Как могла появиться жизнь на Земле и сколько раз она могла исчезнуть

Химическая эволюция

Одна из самых известных гипотез происхождения жизни на Земле — теория химической эволюции, предложенная ещё в первой половине XX века. Согласно ей всё началось с простых органических молекул, которые постепенно усложнялись в условиях становления планеты. Атмосфера тогда была восстановительной, а источниками энергии служили молнии, ультрафиолет и вулканическая активность. Классический эксперимент Миллера — Юри в 1953 году показал, что аминокислоты — «кирпичики» белков — могут спонтанно образовываться из простых газов при воздействии электрических разрядов. С тех пор учёные значительно продвинулись: в лабораториях удалось получить не только аминокислоты, но и нуклеотиды — компоненты РНК и ДНК. Однако главный вопрос остаётся открытым: как именно из этих молекул возникла самовоспроизводящаяся система, способная к эволюции?

Стэнли Миллер демонстрирует свой эксперимент, в котором смоделированы гипотетические условия раннего периода развития Земли с целью проверить возможность химической эволюции Фото: public domain

Мир РНК

Ответ на поставленный выше вопрос — гипотеза «мира РНК». Она предполагает, что до появления ДНК и белков существовали системы, основанные на РНК, которая могла одновременно хранить информацию и выполнять каталитические функции. Эксперименты показали, что РНК действительно способна выступать в роли фермента (так называемого рибозима), а значит, теоретически может поддерживать примитивный метаболизм. Однако полностью воспроизвести самоподдерживающуюся РНК-систему в лаборатории пока не удалось. Тем не менее эта теория остаётся одной из наиболее проработанных и широко обсуждаемых в современной биохимии.

Гидротермальные источники

Другая популярная гипотеза связывает происхождение жизни с гидротермальными источниками на дне океана. В этих зонах горячая вода, богатая минералами, выходит из недр Земли и создаёт уникальные химические градиенты. Такие условия могут способствовать синтезу органических молекул и формированию первых метаболических цепей. Более того, современные микроорганизмы, обитающие в экстремальных условиях — при высокой температуре и давлении, — демонстрируют, что жизнь может существовать без солнечного света, опираясь на химическую энергию. Это делает гипотезу гидротермальных источников особенно привлекательной с точки зрения универсальности: подобные условия могут существовать и на других планетах.

Фумаролы — трещины у подножия вулканов — относятся к вероятным местам зарождения жизни Фото: © Endless luck / Shutterstock / FotoDom

Панспермия

Идея о том, что жизнь могла быть занесена на Землю извне, известна как панспермия. Долгое время она оставалась скорее философской гипотезой, но современные эксперименты начинают давать ей научную опору. Недавно американские учёные смоделировали условия, возникающие при падении на Землю астероида, способного выбросить породы с поверхности планеты в космос. Они использовали бактерии Deinococcus radiodurans, известные своей устойчивостью к радиации, холоду и обезвоживанию, а также способностью эффективно восстанавливать повреждённую ДНК. Микроорганизмы были помещены между металлическими пластинами и подвергнуты ударам с давлением до 3 ГПа — это примерно в 30 раз выше давления в самой глубокой точке океана. Результаты оказались неожиданными: давление около 1,4 ГПа пережили почти все клетки бактерии, а при 2,4 ГПа выжило около 60 %. Анализ показал, что после удара у Deinococcus radiodurans активируются гены, отвечающие за восстановление ДНК и поддержание клеточной мембраны. Такие данные подтверждают возможность так называемой литопанспермии — переноса жизни между планетами на фрагментах пород. Но если и допустить, что микробы способны пережить выброс в космос, остаётся другой вопрос: смогут ли они выдержать длительное путешествие и вход в атмосферу другой планеты?

Жизнь и смерть

Современная наука всё чаще рассматривает происхождение жизни не как единичное событие, а как совокупность процессов, которые могли происходить параллельно или последовательно. Химическая эволюция могла подготовить молекулярную основу, гидротермальные системы — обеспечить энергетическую среду, а космические переносы — дополнить этот процесс новыми формами органики или даже готовыми микроорганизмами. Но что было дальше? Ведь после появления жизни на Земле она много раз могла погибнуть. Массовые вымирания меняли жизнь на нашей планете сильнее, чем любые эволюционные изменения. Некоторые уничтожали подавляющее большинство существовавших на тот момент видов, другие полностью меняли направление развития жизни — именно после таких катастроф стали доминировать динозавры, а затем и млекопитающие. Сегодня учёные всё чаще говорят, что планета может оказаться на пороге нового вымирания. 

Ордовикское вымирание

Первое из массовых вымираний произошло примерно 445–443 млн лет назад и уничтожило около 85 % морских видов. Всё началось с резкого похолодания: на планете сформировались крупные ледники, уровень моря быстро упал, а мелководные экосистемы, где обитало большинство организмов, просто исчезли. Однако ключевую роль сыграло не только похолодание, но и изменения в химическом составе океана. После таяния ледников в воде стало не хватать кислорода. Аноксия уничтожила целые морские экосистемы, включая древние кораллы, трилобитов и планктон. Именно сочетание климатических и химических изменений сегодня считается основной причиной первого глобального вымирания в истории Земли.

В момент Ордовикского вымирания жизнь на Земле почти полностью существовала в океане Фото: © Esteban De Armas / Shutterstock / FotoDom

Что такое массовые вымирания и почему они происходят

Массовое вымирание — процесс исчезновения большого количества видов за короткий с геологической точки зрения временной промежуток. Такие явления почти никогда не происходят из-за одной причины. В большинстве случаев это результат цепочки процессов. Например, мощные вулканические извержения могут резко изменить климат, затем меняется химический состав океанов, падает уровень кислорода — и в итоге разрушаются целые экосистемы. 

Пермское вымирание 

Для того чтобы вымирание стало крупнейшим в истории Земли, одного катастрофического события недостаточно — нужна цепочка процессов, которые усиливают друг друга. Именно таким было Пермское вымирание около 252 млн лет назад. Оно уничтожило примерно 90 % всех видов на планете, включая более 80–90 % морских организмов и около 70 % наземных позвоночных. Поэтому эту катастрофу часто называют Великим вымиранием. Главной причиной Пермского вымирания сегодня считают гигантские извержения так называемых Сибирских траппов — одно из крупнейших вулканических событий в истории Земли. По данным научных обзоров, извержения сопровождались выбросами огромного количества углекислого газа и сернистых соединений, что привело к резкому потеплению, кислотным дождям, разрушению озонового слоя и масштабной нехватке кислорода в океанах. Такой каскад экологических катастроф разрушил морские экосистемы почти полностью, а восстановление жизни заняло миллионы лет.

Во время Пермского вымирания водоёмы оказались переполнены токсичными веществами Иллюстрация: © earthsciences.uconn.edu

Триасовое вымирание

Следующее крупное массовое вымирание произошло примерно 201 млн лет назад — на границе триасового и юрского периодов. По данным научных обзоров, оно уничтожило значительную часть морских видов, а также многих наземных животных, включая крупных древних рептилий, которые доминировали на суше до появления динозавров. Точные оценки различаются, но считается, что исчезло около половины всех видов, существовавших в то время. Главной причиной этого вымирания сегодня считают мощные вулканические извержения, связанные с распадом древнего суперконтинента Пангея. Извержения вулканов сопровождались огромными выбросами углекислого газа, резким потеплением климата и изменением состава океанской воды. В результате разрушились многие экосистемы, а после вымирания освободившиеся экологические ниши заняли динозавры — именно тогда они стали доминирующими животными на планете.

Вымирание динозавров

Самое известное массовое вымирание произошло около 66 млн лет назад — на границе мелового и палеогенового периодов. Именно тогда погибли все нептичьи динозавры, а также множество морских организмов и крупных наземных животных. С лица Земли исчезло около 75 % всех видов. Это было одно из самых быстрых вымираний в истории планеты. Согласно наиболее распространённой теории причиной стало падение огромного астероида диаметром около 10 км в районе современной Мексики. Исследования показывают, что после удара в атмосферу поднялось огромное количество пыли и сажи, солнечный свет практически перестал достигать поверхности Земли, из-за чего температура резко упала, а экосистемы разрушились всего за несколько лет. Именно после этого события началась новая эпоха — эра млекопитающих.

Земля в момент падения астероида в районе полуострова Юкатан (слева) и пять дней спустя с загрязнённой пылью и сажей атмосферой (справа) Изображение: © Zuma / TASS / промт стиля Олеся Поповидченко / Сириус(Журнал

Будет ли новое массовое вымирание?

Сегодня всё больше учёных считают, что Земля может находиться на пороге нового массового вымирания. Скорость исчезновения видов сейчас в десятки раз выше естественного уровня, который существовал до появления человека. Многие виды исчезают ещё до того, как их успевают изучить, а сокращение биоразнообразия происходит быстрее, чем в большинстве известных геологических периодов. 

Главное отличие возможного «шестого вымирания» от древних катастроф в том, что его причиной становится не астероид, и не вулканическая активность, а влияние человека. Вырубка лесов, загрязнение океанов, вызванные антропогенным воздействием изменения климата и исчезновение природных экосистем одновременно влияют на тысячи видов по всему миру. Именно поэтому среди исследователей всё чаще звучит мнение, что сегодня мы наблюдаем не отдельные экологические проблемы, а начало процесса, который по масштабам может оказаться сопоставим с крупнейшими вымираниями в истории Земли.