[Перевод] Как возникла жизнь?

Где она зародилась? Как стала сложной? Почему организмы увеличились в размерах? Три момента в ранней истории Земли, когда эволюция внезапно и необъяснимым образом резко ускорилась.

Жизнь на планете Земля поражает своим разнообразием: муравьи и слоны, лягушки и синие киты, тюльпаны и секвойи, и особенно одна из ветвей человекообразных обезьян, известная как люди. Всё это многообразие объединяет биохимия, в особенности общие биохимические механизмы генетического наследования: ДНК и РНК, универсальные наборы инструкций для всего живого.

Прослеживая эти биохимические связи в глубь времён, многие учёные пришли к убеждению, что вся жизнь происходит от так называемого последнего универсального общего предка (Last Universal Common Ancestor), или LUCA, который появился от 4 до 4,5 миллиарда лет назад, после того как сама Земля сформировалась из газа и обломочного материала молодой Солнечной системы. Возможно, мы никогда не сможем с уверенностью сказать, как этот общий предок возник из первичного бульона. Не существует ископаемых остатков, которые позволили бы заглянуть в тот момент истории, и учёным не с чем сравнивать: пока Земля остаётся единственным известным местом во Вселенной, где существует жизнь.

После ответа на первоначальный вопрос «как?» остальные вопросы становятся для учёных немного проще. Вот что известно о трёх важнейших переломных моментах в эволюции жизни на Земле.

4 миллиарда лет назад

Где впервые возникла жизнь?

Учёные мало в чём сходятся, когда речь заходит о происхождении жизни, в том числе о том, где именно она могла зародиться: на поверхности Земли или в глубинах её океанов.

«На эти вопросы трудно ответить, — сказала Джоанна Мазел, профессор эволюционной биологии Аризонского университета. — Доказательства отрывочны. Поэтому люди спорят».

На одной стороне спора находится гипотеза первичного бульона: жизнь возникла в результате естественных химических реакций в древних водоёмах Земли, где образовалась смесь органических соединений.

Чарльз Дарвин высказал эту идею в 1871 году, предположив, что жизнь зародилась в «каком‑нибудь маленьком тёплом пруду». По его мнению, несколько простых химических веществ под воздействием источников энергии, таких как природное тепло и электричество, могли соединиться и образовать молекулы, «готовые претерпевать ещё более сложные изменения». В конечном счёте это привело бы к появлению первой формы жизни: крошечного мешочка с химическими веществами, способного делиться и создавать собственные копии.

Первую серьёзную экспериментальную проверку гипотеза прошла в 1953 году. Стэнли Л. Миллер, в то время аспирант Чикагского университета, наполнил колбу водой, а также аммиаком, метаном и водородом, то есть газами, которые, как тогда считалось, в изобилии присутствовали в ранней атмосфере Земли.

Затем, имитируя удар молнии, он стал пропускать через смесь электрические разряды. Через несколько дней из простых молекул образовались аминокислоты, строительные блоки белков и практически всей жизни на планете.

Однако дальнейшего усложнения аминокислот не произошло, и первоначальный энтузиазм угас, когда учёные пересмотрели представления о составе древней атмосферы. Несколько лет спустя исследователи обнаружили аминокислоты в метеоритах. Это позволило предположить, что строительные блоки жизни могли попасть на Землю из космоса, что стало ещё одним потенциальным аргументом против гипотезы первичного бульона.

На другой стороне спора находятся сторонники глубоководного происхождения жизни. В 1977 году американские учёные, исследовавшие дно Тихого океана, наткнулись на совершенно чуждый мир вулканических гидротермальных источников и необычных экосистем, включая жутковатые скопления белых трубчатых червей. Эти организмы получали энергию не от солнечного света, который обеспечивает существование поверхностных экосистем, начиная с растений, а от химических веществ, выделяемых горячими источниками.

По мере открытия других глубоководных экосистем учёные предположили, что вся жизнь на Земле могла возникнуть в океанских глубинах, где её поддерживал постоянный приток тёплой воды, богатой химическими веществами, а окружающая толща воды защищала от смертоносных космических тел и космического излучения, бомбардировавших поверхность молодой планеты.

В последние годы новые открытия укрепили позиции обеих сторон.

Например, в 2009 году Джон Д. Сазерленд, химик из Манчестерского университета в Англии, описал новый механизм, с помощью которого молекулы жизни под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца могли самопроизвольно образовываться на поверхности первобытной Земли. А в 2017 году анализ минеральных отложений в Австралии позволил предположить, что горячие источники на поверхности суши стали средой для появления древнейших следов жизни. В 2024 году влиятельная группа учёных решительно поддержала этот вывод.

Тем не менее, теория глубоководных гидротермальных источников также получила новые подтверждения. Этим летом группа исследователей под руководством учёных из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, Германия, предположила, что среди химических веществ, доступных в глубоководной среде, присутствовали такие металлы, как никель, кобальт и палладий. По мнению исследователей, эти металлы могли служить катализаторами, помогавшими древнейшим формам жизни формировать метаболические пути.

По словам доктора Мазел, растущее количество свидетельств позволяет предположить, что в конечном счёте правыми могут оказаться сторонники обеих теорий.

«Необязательно, чтобы всё сводилось к чему‑то одному, — сказала она. — Возможно, жизнь возникла и у гидротермальных источников, и в маленьком тёплом пруду».

Возможно, добавила она, жизнь независимо зародилась в разных экологических нишах, которые на протяжении многих эпох оставались изолированными друг от друга.

«Похоже, самые ранние события происходили очень, очень быстро. Это указывает на то, что появление первой жизни было не самой сложной частью процесса, — сказала она. — Возможно, зарождение жизни было проще, чем мы думали».

Уильям Дж. Брод

2 миллиарда лет назад

Как жизнь стала сложной?

Около двух миллиардов лет назад на Земле появился новый тип клеток, гораздо более крупных и сложных, чем существовавшие прежде микроорганизмы. Сегодня из этих так называемых эукариотических клеток состоят наши тела, а также тела других животных, растений и грибов. Как возник этот новый тип клеток, остаётся одной из величайших загадок биологии.

Термин «эукариотический» происходит от греческого выражения, означающего «настоящее ядро», и указывает на клеточное ядро, отделение, внутри которого упакована ДНК эукариотических клеток. В таких клетках имеется множество других жизненно важных структур, в том числе тысячи митохондрий, вырабатывающих энергию. Огромный объём эукариотической клетки поддерживается каркасом, который можно быстро разбирать и собирать заново. Он также служит внутренней транспортной сетью, по которой упаковки молекул стремительно перемещаются из одного клеточного отделения в другое.

Для сравнения, одноклеточный микроорганизм, такой как кишечная палочка Escherichia coli, устроен гораздо проще. Никаких митохондрий, никакого каркаса, никакого 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, произошёл от древних прокариот. Первые эукариоты были одноклеточными простейшими; возраст их древнейших известных ископаемых остатков составляет 1,8 миллиарда лет. Насколько раньше появились первые эукариоты, учёные сказать не могут.

Важные подсказки об этом переходе дали ныне живущие организмы. За последнее десятилетие учёные обнаружили группу микроорганизмов, известных как асгарды, которые обладают многими, хотя и не всеми, характерными признаками эукариот. Например, у них есть клеточный скелет, помогающий им ползать, но отсутствуют ядро и митохондрии.

Согласно современным представлениям, асгарды происходят от предшественников эукариот. Древние организмы, похожие на асгардов, приобрели некоторые эукариотические признаки в результате обычного естественного отбора: мутации изменяли их клетки, обеспечивая преимущества, которые передавались потомкам вплоть до наших дней.

Но клетки эволюционировали и другими способами.

Древние эукариоты жили в тесном соседстве с другими микроорганизмами, образуя экологические партнёрства. Такой близкий контакт позволял ранним предкам асгардов и эукариот захватывать гены своих партнёров и включать их в собственные геномы.

Этот обмен мог начаться около трёх миллиардов лет назад и продолжаться сотни миллионов лет. Недавние исследования показывают, что последний обмен, приведший к возникновению эукариот, был самым впечатляющим. Около 2,25 миллиарда лет назад один из видов бактерий поселился на постоянной основе внутри клеток, похожих на асгардов, и стал использовать собственный метаболизм для обеспечения энергией клеток‑хозяев. Эти бактерии начали передаваться от одного поколения хозяев к следующему и в процессе эволюции превратились в наши митохондрии.

Общие очертания истории происхождения эукариот теперь начинают проясняться, но многие её страницы по‑прежнему остаются пустыми. Например, учёные до сих пор не знают, как объединились все компоненты, из которых состоит клеточное ядро.

Не знают они и того, почему слияние микроорганизмов, по‑видимому, привело к возникновению крупных сложных клеток лишь однажды за всю историю жизни. Потребовалось ли для этого какое‑то исключительно редкое сочетание обстоятельств? Или эволюция проводила и другие эксперименты по созданию сложных организмов, которые давным‑давно закончились вымиранием?

Ясно одно: после появления эукариотических клеток Земля уже никогда не была прежней. От коралловых рифов и гигантских кальмаров до тропических лесов Амазонии и огромных стад антилоп гну в африканской саванне, эукариоты дали начало всему живому, что мы можем видеть, включая того, кто смотрит на нас из зеркала.

Карл Циммер

580 миллионов лет назад

Почему живые организмы стали большими?

Появление эукариот заложило эволюционный фундамент для возникновения коралловых рифов и стад антилоп гну, но потребовалось ещё очень много времени, прежде чем жизнь совершила рывок в размерах.

В действительности следующий миллиард лет часто называют «скучным миллиардом». Казалось, эволюция остановилась: жизнь оставалась почти исключительно микроскопической. Даже тектонические плиты словно взяли паузу, оставив континенты без гор. А затем, около 720 миллионов лет назад, мир сошёл с ума.

Сначала Земля полностью замёрзла, оказавшись заключённой в ледяную оболочку, которая перекрыла солнечному свету доступ в океаны и остановила фотосинтез. За исключением десятимиллионолетнего периода потепления посередине этого интервала, Земля оставалась сверкающим белым снежным шаром, а не голубой планетой, на протяжении 85 миллионов лет.

Учёные поражаются тому, что жизнь не вымерла. Напротив, после этой долгой эпохи тьмы произошёл загадочный скачок в размерах и сложности живых организмов.

«Это совершенно безумный период в истории Земли, самый невероятный из всех, о которых нам известно, — сказал Ник Баттерфилд, палеобиолог из Кембриджского университета. — В начале мы видим старый, унылый, скучный мир микроорганизмов, а в конце, после двух масштабных оледенений, внезапно появляются животные, и все микроорганизмы тоже меняются».

Изменения были настолько разительными, что в 2006 году учёные выделили новый геологический период, охватывающий эти события: эдиакарий. Он начался около 635 миллионов лет назад, с оттаивания «Земли‑снежка», и завершился примерно 540 миллионов лет назад, с началом кембрийского периода.

Гай Нарбонн, геолог из Университета Куинс в Онтарио, Канада, изучал ископаемые остатки крупных мягкотелых животных, обитавших в эдиакарском периоде, в местонахождении Мистейкен‑Пойнт на юго‑восточной оконечности Ньюфаундленда. Среди этих существ были рангеоморфы, морские животные, напоминавшие пальмовые листья и достигавшие роста современного баскетболиста. Другие имели округлую форму и были размером с монету. Некоторые, возможно ранние губки, имели конусообразную форму.

Для доктора Нарбонна объяснение довольно простое: повсеместно распространённые ледники, перемещаясь по поверхности Земли, дробили горные породы. Когда ледники отступили, образовавшиеся осадочные материалы были смыты в океан, вызвав бурное размножение водорослей. Это повысило уровень кислорода и обеспечило возможность более интенсивного обмена веществ, необходимого крупным организмам.

«Я не могу представить лучшего способа удобрить океаны, чем таяние ледников после окончания оледенения», — сказал доктор Нарбонн.

Эндрю Нолл, палеонтолог из Гарвардского университета, также считает, что именно кислород обеспечил эволюционный скачок в эдиакарском периоде. Однако, по его мнению, совпадение по времени с эпохой «Земли‑снежка» было случайным. Вместо этого он указывает на возобновление тектонической активности в конце «скучного миллиарда», в результате которого возникли горы, сопоставимые по масштабам с Гималаями.

По словам доктора Нолла, по мере разрушения этих гор в океаны поступал фосфор, который способствовал бурному размножению фотосинтезирующих морских микроорганизмов. Появились хищники, начавшие поедать более мелкие организмы. Это запустило эволюционную гонку вооружений, в ходе которой организмы увеличивались в размерах, чтобы избежать участи добычи.

Однако некоторые учёные сомневаются в кислородной гипотезе. Среди них Дональд Кэнфилд, геохимик из Университета Южной Дании, который провёл анализ, часто цитируемый в качестве доказательства повышения уровня кислорода в раннем эдиакарском периоде.

«Я несколько изменил своё мнение», — сказал доктор Кэнфилд. Теперь он считает, что содержание кислорода в атмосфере Земли в то время было низким, но значительным и стабильным: около 4–10 процентов от современного уровня.

Доктор Баттерфилд, со своей стороны, полагает, что учёные рассматривают этот вопрос задом наперёд. Он предполагает, что сложные животные начали появляться ещё до эпохи «Земли‑снежка», а не после неё, просто в результате накопления случайных генетических мутаций. По его словам, эта эволюционная революция перевернула пищевые цепи, изменила химический состав океанов, привела к изъятию углекислого газа из атмосферы и в конечном счёте ввергла планету в замёрзшее состояние. Не «Земля‑снежок» породила крупные формы жизни, а крупные формы жизни вызвали оледенение Земли.

«На мой взгляд, самое оскорбительное с экологической точки зрения явление, когда‑либо навязанное этой планете, — сказал доктор Баттерфилд, — это животные».

Кеннет Чанг

Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку