Точного и полностью доказанного сценария появления жизни пока нет. Наиболее общее научное объяснение состоит в том, что на ранней Земле шла химическая эволюция: простые вещества образовывали более сложные органические молекулы, некоторые системы научились копировать информацию и использовать энергию, а затем оказались заключены в оболочки и дали начало первым клеткам. Где и в какой последовательности произошли эти переходы, учёные продолжают выяснять.
Что нужно объяснить
Живой организм не определяется одной необычной молекулой. Даже простейшая клетка отделена от среды мембраной, поддерживает химические реакции, получает энергию, хранит информацию и воспроизводится с изменениями. Происхождение жизни должно связать все эти свойства, не предполагая заранее готовую клетку.
При этом первый объект, способный к эволюции, мог быть намного проще современной бактерии. Ему не требовались все нынешние белки и сложный генетический аппарат. Достаточно было наследования, изменчивости и различий в успешности размножения. Естественный отбор мог усложнять систему после появления такого цикла.
Учёные различают факты и реконструкции. Мы знаем, что Земля достаточно рано имела жидкую воду, источники энергии и необходимые элементы. Мы также умеем получать некоторые органические соединения в лабораторных моделях. Но у нас нет окаменелости самой первой химической системы.
Откуда взялись органические молекулы
Углерод способен образовывать длинные цепи и кольца, соединяться с водородом, кислородом, азотом, фосфором и серой. Простые органические молекулы могли синтезироваться в атмосфере, вулканических газах, у гидротермальных источников и на минеральных поверхностях.
Часть органики поступала из космоса. Углеродистые метеориты содержат аминокислоты и другие соединения. Это не означает, что метеорит принёс на Землю готовую жизнь. Он лишь мог пополнять набор сырья, доступного земной химии.
Классические эксперименты с электрическими разрядами показали, что некоторые строительные блоки могут возникать из простых газов. Состав реальной ранней атмосферы, вероятно, отличался от первой лабораторной смеси, однако последующие опыты воспроизводили реакции в разных условиях. Главный вывод скромнее сенсационного: образование органики без организма возможно.
Где могла начаться химическая эволюция
Одна группа гипотез рассматривает мелкие водоёмы, берега и периодически высыхающие лужи. Испарение концентрирует вещества, а чередование сухих и влажных фаз помогает соединять небольшие молекулы в цепочки. Солнечный свет и вулканическое тепло дают энергию, минералы ускоряют реакции.
Другая группа связывает начало с гидротермальными источниками на морском дне. Там горячая вода взаимодействует с породами, возникает химический перепад и образуются пористые минеральные структуры. Их микроскопические полости могут концентрировать молекулы и напоминать естественные реакторы.
Есть идеи о льдах, глинистых минералах, вулканических островах и подземных системах. Эти варианты не обязательно полностью исключают друг друга. Разные стадии могли проходить в разных местах, а потоки воды переносили промежуточные продукты.
Почему часто говорят о мире РНК
Современная ДНК хорошо хранит информацию, а белки эффективно ускоряют реакции. Но для копирования ДНК нужны белки, а для создания белков используется информация нуклеиновых кислот. Возникает проблема взаимной зависимости.
РНК интересна тем, что может и хранить последовательность, и выполнять каталитические функции. Некоторые молекулы РНК, рибозимы, ускоряют реакции. Отсюда гипотеза мира РНК, в котором наследование и катализ сначала были объединены в одном типе молекул.
Гипотеза не означает, что в океане случайно появилась современная длинная РНК. Нужно объяснить образование её компонентов, соединение в цепочки, копирование с приемлемой точностью и устойчивость. Лабораторные исследования закрывают отдельные части цепи, но общего подтверждённого маршрута пока нет.
Возможно, до РНК существовали более простые наследственные системы или сеть взаимно поддерживающих реакций. Поэтому «мир РНК» полезен как проверяемая модель этапа, а не как установленная запись первого дня жизни.
Зачем понадобилась мембрана
В открытом океане полезные молекулы быстро разбавляются, а продукты реакций расходятся. Жировые соединения способны самопроизвольно собираться в пузырьки с двойной оболочкой. Такие везикулы не являются живыми, но создают отдельную внутреннюю среду.
Если внутри пузырька происходили реакции и находилась копирующаяся система, оболочка могла удерживать компоненты рядом. Пузырьки росли, присоединяя новые липиды, и делились при механическом воздействии. Свойства оболочки влияли на поступление питательных веществ и сохранность содержимого.
Протоклетка должна была связать мембрану, обмен веществ и наследование. Система, которая копировалась быстрее или меньше разрушалась, оставляла больше потомков. С этого момента химические различия могли стать биологической эволюцией.
Когда появилась первая жизнь
Возраст Земли составляет около 4,54 миллиарда лет. Надёжные следы жизни значительно моложе, а более древние свидетельства трудны для толкования. Кандидатами служат микроскопические структуры, углерод с необычным изотопным составом и слоистые образования, похожие на деятельность микробных сообществ.
Породы первых сотен миллионов лет почти не сохранились. Высокая температура, удары, давление и тектоника уничтожили или изменили записи. Поэтому обнаружение древнего углерода не всегда доказывает биологическое происхождение: похожие признаки способны возникать без жизни.
Ученые осторожно разделяют минимальный возраст, подтверждённый несколькими линиями данных, и более ранние возможные сигналы. Жизнь могла появиться сравнительно быстро после установления пригодных условий, но слово «быстро» в геологии всё равно означает миллионы лет.
Был ли у всего живого общий предок
Все известные организмы используют сходный генетический код, клеточные мембраны, рибосомы и основные способы обмена веществ. Это указывает на общего предка, которого называют LUCA – последним универсальным общим предком.
LUCA не обязательно был первой жизнью и, вероятно, уже представлял развитую клеточную систему. До него могли существовать многочисленные линии, обмениваться генами и исчезнуть. Происхождение жизни относится к периоду до LUCA, а восстановить его ещё труднее.
Возможность нескольких независимых возникновений тоже нельзя логически исключить. Но все сохранившиеся земные линии относятся к одной глубокой родословной. Если другие варианты и появлялись, они могли проиграть конкуренцию или не оставить потомков.
Почему ответ остаётся открытым
Ни одна отдельная гипотеза пока не соединяет с достаточной экспериментальной надёжностью весь путь от простой геохимии до клетки. Исследования проверяют не абстрактное чудо, а конкретные звенья: синтез молекул, их концентрацию, каталитические циклы, копирование, мембраны и отбор.
Это незнание не означает отсутствия научного объяснения. Наоборот, оно задаёт программу опытов и наблюдений. Исследование Марса, ледяных спутников и атмосфер экзопланет помогает понять, какие условия распространены и могла ли жизнь возникнуть другим путём.
Химическая эволюция стала возможной благодаря долгой истории планеты. Сначала сформировалась Земля, затем появились атмосфера и океаны, а уже в их разнообразных средах начались реакции. Полную цепочку из восьми шагов – от Большого взрыва до первых живых систем – можно пройти на странице «Маршруты знаний».
