33.6: Условия на ранней Земле

Около 4 миллиардов лет назад океаны начали конденсироваться на Земле, в то время как извержения вулканов выделяли азот, углекислый газ, метан, аммиак и водород в первозданную атмосферу. Однако организмов с характеристиками жизни изначально не было на Земле. Ученые использовали эксперименты, чтобы определить, как развивались организмы, которые могли расти, воспроизводиться и поддерживать внутреннюю среду.

В 1920-х годах ученые Опарин и Холдейн выдвинули идею о том, что простые биологические соединения могли образоваться на ранней Земле. Более 30 лет спустя Стэнли Миллер и Гарольд Юри из Чикагского университета проверили эту гипотезу, смоделировав условия атмосферы и океанов ранней Земли в лабораторных условиях. Используя электричество в качестве источника энергии, эксперимент Миллера-Юри генерировал аминокислоты и другие органические молекулы, показывая, что среда на ранней Земле способствовала образованию биологических молекул. Более поздние эксперименты дали сопоставимые результаты и предполагают, что аминокислоты могли образоваться вблизи районов вулканической активности или гидротермальных источников в океане.

Аминокислоты и небольшие органические молекулы могут затем самоорганизоваться с образованием более сложных макромолекул. Например, попадание аминокислот или нуклеотидов в горячий песок может привести к образованию соответствующих полимеров, белков и нуклеиновых кислот соответственно. Класс макромолекул, называемых липидами, мог затем образовать везикулы, обеспечивающие отдельную внутреннюю среду. Эта способность отделять внутреннее от внешнего - одна из ключевых характеристик жизни. Еще одна характеристика жизни - наличие генетического материала; РНК, вероятно, была первой наследственной генетической информацией. Специализированные везикулы, называемые протоклетками, вероятно, содержат РНК, способную реплицироваться. Эти простые протоклетки также могут расти и развиваться, создавая основу для формирования клеточной жизни на Земле.

Каким образом клетки впервые появляются на планете Земля? На основе экспериментальных наблюдений ученые думают, что специфическая среда на ранней Земле привела к формированию клеток за несколько шагов. Серии вулканических извержений произошли на Земле около четырёх миллиардов лет назад, принеся аммиак, метан, водород, и другие газы в атмосферу, заполненную водяным паром.

По мере охлаждения Земли водные пары конденсировали в океаны. В 1920-е годы учёные предположили, что ультрафиолетовое излучение или освещение могло привести к образованию небольших органических молекул в этих океанах. В 1952 году Стэнли Миллер и Гарольд Урей испытали эту идею в лаборатории.

Эксперимент Миллера-Урея симулировал раннюю земную атмосферу и океаны. При наличии электричества они наблюдали за образованием аминокислот, строительных блоков белков. С тех пор, ученые высказали предположение, что эти строительные блоки, возможно, сформировались около гидротермальных вентов в океане, вблизи вулканической активности или в результате ударов метеоритов по Земле.

Как были сформированы сложные молекулы, которые мы знаем сегодня? Недавние исследования показали, что нуклеотиды могут самопроизвольно соединяться вместе, образуя нуклеиновые кислоты. Это указывает на то, что самые ранние биомолекулы собрались сами из небольших строительных блоков.

Другой класс макромолекул, называемых липидами, может самостоятельно организовываться и формировать пузырьки, которые отделяют внутреннюю часть везикулы от окружающей среды. Постоянные условия внутри везикул, возможно, помогли образованию протоклеток, важный шаг в развитии жизни. Эти протоклетки, скорее всего, содержали РНК как генетический материал.

РНК самореплицировалась и была передана дальше, последующим поколениям. Экстремальные условия на ранней Земле позволили сформировать эти РНК-содержащие протоклетки, из которых, скорее всего, эволюционировали ДНК-содержащие структуры.