Крылатые птерозавры были представлены как рыбоядными видами (например, рамфоринхом), так и крошечными насекомоядными рептилиями (например, анурогнатом).
Тёплые юрские моря изобиловали планктоном, служившим кормом лидсихтису и другим крупным рыбам. Хищные плезиозавры были представлены длинношеими формами, питающимися рыбой, и короткошеими плиозавроидами, специализирующимися на более крупной добыче, в мелководных морях охотились морские крокодиломорфы (например, метриоринх), резко отличавшиеся от привычных нам крокодилов.
Меловой период (144—66 млн лет назад)
В меловом периоде климат на планете по-прежнему оставался тёплым, благодаря обильным сезонным дождям почти весь земной шар — от экватора до приполярных областей — был покрыт пышной растительностью. В позднем юрском периоде появились столь обычные сегодня цветковые (покрытосеменные) растения, а в меловом периоде они стали уже одной из господствующих групп растений на планете. В конце мелового периода цветковые вытеснили во многих регионах хвойные, папоротники и саговники, всерьёз заявив свои права на господствующее положение в мире растений, которые они окончательно утвердят в кайнозойскую эру.
В результате продолжавшегося расхождения континентов образовывались всё новые проливы, моря и океаны, затруднявшие свободное перемещение животных по планете. Постепенно на континентах начали появляться собственные виды растений и животных.
Меловой период так же, как и предшествующий ему юрский период, был эпохой настоящих гигантов. В Южной и Северной Америке обитали зауроподы титанозавры — одни из самых тяжелых животных, когда-либо обитавших на Земле. На них охотились такие хищники, как мапузавры и акрокантозавры. В Северной Америке ближе к концу мелового периода эта фауна была заменена исполинскими хищными тираннозавридами и рогатыми цератопсами. В целом, динозавры продолжали развиваться и специализироваться. Млекопитающие (например, дидельфодон) по-прежнему не играли в жизни планеты сколько-нибудь существенной роли, они оставались небольшими животными, но их численность (особенно к концу мелового периода) начала заметно увеличиваться.
Большие изменения произошли и в морях. Их бывшие властелины (ихтиозавры и плиозавры) претерпели упадок, и их место заняли мозазавры — новая группа гигантских морских рептилий, включавшей, например, платекарпуса и тилозавра.
Увеличились размеры крылатых ящеров птерозавров. Орнитохейрус, птеранодон и другие крупные птерозавры преодолевали по воздуху огромные расстояния и, возможно, даже перелетали с континента на континент. В воздухе порхали примитивные птицы (например, иберомезорнис), некоторые морские пернатые (как, например, гесперорнис) летать не умели, зато обладали внушительными размерами.
Конец мелового периода (примерно 66 млн лет назад) был отмечен новым массовым вымиранием видов, стёршим с лица Земли около 40 % всех существовавших в то время семейств животных. Исчезли в том числе птерозавры, аммониты и мозазавры, но самыми знаменитыми жертвами этой катастрофы были, конечно же, нептитчьи динозавры. Едва оправились после этого испытания и многие другие группы живых существ.
Вопрос о причинах массового вымирания видов в конце мелового периода до сих пор вызывает среди учёных горячие споры. Вот несколько версий, которые находят наибольшее количество сторонников:
1) Больше всего сторонников (и подтверждений) имеет теория столкновения Земли с гигантским астероидом. Столкновение произошло на территории полуострова Юкатан в Мексиканском заливе. Метеорит имел диаметр около 10 км (длина его была столь огромна, что когда одна его часть коснулась воды в заливе, то другая находилась ещё в верхних слоях атмосферы), и после его падения образовался кратер диаметром 160 км. Однако, всё же не все учёные верят, что даже такое сильное столкновение могло уничтожить столько видов животных в такой короткий срок.
2) Некоторые учёные поддерживают теорию о миграции болезней: из-за падения уровня океана 66 млн лет назад образовались некоторые сухопутные переправы с материка на материк. Животные стали перебираться с материка на материк, а вместе с ними и их паразиты, болезни. Так как иммунитет животных с одного материка не приспособлен к болезням и паразитам с другого, то даже не смертельная болезнь для животных, например, из Азии, может оказаться смертельной для животного, например, из Америки. Из-за этого начались массовые эпидемии. В Азию мигрировали, например, круглые черви, а в Америку — эхинококки. Но, опять же, возможность вымирания стольких видов животных из-за миграции паразитов крайне мала — вскоре животные приспособились бы к болезням.
3) Возможно, мел-палеогеновое вымирание связано с повышенной вулканической активностью. В нескольких местах земного шара 66 млн лет назад произошли массовые извержения. Мощные потоки лавы вырывались к примеру, из огромных вулканов на Индостане. Потоки лавы уничтожали на пути всех животных и места их обитания. Ещё более опасными были вырывающиеся из вулканов ядовитые газы. От них умирали ещё не вылупившиеся детёныши живших в то время динозавров, и задыхались взрослые животные.
4) Наша планета движется в космосе вместе с галактикой Млечный Путь. Существует теория, что Земля и Солнечная система время от времени попадают в области космоса, где очень много мелких и крупных метеоритов. Возможно, именно 66 млн лет назад нечто подобное и случилось, и тогда на Землю обрушились огромные метеоритные потоки. Некоторые метеориты были столь велики, что не сгорали в атмосфере и врезались в Землю. Однако палеонтологи считают эту теорию маловероятной.
5) Некоторые учёные полагают, что 66 млн лет назад на расстоянии примерно в 200—300 световых лет от Земли взорвалась сверхновая звезда. Такие звёзды накапливают в себе огромное количество энергии и, не выдерживая собственного давления, взрываются. Энергия от взрыва может распространяться на сотни световых лет . Так вот, в момент взрыва произошёл такой выброс энергии, что сжёг озоновый слой в атмосфере Земли. После этого препятствий для солнечной радиации больше не было, и она начала поражать клетки растений и животных.
6) Многие палеонтологи также считают, что ни одна из вышеприведённых теорий не способна объяснить гибель стольких видов живых существ. Они считают, что только вместе все эти катастрофы способны набрать достаточную силу, чтобы вызвать массовое вымирание видов: сначала повысилась вулканическая активность на планете, что могло вызвать падение уровня океанов, которое привело к массовым эпидемиям, затем рядом с нашей галактикой взорвалась сверхновая, вследствие чего сгорел озоновый слой, и наконец Земля попала в область с огромным количеством метеоритов и претерпела множество столкновений с мелкими и, наконец, с одним огромным, что привело к концу динозавров и многих других животных.
Есть и другие теории, касающиеся мел-палеогенового вымирания, но они поддерживаются совсем немногими учёными.
Но всё же, как бы то ни было, 66 млн лет назад на смену резко завершившейся мезозойской эре — «веку рептилий», пришла кайнозойская эра — «век млекопитающих».
Кайнозойская эра
Массовое вымирание видов 66 млн лет назад ознаменовало собой начало новой, продолжающейся и сегодня кайнозойской эры. В результате катастрофических событий тех далёких времён с лица нашей планеты исчезли все животные размером крупнее крокодила. А уцелевшие небольшие животные оказались с наступлением новой эры в совершенно ином мире. В кайнозое продолжался дрейф (расхождение) континентов. На каждом из них формировались уникальные сообщества растений и животных.
Мезозой | Кайнозой | Эра | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Палеоген | Неоген | Чт | П-д | ||||
Палеоцен | Эоцен | Олигоцен | Миоцен | П | п | Эп. | |
251 | 65,5 | 55,8 | 33,9 | 23,03 | 5,33 | 2,59 | млн. лет ← |
0,0117 |
Палеогеновый период
Палеоге́н, Палеогенный период, Палеогенная система — геологический период, первый период кайнозоя. Начался 66 млн лет назад, закончился — 24,6 млн. Продолжался 40,4 млн лет.
В палеогене климат был ровным тропическим. Практически вся Европа была покрыта вечнозелёными тропическими лесами, и лишь в северных областях произрастали листопадные растения. Во второй половине палеогена климат становится более континентальным, появляются ледяные шапки на полюсах.
В этом периоде начался бурный расцвет млекопитающих. После вымирания большого количества рептилий возникло множество свободных экологических ниш, которые начали занимать новые виды млекопитающих. Были распространены яйцекладущие, сумчатые и плацентарные. В лесах и лесостепях Азии возникла так называемая «индрикотериевая фауна».
В воздухе господствуют веерохвостые беззубые птицы. Широко распространены крупные бегающие хищные птицы (диатримы). Увеличивается разнообразие цветковых растений и насекомых.
В морях процветают костистые рыбы. Появляются примитивные китообразные, новые группы кораллов, морских ежей, фораминиферы — нуммулитиды достигают нескольких сантиметров в диаметре, что очень много для одноклеточных. Вымирают последние белемниты, начинается расцвет головоногих с редуцированной или вовсе исчезнувшей раковиной — осьминогов, каракатиц и кальмаров, вместе с белемнитами объединяемых в группу колеоидей.
Палеоценовая эпоха (66—55 млн лет назад)
С наступлением палеоцена опустевшая планета начинает медленно восстанавливаться от последствий катастрофы. Первыми преуспели в этом растения. Всего через несколько сотен тысяч лет значительная часть земной суши покрылась непроходимыми джунглями и болотами, густые леса зашумели даже в приполярных областях Земли. Животные, пережившие массовое вымирание видов, оставались небольшими, они ловко лавировали между стволами деревьев и лазали по веткам. Крупнейшими животными планеты в то время были птицы. В джунглях Европы и Северной Америки, например, охотился свирепый хищник гасторнис, достигавший высоты 2,2 метра .
Вымирание нептичьих динозавров позволило млекопитающим широко расселиться по планете и занять новые экологические ниши. В конце палеоцена (примерно 55 млн лет назад) их разнообразие резко увеличилось. На Земле появились предки многих современных групп зверей — копытных, слонов, грызунов, приматов, рукокрылых (например, летучих мышей), китов, сирен. Мало-помалу млекопитающие начинают покорять земной шар.
Эоценовая эпоха (55—34 млн лет назад)
В начале эоцена значительная часть суши по-прежнему была покрыта непроходимыми джунглями. Климат оставался тёплым и влажным. По лесной подстилке бегали и прыгали примитивные млекопитающие (крошечная лошадь пропалеотерий, лептиктидий и др.). На деревьях жила годиноция (один из древнейших приматов), а в Азии обитал амбулоцет — примитивный кит, умевший ходить по суше.
Примерно 43 млн лет назад климат на Земле стал более прохладным и сухим. На значительной части планеты густые джунгли уступили место редколесью и пыльным равнинам. Жизнь на открытой местности способствовала увеличению размеров млекопитающих.
Азия стала родиной гигантских бронтотериев (например, эмболотерия) и массивных плотоядных зверей (например, эндрюсарха, достигавшего в длину 5,5 метров ). В тёплых морях плавали примитивные киты (например, базилозавр и дорудон), а на побережье Африки жили меритерий и причудливый арсинойтерий.
Приблизительно 36 млн лет назад начала замерзать расположенная у южного полюса Антарктика, её поверхность медленно покрывалась громадными ледяными щитами. Климат на планете стал более прохладным, а уровень воды в океанах упал. В различных частях света сильно изменился сезонный ритм дождей. Многие животные не смогли приспособиться к этим изменениям, и всего через несколько миллионов лет примерно пятая часть всех обитавших на Земле видов живых существ вымерла.
Олигоценовая эпоха (34—24 млн лет назад)
В начале олигоцена климат на планете был сухим и прохладным, что способствовало образованию открытых равнин, полупустынь и кустарниковых зарослей. В результате изменения климата в конце эоцена многие древние семейства млекопитающих вымерли. Их место заняли новые виды зверей, включая и прямых предков некоторых современных млекопитающих — носорогов, лошадей, свиней, верблюдов и кроликов.
Среди млекопитающих продолжают появляться гигантские вегетарианцы (Paraceratherium, например, не уступали размерами некоторым динозаврам — они могли достигать 5 метров в высоту и весить до 17 тонн ) и хищники (такие как энтелодон и гиенодон).
В результате продолжавшегося расхождения континентов Южная Америка и Австралия полностью обособились от остального мира. Со временем на этих «островных» континентах сформировалась уникальная фауна, представленная сумчатыми млекопитающими и другими диковинными животными.
Около 25 млн лет назад в Азии образуются первые безбрежные равнины, поросшие злаками — степи. С тех пор злаки, которые прежде были несущественным элементом наземных ландшафтов, во многих частях света постепенно превращаются в господствующий тип растительности, покрывшей в конце концов пятую часть поверхности суши.
Неогеновый период
Неоге́н — геологический период, второй период кайнозоя. Неогеновый период начался около 25 миллионов лет назад, закончился лишь 2 миллиона лет назад. Продолжительность неогена — 23 миллиона лет. Млекопитающие осваивают моря и воздух — возникают киты и рукокрылые. Плацентарные оттесняют на периферию остальных млекопитающих. Фауна этого периода становится всё более похожей на современную. Но сохраняются и отличия — до сих пор существуют мастодонты, гиппарионы, саблезубые тигры. Крупные нелетающие птицы играют большую роль, особенно в изолированных, островных экосистемах.
Миоценовая эпоха (24—5 млн лет назад)
Чередование засушливых и дождливых сезонов привело к тому, что в миоцене значительная часть суши покрылась бескрайними степями. Поскольку злаки и другие травы перевариваются плохо, у травоядных млекопитающих сформировались новые типы зубов и изменился пищеварительный аппарат, что позволило им извлекать из этого легкодоступного корма максимум питательных веществ.
Степи стали родиной быков, оленей и лошадей. Многие из этих животных держались стадами и кочевали с места на место вслед за дождями. А за стадами травоядных шли по пятам хищники.
Другие млекопитающие предпочитали ощипывать листья деревьев и кустарников. Некоторые из них (например, динотерий и халикотерий) достигали очень больших размеров .
В миоцене образовались многие горные системы — Альпы, Гималаи, Анды и Скалистые горы. Некоторые из них оказались настолько высокими, что изменили характер циркуляции воздуха в атмосфере и стали играть важную роль в формировании климата.
Плиоценовая эпоха (5—2,6 млн лет назад)
В плиоцене климат Земли стал ещё более разнообразным. Планета разделилась на множество климатических регионов — от территорий, покрытых полярными льдами до жарких тропиков.
В поросших злаками степях каждого континента появлялись всё новые виды травоядных животных и охотившихся на них хищников. В восточной и южной части Африки густые леса уступили место открытым саваннам, что заставило первых гоминид (например, афарского австралопитека) спуститься с деревьев и добывать корм на земле .
Около 2,5 млн лет назад южноамериканский континент, который примерно в течение 30 млн лет находился в изоляции от остального мира, столкнулся с Северной Америкой. С севера на территорию современной Аргентины проникли смилодоны и другие хищники, а гигантские дедикуры, фороракосы и другие представители южноамериканской фауны перебрались в Северную Америку. Это переселение животных получило название «Великий обмен». В конце плиоцена произошло вымирание морской мегафауны (млекопитающих, морских птиц, черепах и акул) — 36 % плиоценовых родов не смогли выжить в плейстоцене. Показатели вымирания были в три раза выше средней кайнозойской нормы (в 2,2 раза выше, чем в миоцене, на 60 % выше, чем в плейстоцене) .
Антропогеновый (Четвертичный) период
Это самый короткий геологический период, но именно в четвертичном периоде сформировалось большинство современных форм рельефа и произошло множество существенных событий в истории Земли (с точки зрения человека), важнейшие из которых — ледниковая эпоха и появление человека. Продолжительность четвертичного периода так мала, что обычные палеонтологические методы относительного и изотопного определения возраста оказались недостаточно точны и чувствительны. На таком коротком интервале времени применяется прежде всего радиоуглеродный анализ и другие методы, основанные на распаде короткоживущих изотопов. Специфика четвертичного периода по сравнению с другими геологическими периодами вызвала к жизни особую ветвь геологии — четвертичную .
Четвертичный период подразделяется на плейстоцен и голоцен.
Плейстоценовая эпоха (2,6 млн лет назад — 11,7 тыс. лет назад)
В начале плейстоцена на земле наступил длительный ледниковый период. В течение двух миллионов лет на планете многократно чередовались очень холодные и относительно теплые отрезки времени. В холодные промежутки, которые продолжались примерно 40 тысяч лет, континенты подвергались нашествию ледников. В промежутках с более тёплым климатом (межледниковьях) льды отступали, и уровень воды в морях поднимался.
1250—700 тыс. л. н., во время среднеплейстоценового перехода, в Беринговом море резко изменилась картина циркуляции воды, так как Берингов пролив был перегорожен ледниковым щитом и холодная вода, образующаяся в Беринговом море из-за таяния льда, оказалась заблокированной в Тихом океане .
У многих животных холодных регионов планеты (например, у мамонта и шерстистого носорога) появился густой шёрстный покров и толстый слой подкожного жира . На равнинах паслись стада оленей и лошадей, на которых охотились пещерные львы и другие хищники. А приблизительно 180 тысяч лет назад на них начали охотиться и люди — сначала неандерталец, а затем и человек разумный .
Однако многие крупные животные не смогли приспособиться к резким колебаниям климата и вымерли. Около 10 тысяч лет назад ледниковый период окончился, и климат на Земле стал более тёплым и влажным. Это способствовало быстрому увеличению численности человеческой популяции и расселению людей по всему земному шару. Они научились распахивать землю и выращивать культурные растения. Маленькие поначалу сельскохозяйственные общины разрослись, появились города, а всего через несколько тысячелетий человечество превратилось в мировое общество, использующее все достижения высоких технологий. Зато многие виды животных, с которыми люди испокон веков делили планету, оказались на грани исчезновения. Вот почему учёные часто говорят о том, что по вине человека на Земле разразилось новое массовое вымирание видов.
Голоценовая эпоха (11,7 тысячи лет назад — современность)
Жизнь животных и растений незначительно изменялась в течение голоцена, но имеются большие перемещения в их распределениях. Множество больших животных, включая мамонтов и мастодонтов, саблезубых кошек (подобно смилодонам и гомотериям) и гигантских ленивцев начали вымирать в промежутке с позднего плейстоцена по ранний голоцен. В Северной Америке вымерли многие животные, процветавшие в других краях (включая лошадей и верблюдов). Некоторые учёные объясняют сокращение американской мегафауны расселением предков американских индейцев, но всё же большинство их утверждают, что большее влияние оказало изменение климата .