Как зародилась жизнь на Земле, долгое время ставило ученых в тупик. И это все еще так.
Окаменелости предоставляют очень важные доказательства эволюции растений и животных. К сожалению, окаменелостей древних микробов очень мало, поэтому ученые полагаются на современных микробов при разработке теорий о том, как зародилась жизнь. Я много лет изучал бактерии и другой тип микробов, называемых археями, в жаркой среде, чтобы узнать, как они могли развиваться на ранней Земле, но у меня до сих пор так много вопросов без ответов.
Исходя из имеющихся у нас ископаемых свидетельств, одноклеточные микробы появились на Земле раньше, чем более крупная клеточная жизнь, такая как растения и животные. Но какие виды микробов были самой первой формой жизни?
Какие микробы считаются живыми?
Микробы - это живые одноклеточные существа, окруженные мембраной. Они потребляют и превращают питательные вещества в биологические молекулы или энергию и слишком малы, чтобы их можно было увидеть без микроскопа.
По этому определению бактерии, археи и одноклеточные эукариоты являются микробами. Бактерии и археи - одноклеточные существа, у которых отсутствуют внутренние структуры, окруженные мембраной, такие как ядро, в котором хранится их генетический материал. Одноклеточные эукариоты имеют ядро и могут иметь другие структуры, окруженные мембраной.
Некоторые ученые считают вирусы микробами, состоящими из генетического материала, заключенного в белковую оболочку. Они не могут воспроизводиться сами по себе и захватывают механизмы других клеток, чтобы создавать копии самих себя. Поскольку у них нет многих признаков живых клеток, технически они не являются живыми.
Доказательства ранней жизни на Земле
Окаменелости могут дать ученым ключ к пониманию того, когда зародилась жизнь, но лучше всего они отражают твердые объекты, такие как кости и зубы. Микробы состоят из мягких материалов, которые плохо окаменевают. Однако некоторые живут вместе в очень больших группах клеток, которые могут накапливать минералы и оставлять после себя довольно крупные окаменелости.
Например, цианобактерии образовали большие структуры, называемые строматолитами, в океанах ранней Земли. Ученые нашли ископаемые строматолиты возрастом 3,48 миллиарда лет.
Другие ученые обнаружили то, что, по их мнению, является окаменелыми археями в породах на горячем морском дне возрастом 3,4 миллиарда лет. Земля стала пригодной для жизни около 4 миллиардов лет назад, поэтому бактерии и археи должны были появиться между 3,5 и 4 миллиардами лет назад.
Наблюдение за химическими реакциями, которые осуществляют клетки, также может дать подсказки. Реакции, которые создают биологические молекулы и генерируют энергию, составляют то, что называется клеточным метаболизмом. Ученые нашли доказательства того, что некоторые метаболические реакции происходили по крайней мере 4,1 миллиарда лет назад. Эти реакции могли происходить сами по себе до того, как развились клетки, возможно, на поверхности глины или минералов.
Теории о зарождении жизни на Земле
Клетки копируют свой генетический материал, состоящий из ДНК и РНК, чтобы передать его новым поколениям. Хотя ДНК является формой генетического материала, используемого сегодня большинством живых организмов, некоторые ученые считают, что РНК была первой молекулой для хранения информации на ранней Земле, потому что она могла создавать копии самой себя.
Поскольку некоторые современные вирусы используют РНК для хранения генетической информации, некоторые ученые считают, что вирусы могли развиться из самовоспроизводящихся РНК. Эта возможность означала бы, что вирусы могли появиться раньше бактерий. Но поскольку вирусы не оставляют после себя окаменелостей, нет доступных доказательств, подтверждающих эту идею.
В какой-то момент метаболические реакции и процессы репликации должны были объединиться внутри мембраны, чтобы образовалась ранняя форма клетки: пре-клетка. Возможно, это произошло, когда вирусоподобная структура заразила совокупность метаболических реакций, заключенных внутри мембраны. Предварительная клетка могла затем дублировать себя, что привело к эволюции первой живой клетки. Эта клетка была бы похожа на современные бактерии и археи.
Возможно, вирусоподобные структуры сформировались раньше клеток. Однако эти простые вирусоподобные структуры могли быть просто кусочками ДНК или РНК, так можно ли их действительно считать «вирусами»?
Другая популярная теория гласит, что вирусы произошли от выродившихся бактерий или архей, которые утратили большую часть генетических инструкций для осуществления метаболизма и формирования клеток. Есть много примеров подобных меньших вырождений, которые произошли сегодня в бактериальном мире.
Раскрытие ранней жизни
Поверхность Земли сегодня сильно отличается от той, что была 4 миллиарда лет назад. Некоторые предполагают, что глубоко под поверхностью Земли, где слишком жарко для современной жизни, эти ранние условия могут все еще присутствовать, что позволяет некоторым формам протожизни продолжать существовать там, где они защищены от поглощения другими микробами.
Когда люди смогут исследовать другие планеты или луны, возможно, мы обнаружим процессы, подобные тем, которые действовали на ранней Земле. Такое открытие может помочь нам решить загадку происхождения жизни здесь.
Кеннет Нолл - почетный профессор микробиологии Университета Коннектикута.