От неорганической материи к первым клеткам: происхождение жизни на Земле

От Большого взрыва до звездной пыли

В предыдущем разделе мы говорили о неорганической материи и химических элементах, которые образовались в результате процессов, происходивших после Большого взрыва и внутри звёзд.

Всё началось с элементарных частиц : протонов, нейтронов и электронов. В первые минуты существования Вселенной протоны и нейтроны образовали ядра водорода и гелия. Позже внутри звёзд благодаря термоядерным реакциям начали образовываться более тяжёлые химические элементы, из которых впоследствии сформировались планеты и всё живое на Земле.

Но возникает следующий вопрос: как из неорганической материи появилась органическая?

Органическими веществами называют вещества, основу которых составляют атомы углерода. К органическим веществам относятся белки, жиры, углеводы, аминокислоты, ДНК и многие другие соединения, из которых состоят живые организмы.

Современная наука считает, что первые органические молекулы могли возникнуть естественным путём из неорганических веществ. На молодой Земле существовали вода, углекислый газ, азот, метан и другие простые соединения. Из них постепенно формировались более сложные органические молекулы.

Одними из важнейших таких молекул стали аминокислоты — строительные блоки белков.

Учёные обнаружили молекулы аминокислот в метеоритах, кометах и межзвёздных облаках. Это означает, что некоторые строительные блоки жизни могут образовываться не только на Земле, но и в космосе. Однако аминокислоты и даже белки — это ещё не жизнь. До сих пор учёные не знают точно, каким образом из сложных органических молекул возникла первая живая клетка.

Белки — это ещё далеко не жизнь.

Можно привести простой пример:

• аминокислота — это как буква;
• белок — это как слово или предложение, составленное из букв;
• живая клетка — это уже целая самовоспроизводящаяся фабрика с памятью, производством энергии, ремонтом и копированием самой себя.

Белки — это огромные и довольно сложные молекулы, состоящие из десятков, сотен или даже тысяч аминокислот. Пока в космосе находят главным образом:

• аминокислоты;
• сахара;
• спирты;
• азотистые основания (компоненты ДНК и РНК);
• другие сравнительно небольшие органические молекулы.

Точный механизм перехода от неорганической материи к первой живой клетке пока остаётся одной из самых больших загадок науки. Однако учёные уже доказали, что многие органические вещества могут образовываться естественным путём без участия живых организмов.

Итак, первая живая клетка, вероятно, появилась на Земле около 3,5–4 миллиардов лет назад. Если учесть, что Земля сформировалась примерно 4,5 миллиарда лет назад, то получается, что жизнь возникла сравнительно быстро — всего через 500 миллионов лет после появления нашей планеты.

Точного ответа, где именно это произошло, у науки пока нет. Одной из наиболее популярных гипотез являются горячие гидротермальные источники на дне древних океанов.

Первые клетки были очень простыми. Они относились к прокариотам, то есть организмам, не имеющим клеточного ядра. У них не было ядра, митохондрий и других сложных внутренних структур. Такие организмы напоминали современных бактерий.

Несмотря на свою простоту, они уже обладали главными свойствами жизни: могли получать энергию из окружающей среды, хранить наследственную информацию и создавать собственные копии путём деления.

Предполагается, что первые клетки имели оболочку, отделявшую их от окружающей среды, внутреннюю жидкость, набор белков и молекулу, хранившую наследственную информацию. Многие учёные считают, что до появления ДНК эту роль могла выполнять более простая молекула — РНК.

ДНК — это огромная молекула, в которой хранится информация о строении, развитии и работе живого организма.

Когда клетка делится, она сначала копирует свою ДНК, а затем передаёт копию дочерней клетке. Благодаря этому новые клетки получают ту же информацию, что и родительская клетка.

Именно от таких простейших клеток спустя миллиарды лет произошли все бактерии, растения, животные и люди, живущие сегодня на Земле.

Первые клетки получали строительные материалы из окружающей среды. В древних океанах и гидротермальных источниках уже присутствовали различные органические молекулы, которые могли использоваться клетками для роста и размножения.

Энергию первые клетки получали из химических реакций между веществами, растворённых в воде.

Энергия — это способность совершать работу. Без энергии клетка не может строить белки, делиться, двигаться и поддерживать свою жизнедеятельность.

Например, когда водород соединяется с углекислым газом, образуется метан и выделяется энергия. Некоторые микроорганизмы способны использовать эту энергию для своей жизнедеятельности.

Поскольку свободного кислорода в атмосфере тогда практически не было, эти организмы не использовали кислород для получения энергии. Поэтому первые клетки были анаэробными, то есть могли жить и размножаться без кислорода. Также они были прокариотами — простыми одноклеточными организмами без ядра.

Среди прокариот существовали две большие группы: бактерии и археи

Археи — это не следующий этап после бактерий, а отдельная древняя ветвь жизни. Сегодня считается, что и бактерии, и археи существуют почти столько же времени, сколько существует жизнь на Земле. Внешне археи и бактерии похожи: обе группы состоят из маленьких одноклеточных организмов и не имеют ядра. Однако на молекулярном уровне они сильно различаются.

Именно от одной из древних ветвей архей (археи-асгарды) позже произошли более сложные клетки — эукариоты, то есть клетки, имеющие ядро. Из них впоследствии возникли растения, животные и человек.