Начиная со своего первоначального скромного зарождения, жизнь наполнила всю планету бесконечными прекрасными формами. Генезис жизни – самое древнее биологическое событие, настолько древнее, что не осталось никаких явных доказательств, кроме существования самой жизни. Это оставляет открытыми многие вопросы, и один из самых манящих – сколько раз жизнь волшебным образом возникала из неживых элементов.
Развивалась ли вся жизнь на Земле только один раз от одного предка, или же разные живые существа созданы из разных тканей? Вопрос о том, насколько сложно зародиться жизни, интересен не в последнюю очередь потому, что он может пролить свет на вероятность обнаружения жизни на других планетах.
Содержание
Происхождение жизни – центральный вопрос современной биологии и, вероятно, самый трудный для изучения. Это событие произошло четыре миллиарда лет назад, и произошло оно на молекулярном уровне, то есть ископаемых свидетельств практически не осталось.
Учеными за долгие годы было предложено множество вариантов начала всего живого – от неаппетитных первобытных супов до космического пространства. Но современный научный консенсус заключается в том, что жизнь возникла из неживых молекул в ходе естественного процесса, называемого абиогенезом, скорее всего, в темноте глубоководных гидротермальных источников. Но если жизнь возникла однажды, то почему это могло быть только один раз?
Что такое абиогенез?
Ученые предложили различные последовательные этапы абиогенеза. Мы знаем, что Земля была богата химическими веществами, такими как аминокислоты, тип молекул, называемых нуклеотидами или сахарами, которые являются строительными блоками жизни. Культовый эксперимент Миллера-Урея, показал, как эти соединения могут образовываться естественным путем в условиях, похожих на раннюю Землю. Некоторые из этих соединений также могли попасть на Землю на метеоритах.
Затем эти простые молекулы объединились в более сложные – жиры, белки или нуклеиновые кислоты. Важно отметить, что нуклеиновые кислоты – такие как двухцепочечная ДНК или ее одноцепочечная родственница РНК – могут хранить информацию, необходимую для создания других молекул. ДНК более стабильна, чем РНК, но в отличие от нее РНК может участвовать в химических реакциях, в ходе которых соединение создает копии самого себя – самовоспроизведение или саморепликация.
Гипотеза “мира РНК” предполагает, что ранняя жизнь могла использовать РНК в качестве материала для генов и репликации до появления ДНК и белков.
Как только информационная система сможет создавать копии самой себя, включается естественный отбор. Некоторые из новых копий этих молекул (которые некоторые называют “генами”) будут содержать ошибки, или мутации, и некоторые из этих новых мутаций улучшат способность молекул к репликации. Поэтому со временем копий этих мутантов будет больше, чем других молекул, некоторые из которых будут накапливать новые мутации, делая их еще более быстрыми и многочисленными, и так далее.
В конце концов, эти молекулы, вероятно, эволюционировали в липидную (жировую) границу, отделяющую внутреннюю среду организма от внешней, образовав протоклетки. Протоклетки могли концентрировать и лучше организовывать молекулы, необходимые для биохимических реакций, обеспечивая сдерживаемый и эффективный метаболизм.
Жизнь на повторе?
Абиогенез мог происходить не один раз. Земля могла рождать самовоспроизводящиеся молекулы несколько раз, и, возможно, ранняя жизнь на протяжении тысяч или миллионов лет состояла из множества различных самовоспроизводящихся молекул РНК, имеющих независимое происхождение и конкурирующих за одни и те же строительные блоки. Увы, из-за древней и микроскопической природы этого процесса мы, возможно, никогда этого не узнаем.
Многие лабораторные эксперименты успешно воспроизвели различные стадии абиогенеза, доказав, что они могут происходить неоднократно, но у нас нет уверенности в том, что так происходило в прошлом.
Связанный с этим вопрос может быть сопоставлен с тем, зарождается ли новая жизнь в результате абиогенеза в тот момент, когда вы читаете эти строки. Однако это очень маловероятно. Ранняя Земля была стерильна для жизни, а физические и химические условия были совсем другими. Сегодня, если бы где-то на планете были идеальные условия для появления новых самовоспроизводящихся молекул, они были бы быстро уничтожены уже существующей жизнью.
Мы знаем, что все живущие ныне существа происходят от одного общего Последнего Универсального Общего Предка (Last Universal Common Ancestor – LUCA). Если и были другие предки на нашей планете, то они не оставили после себя потомков. Ключевые доказательства подтверждают существование LUCA. Все живое на Земле использует один и тот же генетический код, а именно соответствие между нуклеотидами в ДНК, известными как A, T, C и G, и аминокислотой, которую они кодируют в белках. Например, последовательность из трех нуклеотидов ATG всегда соответствует аминокислоте метионину.
Теоретически, однако, между видами могло быть больше вариантов генетического кода. Но все живое на Земле использует один и тот же код с небольшими изменениями в некоторых линиях. Биохимические пути, например, используемые для метаболизма пищи, также подтверждают существование LUCA; у разных предков могли развиться многие независимые пути, но некоторые (например, используемые для метаболизма сахаров) являются общими для всех живых организмов. Аналогичным образом, сотни одинаковых генов присутствуют у разных живых существ, что можно объяснить только тем, что они унаследованы от единственного прародителя – LUCA.
Интересным подтверждением LUCA является Древо жизни. Независимые анализы, некоторые из которых используют анатомию, метаболизм или генетические последовательности, выявили иерархическую схему родства, которую можно представить в виде дерева. Оно показывает, что мы более родственны шимпанзе, чем любым другим живым организмам на Земле. Шимпанзе и мы более родственны гориллам, а вместе с ними – орангутангам и так далее.
Вы можете выбрать любой случайный организм, от листика салата в вашей тарелке до бактерий в вашем биоактивном йогурте, и, если вы отправитесь в прошлое достаточно далеко, у вас окажется один общий предок. Это не метафора, а научный факт.
Это одна из самых умопомрачительных концепций в науке – дарвиновское единство жизни. Если вы читаете этот текст, то вы здесь благодаря непрерывной цепи репродуктивных событий, уходящих вглубь времен на миллиарды лет. Как бы ни было волнительно думать о том, что жизнь неоднократно возникала на нашей планете или в других местах, еще более волнительно знать, что мы связаны со всеми живыми существами на планете.
Читайте также: Эволюция человечества – общество-улей. Или муравейник