Как е започнал животът на земята. Как наистина се е зародил животът на Земята

Трудно е да се намери човек, който да не се чуди как е възникнал животът на Земята. Има много идеи по този въпрос, от Библията и Дарвин до съвременната теория за еволюцията, която непрекъснато претърпява промени в съответствие с най-новите открития на учените.

Естествено, всеки е чувал за динозаврите, виждал ги е във филми и музеи и малко хора оспорват историческото им съществуване.

Въпреки че до 1842 г. човечеството дори не осъзнава, че костите на гигантски животни, открити на различни места на планетата, принадлежат към един и същи тип, наричайки ги „дракони“ или приписвайки останките на титаните, които са се сражавали в Троянската война. Нужно е прозрението на учените, които сравняват данните и дават името на странните останки: динозаври. И днес знаем много добре как са изглеждали тези гигантски гущери, изчезнали преди милиони години, много от видовете им са описани и всяко дете знае кои са те.

Фактът, че тези гигантски влечуги са се появили на Земята преди 225-250 милиона години и са напълно изчезнали приблизително 66 милиона години преди нашата хронология, не шокира мнозинството от обикновените хора, които не се интересуват от подробностите на науката. Естествено, помним и свързаните с динозаврите крокодили, които проследяват произхода си като вид преди 83 милиона години и са успели да оцелеят от незапомнени времена. Но всички тези числа рядко се свързват в съзнанието ни в скала.

На колко години е човечеството?

Малко хора знаят възрастта на съвременния вид Хомо сапиенс, което означава хомо сапиенс, който учените оценяват само на 200 хиляди години. Тоест възрастта на човечеството като вид е 1250 пъти по-малка от възрастта на класа влечуги, към който принадлежат динозаврите.

Необходимо е да поставим тези данни в съзнанието и да ги организираме, ако искаме да разберем как първоначално се е появил животът на нашата планета. И откъде идват самите хора, които се опитват да разберат този живот днес?

Днес секретни материали на учените станаха достъпни за обществеността. Шокиращата история на експерименти през последните години, които пренаписаха теорията за еволюцията и хвърлиха светлина върху това как се е зародил животът на нашата планета, взриви десетилетия установена догма. Тайните на генетиката, обикновено достъпни само за тесен кръг от „посветени“, дадоха ясен отговор на предположението на Дарвин.

Видът Хомо Сапиенс (разумен човек) е само на 200 хиляди години. А нашата планета е 4,5 милиарда!

Секретни материали

Само преди няколко века подобни идеи можеха да означават екзекуция на клада. Джордано Бруно е изгорен за ерес преди малко повече от 400 години, през февруари 1600 г. Но днес подземните изследвания на смелите пионери станаха обществено достояние.

Дори преди 50 години бащите поради невежество често отглеждаха децата на други мъже; дори самата майка не винаги знаеше истината. Днес установяването на бащинство е рутинен анализ. Всеки от нас може да си поръча ДНК тест и да разбере кои са неговите предци, чиято кръв тече във вените му. Следата на поколенията е запечатана завинаги в генетичния код.

Именно този код съдържа отговора на най-наболелия въпрос, занимаващ умовете на човечеството: как е започнал животът?

Тайните файлове на учените разкриват историята на търсенето на единствения верен отговор. Това е история за упоритост, постоянство и удивителна креативност, обхващаща най-големите открития на съвременната наука.

В стремежа си да разберат как е започнал животът, хората са се заели да изследват най-отдалечените кътчета на планетата. В хода на това търсене някои учени бяха етикетирани като "чудовища" за своите експерименти, докато други трябваше да ги провеждат под строгия контрол на тоталитарен режим.

Как е започнал животът на Земята?

Това е може би най-трудният от всички съществуващи въпроси. В продължение на хиляди години огромното мнозинство от хората обясняват това с една теза - „животът е създаден от боговете“. Други обяснения бяха просто немислими. Но с времето ситуацията се промени. През целия минал век учените се опитват да разберат как точно се е зародил първият живот на планетата, пише Майкъл Маршал за BBC.

Повечето съвременни учени, изучаващи произхода на живота, са уверени, че се движат в правилната посока - и провежданите експерименти само засилват тяхната увереност. Откритията на Нютон от генетиката пренаписват книгата на знанието от първата до последната страница.

• Неотдавна учените откриха най-стария прародител на човека, живял на планетата преди около 540 милиона години. Изследователите смятат, че от тази „чанта за зъби“ са произлезли всички гръбначни животни. Размерът на общия предшественик е бил само милиметър.
• Съвременните изследователи дори успяха да създадат първия полусинтетичен организъм с фундаментални промени в ДНК. Вече сме много близо до синтеза на нови протеини, тоест напълно изкуствен живот. Само за няколко века човечеството успя да овладее създаването на нов тип живи организми.
• Не само създаваме нови организми, но и редактираме уверено съществуващите. Учените дори са създали „софтуер“, който им позволява да редактират ДНК верига с помощта на клетъчни инструменти. Между другото, само 1% от ДНК носи генетична информация, смятат изследователите. За какво са необходими останалите 99%?
• ДНК е толкова гъвкава, че може да съхранява информация като твърд диск. Те вече са записали филм върху ДНК и са успели да изтеглят информацията обратно без проблеми, точно както са вземали файлове от флопи диск.

Смятате ли се за образован и модерен човек? Тогава просто трябва да знаете това.

Въпреки че откриването на ДНК датира от 1869 г., едва през 1986 г. това знание е използвано за първи път в съдебната медицина.

Ето историята за произхода на живота на Земята

Животът е стар. Динозаврите са може би най-известните от всички изчезнали същества, но те също са се появили само преди 250 милиона години. Първият живот на планетата е възникнал много по-рано.

Най-старите вкаменелости се оценяват на около 3,5 милиарда години. С други думи, те са 14 пъти по-стари от първите динозаври!

Това обаче не е границата. Например през август 2016 г. бяха открити изкопаеми бактерии, които са на 3,7 милиарда години. Това е 15 хиляди пъти по-старо от динозаврите!

Самата Земя не е много по-стара от тези бактерии - нашата планета е окончателно формирана преди около 4,5 милиарда години. Тоест, първият живот на Земята е възникнал доста „бързо“; след около 800 милиона години на планетата са съществували бактерии - живи организми, които според учените са успели да станат по-сложни с течение на времето и са довели първо до прости организми в океана и в крайна сметка -краищата и на самата човешка раса.

Скорошен доклад от Канада потвърждава тези данни: най-старите бактерии се оценяват на възраст между 3770 и 4300 милиарда години. Тоест животът на нашата планета е възможно да е възникнал „около“ 200 милиона години след нейното формиране. Намерените микроорганизми са живели на желязо. Останките им са намерени в кварцови скали.

Ако приемем, че животът се е зародил на Земята - което звучи разумно, като се има предвид, че все още не сме го открили на други космически тела, нито на други планети, нито върху фрагменти от метеорити, донесени от космоса - тогава това трябва да се е случило в този период от време, което обхваща милиарда години между времето, когато планетата най-накрая се е образувала, и датата на откритите днес вкаменелости.

И така, след като стеснихме интересуващия ни период от време, въз основа на най-новите изследвания, можем да предположим какъв точно е бил първият живот на Земята.

Учени пресъздадоха външния вид на праисторическите гиганти, използвайки скелети, открити при разкопки.

Всеки жив организъм е изграден от клетки (и вие също)

Още през 19-ти век биолозите откриват, че всички живи организми са изградени от „клетки“ — малки бучки органична материя с различни форми и размери.

Клетките са открити за първи път през 17-ти век, едновременно с изобретяването на сравнително мощни микроскопи, но само век и половина по-късно учените стигат до общо заключение: клетките са в основата на целия живот на планетата.

Разбира се, на външен вид човек не прилича нито на риба, нито на динозаври, но просто трябва да погледнете в микроскоп, за да се уверите, че хората се състоят от почти същите клетки като представителите на животинския свят. Освен това същите клетки са в основата на растенията и гъбите.

Всички организми са изградени от клетки, включително и вие.

Най-многобройната форма на живот са едноклетъчните бактерии.

Днес най-многобройните форми на живот могат безопасно да се нарекат микроорганизми, всеки от които се състои само от една клетка.

Най-известният вид такъв живот са бактериите, които живеят навсякъде по земното кълбо.

През април 2016 г. учените представиха актуализирана версия на „дървото на живота“: вид родословно дърво за всеки вид жив организъм. По-голямата част от „клоните“ на това дърво са заети от бактерии. Освен това формата на дървото предполага, че прародителят на целия живот на Земята е бактерия. С други думи, цялото разнообразие от живи организми (включително и вас) идва от една единствена бактерия.

Така можем по-точно да подходим към въпроса за произхода на живота. За да се пресъздаде тази първа клетка, е необходимо да се пресъздадат възможно най-точно условията, които са царували на планетата преди повече от 3,5 милиарда години.

И така, колко трудно е?

Едноклетъчните бактерии са най-често срещаната форма на живот на Земята.

Начало на експериментите

В продължение на много векове въпросът „къде е започнал животът?“ почти никога не го е задавал сериозно. В крайна сметка, както вече си спомнихме в самото начало, отговорът беше известен: животът е създаден от Създателя.

До 19-ти век повечето хора са вярвали в "витализма". Тази доктрина се основава на идеята, че всички живи същества са надарени със специална, свръхестествена сила, която ги отличава от неодушевените обекти.

Идеите на витализма често се припокриваха с религиозни постулати. Библията казва, че Бог е използвал „диханието на живота“, за да съживи първите хора и че безсмъртната душа е едно от проявленията на витализма.

Но има един проблем. Идеите на витализма са коренно погрешни.

До началото на 19-ти век учените са открили няколко вещества, които се намират изключително в живите същества. Едно от тези вещества е уреята, съдържаща се в урината, и е получена през 1799 г.

Това откритие обаче не противоречи на концепцията за витализма. Уреята се появява само в живите организми, така че може би те са били надарени със специална жизнена енергия, която ги е направила уникални.

Смъртта на витализма

Но през 1828 г. немският химик Фридрих Вьолер успява да синтезира урея от неорганично съединение, амониев цианат, което няма нищо общо с живите същества. Други учени успяха да повторят неговия експеримент и скоро стана ясно, че всички органични съединения могат да бъдат получени от по-прости - неорганични.

Това бележи края на витализма като научна концепция.

Но за хората беше доста трудно да се отърват от своите вярвания. Фактът, че всъщност няма нищо особено в органичните съединения, които са уникални за живите същества, за мнозина сякаш отнема елемента на магия от живота, превръщайки хората от божествени създания почти в машини. Разбира се, това беше в голямо противоречие с Библията.

Дори някои учени продължиха да се борят за жизненост. През 1913 г. английският биохимик Бенджамин Мур страстно пропагандира своята теория за „биотичната енергия“, която по същество е същият витализъм, но в различна корица. Идеята за витализъм е намерила доста силни корени в човешката душа на емоционално ниво.

Днес неговите отражения могат да бъдат намерени на най-неочаквани места. Вземете, например, редица научнофантастични истории, в които "жизнената енергия" на героя може да бъде възстановена или източена. Помислете за „енергията за регенерация“, използвана от Господарите на времето от „Доктор Кой“. Тази енергия може да бъде възстановена, ако свърши. Въпреки че идеята изглежда футуристична, тя всъщност е отражение на остарели теории.

Така след 1828 г. учените най-накрая имаха убедителни причини да потърсят ново обяснение за произхода на живота, като този път отхвърлиха спекулациите за божествена намеса.

Но те не започнаха да търсят. Изглежда, че темата на изследването се предлага сама, но всъщност мистерията за произхода на живота не се приближава още няколко десетилетия. Може би всички все още бяха твърде привързани към витализма, за да продължат напред.

Химикът Фридрих Вьолер успява да синтезира урея - органично съединение - от неорганични вещества.

Дарвин и теорията на еволюцията

Основният пробив в биологичните изследвания през 19 век е теорията за еволюцията, разработена от Чарлз Дарвин и продължена от други учени.

Теорията на Дарвин, очертана в неговия труд от 1859 г. За произхода на видовете, обяснява как цялото многообразие на животинското царство е възникнало от един-единствен прародител.

Дарвин твърди, че Бог не е създал всеки вид живи същества поотделно, а че всички тези видове произлизат от примитивен организъм, появил се преди милиони години, който също се нарича последният универсален общ прародител.

Идеята се оказва изключително противоречива, отново защото опровергава библейските постулати. Теорията на Дарвин беше яростно критикувана, особено от обидени християни.

Но теорията на еволюцията не каза нито дума за това как се е появил първият организъм.

Как се появи първият живот?

Дарвин разбира, че това е фундаментален въпрос, но (може би не искайки да влиза в нов конфликт с духовенството) го повдига едва в писмо от 1871 г. Емоционалният тон на писмото показва, че ученият е наясно с дълбокото значение на този въпрос:

„...Но ако сега [ах, какво голямо ако!]в някакво топло водно тяло, съдържащо всички необходими амониеви и фосфорни соли и достъпно за светлина, топлина, електричество и т.н., химически е образуван протеин, способен на по-нататъшни все по-сложни трансформации ... "

С други думи: представете си малко водно тяло, пълно с прости органични съединения и разположено под слънцето. Някои от съединенията може да започнат да взаимодействат, създавайки по-сложни вещества, като протеини, които от своя страна също ще взаимодействат и ще се развиват.

Идеята беше доста повърхностна. Но въпреки това тя е в основата на първите хипотези за произхода на живота.

Дарвин не само създава теорията за еволюцията, но и предполага, че животът се заражда в топла вода, наситена с необходимите неорганични съединения.

Революционните идеи на Александър Опарин

И първите стъпки в тази посока бяха направени съвсем не там, където бихте очаквали. Може би си мислите, че подобно изследване, което предполага свобода на мисълта, е трябвало да се проведе в Обединеното кралство или САЩ например. Но всъщност първите хипотези за произхода на живота бяха издигнати в родните простори на сталинисткия СССР от учен, чието име вероятно никога не сте чували.

Известно е, че Сталин закрива много изследвания в областта на генетиката. Вместо това той насърчава идеите на агронома Трофим Лисенко, които според него са по-подходящи за комунистическата идеология. Учените, провеждащи изследвания в областта на генетиката, бяха длъжни публично да подкрепят идеите на Лисенко, в противен случай рискуваха да попаднат в лагери.

Именно в такава напрегната среда биохимикът Александър Иванович Опарин трябваше да проведе своите експерименти. Това стана възможно, защото той се доказа като надежден комунист: той подкрепи идеите на Лисенко и дори получи орден Ленин - най-почетната награда, съществувала по онова време.

Съветският биохимик Александър Опарин предположи, че първите живи организми са се образували като коацервати.

Нова теория за произхода на първия живот на земята

Опарин описва каква е била Земята в първите дни след нейното образуване. Планетата имаше гореща повърхност и привличаше малки метеорити. Наоколо имаше само полуразтопени скали, съдържащи огромен набор от химикали, много от които базирани на въглерод.

В крайна сметка Земята се охлади достатъчно, че изпарението се превърна в течна вода за първи път, като по този начин се създаде първият дъжд. След известно време на планетата се появиха горещи океани, които бяха богати на въглеродни химикали. По-нататъшните събития могат да се развият по два сценария.

Първият предполага взаимодействие на вещества, при което ще се появят по-сложни съединения. Опарин предположи, че захарта и аминокиселините, важни за живите организми, може да са се образували във водния басейн на планетата.

Във втория сценарий някои вещества започнаха да образуват микроскопични структури при взаимодействие. Както знаете, много органични съединения не се разтварят във вода: например маслото образува слой на повърхността на водата. Но някои вещества, когато са в контакт с вода, образуват сферични глобули или „коацервати“ с диаметър до 0,01 cm (или 0,004 инча).

Чрез наблюдение на коацервати под микроскоп може да се забележи тяхната прилика с живите клетки. Те растат, променят формата си и понякога се разделят на две части. Те също взаимодействат с околните съединения, така че други вещества да могат да се концентрират в тях. Опарин предполага, че коацерватите са предците на съвременните клетки.

Теория за първия живот на Джон Холдейн

Пет години по-късно, през 1929 г., английският биолог Джон Бърдън Сандерсън Халдейн независимо излага своя собствена теория с подобни идеи, която е публикувана в списание Rationalist Annual.

Халдейн вече е направил огромен принос за развитието на теорията за еволюцията, допринасяйки за интегрирането на идеите на Дарвин в науката за генетиката.

И беше много запомняща се личност. Веднъж, по време на експеримент в декомпресионна камера, той преживява спукано тъпанче, за което по-късно пише следното: „Тъпанчето вече заздравява и дори да остане дупка в него, тогава въпреки глухотата ще бъде възможно замислено да издуха кръгове тютюнев дим оттам, което смятам за важно постижение."

Подобно на Опарин, Халдейн предложи точно как органичните съединения могат да взаимодействат във водата: „(по-рано) първите океани достигнаха консистенцията на гореща супа.“ Това създава условия за появата на „първите живи или полуживи организми“. При същите условия най-простите организми биха могли да се окажат в „маслен филм“.

Джон Халдейн, независимо от Опарин, излага подобни идеи за произхода на първите организми.

Хипотезата на Опарин-Халдейн

Така първите биолози, изложили тази теория, са Опарин и Халдейн. Но идеята, че образуването на живите организми не включва Бог или дори някаква абстрактна „жизнена сила“, е радикална. Подобно на теорията за еволюцията на Дарвин, тази идея беше шамар за християнството.

Властите на СССР бяха напълно доволни от този факт. По време на съветския режим в страната царува атеизъм и властите с радост подкрепят материалистичните обяснения на такива сложни явления като живота. Между другото, Халдейн също беше атеист и комунист.

„В онези дни тази идея се разглеждаше единствено през призмата на собствените им вярвания: религиозните хора я възприемаха враждебно, за разлика от привържениците на комунистическите идеи“, казва Армен Мулкиджанян, експерт по произхода на живота в университета в Оснабрюк в Германия . „В Съветския съюз тази идея беше приета с радост, защото те не се нуждаеха от Бог. И на Запад го споделяха същите привърженици на леви възгледи, комунисти и т.н.

Концепцията, че животът се формира в "първоначална супа" от органични съединения, се нарича Хипотезата на Опарин-Халдейн. Изглеждаше достатъчно убедително, но имаше един проблем. По това време не е проведен нито един практически експеримент, който да докаже истинността на тази хипотеза.

Подобни експерименти започнаха едва след почти четвърт век.

Първите експерименти за създаване на живот "ин витро"

Харолд Юри, известен учен, който вече е получил Нобелова награда за химия през 1934 г. и дори е участвал в създаването на атомната бомба, се интересува от въпроса за произхода на живота.

По време на Втората световна война Юри участва в проекта Манхатън, събирайки нестабилен уран-235, необходим за ядрото на бомбата. След края на войната Юри се застъпва за граждански контрол върху ядрените технологии.

Юрий се интересува от химическите явления, случващи се в космоса. А най-голям интерес за него представляват процесите, протекли при формирането на Слънчевата система. На една от лекциите си той посочи, че първоначално на Земята най-вероятно не е имало кислород. И тези условия са идеални за формирането на „първоначалната супа“, за която говорят Опарин и Халдейн, тъй като някои от необходимите вещества са толкова слаби, че се разтварят при контакт с кислород.

На лекцията присъства докторант на име Стенли Милър, който се обърна към Юри с предложение да проведе експеримент въз основа на тази идея. Първоначално Юрий беше скептичен към идеята, но по-късно Милър успя да го убеди.

През 1952 г. Милър провежда най-известния експеримент, за да обясни произхода на живота на Земята.

Експериментът на Стенли Милър стана най-известният в историята на изучаването на произхода на живите организми на нашата планета.

Най-известният експеримент за произхода на живота на Земята

Подготовката не отне много време. Милър свързва серия от стъклени колби, през които циркулират четири вещества, за които се смята, че са съществували на ранната Земя: вряща вода, водород, амоняк и метан. Газовете бяха подложени на систематични искрови разряди - това беше симулация на удари от мълния, които бяха често срещано явление на ранната Земя.

Милър установява, че „водата в колбата става забележимо розова след първия ден, а след първата седмица разтворът става мътен и тъмночервен на цвят“. Образуването на нови химични съединения беше очевидно.

Когато Милър анализира състава на разтвора, той открива, че той съдържа две аминокиселини: глицин и аланин. Както знаете, аминокиселините често се описват като градивните елементи на живота. Тези аминокиселини се използват при образуването на протеини, които контролират повечето от биохимичните процеси в нашето тяло. Милър буквално създава от нулата два от най-важните компоненти на живия организъм.

През 1953 г. резултатите от експеримента са публикувани в престижното списание Science. Юри, в благороден жест, макар и нетипичен за учените на неговата епоха, премахна името си от заглавието, оставяйки цялата слава на Милър. Въпреки това изследването обикновено се нарича "Експериментът на Милър-Юри".

Значението на експеримента на Милър-Юри

„Стойността на експеримента Милър-Юри е, че той показва, че дори в проста атмосфера могат да се образуват много биологични молекули“, казва Джон Съдърланд, учен от Лабораторията по молекулярна биология в Кеймбридж.

Не всички подробности от експеримента са точни, както се оказа по-късно. Всъщност изследванията показват, че в ранната земна атмосфера е имало и други газове. Но това по никакъв начин не омаловажава значението на експеримента.

„Това беше забележителен експеримент, който плени въображението на мнозина, поради което все още се споменава днес“, казва Съдърланд.

В светлината на експеримента на Милър много учени започнаха да търсят начини за създаване на прости биологични молекули от нулата. Отговорът на въпроса „Как е възникнал животът на Земята?“ изглеждаше много близо.

Но след това се оказа, че животът е много по-сложен, отколкото човек може да си представи. Живите клетки, както се оказа, не са просто набор от химически съединения, а сложни малки механизми. Изведнъж създаването на живи клетки от нулата се превърна в много по-голям проблем, отколкото учените очакваха.

Изследване на гени и ДНК

В началото на 50-те години на 20-ти век учените вече са се отдалечили далеч от идеята, че животът е дар от боговете.

Вместо това те започнаха да изучават възможността за спонтанно и естествено възникване на живот на ранната Земя - и благодарение на забележителния експеримент на Стенли Милър започнаха да се появяват доказателства за тази идея.

Докато Милър се опитваше да създаде живот от нулата, други учени разбраха от какво са направени гените.

До този момент повечето биологични молекули вече са били проучени. Те включват захари, мазнини, протеини и нуклеинови киселини като "дезоксирибонуклеинова киселина" - известна също като ДНК.

Днес всеки знае, че ДНК съдържа нашите гени, но за биолозите през 50-те години на миналия век това е истински шок.

Протеините имали по-сложна структура, поради което учените смятали, че в тях се съдържа генетичната информация.

Теорията е опровергана през 1952 г. от учени от института Карнеги – Алфред Хърши и Марта Чейс. Те изследвали прости вируси, направени от протеини и ДНК, които се възпроизвеждат чрез заразяване на други бактерии. Учените са установили, че вирусната ДНК, а не протеинът, прониква в бактериите. От това се заключава, че ДНК е генетичен материал.

Откритието на Хърши и Чейс постави началото на надпревара за разбиране на структурата на ДНК и как тя работи.

Марта Чейс и Алфред Хърши откриха, че ДНК носи генетична информация.

Спиралната структура на ДНК е едно от най-важните открития на 20 век.

Първите, които решиха проблема, бяха Франсис Крик и Джеймс Уотсън от университета в Кеймбридж, не без недооценената помощ на техния колега Розалинд Франклин. Това се случи година след експериментите на Хърши и Чейс.

Тяхното откритие се превърна в едно от най-важните през 20 век. Това откритие промени начина, по който търсим произхода на живота, разкривайки невероятно сложната структура на живите клетки.

Уотсън и Крик откриха, че ДНК е двойна спирала (двойна спирала), която прилича на извита стълба. Всеки от двата „полюса“ на тази стълба е изграден от молекули, наречени нуклеотиди.

Тази структура дава представа как клетките копират своята ДНК. С други думи, става ясно как родителите предават копия на своите гени на децата си.

Важно е да се разбере, че двойната спирала може да бъде „разплетена“. Това ще осигури достъп до генетичния код, състоящ се от последователност от генетични бази (A, T, C и G), обикновено съдържащи се в „стъпалата“ на ДНК стълбата. След това всяка нишка се използва като шаблон за създаване на копие на другата.

Този механизъм е позволил гените да се предават през поколения от началото на живота. Вашите собствени гени в крайна сметка идват от древна бактерия - и всеки път, когато са били прехвърлени, са използвали същия механизъм, който са открили Крик и Уотсън.

За първи път една от най-дълбоките тайни на живота беше разкрита пред обществеността.

Структура на ДНК: 2 гръбнака (антипаралелни вериги) и двойки нуклеотиди.

ДНК предизвикателство

Както се оказа, ДНК има само една задача. Вашата ДНК казва на клетките в тялото ви как да произвеждат протеини, молекули, които изпълняват много важни задачи.

Без протеини не бихте могли да смилате храната, сърцето ви ще спре да бие и дишането ви ще спре.

Но пресъздаването на процеса, чрез който се образуват протеини с помощта на ДНК, се оказа изумително трудна задача. Всеки, който се опитваше да обясни произхода на живота, просто не можеше да разбере как нещо толкова сложно може да се появи и развие самостоятелно.

Всеки протеин по същество е дълга верига от аминокиселини, вплетени заедно в определен ред. Този ред определя триизмерната форма на протеина и следователно неговата цел.

Тази информация е кодирана в последователността от ДНК бази. Така че, когато една клетка трябва да създаде специфичен протеин, тя чете съответния ген в ДНК, за да изгради след това определената последователност от аминокиселини.

Какво е РНК?

Има един нюанс в процеса на използване на ДНК от клетките.

• ДНК е най-ценният ресурс на клетката. Следователно клетките предпочитат да не се позовават на ДНК за всяко действие.
• Вместо това клетките копират информация от ДНК в малки молекули на друго вещество, наречено РНК (рибонуклеинова киселина).
• РНК е подобна на ДНК, но има само една верига.

Ако направим аналогия между ДНК и библиотечна книга, тогава РНК тук ще изглежда като страница с резюме на книгата.

Процесът на преобразуване на информация чрез верига от РНК в протеин се завършва от много сложна молекула, наречена рибозома.

Този процес протича във всяка жива клетка, дори и в най-простите бактерии. Той е също толкова важен, колкото храната и дишането за поддържане на живота.

По този начин всяко обяснение на появата на живота трябва да показва как се е появило и започнало да работи сложно трио, което включва ДНК, РНК и рибозоми.

Разлика между ДНК и РНК.

Всичко е много по-сложно

Теориите на Опарин и Халдейн сега изглеждаха наивни и прости, а експериментът на Милър, който създаде няколко аминокиселини, необходими за образуването на протеин, изглеждаше аматьорски. По дългия път към създаването на живот неговите изследвания, макар и продуктивни, очевидно са само първата стъпка.

„ДНК казва на РНК да произвежда протеин, всичко това в запечатана малка торбичка с химикали“, казва Джон Съдърланд. „Гледаш го и се удивляваш колко е трудно. Какво можем да направим, за да намерим органично съединение, което ще направи всичко това наведнъж?“

Може би животът е започнал с РНК?

Първият, който се опита да отговори на този въпрос, беше британски химик на име Лесли Оргел. Той беше един от първите, които видяха модела на ДНК, създаден от Крик и Уотсън, а по-късно помогна на НАСА с програмата Viking, която изпрати спускаеми модули на Марс.

Оргел възнамеряваше да направи нещата по-прости. През 1968 г., с подкрепата на Крик, той предполага, че първите живи клетки не съдържат нито протеини, нито ДНК. Напротив, те се състоят почти изцяло от РНК. В този случай първичните РНК молекули трябва да са универсални. Например, те трябваше да направят копия на себе си, вероятно използвайки същия механизъм за сдвояване като ДНК.

Идеята, че животът започва с РНК, оказа невероятно влияние върху всички последващи изследвания. И стана причина за ожесточени дебати в научната общност, които продължават и до днес.

Приемайки, че животът е започнал с РНК и още един елемент, Оргел предполага, че един от най-важните аспекти на живота - способността да се самовъзпроизвежда - се е появил преди останалите. Можем да кажем, че той разсъждава не само върху това как се е появил животът, но говори за самата същност на живота.

Много биолози се съгласиха с идеята на Оргел, че „размножаването е на първо място“. В еволюционната теория на Дарвин способността за размножаване е на преден план: това е единственият начин организмът да „победи“ в тази надпревара - тоест да остави след себе си много деца.

Лесли Оргел изложи идеята, че първите клетки функционират на базата на РНК.

Разделяне на 3 лагера

Но животът има други характеристики, които са също толкова важни.

Най-очевидният от тях е метаболизмът: способността да се абсорбира енергия от околната среда и да се използва за оцеляване.

За много биолози метаболизмът е определящата характеристика на живота, а възпроизводството е на второ място.

И така, от 60-те години на миналия век учените, борещи се с мистерията за произхода на живота, започнаха да се разделят на 2 лагера.

„Първият твърдеше, че метаболизмът предхожда генетиката, вторият беше на противоположното мнение“, обяснява Съдърланд.

Имаше и трета група, която твърдеше, че първо трябва да е имало някакъв вид контейнер за ключовите молекули, който да не им позволи да се разпаднат.

„Разпределението трябва да е на първо място, защото без него клетъчният метаболизъм става безсмислен“, обяснява Съдърланд.

С други думи, произходът на живота трябва да е била клетка, както вече бяха подчертали Опарин и Халдейн десетилетия по-рано, и може би тази клетка трябва да е била покрита с прости мазнини и липиди.

Всяка една от трите идеи е придобила своите привърженици и е оцеляла до днес. Учените понякога забравяха за хладнокръвния професионализъм и сляпо подкрепяха една от трите идеи.

В резултат на това научните конференции по този въпрос често бяха придружени от скандали, а журналистите, отразяващи тези събития, често чуваха неласкави отзиви на учени от един лагер за работата на колегите си от другите два.

Благодарение на Orgel, идеята, че животът е започнал с РНК, приближава обществеността една стъпка по-близо до решението.

И през 80-те години на миналия век се случи зашеметяващо откритие, което всъщност потвърди хипотезата на Оргел.

Какво дойде първо: контейнер, метаболизъм или генетика?

И така, в края на 60-те години на миналия век, в търсене на отговор на мистерията за произхода на живота на планетата, учените бяха разделени на 3 лагера.

1. Първите били убедени, че животът е започнал с образуването на примитивни версии на биологични клетки.
2. Последният смята, че първата и ключова стъпка е метаболитната система.
3. Трети се фокусират върху значението на генетиката и репродукцията.

Този трети лагер се опита да разбере как може да е изглеждал първият репликатор, имайки предвид идеята, че репликаторът трябва да е направен от РНК.

Многото лица на РНК

До 60-те години на миналия век учените имаха достатъчно причини да вярват, че РНК е източникът на целия живот.

Тези причини включват факта, че РНК може да прави неща, които ДНК не може.

Като едноверижна молекула, РНК може да се огъне в различни форми, които твърдата двойноверижна ДНК не може.

РНК, която се сгъваше като оригами, силно приличаше на протеини в поведението си. В крайна сметка протеините са по същество същите дълги вериги, но състоящи се от аминокиселини, а не от нуклеотиди, което им позволява да създават по-сложни структури.

Това е ключът към най-удивителната способност на протеина. Някои протеини могат да ускорят или "катализират" химични реакции. Тези протеини се наричат ​​ензими.

Например, човешките черва съдържат много ензими, които разграждат сложните хранителни молекули на прости (като захарта) - тоест тези, които впоследствие се използват от нашите клетки. Животът без ензими би бил просто невъзможен. Например неотдавнашната смърт на полубрата на корейския лидер на малайзийското летище е причинена от факта, че в тялото му е спрял да функционира ензимът (ензим), чието действие се потиска от нервния реагент VX - като В резултат на това дихателната система е парализирана и човекът умира в рамките на няколко минути. Ензимите са толкова важни за функционирането на нашето тяло.

Лесли Оргел и Франсис Крик излагат друга хипотеза. Ако РНК можеше да се сгъва като протеините, можеше ли да образува и ензими?

Ако това се окаже така, тогава РНК може да бъде оригиналната - и изключително гъвкава - жива молекула, съхраняваща информация (както прави ДНК) и катализираща реакции, което е характерно за някои протеини.

Идеята беше интересна, но през следващите 10 години не бяха намерени доказателства в нейна подкрепа.

РНК ензими

Томас Чек е роден и израснал в Айова. Още като дете неговата страст са били камъните и минералите. И още в гимназията той беше редовен гост на геолозите в местния университет, които му показаха модели на минерални структури. В крайна сметка той става биохимик, фокусирайки се върху изучаването на РНК.

В началото на 80-те години Чек и колегите му от университета в Колорадо Боулдър изучават едноклетъчен организъм, наречен Tetrahymena thermophile. Част от този клетъчен организъм включваше нишки от РНК. Чек забеляза, че понякога един от сегментите на РНК се отделя от другите, сякаш е бил разделен с ножица.

Когато екипът му елиминира всички ензими и други молекули, които биха могли да действат като молекулярни ножици, РНК продължава да изолира сегмента. По същото време е открит първият РНК ензим: малък сегмент от РНК, който може независимо да се отдели от голямата верига, към която е бил прикрепен.

Тъй като два РНК ензима бяха открити относително бързо, учените предположиха, че всъщност може да има много повече. Сега все повече и повече доказателства подкрепят идеята, че животът е започнал с РНК.

Томас Чек открива първия РНК ензим.

свят на РНК

Първият човек, който назова тази концепция, беше Уолтър Гилбърт.

Като физик, внезапно проявяващ интерес към молекулярната биология, Гилбърт е един от първите, които защитават теорията за секвенирането на човешкия геном.

В статия от 1986 г. в списанието Nature Гилбърт предполага, че животът е започнал в така наречения свят на РНК.

Първият етап от еволюцията, според Гилбърт, се състои от „процес, при който молекулите на РНК действат като катализатори, сглобявайки се в супа от нуклеотиди“.

Чрез копиране и поставяне на различни части от РНК в обща верига, молекулите на РНК създават по-полезни вериги от съществуващите. В крайна сметка дойде моментът, когато се научиха да създават протеини и протеинови ензими, които се оказаха много по-полезни от версиите на РНК, до голяма степен ги изместиха и дадоха началото на живота, който виждаме днес.

RNA World е доста елегантен начин за създаване на сложни живи организми от нулата.

В тази концепция няма нужда да се разчита на едновременното образуване на десетки биологични молекули в „първоначалната супа“; една единствена молекула, с която всичко започна, ще бъде достатъчна.

Доказателство

През 2000 г. хипотезата за света на РНК получи солидни доказателства.

Томас Щайц прекарва 30 години в изучаване на структурите на молекулите в живите клетки. През 90-те години той започва основното изследване на живота си: изучава структурата на рибозомата.

Всяка жива клетка съдържа рибозома. Тази голяма молекула чете инструкции от РНК и комбинира аминокиселини, за да създаде протеини. Рибозомите в човешките клетки покриват почти всяка част от тялото.

По това време вече е известно, че рибозомата съдържа РНК. Но през 2000 г. екипът на Steitz представи подробен модел на структурата на рибозомата, в който РНК се появява като каталитично ядро ​​на рибозомата.

Това откритие беше важно, особено като се има предвид колко древна и фундаментално важна се смяташе за рибозомата за живота. Фактът, че такъв важен механизъм се основава на РНК, прави теорията за света на РНК много по-правдоподобна в научните среди. Поддръжниците на концепцията за „РНК свят“ бяха най-щастливи от откритието, а Щайц получи Нобелова награда през 2009 г.

Но след това учените започнаха да се съмняват.

Проблеми на теорията за “РНК света”.

Първоначално имаше два проблема с теорията за света на РНК.

Първо, може ли РНК действително да изпълнява всички жизненоважни функции? И може ли да се е образувал в условията на ранната Земя?

Изминаха 30 години, откакто Гилбърт създаде теорията за света на РНК, но все още нямаме убедителни доказателства, че РНК всъщност е способна на всичко, което теорията описва. Да, това е невероятно функционална молекула, но дали РНК е достатъчна за всички функции, които й се приписват?

Едно несъответствие привлече вниманието ми. Ако животът е започнал с РНК молекула, тогава РНК може да създава свои копия или реплики.

Но нито една от всички известни РНК няма тази способност. За да се създаде точно копие на част от РНК или ДНК, са необходими много ензими и други молекули.

Затова в края на 80-те години група биолози започнаха доста отчаяни изследвания. Те се заели да създадат РНК, която може да се репликира.

Опит за създаване на самовъзпроизвеждаща се РНК

Джак Шостак от медицинското училище в Харвард беше първият от тези изследователи. От ранна детска възраст той беше толкова запален по химията, че дори превърна мазето си в лаборатория. Той пренебрегна безопасността си, което веднъж доведе до експлозия, която притисна стъклена колба към тавана.

В началото на 80-те години Шостак ясно демонстрира как човешките гени се предпазват от процеса на стареене. Това ранно изследване по-късно ще го доведе до носител на Нобелова награда.

Но скоро той се заинтересува от изследванията на Чек върху РНК ензимите. „Мисля, че това е невероятна работа“, казва Шостак. „По принцип е много вероятно РНК да служи като катализатор за създаване на копия на себе си.“

През 1988 г. Чек открива РНК ензим, способен да образува малка РНК молекула с дължина 10 нуклеотида.

Шостак решава да отиде по-далеч и да създаде нови РНК ензими в лабораторията. Неговият екип създаде набор от произволни последователности и тества всяка от тях, за да намери поне една, която има каталитични способности. След това последователностите бяха променени и тестът продължи.

След 10 опита Шостак успява да създаде РНК ензим, който като катализатор ускорява реакцията 7 милиона пъти по-бързо, отколкото се случва в естествената среда.

Екипът на Шостак е доказал, че РНК ензимите могат да бъдат изключително мощни. Но техният ензим не можеше да създаде свои собствени реплики. Това беше задънена улица за Шостак.

Ензим R18

През 2001 г. следващият пробив е направен от бившия студент на Шостак, Дейвид Бартел от Масачузетския технологичен институт в Кеймбридж.

Бартел създаде РНК ензим, наречен R18, който може да добави нови нуклеотиди към РНК верига на базата на съществуващи.

С други думи, ензимът не просто добавя произволни нуклеотиди, но копира точно последователността.

Самовъзпроизвеждащите се молекули все още бяха далече, но посоката беше правилна.

Ензимът R18 се състои от верига, която включва 189 нуклеотида и може да добави още 11 към нея - тоест 6% от дължината си. Изследователите се надяват, че след още няколко експеримента тези 6% могат да бъдат превърнати в 100%.

Най-успешен в тази област е Филип Холигер от Лабораторията по молекулярна биология в Кеймбридж. През 2011 г. неговият екип модифицира ензима R18, за да създаде ензима tC19Z, който може да копира последователности от до 95 нуклеотида. Това представлява 48% от дължината му - повече от R18, но очевидно не необходимите 100%.

Джералд Джойс и Трейси Линкълн от изследователския институт Scripps в La Jolla представиха алтернативен подход към въпроса. През 2009 г. те създадоха РНК ензим, който създава своя собствена реплика индиректно.

Техният ензим комбинира две къси части от РНК и създава друг ензим. Това от своя страна комбинира две други части от РНК, за да пресъздаде оригиналния ензим.

Като се имат предвид изходните материали, този прост цикъл може да продължи безкрайно дълго. Но ензимите работят правилно само ако са налице правилните нишки на РНК, както са създадени от Джойс и Линкълн.

За много учени, които са скептични относно идеята за света на РНК, липсата на саморепликация на РНК е основната причина за скептицизма. РНК просто не може да се справи с ролята на създател на целия живот.

Неуспехите на химиците да създадат РНК от нулата не добавят оптимизъм. И въпреки че РНК е много по-проста молекула от ДНК, създаването й се оказа невероятно предизвикателство.

Първите клетки най-вероятно се възпроизвеждат чрез делене.

Проблемът е захарта

Всичко е свързано със захарта, присъстваща във всеки нуклеотид и основата на нуклеотида. Възможно е да ги създадете отделно, но не е възможно да ги свържете заедно.

В началото на 90-те години този проблем вече беше очевиден. Тя убеди много биолози, че хипотезата за "РНК света", колкото и привлекателна да изглежда, все още остава само хипотеза.

• Може би на ранната Земя първоначално е съществувала различна молекула: по-проста от РНК, която е успяла да се сглоби от „първоначалната супа“ и по-късно да започне да се възпроизвежда.
• Може би тази конкретна молекула е първата, а след нея се появяват РНК, ДНК и други.

Полиамидна нуклеинова киселина (PNA)

През 1991 г. Питър Нилсен от университета в Копенхаген в Дания изглежда е намерил подходящ кандидат за ролята на главния репликатор.

Всъщност това беше значително подобрена версия на ДНК. Nielsen запази основата същата - стандартните A, T, C и G - но вместо захарни молекули той използва молекули, наречени полиамиди.

Той нарече получената молекула полиамидна нуклеинова киселина или PNA. С течение на времето обаче декодирането на съкращението по някаква причина се превърна в „пептидна нуклеинова киселина“.

PNA не се среща в природата. Но поведението му е много подобно на това на ДНК. PNA верига може дори да замени верига в ДНК молекула и базите се сдвояват както обикновено. Освен това PNA може да се усуче в двойна спирала, като ДНК.

Стенли Милър беше заинтригуван. Тъй като е дълбоко скептичен към концепцията за „РНК света“, той вярва, че PNA е по-подходяща за ролята на първия генетичен материал.

През 2000 г. той подкрепя мнението си с доказателства. По това време той вече беше на 70 години и имаше няколко инсулта, след които можеше да се озове в старчески дом, но нямаше да се откаже.

Милър повтори своя класически експеримент, описан по-рано, този път използвайки метан, азот, амоняк и вода, и в крайна сметка получи полиамидната основа на PNA.

От това следва, че на ранната Земя може да е имало условия за появата на PNA, за разлика от RNA.

PNA се държи като ДНК.

Нуклеинова киселина Throse (TNA)

Междувременно други химици създадоха свои собствени нуклеинови киселини.

През 2000 г. Алберт Ешенмозер създава треозната нуклеинова киселина (TNA).

По същество беше същата ДНК, но с различен тип захар в основата. Веригите TNK могат да образуват двойна спирала и информацията може да се прехвърля от РНК към TNK и обратно.

Освен това TNC може да образува сложни форми, включително формата на протеин. Това намекна, че TNA може да действа като ензим, точно като РНК.

Гликолова нуклеинова киселина (GNA)

През 2005 г. Ерик Мегерс създаде гликолова нуклеинова киселина, която също може да образува спирала.

Всяка от тези нуклеинови киселини имаше своите поддръжници: обикновено създателите на самите киселини.

Но в природата не е останала и следа от такива нуклеинови киселини, така че дори да приемем, че първият живот ги е използвал, то на някакъв етап е трябвало да ги изостави в полза на РНК и ДНК.

Звучи правдоподобно, но не е подкрепено с доказателства.

Беше добра концепция, но...

Така до средата на първото десетилетие на 21 век привържениците на концепцията за света на РНК се оказаха в трудна позиция.

От една страна, РНК ензимите съществуват в природата и включват един от най-важните фрагменти на биологичните механизми - рибозомата. Не е лошо.

Но, от друга страна, в природата не е открита самовъзпроизвеждаща се РНК и никой не е успял да обясни как точно се е образувала РНК в „първоначалната супа“. Последното може да се обясни с алтернативни нуклеинови киселини, но те вече (или никога) не са съществували в природата. Това е лошо.

Присъдата за цялата концепция на RNA World беше ясна: концепцията беше добра, но не изчерпателна.

Междувременно от средата на 80-те бавно се развива друга теория. Поддръжниците му твърдят, че животът не е започнал с РНК, ДНК или друга генетична субстанция. Според тях животът е започнал като механизъм за използване на енергия.

Енергията на първо място?

И така, през годините учените, изучаващи произхода на живота, са се разделили на 3 лагера.

Първите са били убедени, че животът е започнал с РНК молекула, но не са успели да разберат как РНК или РНК-подобни молекули са успели спонтанно да се появят на ранната Земя и да започнат да се възпроизвеждат. Първоначално успехите на учените бяха възхитени, но в крайна сметка изследователите стигнаха до задънена улица. Въпреки това, дори когато тези изследвания бяха в разгара си, вече имаше хора, които бяха сигурни, че животът е възникнал по съвсем различен начин.

Теорията за света на РНК се основава на проста идея: най-важната функция на един организъм е способността му да се възпроизвежда. Повечето биолози са съгласни с това. Всички живи същества - от бактерии до сини китове - се стремят да оставят потомство.

Въпреки това, много изследователи по този въпрос не са съгласни, че репродуктивната функция е на първо място. Казват, че преди да започне възпроизводството, организмът трябва да стане самодостатъчен. Той трябва да може да поддържа живота в себе си. В крайна сметка няма да можете да имате деца, ако умрете първи.

Ние поддържаме живота чрез храната, докато растенията абсорбират енергия от слънчевата светлина.

Да, човек, който с удоволствие поглъща сочен котлет, очевидно не прилича на вековен дъб, но всъщност и двамата абсорбират енергия.

Усвояването на енергия е в основата на живота.

Метаболизъм

Когато говорим за енергията на живите същества, имаме работа с метаболизма.

1. Първият етап е получаване на енергия, например от богати на енергия вещества (например захар).
2. Второто е използването на енергия за изграждане на полезни клетки в тялото.

Процесът на използване на енергията е изключително важен и много изследователи смятат, че така е започнал животът.

Но как биха могли да изглеждат организмите само с една метаболитна функция?

Първото и най-влиятелно предложение е направено от Гюнтер Вахтерсхаузер в края на 80-те години. По професия той беше патентен адвокат, но имаше прилични познания по химия.

Вахтерсхаузер предположи, че първите организми са били „поразително различни от всичко, което познаваме“. Те не бяха направени от клетки. Те нямаха ензими, ДНК или РНК.

За по-голяма яснота Вахтерсхаузер описва потока от гореща вода, изтичаща от вулкана. Водата е наситена с вулканични газове като амоняк и съдържа частици от минерали от центъра на вулкана.

На места, където потокът течеше през скалите, започнаха химически реакции. Съдържащите се във водата метали допринесоха за създаването на големи органични съединения от по-прости.

Метаболитен цикъл

Повратната точка е създаването на първия метаболитен цикъл.

По време на този процес едно химическо вещество се превръща в няколко други и така нататък, докато накрая всичко завърши с пресъздаване на първото вещество.

По време на процеса цялата система, участваща в метаболизма, натрупва енергия, която може да се използва за рестартиране на цикъла или за стартиране на някакъв нов процес.

Всичко останало, с което са надарени съвременните организми (ДНК, клетки, мозък), се е появило по-късно и на базата на тези химични цикли.

Метаболитните цикли не са много подобни на живота. Затова Вахтерсхаузер нарече своите изобретения „организми-предшественици“ и написа, че те „едва ли могат да се нарекат живи“.

Но метаболитните цикли, описани от Wachtershauser, винаги са в центъра на всеки жив организъм.

Вашите клетки всъщност са микроскопични фабрики, които постоянно разграждат определени вещества и ги превръщат в други.

Метаболитните цикли, макар и механични, са фундаментално важни за живота.

Вахтерсхаузер посвещава последните две десетилетия на 20-ти век на своята теория, обработвайки я в детайли. Той описа кои минерали биха били по-подходящи от други и какви химични цикли може да са се случили. Разсъждението му започва да печели поддръжници.

Експериментално потвърждение

През 1977 г. екипът на Джак Корлис от Орегонския държавен университет се гмурка на дълбочина от 2,5 километра (1,5 мили) в източната част на Тихия океан. Учените изследвали горещия извор на Галапагос на място, където скални хребети се издигат от дъното. Известно е, че хребетите първоначално са били вулканично активни.

Корлис откри, че хребетите са практически осеяни с горещи извори. Гореща, натоварена с химикали вода се издигаше от морското дъно и изтичаше през дупки в скалите.

Удивително е, че тези „хидротермални отвори“ са гъсто населени от странни същества. Това бяха огромни мекотели от няколко вида, миди и пръстеновидни.

Водата също беше пълна с бактерии. Всички тези организми са живели от енергия от хидротермални източници.

Откриването на хидротермални извори даде на Корлис отлична репутация. Това също го накара да се замисли.

Хидротермалните отвори в океана поддържат организми днес. Може би те са станали неговият основен източник?

Хидротермални отвори

През 1981 г. Джак Корлис предположи, че подобни отвори са съществували на Земята преди 4 милиарда години и около тях е започнал животът. Той посвети цялата си кариера на развитието на тази идея.

Корлис предположи, че хидротермалните отвори могат да създадат смес от химикали. Всеки отдушник, твърди той, е нещо като дозатор на „първичния бульон“.

• Докато горещата вода тече през скалите, топлината и налягането принуждават най-простите органични съединения да се трансформират в по-сложни, като аминокиселини, нуклеотиди и захар.
• По-близо до изхода към океана, където водата вече не беше толкова гореща, те започнаха да образуват вериги, образувайки въглехидрати, протеини и нуклеотиди като ДНК.
• След това, в самия океан, където водата се охлади значително, тези молекули се събраха в прости клетки.

Теорията звучеше разумно и привличаше вниманието.

Но Стенли Милър, чийто експеримент беше обсъден по-рано, не сподели ентусиазма. През 1988 г. той пише, че отворите са твърде горещи, за да поддържат живот.

Теорията на Корлис беше, че екстремната температура може да предизвика образуването на вещества като аминокиселини, но експериментите на Милър показаха, че тя също може да ги унищожи.

Ключови съединения като захарта могат да издържат най-много няколко секунди.

Освен това тези прости молекули едва ли биха могли да образуват вериги, тъй като заобикалящата ги вода би ги разкъсала почти моментално.

Топло, още по-топло...

В този момент в дискусията се включи геологът Майк Ръсел. Той вярваше, че теорията за отдушниците се вписва идеално в спекулациите на Вахтерсхаузер относно организмите-предшественици. Тези мисли го карат да създаде една от най-популярните теории за произхода на живота.

Младостта на Ръсел преминава в създаване на аспирин и изучаване на ценни минерали. И по време на потенциално вулканично изригване през 60-те години на миналия век той успешно координира плана за реагиране без никакъв опит зад гърба си. Но той се интересуваше от изучаването на промените на повърхността на Земята през различните епохи. Възможността да се погледне историята от гледна точка на геолог оформи неговата теория за произхода на живота.

През 80-те години на миналия век той открива вкаменелости, които показват, че в древността е имало хидротермални извори, където температурите не надвишават 150 градуса по Целзий. Тези умерени температури, твърди той, могат да позволят на молекулите да издържат много по-дълго, отколкото смята Милър.

Освен това вкаменелостите от тези по-малко горещи отвори разкриха нещо интересно. Минерал, наречен пирит, състоящ се от желязо и сяра, под формата на тръби с дължина 1 милиметър.

В своята лаборатория Ръсел открива, че пиритът може да образува и сферични капчици. Той предположи, че първите сложни органични молекули са се образували в пиритни структури.

Приблизително по същото време Вахтерсхаузер започва да публикува своите теории, основани на факта, че поток от вода, богат на химикали, взаимодейства с определен минерал. Той дори предполага, че минералът може да е пирит.

2+2=?

Всичко, което Ръсел трябваше да направи, беше да събере 2 и 2.

Той постулира, че организмите-предшественици на Wachtershauser са се образували в топли хидротермални отвори в дълбокото море, където може да са се образували пиритни структури. Ако Ръсел не се заблуждаваше, тогава животът се зароди в морските дълбини и първо се появи метаболизмът.

Всичко това е описано в статия на Ръсел, публикувана през 1993 г., 40 години след класическия експеримент на Милър.

В пресата имаше много по-малко резонанс, но това не омаловажава значението на откритието. Ръсел комбинира две различни идеи (метаболитни цикли на Wachtershauser и хидротермални отвори на Corliss) в една доста завладяваща концепция.

Концепцията стана още по-впечатляваща, когато Ръсел сподели идеите си за това как ранните организми усвояват енергия. С други думи, той обясни как може да работи техният метаболизъм. Неговата идея се основава на работата на един от забравените гении на съвременната наука.

„Нелепите“ експерименти на Мичъл

През 60-те години биохимикът Питър Мичъл е принуден да напусне университета в Единбург поради заболяване.

Той превърна имение в Корнуол в своя лична лаборатория. Откъснат от научната общност, той финансира работата си, като продава млякото на своите домашни крави. Много биохимици, включително Лесли Оргел, чиито изследвания върху РНК бяха обсъдени по-рано, смятат работата на Мичъл за изключително абсурдна.

Почти две десетилетия по-късно Мичъл триумфира, спечелвайки Нобеловата награда за химия през 1978 г. Той така и не стана известен, но идеите му могат да се видят във всеки учебник по биология.

Мичъл посвети живота си на изучаването на това как организмите изразходват енергията, която получават от храната. С други думи, интересуваше се как оставаме живи от секунда на секунда.

Британският биохимик Питър Мичъл получи Нобелова награда за химия за работата си по откриването на механизма на синтеза на АТФ.

Как тялото съхранява енергия

Мичъл знаеше, че всички клетки съхраняват енергия в специфична молекула, наречена аденозин трифосфат (АТФ). Важното е, че аденозинът има верига от три фосфата, свързани с него. Добавянето на третия фосфат отнема много енергия, която по-късно се съхранява в АТФ.

Когато една клетка се нуждае от енергия (например по време на мускулна контракция), тя отрязва третия фосфат от АТФ. Това превръща АТФ в аденозид фосфат (ADP) и освобождава съхранената енергия.

Мичъл искаше да разбере как клетките успяха да създадат АТФ на първо място. Как са концентрирали достатъчно енергия в ADP, за да се присъедини третият фосфат?

Мичъл знаеше, че ензимът, който произвежда АТФ, се намира върху мембраната. Той заключи, че клетката изпомпва заредени частици, наречени протони, през мембраната, така че много протони могат да се видят от едната страна, докато почти никакви не се виждат от другата страна.

След това протоните се опитват да се върнат към мембраната, за да поддържат баланс от всяка страна, но те могат да влязат само в ензима. Потокът от протони, които се движат наоколо, дава на ензима необходимата енергия за създаване на АТФ.

Мичъл за първи път предложи тази идея през 1961 г. През следващите 15 години той защитава теорията си срещу атаки, въпреки неопровержимите доказателства.

Днес е известно, че процесът, описан от Мичъл, е характерен за всяко живо същество на планетата. Това се случва във вашите клетки в момента. Подобно на ДНК, това е основна част от живота, какъвто го познаваме.

Естественото разделяне на протоните е било необходимо за живота

При изграждането на своята теория за живота Ръсел обръща внимание на разделянето на протоните, показано от Мичъл: много протони от едната страна на мембраната и само няколко от другата.

Всички клетки се нуждаят от това споделяне на протони, за да съхраняват енергия.

Съвременните клетки създават това разделение чрез изпомпване на протони от мембраната, но има включена сложна молекулярна механика, която не може да се случи просто за една нощ.

Така че Ръсел направи друго логично заключение: животът се е образувал там, където е имало естествено разделяне на протоните.

Някъде близо до хидротермални извори. Но отдушникът трябва да е от определен тип.

Ранната Земя е имала кисели морета, а киселата вода е просто наситена с протони. За да се отделят протоните, водата в хидротермалните отвори трябва да е бедна на протони: с други думи, трябва да е алкална.

Хидротермалните отвори на Corliss не отговарят на това условие. Бяха не само твърде горещи, но и твърде киселинни.

Но през 2000 г. Дебора Кели от Вашингтонския университет откри първите алкални хидротермални отвори.

Д-р Дебора Кели.

Алкални и хладни хидротермални отвори

Кели успя да стане учен с голяма трудност. Баща й почина, когато тя беше в гимназията и тя трябваше да работи след лекции, за да плати за университета.

Но тя успя и по-късно получи идеята да изучава подводни вулкани и горещи хидротермални извори. Страстта й към изучаването на вулкани и подводни горещи отвори я отвежда до сърцето на Атлантическия океан. Именно тук в дълбините имаше величествена планинска верига, издигаща се от океанското дъно.

На този хребет Кели откри цяла мрежа от хидротермални отвори, които нарече „Изгубеният град“. Не бяха като тези, които Корлис намери.

От тях течеше вода с температура 40-75 градуса по Целзий и с малко алкално съдържание. Карбонатните минерали от такава вода образуват стръмни бели колони, подобни на колони дим и издигащи се от дъното като тръби за органи. Въпреки зловещия си и „призрачен“ вид, тези стълбове всъщност са били дом на колонии от микроорганизми, живеещи в топла вода.

Тези алкални отвори отговарят перфектно на теорията на Ръсел. Беше сигурен, че животът започва в отвори, подобни на тези в Изгубения град.

Но имаше един проблем. Като геолог Ръсел не знаеше достатъчно за биологичните клетки, за да направи теорията си възможно най-убедителна.

Най-изчерпателната теория за произхода на живота на Земята

За да преодолее проблемите на ограничените си познания, Ръсел се обедини с американския биолог Уилям Мартин. Противоречив човек, Мартин прекарва по-голямата част от кариерата си, работейки в Германия.

През 2003 г. те представиха подобрена версия на по-ранната концепция на Russell. И може би тази теория за произхода на живота на Земята може да се нарече най-изчерпателната от всички съществуващи.

Благодарение на Кели те знаеха, че скалите на алкалните отвори са порести: те бяха осеяни с малки дупки, пълни с вода. Учените предполагат, че тези дупки действат като „клетки“. Всеки от тях съдържа важни вещества, като минерали като пирит. Добавете към това естественото делене на протоните, което осигуряват отворите, и получавате идеално място за раждането на метаболизма.

След като животът започна да използва химическата енергия на отворната вода, теоретизираха Ръсел и Мартин, той започна да създава молекули като РНК. В крайна сметка тя създаде своя собствена мембрана, превръщайки се в истинска клетка, и напусна порестата скала, насочвайки се към открити води.

Днес това е една от водещите хипотези за произхода на живота.

Последни открития

Тази теория получи голяма подкрепа през юли 2016 г., когато Мартин публикува изследване, което реконструира някои характеристики на „последния универсален общ предшественик“ (LUCA). Това е конвенционалното наименование на организъм, съществувал преди милиарди години, който е дал началото на цялото разнообразие на съвременния живот.

Може никога да не открием вкаменелости от този организъм, но въз основа на всички налични данни можем да предположим как е изглеждал и какви характеристики е имал чрез изучаване на съвременни микроорганизми.

Точно това направи Мартин. Той изследва ДНК на 1930 съвременни микроорганизми и идентифицира 355 гена, които присъстват в почти всички от тях.

Може да се предположи, че тези 355 гена са били предавани от поколение на поколение, тъй като всички тези 1930 микроба са имали общ предшественик - вероятно от времето, когато PUOP все още е съществувал.

Сред тези гени бяха тези, отговорни за използването на разделянето на протони, но не и тези, отговорни за създаването на това разделяне - точно както в теорията на Ръсел и Мартин.

Освен това изглежда, че PUOP може да се адаптира към вещества като метан, което предполага наличието на вулканично активна среда около него. Тоест хидротермален отвор.

Не толкова просто

Привържениците на идеята за света на РНК обаче откриха два проблема с концепцията на Ръсел-Мартин. Единият все още може потенциално да бъде коригиран, но другият може да означава крах на цялата теория.

Първият проблем е липсата на експериментални доказателства, че описаните от Ръсел и Мартин процеси наистина са се случили.

Да, учените са изградили теория стъпка по стъпка, но нито една стъпка все още не е възпроизведена в лабораторията.

„Привържениците на идеята за първичния външен вид репликацияредовно предоставят резултатите от експериментите“, казва Армен Мулкиджанян, експерт по произхода на живота. „Поддръжници на идеята за първичния външен вид метаболизъмте не правят това."

Но това скоро може да се промени, благодарение на колегата на Мартин, Ник Лейн от Университетския колеж в Лондон. Лейн проектира "реактор за произхода на живота", който ще симулира условията в алкален отвор. Той се надява да пресъздаде метаболитни цикли и може би дори РНК. Но все още е рано да се говори за това.

Вторият проблем е, че вентилационните отвори са разположени дълбоко под водата. Както посочи Милър през 1988 г., молекули с дълга верига като РНК и протеини не могат да се образуват във вода без ензими, които да предотвратят тяхното разграждане.

За много изследователи този аргумент стана решаващ.

„С опит в областта на химията няма да можете да повярвате на теорията за дълбоководните отвори, защото познавате химията и разбирате, че всички тези молекули са несъвместими с водата“, казва Мулкиджанян.

Въпреки това Ръсел и неговите поддръжници не бързат да се откажат от идеите си.

Но през последното десетилетие на преден план излезе трети подход, придружен от поредица от изключително интересни експерименти.

За разлика от теориите за света на РНК и хидротермалните отвори, този подход, ако беше успешен, обещаваше немислимото - създаване на жива клетка от нулата.

Как да създадете клетка?

До началото на 21 век съществуват две водещи концепции за произхода на живота.

1. Поддръжници "РНК свят"твърдят, че животът е започнал със самовъзпроизвеждаща се молекула.
2. Привържениците на теорията за „ първичен метаболизъм"са създали подробна картина за това как животът може да е възникнал в дълбоководни хидротермални отвори.

На преден план обаче излезе трета теория.

Всяко живо същество на Земята се състои от клетки. Всяка клетка по същество е мека топка с твърда стена или „мембрана“.

Задачата на клетката е да съдържа всички жизненоважни елементи вътре. Ако външната стена се спука, вътрешностите ще се разлеят и клетката по същество ще умре - като изкормен човек.

Външната клетъчна стена е толкова важна, че някои учени смятат, че трябва да е на първо място. Те са убедени, че теорията за „първичната генетика“ и теорията за „първичния метаболизъм“ са фундаментално погрешни.

Тяхната алтернатива, „първично разделяне“, черпи основно от работата на Пиер Луиджи Луизи от университета Roma Tre в Рим.

Протоклетъчна теория

Аргументите на Луизи са прости и убедителни. Как можете да си представите метаболитен процес или самовъзпроизвеждаща се РНК, която изисква много вещества на едно място, ако няма контейнер, където молекулите да са безопасни?

Изводът от това е следният: има само един вариант за произхода на живота.

Някак си, сред жегата и бурите на ранната Земя, определени суровини са образували примитивни клетки или „протоклетки“.

За да се докаже тази теория, е необходимо да се проведат експерименти в лабораторията - да се опитаме да създадем проста жива клетка.

Идеите на Луизи се коренят в трудовете на съветския учен Александър Опарин, който беше обсъден по-рано. Опарин подчерта, че някои вещества образуват мехурчета, т.нар коацервати, които могат да задържат други вещества в центъра си.

Луизи предполага, че тези коацервати са първите протоклетки.

Коацерватите може да са били първите протоклетки.

Свят на липидите

Всяко мазно или маслено вещество ще образува мехурчета или филм върху водата. Тази група вещества се нарича липиди, а теорията, че те са породили живота, се нарича „Светът на липидите“.

Но само образуването на мехурчета не е достатъчно. Те трябва да са стабилни, да могат да се делят, за да създават „дъщерни“ мехурчета и да имат поне някакъв контрол върху потока на веществата в и от тях – всичко това без протеините, които са отговорни за тези функции в съвременните клетки.

Това означава, че е било необходимо да се създадат протоклетки от необходимите материали. Точно това прави Луизи в продължение на няколко десетилетия, но никога не създава нищо убедително.

Протоклетка с РНК

Тогава през 1994 г. Луизи направи смело предложение. Според него първите протоклетки трябва да са съдържали РНК. Освен това, тази РНК трябва да може да се възпроизвежда вътре в протоклетката.

Това предположение означаваше отхвърляне на чистото „първично разделяне“, но Луизи имаше основателни причини за това.

Клетка с външна стена, но без гени вътре, беше лишена от много функции. То трябваше да може да се дели на дъщерни клетки, но не можеше да предава информация за себе си на своето потомство. Една клетка може да започне да се развива и да стане по-сложна само ако има поне няколко гена.

Теорията скоро спечели силен поддръжник в Джак Шостак, чиято работа върху хипотезата за света на РНК беше обсъдена по-рано. Дълги години тези учени бяха от противоположните страни на научната общност - Луизи подкрепяше идеята за "първична компартментализация", а Шостак - "първична генетика".

„На конференциите за произхода на живота винаги влизахме в дълги дебати за това кое е по-важно и кое е първо“, спомня си Шостак. „Накрая разбрахме, че клетките се нуждаят и от двете. Стигнахме до заключението, че без компартментализацията и генетичната система, първият живот не би могъл да се формира.

През 2001 г. Szostak и Luisi обединиха усилията си и продължиха своите изследвания. В статия в списанието Nature те твърдят, че за да създадете жива клетка от нулата, трябва да поставите самовъзпроизвеждаща се РНК в обикновена капка мазнина.

Идеята беше смела и скоро Шостак се посвети изцяло на нейното изпълнение. Справедливо преценявайки, че „не можете да опишете теория без практически доказателства“, той решава да започне експерименти с протоклетки.

Везикули

Две години по-късно Шостак и двама колеги обявиха голям научен пробив.

Експериментите са проведени върху везикули: сферични капчици с два слоя мастни киселини отвън и течно ядро ​​вътре.

В опит да ускорят създаването на везикулите, учените добавиха частици от глинен минерал, наречен монтморилонит. Това ускорява образуването на везикули 100 пъти. Повърхността на глината служи като катализатор, като по същество изпълнява задачата на ензим.

Освен това везикулите могат да абсорбират както частици монтморилонит, така и вериги на РНК от повърхността на глината.

Благодарение на простото добавяне на глина, протоклетките в крайна сметка съдържат както гените, така и катализатора.

Решението да се добави монтморилонит не беше без причина. Десетилетия изследвания показват, че монтморилонитът и други глинести минерали са били много важни за произхода на живота.

Монтморилонитът е обикновена глина. В днешно време се използва широко в ежедневието, например като пълнител за котешка тоалетна. Образува се, когато вулканичната пепел се разпада под въздействието на метеорологичните условия. Тъй като на ранната Земя е имало много вулкани, логично е да се предположи, че монтморилонитът е бил в изобилие.

През 1986 г. химикът Джеймс Ферис доказа, че монтморилонитът е катализатор, който насърчава образуването на органични молекули. По-късно той също откри, че този минерал ускорява образуването на малки РНК.

Това накарало Ферис да повярва, че незабележимата глина някога е била място на живот. Szostak подхвана тази идея и използва монтморилонит за създаване на протоклетки.

Образуването на везикули с участието на глина се случи стотици пъти по-бързо.

Развитие и делене на протоклетките

Година по-късно екипът на Шостак откри, че техните протоклетки растат сами.

Тъй като нови РНК молекули бяха добавени към протоклетката, външната стена увисна под нарастващо налягане. Изглеждаше така, сякаш протоклетката е изпълнила корема му и е на път да се пръсне.

За да компенсират налягането, протоклетките избраха най-много мастни киселини и ги вградиха в стената, така че да могат да продължат безопасно да набъбват до големи размери.

Но важното е, че мастните киселини са взети от други протоклетки с по-малко РНК, поради което те започват да се свиват. Това означава, че протоклетките се състезават и тези, които съдържат най-много РНК, печелят.

Това доведе до впечатляващи заключения. Ако протоклетките можеха да растат, биха ли могли да се делят? Ще успее ли Шостак да принуди протоклетките да се възпроизвеждат сами?

Първите експерименти на Шостак показаха един от начините, по които протоклетките се делят. Когато протоклетките бяха избутани през малки дупки, те бяха компресирани във формата на тръби, които след това се разделиха на „дъщерни“ протоклетки.

Това беше страхотно, защото в процеса не бяха включени клетъчни механизми, а само обикновен механичен натиск.

Но имаше и недостатъци, тъй като по време на експеримента протоклетките загубиха част от съдържанието си. Оказа се също, че първите клетки могат да се делят само под натиска на външни сили, които биха ги избутали през тесни дупки.

Има много начини да принудите везикулите да се разделят: например добавяне на силен поток вода. Но беше необходимо да се намери начин, по който протоклетките да се делят, без да загубят съдържанието си.

Принцип на лука

През 2009 г. Шостак и неговият ученик Тинг Жу намират решение. Те създадоха малко по-сложни протоклетки с множество стени, малко като слоевете на лук. Въпреки привидната им сложност, създаването на такива протоклетки беше доста просто.

Докато Джу ги хранел с мастни киселини, протоклетките нараствали и променяли формата си, удължавайки се и приемайки нишковидна форма. Когато протоклетката стане достатъчно голяма, само малко прилагане на сила е достатъчно, за да се разпадне на малки дъщерни протоклетки.

Всяка дъщерна протоклетка съдържа РНК от майчината протоклетка и на практика не се губи РНК елемент. Освен това протоклетките могат да продължат този цикъл - дъщерните протоклетки растат и се разделят независимо.

В по-нататъшни експерименти Zhu и Szostak намериха начин да принудят протоклетките да се делят. Изглежда, че една част от проблема е решена.

Необходимост от самокопираща се РНК

Въпреки това, протоклетките все още не функционират правилно. Луизи видя протоклетките като носители на самовъзпроизвеждащи се РНК, но досега РНК бяха просто вътре и не повлияха на нищо.

За да демонстрира, че протоклетките наистина са били първият живот на Земята, Шостак трябваше да принуди РНК да направи копия на себе си.

Задачата не беше лесна, тъй като десетилетия експерименти на учени, за които писахме по-рано, не доведоха до създаването на самовъзпроизвеждаща се РНК.

Самият Шостак се сблъсква със същия проблем по време на ранната си работа върху теорията за света на РНК. Оттогава изглежда никой не го е разрешил.

Оргел прекарва 70-те и 80-те години в изучаване на принципа на копиране на вериги на РНК.

Същността му е проста. Трябва да вземете една верига РНК и да я поставите в контейнер с нуклеотиди. След това използвайте тези нуклеотиди, за да създадете втора верига на РНК, която допълва първата.

Например, РНК веригата на пробата "CGC" ще образува допълнителна верига на пробата "GCG". Следващото копие ще пресъздаде оригиналната CGC верига.

Оргел забеляза, че при определени условия РНК веригите се копират по този начин без помощта на ензими. Напълно възможно е първият живот да е копирал гените си по този начин.

До 1987 г. Orgel може да създаде допълнителни вериги с дължина 14 нуклеотида в РНК вериги, които също са дълги 14 нуклеотида.

Липсващият елемент

Адамала и Шостак откриха, че за реакцията е необходим магнезий. Това беше проблематично, защото магнезият разрушаваше протоклетките. Но имаше решение: използвайте цитрат, който е почти идентичен с лимонената киселина, открита в лимоните и портокалите, и която присъства във всяка жива клетка.

В статия, публикувана през 2013 г., Адамала и Шостак описват проучване, в което цитрат е добавен към протоклетките, който се припокрива с магнезий и защитава протоклетките, без да пречи на верижното копиране.

С други думи, те постигнаха това, за което Луизи говори през 1994 г. „Дадохме възможност на РНК да се самовъзпроизвежда във везикули с мастни киселини“, казва Шостак.

Само за десет години изследвания екипът на Шостак постигна невероятни резултати.

• Учените са създали протоклетки, които запазват своите гени, докато абсорбират полезни молекули от околната среда.
• Протоклетките могат да растат и да се делят и дори да се конкурират помежду си.
• Те съдържат РНК, които се самовъзпроизвеждат.
• Във всички отношения протоклетките, създадени в лабораторията, изненадващо приличат на живота.

Те също бяха издръжливи. През 2008 г. екипът на Szostak откри, че протоклетките могат да оцелеят при температури до 100 градуса по Целзий, температурата, при която повечето съвременни клетки умират. Това само засили убеждението, че протоклетките са подобни на първия живот, който трябва по някакъв начин да оцелее в условията на постоянни метеорни дъждове.

„Успехите на Шостак са впечатляващи“, казва Армен Мулкиджанян.

На пръв поглед обаче подходът на Шостак е много различен от други изследвания за произхода на живота, които са продължили през последните 40 години. Вместо да се фокусира върху „първично самовъзпроизвеждане“ или „първично разделяне“, той намери начин да комбинира тези теории.

Това стана причина за създаването на нов единен подход към изучаването на въпроса за произхода на живота на Земята.

Този подход предполага, че първият живот не е имал характеристика, която се е появила преди другите. Идеята за „първичен набор от характеристики“ вече има много практически доказателства и хипотетично може да реши всички проблеми на съществуващите теории.

Велико обединение

В търсене на отговор на въпроса за произхода на живота учените от 20 век са разделени на 3 лагера. Всеки се придържаше само към собствените си хипотези и се изказваше пренебрежително върху работата на другите двама. Този подход със сигурност беше ефективен, но всеки лагер в крайна сметка се изправи пред неразрешими проблеми. Затова тези дни няколко учени решиха да опитат комбиниран подход към този проблем.

Идеята за обединение има своите корени в скорошно откритие, което доказва традиционната теория за „първичното самовъзпроизвеждане“ на света на РНК, но само на пръв поглед.

През 2009 г. привържениците на теорията за света на РНК се сблъскаха с голям проблем. Те не са могли да създадат нуклеотиди, градивните елементи на РНК, по начин, който биха могли да създадат сами в ранните земни условия.

Както видяхме по-рано, това накара много изследователи да вярват, че първият живот изобщо не е бил базиран на РНК.

Джон Съдърланд мисли за това от 80-те години на миналия век. „Би било чудесно, ако някой може да демонстрира как РНК се сглобява сама“, казва той.

За щастие на Съдърланд, той работеше в Лабораторията по молекулярна биология в Кеймбридж (CMB). Повечето изследователски институти непрекъснато натоварват персонала си в очакване на нови открития, но LMB позволи на персонала сериозно да работи по проблема. Така че Съдърланд беше свободен да размишлява защо е толкова трудно да се направят РНК нуклеотиди и в течение на няколко години той разработи алтернативен подход.

В резултат на това Съдърланд стигна до напълно нов възглед за произхода на живота, който беше, че всички ключови компоненти на живота биха могли да се образуват едновременно.

Скромната сграда на Кеймбриджката лаборатория по молекулярна биология.

Щастливо стечение на молекули и обстоятелства

„Няколко ключови аспекта на химията на РНК бяха нарушени“, обяснява Съдърланд. Всеки РНК нуклеотид е изграден от захар, основа и фосфат. Но на практика взаимодействието на захарта и основата се оказва невъзможно. Молекулите просто бяха с грешна форма.

Така Съдърланд започва да експериментира с други вещества. В крайна сметка екипът му създава 5 прости молекули, състоящи се от друг вид захар и цианамид, който, както подсказва името, е свързан с цианида. Тези вещества бяха подложени на серия от химични реакции, които в крайна сметка доведоха до създаването на два от четирите нуклеотида.

Това несъмнено беше успех и моментално повиши репутацията на Съдърланд.

Много наблюдатели смятат, че това е още едно доказателство в полза на теорията за „РНК света“. Но самият Съдърланд го виждаше по различен начин.

„Класическата“ хипотеза за света на РНК се фокусира върху факта, че в първите организми РНК е отговорна за всички жизнени функции. Но Съдърланд нарича това твърдение „безнадеждно оптимистично“. Той вярва, че РНК е участвала, но не е единственият компонент, важен за жизнеспособността.

Съдърланд е вдъхновен от неотдавнашната работа на Джак Шостак, който комбинира концепцията на RNA World за „първично самовъзпроизвеждане“ с идеите на Пиер Луиджи Луизи за „първично разделяне“.

Как да създадем жива клетка от нулата

Вниманието на Съдърланд беше привлечено от любопитна подробност в синтеза на нуклеотиди, която в началото изглеждаше случайна.

Последната стъпка в експериментите на Съдърланд винаги е била добавянето на фосфати към нуклеотида. Но по-късно осъзна, че трябва да го добави от самото начало, тъй като фосфатът ускорява реакциите в ранните етапи.

Първоначалното добавяне на фосфат изглежда увеличава произволността на реакцията, но Съдърланд успява да разбере, че тази произволност е от полза.

Това го накара да мисли така смесите трябва да са хаотични. На ранната Земя вероятно е имало много химикали, плаващи в един басейн. Разбира се, смесите не трябва да приличат на блатна вода, защото трябва да намерите оптималното ниво на произволност.

Създадени през 1950 г., смесите на Стенли Милър, обсъдени по-рано, бяха много по-хаотични от сместа на Съдърланд. Те съдържаха биологични молекули, но, както казва Съдърланд, те „бяха малко и бяха придружени от много повече небиологични съединения“.

Съдърланд чувства, че условията на експеримента на Милър не са достатъчно чисти. Сместа беше твърде хаотична, поради което необходимите вещества просто бяха загубени в нея.

Така Съдърланд реши да намери „химия на Златокоска“: не толкова претоварена с различни вещества, че да стане безполезна, но и не толкова проста, че да е ограничена в своите възможности.

Беше необходимо да се създаде сложна смес, в която всички компоненти на живота да могат едновременно да се образуват и след това да се комбинират.

Първобитно езерце и образуването на живот за няколко минути

Просто казано, представете си, че преди 4 милиарда години на Земята е имало малко езерце. В продължение на много години в него са се образували необходимите вещества, докато сместа придобие химичния състав, необходим за стартиране на процеса. И тогава се образува първата клетка, може би само за няколко минути.

Това може да звучи фантастично, като твърденията на средновековните алхимици. Но Съдърланд започна да разполага с доказателства.

От 2009 г. той демонстрира, че използвайки същите вещества, които са образували първите му два РНК нуклеотида, е възможно да се създадат други молекули, важни за всеки жив организъм.

Очевидната следваща стъпка беше създаването на други РНК нуклеотиди. Съдърланд все още не е усвоил това, но през 2010 г. той демонстрира молекули, близки до това, които потенциално могат да се превърнат в нуклеотиди.

И през 2013 г. той събра прекурсори на аминокиселини. Този път той добави меден цианид, за да създаде необходимата реакция.

Вещества на базата на цианид присъстваха в много от експериментите и Съдърланд ги използва отново през 2015 г. Той показа, че със същия набор от вещества е възможно да се създадат прекурсори на липидите - молекулите, които изграждат клетъчните стени. Реакцията протича под въздействието на ултравиолетова светлина и включва сяра и мед, което спомага за ускоряването на процеса.

„Всички градивни елементи [формирани] от общо ядро ​​от химични реакции“, обяснява Шостак.

Ако Съдърланд е прав, тогава нашият възглед за произхода на живота е фундаментално погрешен през последните 40 години.

От момента, в който учените видяха колко сложна е клетъчната структура, всички бяха фокусирани върху идеята, че първите клетки се събират заедно постепенно, елемент по елемент.

Откакто Лесли Оргел представи идеята, че РНК е на първо място, изследователите "се опитват да вземат един елемент и след това да го накарат да направи останалите", казва Съдърланд. Самият той смята, че е необходимо да се създава всичко наведнъж.

Хаосът е необходимо условие за живот

„Поставихме под въпрос идеята, че една клетка е твърде сложна, за да възникне наведнъж“, казва Съдърланд. „Както можете да видите, можете да създадете градивните елементи за всички системи едновременно.“

Шостак дори подозира, че повечето опити за създаване на молекули на живота и сглобяването им в живи клетки са се провалили поради същата причина: твърде стерилни експериментални условия.

Учените взеха необходимите вещества и напълно забравиха за тези, които може да са съществували и на ранната Земя. Но работата на Съдърланд показва, че когато към сместа се добавят нови вещества, се появяват по-сложни съединения.

Самият Шостак се сблъсква с това през 2005 г., когато се опитва да въведе РНК ензим в своите протоклетки. Ензимът се нуждаеше от магнезий, който разрушава протоклетъчната мембрана.

Решението беше елегантно. Вместо да създавате везикули само от една мастна киселина, създайте ги от смес от две киселини. Получените везикули могат да се справят с магнезия и следователно могат да действат като „носители“ на РНК ензими.

Освен това Шостак казва, че първите гени вероятно са били случайни.

Съвременните организми използват чиста ДНК, за да предават гени, но е вероятно чистата ДНК просто да не е съществувала в началото. На негово място може да има смес от РНК нуклеотиди и ДНК нуклеотиди.

През 2012 г. Szostak показа, че такава смес може да се сглоби в "мозаечни" молекули, които изглеждат и се държат като чиста РНК. И това доказва, че теорията за смесените РНК и ДНК молекули има право на съществуване.

Тези експерименти предполагат следното: няма значение дали първите организми са имали чиста РНК или чиста ДНК.

„Всъщност се върнах към идеята, че първият полимер е подобен на РНК, но изглеждаше малко по-хаотичен“, казва Шостак.

Алтернативи на РНК

Възможно е сега да има повече алтернативи на РНК, в допълнение към вече съществуващите TNC и PNA, обсъдени по-рано. Не знаем дали са съществували на ранната Земя, но дори и да са съществували, ранните организми може би са ги използвали заедно с РНК.

Това вече не беше „Светът на РНК“, а „Светът на нещо, което не е“.

Урокът, който можем да извлечем от всичко това, е, че самосъздаването на първата жива клетка изобщо не е било толкова трудно, колкото си мислехме преди. Да, клетките са сложни машини. Но, както се оказа, те ще работят, макар и не перфектно, дори ако са „направени случайно“ от скрап материали.

След като се появят, такива груби клетки изглежда имат малък шанс да оцелеят на ранната Земя. От друга страна, те не са имали конкуренция и не са били застрашени от никакви хищници, така че в много отношения животът на първичната Земя е бил по-прост, отколкото е сега.

Но има едно "Но"

Но има един проблем, който нито Съдърланд, нито Шостак могат да решат, и той е доста сериозен.

Първият организъм трябва да е имал някаква форма на метаболизъм. От самото начало животът трябваше да има способността да получава енергия, в противен случай животът щеше да загине.

В този момент Съдърланд се съгласи с идеите на Майк Ръсел, Бил Мартин и други привърженици на "първичния метаболизъм".

„Привържениците на теориите за „света на РНК“ и „първичния метаболизъм“ напразно спореха помежду си. И двете страни имаха убедителни аргументи“, обяснява Съдърланд.

„Метаболизмът по някакъв начин започна някъде“, пише Шостак. „Но какво се е превърнало в източник на химическа енергия е голям въпрос.“

Дори ако Мартин и Ръсел грешат относно идеята, че животът е започнал в дълбоководни отвори, много части от тяхната теория са близки до истината. Първият е важната роля на металите в произхода на живота.

Много ензими в природата имат метален атом в сърцевината си. Обикновено това е "активната" част на ензима, докато останалата част от молекулата е поддържащата структура.

Първият живот не може да има сложни ензими, така че най-вероятно е използвал голи метали като катализатори.

Катализатори и ензими

Гюнтер Вахтенсхаузер каза същото, когато предположи, че животът се формира върху железен пирит. Ръсел също подчертава, че водата в хидротермалните отвори е богата на метали, които могат да действат като катализатори, а изследванията на Мартин върху последния универсален общ прародител на съвременните бактерии предполагат наличието на много ензими на основата на желязо.

Всичко това предполага, че много от химичните реакции на Съдърланд са протекли успешно само благодарение на медта (и сярата, както подчерта Вахтерсхаузер) и че РНК в протоклетките на Шостак изисква магнезий.

Възможно е хидротермалните отвори също да са важни за създаването на живот.

„Ако погледнете съвременния метаболизъм, ще видите елементи, които говорят сами за себе си, като клъстери от желязо и сяра“, обяснява Шостак. „Това отговаря на идеята, че животът е възникнал в или близо до отвор, където водата е богата на желязо и сяра.“

С това казано, има само едно нещо, което да добавим. Ако Съдърланд и Шостак са на прав път, тогава един аспект от теорията за отдушника определено е грешен: животът не може да е започнал в морските дълбини.

„Химичните процеси, които открихме, са силно зависими от ултравиолетовото лъчение“, казва Съдърланд.

Единственият източник на такава радиация е Слънцето, така че реакциите трябва да се случват директно под неговите лъчи. Това изключва версията с дълбоководни отвори.

Шостак е съгласен, че морските дълбини не могат да се считат за люлка на живота. „Най-лошото е, че те са изолирани от взаимодействие с атмосферата, която е източник на богати на енергия суровини като цианид.“

Но всички тези проблеми не правят теорията за хидротермалните извори безполезна. Може би тези отвори са били разположени в плитки води, където са имали достъп до слънчева светлина и цианид.

Животът не е възникнал в океана, а на сушата

Армен Мулкиджанян предложи алтернатива. Ами ако животът се е зародил във водата, но не в океана, а на сушата? А именно във вулканично езерце.

Мулкиджанян обърна внимание на химичния състав на клетките: по-специално какви вещества приемат и какви отхвърлят. Оказа се, че клетките на всеки организъм съдържат много фосфат, калий и други метали, с изключение на натрия.

Съвременните клетки поддържат баланса на металите, като ги изпомпват от околната среда, но първите клетки не са имали тази възможност - механизмът за изпомпване все още не е бил разработен. Следователно Мулкиджанян предполага, че първите клетки са се появили там, където е имало приблизителен набор от вещества, които изграждат настоящите клетки.

Това веднага пресича океана от списъка с потенциални люлки на живота. Живите клетки имат много повече калий и фосфат и много по-малко натрий, отколкото се намира в океана.

Геотермалните източници в близост до вулкани са по-подходящи за тази теория. Тези езера съдържат същата смес от метали като клетките.

Шостак горещо подкрепя идеята. „Мисля, че идеалното място би било плитко езеро или езерце в геотермално активна зона“, потвърждава той. „Имаме нужда от хидротермални отвори, но не дълбоководни, а по-скоро подобни на тези, открити във вулканично активни зони като Йелоустоун.“

Химическите реакции на Съдърланд биха могли да протичат на такова място. Изворите съдържат необходимия набор от вещества, нивото на водата се колебае, така че някои райони понякога пресъхват, а слънчевите ултравиолетови лъчи не липсват.

Освен това Шостак казва, че такива езера са идеални за неговите протоклетки.

„Протоклетките обикновено поддържат ниска температура, което е добре за копиране на РНК и друг прост метаболизъм“, казва Шостак. „Но от време на време те се нагряват за кратко, което помага за разделянето на нишките на РНК и ги подготвя за по-нататъшно самовъзпроизвеждане.“ Потоци от студена или гореща вода също могат да помогнат на протоклетките да се делят.

Геотермалните извори в близост до вулкани може би са се превърнали в родното място на живота.

Метеоритите можеха да помогнат на живота

Въз основа на всички съществуващи аргументи Съдърланд предлага и трети вариант - мястото, където е паднал метеоритът.

През първите 500 милиона години от съществуването си Земята е била редовно подлагана на метеоритни потоци – те падат и днес, но много по-рядко. Място за падане на метеорит с приличен размер може да създаде същите условия като езерата, за които Мулкиджанян говори.

Първо, метеоритите са направени предимно от метал. А местата, където падат, често са богати на метали като желязо и сяра. И най-важното е, че на местата, където пада метеоритът, земната кора се притиска, което води до геотермална активност и появата на гореща вода.

Съдърланд описва малки реки и потоци, течащи по стените на новообразувани кратери, които извличат вещества на основата на цианид от скалите - всичко това под въздействието на ултравиолетови лъчи. Всеки поток носи малко по-различна смес от вещества от другите, така че в крайна сметка се получават различни реакции и се произвежда набор от органични вещества.

В крайна сметка потоците се комбинират, за да образуват вулканично езеро на дъното на кратера. Може би в такова езерце всички необходими вещества, от които са се образували първите протоклетки, са били събрани наведнъж.

„Това е много специфично развитие“, съгласява се Съдърланд. Но той клони към него въз основа на откритите химични реакции: „Това е единственият ход на събитията, при който могат да се случат всички реакции, показани в моите експерименти.“

Шостак все още не е напълно сигурен в това, но е съгласен, че идеите на Съдърланд заслужават внимателно внимание: „Струва ми се, че тези събития биха могли да се случат на мястото на удара на метеорит. Но също така харесвам идеята за вулканичните системи. Има сериозни аргументи и в полза на двете версии.

Кога ще получим отговор на въпроса: как е започнал животът?

Дебатът, изглежда, няма да спре скоро и учените няма да стигнат веднага до общо мнение. Решението ще бъде взето въз основа на експерименти с химични реакции и протоклетки. Ако се окаже, че в една от опциите липсва ключово вещество или се използва вещество, което унищожава протоклетките, тогава ще се счита за неправилно.

Това означава, че за първи път в историята сме на прага на най-пълното обяснение за това как е възникнал животът.

„Предизвикателствата вече не изглеждат невъзможни“, казва оптимистично Съдърланд.

Досега така нареченият подход „всичко наведнъж“ от Шостак и Съдърланд е само груба схема. Но всеки от аргументите на този подход е доказан в продължение на десетилетия експерименти.

Тази концепция се основава на всички съществуващи досега подходи. Той съчетава всички успешни разработки, като в същото време решава индивидуалните проблеми на всеки подход.

Например, той не опровергава теорията на Ръсел за хидротермалните отвори, но използва нейните най-успешни елементи.

Какво се е случило преди 4 милиарда години

Не знаем със сигурност какво се е случило преди 4 милиарда години.

„Дори ако създадете реактор, от който E. coli изскача... не можете да кажете, че това е възпроизвеждане на този първи живот“, каза Мартин.

Най-доброто, което можем да направим, е да си представим хода на събитията, като подкрепим визията си с доказателства: експерименти в областта на химията, всичко, което знаем за ранната Земя и всичко, което биологията ни казва за ранните форми на живот.

В крайна сметка, след векове на интензивни усилия, ще видим как историята за действителния ход на събитията започва да се появява.

Това означава, че се приближаваме до най-голямото разделение в човешката история: разделението между онези, които знаят историята за произхода на живота, и онези, които не са доживели до този момент и следователно никога няма да могат да го разберат.

Всички онези, които не доживяха да видят Произхода на видовете на Дарвин, публикуван през 1859 г., умряха без ни най-малка представа за произхода на човека, тъй като не знаеха нищо за еволюцията. Но днес всеки, с изключение на няколко изолирани общности, може да научи истината за нашето родство с други представители на животинския свят.

По същия начин всички, които са родени след влизането на Юрий Гагарин в орбитата на Земята, стават членове на общество, което е способно да пътува до други светове. И въпреки че не всеки жител е посещавал планетата, пътуването в космоса вече се е превърнало в съвременна реалност.

Нова реалност

Тези факти неусетно променят възприятието ни за света. Правят ни по-мъдри. Еволюцията ни учи да ценим всяко живо същество, тъй като всички можем да се считаме за роднини, макар и далечни. Пътуването в космоса ни учи да погледнем родната си планета отвън, за да разберем колко уникална и крехка е тя.

Някои от хората, живеещи днес, скоро ще станат първите в историята, които могат да разкажат за своя произход. Те ще знаят за техния общ прародител и къде е живял.

Това знание ще ни промени. От чисто научна гледна точка ще ни даде представа за шансовете за възникване на живот във Вселената и къде можем да го търсим. Ще ни разкрие и същността на живота.

Но можем само да гадаем каква мъдрост ще се появи пред нас в момента, когато се разкрие тайната за произхода на живота. Всеки месец и година сме все по-близо до разрешаването на голямата мистерия за произхода на живота на нашата планета. Нови открития се правят точно сега, докато четете тези редове.

Прочетете също:

Споделете тази статия

Общоприетата теория е, че цялата Вселена е била компресирана до размера на протон, но след мощна експлозия се е разширила до безкрайност. Това събитие се случи преди около 10 милиарда години и в резултат на това получената вселена беше пълна с космически прах, от който започнаха да се формират звезди и планети около тях. Земята по космически стандарти е много млада планета, образувана е преди около пет милиарда години, но как е възникнал животът на нея? Учените все още не могат да намерят категоричен отговор на този въпрос.

Според теорията на Дарвин животът на Земята възниква веднага щом се създадат подходящи условия, тоест се появи атмосфера, температура, която осигурява протичането на жизнените процеси и водата. Според учения първите прости едноклетъчни организми са се появили именно под въздействието на Слънцето върху водата. По-късно те еволюират в кафяви водорасли и други растителни видове. Така, ако следвате това правило, всички многоклетъчни видове на планетата произхождат от растения. Отговорът на най-важния въпрос не е получен: „Как може животът да се появи от нищото, дори под въздействието на Слънцето?“ Достатъчно е да направите лесен експеримент - налейте кладенческа вода в буркан, след което го затворете плътно и го поставете на слънчева светлина. Във всеки случай течността ще остане същата, както е била, могат да настъпят микроскопични промени в нейния състав, но микроорганизмите няма да се появят там. Ако извършите същия експеримент с отворен буркан, след няколко дни ще забележите как стените започват да се покриват със слой от едноклетъчни водорасли.

Въз основа на това можем да кажем, че за възникването на живота и дори на най-простите му форми е необходима външна намеса. Разбира се, версията за независимия произход на видовете е много примамлива, защото уж доказва независимостта на човечеството, което не е обвързано с Бог или извънземни от други планети.

Напоследък се появяват все повече привърженици на космическия произход, както за хората, така и за цялата биосфера. Колкото и да е странно обаче, изследователите в своите изследвания комбинират призиви не само към вече открити или открити артефакти, но и към Библията. Ако тълкувате написаното там на обикновен език, тогава можете да правите аналогии не с чудеса, а с напълно обясними физически явления. Въз основа на този материал има определен висш разум, който е населил планетата с живи същества, както и човешката раса. В книгата се казва, че Бог е създал човека по свой образ и подобие, тоест е възможно ние да сме копие, във всеки случай външно повтаряме нашия създател.

Човек е биоробот – тоест изкуствено създаден организъм с интелект, с вградена възможност за самоусъвършенстване. Възможно е моментът на заселване на планетата от хора да е точно описан в епизода, когато Адам и Ева са били изгонени от Райската градина на Земята, където е трябвало самостоятелно да се адаптират към суровите условия на живот. Възможно е Райската градина да означава мястото, където създадените от създателя биороботи са тествани в оранжерийни условия и след проверка на работата им са пуснати в суровата реалност.

Разбира се, остава въпросът: „Какво ще кажете за разнообразието от животински видове в този случай? Със сигурност създателят не би могъл да създаде видове, подвидове и разреди, чак до едноклетъчни същества?“ Предполага се, че тук все пак е имало еволюция, но по-ускорена и протичаща под контрола на създателите. Невъзможно е да не се отрече фактът, че във всеки от животинските видове все още има признаци на вид, който го предхожда на еволюционната стълба. Птиците са много подобни на влечугите, особено по удължената форма на клюна и кожата на лапите. Очертанията на влечугите от своя страна силно приличат на риба и много бозайници са усвоили характеристиките на няколко предишни вида наведнъж. Гледайки котка, лесно можете да познаете признаците както на влечуги, така и на земноводни. Любовта към топлото място най-вероятно е предадена на котките в техните гени и въпреки факта, че са топлокръвни, те винаги предпочитат да живеят там, където има източник на топлина. Същият знак е характерен за хладнокръвните животни, които не могат сами да генерират топлина. Изучавайки внимателно котешкото око, можете да видите, че то е много подобно на очите на крокодил, а формата на главата, с малки промени, прилича на змия. Понякога оставате с впечатлението, че някой е работил върху създаването на вида по същия начин, както например работят дизайнерите на автомобилен производител, като вземат за основа шасито на предишна кола и добавят няколко промени.

Ако това е така, тогава не е изненадващо, че някои от животинските видове просто предизвикват недоумение, свързвайки се със ситуация, в която няма достатъчно части при сглобяването и те използват това, което е налично. Особено много примери за такива животни има в Австралия. Освен кенгуруто, което е гризач, но има мощен мускулно-скелетен апарат като коня, има и други интересни видове като птицечовката. Това животно е бозайник, но се размножава като птиците - снася яйца и има костелив клюн, подобен на гъши. Структурата на тялото му е много подобна на бобър, а родените малки се хранят с мляко не през зърната на майката, а чрез облизване на течността, изпъкнала на повърхността на корема. Дали самите създатели са извършили такава усърдна работа или са задали само основната посока в развитието и формирането на отделни подвидове вече е настъпило независимо - днес този въпрос остава отворен.

Вариантите за еволюция могат да се разглеждат от различни ъгли, но повечето изследователи все пак са съгласни, че самата еволюция, ако се е състояла, е само следствие, но причината остава да се открие. Също толкова популярно мнение е, че причината за появата на живот на Земята е падането на метеорит, върху който най-простите едноклетъчни организми са били в замръзнало състояние. Тъй като по това време на планетата вече се е установил топъл климат и по-голямата част от повърхността е заета от древния световен океан, са създадени всички условия за последващото развитие на живота. Съществува и версия, че метеоритът всъщност е изпратен от разумни същества специално с цел заселване на планетата, която също не е без право на съществуване.

Вместо метеорит може да има просто оптичен информационен лъч, например, изпратен от друга вселена или дори друго измерение. Всъщност, защо такива високоразвити същества биха изпратили нещо материално през милиарди светлинни години? Като се има предвид тяхното ниво на развитие, те отдавна са в състояние да открият възможностите за телепортация и свободно да оперират с пространството и времето, появявайки се точно там, където е необходимо. Информацията, предавана с помощта на лъча, се материализира тук на земята в същите организми и по този начин е стартиран процесът на еволюция.

Разбира се, животът не може да бъде предизвикан само от случайно прелетял метеорит, версията, че Марс може да е станал донор, също има много поддръжници. Мистерията на тази планета все още не може да бъде разгадана. Всичко, което учените имат под ръка, са снимки на червена повърхност, изтънена от дълбоки вдлъбнатини, мистериозно лице, най-вероятно характеристика на релефа, и незначителни почвени проби. Милиарди долари са похарчени за проектиране и пускане на устройства, но повечето от тези опити са се провалили. Изглежда, че някаква сила на тази планета упорито не иска да има контакт със земляните.

Предполага се, че Марс някога е бил обитаван и богат на природни ресурси, подобно на Земята, но впоследствие магнитното му поле е отслабнало. Това доведе до факта, че по-голямата част от атмосферата и влагата се изпариха в космоса, оставяйки тялото на планетата незащитено от суровата ултравиолетова радиация. Възможно е жителите на Марс да са имали необходимите знания и да са успели да преместят някои видове животни на съседната планета, да се преместят сами или да изпратят капсула с микроорганизми.

Търсенето на първоизточника на живота ще продължи много дълго време, защото с всяко ново откритие в науката и особено генетиката е възможно само леко да повдигне булото на тайната за произхода на човечеството, което от своя страна води до появата на нови хипотези. И все пак, какъвто и да е отговорът на този въпрос, едва ли той ще бъде известен, докато човек не се научи да чувства отговорност за своята уникална планета, на която има късмета да живее.

Няма намерени свързани връзки



Валери Спиридонов, първият кандидат за трансплантация на глава, за РИА Новости

В продължение на много години човечеството се опитва да разгадае истинската причина и историята на появата на живота на нашата планета. Преди малко повече от сто години в почти всички страни хората дори не са си помисляли да поставят под въпрос теорията за божествената намеса и създаването на света от върховно духовно същество.

Ситуацията се промени след публикуването на най-великото произведение на Чарлз Дарвин през ноември 1859 г. и сега около тази тема има много спорове. Броят на привържениците на еволюционната теория на Дарвин в Европа и Азия възлиза на повече от 60-70%, около 20% в САЩ и около 19% в Русия според края на последното десетилетие.

В много страни днес има призиви работата на Дарвин да бъде изключена от училищната програма или поне да се изучава заедно с други вероятни теории. Ако не говорим за религиозната версия, към която е склонна по-голямата част от населението на света, днес има няколко основни теории за произхода и еволюцията на живота, описващи неговото развитие на различни етапи.

панспермия

Привържениците на идеята за панспермия са убедени, че първите микроорганизми са донесени на Земята от космоса. Това е мнението на известния немски енциклопедист Херман Хелмхолц, английския физик Келвин, руския учен Владимир Вернадски и шведския химик Сванте Арениус, който днес се смята за основател на тази теория.

Научно е потвърдено, че метеорити от Марс и други планети, вероятно от комети, които дори биха могли да идват от извънземни звездни системи, са били многократно откривани на Земята. Никой не се съмнява в това днес, но все още не е ясно как животът би могъл да възникне в други светове. По същество апологетите на панспермията прехвърлят „отговорността“ за случващото се на извънземни цивилизации.

Теорията за първичната супа

Раждането на тази хипотеза беше улеснено от експериментите на Харолд Юри и Стенли Милър, проведени през 50-те години на миналия век. Те успяха да пресъздадат почти същите условия, които са съществували на повърхността на нашата планета преди възникването на живота. Малки електрически разряди и ултравиолетова светлина преминават през смес от молекулярен водород, въглероден окис и метан.

В резултат на това метанът и други примитивни молекули се превърнаха в сложни органични вещества, включително десетки аминокиселини, захар, липиди и дори зачатъци на нуклеинови киселини.

Сравнително наскоро, през март 2015 г., учени от университета в Кеймбридж, ръководени от Джон Съдърланд, показаха, че всички видове „молекули на живота“, включително РНК, протеини, мазнини и въглехидрати, могат да бъдат получени чрез подобни реакции, при които прост неорганичен въглерод съединения, сероводород, метални соли и фосфати.

Глинено дъх на живот

Един от основните проблеми с предишната версия на еволюцията на живота е, че много органични молекули, включително захари, ДНК и РНК, са твърде крехки, за да се натрупват в достатъчни количества във водите на първичния океан на Земята, където преди се смяташе, че най-много еволюционистите са се появили първите живи същества.

Учените откриха средата, в която са живели най-древните предци на хоратаМащабни разкопки в дефилето Олдувай помогнаха на палеонтолозите да открият, че нашите първи предци са живели в горички от палми и акации, под сянката на които са могли да колят трупове на жирафи, антилопи и други копитни животни от саваните на Африка.

Британският химик Александър Кернс-Смит вярва, че животът е от "глинен", а не от воден произход - оптималната среда за натрупване и усложняване на сложни органични молекули може да се намери вътре в порите и кристалите в глинестите минерали, а не в "първичното езерце" на Дарвин “ или океана от теориите на Милър-Юри.

Всъщност еволюцията започва на нивото на кристалите и едва тогава, когато съединенията стават достатъчно сложни и стабилни, първите живи организми тръгват на „открито пътешествие“ в първичния океан на Земята.

Живот на дъното на океана

С тази идея се съревновава популярната днес идея, че животът не е възникнал на повърхността на океана, а в най-дълбоките части на дъното му, в близост до „черните пушачи“, подводните гейзери и други геотермални източници.

Техните емисии са богати на водород и други вещества, които според учените могат да се натрупат по скалните склонове и да осигурят на първия живот всички необходими хранителни ресурси и катализатори на реакцията.

Доказателство за това могат да бъдат разпознати в съвременните екосистеми, които съществуват в близост до подобни източници на дъното на всички океани на Земята - те включват не само микроби, но дори многоклетъчни живи същества.

РНК Вселена

Теорията на диалектическия материализъм се основава на едновременното единство и безкрайна борба на двойка принципи. Говорим за наследственост на информацията и структурни биохимични изменения. Версията за произхода на живота, в която РНК играе ключова роля, измина дълъг път от появата си през 60-те години до края на 80-те години на миналия век, когато придоби съвременните си черти.

От една страна, молекулите на РНК не са толкова ефективни при съхраняване на информация, колкото ДНК, но те са в състояние едновременно да ускоряват химичните реакции и да сглобяват свои копия. Трябва да се разбере, че учените все още не са успели да покажат как работи цялата верига на еволюцията на живота на РНК и следователно тази теория все още не е получила всеобщо приемане.

Протоклетки

Друг важен въпрос в еволюцията на живота е мистерията как такива молекули на РНК или ДНК и протеини са се „оградили“ от външния свят и са се превърнали в първите изолирани клетки, чието съдържание е защитено от гъвкава мембрана или полу -пропусклива твърда обвивка.

Пионер в тази област е известният съветски химик Александър Опарин, който показа, че капки вода, заобиколени от двоен слой мастни молекули, могат да имат подобни свойства.

Неговите идеи бяха оживени от канадски биолози под ръководството на Джак Шостак, носител на Нобелова награда за физиология или медицина за 2009 г. Неговият екип успя да "опакова" прост набор от РНК молекули, способни на самовъзпроизвеждане, в мембрана от мастни молекули чрез добавяне на магнезиеви йони и лимонена киселина вътре в първата "протоклетка".

Ендосимбиоза

Друга загадка на еволюцията на живота е как са възникнали многоклетъчните същества и защо клетките на хората, животните и растенията включват специални тела, като митохондрии и хлоропласти, които имат необичайно сложна структура.

Диетите на предците на хората и шимпанзетата се "разминават" преди 3 милиона годиниПалеонтолозите сравниха пропорциите на въглеродните изотопи в зъбния емайл на австралопитеците и установиха, че предците на хората и шимпанзетата са преминали към различни диети преди 3 милиона години, 1,5 милиона години по-рано, отколкото се смяташе досега.

Немският ботаник Андреас Шимпер за първи път се замисля върху този проблем, като предполага, че хлоропластите в миналото са били независими организми, подобни на цианобактериите, които са „станали приятели“ с клетките на предшествениците на растенията и са започнали да живеят в тях.

Тази идея по-късно е развита от руския ботаник Константин Мережковски и американския еволюционист Лин Маргулис, които показват, че митохондриите и потенциално всички други сложни органели на нашите клетки имат подобен произход.
Както при теориите за „РНК света“ и „глинената“ еволюция на живота, идеята за ендосимбиозата първоначално привлече много критики от повечето учени, но днес почти всички еволюционисти не се съмняват в нейната правилност.

Кой е прав и кой крив?

Много научни трудове и специализирани изследвания са открити в полза на дарвинистките хипотези, по-специално в областта на „преходните форми“. Дарвин не е разполагал с необходимия брой археологически артефакти, които да подкрепят научните му трудове, тъй като в по-голямата си част той се е ръководил от лични догадки.

Например, само през последните десет години учените са открили останките на няколко подобни „изгубени връзки“ на еволюцията, като Tiktaalik и Indohyus, които ни позволяват да начертаем граница между сухоземни животни и риби, китове и хипопотами.
От друга страна, скептиците често твърдят, че такива животински видове не са истински преходни форми, което поражда постоянни безкрайни спорове между привържениците на дарвинизма и техните противници.

От друга страна, експериментите с обикновена E. coli и различни многоклетъчни същества ясно показват, че еволюцията е реална и че животните могат бързо да се адаптират към новите условия на живот, придобивайки нови характеристики, които техните предци не са имали преди 100-200 поколения.

Струва си да припомним, че значителна част от съвременното общество все още е склонна да вярва в съществуването на висш божествен интелект или извънземни цивилизации, които са основали живота на Земята. Засега няма нито една правилна теория и човечеството тепърва ще отговаря на този въпрос в бъдеще.

Дали животът е резултат от еволюция или сътворение? Тази дилема вълнува умовете на повече от едно поколение учени. Безкрайните дебати по този въпрос пораждат все по-интересни теории.

Ред срещу хаос

Вторият закон на термодинамиката (ентропията) гласи, че всички елементи на космоса преминават от ред към хаос. Това отбелязва ученият от НАСА Робърт Дестроу, който твърди, че „Вселената спира като часовник“. Креационистите разчитат на закона за ентропията, за да докажат непоследователността на гледната точка на еволюционистите, която предполага спонтанното развитие и усложняване на всички елементи на околния свят.

Теологът от 19 век Уилям Пели прави следната аналогия. Знаем, че джобните часовници не са възникнали сами, а са направени от човека: от това следва, че такава сложна структура като човешкото тяло също е резултат от сътворението.

Чарлз Дарвин се противопостави на тази гледна точка със своята теория за силата на естествения подбор, който, разчитайки на наследствената изменчивост в процеса на дългосрочна еволюция, е способен да формира най-сложните органични структури.

„Но органичният живот не може да възникне от неживата материя“, посочиха креационистите слабото място на теорията на Дарвин.

Едва сравнително наскоро изследванията на химиците Стенли Милър и Харолд Юри предоставиха аргументи в защита на теорията за еволюцията.

Експеримент на американски учени потвърди хипотезата, че на първобитната Земя са съществували условия, които са допринесли за възникването на биологични молекули от неорганични вещества. Според техните открития молекулите са се образували в атмосферата в резултат на обикновени химични реакции и след това, падайки с дъжд в океана, са довели до раждането на първата клетка.

На колко години е Земята?

През 2010 г. американският биохимик Дъглас Теобалд се опита да докаже, че целият живот на Земята има общ прародител. Той анализира математически последователностите на най-често срещаните протеини и установи, че избраните молекули се намират в хора, мухи, растения и бактерии. Вероятността за общ прародител, според изчисленията на учения, е 102 860.

Според теорията на еволюцията процесът на преход от най-простите организми към висшите отнема милиарди години. Но креационистите твърдят, че това е невъзможно, тъй като възрастта на Земята не надвишава няколко десетки хиляди години.

Всички видове животни и растения, според тях, са се появили почти едновременно и независимо един от друг - във формата, в която можем да ги наблюдаваме сега.

Съвременната наука, базирайки се на данни от радиоизотопни анализи на земни проби и метеоритна материя, определя възрастта на Земята на 4,54 милиарда години. Въпреки това, както показват някои експерименти, този метод за датиране може да има много сериозни грешки.

През 1968 г. American Journal of Geographical Research публикува радиоизотопен анализ на вулканични скали, образувани на Хаваите в резултат на вулканично изригване, настъпило през 1800 г. Установено е, че възрастта на скалите варира от 22 милиона до 2 милиарда години.

Радиовъглеродният анализ, който се използва за датиране на биологични останки, също оставя много въпроси. Този метод позволява възрастовата граница на пробите да бъде определена на 60 000 години с 10 периода на полуразпад на въглерод-14. Но как да обясним факта, че въглерод-14 се намира в проби от „юрско дърво“? „Само защото възрастта на Земята е неразумно напреднала“, настояват креационистите.

Палеонтологът Харолд Кофин отбелязва, че образуването на седиментни скали е станало неравномерно и от тях е трудно да се установи истинската възраст на нашата планета. Например вкаменелости от изкопаеми дървета близо до Джогинс (Канада), проникващи вертикално в земния слой на 3 метра или повече, показват, че растенията са били погребани за много кратък период от време в резултат на катастрофални събития.

Бърза еволюция

Ако приемем, че Земята не е толкова древна, възможно ли е еволюцията да се побере в по-компресирана времева рамка? През 1988 г. екип от американски биолози, ръководен от Ричард Ленски, решава да проведе дългосрочен експеримент, симулиращ еволюционния процес в лабораторията, използвайки примера на бактерията Escherichia coli.

12 колонии от бактерии са поставени в идентична среда, където като източник на храна присъства само глюкоза, както и цитрат, който в присъствието на кислород не може да бъде усвоен от бактериите.

Учените наблюдават E. coli в продължение на 20 години, като през това време се сменят повече от 44 хиляди поколения бактерии. В допълнение към промените в размера на бактериите, характерни за всички колонии, учените откриха интересна особеност, присъща само на една колония: в нея бактериите някъде между 31-во и 32-ро хиляди поколения показаха способността да абсорбират цитрат.

През 1971 г. италиански учени пренасят 5 стенни гущера на остров Под Маркару, разположен в Адриатическо море. За разлика от предишното им местообитание, на острова имаше малко насекоми, с които гущерите се хранеха, но много трева. Учените провериха резултатите от своя експеримент едва през 2004 г. Какво са видели?

Гущерите се адаптираха към необичайната среда: популацията им достигна 5000 индивида, но най-важното е, че външният вид и структурата на вътрешните органи на влечугите се промениха. По-специално, главата и силата на ухапване се увеличиха, за да се справят с големите листа, и се появи нов участък в храносмилателния тракт - ферментационна камера, която позволи на червата на гущерите да усвояват твърдата целулоза. И така, само за 33 години стенните гущери се превърнаха от хищници в тревопасни!

Слаба връзка

Ако науката е в състояние да потвърди вътревидовите промени експериментално, тогава възможността за появата на нов вид по време на еволюцията остава изключително на теория. Привържениците на креационизма не само посочват на еволюционистите липсата на междинни форми на живи организми, но и се опитват да потвърдят научно непоследователността на еволюционната теория за произхода на видовете.

Испанският генетик Svante Pääbo успя да извлече ДНК от фрагмент от прешлен на неандерталец, за който се смята, че е живял преди около 50 000 години. Сравнителен анализ на ДНК на съвременния човек и неандерталците показа, че последният не е наш прародител.

Американският генетик Алън Уилсън, използвайки метода на митохондриалната ДНК, вероятно успя да каже кога "Ева" се е появила на Земята. Проучванията му дадоха възраст от 150-200 хиляди години. Японският учен Сатоши Хорай дава подобни данни. Според него съвременният човек се е появил в Африка преди около 200 хиляди години и оттам се е преместил в Евразия, където бързо е изместил неандерталеца.

Въз основа на доказателства от вкаменелостите, биологът Джонатан Уелс отбелязва: „Напълно ясно е, че на ниво царства, видове и класове произходът от общи предци чрез модификация не може да се счита за безспорен факт.“

Допирни точки

Привържениците на еволюционните и креационистките възгледи за произхода на живота не винаги имат фундаментални разногласия. По този начин много учени по креация са поддръжници на древната възраст на Земята, а сред теолозите има много критици на буквалния креационизъм.

Например протодякон Андрей Кураев пише следното: „В Православието няма нито текстови, нито доктринални основания за отхвърляне на еволюционизма... Православието, за разлика от езичеството, което демонизира материята, и протестантството, което лишава тварния свят от правото на сътворение. , няма основание да отрича тезата, според която Творецът е създал материята, способна да се развива добре.”

Руският математик и философ Юлий Шрьодер отбелязва, че ние не знаем как да измерим в познатата ни скала продължителността на шестте дни, през които Бог е създал света, тъй като самото време е създадено през същите тези дни. „Редът на сътворението е напълно в съответствие с представите на съвременната космология“, отбелязва ученият.

Докторът на биологичните науки Юрий Симаков дори смята човека за продукт на генното инженерство. Той предполага, че експериментът е извършен на кръстовището на два вида - неандерталец и хомо сапиенс. Според биолога има „сложна и умишлена намеса на интелект, който трябва да е с порядък по-висок от нашия“.

Персоналът на Залата на еволюцията, която се намира в зоологическата градина в Сейнт Луис, реши да примири двете теории по хумористичен начин. На входа те окачиха бележка, която гласеше: „Това изобщо не означава, че живият свят не е могъл да бъде създаден веднага - просто изглежда така, сякаш се е появил в резултат на дълга еволюция.

Доктор на геолого-минералогичните науки И. А. РЕЗАНОВ

В литературен смисъл животът се ражда „когато Земята извика“. Но за да крещи Земята, не беше достатъчен опитът на професор Чалънджър и малкото въображение на Конан Дойл, който принуди своя герой да пробие кладенец. От научна гледна точка смятам, че дължим живота си на две катастрофи от космически мащаб. Според мен само един източник на информация може надеждно да каже какви събития са довели до появата на живот - това е „каменният запис“ на планетата.

Трудно е за неспециалист да повярва, че радиоактивният анализ позволява не само точно датиране на епизоди от геоложкия сценарий дори от такова невъобразимо време, но и пресъздаване на картини на физическите процеси от онова време. Как е възникнал животът от мъртвата материя?

Според най-новите геоложки данни през първите 600 милиона години от съществуването на Земята (преди 4,0-3,9 милиарда години) условията на планетата са били толкова екстремни, че животът е бил невъзможен. Плътната атмосфера се състоеше главно от водород с малко хелий. Отворите на множество вулкани изригваха въглероден диоксид, метан, амоняк, сероводород и други газове. Анализът на патриархалните камъни показа, че налягането достига шест хиляди атмосфери, повърхността на планетата се нагрява до 600 ° C, тоест в тази адска жега е по-горещо, отколкото сега на Венера, където животът не е открит.

Но по-младите скали, родени преди 3,8 милиарда години и по-късно, вече са били формирани в условия, близки до съвременните. Тези страници от скалните записи показват, че по това време плътната и силно нагрята водородна атмосфера е напуснала планетата. Беше възможно да се разбере какво е причинило това едва след като се изчака космическият кораб да се върне от Луната. Изучавайки проби от лунна почва, селенолозите в това космическо приложение към скалните записи на Земята прочетоха, че преди 3,9 милиарда години в Слънчевата система се е случила гигантска катастрофа. Лунните морета - фунии с форма на кратер с диаметър до 1200 километра - бяха избити по време на бомбардировката на гигантски астероиди по това време. Космическите тела, бомбардирайки Луната, й дадоха мощен топлинен импулс, който нагря дълбините й до степен на топене. Оттогава на повърхността на Луната се разграничават два вида релеф: светли „континенти“ и тъмни „морета“, пълни с разтопени базалти.

Най-вероятната причина за катастрофата, според академик В. Г. Фесенков и много други астрономи, е експлозията на планета, чиято орбита съвпада с астероидния пояс, разположен между орбитите на Марс и Юпитер.

Ако измерите мащаба на Слънчевата система, тогава Луната не е далеч от Земята. В резултат на това Земята се стоварва от астероиди и метеорити. Всеки знае, че звукът се предава поради вибрациите на молекулите. Ако дори тогава на Луната не е имало атмосфера, тогава всички тези катаклизми са протичали в зловеща тишина (за човек, разбира се, ако може да присъства там). Но каква циклопска симфония би чул свидетел над нашата планета? Може би е слабо да се каже, следвайки Конан Дойл, че „Земята извика“. Тя изрева. Докато падаха, отломките от астероида предизвикаха мощни въздушни течения и адът стана със 100 градуса по-горещ. Допълнителната топлина беше достатъчна, за да съблече Земята от нейната водородна роба. И едва след това на Земята се появиха подходящи условия за възникване на живот. Както се казва, нямаше да има щастие, но нещастието помогна.

Оказва се, че катастрофата е станала необходимо условие за раждането на живот, но достатъчно ли е? Не, защото на повърхността на Земята не е останала атмосфера или хидросфера, а кората и мантията са се стопили. Планетата беше обвита от разтопена, вискозна гранитна кора, която не позволяваше на газовете да преминават. Газовете се натрупват в по-малко вискозна мантия. Само при налягане най-малко десет хиляди атмосфери и температура най-малко 1000 °, слабо разтворимите в магмата газове CO, CO2, H2, CH4, NH3 пробиха кората под формата на гигантски струи.

Известно е, че по време на вулканично изригване се образуват сложни органични съединения (аминокиселини, захари, порфирини). Така само по време на едно изригване на вулкана Тятя на Курилските острови през 1973 г. в пепелта се натрупаха 200 тона сложна органична материя. Каква част от него се е образувала на планетата, след като първичната водородна атмосфера е била отстранена от Земята, когато гигантски газови струи непрекъснато избликват с интензивност, която е хиляди пъти по-голяма от силата на сегашните вулканични изригвания? По това време милиони тонове органични съединения са били синтезирани годишно в отворите на газовите вулкани. За геологично кратко време (първите милиони години) на повърхността на планетата от редуващи се слоеве пепел и органични съединения беше изпечена пластова торта с дебелина няколко десетки метра.

Изобилието от органична материя беше втората необходима причина за раждането на живота на Земята. Но това не беше достатъчно. Какво друго?

Преди повече от сто години известният френски естествоизпитател Луи Пастьор открива, че органичните съединения в растенията и животните са оптически асиметрични – те въртят равнината на поляризация на падащата върху тях светлина. Всички аминокиселини, които изграждат животните и растенията, въртят равнината на поляризация наляво, а всички захари се въртят надясно. Ако синтезираме съединения с еднакъв химичен състав, тогава всяко от тях ще съдържа равен брой ляво- и дясно ориентирани молекули.

Сега си представете, че среда с леви и дясно ориентирани молекули е преминала в състояние само с леви или само дясно ориентирани молекули. Експертите наричат ​​такава среда хирално (от гръцката дума "cheira" - ръка) подредена. Самовъзпроизвеждането на живи същества (биопоеза - както е дефинирано от Д. Бернал) може да възникне и да се поддържа само в такава среда.

Съветският учен Л. Л. Морозов доказва, че преходът към хирален ред не може да се случи еволюционно, а само с рязка промяна на фазата. Академик В. И. Голдански нарече този преход хирална катастрофа. В края на краищата учените се различават от другите хора не само по знанията си. Всеки е свикнал да мисли, че катастрофата е нещо ужасяващо, а физиците нарекоха катастрофа феноменът, чрез който животът и в крайна сметка се появиха самите те.

Как са възникнали условията за фазовата катастрофа, която е причинила хиралния преход?

Най-важното беше, че долните слоеве на растящата пепелно-органична торта бяха изпържени върху земната кора, нагрята до 600, а горните се охладиха до температурата на космоса, тоест абсолютната нула. Температурната разлика достига 1000°. Ясно е, че дъното на пая е изгоряло, тоест органичните молекули са се стопили под въздействието на висока температура и дори са напълно унищожени, а горната част на пая е останала недопечена за момента, тъй като органичните молекули са замръзнали. . Разбира се, газовете и, вероятно, водните пари, които изтичаха от земната кора, промениха химичния състав на органичните съединения. Газовете пренасят топлина със себе си, което води до изместване на границата на топене на органичния слой нагоре и надолу.

При много ниско атмосферно налягане водата е била на земната повърхност само под формата на пара и лед. Когато налягането достигна така наречената тройна точка на водата (0,006 атмосфери), водата за първи път успя да съществува под формата на течност.

Разбира се, само експериментално може да се докаже какво точно е причинило хиралния преход: земни или космически причини. Но по един или друг начин, в един момент хирално подредените молекули (а именно лявовъртящи аминокиселини и дясновъртещи захари) се оказаха по-стабилни и започна неудържимо нарастване на броя им - хирален преход.

Каменната хроника ни казва още, че по това време на Земята не е имало нито планини, нито падини. Полуразтопената гранитна кора представляваше гладка повърхност като нивото на съвременния океан. Но в тази равнина все още имаше депресии поради неравномерното разпределение на масите вътре. Тези намаления изиграха изключително важна роля. Факт е, че вдлъбнатините с плоско дъно с диаметър стотици и дори хиляди километри и дълбочина не повече от сто метра вероятно са станали люлката на живота. В края на краищата водата, събрана на повърхността на планетата, се влива в тях. Водата разрежда хиралните органични съединения в слоя пепел. Химическият състав на съединението постепенно се променя и температурата се стабилизира. Преходът от безжизнено към живо, започнал в безводни условия, продължи във водна среда.

Това ли е сюжетът? произход на живота? Най-вероятно да. В геоложкия участък на Исуа (Западна Гренландия), който е на 3,8 милиарда години, са открити съединения, подобни на бензин и масло, с изотопно съотношение C12/C13, характерно за въглерода от фотосинтетичен произход. Ако биологичната природа на въглеродните съединения от секцията Isua се потвърди, тогава се оказва, че целият сюжет - от появата на хирални органични вещества до появата на клетка, способна на фотосинтеза и възпроизвеждане - се е разиграл само в сто милиона години.

Феномен с космически размери, предсказан с върха на писалката от съветски учени, очаква своето експериментално потвърждение, за да премине от категорията на смелите хипотези в категорията на почетните теории.