«Заражение» Земли из космоса — альтернативная концепция
Несмотря на явные успехи науки в разгадке происхождения жизни на нашей планете, большой популярностью пользуется альтернативная концепция — теория панспермии.
Сторонники гипотезы панспермии считают, что в космическом пространстве присутствуют особые формы жизни, которые способны сохраняться в вакууме, при воздействии радиации и низкой температуре. Эти микроорганизмы получили название экстремофилов. Они находятся в каменистых обломках и космической пыли и могут долго перемещаться по Галактике до тех пор, пока не попадут на планету. Это происходит за счет метеоритов, комет и астероидов. Если в их «новом доме» сложатся благоприятные условия, космические организмы запускают процесс эволюции.
Адептами этой версии стали немецкий ученый Герман Гельмгольц, английский лорд и ученый-физик Кельвин, шведский химик Сванте Аррениус, российский мыслитель Владимир Вернадский.
Возникновение жизни на Земле
Как произошла сама планета и как на ней появились моря? По этому поводу существует одна широко признанная теория. В соответствии с ней Земля образовалась из облаков космической пыли, содержащей все известные в природе химические элементы, которые спрессовались в шар. Горячий водяной пар вырывался с поверхности этого раскаленного докрасна шара, окутывая его сплошным облачным покровом, Водяной пар в облаках медленно охлаждался и превращался в воду, которая выпадала в виде обильных непрерывных дождей на еще раскаленную, пылающую Землю. На ее поверхности она снова превращалась в водяной пар и возвращалась в атмосферу. За миллионы лет Земля постепенно потеряла так много тепла, что ее жидкая поверхность, остывая, начала твердеть. Так образовалась земная кора.
Прошли миллионы лет, и температура поверхности Земли еще больше понизилась. Ливневые воды перестали испаряться и стали стекать в огромные лужи. Так началось воздействие воды на земную поверхность. А потом из-за понижения температуры произошел настоящий потоп. Вода, которая до этого испарялась в атмосферу и превратилась в ее составную часть, беспрерывно низвергалась на Землю, с громом и молниями обрушивались из облаков мощные ливни.
Мало-помалу в самых глубоких впадинах земной поверхности скапливалась вода, которая уже не успевала совсем испариться. Ее было так много, что постепенно на планете образовался доисторический Океан. Молнии рассекали небо. Но никто этого не видел. На Земле еще не было жизни. Непрерывный ливень начал размывать горы. Вода стекала с них шумными ручьями и бурными реками. За миллионы лет водные потоки глубоко разъели земную поверхность и кое-где появились долины. В атмосфере уменьшалось содержание воды, а на поверхности планеты ее скапливалось все больше.
Сплошной облачный покров становился тоньше, пока в один прекрасный день Земли не коснулся первый луч солнца. Непрерывный дождь кончился. Большую часть суши покрыл доисторический Океан. Из ее верхних слоев вода вымывала огромное количество растворимых минералов и солей, которые попадали в море. Вода из него непрерывно испарялась, образуя облака, а соли оседали, и с течением времени происходило постепенное засоление морской воды. По-видимому, при каких-то существовавших в древности условиях образовались вещества, из которых возникли особые кристаллические формы. Они росли, как и все кристаллы, и давали начало новым кристаллам, которые присоединяли к себе все новые вещества.
Солнечный свет и, возможно, очень сильные электрические разряды служили в этом процессе источником энергии. Может быть, из таких элементов зародились первые обитатели Земли — прокариоты, организмы без оформленного ядра, похожие на современных бактерий. Они были анаэробами, то есть не использовали для дыхания свободный кислород, которого тогда еще не было в атмосфере. Источником пищи для них служили органические соединения, возникшие на еще безжизненной Земле в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца, грозовых разрядов и тепла, образующегося при извержении вулканов.
Жизнь существовала тогда в тонкой бактериальной пленке на дне водоемов и во влажных местах. Эту эру развития жизни называют архейской. Из бактерий, а возможно, и совершенно независимым путем, возникли и крошечные одноклеточные организмы — древнейшие простейшие животные.
Как выглядела первобытная Земля?
Перенесемся на 4 млрд лет назад. Атмосфера не содержит свободного кислорода, он находится только в составе окислов. Почти никаких звуков, кроме свиста ветра, шипения извергающейся с лавой воды и ударов метеоритов о поверхность Земли. Ни растений, ни животных, ни бактерий. Может быть, так выглядела Земля, когда на ней появилась жизнь? Хотя эта проблема издавна волнует многих исследователей, их мнения на этот счет сильно различаются. Об условиях на Земле того времени могли бы свидетельствовать горные породы, но они давно разрушились в результате геологических процессов и перемещений земной коры.
Архейская эра Земли
Согласно истории, архейская эра Земли берет начало приблизительно 4,6 млрд лет назад. Тогда только происходило образование самой планеты. Безусловно, ни о какой жизни речи нет. Потому как в воздухе витал хлор, водород и аммиак, радиация зашкаливала, а показатель температуры составлял 80 градусов.
Как считают учёные, в это время Земля столкнулась с массивным космическим объектом. В итоге врезавшееся тело, а точнее то, что от него осталось, оказалось на околоземной орбите. Таким образом образовалась протолуна, ставшая нашим естественным спутником. Но это не все последствия удара. Резко увеличилась земная скорость вращения и наклон её оси. Как результат, появилась атмосфера, конденсат водяного пара, а затем и океаны. Где и родилась первая жизнь — бактерии.
Это важный момент в планетном развитии. Ведь благодаря всем процессам того времени, стала возможна будущая жизнь на Земле.
Бактерии
Палеозой
Примерно 580-570 млн. лет назад начался кембрийский период, продолжавшийся 70 млн. лет. Наступила очень важная эпоха развития органической жизни, ознаменовавшаяся возникновением и развитием новых форм животных, имеющих скелет из соединений кальция и кремнезема. За сравнительно короткий период времени (около 100 млн. лет) появились представители большинства основных групп животных, известных современной науке (одноклеточные радиолярии и фораминиферы, брюхоногие моллюски, плеченогие, иглокожие и др.). Широко распространились трилобиты, которые стали предками всех нынешних членистоногих. Животные освоили
морское дно и толщу воды, прибойную полосу океана.
Окаменевшие остатки аммонитов находят в породах, возраст которых 180 млн. лет
Это был настоящий эволюционный взрыв, причины которого до сих пор непонятны. Многие возникшие виды буквально тут же вымерли, не сумев приспособиться к условиям обитания. В ордовикском и силурийском периодах жизнь становилась все более разнообразной. Широко распространились морские лилии, появились примитивные хордовые — предки позвоночных животных, а затем и первые рыбы, у которых жаберные дуги преобразовались в усаженную зубами пасть, а тело было покрыто мощным панцирем. К концу силура жизнь шагнула и на сушу — примитивные растения стали осваивать прибрежную полосу.
Девонский период был временем величайших катаклизмов и активного движения материков. В этот период толщу морей уже бороздили акулы и скаты, кистеперые и лучеперые рыбы. Настоящими хозяевами морей стали головоногие моллюски аммониты, тело которых было спрятано в спирально закрученную раковину, разделенную множеством перегородок. На суше распространились папоротники и плауновые, появились первые голосеменные растения, ее начали осваивать первые клещи, пауки, примитивные насекомые, а вслед за ними на сушу потянулись и первые земноводные.
В девонский период в морях обитало множество бесчелюстных позвоночных и рыб
В каменноугольном периоде (карбоне) поймы рек и заболоченные пространства покрывали настоящие леса, состоящие из гигантских плаунов, хвощей, древовидных папоротников и голосеменных растений. Очень разнообразны были насекомые, среди них появилось множество летающих форм. Карбон стал эпохой расцвета земноводных, среди которых были и мелкие насекомоядные животные, и хищники размером с крокодила. В пермском периоде хвойные растения заселили внутриматериковые области.
Пресмыкающиеся активно осваивали сушу, среди них были и мелкие виды, и огромные травоядные формы самого причудливого облика. А в лесах уже появились предки современных млекопитающих. Конец пермского периода ознаменовался грандиозными геологическими катаклизмами: сталкивались материки, появлялись горные хребты. Не все животные смогли приспособиться к быстро изменяющимся условиям, и около половины их семейств вымерло.
Первые живые организмы
Первые живые организмы, хотя и более совершенные, чем капелька коацервата, были намного проще по структуре, чем многие живые организмы сегодняшнего дня. Естественный отбор, начавшийся в капельках коацерна, продолжался с появлением жизни. В течение длительного периода времени структура живых организмов продолжала улучшаться и адаптироваться к условиям существования.
Вначале только органические вещества, образующиеся из первичных углеводородов, были пищей для живых существ. Но со временем количество таких веществ уменьшилось. В этих условиях первичные живые существа развили способность строить органическое вещество из элементов неорганической природы — из углекислого газа и воды. В непрерывном процессе развития они развивались таким образом, что могли поглощать энергию солнечного света, разлагать из него углекислый газ и создавать в своем организме органическое вещество из его углерода и воды. Так развивались простейшие растения — сине-зеленые водоросли.
Остатки сине-зеленых водорослей обнаружены в древнейших отложениях земной коры.
Другие существа сохранили прежний способ питания, но их пища стала первичной. Таким образом, животные появились в своем первоначальном виде.
В начале жизни и растения, и животные были крошечными одноклеточными существами, похожими на бактерии, сине-зеленые водоросли и амёбы, которые живут сегодня. Появление многоклеточных организмов, то есть живых существ, состоящих из множества клеток, объединенных в один организм, стало великим событием в истории последовательной эволюции живой природы. Постепенно, но гораздо быстрее, чем раньше, живые организмы становились все более сложными и разнообразными.
С образованием сложных ультрамолекулярных систем (пробиотиков), в состав которых входят нуклеиновые кислоты, белки, ферменты и механизм генетического кода, возникла жизнь на Земле. Для получения пробиотиков требовались различные химические соединения — нуклеотиды, аминокислоты и т.д. Из-за низкого уровня генетической информации у пробионтов были довольно ограниченные способности. Дело в том, что для их роста использовались готовые органические соединения, синтезированные в процессе химической эволюции, и если бы жизнь на ее ранней стадии существовала только в виде одного вида организма, то первичный бульон был бы исчерпан довольно быстро.
Однако, благодаря тенденции приобретения широкого спектра свойств, и особенно благодаря появлению способности синтезировать органические вещества из неорганических соединений с помощью солнечного света, этого не произошло.
В начале следующего этапа образуются биологические мембранные органеллы, которые отвечают за форму, структуру и активность клетки.
Гольджи, митохондрии, лизосомы, пластики.
Биологические мембраны состоят из агрегатов белков и липидов, способных отделять органическое вещество от среды и служить защитной молекулярной оболочкой. Считается, что формирование мембран, возможно, началось во время формирования коацерватов. Однако для перехода от коацерватов к живой материи требуются не только мембраны, но и катализаторы химических процессов — ферменты или энзимы. Выбор коацерватов увеличил накопление белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. Результаты селекции были зафиксированы в структуре нуклеиновых кислот. Система успешно работающих нуклеотидных последовательностей в ДНК была усовершенствована именно селекцией. Появление самоорганизации зависело как от исходных химических условий, так и от конкретных условий окружающей среды Земли. Самоорганизация возникла в ответ на конкретные условия. В ходе самоорганизации было устранено множество различных неудачных вариантов до тех пор, пока основные свойства структуры нуклеиновых кислот и белков не достигли оптимального соответствия с точки зрения естественного отбора.
Благодаря пребиологическому отбору самих систем, а не только отдельных молекул, системы приобрели способность улучшать свою организацию. Это уже был следующий этап биохимической эволюции, который обеспечил увеличение их информационных возможностей. На последнем этапе эволюции изолированных органических систем сформировался генетический код. После формирования генетического кода эволюция развивалась через вариации. Со временем эти вариации становились все более многочисленными и сложными.
Как только она возникла, жизнь начала развиваться быстрыми темпами, показывая ускорение эволюции с течением времени. Например, эволюция от первичных пробионов к аэробным формам заняла около 3 миллиардов лет, в то время как для того, чтобы стать человеком, потребовалось около 3 миллионов лет.
Микробное питание (и миазма)
Некоторые бактерии — автотрофы — используют основные ресурсы вроде солнечного света, воды и химических веществ из окружающей среды для создания пищи (подумайте о цианобактериях, которые превращали солнечный свет в кислород в течение 2,5 миллионов лет). Другие бактерии ученые называют гетеротрофами, потому что они черпают энергию из существующих органических веществ в качестве пищи (к примеру, мертвые листья на лесной почве).
Правда в том, что то, что может быть вкусным для бактерий, будет нам противно. Они развивались, чтобы поглощать все типы продуктов, от разливов нефти и побочных продуктов ядерного распада до человеческих отходов и продуктов разложения.
Но склонность бактерий к конкретному источнику питания может принести пользу обществу. К примеру, специалисты по искусствам из Италии обратились к бактериям, которые могут поедать избыточные слои соли и клея, снижающие долговечность бесценных художественных произведений. Умение бактерий перерабатывать органические вещества также очень полезно для Земли, как в почве, так и в воде.
Исходя из ежедневного опыта, вы хорошо знакомы с запахом, который вызывают бактерии, поглощающие содержимое вашей мусорной корзины, перерабатывая остатки пищи и испуская собственные газообразные побочные продукты. Однако этим все не ограничивается. Вы также можете обвинить бактерии в том, что они вызывают эти неловкие моменты, когда вы сами испускаете газы.
Самозарождение
Долгие столетия люди не верили, что жизнь на Земле могла появиться случайно. Ученые отвергали эту теорию, потому что вероятность возникновения чего-то живого из неживого не укладывалась у них в голове. Но в современном мире такой вариант вполне могли бы принять. Предположение самозарождения не говорит, что живые существа сами себя создали буквально. Они появились в результате разложения органических соединений, проще говоря – случайно. Еще в Древней Греции Аристотель говорил, что мухи рождаются из прогнившей еды, а крокодилы – из гниющих на дне рек бревен.
Теория спонтанного зарождения жизни, хоть и отвергалась многими, смогла просуществовать вплоть до 19-го века, когда ее опроверг ученый Луи Пастер в ходе своих опытов. Он проводил эксперименты, чтобы понять, как бороться с различными инфекционными болезнями и понял, что спонтанно живые организмы появиться не могут даже при идеальных для этого условиях.
Ученый Луи Пастер
Сколько в мире бактерий
По оценкам ученых факультета энергии объединенного института геномов на планете Земля существует 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 бактерий. Все они имеют примитивное строение: состоят из одно- или двухъядерной клетки и обладают приблизительно одинаковыми размерами – несколько микрометров.
Директор факультета Эдди Рубин в своей исследовательской работе акцентирует внимание на том, что микробы участвуют практически в любом биологическом процессе планеты: разложении органических остатков до неорганических веществ, в почвообразовании, в подпитке растений…
Всех представителей мира бактерий ученый постарался систематизировать и занести в каталог, чтобы облегчить в дальнейшем поиск функций геномов и тем самым дать толчок к пониманию людьми процессов, происходящих в биосфере.
Несколько лет назад для многих стал открытием тот интересный факт, что бактерии появились одними из первых на планете Земля свыше 3,8 трлн. лет назад. Американские ученые даже провели эксперимент, задействовав штаммы бактерий из образцов древнего льда Антарктиды, возраст которых исчисляется 8,1 млн. лет. Оттаявшие с кусками льда при комнатной температуре колонии микроорганизмов проснулись, начали расти и размножаться. Исследования подтвердили гипотезу, что за 1,1 млн. лет ни один из обнаруженных и классифицированных видов не трансформировался.
Согласно одной из гипотез именно бактерии сыграли ключевую роль в появлении многоклеточных живых организмов, а спустя десятки миллионов лет и в привычных нам животных. Именно они определи существование жизни во всем многообразии форм.
Подтверждением этому является тот факт, что 37% генов животных и людей схожи с генами бактерий. Велика вероятность, что они имеют общего предка.
Значение бактерий для жизни на Земле в наши дни трудно переоценить. Они играют основополагающую роль в циклических метаморфозах основных элементов, необходимых для поддержания жизни. Например: участвуют в производстве кислорода и азота, формировании серы, фосфора и углерода. До недавнего времени считалось, что микробиологи, разрабатывающие антибиотики не без помощи все тех же бактерий, ничего нового предложить уже не могут. Но последние исследования показывают, что на самом деле число неизвестных микроорганизмов несравненно больше. Этот факт открывает неограниченные возможности для разработки и внедрения новых эффективных препаратов.
Ни высоких гор, ни большой глубины
Бактерии обнаруживаются практически везде на Земле. Невозможно представить количество бактерий на планете одновременно, но по некоторым оценкам их число составляет (бактерий и архей вместе) 5 октиллионов — это число с 27 нулями.
Классификация видов бактерий чрезвычайно сложна по понятным причинам. Сейчас есть примерно 30 000 официально идентифицированных видов, но база знаний постоянно растет, и есть мнения, что перед нами только верхушка айсберга от всех видов бактерий.
Правда в том, что бактерии были вокруг на протяжении очень долгого времени. Они породили одни из самых древних окаменелостей, которым 3,5 миллиарда лет. Результаты научных исследований позволяют предположить, что цианобактерии начали создавать кислород примерно 2,3—2,5 миллиарда лет назад в мировом океане, насытив атмосферу Земли кислородом, которым мы дышим по сей день.
Бактерии могут выживать в воздухе, воде, почве, льде, на жаре, на растениях, в кишечнике, на коже — везде.
Некоторые бактерии являются экстремофилами, то есть могут противостоять экстремальным условиям, когда либо очень жарко или холодно, либо отсутствуют питательные вещества и химикаты, которые мы обычно ассоциируем с жизнью. Исследователи обнаружили такие бактерии в Марианской впадине, самой глубокой точке на Земле на дне Тихого океана, возле гидротермальных источников в воде и во льду. Встречаются также бактерии, которые любят высокую температуру — такие, например, окрашивают опалесцирующий бассейн в Йеллоустонском национальном парке.
Великие вымирания
Существуют и другие классификации эпох, хотя все они и похожи друг на друга
Важно другое. Из приведенных данных может сложиться впечатление, что жизнь на Земле развивалась поступательно
Но это совсем не так. В истории биосферы нашей планеты случались катастрофы, которые называют «великими или мировыми вымираниями».
Сейчас мы их перечислим в хронологическом порядке. Причины до конца не установлены, хотя и существует масса гипотез. Две основные – глобальные извержения вулканов и столкновения Земли с огромными астероидами.
Итак, все по порядку.
Ордовикско-силурийское вымирание. Оно происходило 450 – 443 миллиона лет назад, т.е. в начале Палеозойской эры. В те времена жизнь, пусть и в примитивных формах, существовала только в океанах. Вымирание, как предполагают ученые, происходило в два этапа. Первый из них (длительностью около 1,9 миллиона лет) был связан с оледенением, которое привело к резкому понижению температуры океанской воды. А второй – с потеплением, когда температура воды повысилась, и те организмы, которые приспособились к жизни в холодной воде, стали погибать. В ходе этого события исчезло от 72% до 86% видов и более 100 семейств морских беспозвоночных.
Девонское вымирание (372 миллиона лет назад, Палеозойская эра). Оно происходило в несколько этапов. Всего в ходе Девонского вымирания исчезло 19% всех семейств и 50% видов всех родов. В частности, почти полностью исчезли организмы, формировавшие коралловые рифы. Это повлекло за собой изменения глобальной экосистемы мирового океана. Эти события повлекли за собой кризис и на суше, где к тому времени уже появилась жизнь. Причиной Девонского вымирания считается периодическое повышение и понижения уровня мирового океана. Почему оно происходило и как влияло на условия существования тех или иных организмов – неизвестно.
«Великое Пермское вымирание» (253 – 251 миллиона лет назад, конец Палеозойской эры) – самое массовое вымирание в истории планеты. В результате его исчезло 57% видов всех семейств, 83% всех родов, более 90% морских видов. Примечательно, что по геологическим меркам, катастрофа произошла почти мгновенно – за менее чем за 200 тысяч лет. Пермское вымирание признается крупнейшей биосферной катастрофой в истории Земли, в результате которой все экологические связи были разрушены. На восстановление всего биоразнообразия наземных организмов потребовалось до 50 миллионов лет, а морских – до 100 миллионов. Причиной этого вымирания считаются массовые извержения вулканов в Сибири (там их тогда было много), выбросы огромного количества пепла и пыли в атмосферу Земли. Это, в свою очередь, повлекло за собой резкое уменьшение достигающей поверхности Земли солнечной радиации, падению температуры и другие последствия. Сейчас существует такой термин – «ядерная зима», которая неизбежно наступит после массового применения ядерного оружия. Вот такая «зима» и случилась в период Пермского вымирания безо всякого оружия.
Триасовое вымирание (208 – 200 миллионов лет назад, Мезозойская эра). В результате на Земле вымерло 23% всех семейств и 48% всех родов. Некоторые ученые считают, что этот катаклизм освободил экологическую нишу для динозавров. Сколько-нибудь внятных объяснений причин этого явления не существует. Более того, некоторые ученые считают, что никаких глобальных катастроф в это время не было, а вымирание происходило постепенно и было связано с естественными эволюционными процессами, когда одни виды уступали в конкурентной борьбе зарождавшемуся новому и сходили со сцены истории.
И, наконец, самое известное Мел-палеогеновое вымирание (66,5 миллионов лет назад, Кайнозойская эра). Это последнее массовое вымирание, уничтожившее 17 % всех семейств и 39-47 % всех родов, 68-75 % всех видов, в том числе и динозавров. Последнее делает его самым известным, хотя по последствиям оно стоит на последнем месте в «большой пятерке». Считается, что причиной этой катастрофы послужило столкновение Земли с огромным метеоритом размером порядка 10 километров. Его след – кратер Чиксулуб на полуострове Юкатан. Далее все пошло по уже описанной схеме. Выброс огромного количества пыли в атмосферу, глобальное похолодание, гибель тропических лесов, которые тогда покрывали практически всю территорию суши, сокращение кормовой базы для травоядных ящеров, их гибель, затем, из-за отсутствия кормовой базы для плотоядных динозавров – гибель последних. А вот мелкие млекопитающие выжили. Эволюционировали. И мы с вами получились в конце концов.
