Складно уявити, але колись Земля була безлюдна і порожня. Зараз на планеті існує величезна кількість живих видів, які бігають, харчуються і дають потомство. Все живе виглядає різним, але в основі всього цього різноманіття лежить одна одиниця - клітина. З них складаються і рослини, і тварини, і гриби, і бактерії. Якщо процес еволюції був описаний ще Дарвіном, то поява першої клітини на Землі - загадка, над якою билися кращі уми людства. У цій темі раніше багато неясностей, але загальна історія життя вже зрозуміла.
зварити Життя
Зараз у вчених є єдина думка, коли і як з'явилася перша клітина. Попередники клітин - протоклітини - були невигадливі і містили нуклеїнові кислоти, щоб розмножуватися, і оболонку, щоб не пускати до себе кого попало. Існували клітини в якомусь субстраті, званим "первинним бульйоном" (цей термін вперше використав російський природознавець Опарін). Саме з цього бульйону з'явилася перша клітина і з нього ж в подальшому вона запозичить все те, що необхідно їй для того, щоб стати частиною багатоклітинного організму. Однак звідки на Землі взявся цей бульйон?
У 1953 році хіміки Стенлі Міллер і Гарольд Юрі провели експеримент, який довів, що життя може виникнути з, здавалося б, абсолютно неживих речей. У них були метан (CH4), аміак (NH3), водень (H2), монооксид вуглецю (CO) - гази, імовірно що містилися на нашій планеті в неживий період; також для експерименту знадобилася вода. До колбі з водою вони приєднали трубки, по яких йшли перераховані вище гази. Вони випаровувалися і «отримували» удари струмом - свого роду симуляція гроз на планеті. П
рошло два тижні безперервного циркулювання, і хіміки виявили в червоно-коричневої рідини амінокислоти, необхідні для існування білкової життя. Симулятор життя працював. Теорія Опаріна виявилася вірною (потім інші хіміки отримали подібним чином всі 22 амінокислоти, необхідні для життя на планеті).
Але перед біологічною еволюцією була еволюція хімічна.
Чотири мільярди років тому атмосфера на Землі була відновної - в ній було дуже мало кисню для утворення оксидів. Ця атмосфера створила дуже прості органічні сполуки (мономери) під впливом різних форм енергії - тепла і електрики. Неокислені відкладення, що утворилися явно на поверхні, відсутність відомих значущих джерел кисню та інших окислювачів - ось лише деякі свідчення наявності саме тих газів в той час. Кисню на Землі ще не було, що позначиться потім на особливостях перших живих організмів на планеті - вони будуть анаеробами.
Потім вчені отримали багато біологічні молекули, в тому числі складні білки і жири. З'ясувалося, що роль електричних розрядів могли зіграти так само ультрафіолетове випромінювання і тепло. Всі ці утворилися органічні молекули з пара разом з дощем впали в океан, і таким чином виник "первинний бульйон". І вже потім з нього з'явилася перша клітина.
Вона була влаштована набагато простіше, ніж ті, з яких зараз складається тіло людини або будь-якого іншого багатоклітинного організму. Їй потрібно було понад мільярд років еволюції для того, щоб перетворитися в досконалий блок для побудови всього живого.
Змішати, але не збовтувати
Ніяка клітина не може належним чином існувати без генетичної інформації. Вона необхідна для функціонування самої клітини, вона повинна передаватися потомству - в загальному, життєво необхідна річ. У першій клітині, як і в первинному бульйоні, було багато нуклеїнових підстав - основи для генетичного коду, який використовує клітина на нашій планеті. Справа залишалася за малим - об'єднатися в молекули.
Опарін вважав, що першою з'явилася ДНК, але ця гіпотеза не підтвердилася, оскільки ДНК не вміє копіюватися самостійно. Насправді першої виникла РНК, як найбільш проста і здатна до розмноження без участі інших речовин структура. Теорія, яка пояснює виникнення РНК, носить назву "гіпотеза світу поліароматичних вуглеводнів".
Вуглеводні - спочатку нерозчинні речовини. Однак під дією УФ-променів їх структура змінюється, і вони починають розчинятися у воді. Дрібні грудки вуглеводнів отримали ще одну перевагу - можливість зчіплюватися одна з одною. Вони створили кільця, які оберталися, стикалися між собою і взаємодіяли з майбутніми складовими частинами РНК і ДНК. І ці складові частини теж дбайливо складалися в кільця. Так були прикріплені азотисті основи.
У цей момент з-за різкої зміни кислотності середовища - імовірно така зміна могло трапиться в результаті виверження вулкана - частина молекул від'єдналася. Це саме ця частина пізніше увійде в РНК. Для цього молекулам довелося згорнутися в трубочку і вхопитися міцно за іншу свою половинку, утворивши двухцепочечную структуру. Утворилася перша молекула, яка могла функціонувати як носій генетичної інформації. Вперше в історії планети з'явився код, який описував будову виду - першого виду живої клітини на Землі.
Одна в полі - біолог
Однак до завершення еволюції клітини було ще далеко. Багато хто думає, що еволюція - це завжди конкуренція. Це далеко не завжди так. Іноді вигідніше об'єднатися разом, щоб вижити. Історія не знає іншого такого унікального події, яка сталася на планеті мільярд років тому і став ключем до появи всього живого світу, який ми тепер знаємо. Без перебільшення можна сказати, що це був головний союз, коли-небудь укладений на Землі.
Першою людиною, який описав цей момент, стала американка Лінн Маргуліс. Лінн вивчала походження ядра і органел клітини - мітохондрій і хлоропластів. Сорок років тому вона висунула теорію ендосимбіоз - відносин між організмами, які живуть один в одному у взаємовигідних відносинах, при цьому один організм виступає в якості клітини-господаря, а інший є симбіонтом і знаходиться всередині нього.
Бактерія проникає в іншу і стає його внутрішнім органом - складником клітини. Так, хлоропласти, що відповідають в клітці за поглинання сонячної енергії, походять від ціанобактерій, а мітохондрії, які синтезують енергію - від близьких родичів сучасних збудників тифу. Стаючи органеллами, вони віддали значну частину своїх генів в ядро клітини - господаря.
Порівняння хлоропластів з їхніми найближчими свободноживущими родичами роду Synechococcus показало, що їх запас генів в значній мірі зменшився. Хлоропласти містять гени, які відповідальні за фотосинтез, але в них майже немає генів, які могли б виконувати інші функції; це спостереження дає підстави припускати, що ці клітини первинних ендосімбіотов сильно залежать від своїх господарів у справі виживання і зростання.
Втрата генетичної автономності, тобто втрата багатьох генів ендосімбіонтов, сталася ще на самому початку еволюційного шляху. Існує дві основні теорії, що пояснюють звуження їх генома. Перша передбачає, що симбіонти втратили надлишкові гени - то є ті, які дублювали інші гени. Друга теорія говорить, що гени були перенесені в ядро. В результаті багато процесів хлоропластів і мітохондрій стали керовані ядром клітини. Крім того, багато ядерні гени, взяті з ендосімбіонтов, придбали нові функції, які пов'язані зі своїми органеллами.
Зараз теорія виникнення сучасної клітини визнана багатьма як найбільш ймовірна, але за все сорок років тому це виглядало інакше. Маргуліс доводила, що симбіоз, а не випадкова мутація, був рушійною силою еволюції, і що співпраця між організмами - головний критерій природного відбору, а не конкуренція серед окремих організмів. «Велике бачення Дарвіна не було неправильним, а всього лише неповним», - говорила Лінн.
У класичній науці природа розглядається як механічна система, що складається з основних «стандартних блоків». Відповідно з цією точкою зору, Дарвін запропонував теорію еволюції, в якій одиницею виживання були вид, підвид, або будь-якої іншої «стандартних блок» біологічного світу. Але через століття стало абсолютно ясно, що ні одна з цих одиниць не є одиницею виживання. Те, що виживає, є організмом в його середовищі.
"Організм, який думає тільки про власне виживання, незмінно зруйнує своє середовище і, оскільки ми вчимося на гіркому досвіді, таким чином він знищить себе", - відзначала Маргуліс.
Однак після довгої і наполегливої боротьби з рецензіями колег, Лінн все-таки перемогла. Річард Докінс, відомий популяризатор науки, щодо теорії Маргуліс говорить наступне:
«Я дуже захоплююся хоробрістю і стійкістю Лінн Маргуліс в вірності своїй ендосімбіотіческой теорії і її здійсненні, щоб від неортодоксальності перейти до ортодоксальності. Це - один з найбільших успіхів двадцятого століття в області еволюційної біології, і я в значній мірі захоплююся нею з цього приводу ».
З появою оформленої клітини, з виникненням нових функцій і здатності клітини передавати від покоління до покоління свою генетичну інформацію за допомогою хімічних молекул, еволюція однієї клітини закінчується. Далі починається інше життя - життя багатоклітинна і багатогранна. Вона призведе до появи всього оточуючого нас світу і самої людини. Але головне сталося вже мільярд років тому. Все інше - справа часу.