Рисунок зарождение земли: Ой! Страница не найдена :(


04.01.2021 Facebook Twitter LinkedIn Google+ Разное


Содержание

История Земли: что было бы с планетой, если бы не было человечества

Это воздействие оставило заметный отпечаток на находящемся на нашей планете льду. Во всем мире ледники стали уменьшаться, а в некоторых места вообще исчезли. Американский национальный центр по изучению снега и льда (US National Snow and Ice Data Center), организованный при Университете штата Колорадо в городе Боулдере, ведет наблюдение примерно за 130 000 ледников по всему миру. Некоторые из них увеличиваются, однако значительно большее их количество сокращаются. В целом можно говорить о том, что на каждый увеличивающийся по размеру ледник приходится не менее 10 сокращающихся. В момент своего создания в 1910 году в Национальном ледниковом парке в штате Монтана насчитывалось 150 ледников. Сегодня их число не превышает 30, и все они сократились по своему размеру. В 2009 году ледник Чакалтая (Chacaltaya) в Боливии исчез, а в свое время это было самое высокое место в мире, где располагались горнолыжные подъемники. Ледяной покров в полярных широтах разрушается, и от него откалываются льдины величиной с город. В июле этого года 30-километровая трещина в леднике под названием «Сосновый остров» (Pine Island glacier) в Антарктике привела к образованию айсберга величиной с Нью-Йорк.

В результате перематывания назад ленты времени исчезают все следы влияния человека на планету Земля. А теперь просто ради удовольствия давайте займемся другой игрой – уберем вообще человека разумного. Представьте себе, что 125 000 лет назад небольшое количество наших предков в восточной части Африки были бы уничтожены в результате какой-нибудь катастрофы – смертельного вируса или, может быть, природного катаклизма. И теперь давайте перемотаем ленту вперед. Как бы выглядела сегодня наша планета, если бы на ней не было современных человеческих существ?

В некотором отношении ответ представляется очевидным: она бы выглядела во многом так же, как и 125 000 лет назад. «Мы бы имели непрерывно существующую биосферу, и она была бы такой, что нам даже трудно себе представить. То есть существовали бы леса, саванны и тому подобное – и так по всей поверхности планеты, — подчеркивает Ян Заласевич (Jan Zalasiewicz), геолог из расположенного в Соединенном Королевстве Лестерского университета.

– Никаких дорог, никаких полей. Никаких городов. Ничего в этом роде». На Земле в изобилии существовали бы крупные животные, а в морях было бы много китов и рыбы.

Однако долго так не могло бы продолжаться, считает Раддиман. Если бы человеческие существа вымерли 125 000 лет назад, то мы сегодня вступали бы в новый ледниковый период. Ледники увеличивали бы свои размеры и продвигались вперед. Сама по себе это противоречивая идея, и за нее Раддиман подвергался критике. Однако сегодня, спустя десять лет после того, как он впервые ее высказал, многие климатологи с ним согласны.

«Если вы уберете воздействие человека, то возникнет значительно больше льда в морях, и тундра в районе Северного полярного круга также увеличится по площади, — отмечает он. – Бореальные леса отступили бы и – что самое главное – ледяной покров увеличился бы во многих северных регионах – в северной части Скалистых гор, в Канадском Арктическом архипелаге, в некоторых районах северной части Сибири. Это самые ранние стадии наступления ледникового периода. И это единственное наиболее значительное изменение».

А, может быть, все сложилось бы иначе. Не исключено, что наше место мог бы занять другой человеческий вид – например, неандертальцы, человек прямоходящий или какой-нибудь доселе неизвестный вид – и он стал бы определять вместо нас все происходящее на планете.
Тэттерсолл сомневается. «Утвердившись на Земле, стали бы они следовать нашему примеру?— спрашивает он. – Стали бы они заменой человеку разумному, что свидетельствовало бы о существовании определенного рода неизбежности относительно того, что произошло с нами? Я считаю, что вряд ли».

Однако существует великолепный контраргумент на этот счет.

«Есть еще такая концепция – конвергентная эволюция, и она состоит в том, что, если бы мы не пришли и не сделали этого, то это сделал бы кто-то другой, — замечает Дэвид Гринспун (David Grinspoon), куратор в области астробиологии Музея природы и науки в Денвере, штат Колорадо. – В таком случае существовало бы селективное давление (selective pressure) на другие виды, которое подталкивало бы к тому пути развития, по которому прошли мы, и где существует фидбэк между большим мозгом, языком и абстрактным мышлением, а также развитием сельского хозяйства.

Если сценарий в буквальном смысле таков, что человек разумный вымирает, а общий ландшафт остается, то, возможно, произошло бы нечто похожее. Оно не было бы точно таким же, потому что велика степень случайности, и, вероятно, это заняло бы больше времени».

Короче говоря, все это в любом случае произошло бы. Возможно, образование современной версии Земли и нашего места на ней было неизбежным. Удалите Homo sapiens из этого уравнения, восстановите леса и мегафауну, и тогда, может быть, через 100 000 лет мы вновь получим такой же результат — наши величайшие труды, наши достижения и наши ошибки – или, по крайней мере, нечто похожее.
«Я хотел бы иметь магический кристалл или какой-нибудь вариант видоискателя альтернативного мира, — признается Гринспун. – Было бы здорово это узнать».

Кристофер Кемп является писателем и журналистом, он живет и работает в Мичигане.

Оригинал публикации здесь

Происхождение всего: почему на Земле появилась жизнь

Как все везде появилось: звезды и галактики, атмосфера Земли, океаны, клетка и, наконец, человеческие цивилизации.

Сочетая юмор и научную канву, автор проводит читателей сквозь пространство и время — почти 14 млрд лет, — показывая при этом связи между теориями, помогающие понимать такие темы, как физика частиц, тектоника плит и фотосинтез. Все это — о книге Дэвида Берковичи «Происхождение всего», переведенной издательством «Альпина нон-фикшн». Indicator.Ru публикует отрывок из этой книги.

В отличие от других планет Солнечной системы на Земле образовался умеренный климат, поэтому на ней сохранялась вода в жидком состоянии, а следовательно, и жизнь, по крайней мере такие ее формы, которые нам известны. Первыми живыми организмами, появившимися на Земле, были микроорганизмы, и произошло это за несколько миллиардов лет до того момента, с которого мы, люди, считаем планету пригодной для жизни, не говоря уже гостеприимной. Но даже в наши дни мы нашли на планете микробную жизнь, обитающую в самых неблагоприятных природных условиях — в средах, где температура превышает 100°C, или в кислотных кратерных озерах. Поэтому определение «пригодности для жизни» имеет довольно широкий диапазон. Мы можем обнаружить микробную жизнь, существующую или существовавшую когда-то на других планетах, условия на которых не хуже самых плохих условий на Земле.

Вода исключительно важна для жизни, поэтому список потенциально пригодных для жизни планет включает в себя Марс и ледяные спутники Юпитера и Сатурна (Европу и Энцелад соответственно), на которых точно есть вода в жидком состоянии. Как бы то ни было, мы точно знаем, что на нашей планете выработался особенно стабильный и мягкий климат, давший жизни достаточно времени, чтобы она могла стать сложной и многоклеточной. Разговор об условиях, необходимых для существования жизни на планете, нужно начать с классического понятия «зоны возможной жизни». Эта зона, по сути, является диапазоном орбит в любой планетной системе, где условия на поверхности находящихся в ней планет позволяют существовать воде в жидком состоянии. Другими словами, планета должна быть не так далеко от звезды, чтобы вся вода замерзла (как, вероятно, произошло на Марсе, хотя это становится все более сомнительным), но и не так близко, чтобы вся вода испарилась (как на Венере).

Это понятие до сих пор используется астрономами, обнаруживающими планеты в других планетных системах, так как основными характеристиками, которые они устанавливают, по крайней мере пока, являются расстояние от планеты до звезды и (иногда) масса и / или размер планеты.

Все жители Земли - марсиане?

Подпись к фото,

Сегодня существование живых организмов на Марсе представить весьма затруднительно, но несколько миллиардов лет назад условия для них, возможно, были более благоприятными.

Новейшие исследования подтверждают теорию, согласно которой миллиарды лет тому назад Красная планета была более благоприятным местом для развития биологических форм, чем Земля на ранних стадиях эволюции. И не исключено, что жизнь появилась на Марсе до того, как она возникла на нашей планете, - было заявлено на конференции Европейской геохимической ассоциации во Флоренции.

В качестве доказательства теории учёные предлагают рассмотреть процесс образования первых молекул, необходимых для возникновения жизни.

Их давно занимал вопрос о том, что первоначально спровоцировало возникновение связей между атомами, образовавшими три ключевых молекулярных компонента живых организмов: РНК (рибонуклеиновая кислота), ДНК и белок.

Профессор Стивен Беннер рассказал об основных аспектах своей научной теории.

Молекулы, образовавшие, в итоге, генетический материал, были гораздо сложнее находившихся в "первичном бульоне" (смеси углеродосодержащих молекул, которая частично покрывала поверхность Земли более трёх млрд лет назад). Первой из них образовалась РНК.

Простое добавление энергии тепла или света к более простым органическим молекулам "бульона" не даёт РНК. Вместо этого, в результате реакции образуется смола. Для образования структуры РНК необходима определенная концентрация атомов на кристаллических поверхностях минеральных элементов.

Минералы, которые могли быть наиболее эффективными катализаторами образования РНК, растворились бы в океане, покрывавшем поверхность Земли в то время; однако на Марсе они были широко распространены.

Это позволяет предположить, что жизнь на Красной планете появилась до того, как она была принесена на Землю марсианским метеоритом, утверждает профессор Беннер из Института Науки и Технологии Вестхаймера (Гейнсвилл, США).

Идея о том, что жизнь появилась на Марсе и после была перенесена на нашу планету, обсуждалась и раньше. Но идеи профессора Беннера – это новый поворот в теории марсианского происхождения биосферы Земли.

Необходимые минералы

Здесь во Флоренции профессор Беннер представил результаты исследований, которые дают возможность предположить, что минералы, содержавшие элементы бора и молибдена играли ключевую роль в образовании основных макромолекул из атомов.

Подпись к фото,

Эксперты полагают, что так могла выглядеть поверхность Марса около 3 млрд лет назад

Минералы, имевшие в составе бор, способствовали формированию углеводных колец из химических элементов, содержавшихся в "первичном бульоне", - считает ученый. Затем молибден изменял структуру получившейся молекулы, в результате чего образовывалась рибоза, и, таким образом, РНК.

Теория Беннера ставит вопрос о том, как могла начаться жизнь на Земле, ведь считается, что наша планета на ранних стадиях эволюции не имела подходящих условий для образования минералов, в составе которых были бы молибден или бор.

Известно, что на Земле не было достаточного количества минералов бора, необходимых для формирования РНК из "первичного бульона", а молибден, в свою очередь, не существовал в нужной химической форме.

Профессор Беннер пояснил: "Только достаточно окисленный молибден мог повлиять на формирование ранних форм жизни. Такого молибдена не могло быть на Земле, когда там появилсь жизнь, потому что три миллиарда лет назад на поверхности нашей планеты было очень мало кислорода. Зато он был на Марсе".

Это ещё один аргумент в пользу теории о том, что жизнь появилась на Земле благодаря метеориту с Марса, а вовсе не зародилась непосредственно здесь.

Одной воды недостаточно

Считается, что на Марсе было не так влажно, как на Земле, и это ключевой момент, благодаря которому Красная планета могла быть благоприятным местом для появления жизни.

"Бор, как элемент, редко встречается в земной коре, - объяснил профессор Беннер BBC News. - Однако на Марсе климат был более сухим, и было больше кислорода. Так что если Земля была неподходящим местом для химической реакции, Марс, может быть, и был".

"Похоже, что набираются доказательства того, что все мы вообще-то Марсиане; что жизнь началась на Марсе, а на Землю попала благодаря метеориту", - добавил он.

"Это всё же большая удача, что мы оказались здесь, поскольку условия на Земле точно лучше для поддержания жизни. Если бы наши гипотетические предки-марсиане остались на Марсе, может быть, и истории бы у нас никакой не было".

Происхождение нефти, ее состав и основные свойства

Нефтяные месторождения — уникальное хранилище энергии, образованной и накопленной на протяжении миллионов лет в недрах нашей планеты. В этом материале — о том, какой путь проделала нефть, прежде чем там оказаться, из чего она состоит и какими свойствами обладает

Две гипотезы

У ученых до сих пор нет единого мнения о том, как образовалась нефть. Существуют две принципиально разные теории происхождения нефти. Согласно первой — органической, или биогенной, — из останков древних организмов и растений, которые на протяжении миллионов лет осаждались на дне морей или захоронялись в континентальных условиях. Затем перерабатывались сообществами микроорганизмов и преобразовывались под действием температуры и давлений в результате тектонического опускания вглубь недр, формируя богатые органическим веществом нефтематеринские породы.

Необходимые условия для превращения органики в нефть возникают на глубине 1,5–6 км в так называемом нефтяном окне — при температуре от 70 до 190°C. В верхней его части температура недостаточно высока — и нефть получается «тяжелой»: вязкой, густой, с высоким содержанием смол и асфальтенов. Внизу же температура пластов поднимается настолько, что молекулы органического вещества дробятся на самые простые углеводороды — образуется природный газ. Затем под воздействием различных сил, в том числе градиента характеризует степень изменения давления в пространстве, в данном случае — в зависимости от глубины пласта давления, углеводороды мигрируют из нефтематеринского пласта в выше- или нижележащие породы.

60 млн лет может занимать природный процесс образования нефти из органических останков

Природный процесс образования нефти из органических останков занимает в среднем от 10 до 60 млн лет, но если для органического вещества искусственно создать соответствующий температурный режим, то на его переход в растворимое состояние с образованием всех основных классов углеводородов достаточно часа. Подобные опыты сторонники органической гипотезы толкуют в свою пользу: преобразование органики в нефть налицо. В пользу биогенного происхождения нефти есть и другие аргументы. Так, большинство промышленных скоплений нефти связано с осадочными породами. Мало того — живая материя и нефть сходны по элементному и изотопному составу. В частности, в большинстве нефтяных месторождений обнаруживаются биомаркеры, такие как порфирины — пигменты хлорофилла, широко распространенные в живой природе. Еще более убедительным можно считать совпадение изотопного состава углерода биомаркеров и других углеводородов нефти.

Состав и свойства нефти

ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТИ МОГУТ ЗНАЧИТЕЛЬНО РАЗЛИЧАТЬСЯ ДЛЯ РАЗНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Основные химические элементы, из которых состоит нефть: углерод — 83–87%, водород — 12–14% и сера — до 7%. Последняя обычно присутствует в виде сероводорода или меркаптанов, которые могут вызывать коррозию оборудования. Также в нефтях присутствует до 1,7% азота и до 3,5% кислорода в виде разнообразных соединений. В очень небольших количествах в нефтях содержатся редкие металлы (например, V, Ni и др. ).

От месторождения к месторождению характеристики и состав нефти могут различаться очень значительно. Ее плотность колеблется от 0,77 до 1,1 г/см³. Чаще всего встречаются нефти с плотностью 0,82–0,92 г/см³.Температура кипения варьирует от 30 до 600°C в зависимости от химического состава. На этом свойстве основана разгонка нефтей на фракции. Вязкость сильно меняется в зависимости от температуры. Поверхностное натяжение может быть различным, но всегда меньше, чем у воды: это свойство используется для вытеснения нефти водой из пор пород-коллекторов.

Большинство ученых сегодня объясняют происхождение нефти биогенной теорией. Однако и неорганики приводят ряд аргументов в пользу своей точки зрения. Есть различные версии возможного неорганического происхождения нефти в недрах земли и других космических тел, но все они опираются на одни и те же факты. Во-первых, многие, хотя и не все месторождения связаны с зонами разломов. Через эти разломы, по мнению сторонников неорганической концепции, нефть и поднимается с больших глубин ближе к поверхности Земли. Во-вторых, месторождения бывают не только в осадочных, но также в магматических и метаморфических горных породах (впрочем, они могли оказаться там и в результате миграции). Кроме того, углеводороды встречаются в веществе, извергающемся из вулканов. Наконец, третий, наиболее весомый аргумент в пользу неорганической теории состоит в том, что углеводороды есть не только на Земле, но и в метеоритах, хвостах комет, в атмосфере других планет и в рассеянном космическом веществе. Так, присутствие метана отмечено на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. На Титане, спутнике Сатурна, обнаружены реки и озера, состоящие из смеси метана, этана, пропана, этилена и ацетилена. Если на других планетах Солнечной системы эти вещества могут образовываться без участия биологических объектов, почему это невозможно на Земле?

С точки зрения современных сторонников неорганической, или минеральной, гипотезы, углеводороды образуются из содержащихся в мантии Земли воды и углекислого газа в присутствии закисных соединений металлов на глубинах 100–200 км. Высокое давление в недрах земли препятствует термической деструкции сложных молекул углеводородов. В свою очередь сторонники органики не отрицают, что простые углеводороды, например метан, могут иметь и неорганическое происхождение. Опыты, направленные на подтверждение абиогенной теории, показали, что получаемые углеводороды могут содержать не более пяти атомов углерода, а нефть представляет собой смесь более тяжелых соединений. Этому противоречию объяснений пока нет.

Этапы образования нефти

СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕФТИ

  • осадконакопление (седиментогенез) — в процессе накопления осадка остатки живых организмов выпадают на дно водных бассейнов или захороняются в континентальной обстановке;
  • биохимическая (диагенез) — происходит уплотнение, обезвоживание осадка и биохимические процессы в условиях ограниченного доступа кислорода;
  • протокатагенез — опускание пласта органических остатков на глубину до 1,5–2 км при медленном подъеме температуры и давления;
  • мезокатагенез, или главная фаза нефтеобразования (ГФ Н), — опускание пласта органических остатков на глубину до 3–4 км при подъеме температуры до 150°C.  При этом органические вещества подвергаются термокаталитической деструкции, в результате чего образуются битуминозные вещества, составляющие основную массу микронефти. Далее происходит «отжим» нефти за счет перепада давления и эмиграционный вынос микронефти в пласты-коллекторы, а по ним — в ловушки;
  • апокатагенез керогена, или главная фаза газообразования (ГФГ ), — опускание пласта органических остатков на глубину (как правило, более 4,5 км) при подъеме температуры до 180—250°C. При этом органическое вещество теряет нефтегенерирующий потенциал и генерирует газ.

В ловушке

Помимо чисто научного интереса гипотезы, объясняющие происхождение нефти и газа, имеют еще и политическое звучание. Действительно, раз уж нефть может получаться из неорганических веществ и темпы ее образования не десятки миллионов лет, как предполагает биогенная концепция, а во много тысяч раз выше, значит, проблема скорого исчерпания запасов становится как минимум не столь однозначной. Однако для нефтяников вопрос о том, откуда берется нефть, принципиален скорее с той точки зрения, может ли теория предсказать, где именно нужно искать месторождения. С этой задачей органики справляются лучше.

В сугубо прагматическом отношении для добычи важно знать даже не то, где нефть зародилась, а где она находится сейчас и откуда ее можно извлечь. Дело в том, что в земной коре большая часть нефти не остается в материнской породе, а перемещается и скапливается в особых геологических объектах, называемых ловушками. Даже если предположить, что нефть имеет неорганическое происхождение, ловушки для нее все равно за редким исключением находятся в осадочных бассейнах.

Под действием различных факторов углеводороды отжимаются из нефтематеринских пород в породы-коллекторы, способные вмещать флюиды (нефть, природный газ, воду). Таким образом, нефтяное месторождение — вовсе не подземное «озеро», заполненное жидкостью, а достаточно плотная структура. Коллекторы характеризуются пористостью (долей содержащихся в них пустот) и проницаемостью (способностью пропускать через себя флюид). Для эффективного извлечения нефти из коллектора важно благоприятное сочетание обоих этих параметров.

Типы коллекторов

БОЛЬШАЯ ЧАСТЬ ЗАПАСОВ НЕФТИ СОДЕРЖИТСЯ В ДВУХ ТИПАХ КОЛЛЕКТОРОВ

Терригенные (пески, песчаники, алевролиты, некоторые глинистые породы и др.) состоят из обломков горных пород и минералов. Этот тип коллекторов наиболее распространен: на них приходится 58% мировых запасов нефти и 77% газа. В качестве пустотного пространства, в котором накапливается нефть, в основном выступают поры — свободное пространство между зернами, из которых состоит коллектор.

Карбонатные (в основном известняки и доломиты) занимают второе место по распространенности (42% запасов нефти и 23% газа). Имеют сложную трещиноватую структуру. Нефть обычно содержится в кавернах, появившихся в результате выветривания и вымывания твердой породы, а также в трещинах. Наличие трещин влияет и на фильтрационные свойства коллектора, обеспечивая проводимость жидкости.

Вулканогенные и вулканогенно-осадочные (кислые эффузивы и интрузивы, пемзы, туфы, туфопесчаники и др. ) коллекторы отличаются характером пустотного пространства — в основном это трещины, — резкой изменчивостью свойств в пределах месторождений.

Глинисто-кремнисто-битуминозные отличаются значительной изменчивостью состава, неодинаковой обогащенностью органическим веществом. Промышленная нефтеносность глинисто-кремнисто-битуминозных пород установлена в баженовской (Западная Сибирь) и пиленгской (Сахалин) свитах.

Двигаясь по коллектору, флюид в какой-то момент может упереться в непроницаемый для него экран — флюидоупор. Слои такой породы называют покрышками, а вместе с коллектором они формируют ловушки, удерживающие нефть и газ в месторождении. В классическом варианте в верхней части ловушки может присутствовать газ (он легче). Снизу залежь подстилается более плотной, чем нефть, водой.

Классификации ловушек чрезвычайно разнообразны (часть из них см. на рис.). Наиболее простая и с точки зрения геологоразведки, и для дальнейшей добычи — антиклинальная ловушка (сводовое поднятие), перекрытая сверху пластом флюидоупора. Такие ловушки образуются в результате изгибов пластов осадочного чехла. Однако помимо изгибов внутренние пласты претерпевают и множество других деформаций. В результате тектонических движений, например, пластколлектор может деформироваться и потерять свою однородность. В этом случае процессы геологоразведки и добычи оказываются намного сложнее. Еще одна неприятность, которая поджидает нефтяников со стороны ловушек, — замещение проницаемых пород, обладающих хорошими коллекторскими свойствами, например песчаников, непроницаемыми. Такие ловушки называются литологическими.

Антиклиналь
Тектоническая экранированная ловушка
Соляной купол
Стратиграфическая ловушка

Ровесница динозавров

Когда же образовались те структуры, в которых сегодня находят нефть? Основные ее ресурсы сосредоточены в относительно молодых мезозойских и кайнозойских отложениях, сформировавшихся от нескольких десятков млн до 250 млн лет назад. Однако добыча нефти ведется и из палеозойских отложений (до 500 млн лет назад), а в Восточной Сибири — даже из отложений верхнего протерозоя, которым более полумиллиарда лет.

Многочисленные нефтяные месторождения встречаются в отложениях девона (420–360 млн лет назад). В этот период на Земле появились насекомые и земноводные, в морях большого разнообразия достигли рыбы и кораллы. Во время пермского периода (300–250 млн лет назад) климат стал более засушливым, в результате чего высыхали моря и образовывались мощные соляные толщи, ставшие впоследствии идеальными флюидоупорами.

Эпоха господства динозавров — юрский (200–145 млн лет назад) и меловой (145–66 млн лет назад) периоды мезозоя — характеризуется максимальным расцветом жизни и связана с высоким осадконакоплением. Некоторые гигантские и крупные месторождения (Иран, Ирак) нефти находят в отложениях палеогена(66—23 млн лет назад). Известны месторождения нефти в четвертичных породах возрастом менее 2 млн лет (Азербайджан).

Впрочем, связь между возрастом пород-коллекторов и временем образования нефти не прямолинейна. Этот процесс может быть последовательным: в юрском или меловом периоде органический осадок начал опускаться вниз и преобразовываться в нефть, которая по прошествии нескольких десятков миллионов лет мигрировала в коллекторы, принадлежащие к более молодым комплексам пород. С другой стороны, древние нефтематеринские породы, образованные в палеозое, могли опуститься на достаточную для созревания нефти глубину намного позднее. Таким образом, в одних и тех же коллекторах можно найти и более молодую, и древнюю нефть, значительно различающиеся по своим свойствам.

Смешанные свойства

Между тем моментом, когда на дно морского бассейна опускается отмерший планктон, и тем, когда накопившийся слой органики, погрузившись на несколько километров вниз, отдает нефть, миллионы лет и целый ряд химических и физических преобразований. Поэтому нет ничего удивительного в том, что состав нефти крайне разнообразен и неоднороден. Именно поэтому сами нефтяники привыкли употреблять это слово во множественном числе — говоря о разведке или добыче нефтей и подразумевая, что каждый раз извлекаемая жидкость будет уникальной, отличающейся от всего, что было добыто ранее.

В своей основе нефть — сложная смесь углеводородов различной молекулярной массы. Преобладают в ней алканы, нафтены и арены. Наиболее простые из них — алканы (парафиновые углеводороды), у которых к атомам углерода присоединено максимальное количество атомов водорода. К алканам относятся метан, этан, пропан, бутан, пентан и т. д. Они могут быть представлены газами, жидкостями и твердыми кристаллическими веществами. Количество алканов в нефти колеблется от четверти до семидесяти процентов объема. При большом проценте алканов нефть считается парафинистой. С точки зрения добычи такое свойство считается проблемным — при подъеме нефти из скважины и соответственном уменьшении температуры парафины могут кристаллизоваться и выпадать на стенки скважин.

Нафтены — соединения, в которых атомы углерода соединяются в циклическое кольцо (циклопропан, циклобутан, циклопентан и др.). Все связи углерода и водорода здесь насыщены, поэтому нафтеновые нефти обладают устойчивыми свойствами. Нафтены могут иметь от 2 до 5 циклов в молекуле, по их составу химики пытаются определять зрелость и другие свойства нефти.

В составе аренов, или ароматических углеводородов, также есть циклические структуры — бензольные ядра. Для них характерны большая растворяемость, более высокая плотность и температура кипения. Обычно нефть содержит 10–20% аренов, а в ароматических нефтях их содержание доходит до 35%. Наиболее богаты аренами молодые нефти. Арены — ценное сырье при производстве синтетических каучуков, пластмасс, синтетических волокон, анилино-красочных и взрывчатых веществ, фармацевтических препаратов.

Нефть любят называть черным золотом, однако чистые углеводороды бесцветны. Цвет нефтям придают разнообразные примеси, в основном смолы. Асфальтосмолистая часть нефтей — вещество темного цвета. Входящие в ее состав асфальтены растворяются в бензине.

Нефтяные смолы, напротив, не растворяются. Они представляют собой вязкую или твердую, но легкоплавкую массу. Наибольшее количество смол отмечается в тяжелых темных нефтях, богатых ароматическими углеводородами. Такие нефти обладают повышенной вязкостью, что затрудняет их извлечение из пласта.

Как получить землю многодетной семье в Московской области

Многодетные семьи имеют право на бесплатное получение земельного участка в Подмосковье. Эта возможность регламентируется Законом «О бесплатном предоставлении земельных участков многодетным семьям в Московской области». Каким требованиям должна соответствовать семья и куда обращаться с заявлением на предоставление земли, читайте в материале портала mosreg.ru.

Союз «Мы» - как частные организации помогают большим семьям в Подмосковье>>

Условия получения

Источник: ©, пресс-служба администрации Наро-Фоминского района

Для начала многодетной семье нужно встать в очередь на получение земельного участка. При этом она должна соответствовать ряду определенных требований:

  • все члены многодетной семьи – граждане России;
  • родители проживают на территории Московской области не менее 5 лет;
  • трое или более детей не достигли 18 лет и проживают на территории Московской области;
  • члены многодетной семьи не должны иметь земельный участок площадью 0,06 га и более в собственности, на праве пожизненного наследуемого владения или постоянного пользования на территории Московской области;
  • члены многодетной семьи не должны являться собственниками жилых домов (строений) на территории Московской области.

Кроме того, члены многодетной семьи не должны предварительно производить отчуждение, а также раздел принадлежащих им на праве собственности земельных участков площадью 0,06 га и более.

Узнайте, какие льготы могут получить многодетные семьи в Подмосковье>>

Куда обратиться

Источник: ©, пресс-служба администрации городского округа Красногорск

Для того чтобы встать в очередь на получение земельного участка, один из родителей должен подать заявление в орган местного самоуправления.  Это можно сделать в любом МФЦ, необязательно по месту жительства, а также через региональный портал госуслуг.

Решение о постановке в очередь принимается в течение месяца. При этом участок, который предоставляется многодетной семье, должен быть не менее 0,1 га, но не более 0,15 га.

Узнайте, как бесплатно получить землю в Подмосковье>>

Документы

Источник: Фотобанк Московской области, Анастасия Осипова

Если многодетная семья соответствует вышеперечисленным требованиям, то в орган местного самоуправления необходимо представить следующие документы:

  • заявление о постановке многодетной семьи на учет в целях бесплатного предоставления земельного участка;
  • документы, подтверждающие российское гражданство у всех членов многодетной семьи;
  • документ, удостоверяющий личность заявителя;
  • документ, подтверждающий регистрацию членов многодетной семьи на территории Московской области, – выписка из домовой книги;
  • документы, подтверждающие родственные отношения членов многодетной семьи – копия свидетельства о браке/о расторжении брака/о смерти супруга, о рождении детей;
  • документы, удостоверяющие личности всех членов многодетной семьи;

В ряде случаев потребуется представить дополнительные документы:

  • если в семье есть дети, которые не учитываются в составе многодетной семьи, – сведения о них;
  • выписка из Единого государственного реестра прав на недвижимое имущество и сделок с ним о правах отдельного лица на имеющиеся у него объекты недвижимого имущества.

Узнайте, как оформить градостроительный план земельного участка в Московской области>>

22 апреля, фото, история, описание, приметы

День Земли (англ. EarthDay) - ежегодно, 22 апреля люди по всей планете отмечают День Земли. Этот праздник стал общечеловеческим символическим праздником любви и заботы о нашем общем доме и отмечается во всем мире с целью продемонстрировать поддержку защиты окружающей среды. Мероприятие впервые было организовано Cетью "День Земли". В этот день в разных уголках земного шара неравнодушные к экологическим проблемам люди проводят мероприятия, нацеленные на то, чтобы в мире стало больше чистоты и ответственности.

Существуют два основных периода проведения мероприятия: в марте (ближе к весеннему равноденствию) и 22 апреля. Кроме того, в настоящее время инициативные группы планируют и проводят ряд действий ко Дню Земли ближе к моменту летнего солнцестояния, чтобы максимально использовать теплую погоду и свободное время людей.

История. Основателем Дня Земли считается Джон Стерлинг Мортон из штата Небраска (США), который на заседании Управления сельского хозяйства штата, будучи секретарем территории, предложил в 1872 году назначить ежегодный день, посвященный озеленению окружающей территории. Предложение было одобрено и получило широкую поддержку жителей штата. В 1882 году День Дерева был объявлен правительством Небраска официальным праздником штата, дата его приходилась на 22 апреля.

22 апреля 1970 в Нью-Йорке (США) известный американский политик и активист сенатор Гейлорд Нельсон создал группу из студентов под руководством Денниса Хайеса (студента Гарварда), которые впервые организовали проведение национального праздника - Дня Земли. Поскольку это было время активных студенческих движений, инициатива привлекла к себе много внимания. Его участники предложили обычным рядовым американцам обратить внимание на экологические проблемы современности и попытаться совместными усилиями беречь зеленую планету. Уже через год в США было создано государственное агентство по охране окружающей среды, сегодня действует достаточно активно и имеет тесные контакты с государственными структурами большинства стран, в том числе и в Украине.

В 1971 году, благодаря успеху первого Дня, сенатор Нельсон провозгласил "Неделю Земли" (в течение 3-й недели апреля) как ежегодное событие, которое стало крайне популярным среди населения США. Нельсон был позже был награжден Президентской медалью Свободы в знак признания его работы.

Международным праздник был объявлен в 1990 году. По инициативе американского Стэнфордского университета 90-е годы был провозглашены "Десятилетием окружающей среды". Эта акция получила поддержку в более чем 120 странах мира, а более 40 стран объединили свои усилия для проведения кампании по сохранению биологического разнообразия. В этот праздник каждый житель планеты может внести свой маленький вклад в дело защиты окружающей среды: очистить от мусора прилегающую территорию, высадить хотя бы одно дерево, отказаться хотя бы на день от использования автомобиля.

Событие стали отмечать и в Украине как день защиты природы, день акций с целью привлечения внимания общественности к проблемам нашей планеты.

В 2009 году Генеральная Ассамблея ООН провозгласила Международный день Матери-Земли, постановив отмечать его 22 апреля.

Логотип планеты Земля. Флаг Земли не является официальным символом чего-либо (поскольку официально не существует общепланетного правительства или государства). Он представляет собой фотографию планеты из космоса (в настоящее время используется снимок, сделанный астронавтами "Аполлона-17" по дороге к Луне) на тёмно-синем фоне. Традиционно Флаг связан с Днём Земли и другими природоохранными, миротворческими и гражданскими международными мероприятиями.

Символом дня является зелёная греческая буква Θ (Тета) на белом фоне.

Многочисленные сообщества празднуют Неделю Земли, устраивая целую неделю мероприятия, направленные на решение экологических проблем, с которыми сталкивается мир.

День Земли в настоящее время координируется на глобальном уровне и отмечается в более чем 193 странах мира каждый год.

Фото: iStock/Global Images Ukraine

История - Главная | О регионе | История

Древнейшая история Вологодской земли теряется в глубине веков.

История освоения края, по данным археологов, началась более 25 тыс. лет назад. В 1983 г. найдена стоянка близ с.Нюксеницы. Находки, обнаруженные на глубине 7 метров, позволяют ученым отнести ее к эпохе верхнего палеолита - древнего каменного века - и подтверждают возможность проникновения первых коллективов охотников на территорию края в периоды межледниковья.

Археологическое исследование погребений более позднего периода — мезолита (VII-V тыс. до н.э.), найденных на берегу озера Лаче, свидетельствует о принадлежности населения к древнеевропеоидной группе.

В это же время происходило освоение бассейнов рек Мологи и Сухоны. В первые века новой эры местным населением была весь, обитавшая в районе Белого озера, и “чудь заволочская”, проживавшая к востоку от Кубенского озера. Отдаленными потомками летописной веси являются современные вепсы. Ныне на территории области в Бабаевском и Вытегорском районах проживает около тысячи представителей этой народности.

В V-VII веках н. э. начинается освоение края славянским населением, что повлекло за собой ассимиляцию финно-угорских племен. Колонизация Русского Севера происходила как с запада (словенами), так и с юга (кривичскими племенами). Представители княжеской администрации шли по следам колонистов: собирали дань на вновь освоенных землях, устраивали погосты, начинали строительство городов. Так возникли Белоозеро, Великий Устюг, Вологда.

В эпоху раннего средневековья проходила христианская колонизация. Обнаруженные археологами кресты и образки, датируемые ХII-ХIII вв., свидетельствуют о принятии христианства местным населением. Основание монастырей на Европейском Севере означало дальнейшее распространение и утверждение православия. В XII—XV вв. в крае создается большая сеть православных обителей: Троице-Гледенский, Михайло-Архангельский в Великом Устюге; Корнилиево-Комельский, Арсениево-Комельский, Павло-Обнорский, Спасо-Прилуцкий - вокруг Вологды; Кириллов и Ферапонтов - в Белозерье; Дионисиев Глушицкий, Спасо-Каменный - в Кубеноозерье; Спасо-Суморин, Николо-Маркушевский - в Тотемских землях.

Первое упоминание о наиболее древнем городе Белоозере относится к 862 году. В 1238 году край выделился из Ростовского княжества в самостоятельное Белозерское княжество. В XIV столетии оно попадает под власть Москвы и становится уездом единого Русского государства.

Великий Устюг возник около середины XII века. Свое название он получил в связи с размещением близ устья реки Юг. Более раннее селище находилось на высоком холме, носившем название Гледен (позднее здесь основан Троице-Гледенский монастырь). Гледенское поселение в виде крепости продолжало существовать до 1438 года. Точная дата основания Устюга неизвестна, первое летописное упоминание относится к 1207 году.

Нахождение Устюга в составе Московского государства, выгодное экономическое и географическое положение способствовали расивету города. Неслучайно в XVI-XVII вв. в названии появляется приставка Великий.

Современный Устюг красив и величествен. На высоком берегу Сухоны расположились белокаменные храмы XVI—XVIII вв. , сверкают в небе позолоченные кресты и купола многочисленных церквей. Официальной датой основания Вологды считается 1147 год.

В середине XV века Вологда послужила убежищем московскому низложенному князю Василию II Темному. Поддержка торгово-ремесленной Вологды и крупных северных монастырей помогла Василию II вновь укрепиться на великокняжеском престоле.

Вологодские земли имели немаловажное значение в политике Ивана IV. Ряд северных городов был включен в состав опричнины. Значительное место в планах Ивана Грозного занимала Вологда, являвшаяся своеобразными “воротами” на пути к Белому морю, в Зауралье, Западную Сибирь, Европу.

С именем царя Ивана Грозного связано строительство в Вологде “каменного города” — государева детинца, начатое в 1565 г. Предполагалось, что Вологодский кремль станет новой резиденцией царя, стремящегося оставить смутную Москву и обезопасить себя от возможного заговора бояр.

На рубеже ХVII-ХVIII вв. на Русский Север особое внимание обратил Петр I. Решая практические вопросы государственного значения, царь-реформатор неоднократно останавливался в Вологде.

25 января 1789 года указом Екатерины II было образовано Вологодское наместничество, состоящее из трех провинций - Архангелогородской, Вологодской и Великоустюгской. В 1796 году Вологда становится губернским центром. Большая часть городов современной Вологодской области была образована в период екатерининской административной реформы: Вытегра в 1773 г., Кириллов в 1776 г., Череповец в 1777 г., Грязовец, Кадников и Никольск в 1780 г.

Природные особенности региона определили традиционную хозяйственную деятельность жителей края. Издревле население Европейского Севера занималось охотой, рыболовством, добычей соли из соляных источников, гонкой смолы, дегтя и воска. Значительные залежи железной руды в заболоченных лесах Устюженской земли определили значение Устюжны Железопольской, как одного из значительных перерабатывающих центров кузнечных промыслов и оружейного дела. Вплоть до начала XX века славились тотемские соляные промыслы. На солеваренных заводах Строгановых вываривали в значительных количествах соль, снабжая ею весь Европейский Север и даже Москву. Благоприятные почвенно-климатические условия Вологодской губернии способствовали выращиванию льна, культивировавшегося на Севере еще с XII века, высокого качества. Частично сырье, в основном из восточных уездов, поступало на знаменитую в губернии мануфактуру, основанную предприимчивым никольским купцом Яковым Грибановым в селе Красавино Устюгского уезда. В настоящем, Красавинский льнокомбинат стал одним из крупных предприятий текстильной промышленности на Вологодчине.

Леса покрывают более половины территории края, поэтому не случайно наиболее распространены были занятия, связанные с заготовкой и переработкой древесины.

Лес сплавлялся по основным рекам, продавался на лесных ярмарках, оттуда попадал потребителям: крупным лесоторговцам и лесопромышленникам Вологды, Архангельска, Петербурга, южных губерний России, а также за границу. Центры переработки древесины в Вологодской губернии были расположены на местах пересечения сплавных рек с железными дорогами. В конце XIX в. в поселке Сокол была построена бумажная фабрика, а у разъезда Печаткино - целлюлозный завод. Сейчас это основные производители целлюлозы и бумаги - Сокольский и Сухонскии целлюлозо-бумажные комбинаты. Продукцию лесоперерабатываюшей промышленности: фанеру, круглые пиломатериалы, сборные дома, древесно-стружечную и древесно-волокнистую плиту, канифоль, скипидар, краски, столярные изделия используют как местные, так и зарубежные потребители.

Никогда не бывавший в нашем крае человек слово Вологда связывает со словами “вологодское масло” и “вологодское кружево”. Разнотравье заливных лугов Присухонской и Молого-Шекснинской низменностей способствовало получению сливочного масла с неповторимым нежно-ореховым вкусом. Традиции маслоделия продолжают крупные предприятия пищевой промышленности Вологды, Грязовца, Череповца, Сокола.

Особая технология плетения, использование многообразного орнамента, творчески осмысленные традиции сформировали своеобразный стиль вологодского кружева. Сегодня центром уникального, приобретающего все большую известность в стране и за рубежом промысла стало вологодское производственное объединение “Снежинка”. Знамениты и другие изделия народных промыслов Вологодчины: великоустюжское чернение по серебру, шемогодская резьба по бересте, чернолощенная керамика. Современные работы мастеров Русского Севера - факт “второго” рождения бытовавшего здесь народного искусства.

В XVI-XVII вв. Вологда занимала особое место в установлении торговых отношений с заграницей. Являясь удобным перевалочным пунктом, она привлекала внимание голландских, английских торговцев. Неслучайно, первым русским послом в Англии 1533 г. был вологжанин - купец Осип Григорьевич Непея. Купечество Вологды, Тотьмы, Устюга вело активную торговлю с Голландией, Германией, Сибирью, Китаем. Благодаря своему удачному расположению на пересечении транспортных путей Вологодская губерния установила широкие коммерческие связи внутри страны. Вологодские купцы и промышленники отправляли в различные регионы лен, деготь, сливочное масло, рыбу, кожу, дичь, пушнину, зерно. На территории губернии проводились ежегодные сезонные ярмарки.

Во главе экспедиций, открывавших и исследовавших отдаленные территории Сибири и Дальнего Востока, Тихоокеанского побережья стояли наши земляки: устюжане С.Дежнев, Е.Хабаров, В.Атласов, тотьмич И.Кусков, основавший русскую крепость Росс в Калифорнии.

В 1918 г. на 5 месяцев Вологда стала “дипломатической столицей России”, местом где находились посольства и миссии 11 крупнейших государств мира.

Старинные архитектурные ансамбли городов вологодского края в сочетании с таинственностью и утонченностью северной природы формируют неповторимый облик севера России. Изысканная палитра фресок Дионисия в Ферапонтовом монастыре, изящность рисунка и цветовая насыщенность росписей Спасо-Суморина монастыря в Тотьме, шедевры древнерусской иконописи, ныне хранящиеся в музеях области, привлекают тысячи людей со всех уголков света, стремящихся прикоснуться к духовной сокровищнице земли Вологодской.

Александр Быков, кандидат исторических наук,    
директор Центра краеведческих исследований “Пава”

Первооткрыватели и землепроходцы

Развитие всероссийского рынка обусловило большой интерес к освоению природных богатств Сибири, Дальнего Востока, побережья Тихого океана.

Устюжанин Семен Иванович Дежнев в 1648 году со своими товарищами на небольших судах - "кочах" вышел в экспедицию с целью проплыть морским путем из Колымы на Анадырь, обошел водой Чукотский полуостров и первым в мире доказал наличие пролива между Азией и Америкой. Имя этого отважного исследователя носит крайняя северо-восточная точка Азии - мыс Дежнева.

Мореплаватель не сознавал величия своего подвига. А ведь его путешествие фактически закончилось открытием пролива, отделяющего Азию от Америки. Позднее на основании архивных документов было установлено, что Беринг лишь повторил то, что было сделано нашим земляком на восемьдесят лет раньше.

"И шли мы все в гору, сами пути себе не знаем, холодны и голодны, наги и босы... И попали на Анадырь-реку близко к морю и рыбы добыть не могли, лесу нет и с голоду мы, бедные, врозь разбрелись..."

С.И. Дежнев

Обследовав Чукотку и основав Анадырский острог, Семен Дежнев возвратился в Москву. Государь всея Руси высоко оценил заслуги мореплавателя, который был поверстан в атаманы и получил вознаграждение за все годы службы в войске.

Один из крупнейших городов российского Дальнего Востока Хабаровск назван в честь устюжанина Ерофея Павловича Хабарова, который в 1648 году на свои средства снарядил и возглавил экспедицию, с которой прошел кратчайшим путем из Якутска на Амур, проплыл по этой великой реке до моря и первым составил карту Амура, подробное описание края, его населения.

Устюжанину Владимиру Атласову принадлежит честь первооткрывателя Камчатки, он прошел ее в 1697-1699 годах, оставил описание этой отдаленной земли, открыв тем период интенсивного исследования берегов и островов Тихого океана.

Традиционные связи Устюга Великого с Сибирью не прекращались и в последующие столетия. Михаил Наводчиков, "серебряник из Устюга", в 1741 году плавал с Берингом, а впоследствии самостоятельно побывал на Алеутских островах. Василий Шипов, каменный особняк которого и сегодня стоит в Устюге на улице Шипова, в 1764 году впервые составил карту Алеутских островов, активно участвовал в их освоении.

Широко известно имя тотьмича Ивана Александровича Кускова. В 1789 году во главе партии промысловиков он отправился на поиски новых земель, переплыл Тихий океан и достиг берегов Америки. Более тридцати лет И. А. Кусков посвятил изучению и освоению тогда еще малоисследованной Аляски и Северной Калифорнии. Под его руководством вблизи cовременного города Сан-Франциско было основано русское поселение и построена довольно значительная по тому времени крепость Росс.

Происхождение Земли: Предложение новой модели под названием ABEL

Основные моменты

Земля, образованная двумя ступенями, названа моделью ABEL (появление биоэлементов).

Земля родилась как совершенно сухая планета на высоте 4,53 млрд лет без компонентов воды.

Бомбардировкой ABEL в течение 4,37–4,20 млрд лет назад на суше образовались водные компоненты.

Вторичное накопление окисляющих биоэлементов стало предшественником для инициирования метаболизма.

ABEL Бомбардировка инициировала тектонику плит после застойной тектоники крышки.

Abstract

Земля родилась как сухая планета без компонентов атмосферы и океана на высоте 4,56 млрд лет с последующей вторичной аккрецией биоэлементов, таких как углерод (C), водород (H), кислород (O), и азот (N), достигший пика в 4,37–4,20 млрд лет. Эту двухступенчатую модель образования Земли мы называем моделью появления биоэлементов (модель ABEL) и событием появления биоэлементов (водный компонент). ) как бомбардировка ABEL.Очевидно, что твердая Земля произошла из энстатитового хондритоподобного сухого материала на основании сходства изотопного состава кислорода и других изотопов. С другой стороны, вода на Земле происходит в основном из углеродистого хондрита, исходя из соотношения изотопов водорода. Мы представляем нашу модель ABEL, чтобы объяснить эту загадку между твердой Землей и водой, а также вторичную аккрецию окисляющих биоэлементов, которая стала предшественником, инициировавшим метаболизм и возникновение жизни на планете с высокой степенью восстановления. Если бы не было бомбардировки ABEL, жизнь никогда бы не появилась на Земле. Таким образом, бомбардировка ABEL - одно из самых важных событий для превращения этой планеты в пригодную для жизни планету. Хронология бомбардировки ABEL основана на предыдущих исследованиях поздней тяжелой бомбардировки и поздней модели облицовки. Бомбардировка ABEL, как полагают, произошла в период 4.37–4.20 млрд. Лет назад, что является концепцией пересмотра стандартной поздней тяжелой бомбардировки и поздних моделей облицовки. Кроме того, бомбардировка ABEL является спусковым механизмом перехода от тектоники застойных крышек к тектонике плит на этой планете из-за введения летучих веществ в исходную сухую Землю.

Ключевые слова

Происхождение Земли и жизни

Появление биоэлементов (ABEL)

Происхождение воды на Земле

Бомбардировка ABEL

Обитаемая планета Троица

Начало тектоники плит

Рекомендуемые статьи )

© 2016, Китайский геолого-геологический университет (Пекин) и Пекинский университет. Производство и хостинг Elsevier B.V.

Рекомендуемые статьи

Цитирование статей

Происхождение Вселенной, Земли и Жизни | Наука и креационизм: взгляд из Национальной академии наук, второе издание

молекул в единицах, которые могли быть первыми живыми системами.Недавнее предположение включает возможность того, что первые живые клетки могли возникнуть на Марсе, засевая Землю через множество метеоритов, которые, как известно, путешествуют с Марса на нашу планету.

Конечно, даже если бы живая клетка была создана в лаборатории, это не доказало бы, что природа пошла тем же путем миллиарды лет назад. Но задача науки - давать правдоподобные естественные объяснения природных явлений. Изучение происхождения жизни - очень активная область исследований, в которой наблюдается значительный прогресс, хотя ученые единодушны в том, что ни одна из текущих гипотез до сих пор не подтвердилась.История науки показывает, что, казалось бы, неразрешимые проблемы, подобные этой, могут быть решены позже в результате достижений теории, инструментов или открытия новых фактов.

Взгляды креационистов на происхождение Вселенной, Земли и жизни

Многие религиозные деятели, включая многих ученых, считают, что Бог создал вселенную и различные процессы, управляющие физической и биологической эволюцией, и что эти процессы затем привели к созданию галактик, нашей солнечной системы и жизни на Земле.Эта вера, которую иногда называют «теистической эволюцией», не противоречит научным объяснениям эволюции. Действительно, он отражает замечательный и вдохновляющий характер физической вселенной, выявленный космологией, палеонтологией, молекулярной биологией и многими другими научными дисциплинами.

Сторонники «науки о сотворении» придерживаются различных точек зрения. Некоторые утверждают, что Земля и Вселенная относительно молоды, возможно, всего от 6000 до 10 000 лет. Эти люди часто верят, что нынешняя физическая форма Земли может быть объяснена «катастрофизмом», включая всемирный потоп, и что все живые существа (включая людей) были созданы чудесным образом, по существу в тех формах, которые мы сейчас находим.

Другие сторонники креационной науки готовы признать, что Земля, планеты и звезды могли существовать миллионы лет. Но они утверждают, что различные типы организмов, и особенно люди, могли возникнуть только при сверхъестественном вмешательстве, потому что они демонстрируют «разумный замысел».

В этом буклете оба взгляда - «Молодая Земля» и «Старая Земля» называются «креационизмом» или «особым творением».

Нет достоверных научных данных или расчетов, подтверждающих уверенность в том, что Земля была создана всего несколько тысяч лет назад.В этом документе собрано огромное количество свидетельств того, что Вселенная, наша галактика, Солнечная система и Земля, а также Земля велика, из астрономии, астрофизики, ядерной физики, геологии, геохимии и геофизики. Независимые научные методы последовательно дают возраст Земли и Солнечной системы около 5 миллиардов лет, а возраст нашей Галактики и Вселенной в два-три раза больше. Эти выводы делают происхождение Вселенной в целом понятным, придают согласованность многим различным отраслям науки и формируют основные выводы замечательной совокупности знаний о происхождении и поведении физического мира.

Происхождение Земли - Науки о Земле в штате Мэн

Цели урока

  • Опишите, как образовалась Солнечная система более 4 миллиардов лет назад.
  • Объясните, как атмосфера Земли менялась с течением времени.
  • Объясните условия, которые позволили первым формам жизни развиться на Земле.

Словарь

  • атмосфера
  • ядерный синтез
  • водяной пар

Введение

Представьте себе гигантская камера в космосе.Эта камера записала снимки Земли за последние 4,5 миллиарда лет. Как вы думаете, как выглядела Земля разные времена? Как вы думаете, как это изменилось?

Формирование Солнечной системы

Наше Солнечная система зародилась около 5 миллиардов лет назад. Солнце, планеты и другие объекты Солнечной системы сформировались примерно в одно и то же время.

Солнечная туманность

Солнце и планеты образовались из гигантского облака газа и пыли. Это было солнечная туманность. Облако сжалось и начало вращаться.Как это сжался, его температура и давление увеличились. Облако закружилось быстрее и сформирован в диск. Ученые считают, что Солнечная система в то время были похожи на эти дискообразные объекты в туманности Ориона ( Рис. ниже). Сегодня в туманности Ориона формируются новые звезды.

Туманность Ориона - место рождения новых звезд.

Форма тел Солнечной системы

Температура и давление в центре облака были экстремальными. Было так жарко, что ядерный синтез началась реакция.В этих реакциях водород плавится, образуя гелий. Высвобождается огромное количество энергии. Наше Солнце стало звездой! Материал в диске, окружающем Солнце, столкнулись. Столкнулись мелкие частицы и стали камнями. Скалы столкнулись и превратились в валуны. В конце концов планеты сформированный из материала ( Рисунок ниже). Также образовались карликовые растения, кометы и астероиды ( Рис. ниже).

Солнце и внутренние планеты.

Пояс Койпера, кольцо из ледяных обломков в нашей солнечной системе сразу за Нептуном, содержит множество тел Солнечной системы.

Образование Земля и Луна

Материал на одинаковом расстоянии от Солнца столкнулся вместе, чтобы сформировать каждая из планет. Земля выросла из материала в своей части космоса. Происхождение Луны полностью отличалось от земного.

Земные формы

Земля сформировалась так же, как и другие планеты. Различные материалы в своем регионе пространства столкнулись. В конце концов из материала образовалась планета. Все столкновения заставили Землю нагреваться. Рок и металл растаяли. Расплавленный материал разделен на слои.Гравитация втягивала более плотный материал в центр. Более легкие элементы поднялись на поверхность ( Рисунок ниже). Поскольку материал разделен, ядро ​​Земли состоит в основном из железа. Земная кора состоит в основном из более легких материалов. Между коркой а ядро ​​- это мантия Земли, сделанная из твердой породы.

Слои Земли.

Формы Луны

Эта модель формирования Луны лучше всего соответствует всем данным о Луне, которые есть у ученых.

дюйм в ранней солнечной системе было много космического мусора. Астероиды летели вокруг, иногда ударяя по планетам. Астероид размером с Марс врезался в Землю. Огромное количество энергии от удара растаяло большая часть Земли. Астероид тоже растаял. Материал как с Земли, так и с астероид был выброшен на орбиту. Со временем этот материал разбился. вместе, чтобы сформировать нашу Луну. Лунная поверхность Луны составляет около 4,5 млрд. лет. Это означает, что столкновение произошло около 70 миллионов лет назад. после того, как Земля сформировалась.

Формирование атмосферы и океанов

Атмосфера - это газы, окружающие планету. На ранней Земле не было атмосферы. Условия были настолько жаркими, что газы не были стабильными.

Первая атмосфера Земли

Земля первая атмосфера отличалась от нынешней. Пришли газы из двух источников. Вулканы выбрасывали в воздух газы. Кометы внесены льды из космоса. Эти льды нагрелись и превратились в газы. Азот, углекислый газ, водород и водяной пар или вода в газовой форме находились в первой атмосфере ( Рис. ниже).Взгляните на список газов. Чего не хватает? В ранней атмосфере почти не было кислорода.

Газы с Земли

Ранние океаны

Земля атмосфера медленно остывала. Когда стало прохладнее, водяной пар мог конденсировать. Он вернулся в жидкую форму. Жидкая вода может упасть Поверхность Земли как дождь.

Вода собиралась за миллионы лет чтобы сформировать океаны. Вода начала циркулировать на Земле по мере испарения воды из океанов и снова вернулся в виде дождя.

Краткое содержание урока

  • Наша солнечная система возникла около 5 миллиардов лет назад, когда туманность сжалась, образуя наше Солнце и планеты.
  • Ранний Земля была враждебным миром. Планета непрерывно подвергалась бомбардировке. астероиды. Вулканы извергались непрерывно, извергая лаву и газы в воздух.
  • Раньше на планете было слишком жарко для жидкой воды или атмосферы. В конце концов образовались оба.

Вопросы для повторения урока

Напомнить

1.Что такое солнечная туманность? Почему это было важно в ранней солнечной системе?

2. Опишите, как образовалась Земля?

Apply Concepts

3. Почему ядерный синтез был важен в ранней Солнечной системе?

4. Почему ранняя атмосфера отличалась от сегодняшней?

Мыслите критически

5. Опишите, как разные слои Земли различаются по плотности.

6. Назовите три отличия Земли сегодня от того, когда она была сформирована.

7. Предположим, что Земля была намного холоднее, когда только образовалась. Как будет ли внутренняя часть Земли отличаться от сегодняшней?

Что следует учитывать

  • Как возникла жизнь на Земле?
  • Какими были ранние суши?
  • Что произошло, когда в атмосферу попало большое количество кислорода?

Соединения штата Мэн

Планы уроков

Веб-квесты

Видео

Игры

Дополнительные ресурсы

3.

1: Происхождение Земли и Солнечной системы

Согласно теории Большого взрыва , Вселенная внезапно возникла 13,77 миллиарда лет назад (рисунок \ (\ PageIndex {1} \)). Большой взрыв часто описывают как взрыв, но представить его как огромный огненный шар неточно. Большой взрыв включал внезапное расширение материи, энергии и пространства из одной точки. Вид голливудского взрыва, который может прийти в голову, связан с расширением материи и энергии в пространстве , но во время большого взрыва было создано само пространство .

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) Большой взрыв и развитие Вселенной (Стивен Эрл, «Физическая геология»).

В начале Большого взрыва Вселенная была слишком горячей и плотной, чтобы быть чем-либо, кроме шипения частиц, меньших, чем атомы, но по мере расширения она также охлаждалась. В конце концов некоторые частицы столкнулись и слиплись. В результате этих столкновений образовались водород и гелий, самые распространенные элементы во Вселенной, а также небольшое количество лития. Гравитация заставила облака этих ранних элементов слиться в звезды, и именно внутри этих звезд образовались более тяжелые элементы

Наша солнечная система начала формироваться около 5 миллиардов лет назад, примерно 8.7 миллиардов лет после Большого взрыва. Солнечная система состоит из набора объектов, вращающихся вокруг одной или нескольких центральных звезд. Все солнечные системы начинаются одинаково. Они начинаются в облаке газа и пыли, которое называется туманностью . Туманности - одни из самых красивых объектов, которые были сфотографированы в космосе, с яркими цветами от газов и пыли, которые они содержат, и ярким мерцанием от множества звезд, которые образовались внутри них (рис. \ (\ PageIndex {2} \)) . Газ состоит в основном из водорода и гелия, а пыль состоит из крошечных минеральных зерен, кристаллов льда и органических частиц.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \) Фотография туманности. Столпы Творения в туманности Орла в видимом свете (слева) и в ближнем инфракрасном свете (справа). Свет в ближнем инфракрасном диапазоне улавливает тепло от звезд и позволяет нам видеть звезды, которые в противном случае были бы скрыты пылью. Вот почему на картинке справа больше звезд, чем на картинке слева [НАСА, ЕКА и группа «Наследие Хаббла» (STScI / AURA) http://bit.ly/1Dm2X5a].

Солнечная система начинает формироваться, когда небольшое пятно внутри туманности (то есть маленькое по стандартам вселенной) начинает схлопываться.Неясно, как именно это начинается, хотя это может быть вызвано агрессивным поведением близлежащих звезд по мере их жизненного цикла. Энергия и вещество, выделяемые этими звездами, могут сжимать газ и пыль в ближайших окрестностях туманности. После его срабатывания коллапс газа и пыли в этом участке продолжается по двум причинам. Одна из этих причин заключается в том, что гравитационная сила сближает молекулы газа и частицы пыли. Но в начале процесса эти частицы очень маленькие, поэтому гравитационная сила между ними невелика.Итак, как они объединяются? Ответ заключается в том, что пыль сначала скапливается в рыхлых комках по той же причине, по которой под вашей кроватью образуются пылевые кролики: статическое электричество. Когда небольшое пятно внутри туманности конденсируется, из материала, втянутого в центр пятна, начинает формироваться звезда, а оставшаяся пыль и газ оседают в диск, который вращается вокруг звезды. На диске в конечном итоге формируются планеты, поэтому он называется протопланетным диском . На рисунке \ (\ PageIndex {3} \) изображение в верхнем левом углу показывает впечатление художника от протопланетного диска, а изображение в правом верхнем углу показывает настоящий протопланетный диск, окружающий звезду HL Tauri.Обратите внимание на темные кольца в протопланетном диске. Это промежутки, в которых начинают формироваться планеты. Кольца существуют, потому что зарождающиеся планеты начинают собирать пыль и газ на своих орбитах. Для этого есть аналогия в нашей солнечной системе, потому что темные кольца похожи на промежутки в кольцах Сатурна (Рисунок \ (\ PageIndex {3} \), внизу слева), где можно найти луны (Рисунок \ (\ PageIndex {3} \), внизу справа).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \) Протопланетные диски и кольца Сатурна. Слева вверху: Художественный снимок протопланетного диска, содержащего газ и пыль, окружающего новую звезду. [NASA / JPL-Caltech, http://1.usa.gov/1E5tFJR] Вверху справа: фотография протопланетного диска, окружающего HL Tauri. Считается, что темные кольца внутри диска - это промежутки, через которые формирующиеся планеты собирают пыль и газ. [ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) http://bit.ly/1KNCq0e]. Слева внизу: фотография Сатурна, на которой видны аналогичные промежутки внутри его колец. Яркое пятно внизу - это полярное сияние, похожее на северное сияние на Земле.[НАСА, ЕКА, Дж. Кларк (Бостонский университет) и З. Левай (STScI) http://bit.ly/1IfSCX5] Внизу справа: крупный план разрыва в кольцах Сатурна, показывающий маленькую луну в виде белая точка. [НАСА / Лаборатория реактивного движения / Институт космических наук, http://1.usa.gov/1g2EeYw]. В общем, планеты можно разделить на три категории в зависимости от того, из чего они сделаны (Рисунок \ (\ PageIndex {4} \)). Планеты земной группы - это планеты, такие как Земля, Меркурий, Венера и Марс, у которых есть металлическое ядро, окруженное камнями. Юпитерианские планеты (также называемые газовыми гигантами ) - это такие планеты, как Юпитер и Сатурн, которые состоят преимущественно из водорода и гелия. Ледяные гиганты - это планеты, такие как Уран и Нептун, которые состоят в основном из водяного льда, льда из метана (CH 4 ) и льда из аммиака (NH 3 ) и имеют скалистые ядра. Часто планеты ледяных гигантов Уран и Нептун группируются с Юпитером и Сатурном как газовые гиганты; однако Уран и Нептун сильно отличаются от Юпитера и Сатурна.Рисунок \ (\ PageIndex {4} \) Три типа планет. Юпитерианские планеты (или газовые гиганты), такие как Юпитер, состоят в основном из водорода и гелия. Они самые большие из трех типов. Следующие по величине планеты - ледяные гиганты, такие как Уран. Они содержат воду, аммиак и метановый лед. Планеты земной группы, такие как Земля, самые маленькие, и у них есть металлические ядра, покрытые каменистой мантией. [KP, после изображений из общественного достояния, сделанных Francesco A, Wolfman SF (http://bit.ly/1eP75P4) и NASA (http://1.usa.gov/1gFVsf6, http: // 1.usa.gov/1M89jI3)].

Эти три типа планет не случайно смешаны вместе в нашей солнечной системе. Вместо этого они происходят систематически, с ближайшими к Солнцу планетами земной группы, за которыми следуют планеты-гиганты, а затем ледяные гиганты. Частично причиной такого расположения является линия замораживания (также называемая линией снега ). Линия инея отделяла внутреннюю часть протопланетного диска ближе к Солнцу, где было слишком жарко, чтобы позволить кристаллизоваться чему-либо, кроме силикатных минералов и металла, от внешней части диска, более удаленной от Солнца, где было достаточно прохладно для позвольте льду образоваться.В результате объекты, которые образовались во внутренней части протопланетного диска, состоят в основном из горных пород и металла, в то время как объекты, сформированные во внешней части, состоят в основном из газа и льда. Молодое Солнце также поразило солнечную систему бушующими солнечными ветрами (ветры, состоящие из энергичных частиц), которые помогли направить более легкие молекулы к внешней части протопланетного диска.

Объекты нашей Солнечной системы, образованные аккрецией . В начале этого процесса частицы минералов и горных пород собираются в пушистые комки из-за статического электричества.По мере того, как масса сгустков увеличивалась, сила тяжести становилась все более важной, притягивая материал издалека и превращая эти твердые массы в все большие и большие тела. В конце концов масса объектов стала достаточно большой, чтобы их сила тяжести была достаточно сильной, чтобы удерживать молекулы газа, потому что молекулы газа очень легкие.

Наша Земля образовалась в результате этого процесса аккреции около 4,6 миллиарда лет назад. Ранняя Земля была очень горячей и имела расплавленный жидкий состав с утратой геологической и вулканической активности на поверхности. Тепло Земли возникло в результате множества процессов:

  • Тепло возникло в результате распада радиоактивных элементов на Земле, в частности, 235U, 238U, 40K и 232Th, которые в основном присутствуют в мантии. Общее количество тепла, производимого таким образом, со временем уменьшается (потому что эти изотопы расходуются) и сейчас составляет примерно 25% от того, что было при формировании Земли. Это означает, что внутри Земли постепенно становится холоднее.
  • Тепло исходило от тепловой энергии, уже содержащейся в объектах, которые образовали Землю.
  • Тепло от столкновений. Когда объекты ударяются о Землю, часть энергии от их движения шла на деформацию Земли, а часть превращалась в тепло. (Самое худшее столкновение, которое испытала Земля, было с планетой по имени Тейя, которая была примерно размером с Марс. Вскоре после образования Земли Тейя ударилась о Землю. Когда Тейя врезалась в Землю, металлическое ядро ​​Тейи слилось с ядром Земли, и обломки от внешние силикатные слои были брошены в космос, образуя вокруг Земли кольцо из щебня. Материал внутри кольца слился в новое тело на орбите вокруг Земли, дав нам нашу Луну. Примечательно, что обломки могли образоваться за 10 лет или меньше! Этот сценарий образования Луны называется гипотезой гигантского удара ().
  • По мере того, как Земля становилась больше, ее гравитационная сила становилась все сильнее. Это увеличило способность Земли притягивать к себе объекты, но также привело к сжатию материала, из которого была изготовлена ​​Земля, подобно тому, как Земля обхватила себя гигантским гравитационным объятием.Сжатие вызывает нагрев материалов.

Нагревание имело очень важные последствия для строения Земли. По мере роста Земля собирала смесь зерен силикатных минералов, а также железа и никеля. Эти материалы были разбросаны по всей Земле. Ситуация изменилась, когда Земля начала нагреваться: она стала настолько горячей, что плавились и силикатные минералы, и металлы. Металлический расплав был намного плотнее, чем силикатный минеральный расплав, поэтому металлический расплав опустился к центру Земли, чтобы стать ее ядром, а силикатный расплав поднялся вверх, чтобы стать земной корой и мантией. Другими словами, Земля не перемешалась. Разделение силикатных минералов и металлов на скалистый внешний слой и металлическое ядро, соответственно, называется дифференциацией . С тех пор гравитация придала Земле почти сферическую форму с радиусом 6371 км и окружностью около 40 000 км. Однако это не идеальная сфера, поскольку вращение Земли вызывает экваториальную выпуклость, так что окружность Земли на 21 км (0,3%) шире на экваторе, чем от полюса к полюсу. Таким образом, технически это «сплюснутый сфероид».”

Если бы мы провели инвентаризацию элементов, из которых состоит Земля, мы бы обнаружили, что 95% массы Земли составляют всего четыре элемента: кислород, магний, кремний и железо. Большая часть оставшихся 5% приходится на алюминий, кальций, никель, водород и серу. Мы знаем, что в результате Большого взрыва образовались водород, гелий и литий, но откуда взялись остальные элементы? Ответ в том, что остальные элементы созданы звездами. Тепло и давление внутри звезд заставляют более мелкие атомы сталкиваться и сливаться в новые, более крупные атомы. Например, когда атомы водорода сталкиваются и сливаются, образуется гелий. Когда некоторые атомы сливаются, выделяется большое количество энергии, и именно эта энергия заставляет звезды сиять.

Чтобы сделать элементы такими тяжелыми, как железо и никель, нужны звезды большего размера. Наше Солнце - средняя звезда; После того, как он израсходует водородное топливо для производства гелия, а затем часть этого гелия переплавится для получения небольших количеств бериллия, углерода, азота, кислорода и фтора, срок его службы истечет.Он перестанет образовывать атомы, остынет и раздувается, пока его середина не достигнет орбиты Марса. Напротив, большие звезды эффектно заканчивают свою жизнь, взрываясь как сверхновые и выбрасывая вновь образованные атомы, в том числе элементы тяжелее железа, в космос. Потребовалось много поколений звезд, чтобы создать более тяжелые элементы и выбросить их в космос, прежде чем более тяжелых элементов стало достаточно, чтобы сформировать планеты, подобные Земле.


* «Физическая геология» Стивена Эрла используется согласно CC-BY 4.0 международная лицензия. Загрузите эту книгу бесплатно по адресу http://open.bccampus.ca

.

Evolution of Earth - Scientific American

Подобно лазуриту, на который он похож, голубая, окутанная облаками планета, которую мы сразу узнаем по спутниковым снимкам, кажется удивительно стабильной. Континенты и океаны, окруженные богатой кислородом атмосферой, поддерживают знакомые формы жизни. Однако это постоянство - иллюзия, порожденная человеческим опытом времени.Земля и ее атмосфера постоянно меняются. Тектоника плит сдвигает континенты, поднимает горы и сдвигает дно океана, в то время как процессы, до конца не изученные, изменяют климат.

Такое постоянное изменение характерно для Земли с момента ее зарождения около 4,5 миллиардов лет назад. С самого начала эволюция планеты определялась жарой и гравитацией. К этим силам постепенно присоединились глобальные эффекты возникновения жизни. Изучение этого прошлого предлагает нам единственную возможность понять происхождение жизни и, возможно, ее будущее.

Ученые раньше полагали, что каменистые планеты, включая Землю, Меркурий, Венеру и Марс, были созданы в результате быстрого гравитационного коллапса пылевого облака, деформации, дающей начало плотной сфере. В 1960-х годах космическая программа «Аполлон» изменила эту точку зрения. Исследования лунных кратеров показали, что эти выбоины были вызваны ударами объектов, которых было много около 4,5 миллиарда лет назад. После этого количество ударов, похоже, быстро уменьшилось. Это наблюдение обновило теорию аккреции, предложенную Отто Шмидтом.В 1944 году русский геофизик предположил, что размер планет увеличивается постепенно, шаг за шагом.

Согласно Шмидту, космическая пыль слиплась, образуя частицы, частицы превратились в гравий, гравий в маленькие шары, затем в большие шары, затем в крошечные планеты или планетезимали, и, наконец, пыль стала размером с Луну. По мере того, как планетезимали становились больше, их количество уменьшалось. Следовательно, количество столкновений между планетезималиями или метеоритами уменьшилось. Меньшее количество предметов, доступных для аккреции, означало, что создание большой планеты заняло много времени.Расчет, сделанный Джорджем Уэзериллом из Института Карнеги в Вашингтоне, предполагает, что между образованием объекта диаметром 10 километров и объекта размером с Землю может пройти около 100 миллионов лет.

Процесс аккреции имел значительные тепловые последствия для Земли, последствия, которые сильно повлияли на ее эволюцию. Большие тела, врезавшиеся в планету, вызвали в ее недрах огромное количество тепла, расплавив обнаруженную там космическую пыль. Образовавшаяся печь, расположенная на глубине от 200 до 400 километров под землей и называемая океаном магмы, действовала миллионы лет, вызывая извержения вулканов.Когда Земля была молодой, тепло на поверхности, вызванное вулканизмом и потоками лавы изнутри, усиливалось постоянной бомбардировкой огромных объектов, некоторые из которых, возможно, были размером с Луну или даже Марс. В этот период жизнь была невозможна.

Помимо разъяснения того, что Земля образовалась путем аккреции, программа «Аполлон» вынудила ученых попытаться реконструировать последующее временное и физическое развитие ранней Земли. Основоположники геологии, в том числе Чарльз Лайель, считали это предприятие невозможным, которому приписывают следующую фразу: «Никаких следов начала, никаких перспектив на конец».Это заявление передает идею о том, что молодая Земля не может быть воссоздана, потому что ее остатки были уничтожены самой ее деятельностью. Но развитие изотопной геологии в 1960-х сделало эту точку зрения устаревшей. В своем воображении, покрасневшем от Аполлона и открытий луны, геохимики начали применять эту технику, чтобы понять эволюцию Земли.

Датирование горных пород с помощью так называемых радиоактивных часов позволяет геологам работать со старыми местностями, не содержащими окаменелостей. Стрелки радиоактивных часов состоят из изотопов - атомов одного и того же элемента, имеющих разный атомный вес, - а геологическое время измеряется скоростью распада одного изотопа на другой [см. «Древнейшую историю Земли», Дерек Йорк; Scientific American , январь 1993 г.].Среди множества часов особенными являются часы, основанные на распаде урана 238 на свинец 206 и урана 235 на свинец 207. Геохронологи могут определить возраст образцов, анализируя только дочерний продукт - в данном случае свинец - радиоактивного материнского урана.

Накопление на цирконы
ИЗОТОПНАЯ ГЕОЛОГИЯ позволила геологам определить, что аккреция Земли завершилась дифференциацией планеты: созданием ядра - источника магнитного поля Земли - и началом атмосферы.В 1953 году классическая работа Клэр С. Паттерсон из Калифорнийского технологического института с использованием ураново-свинцовых часов позволила установить возраст Земли и многих метеоритов, из которых она образовалась, в 4,55 миллиарда лет. Однако в начале 1990-х годов работа одного из нас (Аллегра) по изотопам свинца привела к несколько новой интерпретации.

Как утверждал Паттерсон, некоторые метеориты действительно образовались около 4,56 миллиарда лет назад, и их обломки составили Землю. Но Земля продолжала расти за счет бомбардировки планетезималей примерно до 120–150 миллионов лет спустя.В то время - от 4,44 до 4,41 млрд лет назад - Земля начала сохранять свою атмосферу и создавать свое ядро. Эта возможность уже была предложена Брюсом Р. Доу и Робертом Э. Зартманом из Геологической службы США в Денвере два десятилетия назад и согласуется с оценками Уэзерилла.

Возникновение континентов произошло несколько позже. Согласно теории тектоники плит, эти массивы суши являются единственной частью земной коры, которая не перерабатывается и, следовательно, разрушается во время геотермического цикла, вызванного конвекцией в мантии.Таким образом, континенты обеспечивают форму памяти, потому что записи о ранней жизни можно прочитать в их скалах. Однако геологическая деятельность, включая тектонику плит, эрозию и метаморфизм, разрушила почти все древние породы. Эта геологическая машина сохранила очень мало фрагментов.

Тем не менее, в последние десятилетия было сделано несколько важных открытий, опять же с использованием изотопной геохимии. Одна группа, возглавляемая Стивеном Мурбатом из Оксфордского университета, обнаружила местность в Западной Гренландии, находящуюся между тремя.7 миллиардов и 3,8 миллиарда лет. Кроме того, Сэмюэл А. Боуринг из Массачусетского технологического института исследовал небольшую область в Северной Америке - гнейсы Акаста, возраст которых, как считается, составляет 3,96 миллиарда лет.

В конечном итоге поиски минерала циркона привели других исследователей к еще более древней местности. Циркон, который обычно встречается в континентальных породах, не растворяется в процессе эрозии, а откладывается в виде частиц в осадках. Таким образом, несколько кусочков циркона могут сохраняться в течение миллиардов лет и могут служить свидетельством более древней коры Земли.Поиск старых цирконов начался в Париже с работ Анни Витрак и Жол Р. Ланселот, позже в Марсельском университете, а теперь в Университете Нмес соответственно, а также усилиями Мурбата и Аллгре. Это была группа из Австралийского национального университета в Канберре под руководством Уильяма Компстона, которая в конечном итоге добилась успеха. Команда обнаружила цирконы в западной Австралии, возраст которых составляет от 4,1 до 4,3 миллиарда лет.

Цирконы сыграли решающую роль не только в понимании возраста континентов, но и в определении того, когда впервые появилась жизнь.Самые ранние окаменелости бесспорного возраста были найдены в Австралии и Южной Африке. Этим остаткам сине-зеленых водорослей около 3,5 миллиардов лет. Манфред Шидловски из Института химии Макса Планка в Майнце изучал образование Исуа в Западной Гренландии и утверждал, что органическое вещество существовало уже 3,8 миллиарда лет. Поскольку большая часть записей о ранней жизни была уничтожена геологической деятельностью, мы не можем точно сказать, когда она впервые появилась - возможно, она возникла очень быстро, а может быть, даже 4.2 миллиарда лет назад.

Рассказы из газов
ОДИН ИЗ САМЫХ ВАЖНЕЙШИХ аспектов эволюции планеты - это формирование атмосферы, потому что именно эта совокупность газов позволила жизни выползать из океанов и существовать. С 1950-х годов исследователи выдвинули гипотезу о том, что земная атмосфера была создана газами, выходящими из недр планеты. Когда вулкан извергает газы, это является примером, как его еще называют, непрерывной дегазации Земли.Но ученые задаются вопросом, произошел ли этот процесс внезапно - около 4,4 миллиарда лет назад, когда ядро ​​дифференцировалось, - или же он происходил постепенно с течением времени.

Чтобы ответить на этот вопрос, Аллегр и его коллеги изучили изотопы инертных газов. Эти газы, в том числе гелий, аргон и ксенон, обладают тем свойством, что они химически инертны, то есть в природе они не вступают в реакцию с другими элементами. Два из них особенно важны для атмосферных исследований: аргон и ксенон.Аргон имеет три изотопа, из которых аргон 40 образуется при распаде калия 40. Ксенон состоит из девяти, из которых ксенон 129 имеет два разных происхождения. Ксенон 129 возник в результате нуклеосинтеза до образования Земли и Солнечной системы. Он также был создан в результате распада радиоактивного йода 129, которого больше нет на Земле. Эта форма йода присутствовала очень рано, но с тех пор вымерла, и ксенон 129 вырос за ее счет.

Как и большинство пар, и аргон-40, и калий-40, и ксенон-129, и йод-129 могут рассказать свои истории.Это отличные хронометры. Хотя атмосфера образовалась в результате дегазации мантии, она не содержит ни калия 40, ни йода 129. Весь аргон 40 и ксенон 129, образовавшиеся на Земле и выброшенные в атмосферу, сегодня находятся в атмосфере. Ксенон был вытеснен из мантии и оставлен в атмосфере; следовательно, отношение атмосферы к мантии этого элемента позволяет оценить возраст дифференциации. Аргон и ксенон, захваченные мантией, образовались в результате радиоактивного распада калия 40 и йода 129.Таким образом, если бы полное обезгаживание мантии произошло в начале формирования Земли, атмосфера не содержала бы никакого аргона 40, но содержала бы ксенон 129.

Основная задача, стоящая перед исследователем, который хочет измерить такие коэффициенты распада, состоит в том, чтобы получить высокие концентрации инертных газов в породах мантии, поскольку они чрезвычайно ограничены. К счастью, в срединно-океанических хребтах происходит природное явление, во время которого вулканическая лава переносит некоторое количество силикатов из мантии на поверхность.Небольшие количества газов, захваченных мантийными минералами, поднимаются с расплавом к поверхности и концентрируются в небольших пузырьках на внешней стеклянной окраине лавовых потоков. Этот процесс служит для концентрации мантийных газов в 10 раз 4 или 10 5 . Сбор этих пород путем углубления дна моря и последующего измельчения их в вакууме в чувствительном масс-спектрометре позволяет геохимикам определять соотношение изотопов в мантии. Результаты довольно удивительны.Расчеты соотношений показывают, что от 80 до 85 процентов атмосферы было дегазировано в течение первых одного миллиона лет Земли; остальное выпускалось медленно, но постоянно в течение следующих 4,4 миллиарда лет.

В составе этой примитивной атмосферы определенно преобладала двуокись углерода, а азот был вторым по распространенности газом. Также присутствовали следовые количества метана, аммиака, диоксида серы и соляной кислоты, но не было кислорода. За исключением наличия большого количества воды, атмосфера была похожа на Венеру или Марс.Детали эволюции первоначальной атмосферы обсуждаются, особенно потому, что мы не знаем, насколько сильным было Солнце в то время. Однако некоторые факты не оспариваются. Очевидно, что диоксид углерода сыграл решающую роль. Кроме того, многие ученые считают, что развивающаяся атмосфера содержала достаточное количество газов, таких как аммиак и метан, для образования органических веществ.

Тем не менее, проблема солнца остается нерешенной. Согласно одной из гипотез, в течение архейского эона, продолжавшегося примерно с 4 до н. Э.5–2,5 миллиарда лет назад солнечная энергия составляла всего 75 процентов от сегодняшней. Эта возможность порождает дилемму: как могла жизнь выжить в относительно холодном климате, который должен сопровождать более слабое солнце? Решение парадокса слабого раннего солнца, как его называют, было предложено Карлом Саганом и Джорджем Малленом из Корнельского университета в 1970 году. Эти два ученых предположили, что метан и аммиак, которые очень эффективны для улавливания инфракрасного излучения, были в большом количестве. Эти газы могли создать суперпарниковый эффект.Идея подверглась критике на том основании, что такие газы обладают высокой реакционной способностью и имеют короткое время жизни в атмосфере.

Какая контролируемая компания?
В КОНЦЕ 1970-х Вирабхадран Раманатан, ныне работающий в Институте океанографии Скриппса, и Роберт Д. Сесс и Тобиас Оуэн из Университета Стоуни-Брук предложили другое решение. Они постулировали, что в ранней атмосфере не было необходимости в метане, потому что углекислого газа было достаточно, чтобы вызвать суперпарниковый эффект.Этот аргумент снова поднял другой вопрос: сколько углекислого газа было в ранней атмосфере? Земной углекислый газ сейчас погребен в карбонатных породах, таких как известняк, хотя неясно, когда он оказался там в ловушке. Сегодня карбонат кальция создается в основном в процессе биологической активности; в архейском эоне углерод, возможно, удалялся в основном во время неорганических реакций.

Быстрое выделение газа на планете высвободило из мантии огромные количества воды, создав океаны и гидрологический цикл.Кислоты, которые, вероятно, присутствовали в атмосфере, вымывали породы, образуя богатые карбонатом породы. Однако относительная важность такого механизма обсуждается. Генрих Д. Холланд из Гарвардского университета считает, что количество углекислого газа в атмосфере быстро уменьшалось во время архея и оставалось на низком уровне.

Понимание содержания углекислого газа в ранней атмосфере имеет решающее значение для понимания климатического контроля. Два лагеря борющихся выдвинули идеи о том, как работает этот процесс.Первая группа считает, что глобальные температуры и углекислый газ контролировались неорганическими геохимическими обратными связями; второй утверждает, что они контролировались биологическим удалением.

Джеймс К.Г. Уокер, Джеймс Ф. Кастинг и Пол Б. Хейс, работавшие тогда в Мичиганском университете в Анн-Арборе, предложили неорганическую модель в 1981 году. Они постулировали, что уровни газа были высокими в начале архея, а не стремительно падают. Трио предположило, что по мере потепления климата испаряется больше воды, а гидрологический цикл становится более интенсивным, увеличивая количество осадков и сток.Углекислый газ в атмосфере, смешанный с дождевой водой, создает сток углекислоты, подвергая минералы на поверхности выветриванию. Силикатные минералы в сочетании с углеродом, который был в атмосфере, улавливают его в осадочных породах. Меньшее количество углекислого газа в атмосфере, в свою очередь, означает меньший парниковый эффект. Процесс неорганической отрицательной обратной связи компенсирует рост солнечной энергии.

Это решение контрастирует со второй парадигмой: биологическое удаление. Одна теория, выдвинутая Джеймсом Э.Лавлок, создатель гипотезы Гайи, предположил, что фотосинтезирующие микроорганизмы, такие как фитопланктон, будут очень продуктивными в среде с высоким содержанием углекислого газа. Эти существа медленно удаляли углекислый газ из воздуха и океанов, превращая его в отложения карбоната кальция. Критики возразили, что фитопланктон даже не эволюционировал большую часть времени, пока на Земле была жизнь. (Гипотеза Гайи утверждает, что жизнь на Земле обладает способностью регулировать температуру и состав земной поверхности, а также поддерживать ее комфорт для живых организмов.)

В начале 1990-х Тайлер Волк из Нью-Йоркского университета и Дэвид Шварцман из Университета Говарда предложили другое решение Gaian. Они отметили, что бактерии увеличивают содержание углекислого газа в почвах, разрушая органические вещества и производя гуминовые кислоты. Оба действия ускоряют выветривание, удаляя углекислый газ из атмосферы. Однако по этому поводу разногласия обостряются. Некоторые геохимики, в том числе Кастинг из Университета штата Пенсильвания и Голландия, утверждают, что, хотя жизнь может объяснить некоторое удаление углекислого газа после архея, неорганические геохимические процессы могут объяснить большую часть этого связывания.Эти исследователи рассматривают жизнь как довольно слабый механизм стабилизации климата на протяжении большей части геологического времени.

Кислород из водорослей
ПРОБЛЕМА УГЛЕРОДА по-прежнему имеет решающее значение для того, как жизнь повлияла на атмосферу. Захоронение углерода является ключом к жизненно важному процессу повышения концентрации кислорода в атмосфере, что является предпосылкой для развития определенных форм жизни. Кроме того, сейчас происходит глобальное потепление в результате того, что люди выделяют этот углерод. В течение одного или двух миллиардов лет водоросли в океанах производили кислород.Но поскольку этот газ обладает высокой реакционной способностью и поскольку в древних океанах было много восстановленных минералов - например, железо легко окисляется, - большая часть кислорода, производимого живыми существами, просто расходуется, прежде чем он достигнет атмосферы, где он бы столкнулся с газами, которые вступили бы с ним в реакцию.

Даже если бы в течение этой анаэробной эры эволюционные процессы привели к появлению более сложных форм жизни, у них не было бы кислорода. Более того, нефильтрованный ультрафиолетовый солнечный свет, скорее всего, убил бы их, если бы они покинули океан.Такие исследователи, как Уокер и Престон Клауд, работавшие тогда в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, предположили, что всего около двух миллиардов лет назад, после того, как большая часть восстановленных минералов в море была окислена, атмосферный кислород накапливался. От одного до двух миллиардов лет назад кислород достиг нынешнего уровня, создав нишу для развития жизни.

Изучая стабильность некоторых минералов, таких как оксид железа или оксид урана, Голландия показала, что содержание кислорода в архейской атмосфере было низким еще два миллиарда лет назад.Многие согласны с тем, что нынешнее 20-процентное содержание кислорода является результатом фотосинтетической активности. Тем не менее, вопрос в том, увеличивалось ли содержание кислорода в атмосфере постепенно или внезапно. Недавние исследования показывают, что увеличение количества кислорода началось внезапно между 2,1 миллиардами и 2,03 миллиардами лет назад и что нынешняя ситуация была достигнута 1,5 миллиарда лет назад.

Присутствие кислорода в атмосфере имело еще одно важное преимущество для организма, пытающегося жить на поверхности или над ней: он отфильтровывал ультрафиолетовое излучение.Ультрафиолетовое излучение разрушает многие молекулы - от ДНК и кислорода до хлороуглеродов, которые участвуют в истощении стратосферного озона. Такая энергия расщепляет кислород на очень нестабильную атомарную форму O, которая может снова объединиться в O 2 и в совершенно особую молекулу O 3 или озон. Озон, в свою очередь, поглощает ультрафиолетовое излучение. Только когда в атмосфере появилось достаточно кислорода, чтобы образовался озон, у жизни даже появился шанс закрепиться на суше.Неслучайно быстрая эволюция жизни от прокариот (одноклеточных организмов без ядра) к эукариотам (одноклеточные организмы с ядром) и метазоа (многоклеточные организмы) произошла в миллиардную эпоху кислород и озон.

Хотя в этот период атмосфера в атмосфере достигала довольно стабильного уровня кислорода, климат не был однородным. При переходе к современному геологическому времени были длительные стадии относительного тепла или прохлады.Состав окаменелых раковин планктона, обитавших у дна океана, является мерой температуры придонной воды. Данные свидетельствуют о том, что за последние 100 миллионов лет придонные воды остыли почти на 15 градусов по Цельсию. Уровень моря упал на сотни метров, и континенты разошлись. Внутренние моря в основном исчезли, а климат охладился в среднем на 10-15 градусов по Цельсию. Примерно 20 миллионов лет назад, похоже, на Антарктиде образовался постоянный лед.

Примерно два-три миллиона лет назад палеоклиматические данные начали показывать значительные расширения и сокращения теплых и холодных периодов с циклами в 40 000 лет или около того.Эта периодичность интересна, потому что она соответствует времени, за которое Земля совершает колебание наклона своей оси вращения. Долгое время предполагалось и недавно было подсчитано, что известные изменения в геометрии орбиты могут изменить количество солнечного света, поступающего между зимой и летом, примерно на 10 процентов или около того и могут быть ответственны за начало или окончание ледникового периода.

Теплая рука человека
НАИБОЛЕЕ ИНТЕРЕСНЫМ и озадачивающим является открытие, что между 600 000 и 800 000 лет назад доминирующий цикл переключился с 40 000-летних периодов на 100 000-летние интервалы с очень большими колебаниями.Последняя крупная фаза оледенения закончилась около 10 000 лет назад. На своем пике 20 000 лет назад ледяные щиты толщиной около двух километров покрывали большую часть Северной Европы и Северной Америки. Ледники расширились на высокие плато и горы по всему миру. На суше скопилось достаточно льда, чтобы уровень моря упал более чем на 100 метров ниже нынешнего. Массивные ледяные щиты очистили землю и изменили экологический облик Земли, которая в среднем была на пять градусов холоднее, чем сейчас.

Точные причины увеличения интервалов между теплым и холодным периодами еще не выяснены. Извержения вулканов могли сыграть значительную роль, о чем свидетельствует эффект Эль-Чичон в Мексике и горы Пинатубо на Филиппинах. Тектонические события, такие как развитие Гималаев, могли повлиять на мировой климат. Даже воздействие комет может повлиять на краткосрочные климатические тенденции с катастрофическими последствиями для жизни [см. «Что вызвало массовое вымирание? Внеземное воздействие» Уолтера Альвареса и Фрэнка Асаро; и «Что вызвало массовое вымирание? Извержение вулкана» Винсента Э.Куртильо; Scientific American , октябрь 1990 г.]. Примечательно, что, несмотря на сильные эпизодические возмущения, климат был достаточно буферным, чтобы поддерживать жизнь в течение 3,5 миллиардов лет.

Одно из самых важных открытий в области климата за последние 30 лет было сделано в ледяных кернах Гренландии и Антарктиды. Когда на эти замерзшие континенты падает снег, воздух между снежинками собирается в виде пузырьков. Снег постепенно сжимается в лед вместе с захваченными газами.Некоторые из этих записей могут иметь возраст более 500 000 лет; ученые могут анализировать химический состав льда и пузырьков на участках льда, лежащих на глубине до 3600 метров (2,2 мили) от поверхности.

Ледяные бурильщики определили, что воздух, которым дышали древние египтяне и индейцы анасази, был очень похож на тот, который мы вдыхаем сегодня, за исключением множества загрязнителей воздуха, внесенных за последние 100 или 200 лет. Основными из этих добавленных газов или загрязнителей являются дополнительный диоксид углерода и метан.Примерно с 1860 года, когда началась промышленная революция, уровни углекислого газа в атмосфере увеличились более чем на 30 процентов в результате индустриализации и обезлесения; Уровни метана увеличились более чем вдвое из-за сельского хозяйства, землепользования и производства энергии. Способность повышенного количества этих газов улавливать тепло - вот что вызывает опасения по поводу изменения климата в 21 веке [см. «Изменяющийся климат» Стивена Х. Шнайдера; Scientific American , сентябрь 1989 г.].

Ледяные керны показали, что устойчивые естественные темпы изменения температуры во всем мире обычно составляют около одного градуса Цельсия за тысячелетие. Эти сдвиги все еще достаточно значительны, чтобы радикально изменить место обитания видов и потенциально способствовать исчезновению такой харизматической мегафауны, как мамонты и саблезубые тигры. Но самая необычная история с ледяными кернами - это не относительная стабильность климата за последние 10 000 лет. Похоже, что в разгар последнего ледникового периода 20 000 лет назад в воздухе было на 50 процентов меньше углекислого газа и вдвое меньше метана, чем в нашу эпоху, голоцен.Это открытие предполагает положительную обратную связь между углекислым газом, метаном и изменением климата.

Рассуждения, подтверждающие идею этой дестабилизирующей системы обратной связи, заключаются в следующем. Когда мир был холоднее, концентрация парниковых газов была меньше, и поэтому удерживалось меньше тепла. По мере того, как Земля нагревается, уровни углекислого газа и метана увеличиваются, ускоряя потепление. Если бы жизнь приложила руку к этой истории, она должна была бы управлять климатическими изменениями, а не противодействовать им.Кажется все более вероятным, что, когда люди стали частью этого цикла, они тоже помогли ускорить потепление. Такое потепление особенно заметно с середины 1800-х годов из-за выбросов парниковых газов в результате индустриализации, изменений в землепользовании и других явлений. Однако снова остается неуверенность.

Тем не менее, большинство ученых согласятся, что жизнь вполне может быть основным фактором положительной обратной связи между изменением климата и парниковыми газами. В конце 20 века наблюдался резкий рост средней глобальной приземной температуры [ см. Иллюстрацию на противоположной странице ].Действительно, период с 1980-х годов был самым теплым за последние 2000 лет. Девятнадцать из 20 самых теплых лет за всю историю наблюдений приходились на период с 1980 года, а 12 самых теплых лет приходились на период с 1990 года. Рекордным за все время годом был 1998 год, а 2002 и 2003 годы оказались на втором и третьем местах, соответственно. Есть веские основания полагать, что десятилетие 1990-х было бы еще жарче, если бы не извергалась гора Пинатубо: этот вулкан выбросил достаточно пыли в верхние слои атмосферы, чтобы заблокировать часть падающего солнечного света, вызвав глобальное похолодание на несколько десятых градуса на несколько десятков градусов. годы.

Могло ли потепление последних 140 лет происходить естественным путем? С все возрастающей уверенностью ответ - нет.

В рамке справа показано замечательное исследование, в котором была предпринята попытка отодвинуть рекорд температуры Северного полушария назад на целую 1000 лет. Климатолог Майкл Манн из Университета Вирджинии и его коллеги выполнили сложный статистический анализ с участием около 112 различных факторов, связанных с температурой, включая годичные кольца, протяженность горных ледников, изменения коралловых рифов, активность солнечных пятен и вулканизм.

Полученная запись температуры является реконструкцией того, что могло бы быть получено, если бы были доступны измерения на основе термометра. (Фактические измерения температуры используются для лет после 1860 года.) Как показывает доверительный интервал, каждый год этой 1000-летней реконструкции температуры содержит значительную неопределенность. Но общая тенденция ясна: постепенное снижение температуры в течение первых 900 лет, за которым следует резкий подъем температуры в 20 веке. Этот график свидетельствует о том, что десятилетие 1990-х годов было не только самым теплым за столетие, но и за все прошедшее тысячелетие.

Изучая переход от атмосферы с высоким содержанием углекислого газа и низким содержанием кислорода в архее к эпохе большого эволюционного прогресса около полмиллиарда лет назад, становится ясно, что жизнь могла быть фактором стабилизации климата. В другом примере - во время ледниковых периодов и межледниковых циклов - жизнь, кажется, выполняет противоположную функцию: ускоряет изменения, а не уменьшает их. Это наблюдение привело одного из нас (Шнайдер) к утверждению, что климат и жизнь развивались вместе, а не жизнь, служащая исключительно негативной обратной связью с климатом.

Если мы, люди, считаем себя частью жизни, то есть частью естественной системы, то можно утверждать, что наше коллективное воздействие на Землю означает, что мы можем играть значительную коэволюционную роль в будущем планеты. Текущие тенденции роста населения, требования к повышению уровня жизни и использование технологий и организаций для достижения этих ориентированных на рост целей - все это способствует загрязнению. Когда цена за загрязнение невысока, а атмосфера используется как свободная канализация, может накапливаться углекислый газ, метан, хлороуглероды, оксиды азота, оксиды серы и другие токсичные вещества.

Впереди кардинальные изменения
В СВОЕМ ДОКЛАДЕ Climate Change 2001 климатические эксперты Межправительственной группы экспертов по изменению климата подсчитали, что к 2100 году температура в мире будет составлять от 1,4 до 5,8 градусов Цельсия. Мягкая граница этого диапазона - скорость потепления 1,4 градуса Цельсия на 100 человек. лет - все еще в 14 раз быстрее, чем один градус Цельсия за 1000 лет, что исторически было средней скоростью естественных изменений в глобальном масштабе. Если произойдет верхний предел диапазона, то мы сможем увидеть темпы изменения климата почти в 60 раз быстрее, чем средние естественные условия, что может привести к изменениям, которые многие сочтут опасными.Такие изменения почти наверняка вынудят многие виды попытаться сместить свои ареалы, как они это сделали во время ледникового периода / межледникового перехода между 10 000 и 15 000 лет назад. Мало того, что виды должны были бы реагировать на климатические изменения со скоростью в 14-60 раз быстрее, но и немногие из них могли бы иметь беспрепятственные открытые маршруты миграции, как это было в конце ледникового периода и в начале межледниковой эры. Негативные последствия этого значительного потепления - для здоровья, сельского хозяйства, прибрежной географии и объектов наследия, и так далее, - также могут быть серьезными.

Чтобы сделать критические прогнозы будущих климатических изменений, необходимых для понимания судьбы экосистем на Земле, мы должны рыть землю, море и лед, чтобы извлечь как можно больше из геологических, палеоклиматических и палеоэкологических данных. Эти записи обеспечивают основу для калибровки грубых инструментов, которые мы должны использовать, чтобы заглянуть в темное экологическое будущее, будущее, на которое мы все в большей степени влияем.

АВТОРЫ
CLAUDE J. ALLGRE и STEPHEN H.SCHNEIDER изучает различные аспекты геологической истории Земли и ее климата. Альгре - профессор Парижского университета и руководит отделом геохимии Парижского геофизического института. Он является иностранным членом Национальной академии наук. Шнайдер - профессор кафедры биологических наук Стэнфордского университета и содиректор Центра экологических наук и политики. В 1992 году он был удостоен стипендии Макартура, а в 2002 году был избран членом Национальной академии наук.

Происхождение и эволюция жизни на Земле - uwastrobiology

Земля всегда будет самой доступной обитаемой планетой для изучения. Следовательно, изучение происхождения и самой ранней эволюции жизни, а также долгосрочной эволюции окружающей среды Земли помогает нам понять, почему Земля стала пригодной для жизни и почему земная жизнь существует на протяжении миллиардов лет. Самые ранние среды на Земле также очень не похожи на нашу современную среду и служат альтернативными примерами «обитаемых планет».«На климат Земли повлияло Солнце, которое за последние 4 миллиарда лет постепенно стало ярче на 25-30%, а также наличие парниковых газов, многие из которых производятся микробами. Исследования UWAB в этой области сочетают в себе опыт в геологии, биологии, химии и атмосферных науках и направляют преподавателей и студентов UWAB в удаленные места, такие как Австралия и Гренландия, для изучения самых старых и наиболее хорошо сохранившихся горных пород.

Эволюция бактерий

В этой области исследований преподаватели и студенты UWAB используют палеонтологию и геохимию стабильных изотопов древних (архейский эон) осадочных пород, чтобы определить, когда возникли основные формы микробного метаболизма и вызвало ли это изменение окружающей среды в атмосфере и океанах.Исследователи также используют органическую геохимию для изучения молекулярных окаменелостей, таких как углеводороды и кероген, в древних породах (архейский и палеопротерозойский эоны), чтобы обнаружить углеводородные биомаркеры, которые ограничивают эволюцию микробных экосистем. Другие исследователи UWAB изучают роль вирусов в эволюции микробов в сообществах гидротермальных источников.

Понимание наших древних океанов и атмосферы

Преподаватели и студенты UWAB уделяют большое внимание пониманию природы окружающей среды Земли во времени и пониманию того, как эта среда влияет на жизнь на планете. Исследователи UWAB изучают приток питательных веществ в древние океаны, измеряя геохимию фосфора и азота в осадочных породах с течением времени, чтобы определить, отражают ли эти элементы эволюцию экосистемы или влияют на нее. Ограничение древнего атмосферного давления и состава Земли также имеет решающее значение, поскольку помогает нам найти объяснения того, как климат Земли оставался мягким в течение миллиардов лет, даже перед лицом гораздо более тусклого раннего Солнца. Усилия UWAB в этой области включают определение состава атмосферы во время архея на основе седиментологии тяжелых минералов из эродированных горных пород и определение атмосферного давления на Земле более 2 миллиардов лет назад с использованием отпечатков окаменелых дождевых капель.Преподаватели и студенты UWAB также использовали комбинацию компьютерных моделей биогеохимических циклов и геологических полевых данных древних горных пород, чтобы понять механизмы повышения уровня кислорода в атмосфере 2,4 и 0,6 миллиарда лет назад. Это повышение изменило климат Земли, химически повлияв на концентрацию парниковых газов, и в то же время способствовало развитию сложной жизни.

BBC - Земля - ​​Секрет зарождения жизни на Земле

Эта история входит в список лучших хитов года BBC Earth "Лучшее за 2016 год".Просмотрите полный список.

Как началась жизнь? Вряд ли может быть более серьезный вопрос. На протяжении большей части истории человечества почти все верили, что «это сделали боги». Другое объяснение было немыслимо.

Это уже не так. За последнее столетие несколько ученых пытались выяснить, как могла возникнуть первая жизнь. Они даже пытались воссоздать этот момент Genesis в своих лабораториях: создать новую жизнь с нуля.

Пока никому не удалось, но мы прошли долгий путь.Сегодня многие ученые, изучающие происхождение жизни, уверены, что они на правильном пути, и у них есть эксперименты, подтверждающие их уверенность.

Это история нашего стремления раскрыть наше изначальное происхождение. Это история одержимости, борьбы и блестящего творчества, которая включает в себя некоторые из величайших открытий современной науки. Стремление понять зарождение жизни отправило мужчин и женщин в самые далекие уголки нашей планеты. Некоторые из вовлеченных ученых были превращены в чудовищ, в то время как другим пришлось выполнять свою работу под пятой жестоких тоталитарных правительств.

Это история зарождения жизни на Земле.

Жизнь стара. Динозавры, пожалуй, самые известные вымершие существа, зародившиеся 250 миллионов лет назад. Но жизнь началась намного раньше.

Возраст самых старых из известных окаменелостей составляет около 3,5 миллиардов лет, что в 14 раз превышает возраст самых старых динозавров. Но летопись окаменелостей может простираться еще дальше. Например, в августе 2016 года исследователи обнаружили окаменелые микробы, датируемые 3 годом.7 миллиардов лет.

Сама Земля ненамного старше, сформировавшись 4,5 миллиарда лет назад.

Если мы предположим, что жизнь сформировалась на Земле - что кажется разумным, учитывая, что мы еще не нашли ее где-либо еще - тогда это должно было произойти за миллиард лет между появлением Земли и сохранением самых старых известных окаменелостей.

Мы можем не только сузить круг, когда началась жизнь, но и сделать обоснованное предположение о том, что это было.

С XIX века биологам известно, что все живые существа состоят из «клеток»: крошечных мешочков с живым веществом, которые бывают разных форм и размеров.Клетки были впервые обнаружены в 17 веке, когда были изобретены первые современные микроскопы, но потребовалось более века, чтобы кто-нибудь осознал, что они являются основой всей жизни.

Используя только материалы и условия, обнаруженные на Земле более 3,5 миллиардов лет назад, мы должны создать клетку

Вы можете не подумать, что вы очень похожи на сома или Tyrannosaurus rex , но микроскоп покажет что все вы состоите из очень похожих клеток.А также растения и грибы.

Но самые многочисленные формы жизни - это микроорганизмы, каждая из которых состоит всего из одной клетки. Бактерии - самая известная группа, и они встречаются повсюду на Земле.

В апреле 2016 года ученые представили обновленную версию «древа жизни»: своеобразное генеалогическое древо для каждого живого вида. Практически все ветви - бактерии. Более того, форма дерева предполагает, что бактерия была общим предком всего живого. Другими словами, все живые существа - включая вас - в конечном итоге произошли от бактерии.

Это означает, что мы можем более точно определить проблему происхождения жизни. Используя только материалы и условия, обнаруженные на Земле более 3,5 миллиардов лет назад, мы должны создать клетку.

Ну как это может быть сложно?

Глава 1. Первые эксперименты

На протяжении большей части истории не считалось необходимым спрашивать, как зародилась жизнь, потому что ответ казался очевидным.

До 1800-х годов большинство людей верило в «витализм». Это интуитивная идея, что живые существа были наделены особым магическим свойством, которое отличало их от неодушевленных предметов.

Химические вещества жизни могут быть созданы из более простых химикатов, которые не имеют ничего общего с жизнью

Витализм часто был связан с заветными религиозными убеждениями. Библия говорит, что Бог использовал «дыхание жизни», чтобы оживить первых людей, а бессмертная душа - это форма витализма.

Есть только одна проблема. Витализм - это явная ошибка.

К началу 1800-х годов ученые обнаружили несколько веществ, которые казались уникальными для жизни. Одним из таких химических веществ была мочевина, которая была обнаружена в моче и была выделена в 1799 году.

Это все еще было совместимо с витализмом. Казалось, только живые существа могут производить эти химические вещества, так что, возможно, они были наполнены жизненной энергией, и именно это делало их особенными.

Но в 1828 году немецкий химик Фридрих Велер нашел способ получения мочевины из обычного химического вещества, называемого цианатом аммония, которое не имело очевидной связи с живыми существами. Другие пошли по его стопам, и вскоре стало ясно, что все химические вещества жизни могут быть сделаны из более простых химикатов, которые не имеют ничего общего с жизнью.

Это был конец витализма как научной концепции. Но людям было очень трудно отказаться от этой идеи. Для многих утверждение о том, что в химических веществах жизни нет ничего «особенного», казалось, лишало жизнь ее магии, превращая нас в простые машины. Это также, конечно, противоречило Библии.

Тайна происхождения жизни игнорировалась десятилетиями

Даже ученые пытались избавиться от витализма. Еще в 1913 году английский биохимик Бенджамин Мур горячо продвигал теорию «биотической энергии», которая, по сути, была витализмом под другим названием.Идея имела сильную эмоциональную окраску.

Сегодня идея цепляется за самые неожиданные места. Например, существует множество научно-фантастических историй, в которых «жизненная энергия» человека может быть увеличена или истощена. Подумайте об «энергии регенерации», использованной Повелителями времени в Doctor Who , которую можно даже пополнить, если она иссякнет. Это кажется футуристическим, но это глубоко старомодная идея.

Тем не менее, после 1828 года у ученых были законные причины искать безбожное объяснение того, как образовалась первая жизнь. Но они этого не сделали. Это кажется очевидным предметом для исследования, но на самом деле загадка происхождения жизни игнорировалась десятилетиями. Возможно, все еще были слишком эмоционально привязаны к витализму, чтобы сделать следующий шаг.

Вместо этого большим биологическим прорывом 19 века стала теория эволюции, разработанная Чарльзом Дарвином и другими.

Дарвин знал, что это серьезный вопрос.

Теория Дарвина, изложенная в статье О происхождении видов в 1859 году, объясняла, как огромное разнообразие форм жизни могло возникнуть от одного общего предка.Вместо того, чтобы каждый из различных видов был создан Богом индивидуально, все они произошли от первобытного организма, который жил миллионы лет назад: последнего универсального общего предка.

Эта идея оказалась чрезвычайно спорной, опять же потому, что она противоречила Библии. Дарвин и его идеи подверглись яростным нападкам, особенно со стороны возмущенных христиан.

Теория эволюции ничего не говорит о том, как возник этот первый организм.

Дарвин знал, что это серьезный вопрос, но - возможно, опасаясь начать еще одну борьбу с Церковью - он, кажется, обсуждал этот вопрос только в письме, написанном в 1871 году.Его возбудимый язык показывает, что он знал глубокое значение вопроса:

Первая гипотеза происхождения жизни была изобретена в дикой тоталитарной стране

«Но если (и о, какое большое если) мы могли бы зачать ребенка в какой-то теплый маленький пруд со всевозможными аммиачными и фосфорными солями, светом, теплом, электричеством и т. д., что химически образовалось белковое соединение, готовое претерпеть еще более сложные изменения ... »

Другими словами, что, если там Когда-то это был небольшой водоем, наполненный простыми органическими соединениями и залитый солнечным светом.Некоторые из этих соединений могут объединяться, чтобы сформировать похожее на жизнь вещество, такое как белок, который затем может начать развиваться и становиться более сложным.

Это была отрывочная идея. Но это станет основой первой гипотезы о том, как зародилась жизнь.

Идея возникла неожиданно. Вы можете подумать, что эта смелая форма свободного мышления была бы развита в демократической стране с традициями свободы слова: возможно, в Соединенных Штатах. Но на самом деле первая гипотеза происхождения жизни была изобретена в дикой тоталитарной стране, где свободное мышление было искоренено: в СССР.

В сталинской России все находилось под контролем государства. Это включало идеи людей, даже по таким предметам, как биология, которые кажутся не связанными с коммунистической политикой.

Опарин представил себе, какой была Земля, когда она была только что сформирована.

Известно, что Сталин фактически запретил ученым изучать традиционную генетику. Вместо этого он насаждал идеи сельскохозяйственного рабочего по имени Трофим Лысенко, которые, по его мнению, больше соответствовали коммунистической идеологии.Ученые, занимающиеся генетикой, были вынуждены публично поддержать идеи Лысенко, иначе они рисковали попасть в трудовой лагерь.

Именно в этой репрессивной среде Александр Опарин проводил свои исследования в области биохимии. Он мог продолжать работать, потому что был верным коммунистом: он поддерживал идеи Лысенко и даже получил орден Ленина - высшую награду, которую только можно было наградить живущим в СССР.

В 1924 году Опарин опубликовал свою книгу Происхождение жизни .В нем он изложил видение зарождения жизни, поразительно похожее на теплый маленький пруд Дарвина.

Опарин представил себе, какой была Земля, когда она только что сформировалась. Поверхность была обжигающе горячей, когда камни из космоса падали на нее и ударялись. Это был беспорядок из полурасплавленных горных пород, содержащих огромное количество химикатов, в том числе многие на основе углерода.

Если вы посмотрите на коацерваты под микроскопом, они будут вести себя пугающе, как живые клетки.

В конце концов Земля остыла настолько, что водяной пар конденсировался в жидкую воду, и выпал первый дождь.Вскоре на Земле появились горячие океаны, богатые углеродными химическими веществами. Теперь могут произойти две вещи.

Во-первых, различные химические вещества могут вступать в реакцию друг с другом с образованием множества новых соединений, некоторые из которых будут более сложными. Опарин предположил, что жизненно важные молекулы, такие как сахара и аминокислоты, могли образоваться в водах Земли.

Во-вторых, некоторые химические вещества начали образовывать микроскопические структуры. Многие органические химические вещества не растворяются в воде: например, масло образует слой поверх воды.Но когда некоторые из этих химических веществ контактируют с водой, они образуют сферические глобулы, называемые «коацерваты», которые могут достигать 0,01 см (0,004 дюйма) в поперечнике.

Если вы посмотрите на коацерваты под микроскопом, они будут вести себя пугающе, как живые клетки. Они растут и меняют форму, а иногда делятся на две части. Они также могут поглощать химические вещества из окружающей воды, поэтому в них могут концентрироваться химические вещества, похожие на живые. Опарин предположил, что коацерваты были предками современных клеток.

Идея о том, что живые организмы, образованные чисто химическим путем, без бога или даже «жизненной силы», была радикальной.

Пять лет спустя, в 1929 году, английский биолог Дж.Б. С. Холдейн независимо предложил некоторые очень похожие идеи в короткой статье, опубликованной в Rationalist Annual .

Холдейн уже внес огромный вклад в эволюционную теорию, помогая интегрировать идеи Дарвина с развивающейся наукой генетики.

Он также был персонажем грандиозным. Однажды он получил перфорированную барабанную перепонку из-за некоторых экспериментов с декомпрессионными камерами, но позже написал, что: «барабан обычно заживает; и если в нем остается дыра, даже если человек несколько глухой, из него можно выдувать табачный дым. рассматриваемое ухо, что является социальным достижением.«

Как и Опарин, Холдейн описал, как органические химические вещества могут накапливаться в воде» [пока] примитивные океаны не достигли консистенции горячего разбавленного супа ». Это подготовило почву для« первых живых или полуживых существ ».

Это говорит о том, что из всех биологов в мире это были Опарин и Холдейн. Идея о том, что живые организмы, образованные чисто химическим путем, без бога или даже «жизненной силы» было радикальным.Как и предыдущая теория эволюции Дарвина, она бросила вызов христианству.

Возникла одна проблема. Не было экспериментальных доказательств, подтверждающих это

Это вполне устраивало СССР. Советский режим был официально атеистическим, и его лидеры стремились поддержать материалистические объяснения таких глубоких явлений, как жизнь. Холдейн также был атеистом и при этом преданным коммунистом.

«В то время принятие или непринятие этой идеи зависело в основном от личностей: были ли они религиозными или поддерживали левые или коммунистические идеи», - говорит эксперт по происхождению жизни Армен Мулкиджанян из Университета Оснабрюка в Германии.«В Советском Союзе их приняли с радостью, потому что они не нуждались в Боге. В западном мире, если вы посмотрите на людей, которые думали в этом направлении, все они были левыми, коммунистами и так далее».

Идея о том, что жизнь образовалась в изначальном супе из органических химикатов, стала известна как гипотеза Опарина-Холдейна. Это было красиво и убедительно, но была одна проблема. Не было экспериментальных доказательств, подтверждающих это. Этого не было почти четверть века.

К тому времени, когда Гарольд Юри заинтересовался происхождением жизни, он уже получил Нобелевскую премию 1934 года по химии и помог создать атомную бомбу.Во время Второй мировой войны Юри работал над Манхэттенским проектом, собирая нестабильный уран-235, необходимый для ядра бомбы. После войны он боролся за то, чтобы ядерные технологии оставались под гражданским контролем.

В 1952 году Миллер начал самый известный эксперимент по происхождению жизни, который когда-либо предпринимался.

Он также заинтересовался химией космического пространства, особенно тем, что происходило, когда Солнечная система только формировалась. Однажды он прочитал лекцию и указал, что, вероятно, в атмосфере Земли не было кислорода, когда она только образовалась.Это обеспечило бы идеальные условия для образования изначального супа Опарина и Холдейна: хрупкие химические вещества были бы разрушены при контакте с кислородом.

В аудитории был докторант по имени Стэнли Миллер, который позже подошел к Юри с предложением: могут ли они проверить эту идею? Юри был настроен скептически, но Миллер его уговорил.

Итак, в 1952 году Миллер начал самый известный эксперимент по происхождению жизни, который когда-либо проводился.

Настройка была простой.Миллер соединил серию стеклянных колб и распространил четыре химиката, которые, как он подозревал, присутствовали на ранней Земле: кипящая вода, газообразный водород, аммиак и метан. Он подвергал газы многократным ударам электрическим током, чтобы имитировать удары молнии, которые так давно были обычным явлением на Земле.

Вы можете выйти из простой атмосферы и произвести множество биологических молекул.

Миллер обнаружил, что «вода в колбе стала заметно розовой после первого дня, а к концу недели раствор стал темно-красным и мутным. ".Очевидно, образовалась смесь химикатов.

Когда Миллер проанализировал смесь, он обнаружил, что она содержит две аминокислоты: глицин и аланин. Аминокислоты часто называют строительными блоками жизни. Они используются для образования белков, которые контролируют большинство биохимических процессов в нашем организме. Миллер с нуля создал два самых важных компонента жизни.

Результаты были опубликованы в престижном журнале Science в 1953 году. Юри, совершив самоотверженный поступок, необычный для высокопоставленных ученых, вычеркнул свое имя из статьи, отдав должное Миллеру.Несмотря на это, исследование часто называют «экспериментом Миллера-Юри».

«Сила Миллера-Юри в том, чтобы показать, что можно выйти из простой атмосферы и произвести множество биологических молекул», - говорит Джон Сазерленд из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Великобритания.

Жизнь была сложнее, чем кто-либо думал.

Детали оказались неверными, поскольку более поздние исследования показали, что атмосфера ранней Земли имела другой состав газов.Но это почти не относится к делу.

«Он был широко культовым, стимулировал воображение публики и до сих пор широко цитируется», - говорит Сазерленд.

После эксперимента Миллера другие ученые начали искать способы создания простых биологических молекул с нуля. Решение загадки происхождения жизни казалось близким.

Но потом стало ясно, что жизнь сложнее, чем кто-либо думал. Оказалось, что живые клетки - это не просто мешки с химикатами: это замысловатые маленькие машины.Внезапно создание одного с нуля стало казаться намного более сложной задачей, чем предполагали ученые.

Глава 2. Великая поляризация

К началу 1950-х годов ученые отошли от давнего предположения, что жизнь - это дар богов. Вместо этого они начали исследовать возможность того, что жизнь возникла спонтанно и естественным образом на ранней Земле - и благодаря культовому эксперименту Стэнли Миллера они даже получили некоторую практическую поддержку этой идеи.

Пока Миллер пытался создать материю жизни с нуля, другие ученые выясняли, из чего сделаны гены.

К этому времени было известно много биологических молекул. К ним относятся сахара, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, такие как «дезоксирибонуклеиновая кислота» или, для краткости, ДНК.

Их открытие было одним из величайших научных открытий 20 века.

Сегодня мы считаем само собой разумеющимся, что ДНК несет в себе наши гены, но на самом деле это стало шоком для биологов 1950-х годов.Белки сложнее, поэтому ученые думали, что это гены.

Эта идея была опровергнута в 1952 году Альфредом Херши и Мартой Чейз из Института Карнеги в Вашингтоне. Они изучали простые вирусы, которые содержат только ДНК и белок и должны заражать бактерии, чтобы воспроизводиться. Они обнаружили, что в бактерии попала вирусная ДНК, а белки остались снаружи. Ясно, что ДНК была генетическим материалом.

Открытия Херши и Чейза вызвали безумную гонку за выяснением структуры ДНК и, следовательно, того, как она работает.В следующем году проблема была решена Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном из Кембриджского университета, Великобритания, при значительной помощи со стороны их коллеги Розалинды Франклин.

Их открытие было одним из величайших научных открытий 20 века. Это также изменило процесс поиска происхождения жизни, обнаружив невероятную сложность, скрытую внутри живых клеток.

Крик и Ватсон поняли, что ДНК представляет собой двойную спираль, подобную лестнице, скрученной в спираль.Каждый из двух «полюсов» лестницы состоит из молекул, называемых нуклеотидами.

Ваши гены в конечном итоге происходят от предковой бактерии

Эта структура объясняет, как клетки копируют свою ДНК. Другими словами, он показал, как родители копируют свои гены и передают их своим детям.

Ключевым моментом является то, что двойную спираль можно «разархивировать». Это раскрывает генетический код, состоящий из последовательностей генетических оснований A, T, C и G, который обычно заперт внутри «ступенек» лестницы ДНК.Затем каждая нить используется в качестве шаблона для воссоздания копии другой.

Используя этот механизм, гены передаются от родителей к ребенку с самого начала жизни. В конечном итоге ваши гены происходят от наследственной бактерии - и на каждом этапе они копировались с использованием механизма, открытого Криком и Ватсоном.

Изучите структуру ДНК в этом видео:

Крик и Ватсон изложили свои выводы в статье 1953 года в журнале Nature . В течение следующих нескольких лет биохимики пытались выяснить, какую именно информацию несет ДНК и как эта информация используется в живых клетках.Впервые были раскрыты сокровенные тайны жизни.

Внезапно идеи Опарина и Холдейна показались наивно простыми

Оказалось, что ДНК выполняет только одну задачу. Ваша ДНК сообщает вашим клеткам, как производить белки: молекулы, которые выполняют множество важных задач. Без белков вы не смогли бы переваривать пищу, ваше сердце останавливалось, и вы не могли дышать.

Но процесс использования ДНК для создания белков оказался поразительно сложным.Это было большой проблемой для любого, кто пытался объяснить происхождение жизни, потому что трудно представить, как могло начаться что-то столь сложное.

Каждый белок представляет собой длинную цепочку аминокислот, соединенных в определенном порядке. Последовательность аминокислот определяет трехмерную форму белка и, следовательно, то, что он делает.

Эта информация закодирована в последовательности оснований ДНК. Поэтому, когда клетке необходимо произвести определенный белок, она считывает соответствующий ген в ДНК, чтобы получить последовательность аминокислот.

Оказалось, что у ДНК всего одна работа

Но есть нюанс. ДНК драгоценна, поэтому клетки предпочитают хранить ее в безопасном месте. По этой причине они копируют информацию из ДНК на короткие молекулы другого вещества, называемого РНК (рибонуклеиновая кислота). Если ДНК - это библиотечная книга, то РНК - это клочок бумаги с нацарапанным на нем ключевым отрывком. РНК похожа на ДНК, за исключением того, что имеет только одну цепь.

Наконец, процесс преобразования информации в этой цепи РНК в белок происходит в чрезвычайно сложной молекуле, называемой «рибосомой».

Этот процесс происходит в каждой живой клетке, даже в простейших бактериях. Это так же важно для жизни, как еда и дыхание. Любое объяснение происхождения жизни должно показать, как эта сложная троица - ДНК, РНК и рибосомный белок - возникла и начала работать.

Внезапно идеи Опарина и Холдейна показались наивно простыми, в то время как эксперимент Миллера, который производил только несколько аминокислот, используемых для создания белков, выглядел дилетантским. Его основополагающее исследование не только не привело нас к большей части пути к созданию жизни, но и было лишь первым шагом на долгом пути.

Идея о том, что жизнь началась с РНК, окажет огромное влияние.

«ДНК заставляет РНК производить белок, и все это в этом инкапсулированном липидом мешочке с химическими веществами», - говорит Джон Сазерленд. «Вы смотрите на это, и это просто« вау, это слишком сложно ». Как мы собираемся найти органическую химию, которая сделает все это за один присест?»

Первым, кто действительно взялся за дело, был британский химик по имени Лесли Оргел. Он был одним из первых, кто увидел модель ДНК Крика и Ватсона, а позже помогал НАСА с их программой «Викинг», которая отправляла на Марс роботизированные посадочные устройства.

Orgel решил упростить задачу. Написанный в 1968 году и поддержанный Криком, он предположил, что в первой жизни не было белков или ДНК. Вместо этого он почти полностью состоял из РНК. Чтобы это работало, эти первичные молекулы РНК должны были быть особенно универсальными. Во-первых, они должны были создавать копии самих себя, предположительно используя тот же механизм спаривания оснований, что и ДНК.

Идея о том, что жизнь началась с РНК, окажет огромное влияние. Но это также спровоцировало научную войну за сферы влияния, которая длится до наших дней.

Предполагая, что жизнь началась с РНК и чего-то еще, Оргель предполагал, что один важный аспект жизни - ее способность воспроизводить себя - появился раньше всех остальных. В некотором смысле он не просто предлагал, как впервые была устроена жизнь: он говорил что-то о том, что такое жизнь.

Ученые, изучающие происхождение жизни, разделились на лагеря

Многие биологи согласятся с идеей Оргеля «репликация в первую очередь». В теории эволюции Дарвина способность создавать потомство является абсолютно центральной: единственный способ «победить» организм - это оставить много детей.

Но есть и другие особенности жизни, которые кажутся не менее важными. Наиболее очевидным является метаболизм: способность извлекать энергию из окружающей среды и использовать ее для поддержания жизни. Для многих биологов метаболизм, должно быть, был изначальной определяющей чертой жизни, а репликация возникла позже.

Итак, начиная с 1960-х годов, ученые, изучающие происхождение жизни, разделились на лагеря.

«Основной поляризацией был метаболизм, а не генетика», - говорит Сазерленд.

Научные собрания по происхождению жизни часто были спорными делами

Между тем третья группа утверждала, что первое, что появилось, - это контейнер для ключевых молекул, чтобы они не улетали. «Компартментализация должна была быть на первом месте, потому что нет смысла заниматься метаболизмом, если вы не разделены», - говорит Сазерленд. Другими словами, должна быть клетка - как подчеркивали Опарин и Холдейн несколькими десятилетиями ранее - возможно, заключенная в мембрану из простых жиров и липидов.

Все три идеи приобрели единомышленников и сохранились до наших дней. Ученые стали страстно привержены своим любимым идеям, иногда даже слепо.

В результате научные встречи, посвященные происхождению жизни, часто были спорными, и журналистам, освещающим эту тему, ученые из одного лагеря регулярно говорят, что идеи, исходящие из других лагерей, глупы или даже хуже.

Благодаря Оргелу идея о том, что жизнь началась с РНК и генетики, была очень ранней.Затем наступили 80-е годы, и произошло поразительное открытие, которое, казалось, в значительной степени подтвердило это.

Глава 3. Поиск первого репликатора

После 1960-х годов ученые, пытающиеся понять происхождение жизни, разделились на три группы. Некоторые были уверены, что жизнь началась с образования примитивных версий биологических клеток. Другие считали, что ключевым первым шагом была метаболическая система, а третьи сосредоточили внимание на важности генетики и репликации.Эта последняя группа начала пытаться выяснить, как мог бы выглядеть этот первый репликатор, уделяя особое внимание идее, что он состоит из РНК.

Еще в 1960-х годах у ученых были основания полагать, что РНК является источником всей жизни.

В частности, РНК может делать то, чего не может ДНК. Это одноцепочечная молекула, поэтому в отличие от жесткой двухцепочечной ДНК она может складываться в различные формы.

Вы не могли бы жить без ферментов

Сворачивание РНК, похожее на оригами, выглядело довольно похоже на поведение белков.Белки также в основном представляют собой длинные цепи, состоящие из аминокислот, а не нуклеотидов, и это позволяет им создавать сложные структуры.

Это ключ к удивительной способности белков. Некоторые из них могут ускорять или «катализировать» химические реакции. Эти белки известны как ферменты.

Многие ферменты находятся в кишечнике, где они расщепляют сложные молекулы пищи на простые, такие как сахара, которые могут использоваться вашими клетками. Вы не можете жить без ферментов.

У Лесли Оргела и Фрэнсиса Крика возникло подозрение. Если бы РНК могла складываться как белок, возможно, она могла бы образовывать ферменты. Если бы это было правдой, РНК могла бы быть исходной - и весьма универсальной - живой молекулой, хранящей информацию, как ДНК сейчас, и катализирующей реакции, как некоторые белки.

Это была отличная идея, но не было доказательств более десяти лет.

Томас Чех родился и вырос в Айове. В детстве он был очарован камнями и минералами. К тому времени, когда он учился в неполной средней школе, он посещал местный университет и стучался в двери геологов, прося показать модели минеральных структур.

Но в конце концов он стал биохимиком, сосредоточившись на РНК.

Теперь идея о том, что жизнь началась с РНК, выглядела многообещающей

В начале 1980-х годов Чех и его коллеги из Университета Колорадо в Боулдере изучали одноклеточный организм под названием Tetrahymena thermophila . Часть его клеточного аппарата включает цепи РНК. Чех обнаружил, что один конкретный участок РНК иногда отделяется от остальных, как если бы что-то вырезало его ножницами.

Когда команда удалила все ферменты и другие молекулы, которые могли действовать как молекулярные ножницы, РНК продолжала делать это. Они открыли первый фермент РНК: короткий кусок РНК, который мог вырезать себя из большей цепи, частью которой он был.

Чех опубликовал результаты в 1982 году. В следующем году другая группа обнаружила второй фермент РНК - или «рибозим», как его окрестили.

Обнаружение двух РНК-ферментов в быстрой последовательности показало, что их гораздо больше.Идея о том, что жизнь началась с РНК, выглядела многообещающей.

Узнайте больше о РНК из этого видео:

Название этой идеи дал Уолтер Гилберт из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. Физик, увлекшийся молекулярной биологией, Гилберт также был одним из первых сторонников секвенирования генома человека.

Мир РНК - это элегантный способ создать сложную жизнь с нуля.

Написав в 1986 году на языке Nature , Гилберт предположил, что жизнь началась в «мире РНК».

Первая стадия эволюции, утверждал Гилберт, состояла из «молекул РНК, выполняющих каталитическую активность, необходимую для сборки себя из нуклеотидного супа». Нарезая и склеивая вместе разные кусочки РНК, молекулы РНК могут создавать еще более полезные последовательности. В конце концов они нашли способ производить белки и белковые ферменты, которые оказались настолько полезными, что в значительной степени вытеснили версии РНК и дали начало жизни в том виде, в каком мы ее понимаем сегодня.

The RNA World - это элегантный способ создать сложную жизнь с нуля.Вместо того, чтобы полагаться на одновременное образование десятков биологических молекул из изначального супа, одна универсальная молекула могла выполнять работу всех из них.

В 2000 году гипотеза мира РНК получила впечатляющее подтверждение.

Томас Стейтц 30 лет изучал структуру молекул в живых клетках. В 1990-х он взял на себя самую большую задачу: выяснить структуру рибосомы.

Тот факт, что эта важная машина была основана на РНК, сделало мир РНК еще более правдоподобным.

Каждая живая клетка имеет рибосому.Эта огромная молекула считывает инструкции РНК и связывает аминокислоты в цепочки для образования белков. Рибосомы в ваших клетках составляют большую часть вашего тела.

Известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейтца создала подробное изображение структуры рибосомы, которое показало, что РНК является каталитическим ядром рибосомы.

Это было критически важно, потому что рибосома настолько важна для жизни и настолько древняя. Тот факт, что эта важная машина была основана на РНК, сделало мир РНК еще более правдоподобным.

Сторонники RNA World были в восторге от открытия, и в 2009 году Стейтц получит долю Нобелевской премии. Но с тех пор сомнения вернулись.

С самого начала было две проблемы с идеей Мира РНК. Может ли РНК действительно выполнять все функции жизни сама по себе? И могло ли оно образоваться на ранней Земле?

Они намеревались создать самовоспроизводящуюся РНК для себя

Прошло 30 лет с тех пор, как Гилберт заложил основу для Мира РНК, и у нас до сих пор нет убедительных доказательств того, что РНК может делать все то, что теория требует от него.Это удобная маленькая молекула, но может оказаться недостаточно удобной.

Выдалось одно задание. Если жизнь началась с молекулы РНК, эта РНК должна была создавать копии самой себя: она должна была самовоспроизводиться.

Но ни одна из известных РНК не может самовоспроизводиться. Не может и ДНК. Требуется батальон ферментов и других молекул, чтобы создать точную копию фрагмента РНК или ДНК.

Итак, в конце 1980-х несколько биологов начали довольно-таки донкихотские поиски. Они решили создать самовоспроизводящуюся РНК.

Джек Шостак из Гарвардской медицинской школы был одним из первых, кто принял участие. В детстве он так увлекался химией, что у него в подвале была лаборатория. Совершенно пренебрегая собственной безопасностью, он однажды устроил взрыв, в результате которого стеклянная трубка вонзилась в потолок.

Они показали, что ферменты РНК могут быть действительно мощными

В начале 1980-х годов Шостак помог показать, как наши гены защищают себя от процесса старения. Это раннее исследование в конечном итоге принесло ему долю Нобелевской премии.

Но вскоре он был очарован ферментами РНК Чеха. «Я думал, что эта работа была действительно классной», - говорит он. «В принципе, у РНК может быть возможность катализировать собственную репликацию».

В 1988 году Чех обнаружил фермент РНК, который мог строить короткую молекулу РНК длиной около 10 нуклеотидов. Шостак намеревался улучшить открытие путем разработки новых ферментов РНК в лаборатории. Его команда создала пул случайных последовательностей и проверила их, чтобы увидеть, какие из них проявляют каталитическую активность.Затем они взяли эти последовательности, настроили их и снова протестировали.

После 10 циклов этого процесса Шостак произвел фермент РНК, который заставил реакцию идти в семь миллионов раз быстрее, чем это было бы естественно. Они показали, что ферменты РНК могут быть действительно мощными. Но их фермент не мог сам себя копировать, даже близко. Шостак ударился об стену.

Следующим крупным достижением стал в 2001 году бывший студент Шостака Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже.Бартел создал фермент РНК под названием R18, который мог добавлять новые нуклеотиды к цепи РНК на основе существующей матрицы. Другими словами, это было не просто добавление случайных нуклеотидов: это было правильное копирование последовательности.

Это все еще не самовоспроизводящийся, но приближается к нему. R18 состоял из цепочки из 189 нуклеотидов и мог надежно добавлять 11 нуклеотидов к цепи: 6% от его собственной длины. Была надежда, что несколько настроек позволят ему сделать цепь длиной 189 нуклеотидов - такой же, как она сама.

РНК, похоже, не годится для запуска жизни

Лучшая попытка была предпринята в 2011 году Филиппом Холлигером из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Великобритания. Его команда создала модифицированный R18 под названием tC19Z, который копирует последовательности длиной до 95 нуклеотидов. Это 48% от собственной длины: больше R18, но не необходимые 100%.

Альтернативный подход был предложен Джеральдом Джойсом и Трейси Линкольн из Исследовательского института Скриппса в Ла-Хойе, Калифорния.В 2009 году они создали фермент РНК, который косвенно воспроизводит себя.

Их фермент соединяет два коротких фрагмента РНК, чтобы создать второй фермент. Затем он соединяет вместе еще две части РНК, чтобы воссоздать исходный фермент.

Этот простой цикл можно продолжать бесконечно, учитывая сырье. Но ферменты работали, только если им были даны правильные цепи РНК, которые должны были создать Джойс и Линкольн.

Для многих ученых, которые скептически относятся к миру РНК, отсутствие самовоспроизводящейся РНК является фатальной проблемой для этой идеи.Похоже, что РНК не годится для запуска жизни.

Возможно, на ранней Земле существовал какой-то другой тип молекулы.

Дело также было ослаблено неспособностью химиков создать РНК с нуля. По сравнению с ДНК это выглядит как простая молекула, но оказалось, что сделать РНК чрезвычайно сложно.

Проблема заключается в сахаре и основании, из которых состоит каждый нуклеотид. Можно сделать каждого из них индивидуально, но двое упорно отказываются связывать вместе.

Эта проблема прояснилась уже к началу 1990-х годов. Это оставило многих биологов острым подозрением, что гипотеза мира РНК, хотя и ясна, не может быть совершенно верной.

Вместо этого, возможно, на ранней Земле существовал какой-то другой тип молекулы: что-то более простое, чем РНК, которая действительно могла собраться из первичного бульона и начать самовоспроизведение. Это могло произойти сначала, а затем привело к РНК, ДНК и прочему.

В 1991 году Питер Нильсен из Копенгагенского университета в Дании выдвинул кандидата на роль первичного репликатора.

По сути, это была сильно модифицированная версия ДНК. Нильсен сохранил основания такими же - придерживаясь A, T, C и G, обнаруженных в ДНК, - но сделал основу из молекул, называемых полиамидами, вместо сахаров, обнаруженных в ДНК. Он назвал новую молекулу полиамидной нуклеиновой кислоты, или PNA. Как ни странно, с тех пор она стала известна как пептидная нуклеиновая кислота.

ПНК, в отличие от РНК, могла легко образоваться на ранней Земле.

ПНК никогда не встречалась в природе.Но он во многом похож на ДНК. Нить ПНК может даже заменить одну из нитей в молекуле ДНК, при этом комплементарные основания образуют пары как обычно. Более того, ПНК может свернуться в двойную спираль, как и ДНК.

Стэнли Миллер был заинтригован. Глубоко скептически относясь к миру РНК, он подозревал, что ПНК была более вероятным кандидатом на роль первого генетического материала.

В 2000 году он представил неопровержимые доказательства. К тому времени ему было 70 лет, и он только что перенес первый в серии изнурительных инсультов, из-за которых он в конечном итоге оказался в доме престарелых, но он еще не закончил.Он повторил свой классический эксперимент, который мы обсуждали в первой главе, на этот раз с использованием метана, азота, аммиака и воды - и получил полиамидную основу PNA.

Это говорит о том, что ПНК, в отличие от РНК, могла легко образоваться на ранней Земле.

Другие химики придумали свои собственные альтернативные нуклеиновые кислоты.

У каждой из этих альтернативных нуклеиновых кислот есть свои сторонники: обычно это человек, который ее создал.

В 2000 году Альберт Эшенмозер создал нуклеиновую кислоту треозы (TNA).По сути, это ДНК, но с другим сахаром в основе. Нити ТНК могут соединяться в пары, образуя двойную спираль, и информация может копироваться туда и обратно между РНК и ТНК.

Более того, TNA может складываться в сложные формы и даже связываться с белком. Это намекает на то, что ТНК может действовать как фермент, как и РНК.

Точно так же в 2005 году Эрик Меггерс создал нуклеиновую кислоту гликоля, которая может образовывать спиральные структуры.

У каждой из этих альтернативных нуклеиновых кислот есть сторонники: обычно это человек, который ее создал.Но в природе их нет и следа, поэтому, если первая жизнь действительно их использовала, в какой-то момент она должна была полностью отказаться от них в пользу РНК и ДНК. Это может быть правдой, но нет никаких доказательств.

Все это означало, что к середине 2000-х сторонники Мира РНК оказались в затруднительном положении.

Мир РНК, каким бы чистым он ни был, не мог быть всей правдой

С одной стороны, ферменты РНК существовали, и они включали в себя одну из самых важных частей биологического механизма - рибосому.Это было хорошо.

Но самовоспроизводящейся РНК не было обнаружено, и никто не мог понять, как РНК образуется в первичном бульоне. Альтернативные нуклеиновые кислоты могли бы решить последнюю проблему, но не было никаких доказательств их существования в природе. Это было менее хорошо.

Очевидный вывод заключался в том, что мир РНК, каким бы аккуратным он ни был, не мог быть всей правдой.

Между тем конкурирующая теория неуклонно набирала обороты с 1980-х годов. Его сторонники утверждают, что жизнь началась не с РНК, ДНК или любого другого генетического вещества.Вместо этого он начался как механизм использования энергии.

Глава 4. Сила протонов

Мы видели во второй главе, как ученые разделились на три школы мысли о том, как зародилась жизнь. Одна группа была убеждена, что жизнь началась с молекулы РНК, но они изо всех сил пытались понять, как РНК или подобные молекулы могли спонтанно образоваться на ранней Земле, а затем сделать копии самих себя. Поначалу их усилия были захватывающими, но в конечном итоге разочаровывающими.Однако даже в то время, когда это исследование продвигалось, были и другие исследователи происхождения жизни, которые были уверены, что жизнь началась совершенно по-другому.

Теория мира РНК основана на простой идее: самое важное, что может сделать живой организм, - это воспроизвести себя. С этим согласятся многие биологи. Все живые существа, от бактерий до синих китов, стремятся к потомству.

Вехтерсхойзер предположил, что первые организмы «радикально отличались от всего, что мы знаем»

Однако многие исследователи происхождения жизни не верят, что воспроизводство является действительно фундаментальным.Они говорят, что прежде чем организм сможет воспроизводиться, он должен быть самоподдерживающимся. Он должен оставаться в живых. В конце концов, у вас не может быть детей, если вы умрете первым.

Мы сохраняем жизнь за счет еды, а зеленые растения - за счет извлечения энергии из солнечного света. Вы можете не подумать, что человек, съевший сочный бифштекс, очень похож на лиственный дуб, но когда вы сразу приступите к делу, оба начнут поглощать энергию.

Этот процесс называется метаболизмом. Во-первых, вы должны получить энергию; скажем, из богатых энергией химических веществ, таких как сахар.Затем вы должны использовать эту энергию для создания полезных вещей, таких как клетки.

Этот процесс использования энергии настолько важен, что многие исследователи полагают, что это было первое, что когда-либо делала жизнь.

Как могли бы выглядеть эти организмы, работающие только с метаболизмом? Одно из самых важных предложений было выдвинуто в конце 80-х годов Гюнтером Вехтерсхойзером. Он был не штатным ученым, а скорее патентным юристом с химическим образованием.

Вехтерсхойзер предположил, что первые организмы «радикально отличались от всего, что мы знаем».Они не были из клеток. У них не было ферментов, ДНК или РНК.

Все остальные составляющие современных организмов, такие как ДНК, клетки и мозг, появились позже.

Вместо этого Вехтершойзер представил поток горячей воды, вытекающий из вулкана. Вода была богата вулканическими газами, такими как аммиак, и содержала следы минералов из сердца вулкана.

Там, где вода стекала по скалам, начались химические реакции. В частности, металлы из воды помогли простым органическим соединениям превратиться в более крупные.

Переломным моментом стало создание первого метаболического цикла. Это процесс, в котором одно химическое вещество преобразуется в ряд других химических веществ, пока в конечном итоге не будет воссоздано исходное химическое вещество. При этом вся система потребляет энергию, которую можно использовать для перезапуска цикла - и для начала выполнения других задач.

Метаболические циклы могут показаться не похожими на жизнь, но они являются фундаментальными для жизни

Все остальные составляющие современных организмов, такие как ДНК, клетки и мозг, появились позже, на основе этих химических циклов.

Эти метаболические циклы не очень похожи на жизнь. Вехтерсхойзер назвал свои изобретения «организмами-предшественниками» и написал, что их «едва ли можно назвать живыми».

Но метаболические циклы, подобные тем, которые описал Wächtershäuser, лежат в основе каждого живого существа. По сути, ваши клетки представляют собой микроскопические химические перерабатывающие предприятия, постоянно превращающие одно химическое вещество в другое. Метаболические циклы могут показаться не похожими на жизнь, но они имеют фундаментальное значение для жизни.

На протяжении 1980-х и 1990-х годов Вехтерсхойзер детально разработал свою теорию.Он обрисовал в общих чертах, какие минералы подходят для лучших поверхностей и какие химические циклы могут иметь место. Его идеи начали привлекать сторонников.

Но это все еще было теоретически. Вехтерсхойзер нуждался в открытии из реального мира, подтверждающем его идеи. К счастью, это уже было сделано - десятью годами ранее.

В 1977 году группа под руководством Джека Корлисса из Университета штата Орегон совершила погружение на глубину 1,5 мили (2,5 км) в восточную часть Тихого океана. Они исследовали горячую точку Галапагосских островов, где высокие горные хребты возвышаются над морским дном.Они знали, что хребты вулканически активны.

Каждое вентиляционное отверстие было своего рода изначальным диспенсером для супа.

Корлисс обнаружил, что гребни были испещрены, по сути, горячими источниками. Горячая вода, богатая химическими веществами, поднималась из-под морского дна и выкачивалась через отверстия в скалах.

Удивительно, но эти «гидротермальные жерла» были густо заселены диковинными животными. Были огромные моллюски, блюдца, мидии и трубочники. Вода также была насыщена бактериями.Все эти организмы питались энергией из гидротермальных источников.

Открытие гидротермальных жерл сделало имя Корлисса. Это также заставило его задуматься. В 1981 году он предположил, что подобные жерла существовали на Земле четыре миллиарда лет назад и что они были местом зарождения жизни. Он потратит большую часть остальной части своей карьеры, работая над этой идеей.

Корлисс предположил, что гидротермальные источники могут создавать коктейли из химикатов. Он сказал, что каждое вентиляционное отверстие было своего рода изначальным диспенсером для супа.

Ключевые соединения, такие как сахар, «выживут… в течение нескольких секунд»

По мере того, как горячая вода протекала сквозь камни, тепло и давление заставляли простые органические соединения сливаться в более сложные, такие как аминокислоты, нуклеотиды и сахара. Ближе к границе с океаном, где вода была не такой горячей, они начали связываться в цепочки, образуя углеводы, белки и нуклеотиды, такие как ДНК. Затем, когда вода приблизилась к океану и еще больше остыла, эти молекулы собрались в простые клетки.

Это было аккуратно и привлекло внимание людей. Но Стэнли Миллер, чей экспериментальный эксперимент с происхождением жизни мы обсуждали в первой главе, не убедил его. В 1988 году он утверждал, что вентиляционные отверстия слишком горячие.

Хотя сильная жара может вызвать образование таких химических веществ, как аминокислоты, эксперименты Миллера показали, что она также разрушит их. Ключевые соединения, такие как сахар, «выжили бы… самое большее секунды». Более того, эти простые молекулы вряд ли соединятся в цепочки, потому что окружающая вода разорвет цепочки почти сразу.

Тут в бой вступил геолог Майк Рассел. Он думал, что теорию вентиляции можно заставить работать. Более того, ему казалось, что вентиляционные отверстия были идеальным домом для организмов-предшественников Wächtershäuser. Это вдохновение привело его к созданию одной из наиболее широко признанных теорий происхождения жизни.

Если Рассел был прав, жизнь зародилась на дне моря

Рассел провел свои ранние годы, производя аспирин по-разному, занимаясь разведкой ценных минералов и - в одном замечательном инциденте 1960-х годов - координируя реакцию на возможное вулканическое воздействие. высыпание, несмотря на отсутствие тренировок.Но его реальный интерес заключался в том, как поверхность Земли менялась за эоны. Эта геологическая перспектива сформировала его представления о происхождении жизни.

В 1980-х годах он обнаружил ископаемые свидетельства менее экстремального типа гидротермального источника, где температура была ниже 150 ° C. Он утверждал, что такие более мягкие температуры позволят молекулам жизни выжить гораздо дольше, чем предполагал Миллер.

Более того, в окаменелых останках этих вентиляционных отверстий было что-то странное.Минерал под названием пирит, состоящий из железа и серы, образовал трубки диаметром около 1 мм.

В своей лаборатории Рассел обнаружил, что пирит также может образовывать сферические капли. Он предположил, что первые сложные органические молекулы образовались внутри этих простых структур пирита.

Примерно в это время Вехтерсхойзер начал публиковать свои идеи, основанные на потоке горячей, богатой химическими веществами воды, текущей по минералу. Он даже предположил, что речь идет о пирите.

Его идея основывалась на работе одного из забытых гениев современной науки

Итак, Рассел сложил два и два.Он предположил, что гидротермальные источники в глубоком море, достаточно прохладные для образования структур пирита, являются местом обитания организмов-предшественников Вехтершойзера. Если Рассел был прав, жизнь зародилась на дне моря - и сначала появился метаболизм.

Рассел изложил все это в статье, опубликованной в 1993 году, через 40 лет после классического эксперимента Миллера. Это не получило такого же восторженного освещения в СМИ, но, возможно, было важнее. Рассел объединил две, казалось бы, отдельные идеи - метаболические циклы Вехтерсхойзера и гидротермальные источники Корлисса - во что-то действительно убедительное.

Чтобы сделать это еще более впечатляющим, Рассел также предложил объяснение того, как первые организмы получали свою энергию. Другими словами, он выяснил, как мог работать их метаболизм. Его идея опиралась на работы одного из забытых гениев современной науки.

В 1960-х годах биохимик Питер Митчелл заболел и был вынужден уйти из Эдинбургского университета. Вместо этого он создал частную лабораторию в удаленном особняке в Корнуолле. Изолированный от научного сообщества, его работа частично финансировалась стадом дойных коров.Многие биохимики, в том числе поначалу Лесли Оргел, чьи работы по РНК мы обсуждали во второй главе, считали его идеи совершенно нелепыми.

Теперь мы знаем, что процесс, идентифицированный Митчеллом, используется всеми живыми существами на Земле

Менее чем через два десятилетия Митчелл добился окончательной победы: Нобелевской премии по химии 1978 года. Его имя никогда не было нарицательным, но его идеи есть в каждом учебнике биологии.

Митчелл провел свою карьеру, выясняя, что организмы делают с энергией, которую они получают из пищи.Фактически, он спрашивал, как все мы живем от момента к моменту.

Он знал, что все клетки хранят свою энергию в одной и той же молекуле: аденозинтрифосфате (АТФ). Решающим моментом является цепочка из трех фосфатов, прикрепленных к аденозину. Добавление третьего фосфата требует много энергии, которая затем блокируется в АТФ.

Когда клетке нужна энергия - скажем, если мышце нужно сокращаться - она ​​отщепляет третий фосфат от АТФ. Это превращает его в аденозиндифосфат (АДФ) и высвобождает накопленную энергию.

Его имя никогда не было нарицательным.

Митчелл хотел узнать, как именно клетки производят АТФ. Как они сконцентрировали достаточно энергии на АДФ, чтобы прикрепился третий фосфат?

Митчелл знал, что фермент, производящий АТФ, находится на мембране. Поэтому он предположил, что клетка перекачивает заряженные частицы, называемые протонами, через мембрану, так что протонов было много с одной стороны и почти не было - с другой.

Протоны затем попытались бы течь обратно через мембрану, чтобы уравновесить количество протонов с каждой стороны, но единственным местом, через которое они могли пройти, был фермент.Проходящий поток протонов давал ферменту энергию, необходимую для производства АТФ.

Посмотрите, как клетки используют энергию, в этом видео:

Митчелл впервые высказал эту идею в 1961 году. Он провел следующие 15 лет, защищая ее от всех желающих, пока доказательства не стали неопровержимыми. Теперь мы знаем, что процесс, идентифицированный Митчеллом, используется всеми живыми существами на Земле. Это происходит прямо сейчас внутри ваших клеток. Как и ДНК, она имеет фундаментальное значение для жизни, какой мы ее знаем.

Вентиляционные отверстия Корлисса не годятся

Ключевой момент, который понял Рассел, - это градиент протонов Митчелла: наличие большого количества протонов на одной стороне мембраны и нескольких - на другой.Всем клеткам нужен протонный градиент для хранения энергии.

Современные клетки создают градиенты, перекачивая протоны через мембрану, но для этого задействован сложный молекулярный механизм, который не мог просто возникнуть. Итак, Рассел сделал еще один логический скачок: жизнь должна была образоваться где-то с естественным протонным градиентом.

Где-то вроде гидротермального источника. Но это должен быть особый тип вентиляции. Когда Земля была молодой, моря были кислыми, а в кислой воде было много протонов, плавающих внутри.Чтобы создать протонный градиент, вода из вентиляционного отверстия должна быть с низким содержанием протонов: она должна быть щелочной.

Вентиляционные отверстия Корлисса не подходят. Они были не только слишком горячими, но и кислыми. Но в 2000 году Дебора Келли из Вашингтонского университета открыла первые щелочные вентили.

Келли пришлось сражаться только за то, чтобы стать ученым. Ее отец умер, когда она заканчивала среднюю школу, и ей пришлось много работать, чтобы прокормить себя до учебы в колледже.

Он убедился, что жерла, подобные тем, что были в Затерянном городе, были тем местом, где зародилась жизнь

Но ей это удалось, и она была очарована подводными вулканами и обжигающими горячими гидротермальными жерлами. Эта любовь близнецов в конечном итоге привела ее к середине Атлантического океана. Там земная кора разрывается, и из морского дна поднимается горный хребет.

На этом хребте Келли нашла поле гидротермальных жерл, которое она назвала «Затерянным городом». Они не такие, как те, что нашел Корлисс.Температура воды, вытекающей из них, составляет всего 40-75 ° C, и она слабощелочная. Карбонатные минералы из этой воды собрались в крутые белые «дымоходы», которые поднимаются со дна моря, как органные трубы. Их внешний вид жуткий и похожий на призраков, но это обманчиво: они являются домом для плотных сообществ микроорганизмов, которые процветают в вытяжной воде.

Эти щелочные вентили идеально подходили для идей Рассела. Он был убежден, что вентиляционные отверстия, подобные тем, что есть в Затерянном городе, были тем местом, где зародилась жизнь.

Но у него была проблема.Будучи геологом, он недостаточно знал о биологических клетках, чтобы сделать свою теорию действительно убедительной.

Итак, Рассел объединился с биологом Уильямом Мартином, драчливым американцем, который большую часть своей карьеры провел в Германии. В 2003 году пара представила улучшенную версию более ранних идей Рассела. Это, пожалуй, самая конкретная история о том, как началась жизнь.

Эта история теперь рассматривается как одна из ведущих гипотез происхождения жизни

Благодаря Келли они теперь знали, что камни щелочных отверстий были пористыми: они были покрыты крошечными отверстиями, заполненными водой.Они предположили, что эти маленькие карманы действуют как «клетки». Каждый карман содержал необходимые химические вещества, в том числе такие минералы, как пирит. В сочетании с естественным протонным градиентом из вентиляции они были идеальным местом для начала метаболизма.

По словам Рассела и Мартина, когда жизнь использовала химическую энергию вытяжной воды, она начала создавать молекулы, подобные РНК. В конце концов он создал свою собственную мембрану и превратился в настоящую клетку, вырвавшись из пористой породы в открытую воду.

Эта история сейчас считается одной из главных гипотез происхождения жизни.

Это нашло мощную поддержку в июле 2016 года, когда Мартин опубликовал исследование, реконструировавшее некоторые особенности «последнего универсального общего предка» (LUCA). Это организм, который жил миллиарды лет назад и от которого произошла вся существующая жизнь.

RNA World Сторонники говорят, что у теории вентиляции есть две проблемы. выжить сегодня.Это то, что сделал Мартин.

Он исследовал ДНК 1930 современных микроорганизмов и идентифицировал 355 генов, которые были почти у всех из них. Это, возможно, свидетельствует о том, что эти 355 генов передавались из поколения в поколение с тех пор, как эти 1930 микробов имели общего предка - примерно в то время, когда LUCA была жива.

Среди 355 генов были некоторые для использования протонного градиента, но не гены для его генерации - в точности, как предсказывали теории Рассела и Мартина.Более того, похоже, что LUCA адаптирована к присутствию химических веществ, таких как метан, что позволяет предположить, что он населял вулканически активную среду - например, вентиляционное отверстие.

Несмотря на это, сторонники RNA World говорят, что у теории вентиляции есть две проблемы. Одно потенциально могло быть исправлено: другое могло быть фатальным.

Первая проблема состоит в том, что нет экспериментальных свидетельств описанных Расселом и Мартином процессов. У них есть пошаговая история, но ни один из шагов не был замечен в лаборатории.

«Люди, которые думают, что репликация была первой, они постоянно предоставляют новые экспериментальные данные», - говорит эксперт по происхождению жизни Армен Мулкиджанян. «Люди, которые предпочитают метаболизм в первую очередь, этого не делают».

Химический состав всех этих молекул несовместим с водой

Это может измениться благодаря коллеге Мартина Нику Лейну из Университетского колледжа Лондона. Он построил «реактор происхождения жизни», который будет имитировать условия внутри щелочной вентиляции. Он надеется наблюдать метаболические циклы и, возможно, даже такие молекулы, как РНК.Но это еще не все.

Вторая проблема - расположение жерл в глубоком море. Как указал Миллер в 1988 году, длинноцепочечные молекулы, такие как РНК и белки, не могут образовываться в воде без ферментов, которые им помогают.

Для многих исследователей это несостоятельный аргумент. «Если у вас есть химический опыт, вы не можете купить идею глубоководных жерл, потому что вы знаете, что химический состав всех этих молекул несовместим с водой», - говорит Мулкиджанян.

Несмотря на это, Рассел и его союзники остаются оптимистичными.

Но в последнее десятилетие на первый план вышел третий подход, подкрепленный серией необычных экспериментов. Это обещает то, что до сих пор не удалось ни миру РНК, ни гидротермальные источники: способ создать целую клетку с нуля.

Глава 5. Как сделать ячейку

К началу 2000-х существовали две основные идеи о том, как могла возникнуть жизнь. Сторонники «Мира РНК» были убеждены, что жизнь началась с самовоспроизводящейся молекулы.Тем временем ученые из лагеря «прежде всего метаболизм» разработали подробный рассказ о том, как жизнь могла зародиться в гидротермальных жерлах в глубоком море. Однако вот-вот выдвинулась третья идея.

Все живое на Земле состоит из клеток. Каждая клетка представляет собой мягкий шарик с жесткой внешней стенкой или «мембраной».

Смысл клетки - хранить вместе все необходимое для жизни. Если внешняя стенка разрывается, кишки выплескиваются наружу и клетка умирает - точно так же, как человеку, которому выпотрошили кишки, как правило, недолго осталось жить.

В условиях жары и бури ранней Земли некоторые сырьевые материалы должны были собраться в грубые клетки

Внешняя стенка клетки настолько важна, что некоторые исследователи происхождения жизни утверждают, что это, должно быть, первое, что возникло. Они думают, что попытки «прежде всего генетика», обсуждаемые в третьей главе, и идеи «прежде всего метаболизм», обсуждаемые в четвертой главе, ошибочны. Их альтернатива - «сначала разделение» - имеет своего чемпиона Пьера Луиджи Луизи из Университета Рома Тре в Риме, Италия.

Рассуждения Луизи просты, и с ними трудно спорить. Как вы могли бы настроить рабочий метаболизм или самовоспроизводящуюся РНК, каждая из которых зависит от наличия большого количества химических веществ в одном месте, если у вас сначала нет контейнера для хранения всех молекул?

Если вы согласитесь с этим, жизнь могла начаться только одним способом. Каким-то образом в жару и бурю ранней Земли некоторые виды сырья должны были собраться в сырые клетки или «протоклетки». Задача состоит в том, чтобы сделать это в лаборатории: создать простую живую клетку.

Луизи может проследить свои идеи вплоть до Александра Опарина и зарождения науки о происхождении жизни в СССР, что обсуждается в первой главе. Опарин подчеркнул тот факт, что некоторые химические вещества образуют капли, называемые коацерватами, которые могут удерживать другие вещества в своих ядрах. Он предположил, что эти коацерваты были первыми протоклетками.

Задача заключалась в том, чтобы сделать протоклетки только из нужного вещества.

Любое жирное или маслянистое вещество будет образовывать капли или пленки в воде.Эти химические вещества в совокупности известны как липиды, и идея о том, что они сформировали первую жизнь, получила название «липидный мир».

Но просто формировать капли недостаточно. Капли должны быть стабильными, они должны иметь возможность делиться, образуя «дочерние» капли, и им нужен хотя бы некоторый контроль над тем, что перемещается в них и из них - и все это без сложных белков, которые современные клетки используют для достижения этих целей. .

Задача заключалась в том, чтобы сделать протоклетки только из нужного материала.Несмотря на то, что Луизи испробовал множество веществ за десятилетия, ему так и не удалось сделать ничего достаточно реалистичного, чтобы быть убедительным.

Затем в 1994 году Луизи сделал смелое предложение. Он предположил, что первые протоклетки должны были содержать РНК. Более того, эта РНК должна была реплицироваться внутри протоклетки.

Мы встречались на собраниях представителей истоков и обсуждали эти длинные споры.

Это был большой вопрос, и это означало отказ от подхода, основанного на чисто разделении.Но у Луизи были веские причины.

Клетка с внешней стенкой, но без генов внутри, не могла ничего сделать. Он мог бы делиться на дочерние клетки, но не мог передавать никакой информации о себе своему потомству. Он мог бы начать развиваться и становиться все более сложным, только если бы содержал какие-то гены.

Эта идея скоро получит решающую поддержку в лице Джека Шостака, чью работу над гипотезой мира РНК мы исследовали в третьей главе. В то время как Луизи был членом лагеря, ориентированного на компартментализацию, Шостак поддерживал приоритетность генетики, поэтому в течение многих лет они не встречались с глазу на глаз.

«Мы встречались на встречах по происхождению и долго спорили о том, что важнее, а что первым», - вспоминает Шостак. «В конце концов мы поняли, что в клетках есть и то, и другое. Мы пришли к консенсусу, что для происхождения жизни критически важно иметь как компартментализацию, так и генетическую систему».

Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе

В 2001 году Шостак и Луизи изложили свои аргументы в пользу этого более унифицированного подхода. В статье Nature они утверждали, что должно быть возможно создавать простые живые клетки с нуля, размещая реплицирующиеся РНК в простом жирном пятне.

Это была драматическая идея, и вскоре Шостак решил вложить свои деньги туда, где ему было нужно. Рассуждая, что «мы не можем выдвинуть эту теорию без каких-либо подтверждений», он решил начать эксперименты с протоклетками.

Два года спустя Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе.

Они экспериментировали с пузырьками: сферическими каплями с двумя слоями жирных кислот снаружи и центральной жидкостью.

Монтмориллонит и подобные ему глины могут иметь важное значение в происхождении жизни

Пытаясь найти способ ускорить создание пузырьков, они добавили маленькие частицы разновидности глины, называемой монтмориллонитом.

Это заставило пузырьки формироваться в 100 раз быстрее. Поверхность глины действовала как катализатор, как и фермент.

Более того, везикулы могут поглощать как частицы монтмориллонита, так и нити РНК с поверхности глины. Эти протоклетки теперь содержали гены и катализатор, все из одной простой установки.

Решение о добавлении монтмориллонита было принято не случайно. Несколько десятилетий работы показали, что монтмориллонит и подобные ему глины могут играть важную роль в происхождении жизни.

Монтмориллонит - обычная глина. В настоящее время его используют для самых разных целей, в том числе для изготовления наполнителя для кошачьих туалетов. Он образуется, когда вулканический пепел разрушается погодой. Поскольку на ранней Земле было много вулканов, вполне вероятно, что монтмориллонита было в изобилии.

Еще в 1986 году химик Джеймс Феррис показал, что монтмориллонит является катализатором, который помогает формированию органических молекул. Позже он обнаружил, что он также ускоряет образование малых РНК.

Это заставило Ферриса предположить, что эта невзрачная глина была местом зарождения жизни.Шостак взял эту идею и реализовал ее, используя монтмориллонит, чтобы построить свои протоклетки.

Если протоклетки могли расти, возможно, они также могли бы делиться

Год спустя команда Шостака обнаружила, что их протоклетки могут расти сами по себе.

По мере того, как все больше молекул РНК упаковывалось в протоклетку, внешняя стенка подвергалась все возрастающему натяжению. Как будто протоклетка набита желудком и может лопнуть.

Для компенсации протоклетка собрала больше жирных кислот и включила их в свою стенку, что позволило ей набухнуть до большего размера и ослабить напряжение.

Что особенно важно, он взял жирные кислоты из других протоклеток, которые содержали меньше РНК, что привело к их сокращению. Это означало, что протоклетки конкурировали, а те, у которых было больше РНК, побеждали.

Это наводило на мысль о еще более впечатляющем. Если протоклетки могли расти, возможно, они также могли бы делиться. Могут ли протоклетки Шостака воспроизводиться?

Первые эксперименты Шостака показали способ деления протоклеток. Выдавливание их через маленькие отверстия вытягивало их в трубочки, которые затем распадались на «дочерние» протоклетки.

Протоклетки росли и меняли форму, вытягиваясь в длинные, похожие на веревку нити

Это было аккуратно, потому что не задействовался клеточный механизм: просто приложение давления. Но это не было отличным решением, потому что протоклетки потеряли часть своего содержимого в процессе. Это также означало, что первые клетки могли делиться только в том случае, если их проталкивали через крошечные отверстия.

Есть много способов заставить везикулы делиться: например, добавление сильного потока воды, создающего силу сдвига.Хитрость заключалась в том, чтобы заставить протоклетки делиться, не разрывая кишки.

В 2009 году Шостак и его ученик Тин Чжу нашли решение. Они сделали несколько более сложные протоклетки с несколькими концентрическими внешними стенками, немного похожими на слои луковицы. Несмотря на свою сложность, эти протоклетки все же было легко изготовить.

По мере того, как Чжу кормил их все большим количеством жирных кислот, протоклетки росли и меняли форму, вытягиваясь в длинные, похожие на веревку нити. Как только протоклетка становится достаточно длинной, небольшого усилия сдвига становится достаточно, чтобы разбить ее на десятки маленьких дочерних протоклеток.

Каждая дочерняя протоклетка содержала РНК от родительской протоклетки, и почти вся РНК была потеряна. Более того, протоклетки могут повторять цикл многократно, при этом дочерние протоклетки растут, а затем делятся сами.

В более поздних экспериментах Чжу и Шостак нашли еще больше способов убедить протоклетки разделиться. По крайней мере, этот аспект проблемы вроде бы решен.

Однако протоклетки все еще недостаточно работали. Луизи хотел, чтобы протоклетки содержали реплицирующуюся РНК, но до сих пор РНК просто сидела в них и ничего не делала.

В этих пыльных бумагах были спрятаны ценные ключи.

Чтобы действительно показать, что его протоклетки могли быть первой жизнью на Земле, Шостаку нужно было убедить РНК внутри них воспроизвести себя.

Это будет нелегко, потому что, несмотря на десятилетия попыток, описанных в главе 3, никому не удалось создать РНК, которая могла бы самовоспроизводиться. Это была та самая проблема, которая загнала Шостака в тупик в его ранней работе над «Миром РНК», и которую никому другому не удалось решить.

Итак, он вернулся и перечитал работу Лесли Оргела, который так долго работал над гипотезой мира РНК. В этих пыльных бумагах были похоронены ценные улики.

Оргел провел много 1970-х и 1980-х годов, изучая, как копируются цепи РНК.

Это могло быть так, как первая жизнь копировала свои гены

По сути, это просто. Возьмите одну цепь РНК и пул свободных нуклеотидов. Затем используйте эти нуклеотиды для сборки второй цепи РНК, комплементарной первой.

Например, цепь РНК, которая читается как «CGC», будет давать комплементарную цепь, которая читается как «GCG». Если вы сделаете это дважды, вы получите копию оригинального "CGC" окольным путем.

Оргел обнаружил, что при определенных обстоятельствах цепи РНК могут копироваться таким образом без какой-либо помощи ферментов. Возможно, именно так первая жизнь скопировала свои гены.

К 1987 году Orgel мог взять цепь РНК длиной 14 нуклеотидов и создать дополнительные цепи, длина которых также была 14 нуклеотидов.Больше ему ничего не удавалось, но этого было достаточно, чтобы заинтриговать Шостака. Его ученица Катаржина Адамала пыталась вызвать эту реакцию в протоклетках.

Они построили протоклетки, которые держатся за их гены, одновременно принимая полезные молекулы извне.

Они обнаружили, что для работы реакции необходим магний, что было проблемой, потому что магний разрушил протоклетки. Но было простое решение: цитрат, который почти идентичен лимонной кислоте в лимонах и апельсинах и в любом случае содержится во всех живых клетках.

В исследовании, опубликованном в 2013 году, они добавили цитрат и обнаружили, что он цепляется за магний, защищая протоклетки, позволяя продолжить копирование шаблона.

Другими словами, они достигли того, что Луизи предложил в 1994 году. «Мы начали заниматься химией репликации РНК внутри этих везикул жирных кислот», - говорит Шостак.

Всего за десять лет исследований команда Шостака достигла выдающихся результатов.

Они построили протоклетки, которые держатся за свои гены, принимая полезные молекулы извне.Протоклетки могут расти, делиться и даже соревноваться друг с другом. РНК может реплицироваться внутри них. По любым меркам они поразительно похожи на живые.

Подход Шостака пошел вразрез с 40-летней работой над источником жизни

Они также устойчивы. В 2008 году команда Шостака обнаружила, что протоклетки могут выжить при нагревании до 100 ° C - температуры, которая уничтожит большинство современных клеток. Это подтвердило тот факт, что протоклетки были похожи на первую жизнь, которая должна была выдерживать обжигающий жар от постоянных ударов метеоритов.

«Шостак делает большую работу», - говорит Армен Мулкиджанян.

Однако на первый взгляд подход Шостака противоречил 40-летним исследованиям происхождения жизни. Вместо того, чтобы сосредоточиться на «сначала репликации» или «сначала компартментализации», он нашел способы добиться того, чтобы и то и другое происходило практически одновременно.

Это вдохновило бы на новый единый подход к происхождению жизни, который пытается дать толчок сразу всем функциям жизни. Эта идея «все в первую очередь» уже накопила множество доказательств и потенциально может решить все проблемы с существующими идеями.

Глава 6. Великое объединение

На протяжении второй половины 20 века исследователи происхождения жизни работали в племенах. Каждая группа предпочитала собственное повествование и по большей части отвергала конкурирующие гипотезы. Этот подход, безусловно, оказался успешным, о чем свидетельствуют предыдущие главы, но каждая многообещающая идея происхождения жизни в конечном итоге наталкивается на серьезную проблему. Итак, несколько исследователей сейчас пробуют более унифицированный подход.

Эта идея получила свой первый большой импульс несколько лет назад в результате результата, который на первый взгляд, казалось, поддерживал традиционный мир РНК, ориентированный прежде всего на репликацию.

Все ключевые компоненты жизни могли быть сформированы сразу

К 2009 году у сторонников Мира РНК возникла большая проблема. Они не могли создавать нуклеотиды, строительные блоки РНК, так, как это, вероятно, могло произойти на ранней Земле. Это, как мы узнали из третьей главы, заставляло людей подозревать, что первая жизнь вообще не была основана на РНК.

Джон Сазерленд думал об этой проблеме с 1980-х годов. «Я подумал, если бы вы могли продемонстрировать, что РНК способна самостоятельно собираться, это было бы круто», - говорит он.

К счастью для Сазерленда, он получил работу в Лаборатории молекулярной биологии (LMB) в Кембридже, Великобритания. Большинство исследовательских институтов заставляют своих сотрудников постоянно публиковать новые открытия, но LMB этого не делает. Таким образом, Сазерленд мог подумать, почему так сложно создать нуклеотид РНК, и потратить годы на разработку альтернативного подхода.

Его решение привело бы его к предложению радикально новой идеи о происхождении жизни, а именно о том, что все ключевые компоненты жизни могут быть сформированы одновременно.

«Были некоторые ключевые аспекты химии РНК, которые не работали», - говорит Сазерленд. Каждый нуклеотид РНК состоит из сахара, основания и фосфата. Но убедить сахар и основу объединиться не удалось. Просто молекулы имели неправильную форму.

Он считает, что РНК была очень вовлечена, но это не было единым целым

Итак, Сазерленд начал пробовать совершенно другие вещества.В конце концов его команда остановилась на пяти простых молекулах, включая другой сахар и цианамид, который, как следует из названия, связан с цианидом. Команда провела с этими химическими веществами серию реакций, в результате которых были получены два из четырех нуклеотидов РНК, без образования отдельных сахаров или оснований.

Это был головокружительный успех, и он сделал имя Сазерленда.

Многие наблюдатели интерпретировали полученные данные как дополнительные доказательства существования мира РНК. Но сам Сазерленд совсем этого не видит.

«Классическая» гипотеза мира РНК утверждает, что у первых организмов РНК отвечала за все жизненные функции. Но Сазерленд говорит, что это «безнадежно оптимистично». Он считает, что РНК была очень вовлечена в процесс, но это не было единым целым.

Молекулы просто имели неправильную форму

Вместо этого он черпает вдохновение из недавней работы Джека Шостака, который, как обсуждалось в пятой главе, сочетает в себе мир РНК, «ориентированный на репликацию», с «компартментализацией» Пьера Луиджи Луизи. первые "идеи".

Но Сазерленд идет дальше. Его подход - «все в первую очередь». Он стремится собрать целую клетку с нуля.

Его первой подсказкой была странная деталь о его синтезе нуклеотидов, которая поначалу казалась случайной.

Последним шагом в процессе Сазерленда было прикрепление фосфата к нуклеотиду. Но он обнаружил, что лучше всего включать фосфат в смесь с самого начала, потому что это ускоряет более ранние реакции.

На первый взгляд, включение фосфата до того, как он был строго необходим, было неприятным занятием, но Сазерленд обнаружил, что этот беспорядок - это хорошо.

Получите достаточно сложную смесь, и все компоненты жизни могут образоваться одновременно.

Это заставило его задуматься о том, насколько беспорядочными должны быть его смеси. На ранней Земле, должно быть, существовали десятки или сотни химических веществ, плавающих вместе. Звучит как рецепт приготовления осадка, но, возможно, это был оптимальный уровень беспорядка.

Смеси, которые Стэнли Миллер сделал еще в 1950-х годах, которые мы рассмотрели в первой главе, были гораздо более беспорядочными, чем смеси Сазерленда.Они действительно содержали биологические молекулы, но Сазерленд говорит, что они «были в следовых количествах, и они сопровождались огромным количеством других соединений, которые не являются биологическими».

Для Сазерленда это означало, что установка Миллера была недостаточно хороша. Это было слишком грязно, поэтому полезные химические вещества терялись в смеси.

Итак, Сазерленд решил найти «химию Златовласки»: такую, которая не настолько беспорядочная, что становится бесполезной, но также не настолько проста, чтобы ограничивать свои возможности.Получите достаточно сложную смесь, и все компоненты жизни могут образоваться одновременно, а затем соединиться.

Другими словами, четыре миллиарда лет назад на Земле был пруд. Он оставался там годами, пока смесь химикатов не стала подходящей. Затем, возможно, через несколько минут появилась первая ячейка.

Это может показаться неправдоподобным, как утверждения средневековых алхимиков. Но свидетельств Сазерленда растет. С 2009 года он показал, что тот же химический состав, что и два его нуклеотида РНК, может также создавать многие другие молекулы жизни.

Весь наш подход к происхождению жизни за последние 40 лет был неправильным

Очевидным следующим шагом было создание большего количества нуклеотидов РНК. Ему пока не удалось это сделать, но в 2010 году он создал близкородственные молекулы, которые потенциально могут превращаться в нуклеотиды.

Точно так же в 2013 году он сделал предшественники аминокислот. На этот раз ему нужно было добавить цианид меди, чтобы реакция пошла.

Химические вещества, связанные с цианидами, оказались общей темой, и в 2015 году Сазерленд пошел еще дальше.Он показал, что тот же самый горшок с химическими веществами может также производить предшественники липидов, молекулы, из которых состоят клеточные стенки. Все реакции были вызваны ультрафиолетовым светом, с участием серы и медью для их ускорения.

«Все строительные блоки [возникают] из общего ядра химических реакций», - говорит Шостак.

Эксперименты были слишком чистыми

Если Сазерленд прав, то весь наш подход к происхождению жизни за последние 40 лет был ошибочным.С тех пор, как стала очевидна явная сложность клетки, ученые работали над предположением, что первые клетки должны были создаваться постепенно, по одной части.

Следуя предложению Лесли Оргела о РНК, исследователи «пытались поставить одно перед другим, а затем заставили их изобрести другое», - говорит Сазерленд. Но он считает, что лучший способ - сделать все сразу.

«Мы опровергли идею о том, что слишком сложно сделать все за один раз», - говорит Сазерленд.«Вы, конечно, можете создать строительные блоки для всех систем одновременно».

Шостак теперь подозревает, что большинство попыток создать молекулы жизни и собрать их в живые клетки потерпели неудачу по той же причине: эксперименты были слишком чистыми.

Я действительно вернулся к мысли, что первый полимер был чем-то довольно близким к РНК

Ученые использовали несколько интересующих их химикатов, исключив все остальные, которые, вероятно, присутствовали в ранняя Земля.Но работа Сазерленда показывает, что, добавляя в смесь еще несколько химикатов, можно создать более сложные явления.

Шостак испытал это на себе в 2005 году, когда пытался заставить свои протоклетки принимать фермент РНК. Ферменту нужен магний, который разрушает мембраны протоклеток.

Решение оказалось неожиданным. Вместо того, чтобы делать везикулы из одной чистой жирной кислоты, они сделали их из смеси двух. Эти новые нечистые везикулы могли справиться с магнием - а это означало, что они могли стать хозяином для работающих ферментов РНК.

Более того, Шостак говорит, что первые гены тоже могли охватывать беспорядок.

Современные организмы используют чистую ДНК для переноса своих генов, но чистой ДНК, вероятно, поначалу не существовало. Это была бы смесь нуклеотидов РНК и нуклеотидов ДНК.

В 2012 году Шостак показал, что такая смесь может собираться в «мозаичные» молекулы, которые выглядят и ведут себя очень похоже на чистую РНК. Эти перемешанные цепи РНК / ДНК могли даже аккуратно сложиться.

Есть одна проблема, которую ни Сазерленд, ни Шостак не нашли решения для

. Это предполагает, что не имеет значения, если первые организмы не могли производить чистую РНК или чистую ДНК.«Я действительно вернулся к мысли, что первый полимер был чем-то очень похожим на РНК, более сложной версией РНК», - говорит Шостак.

Возможно, даже найдется место для альтернатив РНК, которые были приготовлены в лабораториях, таких как TNA и PNA, с которыми мы познакомились в третьей главе. Мы не знаем, существовали ли какие-либо из них когда-либо на Земле, но если да, то первые организмы вполне могли использовать их вместе с РНК.

Это не был мир РНК: это был «мир Ходжа-Толстяка».

Урок из этих исследований состоит в том, что создание первой ячейки, возможно, было не так сложно, как когда-то казалось.Да, клетки - это сложные машины. Но оказывается, что они все еще работают, хотя и не так хорошо, когда их бросают в заблуждение из того, что есть под рукой.

Казалось бы, такие неуклюжие клетки не выжили бы на ранней Земле. Но у них не было бы большой конкуренции и не было бы угрожающих хищников, так что во многих отношениях жизнь могла быть легче тогда, чем сейчас.

Есть одна проблема, которую ни Сазерленд, ни Шостак не нашли решения, и это большая проблема.У первого организма должна была быть какая-то форма метаболизма. С самого начала жизнь должна была получить энергию, иначе она бы умерла.

Тогда жизнь могла быть проще, чем сейчас.

В этом пункте, хотя бы ни в чем другом, Сазерленд соглашается с Майком Расселом, Биллом Мартином и другими сторонниками теорий четвертой главы «метаболизм - прежде всего». «Пока ребята из RNA боролись с ребятами из области метаболизма, обе стороны были правы», - говорит Сазерленд.

«Истоки метаболизма каким-то образом должны быть там», - говорит Шостак.«Источник химической энергии будет большим вопросом».

Даже если Мартин и Рассел ошибаются в том, что жизнь зарождается в глубоководных жерлах, многие элементы их теории почти наверняка верны. Один из них - важность металлов для зарождения жизни.

В природе многие ферменты имеют в своей основе атом металла. Часто это «активная» часть фермента, а остальная часть молекулы по существу является опорной структурой. В первой жизни не могло быть этих сложных ферментов, поэтому вместо этого она, вероятно, использовала «голые» металлы в качестве катализаторов.

Жизнь не может начаться в морских глубинах.

Гюнтер Вехтерсхойзер указал на это, когда предположил, что жизнь формируется на железном пирите. Точно так же Рассел подчеркивает, что воды гидротермальных источников богаты металлами, которые могут действовать как катализаторы, а исследование LUCA Мартином обнаружило много ферментов на основе железа.

В свете этого, это говорит о том, что многие химические реакции Сазерленда зависят от меди (и, кстати, от серы, которую также подчеркивал Вехтершойзер), и что РНК в протоклетках Шостака нуждается в магнии.

Возможно, гидротермальные источники еще будут иметь решающее значение. «Если вы посмотрите на современный метаболизм, там есть все эти действительно наводящие на размышления вещи, такие как кластеры железо-сера», - говорит Шостак. Это соответствует представлению о том, что жизнь зародилась в вентиляционном отверстии или вокруг него, где вода богата железом и серой.

Тем не менее, если Сазерленд и Шостак на правильном пути, один аспект теории вентиляции определенно неверен: жизнь не могла начаться в глубоком море.

«Обнаруженный нами химический состав настолько зависит от УФ [ультрафиолетового света]», - говорит Сазерленд.Единственный источник ультрафиолетового излучения - Солнце, поэтому его реакции могут происходить только в солнечных местах. «Это исключает сценарий глубоководных источников».

Может быть, жизнь началась на суше, в вулканическом пруду

Шостак соглашается, что морские глубины не были рассадником жизни. «Хуже всего то, что он изолирован от химии атмосферы, которая является источником высокоэнергетических исходных материалов, таких как цианид».

Но эти проблемы вовсе не исключают гидротермальные источники.Возможно, вентиляционные отверстия находились просто на мелководье, где до них мог доходить солнечный свет и цианид.

Армен Мулкиджанян предложил альтернативу. Может, жизнь началась на суше, в вулканическом пруду.

Мулкиджанян изучил химический состав клеток: в частности, какие химические вещества они допускают, а какие не пропускают. Оказывается, все клетки, независимо от того, к какому организму они принадлежат, содержат много фосфатов, калия и других металлов, но почти не содержат натрия.

Моим любимым сценарием на данный момент были бы какие-то мелкие озера или пруды на поверхности

В настоящее время клетки достигают этого, закачивая и выкачивая предметы, но первые клетки не могли этого сделать, потому что у них не было бы необходимая техника.Итак, Мулкиджанян предположил, что первые клетки образовались где-то с примерно такой же смесью химических веществ, как и современные клетки.

Это немедленно устраняет океан. Клетки содержат гораздо более высокий уровень калия и фосфата, чем когда-либо был океан, и гораздо меньше натрия.

Вместо этого он указывает на геотермальные пруды, обнаруженные рядом с действующими вулканами. В этих прудах содержится именно тот коктейль металлов, который содержится в клетках.

Шостак фанат. «Я думаю, что мой любимый сценарий на данный момент - это какие-то мелкие озера или пруды на поверхности в геотермически активной зоне», - говорит он.«У вас есть гидротермальные источники, но они не похожи на глубоководные, а больше похожи на те, что есть в вулканических областях, таких как Йеллоустоун».

Земля была поражена метеоритами в течение первых полмиллиарда лет своего существования

Химия Сазерленда вполне могла сработать в таком месте. В источниках содержатся подходящие химические вещества, уровень воды колеблется, поэтому некоторые места будут время от времени пересыхать, и есть много ультрафиолетового излучения от Солнца.

Более того, Шостак говорит, что пруды подходят для его протоклеток.

«Протоклетки большую часть времени могут быть относительно холодными, что хорошо для копирования РНК и других видов простого метаболизма», - говорит Шостак. «Но время от времени они ненадолго нагреваются, и это помогает цепям РНК разделиться на части, готовые к следующему раунду репликации». Также будут токи, вызванные потоками горячей воды, которые могут помочь протоклеткам делиться.

Опираясь на многие из тех же аргументов, Сазерленд выдвинул третий вариант: зона падения метеорита.

Земля была поражена метеоритами в течение первых полмиллиарда лет своего существования - и с тех пор периодически на нее падали. Удар приличного размера создаст обстановку, очень похожую на пруды Мулкиджаняна.

Во-первых, метеориты в основном металлические. Зоны воздействия обычно богаты полезными металлами, такими как железо, а также серой. И что особенно важно, удары метеоритов расплавляют земную кору, что приводит к геотермальной активности и горячей воде.

Если выяснится, что в одном из сценариев отсутствует ключевое химическое вещество или что-то, что разрушает протоклетки, будет исключено

Сазерленд представляет небольшие реки и ручьи, стекающие по склонам ударного кратера, выщелачивая цианид. химические вещества на основе горных пород, в то время как ультрафиолетовое излучение льется сверху.В каждом потоке будет немного разная смесь химикатов, поэтому будут происходить разные реакции и образоваться целый ряд органических химикатов.

Наконец, потоки впадут в вулканический пруд на дне кратера. Это могло быть в таком пруду, где все части сошлись вместе и образовались первые протоклетки.

«Это очень специфический сценарий», - говорит Сазерленд. Но он выбрал его на основании обнаруженных им химических реакций. "Это единственное, что мы можем придумать, совместимое с химией.«

Шостак в любом случае не уверен, но он согласен с тем, что идея Сазерленда заслуживает пристального внимания.» Я думаю, что сценарий столкновения хорош. Я думаю, что идея вулканических систем тоже может сработать. Есть несколько аргументов в пользу каждого ».

На данный момент эти дебаты, похоже, продолжаются. Но это не будет принято по прихоти. Решение будет зависеть от химии и протоклеток. Если окажется, что это одно из в сценариях отсутствует ключевое химическое вещество или что-то, что разрушает протоклетки, будет исключено.

Это означает, что впервые в истории у нас есть начало исчерпывающего объяснения того, как зародилась жизнь.

«Все становится намного более достижимым, - говорит Сазерленд.

Лучшее, что мы можем когда-либо сделать, - это составить историю, которая согласуется со всеми доказательствами.

Пока что подход Шостака и Сазерленда «все и сразу» предлагает только отрывочное повествование. Но те шаги, которые были разработаны, подкреплены десятилетиями экспериментов.

В этой идее также учитываются все подходы к происхождению жизни. Он пытается использовать все их хорошие стороны, в то же время решая все их проблемы. Например, он не столько пытается опровергнуть идеи Рассела о гидротермальных источниках, сколько, скорее, включить их лучшие элементы.

Мы не можем точно знать, что произошло четыре миллиарда лет назад. «Даже если вы сделали реактор и на другой стороне выскочили бы E. coli … вы все равно не сможете доказать, что мы возникли таким образом», - говорит Мартин.

Лучшее, что мы можем когда-либо сделать, - это составить историю, которая согласуется со всеми доказательствами: с экспериментами по химии, с тем, что мы знаем о ранней Земле, и с тем, что биология открывает о древнейших формах жизни. Наконец, после столетия напряженных усилий, эта история стала очевидной.

Это означает, что мы приближаемся к одному из величайших разделов в истории человечества: разрыву между теми, кто знает историю начала жизни, и теми, кто никогда не знал.

Некоторые из ныне живущих людей станут первыми в истории, кто сможет честно сказать, что они знают, откуда они пришли

Каждый человек, умерший до того, как Дарвин опубликовал Происхождение видов в 1859 году, не знал о происхождении человечества, потому что они ничего не знали об эволюции.Но все живущие сейчас, за исключением изолированных групп, могут знать правду о нашем родстве с другими животными.

Точно так же все, кто родился после того, как Юрий Гагарин облетел Землю в 1961 году, жили в обществе, которое может путешествовать в другие миры. Даже если мы никогда не поедем сами, космические путешествия - это реальность.

Эти факты незаметно меняют наше мировоззрение. Возможно, они делают нас мудрее. Эволюция учит нас ценить все живые существа, потому что они наши кузены. Космические путешествия позволяют нам увидеть наш мир на расстоянии, показывая, насколько он уникален и хрупок.

Некоторые из ныне живущих людей станут первыми в истории, кто сможет честно сказать, что они знают, откуда они пришли. Они узнают, каким был их предок и где он жил.

Эти знания изменят нас. На чисто научном уровне он расскажет нам о вероятности образования жизни во Вселенной и о том, где ее искать. И это расскажет нам кое-что о сущности жизни. Но помимо этого, мы еще не можем знать мудрость, которую откроет происхождение жизни.

Присоединяйтесь к более чем пяти миллионам поклонников BBC Earth, поставив нам лайк на Facebook или подписавшись на нас в Twitter и Instagram.

Если вам понравился этот рассказ, подпишитесь на еженедельную рассылку новостей bbc.com под названием «Если вы прочитаете только 6 статей на этой неделе». Тщательно подобранная подборка историй из BBC Future, Earth, Culture, Capital, Travel и Autos, которые доставляются на ваш почтовый ящик каждую пятницу.

Comments