Эволюционировала ли жизнь на Земле более одного раза?

Это оставляет открытым множество вопросов, и один из самых волнующих — сколько раз жизнь волшебным образом возникала из неживых элементов.

Все ли живое на Земле возникло только один раз, или разные живые существа сшиты из разных тканей? Вопрос о том, насколько сложно возникнуть жизни, интересен не в последнюю очередь потому, что он может пролить свет на вероятность обнаружения жизни на других планетах.

Происхождение жизни — один из центральных вопросов современной биологии и, вероятно, самый сложный для изучения. Это событие произошло четыре миллиарда лет назад, причем на молекулярном уровне — то есть сохранилось мало ископаемых свидетельств.

Было предложено множество вариантов зарождения жизни — от неаппетитных первобытных супов до космического пространства. Но современный научный консенсус заключается в том, что жизнь возникла из неживых молекул в ходе естественного процесса, называемого абиогенезом, скорее всего, в темноте глубоководных гидротермальных источников. Но если жизнь возникла однажды, почему бы ей не возникнуть еще несколько раз?

Что такое абиогенез?

Ученые предлагают различные последовательные этапы абиогенеза. Мы знаем, что Земля была богата некоторыми химическими веществами, такими как аминокислоты, тип молекул, называемых нуклеотидами или сахарами, которые являются строительными блоками жизни.

Лабораторные эксперименты, такие как знаменитый эксперимент Миллера-Урея, показали, что эти соединения могут образовываться естественным путем в условиях, схожих с ранней Землей. Некоторые из этих соединений также могли попасть на Землю на метеоритах.

Затем эти простые молекулы объединились и образовали более сложные, такие как жиры, белки или нуклеиновые кислоты. Важно, что нуклеиновые кислоты, такие как двухцепочечная ДНК или ее одноцепочечная родственница РНК, могут хранить информацию, необходимую для создания других молекул. ДНК более стабильна, чем РНК, но, в отличие от нее, РНК может участвовать в химических реакциях, в ходе которых соединение создает копии самого себя — саморепликация.

Гипотеза «мира РНК» предполагает, что ранняя жизнь могла использовать РНК в качестве материала для генов и репликации до появления ДНК и белков.

Как только информационная система может создавать свои копии, в дело вступает естественный отбор. Некоторые из новых копий этих молекул (которые некоторые называют «генами») будут содержать ошибки, или мутации, и некоторые из этих новых мутаций будут улучшать способность молекул к репликации.

Поэтому со временем копий этих мутантов будет больше, чем других молекул, некоторые из которых будут накапливать новые мутации, делая их еще более быстрыми и многочисленными, и так далее.

В конце концов эти молекулы, вероятно, сформировали липидную (жировую) границу, отделяющую внутреннюю среду организма от внешней, образовав протоклетки. Протоэлементы могли лучше концентрировать и организовывать молекулы, необходимые для биохимических реакций, обеспечивая сдерживаемый и эффективный метаболизм.

Жизнь повторяется?

Абиогенез мог происходить не один раз. Земля могла рождать самовоспроизводящиеся молекулы несколько раз, и, возможно, ранняя жизнь на протяжении тысяч или миллионов лет состояла из множества различных самовоспроизводящихся молекул РНК, имеющих независимое происхождение и конкурирующих за одни и те же строительные блоки. Увы, из-за древней и микроскопической природы этого процесса мы, возможно, никогда не узнаем.

Многие лабораторные эксперименты успешно воспроизвели различные стадии абиогенеза, доказав, что они могут происходить неоднократно, но у нас нет уверенности в том, что они происходили в прошлом.

С этим связан вопрос о том, зарождается ли новая жизнь путем абиогенеза в тот момент, когда вы читаете эти строки. Однако это очень маловероятно. Ранняя Земля была стерильна для жизни, и физические и химические условия были совсем другими. В наши дни, если бы где-то на планете были идеальные условия для появления новых самовоспроизводящихся молекул, они были бы быстро разорваны существующей жизнью.

Что мы точно знаем, так это то, что все существующие живые существа происходят от одного общего последнего универсального общего предка жизни (также известного как LUCA). Если и были другие предки, то они не оставили после себя потомков.

Ключевые доказательства подтверждают существование LUCA. Все живое на Земле использует один и тот же генетический код, а именно соответствие между нуклеотидами в ДНК, известными как A, T, C и G, и аминокислотой, которую они кодируют в белках. Например, последовательность из трех нуклеотидов ATG всегда соответствует аминокислоте метионину.

Теоретически, однако, между видами могло быть больше вариантов генетического кода. Однако все живое на Земле использует один и тот же код с небольшими изменениями в некоторых линиях.

Биохимические пути, например, используемые для метаболизма пищи, также подтверждают существование LUCA; многие независимые пути могли развиться у разных предков, но некоторые (например, используемые для метаболизма сахаров) являются общими для всех живых организмов. Точно так же у разных живых существ присутствуют сотни одинаковых генов, которые можно объяснить только тем, что они унаследованы от LUCA.

Моим любимым подтверждением LUCA является Древо жизни. Независимые анализы, некоторые из которых используют анатомию, метаболизм или генетические последовательности, выявили иерархическую схему родства, которую можно представить в виде дерева.

Это показывает, что мы связаны с шимпанзе больше, чем с любыми другими живыми организмами на Земле. Шимпанзе и мы более родственны гориллам, а вместе с ними — орангутангам и так далее.

Вы можете выбрать любой случайный организм, от латука в вашем салате до бактерий в вашем биоактивном йогурте, и, если вы отправитесь в прошлое достаточно далеко, у вас окажется общий предок. Это не метафора, а научный факт.

Это одна из самых умопомрачительных концепций в науке — дарвиновское единство жизни. Если вы читаете этот текст, значит, вы здесь благодаря непрерывной цепи репродуктивных событий, уходящих в прошлое на миллиарды лет.

Как бы ни было интересно думать о том, что жизнь неоднократно зарождалась на нашей планете или в других местах, еще интереснее осознавать, что мы связаны со всеми живыми существами на планете.

Жорди Папс, старший преподаватель Школы биологических наук Бристольского университета, Университет Бристоля.