Содержание
Как появилась жизнь
Дарвин честно признавался: он не может дать ответ на вопрос, почему в ископаемой летописи старше примерно полумиллиарда лет не обнаружено никаких следов живых существ. Потом наука отыскала свидетельства жизни на 3 млрд лет старше. Однако живое отделилось от неживого раньше, и осязаемых следов этого события, похоже, не существует.
Михаил Федонкин
Именно поэтому таинство возникновения жизни, которое не может быть изучено на ископаемых материалах, является предметом теоретических и экспериментальных изысканий и проблемой не столько биологической, сколько геологической. Можно смело сказать: истоки жизни находятся на другой планете. И дело вовсе не в том, что первые биологические существа были принесены к нам из космоса (хотя подобные гипотезы и обсуждаются). Просто та, ранняя Земля была очень мало похожа на нынешнюю.
Великолепная метафора для понимания сущности жизни принадлежит знаменитому французскому естествоиспытателю Жоржу Кювье, который уподобил живой организм смерчу.
И в самом деле, торнадо имеет множество признаков, роднящих его с живым организмом. Он поддерживает определенную форму, движется, растет, что-то вбирает в себя, что-то выбрасывает — и это напоминает обмен веществ. Смерч может раздваиваться, то есть как бы размножаться, и наконец, он преобразует среду. Но живет он лишь до тех пор, пока дует ветер. Иссякнет поток энергии — и смерч утратит и форму, и движение. Поэтому ключевым вопросом исследования биогенеза является поиск того потока энергии, который сумел «завести» процесс биологической жизни и обеспечил первым метаболическим системам динамическую стабильность, подобно тому как ветер поддерживает существование торнадо.
Животворящие «курильщики»
Одна из групп существующих ныне гипотез рассматривает в качестве колыбели жизни горячие источники на дне океанов, температура воды в которых может превышать сотню градусов. Подобные источники существуют и по сей день в районе рифтовых зон океанического дна и называются «черными курильщиками».
Перегретая выше точки кипения вода выносит из недр растворенные до ионной формы минералы, которые часто тут же оседают в виде руды. На первый взгляд эта среда кажется смертельной для любой жизни, но уже там, где вода охлаждается до 120 градусов, живут бактерии — так называемые гипертермофилы.
Выносимые на поверхность сульфиды железа и никеля образуют на дне преципитат пирита и греигита- осадок в виде пористой шлакообразной породы. Некоторые современные ученые, например Майкл Рассел, выдвинули гипотезу о том, что именно эти насыщенные микропорами (пузырьками) породы стали колыбелью жизни. В микроскопических пузырьках могли формироваться и рибонуклеиновые кислоты, и пептиды. Пузырьки, таким образом, становились первичными катаклавами, в которых ранние метаболические цепочки обособились и превратились в клетку.
Так где же место для возникновения жизни на этой не очень приспособленной для нее ранней Земле? Прежде чем попытаться дать ответ на этот вопрос, стоит заметить, что чаще всего ученые, занимающиеся проблемами биогенеза, ставят на первое место происхождение «живых кирпичиков», «строительных блоков», то есть тех органических веществ из которых состоит живая клетка.
Это ДНК, РНК, белки, жиры, углеводы. Но если взять все эти вещества и выложить их в некий сосуд, из них ничего само собой не соберется. Это не пазл. Любой организм – динамическая система, находящаяся в состоянии постоянного обмена со средой.
Даже если взять современные живой организм и растереть его до молекул, то никому не под силам повторно собрать из этих молекул живое существо. Однако современные модели происхождения жизни в основном ориентируются на процессы абиогенного синтеза макромолекул – предшественников биоорганических соединений, не предлагая механизмов генерирования энергии, которая инициировала и поддерживала процессы обмена веществ.
Гипотеза о происхождении жизни в горячих источниках интересна не только версией происхождения клетки, ее физического обособления, но и возможностью нащупать энергетическую первооснову жизни, направить исследования в область процессов, которые описываются не столько языком химии, сколько терминами физики.
Поскольку океаническая вода более кислая, а в гидротермальных водах и в поровом пространстве осадка — более щелочная, возникали разности потенциалов, что чрезвычайно важно для жизни.
Ведь все наши реакции в клетках по своей природе электрохимические. Они связаны с переносом электронов и с ионными (протонными) градиентами, которые вызывают перенос энергии. Полупроницаемые стенки пузырьков играли роль мембраны, поддерживающей этот электрохимический градиент.
Драгоценность в белковом футляре
Разница сред — ниже дна (где сверхгорячей водой растворяются породы) и выше дна, где вода остывает, — также создает разность потенциалов, результатом которой является активное перемещение ионов и электронов. Такое явление даже получило название геохимической батареи.
Кроме подходящей среды для образования органических молекул и наличия энергетического потока, есть еще один фактор, позволяющий считать океанские гидротермы наиболее вероятным местом зарождения жизни. Это металлы.
Горячие источники находятся, как уже говорилось, в рифтовых зонах, где дно раздвигается и близко подступает горячая лава.
Внутрь трещин проникает морская вода, которая затем выходит обратно в виде раскаленного пара. При огромном давлении и высоких температурах базальты растворяются, как сахарный песок, вынося наружу огромное количество железа, никеля, вольфрама, марганца, цинка, меди. Все эти металлы (и некоторые другие) играют колоссальную роль в живых организмах, поскольку имеют высокие каталитические свойства.
Реакции в наших живых клетках управляются ферментами. Это довольно большие белковые молекулы, которые увеличивают скорость реакции по сравнению с подобными реакциями вне клетки иногда на несколько порядков. И что интересно, в составе молекулы фермента на тысячи и тысячи атомов углерода, водорода, азота и серы подчас приходится всего 1−2 атома металла. Но если эту пару атомов вытащить, белок перестает быть катализатором. То есть в паре «белок-металл» именно последний оказывается ведущим. Зачем же нужна тогда большая молекула белка? С одной стороны, она манипулирует атомом металла, «прислоняя» его к месту реакции.
А с другой стороны, она его бережет, защищает от соединений с другими элементами. И в этом есть глубокий смысл.
Дело в том, что многие из тех металлов, что были в изобилии на ранней Земле, когда кислорода не было, и сейчас доступны — там, где кислорода нет. Например, в вулканических источниках много вольфрама. Но как только этот металл выходит на поверхность, где встречается с кислородом, то тут же окисляется и оседает. То же происходит с железом и другими металлами. Таким образом, задача большой белковой молекулы — сохранить металл активным. Все это наводит на мысль, что именно металлы первичны в истории жизни. Возникновение белков было фактором сохранения первичной среды, в которой металлы или их простые соединения сохраняли свои каталитические свойства, и обеспечило возможность их эффективного использования в биокатализе.
Формирование нашей планеты можно уподобить выплавке чугуна в мартеновской печи. В печи кокс, руда, флюсы – все это плавится, и в конце концов тяжелый жидкий металл стекает вниз, а наверху остается затвердевшая пена шлака.
Кроме того выделяются газы и вода. Точно так же образовалось металлическое ядро земли, «стекшее» к центру планеты. В результате этой «плавки» начался процесс, известный как дегазация мантии. Землю 4 млрд лет назад, когда, как считают, зародилась жизнь отличал активный вулканизм, не идущий ни в какое сравнение с нынешним. Поток радиации из недр был раз в 10 мощнее, чем в наше время. В результате тектонических процессов и интенсивной метеоритной бомбардировки тонкая земная кора постоянно перерабатывалась. Свой вклад, очевидно, вносила и находившаяся на значительно более близкой орбите Луна, которая своим гравитационным полем массировала и разогревала нашу планету.
Самое удивительное, что интенсивность свечения солнца в те далекие времена была ниже примерно на 30%. Если бы солнце стало в нашу эпоху стало светить хотя бы на 10% слабее, Земля моментально покрылась бы льдом. Но тогда у нашей планеты было намного больше собственного тепла, и ничего даже близко напоминавшего ледников на ее поверхности не встречалось.
Зато существовала плотная атмосфера, хорошо удерживавшая тепло. По своему составу она имела восстановительный характер, то есть, в ней практически отсутствовал несвязанный кислород, зато она включала в себя значительное количество водорода, а также парниковые газы – водяной пар, метан и углекислый газ.
Короче говоря, первая жизнь на Земле появилась в условиях, в которых из живущих ныне организмов могли бы существовать лишь примитивные бактерии. Первые следы воды геологи находят в отложениях, возрастом 3,5 млрд лет, хотя, судя по всему в жидком виде она появилась на Земле несколько раньше. На это косвенно указывают имеющие окатанную форму цирконы, которую они приобрели, вероятно находясь в водоемах. Вода образовывалась из насыщавшего атмосферу водяного пара, когда Земля стала постепенно остывать. Кроме того, воду (предположительно в объеме до 1,5 объема современного мирового океана) к нам принесли малые кометы, интенсивно бомбардировавшие земную поверхность.
Водород как валюта
К древнейшему типу ферментов относятся гидрогеназы, которые катализируют простейшую из химических реакций — обратимое восстановление водорода из протонов и электронов.
А активаторами этой реакции являются железо и никель, которые в изобилии присутствовали на ранней Земле. Немало было и водорода — он выделялся при дегазации мантии. Именно водород, похоже, был главным источником энергии для самых ранних метаболических систем. Ведь и в нашу эпоху подавляющее большинство реакций, осуществляемых бактериями, включают в себя действия с водородом. Как первичный источник электронов и протонов водород составляет основу энергетики микробов, являясь для них чем-то вроде энергетической валюты.
Жизнь зарождалась в бескислородной среде. Переход к дыханию кислородом требовал радикальных преобразований метаболических систем клетки, чтобы минимизировать активность этого агрессивного окислителя. Адаптация к кислороду возникала прежде всего в ходе эволюции фотосинтеза. До этого же основой энергетики живого был водород и его простые соединения — сероводород, метан, аммиак. Но это, вероятно, не единственное химическое отличие современной жизни от ранней.
Запасливые уранофилы
Возможно, самая ранняя жизнь не имела того состава, который имеет нынешняя, где в качестве базовых элементов преобладают углерод, водород, азот, кислород, фосфор, сера. Дело в том, что жизнь предпочитает более легкие элементы, с которыми проще «играть». Но эти легкие элементы имеют маленький ионный радиус и создают слишком прочные соединения. А жизни этого-то и не надо. Ей надо уметь эти соединения легко расщеплять. Сейчас у нас для этого есть множество ферментов, но на заре жизни их еще не существовало.
Несколько лет назад мы высказали предположение, что у некоторых из этих шести основных элементов живого (макроэлементы C, H, N, O, P, S) были более тяжелые, но и более «удобные» предшественники. Вместо серы в качестве одного из макроэлементов, скорее всего, работал селен, который легко соединяется и легко диссоциирует. Место фосфора по той же причине, возможно, занимал мышьяк. Недавнее открытие бактерий, которые используют мышьяк вместо фосфора в своих ДНК и РНК, усиливает наши позиции.
Причем все это справедливо не только для неметаллов, но и для металлов. Вместе с железом и никелем в процессе становления жизни значительную роль играл вольфрам. Корни жизни, таким образом, надо, вероятно, уводить в низ таблицы Менделеева.
Для подтверждения или опровержения гипотез об изначальном составе биологических молекул нам стоит обратить пристальное внимание на бактерий, живущих в необычных средах, возможно отдаленно напоминающих Землю в древние времена. Например, недавно японские ученые исследовали один из видов бактерий, обитающих в горячих источниках, и обнаружили в их слизистых оболочках урановые минералы. Для чего бактерии их накапливают? Возможно, уран имеет для них какую-то метаболическую ценность? Например, используется ионизирующий эффект радиации. Есть другой известный пример — магнитобактерии, которые существуют в аэробных условиях, в относительно холодной воде, и накапливают железо в виде кристалликов магнетита, обернутых в белковую мембрану.
Когда железа в окружающей среде много — они формируют эту цепочку, когда железа нет — они его тратят и «сумочки» становятся пустыми. Это очень похоже на то, как у позвоночных накапливается жир в качестве энергетического запаса.
На глубине 2−3 км, в плотных осадках, оказывается, тоже живут бактерии и вполне обходятся без кислорода и солнечного света. Такие организмы обнаружены, например, в урановых шахтах Южной Африки. Питаются они водородом, и здесь его достаточно, потому что уровень радиации настолько высок, что вода диссоциируется на кислород и водород. Генетических аналогов на поверхности Земли у этих организмов не обнаружено. Где же эти бактерии сформировались? Где их предки? Поиск ответов на эти вопросы становится для нас настоящим путешествием во времени — к истокам живого на Земле.
Автор — академик РАН, директор Геологического института РАН
Как появилась жизнь на Земле: отвечает Стивен Хокинг
В марте 2018 года умер Стивен Хокинг, физик и великий популяризатор науки, так и не успев завершить свою последнюю книгу.
Его семья, коллеги и фонд Stephen Hawking Estate закончили её с помощью архива учёного. Книга «Краткие ответы на большие вопросы» вышла в издательстве «Бомбора», а мы публикуем отрывок, в котором Стивен Хокинг рассуждает о жизни во Вселенной.
13,8 миллиарда лет назад, когда произошел Большой взрыв и родилась Вселенная, углерода не существовало. Тогда было так жарко, что всё вещество должно было существовать в виде частиц, которые мы называем протонами и нейтронами. Изначально протонов и нейтронов было поровну.
Однако по мере расширения Вселенная остывала. Примерно через минуту после Большого взрыва температура должна была упасть приблизительно до миллиарда градусов, что в сто раз выше температуры в недрах Солнца. При такой температуре нейтроны начинают распадаться, образуя больше протонов.
Если бы происходило только это, то всё вещество Вселенной в итоге оказалось бы состоящим из простого элемента — водорода, ядро которого содержит единственный протон. Однако некоторые нейтроны сталкивались с протонами, сливались и образовывали другой простейший элемент — гелий, ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов.
Но в молодой Вселенной не могли образовываться более тяжёлые элементы, типа углерода и кислорода.
Трудно представить, что какая-то живая структура может состоять только из водорода и гелия. В любом случае, молодая Вселенная всё равно оставалась ещё слишком горячей для того, чтобы атомы могли создавать молекулы.
Вселенная продолжала расширяться и остывать. Но в некоторых её участках плотность оказывалась несколько выше, чем в других, и в них гравитационное притяжение дополнительной материи замедляло расширение вплоть до полного прекращения этого процесса. Коллапс вещества стал приводить к образованию звёзд и галактик. Это началось примерно через два миллиарда лет после Большого взрыва.
Некоторые из первых звёзд должны были быть массивнее нашего Солнца, температура их тоже была выше и способствовала превращению первоначальных гелия и водорода в более тяжёлые элементы, такие как углерод, кислород и железо. Это могло происходить в течение нескольких сотен миллионов лет. В результате некоторые звёзды взрывались, превращаясь в сверхновые, и рассеивали тяжёлые элементы в космическом пространстве, что стало сырьём для новых поколений звёзд.
Другие звёзды слишком далеки от нас, и мы не в состоянии непосредственно увидеть, есть ли у них планетные системы. Однако есть два способа, позволяющих обнаружить наличие планет у звёзд. Первый — следить за звездой и наблюдать, остаётся ли неизменным поток исходящего от неё света. Если планета оказывается между звездой и земным наблюдателем, то она слегка затмевает свет звезды. Если это происходит регулярно, значит, планета обращается на околозвёздной орбите. Второй способ — точное измерение положения звезды.
Если вокруг звезды обращается планета, она вызывает слабое колебание положения звезды. Если колебания происходят неоднократно и регулярно, можно сделать вывод, что у звезды есть как минимум одна планета
Эти способы впервые были применены около двадцати лет назад. К настоящему времени благодаря им у далеких звёзд обнаружено несколько тысяч планет. По некоторым расчётам, в среднем каждая пятая звезда обладает планетой, похожей на Землю, которая находится от звезды на расстоянии, приемлемом для существования жизни в том виде, как мы её знаем.
Наша Солнечная система образовалась примерно 4,5 миллиарда лет назад, или чуть меньше девяти миллиардов лет после Большого взрыва, из газа, содержащего остатки ранних звёзд. Земля сформировалась преимущественно из тяжёлых элементов, в том числе из углерода и кислорода. Каким-то образом отдельные атомы смогли объединиться в виде молекул ДНК. Это та самая знаменитая двойная спираль, обнаруженная в 1950-е годы Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета.
Две цепочки спирали связываются парой нуклеотидов. Известны четыре нуклеатида: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Аденин в одной цепочке всегда связывается с тимином в другой, а гуанин — с цитозином. Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепочке определяет уникальную комплементарную последовательность в другой. Две цепочки могут отдаляться, и каждая действует как образец для создания последующих цепочек.
Молекулы ДНК способны воспроизводить генетическую информацию, закодированную в последовательности нуклеотидов.
Части последовательности могут использоваться для производства протеинов и других химических соединений, которые способны нести инструкции, закодированные в последовательности, и собирать сырьё для ДНК для самовоспроизводства.
Как я уже говорил, мы не знаем, каким образом появились молекулы ДНК. Поскольку шансы возникновения молекул ДНК благодаря случайным комбинациям чрезвычайно малы, многие склонны предполагать, что жизнь на Земле появилась откуда-то извне, например, благодаря обломкам, оторвавшимся от Марса в тот период, когда планеты находились ещё в нестабильном состоянии, или что в Галактике летают семена жизни. Впрочем, маловероятно, что ДНК способна выжить, долгое время подвергаясь космической радиации.
Если зарождение жизни на конкретной планете очень и очень маловероятно, но всё же возможно, то для этого потребуется весьма длительное время. И ещё должно хватить времени на последующую эволюцию таких разумных существ, как мы с вами, прежде чем Солнце распухнет и поглотит Землю.
Временное окно, в которое это может произойти, определяется продолжительностью жизни Солнца, а она составляет около десяти миллиардов лет. За это время разумная форма жизни должна потенциально освоить космические путешествия, чтобы иметь возможность перебраться к другой звезде. Но если побег окажется невозможным, жизнь на Земле будет обречена.
Ископаемые останки свидетельствуют, что некоторые формы жизни появились на Земле примерно 3,5 миллиарда лет назад. Это произошло спустя всего 500 миллионов лет после того, как Земля стала стабильной и достаточно остыла, чтобы на ней могла формироваться жизнь. Но у Вселенной на формирование жизни было примерно семь миллиардов лет, следовало предусмотреть достаточный запас времени на то, чтобы появились такие существа, как мы, способные задаться вопросом о происхождении жизни.
Если вероятность образования жизни на конкретной планете чрезвычайно мала, почему это произошло на Земле примерно в 1/14 от доступного временного окна?
Раннее возникновение жизни на Земле предполагает, что существуют высокие шансы спонтанного зарождения жизни в подходящих условиях.
Возможно, сначала были более простые формы организации, из которых образовалась ДНК. Появившаяся ДНК оказалась настолько успешной, что могла полностью вытеснить ранее существовавшие формы. Мы не знаем, каковы были эти формы, но одним из вариантов представляется РНК.
РНК похожа на ДНК, только гораздо проще и без двойной спиральной структуры. Короткие отрезки РНК могут самовоспроизводиться, как ДНК, и постепенно складываться в ДНК. Мы не в состоянии создать нуклеотиды, не говоря уж о РНК, в лабораторных условиях из неживого материала (Сейчас уже в лабораториях синтезируют и РНК, и ДНК — Прим. пер.). Но на протяжении 500 миллионов лет, когда океаны покрывали почти всю поверхность планеты, не исключена возможность того, что РНК возникла случайно.
По мере самовоспроизводства ДНК не исключена вероятность случайных ошибок, многие из которых оказывались вредными и вели к гибели видов. Некоторые оказывались нейтральными и никак не влияли на функционирование генов. А отдельные ошибки оказывались благотворными для выживания видов — и попадали в ряд дарвиновского естественного отбора.
Поначалу процесс биологической эволюции шёл очень медленно. Потребовалось 2,5 миллиарда лет для того, чтобы первые клетки эволюционировали до многоклеточных организмов. За последующий миллиард лет некоторые из них развились до рыб, а некоторые рыбы, в свою очередь, превратились в млекопитающих.
С тех пор скорость эволюции неизменно возрастала. На эволюцию первых млекопитающих до нас ушло всего 100 миллионов лет. Дело в том, что первые млекопитающие уже имели свои версии жизненно важных органов, которыми обладаем мы. Следовательно, для эволюции ранних млекопитающих до человека потребовалась лишь тонкая настройка.
Но эволюция человеческой расы вышла на критическую стадию, сопоставимую по значимости с развитием ДНК. Речь идёт о формировании речи, в особенности — письменной речи. После этого передача информации от поколения к поколению стала возможна не только генетически, через ДНК, но и иным способом.
За 10 000 лет письменной истории можно выявить несколько различимых изменений в человеческой ДНК, обусловленных биологической эволюцией.
Но объём знаний, передаваемых от поколения к поколению, вырос несоизмеримо. Я пишу книги, чтобы рассказать вам, что я узнал о Вселенной за свою долгую карьеру учёного, и, занимаясь этим, переношу знания из своего мозга на бумагу, чтобы вы могли прочитать их
Это может быть самым древним известным признаком жизни на Земле
Под микроскопом эти богатые железом трубки могут быть самыми древними известными окаменелостями на планете.
Фотография предоставлена Мэтью Доддом
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
Стебли богатых железом минералов, каждая размером с ресничку, могут быть свидетельством первых форм жизни, населявших новорожденную планету Земля. По словам ученых, объявивших о находке, крошечным гематитовым трубочкам уже 4,28 миллиарда лет, и они поразительно похожи на структуры, созданные микробами, живущими вокруг подводных гидротермальных жерл.
Обнаруженный в кусках горной породы, извлеченной из северного Квебека, микроскопический металлический детрит, а также химические признаки, связанные с древним метаболизмом, могут отодвинуть дату возникновения жизни на Земле.
Если эти окаменелости подтвердятся, они превзойдут микробные маты возрастом 3,7 миллиарда лет, найденные в Гренландии, как самые старые известные следы жизни.
Микроокаменелости также подтверждают идею о том, что теплые, водные, богатые минералами районы вокруг затопленных жерл являются лучшими местами для возникновения жизни, будь то на этой планете, на морском дне ледяных лун или где-либо еще во Вселенной.
«Если их анализы и интерпретации действительно верны, то жизнь на Земле быстро зародилась вскоре после того, как сама планета начала стабилизироваться», — говорит астробиолог Кевин Хэнд из Лаборатории реактивного движения НАСА. «По мере того, как пена геологии начала остывать, биология утвердила свою роль планетарного процесса».
Но хотя окаменелости покрыты железом, они не могут быть железными свидетельствами древней жизни. Некоторые ученые сомневаются, что это остатки микробов. Другие отмечают, что возраст кристаллов, содержащих потенциальные микроокаменелости, является спорным, и структуры могут быть более чем на миллиард лет моложе, чем сообщалось.
«Эти породы имеют долгую и сложную историю, — говорит Найджел Келли из Университета Колорадо в Боулдере, — и поэтому расшифровка однозначного возраста и происхождения этих особенностей всегда будет сложной задачей».
Охота на остатки жизни
В 2008 году группа под руководством Доминика Папино из Университетского колледжа Лондона собрала камни из формации Нуввуагиттук вдоль восточного берега Гудзонова залива, где когда-то лава изливалась на морское дно из древнего жерла. Среди самых старых известных фрагментов Земли камни хранят подсказки о доисторической морской среде планеты.
Вместо того, чтобы искать крошечные окаменелости, команда искала нечто более тонкое: органические отпечатки ранних организмов.
«Существует давняя гипотеза о том, что зарождение жизни могло быть в гидротермальной среде, и эти жерловые отложения, безусловно, были очень многообещающими для поиска признаков ранней жизни», — говорит аспирант UCL Мэтью Додд.
Команда разрезала свою каменную кладку на тонкие срезы.
Присмотревшись в микроскоп, ученые заметили окаменелости, которые спрятаны в кристаллах, встроенных в скалы. Несмотря на крошечные размеры, структуры были удивительно замысловатыми и сложными, и это заставило команду заподозрить, что они видят нечто более важное, чем органические отпечатки пальцев.
Но ученые действовали осторожно.
Если обнаружение нитевидных признаков жизни с потенциальным астробиологическим значением кажется вам знакомым, то это потому, что это так. В 1996 году ученые, изучавшие марсианский метеорит, извлеченный из Антарктиды, также заметили то, что выглядело как остатки организмов в форме трубки. Открытие вызвало споры, которые продолжаются и по сей день, хотя общий научный консенсус заключается в том, что марсианские структуры не имеют биологического происхождения.
Возможно, имея это в виду, Додд и его коллеги решили тщательно доказать, что их структуры были созданы чем-то с метаболизмом, а не просто камнями и морской водой. Они изучили материалы вокруг окаменелостей на наличие признаков биологических процессов и обнаружили углеродсодержащие соединения, расположенные в виде розеток, которые, казалось, несли отпечаток, указывающий на биологический процесс.
Современный гидротермальный источник у Галапагосских островов.
Фотография Universal History Archive, UIG, Getty Images
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
Окаменелости также были окружены минералами, содержащими фосфор, элемент, включенный в строительные блоки жизни и выделяемый разлагающимися организмами. Присутствовали также гранулы из переработанного углеродистого материала и окисленного железа — еще один признак творения жизни. Кроме того, говорят они, трубки и нити не были разбросаны беспорядочно, как это было бы, если бы биология не работала.
«Это независимые химические линии доказательств, связанные с микроокаменелостями в горных породах, которые показывают нам, что у нас есть биологическое органическое вещество, и оно связано со структурами микроокаменелостей, подтверждая биологическое происхождение», — говорит Додд.
Группа также сравнила микрофоссилии с микробными структурами возрастом 480 миллионов лет, образовавшимися вокруг древнего жерла на территории современной Норвегии, структурами возрастом 186 миллионов лет из жерл на Среднем Западе США и организмами, живущими вокруг современных гидротермальных источников.
вентиляционные отверстия. Сходство было поразительным.
В целом данные свидетельствуют о том, что древние оболочки были созданы жизнью, заключает команда в своем исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature .
Критический момент
Но не все в этом убеждены. Химические доказательства существования жизни — особенно оценка группой этих соединений углерода — слабы и неоднозначны, говорит Дина Бауэр, геобиолог из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА.
И хотя авторы говорят, что они опровергли эту возможность, она по-прежнему считает, что трубки и нити могли быть образованы потоком гидротермальной жидкости или другим процессом, деформировавшим породы.
«Я не уверен, что эти структуры биогенны, — говорит Бауэр.
Даже если оболочки действительно являются окаменелостями, остается нерешенным вопрос об их возрасте. Основываясь на двух разных изотопных часах, используемых для датирования горных пород, Додд и его коллеги предполагают, что возраст микроокаменелостей может составлять всего 3,77 миллиарда лет, а возможно, и целых 4,28 миллиарда лет.
Часть скального образования Нуввуагиттук в Канаде, где были обнаружены потенциальные микрофоссилии.
Фотография Доминика Папино
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
Но такие ученые, как Келли, утверждают, что в таких сложных горных породах трудно определить относительный возраст особенностей, а присвоение окаменелостям такого древнего возраста неточно. Вместо этого, говорит он, возможно, структуры, содержащие эти окаменелости (если они настоящие), моложе 2,7 миллиарда лет.
В это время вся формация Нуввуагиттук была существенно изменена тектоническими циклами высокого давления и температуры, которые могли растягивать, искривлять и деформировать породы, уничтожая любые существующие окаменелости.
Додд опровергает предыдущие доказательства того, что окаменелости могут выжить в такой суровой среде, указывая на гренландских микробов и окаменелые растения и споры в Новой Зеландии.
«Идея о том, что метаморфические породы не могут сохранять окаменелости, устарела, — говорит он.
Глядя за пределы Земли
Если история верна, относительная сложность этих организмов предполагает, что они эволюционировали задолго до того, как сбросили свою железную кожу, и процветали в течение нескольких сотен миллионов лет после бурного, огненного рождения планеты.
Это геологическое мгновение, которое волнует ученых, размышляющих о происхождении жизни и ее повсеместном распространении в космосе. В частности, считается, что ледяные океанические миры, вращающиеся вокруг Юпитера и Сатурна, являются одними из лучших мест для поиска жизни за пределами Земли.
«Это, безусловно, очень интересно и имеет отношение к нынешнему энтузиазму по поводу миссий на Энцелад и Европу», — говорит Крис Маккей из НАСА, добавляя, что он нашел доказательства команды убедительными, но оставляет за собой право окончательного решения. «Гидротермальные источники предполагаются на Европе.
Для Энцелада есть вполне прямые указания на наличие гидротермальных источников».
Еще более интригующей является история, рассказанная об одновременном существовании этих организмов и совершенно другого типа фотосинтетической формы жизни, которая создала микробные маты возрастом 3,7 миллиарда лет, называемые строматолитами.
Вместе эти глыбы реликтовой биологии в Гренландии и железные нити в Канаде предполагают, что жизнь была упрямой. Она разносторонне развивалась и выживала, даже когда молодая Земля сжималась и извергалась и подвергалась бомбардировке сверху опасным дождем космических камней.
«Мы вполне можем жить в биологической вселенной, — говорит Хэнд, — вселенной, в которой много разных деревьев жизни населяют миры ближний и дальний, старый и молодой».
Читать далее
Голодный кризис на Африканском Роге
- Окружающая среда
Голодный кризис на Африканском Роге
Засуха, конфликты, нестабильность и рост цен создают беспрецедентный уровень отсутствия продовольственной безопасности и надвигающийся голод, сообщает фотожурналист.
Эксклюзивный контент для подписчиков
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу будет исследовать красную планету
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу
Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории будет исследовать красную планету
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу
Узнайте, как люди представляли жизнь на Марсе на протяжении всей истории
Узнайте, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету
Источник изображения, М. Додд
Подпись к изображению,
Древняя жизнь: эти скопления железа и нитей имеют сходство с современными микробами
By Pallab Ghosh
Научный корреспондент BBC News
Ученые обнаружили то, что, по их словам, может быть окаменелостями некоторых из самых ранних живых организмов на Земле.
Они представлены крошечными нитями, выступами и трубками в канадских породах возрастом до 4,28 миллиарда лет.
Это время вскоре после образования планеты и сотни миллионов лет до того, что в настоящее время считается доказательством самой древней жизни, когда-либо найденной на Земле.
Исследователи сообщают о своем исследовании в журнале Nature.
Как и все заявления о древней жизни, это исследование вызывает споры. Но команда считает, что это может ответить на любые сомнения.
Предполагаемые учеными микробы из Квебека составляют одну десятую ширины человеческого волоса и содержат значительное количество гематита — формы оксида железа или «ржавчины».
Мэтью Додд, который проанализировал структуры в Университетском колледже Лондона, Великобритания, заявил, что открытие прольет новый свет на происхождение жизни.
«Это открытие отвечает на самые большие вопросы, которые человечество задавало себе, а именно: откуда мы пришли и почему мы здесь?
Источник изображения, Доминик Папино богатая кремнеземом порода содержит элементы, интерпретируемые как микроокаменелости
«Очень унизительно иметь в своих руках древнейшие из известных форм жизни и иметь возможность смотреть на них и анализировать их», — сказал он BBC News
Ископаемые структуры были заключены в кожух в кварцевых слоях так называемого надкорового пояса Нуввуагиттук (НСП) 9.0003
NSB — это кусок древнего океанского дна. Он содержит одни из древнейших вулканических и осадочных пород, известных науке.
Команда изучила участки горных пород, которые, вероятно, образовались в системе гидротермальных жерл — трещин на морском дне, из которых снизу извергаются нагретые, богатые минералами воды.
Сегодня известно, что такие жерла являются важным местом обитания микробов. А доктор Доминик Папино, также из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, обнаруживший окаменелости в Квебеке, считает, что такая обстановка, скорее всего, также была колыбелью форм жизни между 3,77 и 4,28 миллиардами лет назад (верхняя и нижняя оценки возраста для пород NSB).
Он описал свои чувства, когда осознал значение материала, над которым работал: «Я подумал про себя: «У нас есть это, у нас есть самые старые окаменелости на планете».
«Это относится к нашим истокам. Эволюция разумной жизни до уровня сознания, до момента, когда она прослеживает свою историю, чтобы понять свое собственное происхождение, — это вдохновляет». Скалы Квебека предоставляют дополнительные доказательства существования жизни
Любое заявление о самой ранней жизни на Земле вызывает скептицизм. Это понятно. Часто трудно доказать, что определенные структуры не могли быть созданы небиологическими процессами.
Кроме того, анализ усложняется тем, что рассматриваемые породы часто подвергались изменениям.
NSB, например, был сжат и нагрет в течение геологического времени
В настоящее время, возможно, самое древнее признанное свидетельство жизни на планете находится в горных породах возрастом 3,48 миллиарда лет в Западной Австралии.
Источник изображения, Доминик Папино
Подпись к изображению,
Окаменелости были обнаружены Домиником Папино в районе Квебека, который находился глубоко под водой миллиарды лет назад. минеральных зерен, склеенных древними бактериями.
Еще более раннее заявление о наличии следов строматолита было сделано в августе прошлого года. Команда, стоящая за этим открытием, заявила, что их ископаемым свидетельствам было 3,70 миллиарда лет.
Тем не менее, исследователи UCL и их коллеги говорят, что они очень усердно работали, чтобы продемонстрировать большую древность своих структур.
Однако доктор Папино признает, что идея метаболизма микроорганизмов с использованием кислорода вскоре после образования Земли удивит многих геологов.
Источник изображения, WALTER MYERS/SCIENCE PHOTO LIBRARY
Подпись к изображению,
Произведение: жизнь, по-видимому, зародилась через сотни миллионов лет после образования Земли
«Они не считают, что в это время существовали организмы, дышащие кислородом. Это возвращает образование кислорода на поверхности Земли, хотя и в незначительных количествах, к началу осадочной летописи», — сказал он.
Профессор Никола Маклафлин из Университета Родса, Южная Африка, не принимала участия в исследовании.
Она похвалила стипендию, но почувствовала, что данные, представленные командой под руководством UCL, недостаточны.
«Морфология этих якобы окисляющих железо нитей из Северной Канады неубедительна», — сказала она BBC News.
«В недавних отложениях мы видим эффектные скрученные стебли, часто расположенные слоями, но в сильно метаморфизованных породах пояса Нуввуагиттук волокна имеют гораздо более простую форму.
«Сопутствующие текстурные и геохимические признаки графита в карбонатных розетках и магнетит-гематитовые гранулы — тщательная работа, но она дает лишь предположительные доказательства микробной активности; это не подтверждает биогенность нитей».
возраст
Частично интерес к древней жизни связан с ее значением для организмов в других частях Солнечной системы.
Источник изображения, GEORGETTE DOUWMA/SCIENCE PHOTO LIBRARY
Подпись к изображению,
Гидротермальная активность на морском дне могла поддерживать некоторые из самых ранних форм жизни на ее поверхности и атмосфера, похожая на земную в то время», — сказал г-н Додд.
«Итак, если у нас есть формы жизни, зародившиеся и развивающиеся на Земле в это время, то вполне возможно, что жизнь зародилась на Марсе.»
Если это так, то, по словам доктора Папино, недавние миссии марсохода НАСА на поверхность Марса могли искать признаки жизни не в тех местах.
Он сказал, что марсоходы Mars Exploration Rovers (MER), Spirit и Opportunity, а также более поздняя миссия роботов Curiosity не заметили области, в которых могли быть камни, образованные гидротермальными жерлами.
«На поверхности Марса были упущены возможности.