Содержание
Как зародилась жизнь на Земле • Статьи на сайте издательства БОМБОРА
Гадей — период появления и формирования нашей планеты 4,6 — 4 миллиарда лет назад. Свежая Земля не была похожа на ту планету, к виду которой мы привыкли: сутки по 10 часов, огромная кривая Луна на небе, ядовитая атмосфера и совсем иные горные породы. Тем не менее, именно условия молодой Земли задали все наши особенности, химический состав наших тел, потребности и границы возможностей.
В первой части трилогии «Палеонтология антрополога» российский ученый Станислав Дробышевский рассказывает историю Земли в докембрии и палеозое: атмосферные особенности, древнейшие виды, зарождение жизни и ужасные катаклизмы.
Темные века
Первые этапы существования планеты покрыты непроглядным астрономическим мраком.
Общая космология гласит, что для нашего появления были необходимы:
- первые звезды
- образование в недрах красных гигантов тяжелых элементов
- взрывы сверхновых и разлет элементов по Вселенной
- собирание их в новые туманности, звезды и планетезимали
- формирование протопланетных дисков
- и слипание разрозненных ошметков в планеты.
Звезда по имени Солнце
Нашей Солнечной системе повезло: само Солнце не слишком холодное и не слишком горячее, а огромные планеты-гиганты на периферии защищают своей гравитацией внутренние области от астероидов и комет.
Образование Луны и атмосферы
Даже катастрофы были нам на пользу. Столкновение только что остывшей Протоземли с каким-то небесным телом размером с Марс оторвало огромный кусок, отлетевший в сторону и ставший Луной, которая с тех пор стала нашей дополнительной защитницей от астероидов.
От удара ось Земли перекосилась, что стало залогом смены времен года. Вулканическая активность создала атмосферу, а вода из падающих комет и выделяющийся из мантии планеты водяной пар сконцентрировались в океанах.
Жизнь из «первобытного бульона»
Возникновение жизни из неорганических составляющих называется абиогенезом. В школе поныне проходят абиогенез на примере теории А.И. Опарина — Дж. Холдейна: согласно ей, жизнь самозародилась в «первобытном бульоне» в виде коацерватных капель — сгустков, подобных водным растворам желатина.
На них воздействовали электрические разряды и ионизирующее излучение.
Современные представления о происхождении жизни гораздо более сложны. Отметим только отрадный факт: все ключевые моменты возникновения живого из неживого уже расшифрованы и по частям воспроизведены в лабораториях. Правда с нуля до целой клетки пока никто из экспериментаторов не дошел.
Преджизнь и РНК
Сейчас первые этапы преджизни называются «РНКовым миром». РНК — рибонуклеиновая кислота — это одна из трех основных макромолекул, которые содержатся в клетках всех живых организмов. Первыми действительно важными органическими молекулами были именно цепочки РНК.
Вероятно, уже после возникновения клеточной структуры появилась ДНК. Впрочем, есть версия, что ДНК была изобретена вирусами. Независимо от родословной, ДНК за счет своей двойной спирали оказалась гораздо более устойчивой и надежной, чем РНК, так что в качестве хранителя наследственной информации абсолютно РНК ДНК.
Наш предок «Лука»
В темные катархейские времена на планете возник «Лука».
LUCA — это англоязычная аббревиатура от «last universal common ancestor» — «последний универсальный общий предок».
Его существование вытекает из принципиального сходства всех современных живых существ и универсальности генетического кода, который, правда, не идеально универсальный, но исходно был все же единым.
Общество обмена генами
Так, из отличий архей и бактерий можно понять, что у Луки уже была ДНК, но не было системы репликации ДНК. Мембрана имелась, но не такая, как у современных организмов. Возможно, Лука был больше похож на блин, а не на шарик.
Вероятно, одного-единственного Луки, в общем-то, и не существовало, а было много изменчивых альтернативных версий, бурно эволюционировавших и щедро менявшихся обрывками генов путем горизонтального переноса.
За что мы должны быть благодарны Гадею?
Гадей задал нам условия жизни. В это время возникли основы основ – РНК и ДНК, белки и воспроизведение первых биологических комплексов и, возможно, первые клетки.
Наша углеродная основа, зависимость от воды, азота и фосфора, ключевые принципы обмена веществ и воспроизводства, распространения информации – все это наследие гадея, сплошное гадейство.
Расскажите всем, какую интересную статью вы нашли!
Палеонтология антропологаСтанислав Дробышевский
1033 ₽
Купить
Как зародилась жизнь на Земле? | Мир вокруг нас
Наша планета Земля появилась примерно 4.6 млрд лет назад. Полагают, что первые одноклеточные появились около 4 млрд лет назад. Как ученым найти их следы? В более поздние эпохи от наших древнейших предков, трилобитов, или динозавров оставались или окаменевшие кости, или хотя бы отпечатки в камне. А какие отпечатки могут остаться в древнейших камнях от бактерий?
Согласно принятым в наше время научным теориям, возникновение жизни началось с синтеза аминокислот.
В 1952 году американский ученый Стэнли Миллер попробовал воссоздать в специально созданной установке условия Земли эпохи до возникновения жизни, предполагая, что тогда в атмосфере должны были присутствовать аммиак, водород, углеводороды.
Для имитации древнего океана в одной из емкостей емкости было немного воды. Для имитации гроз, распространенных в те времена, там бушевали электрические разряды. Установка была запущена и некоторое время работала. Довольно долго, но уже никак не сотни миллионов лет, как на древнейшей Земле.
Эксперимент Миллера-Юри
Фото: ru.wikipedia.org
После выключения установки Стэн обнаружил, что вода стала желтой. Анализ показал, что в ней полно аминокислот, кирпичиков для создания рибонуклеиновых кислот (РНК), сложных молекул, являющихся основой земной жизни.
Процесс создания РНК из аминокислот очень сложен, но ведь и времени до возникновения первых простейших от момента возникновения Земли прошло очень много — 600 миллионов лет. Очень длительный и сложный процесс привел к появлению первой РНК.
В древнем океане, кроме аминокислот, были еще и жирные кислоты, которые в воде образуют сферические полости. В одну из таких полостей попала РНК. Она начала размножаться, используя для дублирования самой себя имевшиеся в воде аминокислоты. В конце концов, РНК в той полости стало две, они отталкивались друг от друга и, разорвав оболочку, поделили между собой ранее общую полость из жирных кислот. В океане оказалось две «пра-клетки».
Процесс деления клетки повторялся снова и снова. Клетки начали распространяться по всему океану, потребляя аминокислоты из воды. Потом научились производить необходимую энергию, используя доступные им в воде химические соединения.
Эпоха простейших в истории планеты продлилась более двух миллиардов лет. Затем простейшие научились жить вместе, образовав первые содружества клеток. Такие содружества существуют и сегодня.
Геологи давно начали идентифицировать в осадочных породах некие структуры, которые они назвали строматолитами («каменной подстилкой», или «прослойкой»). В разных местах земного шара в древнейших слоях отложений геологи находили похожие структуры. Их считали особенностью древних отложений.
А потом на западе Австралии, в заливе Шарк-бей, в очень солёной мелководной бухте Хамелин-Пул были найдены полные аналоги тех самых геологических структур, причем — живые. Обнаруженные строматолиты являлись результатами жизнедеятельности гигантских колоний бактерий, некоего «бактериального сообщества», жившего миллиарды лет назад и живущего и в наше время.
Воистину, самый древний живой организм, возраст которого составляет 2.7 миллиарда лет.
Современные строматолиты в заливе Шарк-Бэй в Западной Австралии
Фото: Paul Harrison, ru.wikipedia.org
Выглядят современные строматолиты как булыжники, покрытые слизью. Слизь эта — содружество цианобактерий, которые назвали «бактериальным матом». Те бактерии, что находятся в нижних слоях, вымирают и минерализуются, образуя все новые каменные слои строматолита.
По строматолитам архея ученые смогли понять, из чего состояла атмосфера в то время: из CO2, CO, Ch5, Nh4, h3S и инертных газов. Так было многие сотни миллионов лет.
Примерно 1.7 млрд лет назад бактерии освоили фотосинтез. Потом, около 1.2 млрд лет назад, и одноклеточные освоили фотосинтез — появились первые одноклеточные водоросли. Состав атмосферы Земли начал меняться, в ней появился свободный кислород. Жизнь начала развиваться и множиться.
От появления строматолитов до образования многоклеточных организмов было еще полмиллиарда лет, но процесс уже пошел.
Одноклеточные простейшие в ходе эволюции стали учиться жить большими колониями.
Теги:
возникновение жизни,
планета Земля,
история планеты,
эволюция
Как началась жизнь? | NSF
Еще до того, как Чарльз Дарвин предложил свою теорию эволюции в 1859 году, ученые всего мира пытались понять, как зародилась жизнь. Как неживые молекулы, покрывавшие молодую Землю, объединились, чтобы образовать самую первую форму жизни?
Химик Николас Хад работает над этой проблемой в Технологическом институте Джорджии более десяти лет. Он и его ученики обнаружили, что небольшие молекулы могли действовать как «молекулярные акушерки», помогая строительным блокам генетического материала жизни формировать длинные цепи и, возможно, помогать в выборе пар оснований двойной спирали ДНК.
Это открытие является важным шагом в попытке проследить эволюцию жизни от самого начала до самых ранних самовоспроизводящихся молекул.
«Мы работаем над тем, чтобы выяснить, как молекулы, подобные РНК и ДНК, впервые появились на Земле около 4 миллиардов лет назад, — сказал Хад. «Несколько лет назад мы предложили теорию о том, что небольшие простые молекулы служили матрицами для производства первых РНК-подобных молекул. Многие из этих небольших молекул, или молекулярных акушерок, должны были работать вместе для производства РНК путем спонтанного смешивания и сборка с химическими строительными блоками РНК».
В современной жизни РНК присутствует во всех клетках и отвечает за передачу генетической информации от ДНК к белкам. Многие ученые считают, что РНК или что-то похожее на РНК была первой молекулой на Земле, которая самореплицировалась и начала процесс эволюции, который привел к более продвинутым формам жизни, включая человека.
Недавно Хад и его команда сделали открытие, которое еще больше продвинуло их теорию о том, что определенные молекулы помогли сформироваться первым молекулам РНК и ДНК.
«Мы обнаружили, что молекула этидия может помочь коротким полимерам нуклеиновых кислот, известным как олигонуклеотиды, в формировании более длинных полимеров. Этидий также может выбирать структуру пар оснований, которые скрепляют две нити ДНК».
Одна из самых больших проблем при формировании полимера заключается в том, что по мере его роста два его конца часто реагируют друг с другом вместо того, чтобы образовывать более длинные цепи. Проблема известна как циклизация нитей. Хад и его исследовательская группа обнаружили, что, используя молекулу, которая может связываться между двумя соседними парами оснований ДНК, известную как интеркалятор, они могут соединять короткие фрагменты ДНК и РНК таким образом, что это помогает им создавать гораздо более длинные молекулы.
«Если у вас есть интеркалятор, вы можете получить полимеры. Без интеркалатора это не работает, это так просто», — объяснил Хад.
Хад и его команда также проверили, какое влияние могла оказать молекула акушерки на создание пар оснований Уотсона-Крика, составляющих структуру ДНК (пары A с T и пары G с C).
Они обнаружили, что соответствие пар оснований зависело от присутствия акушерки во время реакции. Этидий был наиболее полезен для формирования полимеров со специфическими парами оснований ДНК Уотсона-Крика. Другая молекула, которую они называют аза3-полимерами, в которых каждое основание А соединено с другим основанием А.
«В ходе нашего эксперимента мы обнаружили, что используемые нами молекулы акушерки оказывали прямое влияние на тип образующихся пар оснований, — сказал Хад. «Мы не говорим, что этидий был первой акушеркой, но мы показали, что принцип работы маленькой молекулы в качестве акушерки верен».
«Сейчас мы ищем молекулу, которая могла бы помочь в создании первых генетических полимеров, своего рода «бескорыстную» молекулу, которая не была частью первых генетических полимеров, но имела решающее значение для их образования», — сказал он. добавлен.
— Дэвид Террасо, Технологический институт Джорджии, [email protected]
Эта закулисная статья была предоставлена LiveScience в партнерстве с Национальным научным фондом.
7 Теории происхождения жизни
Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
(Изображение предоставлено: Getty Images)
Зарождение жизни на Земле началось более 3 миллиардов лет назад, эволюционирует из самых простых микробов в ослепительно сложный набор с течением времени. Но как первые организмы единственного известного дома жизни во вселенной развились из первобытного бульона?
Наука остается нерешенной и противоречивой относительно точного происхождения жизни, также известного как абиогенез. Даже само определение жизни оспаривается и переписывается: одно исследование, опубликованное в Журнале биомолекулярной структуры и динамики (открывается в новой вкладке), предлагает раскрыть 123 различных опубликованных определения.
Хотя наука все еще кажется неуверенной, вот некоторые из многих различных научных теорий о происхождении жизни на Земле.
Все началось с электрической искры
Молния во время летней грозы. (Изображение предоставлено Getty Images)
Молния, возможно, дала искру, необходимую для зарождения жизни. Электрические искры могут генерировать аминокислоты и сахара из атмосферы, насыщенной водой, метаном, аммиаком и водородом , как это было показано в знаменитом фильме Миллера. -Юрей эксперимент в 1952, согласно журналу Scientific American (открывается в новой вкладке). Результаты эксперимента показали, что молния могла помочь создать ключевые строительные блоки жизни на Земле в ее первые дни. За миллионы лет могли сформироваться более крупные и сложные молекулы.
Хотя исследования, проведенные с тех пор, показали, что ранняя атмосфера Земли была на самом деле бедна водородом, ученые предположили, что вулканические облака в ранней атмосфере могли содержать метан, аммиак и водород, а также были заполнены молниями, по данным Университета Калифорния (откроется в новой вкладке)
Молекулы жизни встретились на глине
Первые молекулы жизни могли встретиться на глине, согласно идее, разработанной химиком-органиком Александром Грэмом Кэрнсом-Смитом из Университета Глазго в Шотландии.
Кэрнс-Смит в своей противоречивой книге 1985 года «Семь ключей к происхождению жизни» предположил, что кристаллы глины сохраняют свою структуру по мере роста и слипаются, образуя области, подверженные воздействию различных сред, и улавливают другие молекулы. способ и организовать их в шаблоны, очень похожие на наши гены сейчас.
Ссылки по теме
Основная роль ДНК заключается в хранении информации о том, как должны быть организованы другие молекулы. Генетические последовательности в ДНК — это, по сути, инструкции о том, как аминокислоты должны располагаться в белках. Кэрнс-Смит предполагает, что кристаллы минералов в глине могли упорядочивать органические молекулы в организованные структуры. Через некоторое время органические молекулы взяли на себя эту работу и организовались.
Хотя теория Кэрнса-Смита, безусловно, дала ученым пищу для размышлений в 1980-х годов, она до сих пор не получила широкого признания в научном сообществе.
Жизнь зародилась в глубоководных источниках
Глубоководный гидротермальный источник в Тихом океане.
(Изображение предоставлено Getty Images)
Теория глубоководных жерл предполагает, что жизнь могла зародиться в подводных гидротермальных жерлах, извергающих ключевые для жизни элементы, такие как углерод, и водород-, согласно журналу Nature Reviews Microbiology (открывается в новом выпуске). вкладку).
Гидротермальные жерла можно найти в самых темных глубинах дна океана, как правило, на расходящихся континентальных плитах, по данным Музея естественной истории . Эти жерла извергают жидкость, которая перегревается ядром Земли по мере прохождения через земную кору, а затем выбрасывается в вакууме. Во время своего путешествия через земную кору он собирает растворенные газы и минералы, такие как углерод и водород.
Их каменистые укромные уголки могли затем сконцентрировать эти молекулы вместе и обеспечить минеральные катализаторы для критических реакций. Даже сейчас эти источники, богатые химической и тепловой энергией, поддерживают живые экосистемы.
Абиогенез посредством гидротермальных жерл продолжает исследоваться как возможная причина жизни на Земле.
В 2019 году ученые из Университетского колледжа Лондона успешно создали протоклетки (неживые структуры, помогающие ученым понять происхождение жизни) в таких же жарких и щелочных условиях окружающей среды, как и в гидротермальных источниках.
У жизни было холодное начало
Лед мог покрыть океаны 3 миллиарда лет назад и способствовать зарождению жизни. «Ключевые органические соединения, которые считаются важными в происхождении жизни, более стабильны при более низких температурах», — сказал Джеффри Бада из Калифорнийского университета в интервью New Scientist . При нормальных температурах эти соединения, такие как простые наборов аминокислот, малочисленны в воде, но при замерзании концентрируются и способствуют возникновению жизни, согласно работе Бада, опубликованной в журнале I carus (откроется в новой вкладке).
Лед также мог защищать хрупкие органические соединения в воде внизу от ультрафиолетового света и разрушения от космических ударов.
Холод мог также помочь этим молекулам выжить дольше, позволив протекать ключевым реакциям.
Ответ заключается в понимании формирования ДНК
Иллюстрация двойной спирали молекулы ДНК. (Изображение предоставлено Getty Images)
В настоящее время ДНК требуется белков , чтобы сформироваться, а белкам для образования требуется ДНК, так как же они могли образоваться друг без друга? Ответ может быть РНК , которая может хранить информацию, такую как ДНК, служить ферментом , подобным белкам, и помогать создавать как ДНК, так и белки, согласно журналу Molecular Biology of the Cell . Позднее ДНК и белки пришли на смену этому «миру РНК», потому что они более эффективны.
РНК все еще существует и выполняет несколько функций в организмах, в том числе действует как выключатель для некоторых генов. До сих пор остается открытым вопрос, как РНК вообще попала сюда. Некоторые ученые считают, что молекула могла спонтанно возникнуть на Земле, в то время как другие говорят, что это маловероятно.
У жизни было простое начало
Вместо того, чтобы развиваться из сложных молекул, таких как РНК, жизнь могла начаться с более мелких молекул, взаимодействующих друг с другом в циклах реакций. Они могли содержаться в простых капсулах, похожих на клеточные мембраны, и со временем могли развиться более сложные молекулы, которые выполняли эти реакции лучше, чем более мелкие, сценарии, получившие название моделей «сначала метаболизм», в отличие от моделей «сначала гены». Модель гипотезы «мира РНК».
Жизнь была занесена сюда откуда-то из космоса
Могла ли жизнь быть доставлена на Землю из космоса? (Изображение предоставлено Getty Images)
Возможно, жизнь вообще не зародилась на Земле, а была принесена сюда из другого места в космосе, согласно НАСА, это явление известно как панспермия . Например, камни регулярно выбрасываются с Марса в результате космических ударов, а на Земле было обнаружено несколько марсианских метеоритов, которые, по неоднозначным предположениям некоторых исследователей, принесли сюда микробы, потенциально сделавшие всех нас изначально марсианами.
Другие ученые даже предположили, что жизнь могла зайти автостопом на кометах из других звездных систем. Однако, даже если бы эта концепция была верна, вопрос о том, как зародилась жизнь на Земле, изменился бы только на вопрос о том, как зародилась жизнь в другом месте в космосе.
Дополнительные ресурсы
Для получения дополнительной информации о теориях происхождения жизни ознакомьтесь с книгами «Лестница к жизни: проверка реальности происхождения жизни» (откроется в новой вкладке) «Change Laura Tan» и «Тайна происхождения жизни» ( открывается в новой вкладке)» Чарльза Б. Такстона и др.
Библиография
Мэтью Леви и др., «Пребиотический синтез аденина и аминокислот в условиях Европы», Icarus, том 145, июнь 2000 г., https://doi.org/10.1006/icar.2000.6365 (открывается в новом вкладка)
Уильям Мартин, «Гидротермальные источники и происхождение жизни», Nature Reviews Microbiology, том 6, сентябрь 2008 г., https://doi.org/10.1038/nrmicro1991 (открывается в новой вкладке)
К.