Вопрос о том, как появилась жизнь на Земле, является одним из самых глубоких в науке, и, хотя существует множество теорий, ученые до сих пор не могут прийти к единому ответу. Это продолжает оставаться темой для дискуссий, поскольку осознание происхождения жизни поможет нам лучше понять свое место во Вселенной, а также направит наши поиски внеземной жизни. Существует множество гипотез и теорий возникновения жизни на Земле, и ниже мы рассмотрим некоторые из наиболее популярных.
Первой идеей, привлекшей внимание ученых, был «первичный бульон»: представление о том, что когда Земля была молодой, океаны были заполнены простыми химическими веществами, способствующими возникновению жизни, и которые самостоятельно образовали простые живые клетки. Эта гипотеза была предложена в 1920-х годах двумя независимыми исследователями: Александром Опариным из СССР и британским генетиком Дж. Б. С. Холдейном.
Теория первичного бульона получила широкую поддержку в 1953 году, когда молодой американский аспирант по имени Стэнли Миллер под руководством лауреата Нобелевской премии Гарольда Юри провел знаменитый эксперимент. Миллер смешал четыре простых химиката в стеклянных трубках, которые нагревали и поражали электрическими искрами, имитирующими молнию. В ходе эксперимента было создано несколько аминокислот, строительных блоков белков. Эксперимент Миллера-Юри показал, что органические молекулы способны образовываться естественным образом.
Однако создание жизни с нуля оказалось намного сложнее, чем предполагал эксперимент Миллера. На протяжении десятилетий было предложено несколько конкурирующих гипотез, и сегодня эта область сильно поляризована. Ученые расходятся во мнениях относительно того, какие химические компоненты жизни появились первыми, какие жизненные процессы возникли первыми и где на Земле впервые возникла жизнь.
Под вопросом даже время возникновения жизни. Мы лишь знаем, что это произошло после того, как Земля сформировалась 4,5 миллиарда лет назад, и до 3,5 миллиарда лет назад – время самых старых ископаймых свидетельств жизни. Многие палеонтологи пытались сузить горизонт, выявляя более древние следы жизни, но их находки оспариваются.
Что касается местоположения, многие по-прежнему предпочитают море, но не обязательно открытое: некоторые исследователи считают, что жизнь зародилась в щелочных гидротермальных источниках на морском дне. Другие считают, что жизнь появилась в водоемах на суше, возможно, в геотермальных бассейнах, подобных тем, что в Йеллоустоне. Было предложено много других мест, например, лед. Меньшая часть ученых пологает, что жизнь возникла где-то во Вселенной и была перенесена на Землю. Эта гипотеза известна как «панспермия». Тем не менее, большинство исследователей считают ее маловероятной.
Процесс, создавший жизнь
Самый острый вопрос — это механизм, с помощью которого зародилась жизнь. Какие из многих процессов, происходящих в живых организмах, возникли первыми?
Одна из первых идей, популяризированных биохимиком Сидни Фоксом после эксперимента Миллера-Юри, заключалась в том, что аминокислоты собираются в простые белки. В современных организмах белки выполняют огромный спектр функций, в том числе действуют как ферменты, ускоряющие основные химические реакции. Однако эта гипотеза о белках в значительной степени утратила популярность.
Гораздо более популярным является представление о том, что жизнь началась с РНК, близкой родственницы ДНК (Гипотеза мира РНК). РНК может нести гены и копировать себя так же, как ДНК, но она также может сворачиваться и действовать как фермент. Идея заключается в том, что организмы, основанные исключительно на РНК, возникли первыми, и только позже развились ДНК и белок.
Гипотеза Мир РНК накопила множество подтверждений, но неясно, достаточно ли одной РНК. В последние годы некоторые исследователи предположили, что РНК раскрывает свой потенциал только в сочетании с белками — и для возникновения жизни нужны оба компонента.
Еще одна мысль заключается в том, что первые организмы были простыми каплями или пузырями. Эти «протоклетки» напоминали современные клетки в одном ключевом свойстве: они действовали как контейнеры для всех других компонентов жизни. Более совершенные протоклетки, разработанные лауреатом Нобелевской премии биологом Джеком Шостаком, также содержат самовоспроизводящуюся РНК.
Последняя гипотеза состоит в том, что жизнь началась с серии химических реакций, которые извлекали энергию из окружающей среды и использовали ее для создания молекул жизни. Идея была выдвинута в конце 1980-х годов немецким химиком Гюнтером Вехтерсхойзер. Вехтерсхойзер предполагает, что ранняя жизнь могла возникнуть на поверхности минералов сульфида железа, отсюда и название «Гипотеза мира сульфидов железа». Однако в наши дни эта идея была вытеснена предположением Майкла Рассела о том, что первая жизнь питалась токами электрически заряженных протонов в щелочных гидротермальных источниках на морском дне.
Критика абиогенеза и панспермии
Хотя эксперименты, проведенные Стэнли Миллером и другими учеными, основывашимися на его работах, показывают, что жизнь могла возникнуть из первичного бульона, эта возможность остается теоретической. Нет никаких свидетельств доклеточной жизни на Земле. Более того, критики гипотезы мира РНК отмечают, что эксперименты, подтверждающие эту концепцию, проводились с биологически созданной РНК. РНК может действовать как матрица для саморепликации и как фермент для выполнения этого процесса, но эти результаты были выполнены в контролируемых лабораторных условиях. Поэтому они лишь частично доказывают, что такие деликатные процессы могли происходить в морях древней Земли.
По подобным причинам гипотеза мира РНК была в значительной степени отвергнута сторонниками абиогенеза в пользу других теорий, таких как одновременное развитие белков и генетических матриц или зарождение жизни вокруг гидротермальных источников, подобных тем, которые в настоящее время населены экстремофилами. Но есть один важный фактор, которую трудно преодолеть любой гипотезе абиогенеза: время. Считается, что основанная на ДНК жизнь возникла на Земле примерно 3,8 миллиарда лет назад, дав доклеточным формам жизни около 1 миллиарда лет для выполнения случайных процессов кодирования полезных белков и сборки из них предшественников клеточной жизни. Критики абиогенеза говорят, что неорганической материи просто не хватает времени, чтобы стать теоретически обоснованной доклеточной жизнью. Согласно одной из оценок, для случайного создания одного полезного белка потребуется около 10450 лет.
Это одно из основных препятствий, которое делает панспермию привлекательной идеей: она не объясняет происхождение жизни, а только ее появление на Земле. Гипотеза панспермии не обязательно противоречит абиогенезу, она просто перемещает источник возникновения жизни в другое место. Тем не менее, до сих пор нет оценок по нескольким важным факторам, которые должны быть соблюдены, чтобы панспермия была правильной. Возможно ли, например, чтобы микробная жизнь выжила в суровых условиях полета в космосе, входа в атмосферу Земли и столкновения с поверхностью нашей планеты?
Некоторые недавние гипотезы предполагают, что жизни не обязательно было выживать. Одни ученые постулируют, что мертвые частицы ДНК могли прибыть на Землю посредством баллистической панспермии и были воспроизведены с помощью запущенного процесса, подобного миру РНК. Другие стремятся исследовать Марс в поисках окаменелостей и сравнить любой генетический материал с тем, что повсеместно встречается на Земле, чтобы определить родство.
Тем не менее, если жизнь на Земле зародилась в другом месте и переместилась на нашу планету, вопрос все еще остается открытым: как произошла жизнь?
