Как зародилась жизнь?

Где зародилась жизнь? Каким образом она усложнилась? Что заставило организмы вырасти? Три переломных эпизода ранней истории Земли, когда эволюция вдруг резко набрала темп, причём по причинам, которые до сих пор остаются неясными.

Жизнь на Земле удивляет своим разнообразием: здесь соседствуют муравьи и слоны, лягушки и синие киты, тюльпаны и секвойи, а также одна из ветвей человекообразных обезьян, к которой принадлежим мы, люди. При этом всех их роднит биохимия, прежде всего единые механизмы передачи наследственной информации: ДНК и РНК, своего рода универсальные своды инструкций для любого живого существа.

Проследив эти биохимические нити далеко в прошлое, многие учёные пришли к выводу, что все живые организмы восходят к так называемому последнему универсальному общему предку (Last Universal Common Ancestor), или LUCA. Он возник 4–4,5 миллиарда лет назад, когда сама Земля уже оформилась из газа и каменных обломков молодой Солнечной системы. Вероятно, мы так и не узнаем наверняка, как этот предок появился из первичного бульона. Ископаемых останков, позволяющих заглянуть в тот момент, не сохранилось, а сравнивать исследователям не с чем: Земля по-прежнему остаётся единственным известным нам местом во Вселенной, где есть жизнь.

Если оставить в стороне вопрос «как?», остальные загадки поддаются изучению чуть легче. Ниже рассказано о трёх ключевых поворотных точках в эволюции жизни на нашей планете.

4 миллиарда лет назад

Где впервые возникла жизнь?

Когда речь заходит о происхождении жизни, учёные согласны друг с другом крайне редко. Нет единства и в том, где она могла возникнуть: на поверхности планеты или в глубинах океана.

«Ответить на эти вопросы непросто, — отметила Джоанна Мазел, профессор эволюционной биологии Аризонского университета. — Данные фрагментарны, поэтому и возникают споры».

С одной стороны выступают сторонники гипотезы первичного бульона: по их мнению, жизнь появилась благодаря естественным химическим реакциям в древних водоёмах Земли, где накопилась смесь органических соединений.

Эту мысль в 1871 году высказал Чарльз Дарвин, допустив, что жизнь могла начаться в «каком‑нибудь маленьком тёплом пруду». Он полагал, что под действием природных источников энергии, например тепла и электричества, простые химические вещества могли объединиться в молекулы, «готовые претерпевать ещё более сложные изменения». В итоге это привело бы к рождению первой формы жизни — крошечного мешочка с химическими веществами, умеющего делиться и воспроизводить самого себя.

Первое серьёзное экспериментальное испытание гипотеза выдержала в 1953 году. Стэнли Л. Миллер, тогда ещё аспирант Чикагского университета, залил в колбу воду и добавил аммиак, метан и водород — газы, которые, как считалось, в избытке содержались в ранней атмосфере Земли.

Имитируя молнии, он пропускал сквозь эту смесь электрические разряды. Спустя несколько дней из простых молекул возникли аминокислоты — «кирпичики» белков и, по сути, всего живого на планете.

Тем не менее дальше аминокислоты не усложнялись, а первоначальный восторг угас, когда учёные пересмотрели свои представления о составе первичной атмосферы. Через несколько лет аминокислоты нашли в метеоритах. Это навело на мысль, что компоненты жизни могли прибыть на Землю из космоса, а значит, появился ещё один довод против гипотезы первичного бульона.

Другой лагерь отстаивает идею глубоководного происхождения жизни. В 1977 году американские исследователи, изучавшие дно Тихого океана, обнаружили совершенно незнакомый мир вулканических гидротермальных источников и необычных экосистем, в том числе зловещие скопления белых трубчатых червей. Эти существа получали энергию не от солнечного света, на котором держатся наземные экосистемы, начиная с растений, а от химических веществ, которые выбрасывали горячие источники.

По мере того как находили всё новые глубоководные сообщества, учёные стали допускать, что жизнь на Земле могла зародиться в океанской толще. Там её питал непрерывный приток тёплой воды, насыщенной химическими веществами, а слой воды над головой защищал от опасных космических тел и излучения, обрушивавшихся на поверхность юной планеты.

В последние годы новые находки добавили аргументов обеим сторонам.

Так, в 2009 году Джон Д. Сазерленд, химик из Манчестерского университета в Англии, описал новый механизм, согласно которому молекулы жизни могли самопроизвольно формироваться на поверхности первобытной Земли под действием ультрафиолета Солнца. А в 2017 году исследование минеральных отложений в Австралии показало, что колыбелью древнейших следов жизни могли стать горячие источники на суше. В 2024 году авторитетная группа учёных твёрдо поддержала этот вывод.

Вместе с тем теория глубоководных гидротермальных источников тоже получила свежие подтверждения. Этим летом команда исследователей под руководством учёных из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе (Германия) выдвинула предположение, что в числе химических веществ, доступных на глубине, были такие металлы, как никель, кобальт и палладий. Авторы полагают, что эти металлы могли выступать катализаторами и помогать древнейшим формам жизни выстраивать метаболические пути.

По словам доктора Мазел, накапливающиеся данные говорят о том, что в итоге правы могут оказаться обе стороны.

«Совсем не обязательно искать единственный ответ, — сказала она. — Не исключено, что жизнь возникла и у гидротермальных источников, и в маленьком тёплом пруду».

Она добавила, что жизнь могла независимо зарождаться в разных экологических нишах, которые на протяжении многих эпох были отрезаны друг от друга.

«Судя по всему, самые ранние события разворачивались очень и очень стремительно. Это говорит о том, что возникновение первой жизни не было самым трудным этапом, — отметила она. — Возможно, зарождение жизни оказалось проще, чем мы предполагали».

Уильям Дж. Брод

2 миллиарда лет назад

Как жизнь стала сложной?

Примерно два миллиарда лет назад на Земле появился новый тип клеток, куда более крупных и сложных, чем все существовавшие до того микроорганизмы. Из этих эукариотических клеток сегодня построены наши тела, а также тела прочих животных, растений и грибов. Откуда взялся этот тип клеток, по-прежнему остаётся одной из величайших загадок биологии.

Слово «эукариотический» восходит к греческому выражению, означающему «настоящее ядро», и указывает на клеточное ядро — отсек, в котором хранится ДНК эукариотических клеток. Кроме него, в таких клетках есть множество других важных структур, среди них тысячи митохондрий, вырабатывающих энергию. Большой объём эукариотической клетки удерживает каркас, который можно быстро разбирать и собирать заново. Он же играет роль внутренней транспортной сети: по ней пакеты молекул стремительно перемещаются из одного клеточного отсека в другой.

Для сравнения: одноклеточный микроорганизм вроде кишечной палочки Escherichia coli устроен намного проще. У него нет ни митохондрий, ни каркаса, ни ядра. Это прокариот, то есть организм без оформленного клеточного ядра.

Все эукариоты, то есть организмы, состоящие из эукариотических клеток, происходят от общего предка, который в свою очередь вышел из древних прокариот. Первые эукариоты были одноклеточными простейшими, а возраст их древнейших известных окаменелостей — 1,8 миллиарда лет. Насколько раньше они возникли, учёные сказать не могут.

Важные подсказки об этом переходе дают современные организмы. За последнее десятилетие исследователи открыли группу микроорганизмов, названных асгардами: у них есть многие, хотя и не все, отличительные черты эукариот. Например, у них имеется клеточный скелет, помогающий им ползать, но нет ни ядра, ни митохондрий.

Согласно современным представлениям, асгарды произошли от предшественников эукариот. Древние организмы, напоминавшие асгардов, обзавелись некоторыми эукариотическими признаками благодаря обычному естественному отбору: мутации изменяли их клетки и давали преимущества, которые затем передавались потомкам вплоть до наших дней.

Но клетки развивались и иными путями.

Древние эукариоты жили в тесном соседстве с другими микроорганизмами и вступали с ними в экологическое партнёрство. Такая близость позволяла ранним предкам асгардов и эукариот перехватывать гены партнёров и встраивать их в собственные геномы.

Подобный обмен мог начаться около трёх миллиардов лет назад и продолжаться сотни миллионов лет. Недавние исследования говорят о том, что самый последний обмен, приведший к появлению эукариот, оказался и самым впечатляющим. Около 2,25 миллиарда лет назад один из видов бактерий навсегда обосновался внутри клеток, похожих на асгардов, и стал использовать собственный метаболизм для снабжения клеток-хозяев энергией. Эти бактерии начали передаваться от одного поколения хозяев к другому и в ходе эволюции превратились в наши митохондрии.

Общие контуры истории возникновения эукариот постепенно проступают, однако многие её страницы пока остаются чистыми. К примеру, учёным всё ещё неизвестно, как именно сошлись воедино все компоненты, образующие клеточное ядро.

Неясно и другое: почему слияние микроорганизмов, судя по всему, привело к появлению крупных сложных клеток лишь однажды за всю историю жизни. Потребовалось ли для этого какое-то исключительно редкое стечение обстоятельств? Или эволюция ставила и другие опыты по созданию сложных организмов, которые давным-давно закончились вымиранием?

Одно очевидно: с появлением эукариотических клеток Земля уже не могла остаться прежней. От коралловых рифов и гигантских кальмаров до амазонских тропических лесов и огромных стад антилоп гну в африканской саванне — эукариоты породили всё живое, что мы видим вокруг, включая того, кто смотрит на нас из зеркала.

Карл Циммер

580 миллионов лет назад

Почему живые организмы стали большими?

Появление эукариот заложило эволюционную основу для коралловых рифов и стад антилоп гну, но пройти предстояло ещё очень долгий путь, прежде чем жизнь совершила скачок в размерах.

Следующий миллиард лет нередко называют «скучным миллиардом». Эволюция словно замерла: жизнь оставалась почти целиком микроскопической. Даже тектонические плиты как будто взяли передышку, и на континентах не появлялось гор. А потом, около 720 миллионов лет назад, мир словно обезумел.

Сначала Земля целиком замёрзла: ледяная корка закрыла океанам доступ солнечному свету и остановила фотосинтез. За исключением десятимиллионолетнего потепления в середине этого периода, планета 85 миллионов лет оставалась сияющим белым снежным комом, а не голубым шаром.

Учёных поражает, что жизнь не исчезла совсем. Более того, после этой долгой эпохи мрака случился загадочный рывок в размерах и сложности организмов.

«Это совершенно безумный отрезок истории Земли, самый невероятный из всех, что нам известны, — сказал Ник Баттерфилд, палеобиолог из Кембриджского университета. — В начале мы видим старый, унылый, скучный мир микробов, а в конце, после двух грандиозных оледенений, внезапно появляются животные, да и сами микробы тоже преображаются».

Перемены оказались настолько разительными, что в 2006 году учёные выделили для этих событий отдельный геологический период — эдиакарий. Он начался около 635 миллионов лет назад, с отступлением «Земли-снежка», и закончился примерно 540 миллионов лет назад, с наступлением кембрия.

Гай Нарбонн, геолог из Университета Куинс в Онтарио (Канада), изучал окаменелости крупных мягкотелых животных эдиакарского периода в местонахождении Мистейкен-Пойнт на юго-востоке Ньюфаундленда. Среди этих существ были рангеоморфы — морские животные, похожие на пальмовые листья и выраставшие до роста современного баскетболиста. Другие имели округлую форму и были размером с монету. Некоторые, возможно ранние губки, напоминали конусы.

Доктор Нарбонн объясняет всё достаточно просто: повсеместные ледники, двигаясь по поверхности планеты, дробили горные породы. Когда ледники отступили, образовавшиеся осадки смыло в океан, что вызвало бурное размножение водорослей. Это подняло уровень кислорода и сделало возможным более интенсивный обмен веществ, необходимый крупным организмам.

«Не представляю лучшего способа удобрить океаны, чем таяние ледников после завершения оледенения», — заявил доктор Нарбонн.

Эндрю Нолл, палеонтолог из Гарвардского университета, тоже считает, что эволюционный рывок эдиакария обеспечил именно кислород. Однако, по его мнению, совпадение по времени с эпохой «Земли-снежка» было случайным. Он указывает на возобновление тектонической активности в конце «скучного миллиарда», благодаря которой выросли горы, сопоставимые по масштабу с Гималаями.

По словам доктора Нолла, по мере разрушения этих гор в океаны попадал фосфор, стимулировавший бурный рост фотосинтезирующих морских микроорганизмов. Затем появились хищники, начавшие поедать более мелких существ. Это положило начало эволюционной гонке вооружений, в которой организмы росли, чтобы не стать чьей-то добычей.

Впрочем, часть учёных сомневается в кислородной гипотезе. Один из них — Дональд Кэнфилд, геохимик из Университета Южной Дании, чей анализ часто приводят как доказательство роста уровня кислорода в раннем эдиакарии.

«Моё мнение немного изменилось», — признался доктор Кэнфилд. Теперь он полагает, что содержание кислорода в атмосфере Земли тогда было низким, но заметным и стабильным: около 4–10 процентов от нынешнего.

Доктор Баттерфилд, в свою очередь, уверен, что учёные смотрят на проблему с обратной стороны. Он допускает, что сложные животные начали возникать ещё до эпохи «Земли-снежка», а не после неё, просто из-за накопления случайных генетических мутаций. По его словам, эта эволюционная революция перевернула пищевые цепи, изменила химию океанов, привела к изъятию углекислого газа из атмосферы и в конце концов погрузила планету в ледяное оцепенение. Не «Земля-снежок» породила крупные формы жизни, а крупные формы жизни заморозили Землю.

«На мой взгляд, самое возмутительное с экологической точки зрения явление, которое когда-либо обрушивалось на эту планету, — сказал доктор Баттерфилд, — это животные».

Кеннет Чанг

 

Источник