Жизнь на Земле зародилась более 3 млрд лет назад, со временем превратившись из простой бактериальной в невероятно сложную. Но как это произошло, — достоверно неизвестно до сих пор, есть только научные гипотезы. «Хайтек» рассказывает о самых удивительных и необычных из них (они могут противоречить общепринятому взгляду на то, как зародилась жизнь на Земле).

Около 4,5 млрд лет назад, когда возникла Земля, она была раскаленным безжизненным шаром. Сегодня же на ней в изобилии встречаются разные формы жизни. В связи с этим возникает вопрос: какие изменения происходили на нашей планете с момента ее образования и по сегодняшний день, и главное — как на безжизненной Земле появились первые одноклеточные?

Все началось с электрической искры

В 1953 году в Чикагском университете два ученых — Гарольд Юри, на тот момент уже Нобелевский лауреат, и Стэнли Миллер, аспирант — поставили уникальный эксперимент. Цель состояла в том, чтобы проверить идею о том, что сложные молекулы жизни (в данном случае аминокислоты) могли возникнуть на молодой планете в результате простых естественных химических реакций с участием разрядов молний. Стэнли Миллер смоделировал условия, которые были на древней Земле.

В лаборатории сконструировали специальный аппарат из стеклянной сферической колбы и трубок, в котором испаряющиеся вещества циркулировали бы по замкнутому контуру: охлаждались и вновь поступали в колбу. Миллер заполнил колбу газами, которые, по мнению Юри и русского биохимика Александра Опарина, присутствовали в атмосфере на заре формирования Земли. А именно — водяным паром, водородом, метаном и аммиаком. Также ученые имитировали тепло, воспользовавшись горелкой. Сверху ученые разместили вольфрамовые электроды, которые генерировали искровой разряд. Моделируя таким образом условия грозы в окрестностях действующего прибрежного вулкана, Миллер надеялся получить в ходе синтеза биологические молекулы.

Cложные молекулы жизни (в данном случае аминокислоты) могли возникнуть на молодой планете в результате простых естественных химических реакций с участием разрядов молний. Фото: shutterstock

И ему это удалось. Первичный анализ выявил в конечной смеси пять аминокислот. А более подробный, который ученые провели в 2008 году, показал, что эксперимент привел к образованию 22 аминокислот и пяти молекул аминов, которые Миллер просто не мог идентифицировать полвека назад. Теперь у ученых теперь есть основания полагать, что газы, используемые в моделировании Миллера — Юри, на самом деле не были такими же, как те, из которых состояла древняя атмосфера.

С тех пор другие исследователи провели десятки экспериментов, чтобы проверить широкий спектр атмосфер и различных условий окружающей среды, в которых может появиться жизнь. Результаты удивляют: молекулы жизни могут формироваться в самых разных условиях, а не только в тех, что характерны для древней Земли. Еще предстоит ответить на многие вопросы о происхождении жизни, но все это подтверждает главную мысль — первые живые клетки на Земле могли возникнуть в результате естественных химических реакций, а еще такие процессы не уникальны для нашей планеты.

Дарвин ошибался

В 1920-х годах советский биолог Александр Опарин выдвинул теорию «первичного бульона», согласно которой жизнь зародилась из произвольного соединения аминокислот, полипептидов, азотистых оснований и нуклеотидов под воздействием ультрафиолета или электрических разрядов. Все эти вещества накапливались в древнем океане и вступали в реакции между собой. Однако недавно биохимик Ник Лейн из Университетского колледжа Лондона выдвинул теорию о том, что жизнь образовалась не на поверхности океана, а в глубине, вблизи гидротермальных источников.

В ходе эксперимента, который он провел вместе с коллегами, выяснилось, что высокая температура и щелочная среда не препятствуют образованию протоклеток, а, напротив, способствуют ему. Теория глубоководных источников предполагает, что жизнь могла начаться в подводных гидротермальных источниках, которые выбрасывают богатые водородом молекулы. Поверхность этих скал, покрытая глиной, обеспечивала минеральные катализаторы для критических реакций. Даже сейчас эти источники, наполненные химической и термальной энергией, поддерживают разнообразные экосистемы.

Гидротермальные источники — одни из главных кандидатов на звание «колыбели жизни» / ©University College London/P. Rona / OAR/National Undersea Research Program (NURP); NOAA — NOAA Photo Library/

Исследователи из Университетского колледжа Лондона подтвердили возможность зарождения жизни на дне океана, вблизи глубоководных гидротермальных источников. В горячей морской воде они смогли вырастить протоклетки. Биологи показали, что протоклетки способны спонтанно образовываться в горячей щелочной среде, характерной для морской воды поблизости от гидротермальных источников океанов.

Это идет вразрез с теорией Дарвина и других ученых, считающих, что жизнь зародилась в мелких водоемах. Как писал ученый, организмы могли возникнуть в небольшом пруду, содержащем все необходимые вещества. В настоящее время такой процесс невозможен, поскольку все сложные органические вещества мгновенно поглощаются уже существующими живыми существами. Стоит отметить, что через год уже другие ученые провели исследование в пользу теории Дарвина.

При этом, согласно теории Стэнли Миллера, одного из авторов эксперимента Миллера — Юри, и его прежнего студента Джеффри Бада, аминокислоты и нуклеиновые кислоты, даже если бы и появились, почти сразу разрушились бы. Сахара бы расплавились. Жизнь никак не могла начаться в таком враждебном окружении. «Источники были бы важным инструментом разрушения, а не синтеза органических компонентов в примитивных океанах», — заявляли они.

Зачем нам знать, как появилась жизнь на Земле?

Как возникла жизнь на третьей каменистой планете, вращающейся вокруг ничем не примечательной звезды в центре Солнечной системы? Люди до сих пор ищут ответ на этот вопрос, и даже десятки исследований не дают точного ответа.

Ученые до сих пор пытаются понять, как появились аминокислоты. Фото: shutterstock

Может показаться, что нечто столь сложное, как жизнь, должно быть явлением невероятно редким и что для его возникновения, вероятно, потребовалось много времени. Но в 2015 году ученые доказали, что жизнь появилась на Земле на 300 млн лет раньше, чем считалось ранее. Это значит, что после формирования планеты на формирование жизни потребовалось всего 400 млн лет. По сравнению с возрастом планеты в 4,5 млрд это очень мало. Что это нам дает? Каждое новое исследование процессов формирования жизни на Земле упрощает для астробиологов поиск ее на других планетах. И если все доступные для наблюдений планеты безжизненны, так не будет длиться вечно и люди больше не будут одиноки.