Ученые Нагойского университета в Японии показали, что предшественниками живых организмов на Земле могли служить молекулы, похожие на ДНК, а не РНК. Рассказываем, что это значит и как развивалась жизнь на планете Земля.
Когда началась эволюция жизни на Земле?
Эволюция жизни на Земле началась с момента появления первого живого существа — около 2,7 млрд (а по некоторым данным — 4,1 млрд лет назад) и продолжается по сей день. Сходство между всеми организмами указывает на наличие общего предка, от которого произошли все другие живые существа.
Цианобактериальные маты и археи были доминирующей формой жизни в начале архейского периода и явились огромным эволюционным шагом того времени. Кислородный фотосинтез, появившийся около 2,5 млрд лет назад, в конечном итоге привел к оксигенации атмосферы, которая началась примерно 2,4 млрд лет назад.
Самые ранние свидетельства эукариот датируются 1,8 млрд лет назад, хотя, возможно, они появились ранее — диверсификация эукариот ускорилась, когда они начали использовать кислород в метаболизме. Позже, около 1,7 млрд лет назад, стали появляться многоклеточные организмы с дифференцированными клетками для выполнения специализированных функций.
Примерно 1,2 млрд лет назад появляются первые водоросли, а уже примерно 450 млн лет назад — первые высшие растения. Беспозвоночные животные появились в эдиакарском периоде, а позвоночные возникли около 525 млн лет назад во время кембрийского взрыва.
Во время пермского периода из крупных позвоночных преобладали синапсиды — предки млекопитающих, но события пермского вымирания (251 млн лет назад) уничтожили 96% всех морских видов и 70% наземных видов позвоночных, в том числе и большинства синапсид.
В периоде восстановления после этой катастрофы архозавры стали наиболее распространенными наземными позвоночными и вытеснили терапсид в середине триаса. В конце триаса архозавры дали начало динозаврам, которые доминировали в течение юрского и мелового периодов.
Предки млекопитающих в то время представляли собой небольших насекомоядных животных. После мел-палеогенового вымирания, произошедшего около 66 млн лет назад, все нептичьи динозавры вымерли, и из архозавров остались только крокодилы и птицы.
После этого млекопитающие стали быстро увеличиваться в размерах и разнообразии, так как теперь им почти никто не составлял конкуренцию. Такие массовые вымирания, вероятно, ускоряли эволюцию путем появления у новых групп организмов возможностей для диверсификации.
Ископаемые остатки показывают, что цветковые растения появились в раннем меловом периоде (130 млн лет назад) или несколько раньше, и, вероятно, помогли эволюционировать опыляющим насекомым. Социальные насекомые появились примерно в то же время, что и цветковые растения. Хотя они занимают лишь небольшую часть «родословной» насекомых, в настоящее время они составляют более половины их общего количества.
Люди являются одними из приматов, начавших ходить вертикально около 6 млн лет назад. Хотя размер мозга их предков был сравним с размером мозга других гоминид, например, шимпанзе.
Возникновение жизни
Согласно современной концепции мира РНК, рибонуклеиновая кислота (РНК) была первой молекулой, которая приобрела способность самовоспроизводиться. Могли пройти миллионы лет, прежде чем на Земле появилась первая такая молекула. Но после ее образования на нашей планете появилась возможность возникновения жизни.
Молекула РНК может работать как фермент, соединяя свободные нуклеотиды в комплементарную последовательность. Таким образом происходит размножение РНК.
Но эти химические соединения еще нельзя назвать живым существом, так как они не имеют границ тела. Любой живой организм имеет такие границы. Только внутри изолированного от внешнего хаотического движения частиц тела могут происходить сложнейшие химические реакции, позволяющие существу питаться, размножаться, двигаться, и так далее.
Появление изолированных полостей в океане — явление довольно частое. Их образуют жирные кислоты (алифатические кислоты), попавшие в воду. Все дело в том, что один конец молекулы гидрофильный, а другой — гидрофобный.
Попавшие в воду жирные кислоты образуют сферы таким образом, что гидрофобные концы молекул находятся внутри сферы. Возможно, молекулы РНК стали попадать в такие сферы.
- Первый обмен веществ
Умение воспроизводиться и наличие границ тела — это еще не все признаки, отличающие живое существо от неживой природы. Для воспроизведения внутри сферы из жирных кислот молекуле РНК нужно было наладить процесс обмена веществ.
- Первое деление клетки
Как начали делиться первые клетки, состоящие из молекулы РНК и мембраны из жирных кислот, в настоящее время неизвестно. Возможно, построенная внутри мембраны новая молекула РНК начинала отталкиваться от первой.
В конце концов, одна из них прорывала мембрану. Вместе с молекулой РНК уходила и часть молекул жирных кислот, которые образовывали вокруг нее новую сферу.
Докембрий или криптозой
Докембрий длился почти 4 млрд лет. В этот отрезок времени на Земле произошли значительные изменения: кора остыла, появились океаны и, что самое важное, появилась примитивная жизнь. Однако следы этой жизни в палеонтологической летописи редки, поскольку первые организмы были мелкими и не имели твёрдых оболочек.
На докембрий приходится большая часть геологической истории Земли — около 3,8 млрд лет. При этом его хронология разработана гораздо хуже, чем последовавшего за ним фанерозоя.
Причина этого в том, что органические остатки в докембрийских отложениях встречаются крайне редко, что является одной из отличительных особенностей этих древнейших геологических образований. Поэтому палеонтологический метод изучения для докембрийских толщ неприменим.
- Катархейский эон (4,54-4,0 млрд лет назад)
Исследования метеоритов, горных пород и других материалов того времени показывают, что наша планета сформировалась примерно 4,54 млрд лет назад. До этого времени вокруг Солнца был только размытый диск, состоящий из газа и космической пыли. Затем под действием силы притяжения пыль стала собираться в небольшие тела, которые в итоге превратились в планеты.
На протяжении многих миллионов лет на Земле не существовало никаких форм жизни. После архейского эпизода расплавления верхней мантии и ее перегрева с возникновением в этой геосфере магматического океана вся первозданная поверхность Земли вместе с ее первичной и изначально плотной литосферой очень быстро погрузилась в расплавы верхней мантии.
Атмосфера в то время не была плотной и состояла из ядовитых газов, таких как аммиак (NH3), метан (CH4), водород (H2), хлор (Cl2), сера. Температура ее достигала 80 °С. Естественная радиоактивность была во много раз выше нынешней. Жизнь в таких условиях была невозможна.
4,533 млрд лет назад Земля предположительно столкнулась с небесным телом размером с Марс, гипотетической планетой Тейей. Столкновение было таким сильным, что образовавшиеся при столкновении обломки были выброшены в космос и образовали Луну.
Образование Луны способствовало появлению жизни: она вызывала приливы, способствовавшие очищению и аэрации морей, и стабилизировала ось вращения Земли.
Катархейский эон, 4,54-4 млрд лет назад, известен как протопланетный этап развития Земли. Охватывает первую половину криптозоя. Земля в то время была холодным телом с разреженной атмосферой и без гидросферы. В таких условиях никакой жизни появиться не могло.
Во время катархея атмосфера не была плотной. Она состояла из газов и паров воды, появлявшихся при столкновении Земли с астероидами.
В связи с тем, что Луна тогда была слишком приближена (всего на 170 тыс. км) к Земле (длина экватора — 40 тыс. км), сутки длились недолго — всего 6 часов. Но по мере отдаления Луны сутки стали увеличиваться.
- Архейский эон (4,0-2,5 млрд лет назад)
Первые химические следы жизни возрастом примерно 3,5 млрд лет были обнаружены в горных породах Австралии (Пилбара). Позднее органический углерод был обнаружен в породах, датируемых 4,1 млрд лет. Возможно, жизнь зародилась именно в горячих источниках, где было много питательных веществ, в том числе и нуклеотидов.
Жизнь в архее развилась до бактерий и цианобактерий. Они вели придонный образ жизни: устилали дно моря тонким слоем слизи.
Эоархей
Длился 4-3,6 млрд лет назад. Возможно, прокариоты появились уже в конце эоархея. Кроме того, к эоархею относятся древнейшие геологические породы — формация Исуа в Гренландии.
Палеоархей
Палеоархей продолжался с 3,6 по 3,2 млрд лет назад. В Австралии найдена самая древняя форма жизни, относящаяся к этой эре — хорошо сохранившиеся остатки бактерий возрастом 3,46 млрд лет.
Мезоархей
Строматолит мезоархейского периода.
Мезоархей длился 3,2-2,8 млрд лет назад. В мезоархее уже встречаются строматолиты.
Неоархей
Неоархей длился 2,8-2,5 млрд лет назад. В этом периоде появился кислородный фотосинтез, который стал причиной кислородной катастрофы, случившейся в палеопротерозое. В этом периоде активно развиваются бактерии и водоросли.
Что было прародителем живых организмов?
Ученые Нагойского университета в Японии считают, что до появления первой живой клетки существовал мир пре-РНК, основанный на ксенонуклеиновых кислотах (XNA).
В отличие от РНК-цепочек, репликация и сборка XNA не требует ферментов. Цепи ксенонуклеиновых кислот достаточно стабильны, чтобы нести генетическую информацию.
Они также способны связываться с белками и обладать ферментативными функциями подобно рибозимам (так ученые называют рибонуклеиновые кислоты, способные катализировать биохимические реакции).
Ученые синтезировали фрагменты алифатической (не имеющей циклов) нуклеиновой кислоты L-треонинола (L-aTNA), которая, как считается, существовала до появления РНК.
Они также сделали более длинную цепочку L-aTNA, которая была комплементарна исходной последовательности фрагментов, подобно тому, как две комплементарные друг другу ДНК-цепочки создают двойную спираль.
В пробирке при контролируемых условиях более короткие фрагменты L-aTNA собирались вместе и связывались друг с другом на более длинной цепочке L-треонинола. Это произошло в присутствии соединения, называемого N-цианоимидазолом, и иона металла, такого как марганец, оба из которых, скорее всего, присутствовали на ранней Земле.
Фрагменты L-aTNA также могли связываться с ДНК и РНК. Это говорит о том, что генетический код может быть перенесен с ДНК и РНК на L-aTNA и обратно.
По словам ученых, результаты исследования помогут будущим разработкам по созданию искусственной жизни и высокофункциональных биотехнологических инструментов, состоящих из ациклических XNA.
Читать далее
Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?
Ученые объяснили появление «пауков» на поверхности Марса
Исследователи впервые погрузились к самому глубоколежащему утонувшему кораблю