Das Leben auf der Erde erschien vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren - es ist schwierig, den Moment genauer zu bestimmen, schon allein deshalb, weil es nicht einfach ist, die Grenze zwischen „fast lebendig“und „wirklich lebendig“zu ziehen. Wir können jedoch mit Sicherheit sagen, dass sich dieser magische Moment über viele, lange Millionen von Jahren erstreckte. Trotzdem war es ein echtes Wunder.
Um dieses Wunder in seinem wahren Wert zu würdigen, müssen Sie sich mit einer Reihe moderner Theorien vertraut machen, die verschiedene Optionen und Stadien der Geburt des Lebens beschreiben. Von einem lebhaften, aber leblosen Satz einfacher organischer Verbindungen bis zu Protoorganismen, die den Tod gekannt haben und in eine endlose Rasse biologischer Variabilität eingetreten sind. Sind diese beiden Begriffe - Veränderlichkeit und Tod - nicht die Ursache für die gesamte Lebenssumme?
1. Panspermie
Die Hypothese, Leben von anderen kosmischen Körpern auf die Erde zu bringen, hat viele maßgebliche Verteidiger. Diese Position hatten der große deutsche Wissenschaftler Hermann Helmholtz und der schwedische Chemiker Svante Arrhenius, der russische Denker Vladimir Vernadsky und der britische Lordphysiker Kelvin inne. Die Wissenschaft ist jedoch ein Bereich von Tatsachen, und nach der Entdeckung der kosmischen Strahlung und ihrer zerstörerischen Wirkung auf alle Lebewesen schien die Panspermie zu sterben.
Aber je tiefer Wissenschaftler in das Thema eintauchen, desto mehr Nuancen entstehen. Daher nehmen wir jetzt - einschließlich zahlreicher Experimente mit Raumfahrzeugen - die Fähigkeit lebender Organismen, Strahlung und Kälte, Wassermangel und andere "Freuden" des Aufenthalts im Weltraum zu tolerieren, viel ernster. Die Funde aller Arten organischer Verbindungen auf Asteroiden und Kometen, in fernen Gas- und Staubclustern und protoplanetaren Wolken sind zahlreich und zweifelsfrei. Behauptungen über die Entdeckung von Spuren von etwas, das Mikroben verdächtig ähnelt, bleiben jedoch unbewiesen.
Es ist leicht zu erkennen, dass die Theorie der Panspermie bei aller Faszination nur die Frage nach dem Ursprung des Lebens an einen anderen Ort und zu einer anderen Zeit überträgt. Was auch immer die ersten Organismen auf die Erde brachte - ein zufälliger Meteorit oder ein listiger Plan hochentwickelter Außerirdischer - sie mussten irgendwo und irgendwie geboren werden. Lassen Sie nicht hier und viel weiter in der Vergangenheit - aber das Leben musste aus lebloser Materie wachsen. Die Frage "Wie?" Überreste.
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1. Unwissenschaftlich: Spontane Erzeugung
Der spontane Ursprung hochentwickelter lebender Materie aus nicht lebender Materie - wie das Auftreten von Fliegenlarven in verfaultem Fleisch - kann mit Aristoteles in Verbindung gebracht werden, der die Gedanken vieler Vorgänger verallgemeinerte und eine ganzheitliche Doktrin der spontanen Erzeugung bildete. Wie andere Elemente der Philosophie von Aristoteles war die spontane Erzeugung die vorherrschende Lehre im mittelalterlichen Europa und wurde bis zu den Experimenten von Louis Pasteur unterstützt, der schlüssig zeigte, dass selbst Fliegenlarven das Fliegen von Elternfliegen erfordern. Verwechseln Sie die spontane Erzeugung nicht mit modernen Theorien über den abiogenen Ursprung des Lebens: Der Unterschied zwischen ihnen ist grundlegend.
2. Primärbrühe
Dieses Konzept steht in engem Zusammenhang mit den klassischen Experimenten, die Stanley Miller und Harold Urey den Status der 1950er Jahre erlangt hatten. Im Labor modellierten Wissenschaftler die Bedingungen, die nahe der Oberfläche der jungen Erde herrschen könnten - eine Mischung aus Methan, Kohlenmonoxid und molekularem Wasserstoff, zahlreiche elektrische Entladungen, ultraviolettes Licht - und bald wurden mehr als 10% des Kohlenstoffs aus Methan in die Form verschiedener organischer Moleküle umgewandelt. In den Miller-Urey-Experimenten wurden mehr als 20 Aminosäuren, Zucker, Lipide und Nukleinsäurevorläufer erhalten.
Moderne Variationen dieser klassischen Experimente verwenden viel ausgefeiltere Setups, die den Bedingungen der frühen Erde besser entsprechen. Sie simulieren die Auswirkungen von Vulkanen mit ihren Emissionen von Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid, dem Vorhandensein von Stickstoff usw. So schaffen es Wissenschaftler, eine große und vielfältige Menge an organischer Substanz zu erhalten - potenzielle Bausteine für potenzielles Leben. Das Hauptproblem dieser Experimente bleibt das Racemat: Isomere optisch aktiver Moleküle (wie Aminosäuren) werden in gleichen Mengen in einer Mischung gebildet, während alles uns bekannte Leben (mit wenigen und seltsamen Ausnahmen) nur L-Isomere enthält.
Wir werden jedoch später auf dieses Problem zurückkommen. Hier sollte auch hinzugefügt werden, dass der Cambridge-Professor John Sutherland und sein Team kürzlich - im Jahr 2015 - die Möglichkeit gezeigt haben, alle grundlegenden "Moleküle des Lebens", Komponenten von DNA, RNA und Proteinen aus einem sehr einfachen Satz von Anfangskomponenten zu bilden. Die Hauptfiguren dieser Mischung sind Cyanwasserstoff und Schwefelwasserstoff, die im Weltraum nicht so selten sind. Zu ihnen müssen noch einige Mineralien und Metalle hinzugefügt werden, die auf der Erde in ausreichenden Mengen vorhanden sind, wie Phosphate, Kupfer und Eisensalze. Wissenschaftler haben ein detailliertes Reaktionsschema entwickelt, mit dem eine reichhaltige "Ursuppe" hergestellt werden kann, in der Polymere vorkommen und eine vollwertige chemische Evolution ins Spiel kommt.
Die Hypothese des abiogenen Ursprungs des Lebens aus "organischer Brühe", die durch die Experimente von Miller und Urey getestet wurde, wurde 1924 vom sowjetischen Biochemiker Alexander Oparin aufgestellt. Und obwohl der Wissenschaftler in den "dunklen Jahren" der Blütezeit des Lysenkoismus die Seite der Gegner der wissenschaftlichen Genetik vertrat, sind seine Verdienste groß. In Anerkennung der Rolle eines Akademikers trägt sein Name die Hauptauszeichnung der Internationalen Wissenschaftlichen Gesellschaft für die Erforschung des Ursprungs des Lebens (ISSOL) - die Oparin-Medaille. Der Preis wird alle sechs Jahre vergeben und zu verschiedenen Zeiten sowohl an Stanley Miller als auch an den großen Chromosomenforscher, Nobelpreisträger Jack Shostak, vergeben. In Anerkennung des enormen Beitrags von Harold Urey vergibt ISSOL die Urey-Medaille zwischen der Oparin-Medaille (ebenfalls alle sechs Jahre). Das Ergebnis ist eine einzigartige, echte evolutionäre Auszeichnung - mit einem veränderlichen Namen.
3. Chemische Entwicklung
Die Theorie versucht, die Umwandlung relativ einfacher organischer Substanzen in ziemlich komplexe chemische Systeme, die Vorläufer des Lebens selbst, unter dem Einfluss externer Faktoren, der Selektionsmechanismen und der Selbstorganisation zu beschreiben. Das Grundkonzept dieses Ansatzes ist der "Wasser-Kohlenstoff-Chauvinismus", der diese beiden Komponenten (Wasser und Kohlenstoff - NS) als absolut notwendig und Schlüssel für die Entstehung und Entwicklung des Lebens auf der Erde oder irgendwo darüber hinaus darstellt. Das Hauptproblem bleiben die Bedingungen, unter denen sich der „Wasser-Kohlenstoff-Chauvinismus“zu hoch entwickelten chemischen Komplexen entwickeln kann, die vor allem zur Selbstreplikation fähig sind.
Einer der Hypothesen zufolge könnte die primäre Organisation von Molekülen in den Mikroporen von Tonmineralien auftreten, die eine strukturelle Rolle spielten. Der schottische Chemiker Alexander Graham Cairns-Smith hat diese Idee vor einigen Jahren vertreten. Komplexe Biomoleküle könnten sich auf ihrer inneren Oberfläche wie auf einer Matrix absetzen und polymerisieren: Israelische Wissenschaftler haben gezeigt, dass solche Bedingungen es ermöglichen, ausreichend lange Proteinketten zu züchten. Hier könnten sich die erforderlichen Mengen an Metallsalzen ansammeln, die als Katalysatoren für chemische Reaktionen eine wichtige Rolle spielen. Tonwände könnten als Zellmembranen fungieren, den "inneren" Raum, in dem immer komplexere chemische Reaktionen stattfinden, teilen und vom äußeren Chaos trennen.
Die Oberflächen kristalliner Mineralien könnten als "Matrizen" für das Wachstum von Polymermolekülen dienen: Die räumliche Struktur ihres Kristallgitters kann nur optische Isomere eines Typs auswählen - beispielsweise L-Aminosäuren - und das oben erwähnte Problem lösen. Energie für den primären "Metabolismus" könnte durch anorganische Reaktionen wie die Reduktion des Minerals Pyrit (FeS2) mit Wasserstoff (zu Eisensulfid und Schwefelwasserstoff) geliefert werden. In diesem Fall ist weder Blitz noch ultraviolette Strahlung für das Auftreten komplexer Biomoleküle erforderlich, wie in den Miller-Urey-Experimenten. Dies bedeutet, dass wir die schädlichen Aspekte ihres Handelns loswerden können.
Die junge Erde war nicht vor schädlichen - und sogar tödlichen - Bestandteilen der Sonnenstrahlung geschützt. Selbst moderne, evolutionär getestete Organismen könnten dieser harten ultravioletten Strahlung nicht standhalten - trotz der Tatsache, dass die Sonne selbst viel jünger war und dem Planeten nicht genügend Wärme gab. Daraus entstand die Hypothese, dass in der Zeit, als das Wunder des Ursprungs des Lebens geschah, die ganze Erde mit einer dicken Eisschicht bedeckt sein konnte - Hunderte von Metern; und das ist das Beste. Unter dieser Eisdecke versteckt, könnte sich das Leben vor ultravioletter Strahlung und vor häufigen Meteoriteneinschlägen, die es im Keim zu zerstören drohten, völlig sicher fühlen. Die relativ kühle Umgebung könnte auch die Struktur der ersten Makromoleküle stabilisieren.
4. Schwarze Raucher
In der Tat hätte ultraviolette Strahlung auf der jungen Erde, deren Atmosphäre noch keinen Sauerstoff enthielt und die nicht so wundervoll war wie die Ozonschicht, für jedes entstehende Leben tödlich sein müssen. Daraus entstand die Annahme, dass die zerbrechlichen Vorfahren lebender Organismen gezwungen waren, irgendwo zu existieren und sich vor dem ständigen Strom der Sterilisation aller und aller Strahlen zu verstecken. Zum Beispiel tief unter Wasser - natürlich dort, wo genügend Mineralien, Mischen, Wärme und Energie für chemische Reaktionen vorhanden sind. Und solche Orte wurden gefunden.
Gegen Ende des 20. Jahrhunderts wurde klar, dass der Meeresboden in keiner Weise ein Zufluchtsort für mittelalterliche Monster sein kann: Die Bedingungen hier sind zu hart, die Temperatur ist niedrig, es gibt keine Strahlung und seltene organische Stoffe können sich nur von der Oberfläche absetzen. Tatsächlich handelt es sich hierbei um riesige Halbwüsten - mit einigen bemerkenswerten Ausnahmen: Genau dort, tief unter Wasser, in der Nähe der Auslässe geothermischer Quellen, ist das Leben buchstäblich in vollem Gange. Mit Sulfiden gesättigtes Schwarzwasser ist heiß, aktiv gemischt und enthält viele Mineralien.
Raucher im Schwarzen Ozean sind sehr reiche und charakteristische Ökosysteme: Die Bakterien, die sich von ihnen ernähren, nutzen die Eisen-Schwefel-Reaktionen, die wir bereits besprochen haben. Sie sind die Basis für ein voll blühendes Leben, einschließlich einer Vielzahl einzigartiger Würmer und Garnelen. Vielleicht waren sie die Grundlage für den Ursprung des Lebens auf dem Planeten: Zumindest theoretisch tragen solche Systeme alles, was dazu notwendig ist.
2. Unwissenschaftlich: Geister, Götter, Vorfahren
Alle kosmologischen Mythen über den Ursprung der Welt werden immer von anthropogonischen gekrönt - über den Ursprung des Menschen. Und in diesen Fantasien kann man nur die Vorstellungskraft der alten Autoren beneiden: Auf die Frage, was, wie und warum der Kosmos entstand, wo und wie das Leben - und die Menschen - erschienen, klangen die Versionen sehr unterschiedlich und fast immer schön. Pflanzen, Fische und Tiere wurden von einem riesigen Raben vom Meeresboden gefangen, Menschen krochen aus dem Körper des Vorfahren Pangu, als aus Lehm und Asche geformte Würmer aus Ehen von Göttern und Monstern geboren wurden. Das alles ist überraschend poetisch, hat aber natürlich nichts mit Wissenschaft zu tun.
5. Die Welt der RNA
In Übereinstimmung mit den Prinzipien des dialektischen Materialismus ist das Leben eine "Einheit und ein Kampf" zweier Prinzipien: sich ändernde und vererbte Informationen einerseits und biochemische strukturelle Funktionen andererseits. Eins ist ohne das andere unmöglich - und die Frage, wo das Leben begann, mit Informationen und Nukleinsäuren oder mit Funktionen und Proteinen, bleibt eine der schwierigsten. Eine der bekannten Lösungen für dieses paradoxe Problem ist die RNA-Welthypothese, die Ende der 1960er Jahre auftauchte und schließlich Ende der 1980er Jahre Gestalt annahm.
RNA - Makromoleküle, die Informationen speichern und übertragen, sind nicht so effizient wie DNA und erfüllen enzymatische Funktionen - nicht so beeindruckend wie Proteine. Aber RNA-Moleküle sind zu beidem fähig und dienen bis jetzt als Übertragungsverbindung im Informationsaustausch der Zelle und katalysieren eine Reihe von Reaktionen darin. Proteine können ohne DNA-Informationen nicht replizieren, und DNA kann dies ohne Protein- "Fähigkeiten" nicht. RNA hingegen kann völlig autonom sein: Sie kann ihre eigene "Reproduktion" katalysieren - und das reicht zunächst einmal aus.
Studien im Rahmen der RNA-Welthypothese haben gezeigt, dass diese Makromoleküle zu einer vollwertigen chemischen Evolution fähig sind. Nehmen wir zum Beispiel ein anschauliches Beispiel, das von kalifornischen Biophysikern unter der Leitung von Lesley Orgel demonstriert wurde: Wenn Ethidiumbromid zu einer selbstreplikationsfähigen RNA-Lösung gegeben wird, die als Gift für dieses System dient und die RNA-Synthese blockiert, dann nach und nach mit einer Veränderung der Generationen von Makromolekülen in der Mischung Es erscheinen RNAs, die selbst gegen sehr hohe Konzentrationen des Toxins resistent sind. So etwas könnte sich entwickeln und die ersten RNA-Moleküle könnten einen Weg finden, die ersten Werkzeugproteine zu synthetisieren und dann - in Kombination mit ihnen - die Doppelhelix der DNA, den idealen Träger erblicher Informationen, für sich selbst "zu entdecken".
3. Unwissenschaftlich: Unveränderlichkeit
Nicht wissenschaftlicher als die Geschichten über die ersten Vorfahren können die Ansichten genannt werden, die den lauten Namen der Theorie eines stationären Staates tragen. Ihren Unterstützern zufolge ist überhaupt kein Leben entstanden - so wie die Erde weder geboren wurde noch der Kosmos erschien: Sie waren einfach immer, immer und werden es bleiben. All dies ist nicht mehr gerechtfertigt als die Pangu-Würmer: Um eine solche "Theorie" ernst zu nehmen, muss man die unzähligen Erkenntnisse der Paläontologie, Geologie und Astronomie vergessen. Und in der Tat, um das gesamte grandiose Gebäude der modernen Wissenschaft aufzugeben - aber dann lohnt es sich wahrscheinlich, alles aufzugeben, was seinen Bewohnern zusteht, einschließlich Computer und schmerzloser Zahnbehandlung.
6. Protozellen
Eine einfache Replikation reicht jedoch nicht für ein "normales Leben" aus: Jedes Leben ist in erster Linie ein räumlich isolierter Bereich der Umgebung, der Stoffwechselprozesse trennt, den Verlauf einiger Reaktionen erleichtert und das Ausschließen anderer ermöglicht. Mit anderen Worten, das Leben ist eine Zelle, die von einer semipermeablen Membran aus Lipiden begrenzt wird. Und "Protozellen" sollten bereits in den frühesten Stadien der Existenz des Lebens auf der Erde aufgetaucht sein - die erste Hypothese über ihre Herkunft wurde von Alexander Oparin aufgestellt, der uns bekannt ist. Seiner Meinung nach könnten Tröpfchen hydrophober Lipide, die gelben Öltröpfchen ähneln, die in Wasser schwimmen, als "Protomembranen" dienen.
Im Allgemeinen werden die Ideen des Wissenschaftlers von der modernen Wissenschaft akzeptiert, und Jack Shostak, der für seine Arbeit die Oparin-Medaille erhielt, war ebenfalls an diesem Thema beteiligt. Zusammen mit Katarzyna Adamala gelang es ihm, eine Art „Protozell“-Modell zu erstellen, dessen Analogon aus der Membran nicht aus modernen Lipiden bestand, sondern aus noch einfacheren organischen Molekülen, Fettsäuren, die sich an den Ursprungsorten der ersten Protoorganismen angesammelt haben könnten. Shostak und Adamala haben es sogar geschafft, ihre Strukturen durch Zugabe von Magnesiumionen (Stimulierung der Arbeit von RNA-Polymerasen) und Zitronensäure (Stabilisierung der Struktur von Fettmembranen) zum Medium "wiederzubeleben".
Infolgedessen hatten sie ein völlig einfaches, aber etwas lebendiges System; In jedem Fall war es eine normale Protozelle, die eine membrangeschützte Umgebung für die RNA-Reproduktion enthielt. Von diesem Moment an können Sie das letzte Kapitel der Vorgeschichte des Lebens schließen - und die ersten Kapitel seiner Geschichte beginnen. Dies ist jedoch ein völlig anderes Thema, daher werden wir nur über ein, aber äußerst wichtiges Konzept sprechen, das sich auf die ersten Schritte der Evolution des Lebens und die Entstehung einer Vielzahl von Organismen bezieht.
4. Unwissenschaftlich: Ewige Rückkehr
Eine "korporative" Darstellung der indischen Philosophie in der westlichen Philosophie, verbunden mit den Werken von Immanuel Kant, Friedrich Nietzsche und Mircea Eliade. Ein poetisches Bild des ewigen Wanderns jeder lebenden Seele durch eine unendliche Anzahl von Welten und ihren Bewohnern, ihrer Umwandlung in ein unbedeutendes Insekt, dann in einen erhabenen Dichter oder sogar in ein uns unbekanntes Wesen, einen Dämon oder einen Gott. Trotz des Mangels an Ideen zur Reinkarnation ist Nietzsche dieser Idee sehr nahe: Die Ewigkeit ist ewig, was bedeutet, dass jedes Ereignis darin wiederholt werden kann - und sollte. Und jede Kreatur dreht sich endlos um dieses Karussell der universellen Rückkehr, so dass sich nur der Kopf dreht und das Problem des primären Ursprungs irgendwo in einem Kaleidoskop unzähliger Wiederholungen verschwindet.
7. Endosymbiose
Schauen Sie sich im Spiegel an, schauen Sie in die Augen: Die Kreatur, mit der Sie sich ansehen, ist eine komplexe Hybride, die seit undenklichen Zeiten entstanden ist. Bereits im späten 19. Jahrhundert bemerkte der deutsch-englische Naturforscher Andreas Schimper, dass sich Chloroplasten, die für die Photosynthese verantwortlichen Pflanzenzellorganellen, getrennt von der Zelle selbst replizieren. Bald gab es die Hypothese, dass Chloroplasten Symbionten sind, Zellen von photosynthetischen Bakterien, die einst vom Wirt verschluckt wurden - und für immer hier leben mussten.
Natürlich haben wir keine Chloroplasten, sonst könnten wir uns von Sonnenlicht ernähren, wie einige pseudoreligiöse Sekten vermuten lassen. In den 1920er Jahren wurde die Endosymbiose-Hypothese jedoch um Mitochondrien erweitert, Organellen, die Sauerstoff verbrauchen und alle unsere Zellen mit Energie versorgen. Bis heute hat diese Hypothese den Status einer vollwertigen, wiederholt bewährten Theorie erhalten - es genügt zu sagen, dass Mitochondrien und Plastiden ein eigenes Genom, mehr oder weniger Zellteilungsmechanismen und ihre eigenen Proteinsynthesesysteme haben.
In der Natur wurden auch andere Endosymbionten gefunden, die keine Milliarden Jahre gemeinsamer Evolution hinter sich haben und sich auf einem weniger tiefen Integrationsniveau in der Zelle befinden. Zum Beispiel haben einige Amöben keine eigenen Mitochondrien, aber es sind Bakterien im Inneren enthalten, die ihre Rolle erfüllen. Es gibt Hypothesen über den endosymbiotischen Ursprung anderer Organellen - einschließlich Flagellen und Zilien und sogar des Zellkerns: Laut einigen Forschern sind wir alle Eukaryoten das Ergebnis einer beispiellosen Fusion zwischen Bakterien und Archaeen. Diese Versionen haben noch keine strikte Bestätigung gefunden, aber eines ist klar: Sobald es auftauchte, begann das Leben, seine Nachbarn aufzunehmen - und mit ihnen zu interagieren und neues Leben hervorzubringen.
5. Unwissenschaftlich: Kreationismus
Das eigentliche Konzept des Kreationismus entstand im 19. Jahrhundert, als dieses Wort als Anhänger verschiedener Versionen der Erscheinung der Welt und des Lebens bezeichnet wurde, die von den Autoren der Thora, der Bibel und anderen heiligen Büchern monotheistischer Religionen vorgeschlagen wurden. Im Wesentlichen boten Kreationisten jedoch im Vergleich zu diesen Büchern nichts Neues an und versuchten immer wieder, die strengen und gründlichen Erkenntnisse der Wissenschaft zu widerlegen - und tatsächlich immer wieder eine Position nach der anderen zu verlieren. Leider sind die Ideen moderner Pseudowissenschaftler-Kreationisten viel einfacher zu verstehen: Es erfordert viel Mühe, die Theorien der realen Wissenschaft zu verstehen.
Sergey Vasiliev
