Животът на Земята се появи преди повече от 3,5 милиарда години - трудно е да се определи точно момента, макар и само защото не е лесно да се очертае границата между „почти жив“и „наистина жив“. Въпреки това можем да кажем със сигурност, че този вълшебен момент се проточи в продължение на много, дълги милиони години. Все пак това беше истинско чудо.
За да оцените това чудо в истинската му стойност, трябва да се запознаете с редица съвременни теории, описващи различни варианти и етапи от раждането на живота. От бърз, но безжизнен набор от прости органични съединения до протоорганизми, които са познали смъртта и са влезли в безкрайна раса на биологична променливост. В крайна сметка, не са ли тези два термина - осезаемост и смърт - породени от цялата сума от живота?..
1. Панспермия
Хипотезата за пренасянето на живота на Земята от други космически тела има много авторитетни защитници. Тази позиция заемаха големият германски учен Херман Хелмхолц и шведският химик Сванте Аррениус, руският мислител Владимир Вернадски и британският лорд физик Келвин. Науката обаче е област от факти и след откриването на космическото излъчване и разрушителното му въздействие върху всички живи същества, изглежда, панспермията умира.
Но колкото по-дълбоко се увличат учените, толкова повече нюанси се появяват. И така, сега - включително да правим многобройни експерименти върху космически кораби - ние приемаме много по-сериозно способността на живите организми да понасят радиация и студ, липса на вода и други „наслади“да бъдат в космоса. Находките на всички видове органични съединения на астероиди и комети, в далечни групи от газове и прах и протопланетарни облаци са многобройни и несъмнено. Но твърденията за откриването в тях на следи от нещо подозрително наподобяващо микроби остават недоказани.
Лесно е да се види, че при цялото си очарование теорията за панспермията пренася въпроса за произхода на живота на друго място и друг път. Каквото и да е донесло първите организми на Земята - независимо дали е случаен метеорит или хитър план на високо развити извънземни, те трябваше да се родят някъде и по някакъв начин. Нека не е тук и много по-далеч в миналото - но животът трябваше да се развие от безжизнена материя. Въпросът "Как?" останки.
Промоционално видео:
1. Ненаучни: Спонтанно поколение
Спонтанният произход на силно развита жива материя от неживата материя - подобно на появата на мухи на мухи в гниещо месо - може да се свърже с Аристотел, който обобщи мислите на много предшественици и формира холистична доктрина за спонтанното поколение. Подобно на други елементи от философията на Аристотел, спонтанното генериране е доминиращата доктрина в средновековна Европа и се радва на известна подкрепа до експериментите на Луи Пастьор, които категорично показаха, че дори ларвите на мухите изискват появата на родителски мухи. Не бъркайте спонтанното поколение със съвременните теории за абиогенния произход на живота: разликата между тях е фундаментална.
2. Първичен бульон
Тази концепция е тясно свързана с класическите експерименти, които са успели да придобият статута на 50-те години от Стенли Милър и Харолд Урей. В лабораторията учените моделираха условията, които биха могли да съществуват в близост до повърхността на младата Земя - смес от метан, въглероден окис и молекулен водород, множество електрически заряди, ултравиолетова светлина - и скоро повече от 10% от въглерода от метан се превръща под формата на различни органични молекули. Повече от 20 аминокиселини, захари, липиди и прекурсори на нуклеинова киселина са получени в експериментите с Милър-Урей.
Съвременните вариации на тези класически експерименти използват много по-сложни настройки, които по-добре отговарят на условията на ранната Земя. Те симулират въздействието на вулканите с техните емисии на сероводород и серен диоксид, наличието на азот и др. Така учените успяват да получат огромно и разнообразно количество органична материя - потенциални градивни елементи на потенциалния живот. Основният проблем на тези експерименти остава рацематът: изомерите на оптично активни молекули (като аминокиселини) се образуват в смес в равни количества, докато целия известен на нас живот (с малки и странни изключения) включва само L-изомери.
Все пак ще се върнем към този проблем по-късно. Тук също трябва да се добави, че наскоро - през 2015 г., професорът от Кеймбридж Джон Съдърланд и неговият екип показаха възможността за формиране на всички основни „молекули на живота“, компоненти на ДНК, РНК и протеини от много прост набор от първоначални компоненти. Основните герои на тази смес са циановодород и сероводород, които не са толкова рядко срещани в космоса. Към тях остава да добавим някои минерали и метали, които присъстват в достатъчни количества на Земята, като фосфати, медни и железни соли. Учените са изградили подробна схема на реакция, която би могла да създаде богата „първична супа“, така че в нея да се появят полимери и да се получи пълноценна химическа еволюция.
Хипотезата за абиогенния произход на живота от „органичен бульон“, която е изпитана чрез експериментите на Милър и Урей, е изложена през 1924 г. от съветския биохимик Александър Опарин. И въпреки че в "мрачните години" на разцвета на Лисенкоизма, ученият взе страната на противници на научната генетика, заслугите му са големи. Като признание за ролята на академик, неговото име носи главната награда, връчена от Международното научно дружество за изследване на произхода на живота (ISSOL) - медалът Опарин. Наградата се присъжда на всеки шест години и в различни моменти се присъжда както на Стенли Милър, така и на големия изследовател на хромозоми, нобеловият лауреат Джак Шостак. Като признание за огромния принос на Харолд Урей, ISSOL награждава медала „Урей“между медала „Опарин“(също на всеки шест години). Резултатът е уникална, истинска еволюционна награда - с променливо име.
3. Химическа еволюция
Теорията се опитва да опише трансформацията на сравнително прости органични вещества в доста сложни химически системи, предшественици на самия живот, под влияние на външни фактори, механизмите на подбор и самоорганизация. Основната концепция на този подход е "водно-въглероден шовинизъм", представящ тези два компонента (вода и въглерод - НС) като абсолютно необходими и ключови за възникването и развитието на живота, независимо дали на Земята или някъде отвъд нея. И основният проблем си остават условията, при които „водно-въглеродният шовинизъм“може да се развие в много сложни химически комплекси, способни преди всичко на самовъзпроизвеждане.
Според една от хипотезите първичната организация на молекулите би могла да възникне в микропорите на глинени минерали, които изиграха структурна роля. Шотландският химик Александър Греъм Кернс-Смит представи тази идея преди няколко години. Сложните биомолекули биха могли да се утаят и полимеризират на вътрешната им повърхност, както на матрица: Израелските учени показаха, че такива условия позволяват да се отглеждат достатъчно дълги протеинови вериги. Тук могат да се натрупат необходимите количества метални соли, които играят важна роля като катализатори за химични реакции. Глинените стени биха могли да функционират като клетъчни мембрани, разделяйки „вътрешното“пространство, в което протичат все по-сложни химични реакции и отделяйки го от външния хаос.
Повърхностите на кристалните минерали биха могли да служат като "матрици" за растежа на полимерни молекули: пространствената структура на тяхната кристална решетка е в състояние да избира само оптични изомери от един тип - например L-аминокиселини - да реши проблема, за който говорихме по-горе. Енергията за първичния "метаболизъм" може да бъде доставена чрез неорганични реакции, като редукцията на минералния пирит (FeS2) с водород (до железен сулфид и сероводород). В този случай не се изисква нито светкавица, нито ултравиолетово лъчение за появата на сложни биомолекули, както в експериментите с Милър-Урей. Това означава, че можем да се отървем от вредните аспекти на тяхното действие.
Младата Земя не беше защитена от вредни - и дори смъртоносни - компоненти на слънчевата радиация. Дори съвременните тествани в еволюция организми не биха могли да издържат на тази сурова ултравиолетова радиация - въпреки факта, че самото Слънце беше много по-младо и не дава достатъчно топлина на планетата. От това възникна хипотезата, че в епохата, когато се случваше чудото на произхода на живота, цялата Земя може да бъде покрита с дебел слой лед - стотици метри; и това е за най-доброто. Скривайки се под този леден покрив, животът можеше да се почувства напълно безопасен от ултравиолетовата радиация и от честите метеоритни удари, които заплашваха да го унищожат в пъпката. Сравнително хладната среда също може да стабилизира структурата на първите макромолекули.
4. Черни пушачи
Всъщност ултравиолетовото излъчване на младата Земя, чиято атмосфера все още не съдържа кислород и нямаше такова прекрасно нещо като озоновия слой, би трябвало да е смъртоносна за всеки зараждащ се живот. Това породи предположението, че крехките предци на живите организми са принудени да съществуват някъде, криейки се от непрекъснатия поток от стерилизиране на всички и всички лъчи. Например, дълбоко под вода - разбира се, където има достатъчно минерали, смесване, топлина и енергия за химически реакции. И такива места бяха намерени.
Към края на ХХ век стана ясно, че океанското дъно по никакъв начин не може да бъде убежище за средновековни чудовища: тук условията са твърде сурови, температурата е ниска, няма радиация и рядката органична материя е способна да се утаи от повърхността. Всъщност това са най-обширните полупустини - с някои забележителни изключения: точно там, дълбоко под вода, близо до изводите на геотермални извори, животът буквално е в разгара си. Черната вода, наситена със сулфиди, е гореща, активно се смесва и съдържа много минерали.
Пушачите от черен океан са много богати и отличителни екосистеми: бактериите, които се хранят с тях, използват железно-серните реакции, които вече обсъдихме. Те са основа за напълно цъфтящ живот, включително множество уникални червеи и скариди. Може би те са били в основата на произхода на живота на планетата: поне теоретично такива системи носят всичко необходимо за това.
2. Ненаучни: духове, богове, предци
Всякакви космологични митове за произхода на света винаги са увенчани с антропогонични - за произхода на човека. И в тези фантазии човек може само да завиди на въображението на древните автори: на въпроса какво, как и защо е възникнал Космосът, къде и как се е появил животът - и хората, версиите звучаха много различно и почти винаги красиво. Растения, риби и животни бяха уловени от морското дъно от огромен гарван, хората изпълзяха от тялото на прародителя Пангу, като червеи, формовани от глина и пепел, са родени от бракове на богове и чудовища. Всичко това е изненадващо поетично, но разбира се няма нищо общо с науката.
5. Светът на РНК
В съответствие с принципите на диалектическия материализъм животът е „единство и борба“на два принципа: промяна и наследствена информация, от една страна, и биохимични, структурни функции, от друга. Едното е невъзможно без другото - и въпросът откъде е започнал животът с информация и нуклеинови киселини или с функции и протеини, остава един от най-трудните. И едно от добре познатите решения на този парадоксален проблем е световната хипотеза на РНК, която се появи в края на 60-те години и най-накрая се оформи в края на 80-те години.
РНК - макромолекулите, при съхраняването и предаването на информация не са толкова ефективни, колкото ДНК, а при изпълнение на ензимни функции - не толкова впечатляващи, колкото протеините. Но молекулите на РНК са способни и на двете, и досега те служат като предавателна връзка в обмена на информация на клетката и катализират редица реакции в нея. Протеините не са в състояние да се репликират без ДНК информация, а ДНК е неспособна за това без протеинови „умения“. РНК, от друга страна, може да бъде напълно автономна: тя е в състояние да катализира собственото си „възпроизвеждане“- и това е достатъчно за начало.
Проучванията в рамките на хипотезата на РНК в света показват, че тези макромолекули са способни на пълноценна химическа еволюция. Вземете например илюстративен пример, демонстриран от калифорнийските биофизици, воден от Лесли Оргел: ако етидиев бромид се добави към разтвор на РНК, способен на самовъзпроизвеждане, който служи като отрова за тази система, блокирайки синтеза на РНК, след това малко по малко, с промяна в поколенията макромолекули, в сместа Появяват се РНК, които са устойчиви дори на много високи концентрации на токсина. Нещо подобно, развивайки се, първите молекули на РНК биха могли да намерят начин да синтезират първите инструменти-протеини, а след това - в комбинация с тях - да открият за себе си двойната спирала на ДНК, идеалният носител на наследствена информация.
3. Ненаучно: неизменяемост
Не по-научни от историите за първите предци не могат да се нарекат възгледите, носещи силното име на Теорията на неподвижната държава. Според нейните привърженици изобщо не е възникнал живот - точно както Земята не се е родила, нито се е появил Космосът: те просто са били винаги, винаги и ще останат. Всичко това не е по-оправдано от червеите Пангу: за да се вземе сериозно подобна „теория“, човек ще трябва да забрави за безбройните открития на палеонтологията, геологията и астрономията. И всъщност да изоставим цялата грандиозна сграда на съвременната наука - но тогава, вероятно, си струва да се откажем от всичко, което се дължи на жителите й, включително компютрите и безболезненото зъболечение.
6. Протоцели
Простата репликация обаче не е достатъчна за „нормалния живот“: всеки живот е на първо място пространствено изолирана област от средата, която разделя метаболитните процеси, улеснява протичането на някои реакции и позволява изключването на други. С други думи, животът е клетка, ограничена от полупропусклива мембрана, съставена от липиди. А „протоклетките“трябваше да се появят още в най-ранните етапи от живота на Земята - първата хипотеза за произхода им беше изразена от Александър Опарин, който ни е добре познат. Според него капчици хидрофобни липиди, наподобяващи жълти капчици масло, плаващи във вода, биха могли да служат като "протомембрани".
Като цяло идеите на учения са приети от съвременната наука и Джак Шостак, който получи медала Опарин за работата си, също се занимаваше с тази тема. Заедно с Катажина Адамала той успява да създаде един вид модел на „протоклетка“, чийто аналог на мембраната се състои не от съвременни липиди, а дори от по-прости органични молекули, мастни киселини, които биха могли да се натрупат на местата на произход на първите протоорганизми. Шостак и Адамала дори успяват да "съживят" структурите си, като добавят към средата магнезиеви йони (стимулиращи работата на РНК полимеразите) и лимонената киселина (стабилизираща структурата на мастните мембрани).
В резултат на това те завършиха с напълно проста, но донякъде жива система; във всеки случай това беше нормална протоклетка, която съдържа мембранно защитена среда за възпроизвеждане на РНК. От този момент можете да затворите последната глава от праисторията на живота - и да започнете първите глави от нейната история. Това обаче е съвсем различна тема, така че ще говорим само за една, но изключително важна концепция, свързана с първите стъпки от еволюцията на живота и появата на огромно разнообразие от организми.
4. Ненаучно: Вечно завръщане
„Корпоративно“представяне на индийската философия, в западната философия, свързано с творбите на Имануел Кант, Фридрих Ницше и Мирча Елиаде. Поетична картина на вечното лутане на всяка жива душа през безкраен набор от светове и техните обитатели, превръщането й в незначително насекомо, после в извисен поет или дори в непознато за нас същество, демон или бог. Въпреки липсата на идеи за прераждане, Ницше наистина е близо до тази идея: вечността е вечна, което означава, че всяко събитие в нея може - и трябва да се повтори отново. И всяко същество безкрайно се върти на тази въртележка с всеобщо връщане, така че само главата се върти, а самият проблем с първичен произход изчезва някъде в калейдоскоп от безброй повторения.
7. Ендосимбиоза
Погледнете себе си в огледалото, надникнете в очите: създанието, с което се гледате, е сложен хибрид, възникнал в незапомнени времена. Още в края на 19 век немско-английският натуралист Андреас Шимпър забеляза, че хлоропластите, органелите на растителните клетки, отговорни за фотосинтезата, се възпроизвеждат отделно от самата клетка. Скоро се появи хипотеза, че хлоропластите са симбионти, клетки от фотосинтетични бактерии, погълнати веднъж от домакина - и оставени да живеят тук завинаги.
Разбира се, нямаме хлоропласти, иначе бихме могли да се храним със слънчева светлина, както предполагат някои псевдо-религиозни секти. Въпреки това през 20-те години хипотезата за ендосимбиозата е разширена, за да включва митохондрии, органели, които консумират кислород и доставят енергия за всички наши клетки. Към днешна дата тази хипотеза придоби статут на пълноценна, многократно доказана теория - достатъчно е да се каже, че митохондриите и пластидите имат свой геном, повече или по-малко механизми за делене на клетките и собствена система за синтез на протеини.
В природата са открити и други ендосимбионти, които нямат зад гърба си милиарди години съвместна еволюция и са на по-малко дълбоко ниво на интеграция в клетката. Например, някои амеби нямат свои митохондрии, но има бактерии, включени вътре и изпълняващи своята роля. Съществуват хипотези за ендосимбиотичния произход на други органели - включително жгутици и реснички и дори клетъчното ядро: според някои изследователи всички еукариоти сме резултат от безпрецедентно сливане между бактерии и археи. Тези версии все още не са намерили строго потвърждение, но едно е ясно: веднага щом се появи, животът започна да поглъща съседите си - и да взаимодейства с тях, раждайки нов живот.
5. Ненаучни: креационизъм
Самата концепция на креационизма възниква през 19 век, когато тази дума започва да се нарича привърженици на различни версии за появата на света и живота, предложени от авторите на Тората, Библията и други свети книги на монотеистичните религии. Всъщност обаче креационистите не предлагаха нищо ново в сравнение с тези книги, опитвайки се отново и отново да опровергават строгите и фундаментални открития на науката - и всъщност отново и отново, губейки една позиция след друга. За съжаление идеите на съвременните псевдоучени-креационисти са много по-лесни за разбиране: за да се разберат теориите на реалната наука, са необходими много усилия.
Сергей Василиев