Палеонтология: Как появилась жизнь? Катархей / Архей. Станислав Дробышевский.

История планеты насчитывает примерно 4 миллиарда лет и из этих 4-ех миллиардов больше половины, на самом деле, довольно тёмное и непонятное время. У нас вся история планеты делится на два не очень равноценных отрезка: это так называемый абстрактный докембрий, очень большой и длинный, и фанерозой - это последние где-то там 500 с чем-то миллионов лет. Последний делится на три эры: палеозой, мезозой и кайнозой, в котором мы сейчас и пребываем. Но если фанерозой – это время такой уже известной, более-менее внятной жизни, то докембрий – это три четверти времени существования планеты, про которые мы знаем крайне мало.

Дальнейшее деление докембрия на какие-то отрезки производится немножко по-разному, потому что, опять же, мало мы про это знаем, но один из способов - это деление на катархей, архей и протерозой. Ну и опять же, чем ближе к современности, тем информации больше. То есть если про протерозой у нас хотя бы что-то известно, особенно про его последние этапы, начиная с какой-нибудь эдиакарской фауны, когда у нас какие-то уже отпечатки есть, то архей и уж тем более катархей известны нам до крайности плохо. В немалой степени, потому что тогда планета “собиралась” из первичных обломков – планетезимали, как их называют. Это были, условно, астероиды, которые болтались где-то вокруг Солнца и слиплись вместе, тогда и началась некая геотектоника. Уже вот эти пласты земли стали как-то между собой перемешиваться. Через некоторое время верхние слои оказывались в глубине, расплавлялись в магме и превращались в расплавленное состояние. Потом что-то наоборот всплывало, окаменевало, основа застывала и становилась сушей, но это уже была заново созданная суша. И вот с самых первых этапов, с момента там 4 миллиарда лет – 3,5 миллиарда лет на планете практически не осталось даже нетронутых минералов. То есть все породы, которые были на момент создания планеты, за эти 4 миллиарда лет успели практически полностью расплавиться, снова вылезти наружу и снова застыть. И только в очень маленьких ограниченных областях планеты сохранились даже и не породы, даже не куски какой-то там почвы, даже не минералы, а отдельные кристаллы, по которым геологи пытаются установить, что там творилось на первой Земле, на первозданной планете. Но по этим вот немногочисленным кусочкам и, исходя из общих изображений о планетогенезе, да и о том, как вообще планета могла возникнуть, реконструируется, что там на самом деле происходило.

Первичная Земля оказывается весьма неприглядным местом, где-то 3,8 миллиарда лет назад – это был немножко кривой шар, до которого периодически долетали какие-то обломки, и от которого в какой-то момент откололась, судя по всему, Луна, тоже загадочным образом. На эту самую Землю в какой-то момент пролилась в неимоверном количестве вода.

Происхождение воды само по себе загадочное, но есть несколько гипотез: есть версия, что вода выделилась в ходе химических реакций из пород, которые уже были на планете, а есть версия, что вода одноразово прилетела в виде ледяной кометы, которая шарахнулась об Землю первозданную и ещё горячую и расплавилась. И на месте удара фактически у нас образовался Тихий океан - огромная впадина, хотя это тоже большой вопрос. Тем не менее, вода расплавилась, растеклась, и получился океан. И вот эта планета, она была сильно не похожа на то, что мы имеем сейчас. В самом начале воды такой свободной было очень немного или даже вообще не было в виде океанов, зато было много сероводорода и аммиака через некоторое время, не было кислорода почти совсем, однако водяной пар имелся. И если бы современный человек попал на планету того времени, он был однозначно тут же умер. Тем более что и температура была весьма не такая как сейчас.

В начале планета была очень горячей, потом постепенно снаружи она стала остывать, а внутри, может быть, даже ещё и немножко разогреваться, потому что были радиоактивные вещества, которые распадались, они и до сих пор, собственно, распадаются и какой-то внутренний нагрев шел, и планета стала делиться на слои. То есть постепенно выкристаллизовалось вот это вот железное ядро, которое сейчас у нас есть и которое нам дает магнитную сферу, а тогда его ещё не было. Магнитосферы тоже не было и все космические излучения, которые прилетали сразу со стороны, а от Солнца, в первую очередь, били по этой планете со страшной силой. В какой-то момент ядро сформировалось, вокруг ядра получились другие слои, в том числе магма, потом вот кора, более-менее застывшая, но, по началу, эта кора, наверное, тоже была весьма нестабильной и как-то переползала. Есть опять же несколько концепций того, как это все перемещалось относительно друг друга, и есть несколько альтернативных карт вот этой первичной Земли, но, опять же, учитывая, что у нас даже пород, строго говоря, с этого времени не осталось, мы крайне слабо представляем, что там творилось.

Но, что приятно, все-таки некоторые данные есть и в формациях Исуа в Гренландии с датировкой примерно 3,5 миллиарда лет назад, там датировка весьма гуляющая, может быть больше, может быть меньше, но скорее чуть пораньше, уже были следы жизни, что чудесно. То есть несколько сотен миллионов лет от создания планеты до появления жизни – это на удивление маленький отрезок времени, на самом деле. Другое дело, что в формациях Исуа в Гренландии мы находим не прямо-таки отпечатки каких-то бактерий, а смещенный химический состав этих самых пород. То есть такая химия минералов бывает только в случае, если где-то рядом есть жизнь, которая метаболизирует, выделяет какую-то гадость, ну гадит, проще говоря, и меняет этот самый химический состав. А самих этих живых организмов мы не нашли. То есть что это было, как они выглядели, как они существовали - мы не знаем.

Есть несколько концепций появления жизни – абиогенеза, однако даже толком не понятно в каких условиях это происходило. Альтернативная версия примерно следующая: был первичный океан, как первоначально считалось, но не факт что тогда океан вообще как таковой существовал. Может быть, это было в почве, с некоторым количеством воды, правда почва слово тут не очень подходящее, потому что там не было органики особой, но тем не менее. Может быть, это были гейзеры, может быть были фумаролы, то есть, по сути, подземные гейзеры. Может быть, были просто термальные источники, не совсем, конечно, гейзеры, бурлящие и кипящие, но все-таки нагрев изнутри был. Может быть, это были какие-то глубинные разломы с выходом минералов, типа чёрных курильщиков, которые сейчас находятся на большой глубине в океане, но не факт, что тогда опять же был океан, но какие-то аналоги более поверхностные может быть существовали. Вот, а с другой стороны может быть, эти разломы были ещё и глубже чем сейчас, потому что планета ещё не обтесалась и не так сгладилась, летая в космосе, как нынче. Так что версий пока хватает.

Для того чтобы с этим разобраться биологи, химики и геологи пытаются понять чего, собственно, жизни надо вообще. Потому что у нас современная жизнь явно имеет один единственный источник и из состава химического клетки, то есть, сколько у нас, допустим, в составе клетки фосфора, сколько кальция, сколько натрия, сколько калия и там прочих всяких микро-, макроэлементов, пытаются высчитать какая была среда, в которой эта жизнь появилась, какая оптимальная температура для существования клеток. Вот я сейчас сижу, вот осень наступила, птички улетели и как-то вот зябко, поэтому явно не в таких условиях жизнь появилась, чуть потеплее тогда было, а вот насколько потеплее: 60 °C или 20 °C - это уже большой вопрос. Но большинство опять же склоняются, что это довольно приличная была температура, вот может порядка 60 градусов, то есть то что для нас уже горячевато кажется. Определенная опять же кислотность среды, то есть она должна быть вполне определенной, потому что чуть побольше – все растворяется, чуть поменьше – все опять же умирает. И вопрос в том, что разные исследователи на разные особенности разных организмов по-разному смотрят и возникают дискуссии. Но единой стопроцентной точки зрения до сих пор нет, я в этом вопросе не такой уж прям великий специалист, поэтому отсылаю всех к книжкам Никитина, Кунина и всяких прочих столпов, которые много и подробно это изучали. Но для того чтобы с этим разобраться надо очень хорошо знать биологию, химию, физику, геологию, палеонтологию, цитологию, генетику и массу всяких замечательных наук.

Это крайне сложно, но, что примечательно, проводились эксперименты по, как бы, созданию жизни, когда восстанавливались условия вот этой первичной планеты, со всеми этими неорганическими веществами. Нагревали все до определенной температуры и били туда молниями (электрическими разрядами), молний тогда, видимо, хватало, и атмосфера уже была, хотя и не такая как сейчас. И при таком эксперименте действительно появляется некая органика, как минимум аммиак и даже кусочки не то чтобы РНК, но, по крайней мере, отдельные нуклеотиды и аминокислоты. Однако аминокислоты не так уж прямо запредельно сложно получить, как говорят астрономы, спектр аминокислот обнаруживается в межзвёздных облаках межзвездного газа, где уж точно никакой жизни нет. И это не то что инопланетяне там где-то нам светят своим спектром, а просто очень сложная химия, которая так и сяк где-нибудь да возникает. Ну и собственно вот, на планете Земля она тоже как-то так возникла.

И вот где-то порядка 3,5 миллиардов лет назад этот самый абиогенез шел. И согласно современным ключевым концепциям это был так называемый РНКовый мир, внутри которого шла так называемая молекулярная эволюция. То есть те кусочки нуклеотидов, которые слиплись удачно и оказывались устойчивыми к воздействию вот этой вот среды, продолжали делиться. То есть, как бы размножаться, хотя они ещё не очень живые были, это просто химические молекулы, но, по крайней мере, не разваливались. А про те, которые были неустойчивыми и развалились, мы ничего не знаем.

Поскольку РНК, если она чуть-чуть побольше становится она все-таки довольно сложна, это большая молекула, с одной стороны она довольно устойчивая, чтобы сразу не расколоться на куски. Хотя с другой стороны все-таки иногда рвется и это уже как бы размножение, с третьей стороны небольшие маленькие точечные изменения не нарушают глобальной её устойчивости и целостности. Есть у нее некоторая изменчивость, которая является полезным и очень хорошим отличием от минералов, которые слишком стабильны. У последних есть кристаллическая решетка, которая всегда примерно одна и та же, для конкретного минерала. Но вот РНК понемножечку менялась и поскольку условия на планете были неоднородные, то есть планета большая, тоже были полюса, экватор, да и атмосфера менялась, ну и вообще всякие бурные процессы происходили. Все-таки мы говорим об этапе в несколько сотен миллионов лет подряд идущих, а там климат менялся. То в одних условиях было одно, в других другое, параллельно возникали аминокислоты и на вот эти кусочки РНК налеплялись аминокислоты, которые слеплялись как-то автоматически в белки.

Ну и следующий ключевой момент, который собственно создал жизнь уже в архее - это образование ещё и мембраны липидной. Но опять же откуда она взялась – большой вопрос. Правда, судя по всему, первые вот эти РНК выполняли каталитические функции, из чего напрямую вытекает определение жизни: Жизнь – это автокаталитические реакции белковых сложных систем, не обязательно даже белковых, скорее высокомолекулярных соединений углерода. Хотя на других планетах может быть и не углерода, в не очень стабильных условиях, в неравновесных условиях. То есть жизнь – это автокаталитические реакции высокомолекулярных соединений в неравновесных условиях. И когда все это соединилось и покрылось ещё некой липидной мембраной, которая создала градиент концентрации между внутренним содержимым вот этой вот белковой цитоплазмой и, вначале, РНКвой наследственной информацией и отгородило это от внешнего мира, это уже считаем жизнью.

Вот в формациях Исуа у нас древнейшие следы в виде изменений химического состава, а чуть позже, ну примерно все те же там 3,5 миллиарда лет у нас есть уже отпечатки первых бактерий - цианобактерий. Иначе говоря, сине-зеленые водоросли, хотя сейчас стараются этот термин не употреблять в таком виде, которые найдены в самых разных местах: в Намибии, в Южной Африке, ну собственно это и есть Намибия, в Австралии, в Китае. Там это уже отпечатки бактерий, где мы видим у них оболочечку, а внутри что-то такое невнятное. Другое дело, что окаменевшая бактерия – это крайне редкая вещь, её надо уметь найти, её надо уметь опознать среди минералов, но она просто слишком маленькая. Тем не менее, находки есть. И что приятно, уже в это время 3,5 миллиарда лет назад эти самые бактерии образовывали комплексы.

Понятно, что исходник был единый и у него даже есть собственное название LUCA, если с английского переводить – “Последний общий-общий предок”. Но он гипотетический, то есть он был реальным, это была какая-то конкретная тварь, но мы её не находим в виде вот прямо отпечатка, а в виде вот этой вот формации Исуа со смещением химического состава. Но чуть попозже у нас есть потомки этого LUCA, которые уже вполне себе бактерии, они образуют комплексы в виде так называемых строматолитов.

Классический строматолит – это трехслойный комплекс из бактерий, сидящих поверх некого камня. В оригинале это выглядит как склизкий камень. Современные строматолиты вполне себя прекрасно чувствуют у берегов Австралии, около Намибии и в Карибском Море. Ну а кто, допустим, живет в Москве или рядом, можете съездить в Дарвиновский музей, где аквариуме плещется этот строматолит. То есть они и сейчас тоже есть. Но, биологическая суть в том, что это три слоя бактерий, верхний из которых занимается фотосинтезом. Фотосинтез был, видимо, одним из первых видов обмена веществ и получения энергии. То есть получает энергию от солнца и получает некую химию, которая плавает в воде, она может быть разной в зависимости от того какая вода, метаболизирует, получает некую энергию. Причем в начале это было без использования кислорода, потому что в тот момент свободного кислорода на планете фактически не было, он, если даже появлялся, тут же что-нибудь окислял. И вот этот первый слой получает некую энергию и выделяет метаболиты. Но что-то уходит в воду, а что-то падает на голову следующему второму слою. Второй слой получает то, чем нагадил на него первый, может тоже фотосинтезировать в принципе, потому что первый слой более-менее прозрачный, а может и нет, ещё раз получает энергии немножко, но уже меньше заметно, потому что энергии меньше осталось и снова гадит ещё дальше вниз. Третий слой - самые бедолаги, которым достается уже минимум энергии, фотосинтезом заниматься они уже не могут, потому что первые два слоя закрывают солнышко, но, тем не менее, они получают ещё немножко энергии. Из этого всего уже получается совсем нерастворимый осадок, который оседает вниз в виде камня и получается такой слоистый камень, который бесконечно растет.

Несмотря ни на что, вот эти самые нижних слои и оказались самыми перспективными, потому что кроме прочего, от первых двух на них попадал кислород. Именно в этих нижних слоях бактериальных пленок возникло аэробное дыхание. И в последующем это стало залогом новой бурной эволюции, появления эукариотичности, многоклеточности, выхода на сушу, всего чего не попадя включая наш разум и цивилизацию, но это было уже потом, в следующем периоде протерозоя, а это уже совсем другая история.

Видео версия:

Рассказчик: Станислав Дробышевский , антрополог, кандидат биологических наук, доцент кафедры антропологии биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, научный редактор ANTROPOGENEZ.RU, автор книг "Достающее звено" и "Байки из грота. 50 историй из жизни древних людей".

Иллюстрации: Ирина Авдеева.

Источник: m.vk.com