Повторное возникновение жизни на Земле

Вопрос, возможно ли повторное появление жизни на Земле, неизбежно возникает у каждого, кто узнает о том, как возникла жизнь.

Неживая материя в какой-то момент приобрела способность самовоспроизводиться и обмениваться веществами и энергией с окружающей средой. Этот факт заставляет задуматься, может ли подобное повториться.

Поневоле начинаешь фантазировать о необычных, возможно, неорганических живых существах. Но наука знает точный ответ на этот вопрос: повторно жизнь на Земле (и нигде, где уже зародилась) появиться и продолжить существовать не может.

Что нужно для возникновения жизни

Эксперимент Миллера-Юри, проведенный в 1953-1954 годах показывает, что из неорганических веществ при определенных условиях получаются органические – аминокислоты, углеводы, липиды, нуклеотиды. Для этого нужно пропустить электрический разряд через нагретую до 80°C смесь газообразных воды, аммиака, метана, угарного и углекислого газов.

В 2006 году немецкие химики продемонстрировали, что органические вещества получаются из неорганических и в растворах при нагревании до той же температуры. Электрические разряды для этого необязательны.

Такие условия типичны для «черных курильщиков» – горячих источников на дне моря. Из них извергается прогретая до 400°C вода, а также растворенные в ней минеральные вещества.

Вокруг «черных курильщиков» живут бактерии, которые окисляют выделяющиеся вещества и так получают энергию.

Из скопления органических веществ могут образовываться протоклетки – примитивная форма жизни. В 2008 году протоклетку удалось создать американским ученым, а в 2011 году – японцам.

Таким образом, чтобы из неорганических веществ получились органические, требуются:

• Сами неорганические вещества – вода, аммиак, соединения углерода, фосфора и серы;
• Высокая концентрация этих веществ;
• Высокая температура.

Чтобы получившаяся органика стала живой, требуются другие условия:

• Жидкая вода;
• Ограничение капель органических веществ от окружающей среды;
• Возможность обмена веществами и энергией с окружающей средой;
• Условия, при которых органические вещества не разрушаются – относительно низкие температуры, отсутствие сильных окислителей;
• Способность органических веществ самовоспроизводиться.

Последний пункт – самый сложный.

Углеводы, липиды и белки не воспроизводят свои копии. Это же относится к большинству молекул, за исключением нуклеиновых кислот – ДНК и РНК.

Протоклетка, полученная американцами в 2008 году, была способна частично воспроизводить структуру своей ДНК, не используя для этого ферменты. Однако РНК справляется с этой задачей лучше. Именно поэтому ученые считают, что первый живой организм содержал именно РНК.

Не только самовоспроизводство

Все живые организмы произошли от одного общего предка. Предположительно это была РНК-содержащая протоклетка, которая приобрела способность размножаться – воспроизводить саму себя.

Одно из свойств живых организмов – обмен с окружающей средой веществом и энергией. Это значит, что потомки протоклетки должны были получать энергию и вещества для роста и самовоспроизведения извне.

Поначалу органических веществ хватало всем: они образуются проще, чем живые организмы. Однако через некоторое время должна была возникнуть конкуренция за питание. Вероятно, именно тогда появились автотрофные организмы, способные синтезировать органические вещества с использованием энергии Солнца (фотоавтотрофы) или химических связей (хемоавтотрофы). Вполне возможно, что тогда же появились и организмы, питающиеся другими организмами.

Живые организмы развивались и приспосабливались к новым условиям: изменениям атмосферы, температуры, состава воды, новым способам получать энергию – фотосинтезу, а затем – кислородному дыханию.

Они стали многоклеточными, формировали внутренние и внешние скелеты, осваивали сушу и вновь уходили в океанские глубины. В результате эволюции и естественного отбора появилось множество непохожих друг на друга, но все-таки сходных живых существ. Они распространились по всей Земле, образовав биосферу.

Часть Земли, населенную живыми организмами, называют биосферой.

Границы жизни

В ходе эволюции живые организмы освоили все среды обитания: наземно-воздушную, водную и почвенную. В атмосфере биосфера заканчивается на высоте 20-22 км и определяется озоновым слоем. Он защищает живые организмы от действия ультрафиолетовых лучей. Большинство живых существ обитает ближе к поверхности Земли.

В литосфере живые организмы проникают на глубину до 7,5 км. Глубже существование жизни маловероятно из-за высоких температур, при которых испаряется вода и разрушаются белки.

Глубже всего в литосферу проникают бактерии-хемосинтетики. Среди многоклеточных рекорд принадлежит дьявольскому червю – нематоде Halicephalobus mephisto. Этот вид нематод открыли в ЮАР на глубине 3,6 км. Дьявольские черви живут в воде, прогретой до 48°C и питаются почвенными бактериями.

В гидросфере живые организмы обнаружили даже в Марианской впадине. На глубине 10911 м обитают фораминиферы – раковинные одноклеточные организмы. Там же обнаружили ракообразных Hirondellea gigas, размеры тела которых достигают 5 см.

Живые организмы обитают даже в, казалось бы, неподходящих для жизни условиях. В гидротермальных источниках живут археи – безъядерные организмы, вероятно, одни из древнейших на Земле. Бактерии обнаруживают в урановых рудниках, соленых озерах и на дне океана, вокруг «черных курильщиках».

Чтобы живые организмы оставались живыми, нужно соблюдение трех условий:

1. Доступная вода – жидкая и не слишком засоленная;
2. Источники энергии – ультрафиолетовое излучение или химические соединения для автотрофов; органические вещества для гетеротрофов;
3. Отсутствие факторов, к которым невозможно приспособиться – очень высоких температур, жесткого излучения и др.

К другим изменениям – давлению, температурам, химическому составу среды, наличию или отсутствию света – живые организмы могут приспособиться.

Это означает, что живые организмы обитают везде на Земле, где есть условия для существования жизни.

Почему жизнь не возникает повторно

Причины, по которым жизнь не может зародиться повторно, различаются в зависимости от того, какая из гипотез о происхождении жизни верна.

Материал по теме: Гипотезы возникновения жизни на Земле.

В статье мы поэтапно рассказываем, как зародилась жизнь на Земле и какие условия этому поспособствовали.

Если предполагать, что органические вещества получились из неорганических в газообразной среде под действием электрических разрядов, объяснение простое: состав атмосферы изменился, и органическим веществам не из чего образовываться. Раз они не образуются заново, значит, не могут и собраться в капли и сформировать протоклетку.

Однако вокруг второго кандидата на место самозарождения жизни – «черных курильщиков» – условия не изменились. Там все такая же высокая температура и много неорганических веществ, из которых могут сформироваться органические. И, самое главное, они окружены более холодной водой; значит, часть образующихся органических веществ не разрушится, а достигнет места, где вполне может сформировать новую протоклетку.

Однако этого не происходит. Причина в том, что глубины океанов уже населены живыми организмами. Среди них много гетеротрофов.

Это означает, что вновь образовавшуюся органику съедят быстрее, чем она успеет сформировать живой организм.

С этим объяснением иногда спорят, приводя в пример инвазивные виды.

Инвазивные виды — это организмы, которые, попав в новые условия, бесконтрольно размножаются и вытесняют из экологических ниш тех, кто занимал их до этого. В результате нарушаются экосистемы.

К инвазивным видам относят американский клен, колорадского жука, ондатру, элодею в Евразии, кроликов, кошек и собак в Австралии и других.

Однако инвазивные виды становятся таковыми, попав в более мягкие условия, чем те, к которым они приспособлены. На новом месте у них нет естественных врагов. Поэтому инвазивные организмы легко занимают территории.

Выводы и тезисы

Ответы на вопросы

Список использованной литературы

1. Mansy, S., Schrum, J., Krishnamurthy, M. et al. Template-directed synthesis of a genetic polymer in a model protocell. Nature 454, 122–125 (2008).
2. Claudia Huber, Günter Wächtershäuser. alpha-Hydroxy and alpha-amino acids under possible Hadean, volcanic origin-of-life conditions Science . 2006 Oct 27;314(5799):630-2.
3. Camprubí, E., de Leeuw, J.W., House, C.H. et al. The Emergence of Life. Space Sci Rev 215, 56 (2019).