Молнии, кометы и радиация. Самые интригующие гипотезы о происхождении жизни на Земле

О том, что необходимую искру для зарождения живых организмов на планете могла дать молния, говорят еще с середины ХХ столетия. На ранней Земле ежегодно происходило от 1 до 5 млрд вспышек молний. Для сравнения — сейчас их менее 600 млн в год.

Исследователи выдвинули теорию, что необходимое для зарождения количество фосфора могло появиться на Земле именно благодаря молниям потому, что удары молний обычно приходились на материковую часть тропических регионов. Это привело к образованию областей с более высоким содержанием фосфора именно там, где с большей вероятностью присутствовали и другие ингредиенты жизненного коктейля, — в небольших водоемах на суше.

Замедление Земли

Ученые долгое время считали, что в зарождении жизни замешаны цианобактерии. Однако для их эволюции было необходимо большое количество кислорода. Долгое время микроорганизмы могли создавать свой жизненный бульйон на планете, пока около 2,4 млрд лет назад не настала Кислородная революция, когда в составе атмосферы Земли появился кислород, столь необходимый для развития жизни.

Что стало его причиной — в настоящий момент исследователи также не могут дать ответа. Американские и немецкие ученые в своем исследовании связывают это событие с замедлением Земли из-за постепенного отдаления Луны от нашей планеты.

Каждое столетие земной день становится длиннее на 1,8 миллисекунды. На первый взгляд, изменение практически незаметное, однако стоит только взглянуть масштабнее — и картина проясняется: 200 млн лет назад сутки были на час короче, а 600 млн лет назад в сутках был всего 21 час. Другая группа исследователей подсчитала, что 1,4 млрд лет назад день длился всего 18,7 часа.

Теперь пришла пора связать эти данные с зарождением жизни. Команда ученых обратила свое внимание на бактерии из глубокого провала Миддл-Айленд в озере Гурон, которое расположено на севере США и в Канаде. Вода в нем насыщена серой, а кислорода наоборот там очень мало, из-за чего считается, что живым организмам жить в ней достаточно непросто. Однако жизнь там есть — это бактерии, которые считаются аналогами простейших, которые миллиарды лет населяли нашу планету.

В лабораторных условиях исследователи обнаружили, что чем больше непрерывного света получают микробы, тем больше кислорода они производят. Соответственно, более длительные световые дни привели к тому, что бактерии выделяли больше кислорода. По мнению ученых, именно это и привело к кислородной революции.

Подводная жизнь

Основой жизни на Земле является фотосинтез. Фотосинтез не возможен без Солнца. Однако жизнь без Солнца существует — согласно подсчетам ученых, около 1030 микроорганизмов проживает в недрах Земли. Этот мир — один из самых разнообразных и старейших на планете.

«Солнцезаменителем» для них стали подводные вулканы, которые извергают в том числе и углерод с водородом, необходимые для поддержания жизни. Группа ученых из Германии и США (не та, о которой мы говорили выше) предполагает, что подводные вулканы могли «соединить» эти молекулы, что стало катализатором химических реакций, вследствие которых на Земле зародилась жизнь.

Горячая лава подводных вулканов затвердевает и превращается в камень. За миллионы лет них оседают различные минералы, которые формируют благоприятную среду для появления анаэробов — простейших микроорганизмов, которые могут существовать без доступа к кислороду.

В подтверждение этой гипотезы несколько лет назад ученые Университетского колледжа Лондона успешно создали протоклетки в похожих условиях, которые существуют возле и внутри подводных вулканов.

Радиация убивает. Но и помогает

Продолжая тему подводных вулканов, стоит поговорить и о радиации. Некоторые ученые считают, что именно она заменяет Солнце для организмов, которые живут на большой глубине.

Барбара Шервуд Лоллар, геохимик из Университета Торонто, вместе со своими коллегами обнаружили глубоко под землей на территориях Южной Африки и Канады гелий. Это указывает на радиоактивный распад урана и тория, расщепляющих молекулы воды. Также выяснилось, что местные бактерии вырабатывали меланин, защищающий их от радиации и позволяющий им черпать энергию из реакций распада.

Тогда Лоллар с командой предположили, что микробы, живущие в этих местах, получали энергию для своего выживания из водорода, производимого посредством радиолиза. Чтобы это проверить, они изучали пробы воды по всему миру, и выяснили, что в некоторых местах, изолированных от земной поверхности более одного или даже двух миллиардов лет, все равно кипела жизнь.

В теории это открывает возможность для микробот развиваться и эволюционировать в своей среде, чтобы постепенно ее покинуть и отправиться сначала ближе к поверхности океана, а затем и выйти на сушу, где вопрос с энергией решается при помощи Солнца.

Привет из космоса

Панспермия — одна из наиболее интригующих гипотез о возникновении жизни. Согласно ей, жизнь на Земле появилась в результате столкновения с другим космическим телом, а первыми живыми организмами были экстремофилы — существа, способные жить и размножаться в экстремальных условиях.

Экстремофилы в теории могут пережить сложное космическое путешествие и могут существовать в условиях, в которых любое другое живое существо не выжило бы. Отличным примером являются тихоходки, которые могут выживать как в невероятном холоде, так и при жаре до 60, а в некоторых случаях и до 100 °C. Исследования показали, что тихоходки могут выжить даже в условиях открытого космоса.

Это подтолкнуло некоторых ученых к предположению, что жизнь на Земле возникла после того, как на планету упал один из огромного количества метеоритов, упавших на нашу планету. Есть даже гипотезы, что космическое тело могло прилететь к нам не с условного Марса, а из другой звездной системы, «захватив» там микробную основу для зарождения жизни, которая попала в правильную среду на Земле.

Необходимые для жизни элементы известны как CHNOPS — углерод, водород, азот, кислород, фосфор и серу. Комбинации этих шести химических элементов составляют подавляющее большинство биологических молекул на Земле. Ранее ученые нашли пять из них в кометах, однако вопрос с фосфором долгое время оставался открытым.

Его решили исследователи из Университета Турку в Финляндии, обнаружив элемент во внутренней части кометы Чурюмова-Герасименко.

Фосфор — одна из важнейших недостающих частей в головоломке жизни на Земле. На ранней Земле не хватало молекул, содержащих растворимый фосфор. Эксперименты показали, что именно этот элемент может играть решающую роль в происхождении биологических молекул.

Ледяное начало

В противовес горячим тепературам, которые генерируют Солнце и вулканы, есть и другая гипотеза — жизнь зародилась во льду. Геохимик из Калифорнийского университета Джеффри Бада уверен, что низкие температуры способствуют выживаемости «ключевых органических соединений, которые считаются важными для появления жизни».

Гипотеза мира РНК предполагает, что самыми первыми репликаторами, из которых развилась жизнь, были молекулы РНК Джеймс Аттуотер и Филипп Холлигер из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже предполагают, лед создает идеальные условия для возникновения и поддержания жизни этих молекул, из которых в последствии возникла жизнь.

Кроме того, лед мог защитить хрупкие органические соединения от ультрафиолетового света и разрушения от космических ударов. Молекулы, которые находились во льду, жили дольше, за счет чего протекали ключевые реакции для зарождения жизни.

Глиняный слепок

Химик-органик Александр Грэм Кэрнс-Смит предполагает, что первые молекулы жизни зародились на глине.

Главная миссия ДНК — хранить информацию о том, как устроены молекулы, а генетические последовательности в ДНК — это своего рода инструкции о том, как аминокислоты должны располагаться в белках. Кэрнс-Смит считает, что упорядоивать органические молекулы в организованные структуры могли кристаллы глиняных минералов. Со временем молекулы «научились» делать это самостоятельно, после чего бульон жизни начал закипать и развиваться.

Ученые из Массачусетского технологического института, Университета Макгилла и Университета Кентукки считают, что глина могла быть «подложкой» для синтеза РНК из разрозненных нуклеотидов и образования прототипов клеточных мембран из жирных кислот.