КОЛИ Земля сформувалася 4,5 мільярда років тому, вона була стерильною кам’яною кулею, яку вдарили метеоритами і вистелені вулканами, що вивергаються. Протягом мільярда років він був заселений мікроорганізмами. Сьогодні життя покриває кожен сантиметр планети, від найвищих гір до найглибшого моря. Проте, решта планет Сонячної системи здаються неживими. Що трапилося на нашій молодій планеті? Як зародилося перше життя?
Коротка відповідь: ми не знаємо.
Але хоча ми точно не знаємо, як з’явилося життя, ми маємо багато підказок.
Теорії походження та еволюції життя на Землі
Життя на дні океану
Одна з груп існуючих нині гіпотез розглядає як колиску життя гарячі джерела на дні океанів, температура води в яких може перевищувати сотню градусів. Подібні джерела існують і до цього дня в районі рифтових зон океанічного дна і називаються «чорними курцями». Перегріта вище точки кипіння вода виносить із надр розчинені до іонної форми мінерали, які часто тут же осідають у вигляді руди. На перший погляд, це середовище здається смертельним для будь-якого життя, але вже там, де вода охолоджується до 120 градусів, живуть бактерії — так звані гіпертермофіли.
Виносяться на поверхню сульфіди заліза і нікелю утворюють на дні преципітату піриту і греїгіту-осад у вигляді пористої шлакоподібної породи. Деякі сучасні вчені, наприклад Майкл Рассел, висунули гіпотезу про те, що саме ці насичені мікропорами (бульбашками) породи стали колискою життя. У мікроскопічних пухирцях могли формуватися і рибонуклеїнові кислоти, і пептиди. Бульбашки, таким чином, ставали первинними катаклавами, в яких ранні метаболічні ланцюжки відокремилися і перетворилися на клітину.
Життя — це енергія
То де місце для виникнення життя на цій не дуже пристосованій для неї ранній Землі? Перш ніж спробувати дати відповідь на це питання, варто зауважити, що найчастіше вчені, які займаються проблемами біогенезу, ставлять на перше місце походження «живої цегли», «будівельних блоків», тобто тих органічних речовин, з яких складається жива клітина. Це ДНК, РНК, білки, жири, вуглеводи. Але якщо взяти всі ці речовини і викласти їх у якусь посудину, їх нічого само собою не збереться. Це не головоломка. Будь-який організм – динамічна система, яка перебуває у стані постійного обміну із середовищем.
Навіть якщо взяти сучасний живий організм і розтерти його до молекул, то нікому не під силу повторно зібрати з цих молекул живу істоту. Проте сучасні моделі походження життя переважно орієнтуються на процеси абіогенного синтезу макромолекул – попередників біоорганічних сполук, не пропонуючи механізмів генерування енергії, яка ініціювала та підтримувала процеси обміну речовин.
Гіпотеза про походження життя в гарячих джерелах цікава не лише версією походження клітини, її фізичного відокремлення, а й можливістю намацати енергетичну першооснову життя, направити дослідження в сферу процесів, які описуються не так мовою хімії, як термінами фізики.
Оскільки океанічна вода кисліша, а в гідротермальних водах і в поровому просторі осаду — лужніша, виникали різниці потенціалів, що надзвичайно важливо для життя. Адже всі наші реакції у клітинах за своєю природою є електрохімічними. Вони пов’язані з перенесенням електронів та з іонними (протонними) градієнтами, які викликають перенесення енергії. Напівпроникні стінки бульбашок відігравали роль мембрани, що підтримує цей електрохімічний градієнт. США покриті льодом: як люди живуть в екстремально низьких температурах до -58 °F
Коштовність у білковому футлярі
Різниця середовищ – нижче дна (де надгарячою водою розчиняються породи) і вище дна, де вода остигає, – також створює різницю потенціалів, результатом якої є активне переміщення іонів та електронів. Таке явище навіть отримало назву геохімічної батареї.
Окрім відповідного середовища для утворення органічних молекул та наявності енергетичного потоку, є ще один фактор, що дозволяє вважати океанські гідротерми найвірогіднішим місцем зародження життя. Це метали.
Гарячі джерела знаходяться, як уже говорилося, в рифтових зонах, де дно розсувається і близько підступає гаряча лава. Всередину тріщин проникає морська вода, яка потім виходить у вигляді розпеченої пари. При великому тиску і високих температурах базальти розчиняються, як цукровий пісок, виносячи назовні велику кількість заліза, нікелю, вольфраму, марганцю, цинку, міді. Всі ці метали (і деякі інші) відіграють колосальну роль у живих організмах, оскільки мають високі каталітичні властивості.
Реакції у наших живих клітинах керуються ферментами. Це досить великі білкові молекули, які збільшують швидкість реакції порівняно з подібними реакціями поза клітиною іноді на кілька порядків. І що цікаво, у складі молекули ферменту на тисячі та тисячі атомів вуглецю, водню, азоту та сірки часом припадає всього 1-2 атоми металу. Але якщо цю пару атомів витягти, білок перестає бути каталізатором. Тобто в парі «білок-метал» саме останній виявляється провідним. Навіщо потрібна тоді велика молекула білка? З одного боку, вона маніпулює атомом металу, «притуляючи» його до місця реакції. А з іншого боку, вона його зберігає, захищає від з’єднань з іншими елементами. І в цьому є глибоке значення.
Справа в тому, що багато тих металів, що були вдосталь на ранній Землі, коли кисню не було, і зараз доступні – там, де кисню немає. Наприклад, у вулканічних джерелах багато вольфраму. Але як тільки цей метал виходить на поверхню, де зустрічається з киснем, то відразу окислюється і осідає. Те саме відбувається із залізом та іншими металами. Таким чином, завдання великої білкової молекули зберегти метал активним. Все це наводить на думку, що саме метали є первинними в історії життя. Виникнення білків було фактором збереження первинного середовища, в якому метали або їх прості сполуки зберігали свої каталітичні властивості, і забезпечило можливість їх ефективного використання в біокаталізі.
Невиносна атмосфера
Крім того виділяються гази та вода. Так само утворилося металеве ядро ??землі, «стекло» до центру планети. Внаслідок цієї «плавки» почався процес, відомий як дегазація мантії. Землю 4 млрд років тому, коли, як вважають, зародилося життя вирізняв активний вулканізм, що не йде в жодне порівняння з нинішнім. Потік радіації з надр був разів у 10 потужніший, ніж у наш час. В результаті тектонічних процесів та інтенсивного метеоритного бомбардування тонка земна кора постійно перероблялася. Свій внесок, очевидно, вносив і Місяць, який знаходився на значно ближчій орбіті, який своїм гравітаційним полем масажував і розігрівав нашу планету.
Найдивовижніше, що інтенсивність свічення сонця в ті далекі часи була нижчою приблизно на 30%. Якби сонце стало в нашу епоху стало світити хоча б на 10% слабше, Земля миттєво вкрилася б льодом. Але тоді у нашої планети було набагато більше власного тепла, і нічого ближнього льодовиків на її поверхні не зустрічалося.
Зате існувала щільна атмосфера, яка добре утримувала тепло. За своїм складом вона мала відновлювальний характер, тобто в ній практично був відсутній незв’язаний кисень, зате вона включала значну кількість водню, а також парникові гази – водяну пару, метан і вуглекислий газ.
Коротше кажучи, перше життя на Землі з’явилося в умовах, в яких із живих нині організмів могли б існувати лише примітивні бактерії. Перші сліди води геологи знаходять у відкладах віком 3,5 млрд років, хоча, судячи з усього, в рідкому вигляді вона з’явилася на Землі дещо раніше. На це опосередковано вказують циркони, які мають окатану форму, яку вони набули, ймовірно перебуваючи у водоймах. Вода утворювалася з водяної пари, що насичувала атмосферу, коли Земля стала поступово остигати. Крім того, воду (імовірно в обсязі до 1,5 об’єму сучасного світового океану) до нас принесли малі комети, які інтенсивно бомбардували земну поверхню.
Водень як валюта
До найдавнішого типу ферментів належать гідрогенази, які каталізують найпростішу з хімічних реакцій – оборотне відновлення водню з протонів та електронів. А активаторами цієї реакції є залізо і нікель, які були достатні на ранній Землі. Чимало було й водню — він виділявся під час дегазації мантії. Саме водень, схоже, був головним джерелом енергії для ранніх метаболічних систем. Адже і в нашу епоху переважна більшість реакцій, що здійснюються бактеріями, включають дії з воднем. Як первинне джерело електронів та протонів водень становить основу енергетики мікробів, будучи для них чимось на кшталт енергетичної валюти.
Життя зароджувалося в безкисневому середовищі. Перехід до дихання киснем вимагав радикальних змін метаболічних систем клітини, щоб мінімізувати активність цього агресивного окислювача. Адаптація до кисню виникала насамперед у ході еволюції фотосинтезу. Насамперед основою енергетики живого був водень та її прості сполуки — сірководень, метан, аміак. Але це, ймовірно, не єдина хімічна відмінність сучасного життя від раннього. 8 найбільш смертоносних місць на Землі
Запасливі уранофіли
Можливо, раннє життя не мала того складу, який має нинішнє, де в якості базових елементів переважають вуглець, водень, азот, кисень, фосфор, сірка. Справа в тому, що життя віддає перевагу більш легким елементам, з якими простіше «грати». Але ці легкі елементи мають невеликий іонний радіус і створюють дуже міцні сполуки. А життя цього й не треба. Їй треба вміти ці з’єднання легко розщеплювати. Зараз у нас для цього є безліч ферментів, але на зорі життя їх ще не існувало.
Кілька років тому ми висловили припущення, що деякі з цих шести основних елементів живого (макроелементи C, H, N, O, P, S) мали більш важкі, але й «зручніші» попередники. Замість сірки як один з макроелементів, швидше за все, працював селен, який легко з’єднується і легко дисоціює. Місце фосфору з тієї ж причини, можливо, займав миш’як. Нещодавнє відкриття бактерій, які використовують миш’як замість фосфору у своїх ДНК та РНК, посилює наші позиції. Причому це справедливо як для неметалів, але й металів. Разом із залізом та нікелем у процесі становлення життя значну роль грав вольфрам. Коріння життя, таким чином, треба, мабуть, відводити донизу таблиці Менделєєва.
Для підтвердження або спростування гіпотез про первісний склад біологічних молекул нам варто звернути пильну увагу на бактерій, що живуть у незвичайних середовищах, які, можливо, віддалено нагадують Землю в давнину. Наприклад, нещодавно японські вчені досліджували один із видів бактерій, що мешкають у гарячих джерелах, і виявили в їх слизових оболонках уранові мінерали. Навіщо бактерії їх накопичують? Можливо, уран має для них якусь метаболічну цінність? Наприклад, використовується іонізуючий ефект радіації. Є інший відомий приклад – магнітобактерії, які існують в аеробних умовах, відносно холодній воді, і накопичують залізо у вигляді кристаликів магнетиту, загорнутих в білкову мембрану. Коли заліза у навколишньому середовищі багато — вони формують цей ланцюжок, коли заліза немає — вони його витрачають і сумочки стають порожніми. Це дуже схоже на те, як у хребетних накопичується жир у якості енергетичного запасу. Такі організми виявлено, наприклад, в уранових шахтах Південної Африки. Харчуються вони воднем, і тут його достатньо, тому що рівень радіації настільки високий, що вода дисоціюється на кисень та водень. Генетичних аналогів на Землі в цих організмів не виявлено. Де ці бактерії сформувалися? Де їхні батьки? Пошук відповідей на ці питання стає для нас справжньою подорожжю у часі — до витоків живого на Землі.
