Зарождение жизни

Когда на Земле появилась жизнь? Как она зародилась? Точно ответить на эти вопросы пока не представляется возможным. События, которые привели к появлению наших далёких предков, произошли в эпоху, по праву названную догеологической. Планета тогда была ещё настолько молодой, что не успела даже сформировать постоянной коры. Зародыши материков — кратоны — возможно, плавали среди расплавленных масс, периодически одни тонули, но следом появлялись другие. Почти все свидетельства того далёкого времени растворились в кипящих недрах, и нам осталось лишь опираться на шаткость теоретических построений. 

И кстати, чтобы ответить на заданный вначале вопрос, нам стоит определиться: а что вообще можно считать жизнью? Если обобщить то, что мы о ней знаем, неизбежно приходим к определению, знакомому со школы. «Жизнь есть способ существования белковых тел». А если точнее, то химических систем, построенных на основе сложных соединений углерода. Вот так просто. И никакой божественной искры. Даже привычный, казалось бы, необходимый, кислород совсем необязателен: существуют организмы, для которых он является сильнейшим ядом, они строят свою биохимию на основе других веществ. 

Сегодня, правда, принято несколько раскрывать определение. Живое существо – это самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции. Такая система должна обладать следующими свойствами: метаболизм (она должна добывать энергию из окружающей среды и использовать её для собственного поддержания, восстановления и роста), самокопирование и наследственность (система должна воспроизводить себя и передавать потомкам информацию о том как собирать воедино и использовать свои собственные части) и эволюция (при воспроизводстве системы возникают неизбежные мутации, наименее успешные формы вымирают под давлением естественного отбора).

Учёные продолжают подливать масло в огонь. С каждым годом они отодвигают момент появления жизни всё глубже и глубже в прошлое. Сейчас принято считать, что древнейшие достоверные её признаки были обнаружены в породах пояса Исуа в Гренландии возрастом около 3,7 млрд лет. А некоторые авторы утверждают, что найдены биогенные вкрапления возрастом до 4.1 млрд лет.

Там, где остановились геологи, подключились генетики. В 2024 году они провели масштабный анализ геномов, чтобы выявить последнего универсального общего предка всех современных форм жизни (сокращённо LUCA – Last universal common ancestor). По расчётам вышло, что существовал он в период 4,09-4,33 млрд лет назад. LUCA имел в своём составе уже около 2600 белков и обитал в бескислородной среде – тогдашняя атмосфера ещё не была отравлена этим газом. 

По всему выходит, что жизнь на Земле возникла, с геологической точки зрения, практически мгновенно после образования планеты (конечно, в тех же геологических масштабах) – сразу, как только сложились подходящие условия и начала затвердевать первая, ещё непрочная, кора.

Если с вопросом «когда?» некая ясность, вроде бы достигнута (отдалять в прошлое момент возникновения жизни, будто бы, уже и некуда) то с «как?» до сих пор наблюдаются известные сложности. Единой теории возникновения жизни учёные так и не выработали. Чтобы такая теория появилась, она должна подтвердиться экспериментально. Но увы, разного рода гомункулы из пробирок и прочие кадавры, неудовлетворённые желудочно, появились лишь на страницах фантастических книг. А вот проработанных гипотез имеется на данный момент целых несколько. Версии поклонников креационизма и прочих, считающих, что нас создали инопланетяне в качестве биороботов, предлагаем отбросить как ненаучные. Туда же отправим и панспермию – гипотезу, гласящую, что жизнь (хотя бы в форме сложных органических молекул) на Землю занесло из космоса. Панспермия хоть и объясняет, в какой момент на нашей планете стартовала эволюция, выводит за рамки самый главный вопрос: откуда есть пошла, собственно, сама жизнь? И потому она нам не помощник. А следовать за ней на далёкие планеты и кометы как-то неохота. 

Что же остаётся в сухом остатке? Тот самый «первичный бульон».

Словосочетание «первичный бульон» многие помнят ещё со школы. Немудрено, ведь гипотезу о нём предложил ещё в начале XX века советский биофизик Опарин. Суть гипотезы в том, что в водах древнего океана, богатых аммиаком, водородом, метаном под воздействием мощных электрических разрядов, например, в результате ударов молний, и сформировался из постепенно накапливавшихся соединений углерода тот самый «первичный бульон» в котором стали накапливаться простые молекулы – сахара, нуклеотиды, аминокислоты. Кирпичики, из которых впоследствии выстроится всё живое. 

На протяжении XX–XXI в. «бульонная гипотеза» неоднократно подтвердждалась экспериментально. Почему же тогда мы не можем сказать: да, 4 миллиарда лет бульон варился именно так? Да потому, что пусть и были получены в пробирках и аминокислоты, и даже цепочки РНК, но ни разу они не собрались в клетку и не поплылм жрать, размножаться и захватывать территории. Молекулы остались мёртвыми, безмолвными и бездуховными.

Но эксперименты продолжались. В 2015 году Д. Сазерленду удалось получить молекулы РНК из простых соединений (например, цианистого водорода). Пузырьки с РНК начали демонстрировать зачатки обмена веществ и реакций на изменения среды. То есть – то, что можно назвать признаками жизни. А в 2026 году команда учёных из Кембриджа описала молекулу РНК длиной всего в 45 звеньев, которая смогла создать свою копию в лабораторных условиях. Но настоящей, полноценной жизни, конечно, никому получить ещё не удалось (иначе, повторюсь, мы бы здесь говорили не о гипотезе, а о теории).  

Однако вернёмся на молодую Землю, где «заварился» первичный бульон. На мелководье под ударами молний или у глубинных геотермальных источников, а может быть, на поверхности отложений глин начали скапливаться аминокислоты, азотистые основания и сахара, те самые вещества, которые будут после присутствовать во всех живых организмах. Некоторые начали вступать в реакции. Иногда реакции выстраивались в цепочки – когда продукт одной служил сырьём или катализатором для другой. Некоторые цепочки замыкались сами на себя, образуя устойчивые так называемые автокаталитические циклы – когда участвовавшие в них вещества, пройдя череду превращений, возвращались к исходной реакции, с которой всё началось, вновь катализировали её и начинали следующий цикл.

Подобные циклы живыми, конечно, не были, но порой вели себя подобно живому. Так что, похоже, ещё до появления первого настоящего организма природа уже изобрела метаболизм, обмен веществ. Циклы реакций могли потреблять доступные молекулы и энергию, расти, увеличивая массу вовлечённых в реакции веществ, бороться за ресурсы, оттягивая их у менее эффективных конкурентов, накапливать ошибки, постепенно меняясь и приспосабливаясь к условиям среды… 

Со временем внутри некоторых циклов появились и стали накапливаться удивительные молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК). 

И здесь нам стоит оговориться. Описанный выше процесс происходил не вдруг — он занял сотни миллионов лет. В первобытном хаосе формировались разные условия, и, соответственно, цепочки реакций выстраивались совершенно разнообразные. Правила бал теория вероятностей, перебирая все возможные варианты. Нам крупно повезло, что именно циклы, где крутились цепочки РНК, выиграли то жестокое соревнование и получили шанс развиваться дальше. 

РНК замечательна тем, что её молекулы не только состоят из цепочек «букв», а значит, могут кодировать информацию. Некоторые из них — так называемые рибозимы — подобно ферментам способны катализировать реакции. Когда у природы появилась возможность собрать цикл реакций, в которых участвовали молекулы РНК, они катализировали сами себя, копировали свои же молекулы, те тут же начинали собственные циклы. И завертелось…

Сегодня тот далёкий предполагаемый мир учёные так и называют: «мир РНК». То, что он возможен на практике, косвенно подтверждается существованием вирусов. Те же грипп, ковид и многие другие прекрасно обходятся без дезорибонуклеиновой кислоты. Строя свою генетику на одной лишь РНК они благополучно размножаются, мутируют и всячески портят нам жизнь. 

Впрочем, система «мира РНК» не была идеальной. Цепочки реакций, выстроенные на основе одной лишь РНК, быстро накапливали ошибки, а также оказались неустойчивыми к молекулам-паразитам — тем, что только лишь потребляли энергию и вещества, нечего не отдавая взамен и не привнося в общий химический ансамбль. Но природа нашла выход и из этого.

Цепочки реакций постепенно разветвлялись, повышая свою устойчивость, создавали замкнутые петли обратной связи. Отдельные «популяции» молекул разделялись на замкнутые «отсеки»-протоклетки, и внутри каждого шёл свой собственный естественный отбор. Лишь самые удачные комбинации продолжали распространяться при дальнейшем копировании. Наконец, эти самые протоклетки начинали взаимодействовать, конкурировать, формируя примитивные, зачаточные экосистемы, где наименее эффективные формы попросту не выживали. 

Тем временем в первобытном океане происходили и другие важные процессы. Молекулы жирных кислот, спонтанно скапливаясь, иногда сбивались воедино, образуя капли и пузырьки, так называемые везикулы. И  бывало, что удачливые РНК-циклы закручивались прямо внутри этих пузырьков. Отделённые тонкой жирной плёнкой от окружающей среды, словно бронёй, они получили неплохую защиту, а значит, возможность «жить» и размножаться успешнее своих конкурентов. И похоже, что некоторые циклы постепенно освоились копировать не только себя, но и свои бронекапсулы. 

Прошли миллионы лет. Циклы эволюционировали. Образовалась и доказала свою успешность двойная цепочка ДНК. Под надёжной защитой липидной плёнки капель-пузырьков процессы разделились, разбились по функциям. Одни запасали энергию, другие реагировали на угрозы, третьи занимались размножением. Все обитатели маленького мирка, заключенного в пузырьке, начали действовать заодно. И когда наступала пора, пузырёк научился разделяться, получая свои практически точные копии. Так и появились первые клетки, с которых и начала отсчитываться история жизни на Земле. 

По материалам публикаций:

Nutman, A. P., Bennett, V. C., Friend, C. R. L., et al. Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures // Nature. – 2016. – V. 537, № 7621.

Bell, E. A., Boehnke, P., Harrison, T. M., & Mao, W. L. (2015). Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(47).

Moody, E. R. R., Álvarez-Carretero, S., Mahendrarajah, T. A., Clark, J. W., Betts, H. C., Dombrowski, N., Szánthó, L. L., Boyle, R. A., Spang, A., Williams, T. A., & Pisani, D. (2024). The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system. Nature Ecology & Evolution, 8(7) 

Betts, H. C., Puttick, M. N., Clark, J. W., et al. (2018). Integrated genomic and fossil evidence illuminates life’s early evolution and eukaryote origin. Nature Ecology & Evolution, 2(10)

 Takagi, H., Furusawa, C., Sawai, S., Kaneko, K. Theoretical Approaches Concerning the Origin of Life // Theoretical Biology of the Cell: A Dynamical-Systems Perspective. – Cambridge: Cambridge University Press, 2025. 

Eigen, M. Selforganization of matter and the evolution of biological macromolecules // Naturwissenschaften. – 1971. – V. 58, № 10. 

Eigen, M., Schuster, P. The hypercycle. A principle of natural self-organization. Part A: Emergence of the hypercycle // Naturwissenschaften. – 1977. – V. 64, № 11.

Beregi, S., Szabó, P., Szathmáry, E. The dynamics of prebiotic take-off: the transfer of functional RNA communities from mineral surfaces to vesicles // Communications Biology. – 2025. – V. 8.

Self-Reproduction and Darwinian Evolution in Autocatalytic Chemical Reaction Systems // Life. – 2021. – V. 11, № 4. Autocatalytic Networks at the Basis of Life’s Origin and Organization // Life. – 2018. – V. 8, № 4. 

 

А также каналов «Яндекс-Дзен»:

Сказки юного биолога

Цитадель адеквата