Как возникла жизнь?
Где-то на молодой Земле химия стала биологией. Мы до сих пор не знаем как.
Вопрос
Всё живое, что мы знаем, происходит от другого живого. И всё же около четырёх миллиардов лет назад жизни на Земле не было, а потом она появилась. В какой-то момент молекулы, просто следовавшие законам химии, превратились в нечто, способное копировать себя, использовать энергию и эволюционировать.
В 1860-х годах Луи Пастер показал, что жизнь не возникает сама собой в колбе с бульоном. Это закрыло вопрос для сегодняшнего мира, но обострило его для прошлого: если жизнь происходит только от жизни, откуда взялась первая? В 1924 году Александр Опарин, а вскоре и Джон Холдейн предположили, что она шаг за шагом возникла из простой химии в древних океанах. Спустя столетие мы можем назвать многие шаги, но не весь путь.
Что известно
- Земля образовалась около 4,5 миллиарда лет назад. Довольно убедительным следам жизни — слоистым структурам, построенным микробами, — около 3,5 миллиарда лет, а некоторые исследователи отстаивают и более древние признаки. Похоже, жизнь появилась сравнительно скоро после того, как планета стала пригодной для неё.
- Вся нынешняя жизнь использует один генетический код, одни и те же основные молекулы и общую химию. Она происходит от последнего универсального общего предка, который уже был сложной клеткой. Некоторые недавние анализы относят его ко времени более четырёх миллиардов лет назад.
- Строительные блоки образуются легко. В 1953 году Стэнли Миллер пропускал искры через смесь газов и воды и получил аминокислоты. Аминокислоты и другие органические молекулы нашли в метеоритах и в образцах, доставленных с астероидов.
- РНК может и хранить информацию, как ДНК, и ускорять химические реакции, как белки. В 2009 году группа Джона Сазерленда показала, как некоторые строительные блоки РНК могли образоваться в правдоподобных для ранней Земли условиях, причём путём, которого никто не ожидал.
- Простые жирные молекулы сами собой образуют мембраны и пузырьки, которые могут расти и делиться. Исследователи создали такие «протоклетки» с РНК внутри.
Основные гипотезы
Мир РНК
До ДНК и белков жизнь могла опираться только на РНК: молекулы, которые копировали себя и сами катализировали свою химию. Это самая распространённая схема. Её проблема в том, что никому пока не удалось получить молекулу РНК, которая копирует себя достаточно хорошо, чтобы эволюционировать.
Сначала метаболизм
Возможно, первыми были самоподдерживающиеся циклы химических реакций, а генетические молекулы появились позже. Любимое место действия этой гипотезы — глубоководные гидротермальные источники с естественными перепадами энергии и минералами, работающими как катализаторы.
Тёплые лужицы
Старая идея Дарвина в современном виде: мелкие водоёмы на суше, где многократное высыхание и намокание концентрирует молекулы и помогает им соединяться в цепочки, чего трудно добиться в открытом океане.
Системная химия
Возможно, никакой класс молекул не был первым. Нуклеиновые кислоты, белки и мембраны могли возникнуть вместе, из общей химии, и с самого начала поддерживать друг друга.
Где заканчивается понимание
Многие детали мы умеем делать. Не умеем мы перейти от деталей к системе, которая начинает эволюционировать сама. Пробел лежит между химической смесью и первым объектом, к которому применима дарвиновская эволюция, — и мы не знаем, где был этот порог и что переступило его первым.
Внутри него есть загадки поменьше. Жизнь использует молекулы только одной «руки», левой или правой, а химия даёт обе поровну; как был сделан выбор, неясно. Цепочке реакций, ведущей к РНК, на разных шагах нужны разные условия, и непонятно, как одно место на ранней Земле могло обеспечить их все.
И история почти стёрта. Породы старше примерно четырёх миллиардов лет почти не сохранились, так что прямых следов перехода мы можем никогда не найти. А имея лишь один пример жизни, мы не можем сказать, было ли её возникновение почти неизбежным или невероятной случайностью.
Что могло бы дать ответ
- Созданная в лаборатории из правдоподобных для ранней Земли веществ химическая система, которая копирует себя с изменениями и начинает эволюционировать.
- Геологические свидетельства об условиях на ранней Земле и о первых стадиях жизни.
- Жизнь, найденная в другом месте: на Марсе, спутниках Юпитера или Сатурна или дальше. Второе, независимое возникновение показало бы, легко ли появляется жизнь, а сравнение двух показало бы, что в ней необходимо, а что случайно.
Источники
- Miller, S. L. (1953). A production of amino acids under possible primitive Earth conditions. Science, 117(3046), 528–529.
- Gilbert, W. (1986). Origin of life: The RNA world. Nature, 319(6055), 618.
- Szostak, J. W., Bartel, D. P., & Luisi, P. L. (2001). Synthesizing life. Nature, 409(6818), 387–390.
- Martin, W., & Russell, M. J. (2003). On the origins of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences, 358(1429), 59–85.
- Powner, M. W., Gerland, B., & Sutherland, J. D. (2009). Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature, 459(7244), 239–242.
- Weiss, M. C., et al. (2016). The physiology and habitat of the last universal common ancestor. Nature Microbiology, 1(9), 16116.
- Moody, E. R. R., et al. (2024). The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system. Nature Ecology & Evolution, 8(9), 1654–1666.