Жизнь на Земле зародилась приблизительно 4,1 – 3,7 миллиарда лет назад

Согласно представлениям, которые в настоящее время считаются в научном сообществе более или менее «общепринятыми» или, по крайней мере, «консенсусными», жизнь на Земле зародилась приблизительно 4,1 – 3,7 миллиарда лет назад. Предполагается, что возникновению жизни предшествовала длительная химическая эволюция, которая в условиях отсутствия в атмосфере свободного кислорода и других активных окислителей, привела к накоплению значительного количества абиогенных по своему происхождению органических веществ и возникновению т.н. «первичного бульона». В условиях высоких температур в богатых минеральными солями вулканических озёрах (или, согласно другой гипотезе, под действием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов) из аммиака, метана, водорода, углекислого газа, монооксида углерода и воды могли образовываться и постепенно накапливаться сначала простейшие углеводородные полимеры типа алканов и их производных, а затем и более сложные органические вещества: углеводы, липиды, аминокислоты, формальдегид, полициклические ароматические углеводороды, пуриновые и пиримидиновые азотистые основания.

В течение многих десятилетий неразрешимая проблема теории эволюции состояла в том, что гипотетически возникшая в результате абиогенного синтеза пептидная молекула (то есть полимер аминокислот), даже если бы её последовательность случайно оказалась функциональной, и она обладала бы ферментативной активностью, сама по себе не смогла бы воспроизводиться, не имея ДНК-матрицы. С другой стороны, если предположить, что первичной в возникновении жизни была молекула не пептида, а ДНК, то и она не могла бы воспроизводиться без готового сложнейшего ферментативного комплекса белков-полимераз. Предположить, что уже функционально активная полимераза и кодирующая её молекула ДНК возникли одновременно и независимо, а потом сами собой встретились, было бы очевидной натяжкой. Более того, весьма неправдоподобно выглядит даже предположение, что случайным образом могла самопроизвольно синтезироваться такая молекула ДНК, последовательность которой оказалась бы кодирующей белок с активностью ДНК-полимеразы, не говоря уже о том, что потребовалась ещё бы ещё и самопроизвольно собравшаяся рибосома и весь комплекс белков трансляции.

Выходом из этой, казалось бы, неразрешимой ситуации стала т.н. гипотеза мира РНК, согласно которой исходной, давшей начало жизни молекулой была РНК-подобная молекула, способная сочетать в себе способность к репликации с ферментативной активностью в качестве рибозима. Такая молекула, будучи сама себе и матрицей, и полимеразой, могла начать самореплицироваться, используя и в качестве готовых строительных блоков, и в качестве источника энергии для их сборки органические соединения окружающего «первичного бульона». В свою очередь, возникновение первой РНК-подобной молекулы, слишком сложной для «случайной» самосборки, объясняется дополнительными гипотезами типа гипотезы предшествовавшего миру РНК мира полиароматических углеводородов и др.

В любом случае, возникновение молекулы, сочетающей в себе свойства матрицы для саморепликации и фермента с полимеразной активностью, уже было бы вполне достаточно для начала эволюции. Далее уже не столь сложно представить себе, с одной стороны, попадание такой РНК или РНК-подобной молекулы в изолированное пространство, ограниченное липидной протомембраной (или же её исходное возникновение уже в таком пространстве), а, с другой стороны, возникновение механизма полимеризации аминокислот в пептиды на её матрице. С последующей их совместной эволюцией и естественным отбором РНК по признаку способности кодировать всё более и более функционально «осмысленные» молекулы белка.

Поскольку первичные репликаторы (причём не важно до или после возникновения первой прокариотической клетки) и в качестве строительного материала, и в качестве источника энергии, вероятно, использовали органические молекулы «первичного бульона», логично предположить, что этот «бульон» стал истощаться. Это особенно важно с учётом того, что органические молекулы в качестве строительных блоков не могли переходить от одной протоживой системы к другой без потерь, поскольку они же, по-видимому, были и источником энергии. В современной биосфере, например, в соответствии с правилом Линдемана при переходе вверх по пищевой цепи усваивается для производства собственной массы лишь порядка 10% съеденной биомассы, остальное расходуется на движение, поддержание гомеостаза, энергию для биохимических перестроек и т.д.

В случае, если такая реконструкция событий верна, уже на заре своего возникновения жизнь должна была столкнуться с первым очень серьёзным кризисом: поддерживать своё существование она могла только за счёт необратимого истощения наработанных миллионами лет абиогенного синтеза ресурсов. Таким образом, только что возникшая жизнь, подобно «свинье под дубом», подрывала источник собственного существования, что, на первый взгляд, неизбежно должно было закончиться коллапсом: съев весь «первичный бульон», а затем, возможно, друг друга, первичные живые организмы или даже ещё протоорганизмы должны были в итоге погибнуть.

Выходом из этого предполагаемого первого глобального кризиса жизни стало возникновение автотрофности, то есть способности к синтезу органических соединений из неорганических, причём за счёт энергии, не связанной с окислением органики. Известно два принципиально возможных типа такого синтеза, различающихся по источнику энергии: хемосинтез и фотосинтез. В случае хемосинтеза живой организм (в данном случае клетка бактерии или археи) синтезирует органические вещества из углекислого газа и воды за счёт энергии окисления неорганических веществ, таких как соли двухвалентного железа, аммиак, водород, сероводород, тиосульфаты, сульфиты, сульфиды и молекулярная сера. В случае фотосинтеза источником энергии для синтеза органических веществ из углекислого газа и воды выступает солнечный свет. При этом существуют различные формы фотосинтеза, в том числе и аноксигенные, то есть не связанные с образованием молекулярного кислорода, но именно оксигенный фотосинтез оказался в итоге наиболее эффективным. Однако оксигенный фотосинтез оказался причиной второго глобального кризиса, с которым столкнулась жизнь – так называемой кислородной катастрофы.

Дело в том, что молекулярный кислород, который сейчас воспринимается нами как необходимый источник жизни, для ранних форм жизни был сильным ядом. Жизнь возникла и изначально развивалась в восстановительной среде. В истории развития жизни оксигенный фотосинтез возник достаточно рано. В течение весьма длительного времени молекулярный кислород, образующийся в процессе оксигенного фотосинтеза, успешно поглощался, окисляя соединения двухвалентного железа и другие восстановленные вещества. Однако, в конце концов, восстановительные ресурсы тогдашней атмосферы и верхних слоёв литосферы оказались исчерпаны, и произошло резкое по геологическим меркам нарастание концентрации кислорода. Появление и поступательное накопление в атмосфере Земли агрессивного окислителя, способного окислять, в том числе, и органические вещества, действительно стало настоящей катастрофой для тогдашней анаэробной биосферы (дискуссии про то, была ли кислородная катастрофа единовременным событием, или вместо неё был длительный постепенный процесс, я знаю, но здесь для простоты изложения их опускаю).

Здесь, кстати, совершенно уместна аналогия с современной нам техногенной цивилизацией: в обоих случаях жизнь, освоив новый для себя источник энергии, осуществляет взрывное развитие, попутно отравляя окружающую среду отходами своей жизнедеятельности и нисколько не заботясь о последствиях. Лишь столкнувшись с вызванной ею катастрофой, она вынуждена адаптироваться к новым условиям, которые сама же и породила в качестве побочных продуктов своего развития. В этом смысле противопоставление «искусственной», «мёртвой» и «агрессивной» человеческой техногенной цивилизации некой «естественной природе», якобы пребывающей в вечной гармонии и равновесии, совершенно надумано: неразумность человечества в данном случае совершенно естественна и буквально копирует поведение любого другого вида живых существ. Напротив, как раз разумное поведение, исходящее из предвидения ещё не наступивших последствий и попытки их предотвратить, можно было бы с определёнными оговорками признать поведением «неестественным», то есть отличающимся от всеобщего принципа поведения всех других форм жизни.

Впрочем, как мы уже хорошо знаем, отравление атмосферы кислородом, приведшее, среди прочего, ещё и к колоссальным по своему масштабу геологическим и климатическим последствиям, не привело жизнь к самоуничтожению. Напротив, в новых сложившихся условиях возникли совершенно новые формы жизни и принципиально новые схемы метаболизма. Возникло аэробное дыхание, оказавшееся в итоге гораздо более эффективным и задавшее магистральный путь дальнейшей эволюции. Привычность этого метаболического пути мешает оценить степень эволюционной приспособляемости жизни. Проводя опять-таки аналогию с современным развитием техногенной цивилизации, возникновение аэробного дыхания можно уподобить тому, как если бы какие-то формы жизни приспособились дышать выбросами химических предприятий или усваивать энергию излучения радиоактивных отходов.

Источник: vk.com

Комментарии: