Зарождение жизни на земле: как и откуда, последовательность процессов

Как появилась жизнь на земле: этапы

В современном мире существует несколько научных гипотез о появлении жизни на Земле. Но широкое признание получила только одна из них. Согласно этой теории, наша планета была сформирована и спрессована в форму шара из космической пыли, содержащей все химические элементы.

Этапы появления предков первых живых организмов:

1. Поверхность молодой планеты была раскаленной и разжиженной, а сверху ее заливали непрекращающиеся дожди. Процесс длился миллионы лет, пока поверхность Земли не остыла и не затвердела, образовав земную кору.
2. Когда планета остыла еще больше, вода с нее перестала испаряться, а затем из-за продолжающихся ливней и понижения температуры случился потоп и появился океан.
3. Вода размывала горы и скалы, стекала по ущельям, формировала русла рек.
4. Прошло еще несколько миллионов лет прежде, чем на планете появились местности, не покрытые водой.
5. Менялся баланс воды в атмосфере и на планете. На поверхности Земли влаги было много, а в облаках — мало. Этот фактор открыл доступ к поверхности планеты солнечным лучам. В таких условиях и возникли предки первых живых организмов на Земле, которых принято называть — прокариотами.

Прокариоты — это прототип современных нам бактерий, обладающих следующими свойствами:

• отсутствие ядра;
• анаэробный тип питания;
• дыхание без кислорода (его еще не было на Земле);
• питание органическими соединениями (которые возникали за счет извержения вулканов, разрядов молний и солнечного ультрафиолета);
• возникновение во влажной среде, на дне водоемов;
• наличие защиты в виде тонкой бактериальной пленки.

По мнению большинства ученых, простейшие одноклеточные микроорганизмы произошли от этого вида бактерий.

Ископаемые доказательства зарождения жизни

Археологические раскопки по всему миру подтверждают данную теорию. В Западной Австралии учеными были обнаружены первые ископаемые останки, возраст которых составил 4,1 миллиарда лет. Этими ископаемыми оказались сине-зеленые водоросли или цианобактерии. Они были найдены в горных слоях, возраст которых насчитывает около 3500 миллионов лет.

Этапы развития жизни на земле

Согласно всем известным на сегодня фактам и исследованиям, ученые выделили следующие этапы развития жизни на Земле:

1. Архейская эра.
2. Протерозойская эра.
3. Палеозойская эра.
4. Мезозойская эра.
5. Кайнозойская эра.

Архейская эра

Длилась приблизительно 1000 миллионов лет. Для этого периода характерны напряженная вулканическая деятельность и появление примитивных одноклеточных бактерий.

Протерозойская эра

Длительность протерозойской эры составила 2000 миллионов лет. Это период мощного вулканизма, время бактерий и водорослей.

Палеозойская эра

Эта эра длилась 330 миллионов лет. Она подразделяется на периоды:

1. Кембрийский (длительность — 80 миллионов лет). В это время обширные пространства планеты затоплены морями, происходит расцвет морских беспозвоночных животных.
2. Ордовикский (длительность — 65 миллионов лет). В этот период происходит уменьшение площади морских бассейнов, появляются первые наземные беспозвоночные животные.
3. Силурийский (длительность — 35 миллионов лет). Период характеризуется появлением первых наземных растений.
4. Девонский (длительность — 55 миллионов лет). В это время происходит уменьшение площади морей, на планете царит жаркий климат, появляются первые пустыни, первые земноводные и многочисленные рыбы.
5. Каменноугольный период (длительность — 65 миллионов лет). В этот период широко распространены заболоченные низменности, климат становится влажным и жарким, из древовидных папоротников и хвощей развиваются леса, появляются первые рептилии. Это период расцвета земноводных.
6. Пермский (длительность — 45 миллионов лет). В это время на Земле царит сухой климат, возникают первые голосеменные растения.

Мезозойская эра

Мезозойская эра продолжалась порядка 165 миллионов лет. Внутри нее выделяют несколько периодов:

1. Триасовый (длительность — 50 миллионов лет). В этот период происходит поднятие материков над океанами, появляются обширные пустыни и первые млекопитающие.
2. Юрский (длительность — 53 миллиона лет). В это время образуются современные океаны, климат становится жарким и влажным. Это период расцвета рептилий, господства голосеменных растений, появления примитивных птиц.
3. Меловый (длительность — 66 миллионов лет). Период характеризуется вымиранием гигантских рептилий, развитием птиц и млекопитающих.

Кайнозойская эра

Кайнозойская эра длилась приблизительно 70 миллионов лет. Она делится на 3 периода:

1. Палеогеновый (длительность — 41 миллион лет). Характеризуется широким распространением цветковых растений, многообразием и развитием птиц и млекопитающих.
2. Неогеновый (длительность — 25 миллионов лет). В этот период на Земле господствуют цветковые растения.
3. Антропогеновый период (длительность — 2 миллиона лет). Период характеризуется появлением на планете человекоподобных существ и современного человека.

Теории

Существует несколько теорий, объясняющих происхождение жизни на Земле. Некоторые из них в своих выводах опираются на исследования ученых, другие — нельзя назвать научными. Но каждая из них предлагает интересную версию происхождения и развития всего живого на нашей планете.

Рассмотрим каждую из них подробнее.

Самозарождение жизни

Научная версия о самозарождении живых существ впервые появилась в философских идеях Аристотеля и была одной из главных теорий в Европе в эпоху Средневековья. Сводилась она к тому, что живые организмы более сложной структуры смогли появиться на планете благодаря разложению органических соединений. В качестве примера появления развитых живых организмов из неживой материи Аристотель приводил появление личинок мух в гниющем мясе.

В XIX веке французский микробиолог Луи Пастер доказал ее несостоятельность, наглядно показав в ходе своих экспериментов, что для появления личинок мух в мясе все-таки нужны мухи-родители.

Стационарное состояние

Сторонники версии стационарного состояния или теории этернизма считают, что наша планета существовала всегда и на ней все это время были живые организмы. Данную гипотезу в 1880 году выдвинул немецкий врач Тьерри Вильям Прейер.

У адептов этой теории есть свои четкие представления о мире, нашей планете и космосе:

1. Вселенная, как и Земля, существовала всегда (отрицание теории Большого Взрыва).
2. Если планета и склонна к видоизменению, то незначительному. То же касается и живых организмов на ней.
3. У любого вида на планете существуют 2 пути развития: изменение численности или вымирание (отрицание эволюционной теории и теории Чарльза Дарвина о переходе одного вида в другой).

В качестве доказательств истинности этой теории, ее сторонники указывают на недочеты и белые пятна в эволюционных теориях развития живого мира на Земле:

1. В 1939 году у побережья острова Мадагаскар была выловлена латимерия. Этот вид в научном сообществе считался, во-первых, вымершим, во-вторых, переходным видом от рыб к земноводным. Его обнаружение подтвердило идеи сторонников этернизма о стационарном состоянии (вид совершенно не изменился, хотя считался вымершим порядка 60-70 миллионов лет назад). Также эта находка опровергает теории эволюционистов о существовании переходных видов.
2. В 1977 году в Колорадо обнаружили останки птиц, возраст которых был более древним, чем скелет археоптерикса, который в научном сообществе считался переходным видом от рептилий к птицам. Эта находка дала понять, что никаким переходным видом археоптерикс не был.
3. Теорию стационарного состояния косвенно подтверждают находки живых животных, которые считались давно вымершими: лингулов, туатаров, солендонов и др.

Тем не менее, в научных кругах данную гипотезу считают скорее философским течением, нежели научной теорией, так как она вступает в глубокие противоречия с открытиями, полученными на рубеже XX-XXI веков, прежде всего с астрономическими исследованиями и понятием сингулярности.

Опарина-Холдейна

В 1924 году советский ученый Александр Иванович Опарин в книге «О возникновении жизни» представил общественности свои взгляды на происхождение жизни на планете.

Опарин считал, что поверхность молодой Земли была покрыта горячими океанами, богатыми химическими веществами. Под воздействием ультрафиолета и разрядов молний, на планете были созданы необходимые условия для формирования живых организмов. Зная, что многие органические соединения не растворяются в воде, ученый полагал, что на поверхности океана возникли крошечные «коацерваты» или скопления белков, способные притягивать к себе молекулы других веществ: жира и воды. Рассматривая коацерваты в микроскоп, Опарин заметил их сходство с живыми клетками: они способны расти, менять форму и делиться на две части, взаимодействовать с другими соединениями. Ученый посчитал, что коацерваты могли быть предками современных клеток.

В 1929 году биолог из Англии Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн опубликовал схожую теорию в научном издании «Rationalist Annual».

Версия о том, что жизнь на планете появилась в «бульоне» из органических соединений, получила название гипотезы Опарина-Холдейна. Долгое время она была только теорией, без экспериментальных доказательств.

Но в 1952 году ученый и обладатель Нобелевской премии по химии Гарольд Юри совместно со своим студентом Стэнли Миллером провели знаменитый эксперимент в поддержку идеи Опарина-Холдейна. Опыт был несложным: между собой были соединены стеклянные колбы, по которым циркулировали вещества, существовавшие на ранней Земле по предположению ученых: кипящая вода, аммиак, водород и метан (кислорода на этой стадии развития на планете не было). Газы в колбах были подвергнуты систематическим искровым разрядам, которые имитировали удары молний, распространенного явления в период раннего развития Земли. В ходе опыта раствор поменял свой цвет, что стало признаком формирования в нем новых химических соединений. Анализ раствора показал, наличие в нем глицина и аланина — двух аминокислот, которые принимают активное участие в формировании белков и контролируют многие процессы в живом организме.

В 1953 году престижный журнал «Science» опубликовал результаты опыта, который принято называть «Экспериментом Миллера-Юри».

Зарождение в горячей воде

В 1970-х годах советский ученый Лев Михайлович Мухин предположил, что жизнь на планете могла возникнуть поблизости от подводных вулканов. Впоследствии ученые развивали эту версию и пришли к выводу, что наиболее вероятным было зарождение жизни в минеральной воде и гейзерах. Ими было доказано, что минеральная вода и насыщенные солями горячие гейзеры успешно поддерживают простейшие формы жизни.

В 2005 году академик Юрий Викторович Наточин предположил, что первые протоклетки возникли не в океане, а в теплом водоеме с преобладанием ионов калия. В то время, как в морской воде доминируют ионы натрия.

В 2009 году Михаил Гальперин и Армен Мулкиджанян провели анализ элементов, содержащихся в клетке и пришли к тем же выводам.

В 2011 году японец Тадаси Сугавара воспроизвел живую клетку в горячей минерализованной воде. Также учеными было доказано, что примитивные образования бактерий — строматолиты — образуются и в наши дни в естественной среде в гейзерах Гренландии и Исландии.

В 2011 году исследования такого минерала как серпентин доказали возможность появления жизни в грязевых вулканах.

Группа ученых во главе с Евгением Куниным провела анализ химического состава цитоплазмы в клетке современных живых организмов и сравнила их с набором микроэлементов, содержащихся в современном океане и геотермальных озерах. По результатам исследования выяснилось, что вулканические озера создают оптимальные условия для появления в них жизни.

Современные научные гипотезы

Современные научные гипотезы о происхождении жизни на планете базируются, как правило, на научных открытиях и явлениях, доказанных многочисленными экспериментами.

Химическая эволюция

Благодаря многочисленным опытам и экспериментам, ученым стало ясно, что зарождение жизни на Земле стало возможно благодаря химической эволюции. Процесс возник на неживой планете, когда из неорганических молекул под воздействием энергетических и селекционных факторов появились органические вещества.

Согласно данной версии, сначала на планете появились углеродсодержащие молекулы, затем выделился углерод, который имел огромное значение как для возникновения, так и для дальнейшего развития живых организмов. В основе теории химической эволюции лежат уникальные свойства, которые возникают при взаимодействии углерода с водородом. Ученые считают, что этих условий было достаточно, чтобы на планете появились первые живые микроорганизмы.

Сторонники теории не могут точно сказать, в какой именно период случилась химическая эволюция, называя лишь примерные рамки: от 0,5 – 1,5 миллиардов лет после Большого Взрыва.

Точно так же адепты теории не могут определить точное место зарождения жизни, считая, что при наличии благоприятных условий она могла зародиться где угодно: в недрах планеты, на глубине или поверхности океанов.

Генобиоз и голобиоз

Генобиоз и голобиоз относятся к теории биохимической эволюции.

Изучая вопрос о появлении жизни на планете, ученые пришли к выводу, что на каком-то этапе развития в обязательном порядке должны были появиться нуклеиновые кислоты (основа генетического кода) и белки-ферменты. Причем, одновременно, так как белки необходимы для саморепродукции нуклеиновых кислот, а а нуклеиновые кислоты нужны для синтеза белков. Но глубокие различия в строении белков и нуклеиновых молекул говорят о невозможности их одновременного возникновения и сосуществования в тот период времени.

Поэтому в ХХ веке развернулась научная дискуссия о том, что возникло раньше — белки или нуклеиновые кислоты, появились понятия генобиоза и голобиоза.

До 1980-х годов две эти теории противостояли друг другу, затем теория генобиоза стала более популярной, благодаря открытиям функций и роли рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Мир РНК как предшественник жизни

Гипотеза «мира РНК», которая появилась в конце 1960-х и окончательно сформировалась к 1986 году, как раз и позволила утвердиться версии генобиоза в научном сообществе.

Споря о том, что появилось раньше: белки или структуры, несущие генетический код — ученые под этими структурами подразумевали молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) или рибонуклеиновой кислоты (РНК). Однако научных данных для того, чтобы определить, какая из них была первичной, не было.

Но в конце 80-х годов были открыты свойства молекулы РНК, которые позволили ученым говорить о ее первичности:

1. На Земле нет организмов, в которых бы не присутствовала РНК, при том, что молекула ДНК отсутствует в вирусах.
2. РНК может осуществлять перенос генетической информации к ДНК при участии специального фермента, открытого в 1970 году. До этого времени считали, что перенос генетической информации возможен только от ДНК к РНК.
3. Молекула РНК обладает способностью к саморепродукции без помощи белковых ферментов.

Таким образом, ученые установили, что процесс химической эволюции двигался от РНК к белкам. А значительно позже, благодаря естественному отбору и генетическим преобразованиям, возникла молекула ДНК и современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной от внешней среды.

Полиароматические углеводороды как предшественники «мира РНК»

С помощью гипотезы о «мире полиароматических углеводородов» ученые пытаются ответить на вопрос, каким именно образом возникли первые РНК, рассматривая возможный вариант химической эволюции от полиароматических углеводородов до РНК-подобных цепочек.

Свойства полиароматических углеводородов объясняют, как для образования первичной РНК на нужном расстоянии в 0,34 нм могли оказаться нуклеотиды в одной цепочке. Свойства кольцевых молекул полициклических ароматических углеводородоров как раз обладают эффектом самопроизвольно собираться в цепочки на расстоянии 0,34 нм друг от друга и присоединять к себе нуклеодиды за их азотистое основание.

Эта версия хотя и является высоко вероятной, но не имеет экспериментальных доказательств. Косвенно на ее достоверность указывает расстояние в 0,34 нм, характерное как для РНК, так и для полиароматических углеводородов. Еще одним аргументом в пользу этой версии выступает широкое распространение полиароматических углеводородов во Вселенной.

«Заражение» Земли из космоса — альтернативная концепция

Несмотря на явные успехи науки в разгадке происхождения жизни на нашей планете, большой популярностью пользуется альтернативная концепция — теория панспермии.

Сторонники гипотезы панспермии считают, что в космическом пространстве присутствуют особые формы жизни, которые способны сохраняться в вакууме, при воздействии радиации и низкой температуре. Эти микроорганизмы получили название экстремофилов. Они находятся в каменистых обломках и космической пыли и могут долго перемещаться по Галактике до тех пор, пока не попадут на планету. Это происходит за счет метеоритов, комет и астероидов. Если в их «новом доме» сложатся благоприятные условия, космические организмы запускают процесс эволюции.

Адептами этой версии стали немецкий ученый Герман Гельмгольц, английский лорд и ученый-физик Кельвин, шведский химик Сванте Аррениус, российский мыслитель Владимир Вернадский.

В настоящее время на кометах и астероидах, в газопылевых скоплениях в космосе обнаружены различные органические соединения, которые не позволяют вычеркнуть эту теорию из списка вероятных.