Первый обитатель Земли

С чего началась жизнь на Земле? Этот вопрос до сих пор волнует и ученых, и обычных людей. В соответствии с общепринятой теорией эволюции первым нашу планету освоил одноклеточный организм, и произошло это примерно четыре миллиарда лет назад. Его принято рассматривать как переходной этап от химии к биологии. В научной среде его называют Лука (от английского LUCA — the Last Universal Common Ancestor). Описать внешний вид Луки не в состоянии никто.

Углерод

Углерод: Происхождение жизни на Земле

Своим появлением на свет Лука обязан углероду. Углерод обладает способностью одновременно образовывать множественные связи и представляет собой ключевую структуру жизни. Путь этого элемента к нашей Земле был долгим и непростым. Он возник внутри крупных звезд и является основой почти всего. Если говорить о белках, углеводах, жирах и прочих элементах, содержащихся в наших клетках, то именно на углероде базируется их структура. Это обусловлено тем, что углерод способен создавать длинные цепи и соединения с прочими элементами. Данные соединения совершенны и обладают уникальными свойствами. Они имеют достаточный уровень крепости, чтобы бы не происходил спонтанный их распад при посещении сауны и в то же время довольно хрупкие, так как перевариваются в процессе прохождения по кишечнику. Но, в качестве важнейшего свойства углерода следует назвать способность к образованию широкого разнообразия химических структур. Количество структур, которые может сформировать углерод, гораздо больше, чем способны совместно образовать все иные элементы периодической таблицы. Это качество незаменимо, когда планируешь создать что-то такое же чрезвычайно сложное, как жизнь. Прежде чем приступить к формированию живого существа, элементу необходимо первоначально освоить создание органических соединений.

Появление первого организма. Как это произошло?

Воссоздать процесс зарождения жизни на земле сумели ученые Стэнли Миллер и Гарольд Клейтон Ури в 50-х годах прошлого века. Им удалось в стеклянной колбе смоделировать атмосферу, которая, согласно предположениям, преобладала на ранней Земле и состояла из воды, метана (углерода), аммиака и водорода. Исследователи смогли спровоцировать определенное сочетание электрических зарядов, которое моделировало грозовые молнии, характерные для молодой атмосферы.

Внутри колбы на самом дне они искусственно создали так называемый праокеан (в действительности расположив там лужицу воды). Интересных результатов удалось достичь после воздействия на протяжении нескольких дней электрическими разрядами на первичную атмосферу. Жидкость в колбе стала розовой. Исследователи провели анализ полученного вещества и сделали удивительное открытие: грозовые разряды стимулировали образование в первичной атмосфере органических молекул – сахаров, жирных кислот, аминокислот и т.д. Дальнейшие эксперименты, при проведении которых изменялись атмосферные условия, позволили воссоздать также ряд иных составных компонентов жизни, в том числе и структурные элементы генетической информации.

Источником жизни был космос?

Вполне возможно, что появлению Лука и возникновению жизни на планете мы обязаны не только розовой протоплазме, но и далеким звездам. В пределах нашей Солнечной системы имеется множество мест, условия в которых благоприятны для образования органических молекул. И падающие метеориты, которые, по сути, просто стерильные каменные глыбы, нередко являются носителями многочисленных строительных кирпичиков жизни. Исследуя упавший в 1969 году в Австралии метеорит Мерчисона, вес которого превышал 100 фунтов, ученые обнаружили 70 разных типов аминокислот. Большинство из них присутствует в организмах современных живых существ.

В тот период, когда формировалась Солнечная система, метеориты, стремительно пронизывающие древние пылевые облака, вполне вероятно собирали при этом органические вещества. Ранние периоды истории нашей планеты характеризовались частыми падениями астероидов. Именно эта «бомбежка» могла дать толчок зарождению жизни на Земле. Астероиды принесли не только будущие компоненты клеток, но и воду. Но причина возникновения жизни могла крыться не только в их содержимом, но и в мощном ударе. В 2015 году исследователями был создан метеорит. Он представлял собой замороженную смесь, в которой присутствовали охлажденные до -196 °C вода, аминокислоты и силикаты. Для воссоздания удара была проведена бомбардировка космического снежного шара снарядами. Это привело к объединению отдельных аминокислот, в результате чего были образованны короткие цепи (аналогичный процесс наблюдается и в клетках при формировании белков). То есть, сам удар может служить тем толчком, что запустил процесс создания сложных молекул, без которых никакая биология была бы невозможна.

Появление внешней мембраны, также как и мембраны современных клеток, происходит спонтанно в момент попадания амфифильных молекул в воду. Под амфифильными принято понимать вещества, которые при контакте с водой вступают с ней в мощное взаимодействие, а также обладающие жирорастворимой частью. К этой группе, к примеру, можно причислить фосфолипиды, входящие в состав наших клеток. В тот период, когда Солнечная система еще только формировалась, метеориты, пронзая древние пылевые облака, вполне могли собирать и переносить органические вещества. В ходе исследования метеорита Мерчисона удалось выделить амфифильные молекулы, которые контактируя с водой, формируют мембраноподобные структуры.

Соответственно, наличествовали все составляющие, которые требовались, чтобы жизнь на земле могла возникнуть. Однако разве это дает ответ на вопрос с чего началась жизнь на Земле? Все живые существа, которые существуют в настоящее время, могли появиться лишь в процессе постоянного развития, длительность которого составляла много миллиардов лет. Беспощадная борьба за выживание, отсеивающая слабых и дающая шанс лучшим представителям, плюс случайные генетические мутации, по сути, являются без остановочным процессом оптимизации. В итоге, спустя долгое время, примитивная группа молекул может развиться в достаточно сложный организм, такой как собака или другое животное.

Начало эволюции

В действительности для эволюции обязательным условием является наличие у первой формы жизни разрешающей способности - умения размножаться. Процесс размножения у современных клеток достаточно трудоемкий. Для записи их энергетической информации достаточно 4-х букв: А, Т, G, С. Тот факт, что современный человек может быть закодирован всего лишь с помощью четырех букв, чрезвычайно поражает. Человеческая клетка содержит примерно 3 млрд. этих букв. Для того чтобы генетические данные не «пылились» без дела, следует позаботиться о создании копий сегментов ДНК, именуемых генами. Данные копии получили названия РНК, впоследствии они переписываются в белки, выполняющие различные функции в клетке.

ДНК. Эволюция

Стандартную генетическую схему можно записать следующим образом: ДНК (генетическая информация) — РНК (копия) — белок. Но и сама РНК может выступать в качестве генетической информации. Этот факт раскрыли нам определенные вирусы, вписавшие свой генетический код в РНК, а не в ДНК. В качестве примера можно привести риновирусы, регулярно анализирующие состояние наших желез слизистой оболочки носа, вызывая у нас жуткий насморк. РНК в человеческих клетках выполняет целый ряд различных функций. Она не только обеспечивает передачу информации о генах, но и самолично осуществляет их перезапись в белке. В свою очередь рибосомы, составляющие клеточных белков, формируются из РНК.

В научной среде считается, что у первой формы жизни наличествовала только мембрана, содержащая последовательность РНК. Данная РНК обладала способностью к копированию самой себя.

Американский биохимик Джералд Фрэнсис Джойс в 2009 году создал 2 цепи РНК, взаимно воспроизводящие друг друга. Для реализации данного процесса они не нуждались ни в белках, ни в иных компонентах современных клеток, используя лишь первичную среду из составляющих РНК. Исследователи не задавали буквенную последовательность обеих РНК, она формировалась в ходе проведения этого революционного эксперимента. При этом было отмечено наличие конкуренции между несколькими РНК в борьбе за выживание. В результате этого наблюдалось изменение последовательности букв РНК в процессе эксперимента.

Соответственно, молодая Земля обладала практически всем необходимым, присутствовали белки, а также строительные блоки мембран клетки. Из простых молекул в условиях первичного бульона могла сформироваться РНК. Вполне вероятно, что в процессе спонтанного формирования мембран в них время от времени включались РНК. В связи с этим, является вполне правдоподобным, что в итоге образовалась примитивная, саморазмножающаяся клетка. Если принять все это за свершившийся факт, то следует отметить, что для образования подобной клетки Земля обладала невообразимо большой площадью и огромным запасом времени. Если рассматривать вопрос о возникновении жизни на Земле в данном контексте, то существует огромная вероятность того, что в каком-то месте и в какое-то время может случиться что-то совершенно маловероятное.

РНК нельзя назвать стабильной, для нее характерна тенденция к изменению своей буквенной последовательности. Неудивительно, что клетки, генетическая информация которых состояла из РНК, достаточно быстро стали очень различаться между собой. Клетки, в которых изменение последовательности букв происходит так, что это способствует размножению, получат преимущество над иными. Именно это, в конце концов, положило начало эволюции, то есть, стал возможным переход к биологии.

С течением времени, когда строение клеток усложнилось, функции долгосрочного хранения данных переместились от РНК к ДНК. Несмотря на то, что химическое строение обеих молекул практически идентично, ДНК характеризуется большей стабильностью, что делает ее более пригодной для выполнения подобных функций. Целью создания белков было возложение на них сложных задач, которые не могли выполнить РНК. В некоторых случаях происходило поглощение одних клеток другими. В результате этого появились внутренние секции, которые могли выполнять определенные задачи. В качестве примера можно привести клеточное ядро, на которое возлагается забота о ДНК либо митохондрии, отвечающие за обеспечение энергией организма.

В течение длительного времени данные одноклеточные организмы доминировали на земле. Но когда с первым клеткам стало понятно, что сотрудничая между собой, они приобретают больше преимуществ, чем когда конкурируют, сформировались многоклеточные организмы, и началось активное развитие сложных форм жизни. Результатом этого стало появление формы жизни, которая доминирует в наши дни и вызывает наше восхищение.

Первичная клетка была одна или много?

Но есть ли у нас уверенность, что был только один первоисточник жизни? Не могло ли произойти так, что независимо друг от друга возникли несколько первичных клеток? Как доказать себе, что человек и пес или другое животное произошли от одной первичной клетки? Некоторые характеристики различных живых существ имеют столько общего между собой, что кажется, нет возможности объяснить это сходство как-нибудь по-другому, чем общим происхождением. Ученым-биохимиком Дугласом Теобальдом было проведено сравнение аминокислотных последовательностей у разных видов живых существ. Основываясь на результатах этого анализа, он пришел к выводу, что вероятность их общего происхождения, по крайней мере, в 102860 раза превышает вероятность любых других возможных сценариев, таких как, к примеру, наличие многочисленных первичных клеток, образовавшихся независимо друг от друга (вероятность составляет единицу деленную на число с 2860 нулями). Данный расчет наглядно демонстрирует, что мы имеем общих предков с любой птицей, обезьяной, растением и т.д.

Скорее всего, мы никогда не сможем дать точный ответ на вопрос, как возникла первая клетка. Но то, что мы способны разрабатывать модели, которые в некоторой степени могут быть экспериментально проверены и дают описание правдоподобного перехода от неживой материи к живой, уже должно наполнять нас определенной гордостью.