Повторное возникновение жизни на Земле

Почему жизнь на Земле не возникает снова

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.

Повторное возникновение жизни на Земле

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.

Повторное возникновение жизни и эксперимент Миллера-Юри
Эксперимент Миллера-Юри в схематическом виде. Источник: ru.wikipedia.org.

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.

Повторное возникновение жизни возле черных курильщиков
Беспозвоночные, живущие в зоне черных курильщиков («Замок Локи» между Гренландией и Норвегией).

(А) — трубчатые черви сибоглинид (S. contortum). Позади — белые микробные циновки и маленькие баритовые трубы.

(B) — на крупном плане трубчатые черви сибоглинид перед белыми микробными матами. Обратите внимание на густые популяции мелких брюхоногих моллюсков (P. griegi и Skenea sp.) Рядом — линейка в 5 см для масштаба.

(C) — амфиподы (Melitidae sp. nov.) на стене «дымохода».

(D) — на крупном плане — ювенильная амфипода Melitid размером ~ 1,5 см.

(E) — электронно-микроскопическое изображение хемоавтотрофных амфипод Melitid (масштабная линейка — 3 мкм).

(F) — маленькие брюхоногие моллюски (P. griegi), населяющие стенку «дымохода» (~ 3 мм в диаметре).

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.

Рождение протоклетки из жирных кислот. Автор — Джанет Иваса , доцент кафедры биохимии в Университете Юты, известная своим вкладом в молекулярную и клеточную визуализацию.

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.

Автотрофы и повторное зарождение жизни на Земле
Цикл между автотрофами и гетеротрофами. Первые синтезируют органические вещества из неорганических (на данной схеме — с помощью фотосинтеза), поэтому считаются первичными продуцентами биосферы

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.

Дьявольский червь и возможно ли повторное образование жизни
Голова дьявольского червя. Примечательно, что червь способен выживать при экстремально низком уровне кислорода в 1% (речь об океане). Источник фото: https://www.sciencemag.org/.

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.

Hirondellea giga: может ли жизнь зародиться повторно
Образец Hirondellea gigas, взятый из Бездны Челленджера в Марианской впадине. Источник фото: https://www.nationalgeographic.com.

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.

По-вашему, жизнь зародилась...
В газообразной среде
28.57%
Возле черных курильщиков
71.43%
Проголосовало: 7

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.

Инвазивные виды и повторное возникновение жизни на Земле
Кролики для Австралии — настоящие вредители. В XIX веке они стали причиной вымирания многих видов австралийских животных, а также привели к эрозии почвы. Всего за 10 лет из 24 особей, использующихся Томом Остином для охоты, образовалось два миллиона кроликов.

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.

Вновь самозародившийся живой организм не приспособлен ни к каким условиям жизни, кроме полной изоляции в лаборатории. Но будучи изолирован от окружающей среды, он так и не приспособится к ней. Следовательно, вновь самозародившиеся живые организмы не способны выжить там, где уже кто-то живет.

Выводы и тезисы

Органические вещества могут образовываться из неорганических при нагревании в атмосфере или в водном растворе.
Органические вещества способны соединяться в капли.
Вероятно, одна из органических веществ приобрела способность к самовоспроизводству, и так дала начало живым организмам.
После самозарождения жизни новые живые организмы появляются только в результате размножения их предков.
Живые организмы обитают везде на Земле, где есть жидкая вода, источники энергии и нет непреодолимых угроз для их существования.
Все пригодные для жизни места на Земле обитаемы, включая океаны и почву.
Живые организмы приспосабливаются к условиям обитания в ходе эволюции.
В атмосфере органические вещества больше не могут образовываться, поскольку ее состав изменился.
Если органические вещества образуются вокруг «черных курильщиков», их немедленно съедят гетеротрофы.
Любой вновь самозародившийся живой организм неприспособлен к условиям окружающей среды и, следовательно, погибнет.

Ответы на вопросы

Почему вы рассматриваете только гипотезы о происхождении жизни на Земле? Могут ли новые живые организмы или нуклеиновые кислоты быть занесены из Космоса?
Если жизнь возникла не на Земле, а была занесена из Космоса, ничего принципиально не меняется. Если предположить, что какое-либо живое существо переживет космическое путешествие на метеорите, оно, скорее всего, погибнет из-за непривычных температур, влажности или из-за нехватки пищи. Химические же вещества, вероятно, будут разрушены земными живыми организмами.
Что произойдет, если какие-нибудь инопланетные микроорганизмы доберутся до Земли на метеоритах?
С нами ничего страшного не произойдет. Если микроорганизмы выживут в Космосе, значит, они приспособлены к экстремальным условиям и не способны жить в организмах других живых существ. Скорее всего, такие микроорганизмы погибнут.
Зачем ученые создают в лаборатории новые живые организмы?
Пока еще не создают, а пытаются создать. В лаборатории можно пронаблюдать за процессом образования протоклеток и контролировать условия их формирования. Изучение протоклеток поможет выяснить, как именно возникла жизнь и какими были первые живые организмы.
Опасны ли искусственные протоклетки?
Не опасны. Если они каким-то образом покинут лабораторию, их немедленно съедят более приспособленные к условиям организмы – скорее всего, бактерии. Для них протоклетка – не конкурент, а пища.
Что будет, если живые организмы с одной обитаемой планеты попадут на другую?
Зависит от того, к каким условиям приспособлены эти живые организмы. Если условия в новой среде неподходящие – нет пищи или много врагов, они погибнут. Если условия мягче, чем те, к которым они приспособлены, они станут инвазивным видом и могут разрушить экосистему планеты, на которую попадут.

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).

Подписывайтесь на наш канал в Telegram, чтобы получать свежие статьи своевременно!
Лучший способ отблагодарить нас — поделиться статьей с друзьями:
Влад Шляховой — автор Ratenger.com

Издатель и главный редактор Ratenger.com.

Оцените автора
Поделиться мнением

  1. Екатерина

    Влад, у вас замечательные статейки! Я Вас люблю! Вы знакомитесь с фанатками???
    — К

    Ответить
  2. ГригорийБ.

    Много правды.но истины — нет.

    Ответить