Когда земля возникла: Как появилась Земля? — все самое интересное на ПостНауке

Расставьте названия континентов в составе Пангеи.

Южная Америка

Земля перестала сталкиваться с протопланетами 3,5 млрд лет назад — Наука

ТАСС, 10 ноября. В последний раз Земля сталкивалась с крупными протопланетами примерно 3,5 млрд лет назад. К такому выводу планетологи пришли, изучив структуру кратеров и толщину грунта в разных регионах Луны. Статью с результатами их исследования опубликовал научный журнал Nature Astronomy.

«Традиционно считается, что причиной массированной бомбардировки астероидами, кометами и протопланетными телами, которую пережили планеты Солнечной системы, были миграции планет-гигантов. Наши наблюдения указывают на то, что этот процесс начался неожиданно рано, практически сразу после формирования Земли и Луны, а не через 600 млн лет после ее возникновения», – пишут исследователи.

Ученые считают, что на первых этапах существования Земли и других планет Солнечной системы в них постоянно врезались протопланетные тела, астероиды и кометы. Этот период астрономы называют поздней тяжелой бомбардировкой, он начался примерно 4,1 млрд лет назад и закончился через 400 млн лет. Именно тогда возникли почти все известные науке крупные кратеры на Земле, Марсе, Меркурии и Луне.

В дальнейшем подобные столкновения практически прекратились и за последующие три миллиарда лет достаточно крупные небесные тела врезались в Землю лишь несколько раз. Следы этих катастроф сегодня изучают геологи и палеонтологи. Искать их очень сложно, потому что поверхность Земли непрерывно меняется из-за движения континентальных плит и выветривания.

Древнейшая история Луны

В ходе нового исследования китайские планетологи под руководством астронома из Технологического университета Гуйлина (Китай) Мингана Се узнала историю этой астероидной «бомбардировки». Для этого ученые исследовали структуру кратеров и свойства грунта в разных регионах Луны.

Астрономы объясняют, что поверхность спутника Земли застыла практически сразу после формирования. В первый миллион лет ее существования в недрах Луны прекратилась вся геологическая активность. Благодаря этому на ее поверхности сохранились все крупные кратеры, которые сформировались в далеком прошлом.

С другой стороны, следы падений относительно небольших астероидов постепенно стираются с поверхности Луны. Это происходит потому, что возникшие из-за них кратеры постепенно заполняет лунный грунт и обломки других небесных тел. Из-за этого ученые не могут точно сказать, ни когда закончилась поздняя тяжелая бомбардировка, ни когда она началась.

Се и его коллеги решили эту проблему. Они обратили внимание, что толщина грунта в разных регионах Луны должна сильно зависеть от размера небесных тел, которые туда падали. В частности, после того, как поздняя тяжелая бомбардировка завершилась, грунт на поверхности Луны должен был начать накапливаться и, в результате, повлиять на форму новых кратеров и характер того, как грунт их заполняет.

Руководствуясь этой идеей, ученые проанализировали данные, которые собрали астронавты миссий «Аполлон-11», «Аполлон-12», «Аполлон-15» и «Аполлон-17» и работавшие на Луне позже зонды, в том числе китайские марсоходы миссий «Чанъэ-3» и «Чанъэ-5».

Сопоставив толщину лунного грунта со структурой и возрастом кратеров в исследованных регионах, ученые пришли к выводу, что примерно 3,5 млрд лет назад характер «бомбардировки» поверхности Земли и Луны серьезно изменился. До этого на них падали крупные протопланетные тела, а после с Луной и Землей сталкивались исключительно небольшие астероиды.

По словам ученых, подобный резкий переход говорит о том, что поздняя тяжелая бомбардировка началась практически сразу после образования Луны и Земли, а не через 400-600 млн лет, как планетологи считали раньше. Это, в свою очередь, говорит о том, что Юпитер и другие планеты-гиганты начали мигрировать к окраинам Солнечной системы еще в процессе своего формирования, а не значительно позже.

Такой сценарий хорошо объясняет, почему на Луне почти нет крупных кратеров возрастом меньше 3,7 млрд лет. Вдобавок благодаря этому ученые могут избежать нереалистичных объяснений того, почему значений на первых этапах существования Луны протопланеты и крупные астероиды должны были падать на поверхность спутника очень часто, заключают китайские исследователи.

Как появилась жизнь на Земле: отвечает Стивен Хокинг

В марте 2018 года умер Стивен Хокинг, физик и великий популяризатор науки, так и не успев завершить свою последнюю книгу. Его семья, коллеги и фонд Stephen Hawking Estate закончили её с помощью архива учёного. Книга «Краткие ответы на большие вопросы» вышла в издательстве «Бомбора», а мы публикуем отрывок, в котором Стивен Хокинг рассуждает о жизни во Вселенной.

Полезная рассылка «Мела» два раза в неделю: во вторник и пятницу

13,8 миллиарда лет назад, когда произошел Большой взрыв и родилась Вселенная, углерода не существовало. Тогда было так жарко, что всё вещество должно было существовать в виде частиц, которые мы называем протонами и нейтронами. Изначально протонов и нейтронов было поровну.

Однако по мере расширения Вселенная остывала. Примерно через минуту после Большого взрыва температура должна была упасть приблизительно до миллиарда градусов, что в сто раз выше температуры в недрах Солнца. При такой температуре нейтроны начинают распадаться, образуя больше протонов.

Если бы происходило только это, то всё вещество Вселенной в итоге оказалось бы состоящим из простого элемента — водорода, ядро которого содержит единственный протон. Однако некоторые нейтроны сталкивались с протонами, сливались и образовывали другой простейший элемент — гелий, ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. Но в молодой Вселенной не могли образовываться более тяжёлые элементы, типа углерода и кислорода.

Трудно представить, что какая-то живая структура может состоять только из водорода и гелия. В любом случае, молодая Вселенная всё равно оставалась ещё слишком горячей для того, чтобы атомы могли создавать молекулы.

Вселенная продолжала расширяться и остывать. Но в некоторых её участках плотность оказывалась несколько выше, чем в других, и в них гравитационное притяжение дополнительной материи замедляло расширение вплоть до полного прекращения этого процесса. Коллапс вещества стал приводить к образованию звёзд и галактик. Это началось примерно через два миллиарда лет после Большого взрыва.

Некоторые из первых звёзд должны были быть массивнее нашего Солнца, температура их тоже была выше и способствовала превращению первоначальных гелия и водорода в более тяжёлые элементы, такие как углерод, кислород и железо. Это могло происходить в течение нескольких сотен миллионов лет. В результате некоторые звёзды взрывались, превращаясь в сверхновые, и рассеивали тяжёлые элементы в космическом пространстве, что стало сырьём для новых поколений звёзд.

Другие звёзды слишком далеки от нас, и мы не в состоянии непосредственно увидеть, есть ли у них планетные системы. Однако есть два способа, позволяющих обнаружить наличие планет у звёзд. Первый — следить за звездой и наблюдать, остаётся ли неизменным поток исходящего от неё света. Если планета оказывается между звездой и земным наблюдателем, то она слегка затмевает свет звезды. Если это происходит регулярно, значит, планета обращается на околозвёздной орбите. Второй способ — точное измерение положения звезды.

Если вокруг звезды обращается планета, она вызывает слабое колебание положения звезды. Если колебания происходят неоднократно и регулярно, можно сделать вывод, что у звезды есть как минимум одна планета

Эти способы впервые были применены около двадцати лет назад. К настоящему времени благодаря им у далеких звёзд обнаружено несколько тысяч планет. По некоторым расчётам, в среднем каждая пятая звезда обладает планетой, похожей на Землю, которая находится от звезды на расстоянии, приемлемом для существования жизни в том виде, как мы её знаем.

Наша Солнечная система образовалась примерно 4,5 миллиарда лет назад, или чуть меньше девяти миллиардов лет после Большого взрыва, из газа, содержащего остатки ранних звёзд. Земля сформировалась преимущественно из тяжёлых элементов, в том числе из углерода и кислорода. Каким-то образом отдельные атомы смогли объединиться в виде молекул ДНК. Это та самая знаменитая двойная спираль, обнаруженная в 1950-е годы Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета.

Две цепочки спирали связываются парой нуклеотидов. Известны четыре нуклеатида: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Аденин в одной цепочке всегда связывается с тимином в другой, а гуанин — с цитозином. Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепочке определяет уникальную комплементарную последовательность в другой. Две цепочки могут отдаляться, и каждая действует как образец для создания последующих цепочек.

Молекулы ДНК способны воспроизводить генетическую информацию, закодированную в последовательности нуклеотидов. Части последовательности могут использоваться для производства протеинов и других химических соединений, которые способны нести инструкции, закодированные в последовательности, и собирать сырьё для ДНК для самовоспроизводства.

Как я уже говорил, мы не знаем, каким образом появились молекулы ДНК. Поскольку шансы возникновения молекул ДНК благодаря случайным комбинациям чрезвычайно малы, многие склонны предполагать, что жизнь на Земле появилась откуда-то извне, например, благодаря обломкам, оторвавшимся от Марса в тот период, когда планеты находились ещё в нестабильном состоянии, или что в Галактике летают семена жизни. Впрочем, маловероятно, что ДНК способна выжить, долгое время подвергаясь космической радиации.

Если зарождение жизни на конкретной планете очень и очень маловероятно, но всё же возможно, то для этого потребуется весьма длительное время. И ещё должно хватить времени на последующую эволюцию таких разумных существ, как мы с вами, прежде чем Солнце распухнет и поглотит Землю.

Временное окно, в которое это может произойти, определяется продолжительностью жизни Солнца, а она составляет около десяти миллиардов лет. За это время разумная форма жизни должна потенциально освоить космические путешествия, чтобы иметь возможность перебраться к другой звезде. Но если побег окажется невозможным, жизнь на Земле будет обречена.

Ископаемые останки свидетельствуют, что некоторые формы жизни появились на Земле примерно 3,5 миллиарда лет назад. Это произошло спустя всего 500 миллионов лет после того, как Земля стала стабильной и достаточно остыла, чтобы на ней могла формироваться жизнь. Но у Вселенной на формирование жизни было примерно семь миллиардов лет, следовало предусмотреть достаточный запас времени на то, чтобы появились такие существа, как мы, способные задаться вопросом о происхождении жизни.

Если вероятность образования жизни на конкретной планете чрезвычайно мала, почему это произошло на Земле примерно в 1/14 от доступного временного окна?

Раннее возникновение жизни на Земле предполагает, что существуют высокие шансы спонтанного зарождения жизни в подходящих условиях. Возможно, сначала были более простые формы организации, из которых образовалась ДНК. Появившаяся ДНК оказалась настолько успешной, что могла полностью вытеснить ранее существовавшие формы. Мы не знаем, каковы были эти формы, но одним из вариантов представляется РНК.

РНК похожа на ДНК, только гораздо проще и без двойной спиральной структуры. Короткие отрезки РНК могут самовоспроизводиться, как ДНК, и постепенно складываться в ДНК. Мы не в состоянии создать нуклеотиды, не говоря уж о РНК, в лабораторных условиях из неживого материала (Сейчас уже в лабораториях синтезируют и РНК, и ДНК — Прим. пер.). Но на протяжении 500 миллионов лет, когда океаны покрывали почти всю поверхность планеты, не исключена возможность того, что РНК возникла случайно.

По мере самовоспроизводства ДНК не исключена вероятность случайных ошибок, многие из которых оказывались вредными и вели к гибели видов. Некоторые оказывались нейтральными и никак не влияли на функционирование генов. А отдельные ошибки оказывались благотворными для выживания видов — и попадали в ряд дарвиновского естественного отбора.

Поначалу процесс биологической эволюции шёл очень медленно. Потребовалось 2,5 миллиарда лет для того, чтобы первые клетки эволюционировали до многоклеточных организмов. За последующий миллиард лет некоторые из них развились до рыб, а некоторые рыбы, в свою очередь, превратились в млекопитающих.

С тех пор скорость эволюции неизменно возрастала. На эволюцию первых млекопитающих до нас ушло всего 100 миллионов лет. Дело в том, что первые млекопитающие уже имели свои версии жизненно важных органов, которыми обладаем мы. Следовательно, для эволюции ранних млекопитающих до человека потребовалась лишь тонкая настройка.

Но эволюция человеческой расы вышла на критическую стадию, сопоставимую по значимости с развитием ДНК. Речь идёт о формировании речи, в особенности — письменной речи. После этого передача информации от поколения к поколению стала возможна не только генетически, через ДНК, но и иным способом.

За 10 000 лет письменной истории можно выявить несколько различимых изменений в человеческой ДНК, обусловленных биологической эволюцией. Но объём знаний, передаваемых от поколения к поколению, вырос несоизмеримо. Я пишу книги, чтобы рассказать вам, что я узнал о Вселенной за свою долгую карьеру учёного, и, занимаясь этим, переношу знания из своего мозга на бумагу, чтобы вы могли прочитать их

наука и вера». Глава 2

Глава вторая. Свидетельства биологической эволюции

Свидетельства биологической эволюции получены во многих областях науки.

Научные представления об эволюции сформировались на основании множества разнообразных данных, полученных в различных областях науки. Некоторые из этих данных, например ископаемые остатки давно вымерших животных и характер географического распространения видов, были известны ученым с XIX века или даже раньше. Другие, такие как сравнения последовательностей нуклеотидов в ДНК, стали доступны ученым лишь в XX и XXI веках.

Свидетельства в пользу эволюции получены не только в биологии, но и в других областях исследования прошлого и настоящего: в антропологии, астрофизике, химии, геологии, физике, математике и в других научных дисциплинах, в том числе в науке о поведении и в социологии.

Как и в любой другой области науки, многие вопросы пока остаются без ответа. Биологи по-прежнему исследуют степень и характер эволюционного родства разных видов, генетические изменения, влияющие на строение и работу организмов, действие живых существ на климат Земли и на другие свойства окружающей среды, эволюцию интеллекта и социального поведения, а также многие другие интереснейшие проблемы. Но в каждом случае они задают конкретные вопросы и стараются узнать больше о том, как происходила и происходит эволюция, а не происходила ли она вообще. Они изучают механизмы, вызывающие эволюционные изменения, и последствия этих изменений, продолжая проливать свет на все эти вопросы.

Биологическая эволюция составляет часть той убедительной исторической картины, которую ученые создали за последние несколько веков. Картина эта начинается с образования Вселенной, Солнечной системы и Земли. Эти события привели к возникновению условий, необходимых для эволюции жизни. Мы по-прежнему не имеем ответов на многие вопросы, касающиеся возникновения жизни на нашей планете, но мы можем быть уверены, что ее возникновение запустило процесс биологической эволюции, продолжающийся по сей день. Новые элементы и штрихи добавляются сегодня к этой картине, в частности в ходе изучения наследственных механизмов, ответственных за эволюционные изменения.

Возникновение Вселенной, нашей галактики и Солнечной системы привело к образованию условий, необходимых для эволюции жизни на Земле.

Представления о месте Земли во Вселенной изменились в XX веке не в меньшей степени, чем в XVI и XVII веках, вслед за предположением Коперника, что Солнце, а не Земля находится в центре известного людям мироздания. В двадцатые годы XX века новый телескоп, установленный в обсерватории на горе Уилсон в окрестностях Лос-Анджелеса, позволил выяснить, что многие неясные пятнышки света, наблюдаемые на ночном небе, являются не туманностями в пределах нашей галактики (Млечного Пути), а отдельными галактиками, каждая из которых состоит из многих миллиардов звезд. Исследуя свет, испускаемый этими звездами, астрофизики пришли к еще одному важному выводу: галактики удаляются друг от друга по всем направлениям, то есть Вселенная расширяется.

Это наблюдение привело к возникновению гипотезы, которую впервые сформулировал бельгийский астроном и католический священник Жорж Леметр. Согласно этой гипотезе Вселенная возникла в результате события, впоследствии получившего название Большой взрыв. Согласно этой идее вся энергия и вся материя во Вселенной первоначально были так сжаты, что представляли собой бесконечно малый, бесконечно плотный и бесконечно горячий объект, получивший название космологической сингулярности. Ученым по-прежнему известно о ней очень мало. Затем Вселенная начала расширяться. По ходу расширения она охладилась до такой степени, что элементарные частицы, которые сегодня образуют материю Вселенной, достигли устойчивого состояния. Из предположения о Большом взрыве и представлений о времени, которое должно было пройти с тех пор, следовало предсказание, согласно которому можно было ожидать, что материя в дальнем космосе обладает определенной рассчитанной температурой. Это предсказание впоследствии подтвердилось в результате исследований, проведенных с помощью расположенных на Земле микроволновых радиотелескопов. Последующие наблюдения, проведенные со спутников, показали, что фоновое излучение Вселенной имеет в точности те характеристики, которые предсказывает концепция Большого взрыва.

По мере расширения Вселенной материя собиралась, под действием тяготения и других сил, природа которых пока не вполне выяснена, в огромные образования, ставшие галактиками. В пределах этих образований сгустки материи намного меньшего размера сжались до вертящихся облаков газа и пыли. Когда материя в центре каждого облака становилась под действием тяготения достаточно плотной, атомы водорода в этих облаках начинали объединяться, образуя атомы гелия, испуская свет и другие формы излучения. Так возникли звезды.

Астрофизики также выяснили, что некоторые звезды образуются в центре уплощенных дисковидных скоплений материи. Газ и пыль в пределах таких скоплений могут объединяться в небольшие тела, называемые протопланетами. Компьютерные модели позволили установить, что протопланеты могут срастаться в планеты и другие объекты (такие как спутники планет и астероиды), вращающиеся вокруг звезды. По-видимому, именно так и возникла наша Солнечная система. Точные измерения и расчеты позволили обнаружить большие планеты, вращающиеся вокруг звезд и в других частях нашей галактики. Из этих открытий следует, что вокруг входящих в галактику миллиардов звезд вращаются, в свою очередь, миллиарды планет.

Астрофизики и геологи разработали множество методик, позволяющих оценить возраст Вселенной, нашей Галактики, Солнечной системы и Земли. Измеряя расстояния между галактиками и скорости их расхождения, астрономы могут рассчитать, сколько времени прошло с тех пор, как произошел Большой взрыв. Согласно современным данным, Вселенная возникла около 14 миллиардов лет назад. Другой метод, позволяющий оценить возраст Вселенной, основан на измерении фонового излучения, оставшегося от Большого взрыва. Этот метод дает сходные результаты. Другие наблюдения и расчеты свидетельствуют о том, что наша галактика начала образовываться через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, то есть Млечный Путь немногим моложе, чем сама Вселенная.

Солнечная система возникла в пределах Млечного Пути намного позже. Измерения свойств радиоактивных элементов, содержащихся в метеоритах, указывают на то, что наша планета сформировалась от 4,5 до 4,6 миллиарда лет назад. После того как возникла Земля, ее бомбардировали многие астероиды и кометы, неоднократно расплавляя ее поверхность. Новейшие расчеты показывают, что одно из тел, столкнувшихся с Землей, было столь большим (приблизительно размером с Марс), что от столкновения часть материала Земли выплеснулась на орбиту и образовала Луну. Самые древние из горных пород, доставленных с Луны, имеют, согласно измерениям и расчетам, возраст между 4,4 и 4,5 миллиарда лет. Древнейшие минералы, обнаруженные на Земле, — цирконовые кристаллы, образовавшиеся 4,4 миллиарда лет назад. Породы, возраст которых превышает 3,5 миллиарда лет, были обнаружены в Гренландии, Африке и Австралии.

Радиометрическое датирование

Согласно данным современной космологии, частицы, образующие обычную материю (протоны, нейтроны и электроны), сформировались в те времена, когда Вселенная охлаждалась после Большого взрыва. Затем эти частицы объединялись вместе, образуя атомы водорода, гелия и, в небольших количествах, следующего, более тяжелого, элемента периодической системы — лития.

Все остальные элементы во Вселенной возникли внутри звезд, подобных Солнцу, или взрывающихся звезд, называемых сверхновыми. Сверхновые разбрасывали эти элементы по межзвездному пространству. Смешиваясь с водородом, гелием и литием, эти элементы сформировали бесчисленные звездные системы, в том числе и нашу Солнечную систему.

Некоторые атомы обладают радиоактивностью. Это означает, что они подвержены естественному процессу распада, в результате которого они образуют другие радиоактивные и нерадиоактивные атомы и испускают энергию. Каждый радиоактивный нуклид (радионуклид) характеризуется определенным периодом полураспада, то есть временем, за которое половина атомов в образце распадается. Таким образом, радиоактивные атомы работают как внутренние часы, встроенные в материал, в состав которого они входят. Сравнивая долю определенного радиоактивного элемента в некоем материале с долей продуктов его распада в этом материале, исследователи могут определить время формирования этого материала. Подобные измерения и расчеты позволили установить возраст Земли и Луны, различных метеоритов и всей Солнечной системы. Все результаты этих измерений и расчетов свидетельствуют о том, что данным объектам миллиарды лет.

Некоторые люди, выступающие против изучения эволюции, пытаются подвергнуть сомнению данные радиометрических анализов. Но на самом деле этот метод, выработанный благодаря прекрасно продуманным исследованиям, занявшим более века, представляет собой одно из наиболее прочно обоснованных достижений современной науки.

Живые организмы появились на Земле в течение первого миллиарда лет ее существования.

Древнейшие ископаемые свидетельствуют о том, что жизнь на Земле существовала на протяжении большей части истории нашей планеты. На западе Австралии палеонтологи обнаружили особые минеральные образования, называемые строматолитами, которые, по-видимому, сформировались в результате деятельности бактерий не менее 3,4 миллиарда лет назад, и ископаемые бактериальные остатки, возраст которых, по радиометрическим датировкам, составляет около 3,5 миллиарда лет. Другие свидетельства говорят о том, что жизнь могла возникнуть намного раньше, в течение первых нескольких сотен миллионов лет после того, как поверхность Земли остыла и затвердела.

Вопрос о том, как зародилась жизнь, — одна из интереснейших и сложнейших научных проблем. Мы пока не располагаем никакими ископаемыми свидетельствами существования жизни раньше 3,9 миллиарда лет назад, поскольку не обнаружены более древние осадочные отложения. Воссоздать условия, при которых зародились древнейшие организмы, очень трудно, потому что наши знания о химических и физических условиях на Земле в древнейшие времена далеко не полны. Тем не менее исследователи выдвинули ряд гипотез о том, как самовоспроизводящиеся организмы могли появиться и начать эволюционировать. Хотя ни одна из гипотез пока не стала общепринятой, науке удалось пролить некоторый свет на эти фундаментальные вопросы.

Сотни лабораторных опытов, проводившихся с пятидесятых годов XX века, показали, что простейшие из химических соединений, имеющихся на Земле, в том числе вода и вулканические газы, могли в результате реакций образовывать многие из молекул, составляющих строительные блоки живых клеток, в том числе молекулы веществ, из которых состоят белки, ДНК и клеточные мембраны. Метеориты, прилетающие из космоса, тоже содержат некоторые из этих строительных блоков, а астрономы с помощью радиотелескопов нашли много таких молекул в межзвездном пространстве.

Для того чтобы возникла жизнь, должны были выполняться три условия. Во-первых, должны были образоваться группы молекул, способные к самовоспроизведению. Во-вторых, копии этих молекулярных комплексов должны были обладать изменчивостью, так чтобы одни из них могли эффективнее пользоваться ресурсами и успешнее противостоять действию среды, чем другие. В-третьих, эта изменчивость должна была наследоваться, позволяя некоторым формам численно увеличиваться при благоприятных условиях среды.

Никто пока не знает, какая комбинация молекул впервые удовлетворила перечисленным условиям, но ученые показали возможный принцип работы этих процессов, изучая молекулы вещества, называемого РНК. Недавно удалось выяснить, что некоторые молекулы РНК могут во много раз ускорять скорости химических реакций, в том числе реакции воспроизведения элементов других молекул РНК. Если молекулы вроде РНК были способны к самовоспроизведению (возможно, при содействии других молекул), они могли создать основы для возникновения очень простого живого организма. Если такие самовоспроизводящиеся комплексы оказывались заключены в пузырьки, образованные мембранами из определенных химических веществ, они могли сформировать протоклетки — древнейшие формы самых простых клеток. Изменения, происходящие с молекулами, могли привести к возникновению форм, которые, к примеру, воспроизводились в определенной среде эффективнее. Тем самым, началось бы действие естественного отбора, который дал бы возможность протоклеткам, обладающим выгодными особенностями молекулярного строения, размножаться успешнее и становиться все сложнее.

Для того чтобы выдвинуть правдоподобную гипотезу происхождения жизни, нужно ответить еще на многие вопросы. Исследователи, изучающие происхождение жизни, пока не знают даже, какие комплексы химических соединений могли начать самовоспроизводиться. Даже если мы сможем создать живую клетку в лаборатории на основе простых химических соединений, это еще не будет свидетельствовать о том, что в природе, на молодой Земле, миллиарды лет назад произошло то же самое. Но принципы, лежащие в основе химических истоков жизни, а также возможные подробности процесса ее возникновения являются, как и другие природные явления, объектом научных исследований. История науки показывает, что даже такие сложные вопросы, как вопрос о том, каким образом возникла жизнь, могут стать доступны для научного решения в результате развития теорий, разработки нового оборудования и открытия новых фактов.

Палеонтологическая летопись содержит бесчисленные свидетельства эволюции, отражающие многие подробности ее течения.

В начале XIX века естествоиспытатели открыли, что ископаемые остатки располагаются в разных слоях осадочных горных пород в определенном порядке. Более древние материалы залегают глубже, ближе к основанию осадочной породы, чем вещества, образовавшиеся в результате более позднего осадконакопления.

Ископаемые остатки организмов, очень сходных с современными, встречаются в сравнительно молодых отложениях, в то время как ископаемые, которые лишь отдаленно напоминают современные организмы, залегают в более древних пластах осадочных пород. Исходя из этих наблюдений, многие естествоиспытатели, в том числе Эразм Дарвин, дед Чарльза, полагали, что живые организмы меняются со временем. Но Чарльз Дарвин и Альфред Рассел Уоллес первыми установили, что движущей силой эволюции служит естественный отбор, который Чарльз Дарвин также называл «происхождением в результате модификаций».

Когда в 1859 году была опубликована книга Дарвина «Происхождение видов», палеонтология как наука еще находилась в зачаточном состоянии. Осадочные породы из многих районов Земли были по-прежнему неизвестны или малоизучены.

Дарвин в течение почти двадцати лет собирал свидетельства, подтверждающие его теорию, прежде чем опубликовать ее положения. Кроме того, он подробно обсудил в книге и возможные трудности своей теории, связанные, в частности, с неполнотой палеонтологической летописи и с недостатком (среди известных на тот момент ископаемых) переходных форм, промежуточных между большими группами живых организмов.

За прошедшие с тех пор полтора века палеонтологи открыли множество переходных форм, неизвестных во времена Дарвина. Залегающие во многих районах Земли осадочные породы, образовавшиеся от 520 до 550 миллионов лет назад, содержат ископаемые остатки многоклеточных животных, представляющих собой переходные формы между весьма удаленными друг от друга типами — такими, как, например, моллюски и кольчатые черви — и сочетающих в себе их признаки. В более древних отложениях, возрастом около 1,5 миллиарда лет, встречаются ископаемые следы, которые могли оставить организмы, промежуточные между одноклеточными и многоклеточными животными.

Описанный в начале этой книги тиктаалик представляет собой примечательную переходную форму между рыбами и древнейшими наземными позвоночными (так называемыми четвероногими). Ископаемые остатки возрастом около 330 миллионов лет отражают основные этапы эволюции крупных земноводных, которые произошли от древнейших четвероногих. Многие хорошо сохранившиеся скелеты из осадочных пород возрастом около 230 миллионов лет принадлежат динозаврам, произошедшим от одной из ветвей пресмыкающихся. Известный пример переходной формы — археоптерикс, ископаемое, жившее 155 миллионов лет назад, обладавшее скелетом небольшого динозавра, но также крыльями и перьями. Другие похожие на птиц ископаемые организмы были обнаружены в Китае. Их возраст составляет около 110 миллионов лет. Хвосты у них довольно короткие, а на крыльях есть снабженные когтями придатки. По открытым в результате раскопок более поздним ископаемым можно проследить эволюцию многих современных групп организмов, таких как киты, слоны, броненосцы, лошади и люди.

Сходство строения и поведения часто свидетельствует о происхождении от общего предка.

Все виды, обитающие на Земле в наши дни, происходят от других видов, живших раньше, которые, в свою очередь, происходят от других, и так далее. Такие последовательности видов образуют ветви эволюционного древа. Для любых двух современных видов можно проследить историю их возникновения до того момента, где ветви, давшие им начало, разделились. В месте разделения этих ветвей находится последний общий предковый вид этих двух современных видов. (Иногда такой предковый вид называют просто общим предком, но при этом имеют в виду не один организм, а группу организмов.) Например, общим предком человека и шимпанзе был вид, живший от 6 до 7 миллионов лет назад, в то время как общий предок человека и рыбы фугу был рыбой, жившей в океанах Земли более 400 миллионов лет назад.

Таким образом, люди не происходят ни от шимпанзе, ни от каких-либо других современных обезьян, а происходят от вида, который вымер много лет назад. Не происходят люди и от современных рыб, но происходят от древнего вида рыб, давшего начало наземным позвоночным.

Если общий предок двух видов жил сравнительно недавно, то эти два вида, скорее всего, будут иметь больше сходных черт поведения и строения, чем два вида, общий предок которых жил значительно раньше. Поэтому люди больше похожи на шимпанзе, чем на рыб. Тем не менее любые организмы обладают общими признаками, потому что происходят от общих предков, живших на Земле в более или менее далеком прошлом. Например, исходя из накопленных к настоящему времени палеонтологических и молекулярно-биологических свидетельств, общий предок человека, коровы, кита и летучей мыши был, по-видимому, небольшим млекопитающим, жившим около 100 миллионов лет назад. Потомки этого общего предка претерпели в ходе эволюции существенные изменения, но строение их скелетов по-прежнему довольно сходно. Органы, с помощью которых люди, например, пишут, коровы ходят по земле, киты плавают, а летучие мыши летают, отличаются деталями устройства скелетной основы, но составляющие ее кости сходны по общему строению и порядку соединения друг с другом.

Биологи называют сходные структуры, унаследованные от общих предков, гомологичными. Гомологию различных структур — не только костей, но и многих других деталей строения организмов — изучают в ходе сравнительно-анатомических исследований, задача которых состоит в том, чтобы выявить, исходя из степеней сходства, характер эволюционного родства. Другие биологические исследования позволяют, пользуясь той же логикой, изучать сходство, наблюдаемое в функциях органов, в развитии зародышей или в поведении организмов. Таким образом ученые исследуют возможные пути эволюционного развития, связывающие современные организмы с их древними предками. Палеонтологическая летопись, в свою очередь, позволяет проверять гипотезы, выдвигаемые в ходе таких исследований.

Иногда в двух разных эволюционных ветвях независимо возникают сходные признаки. Такие признаки называют аналогичными. Они напоминают гомологичные, но являются результатом действия общих условий среды, а не происхождения от общего предка. К примеру, дельфины — это морские млекопитающие, которые произошли от наземных млекопитающих в течение последних 50 миллионов лет. Эволюционно дельфины так же далеки от рыб, как мыши или люди. Но они обладают обтекаемой формой тела, очень схожей с формой тела многих рыб, в том числе акул, и даже вымерших древних пресмыкающихся — ихтиозавров. Ученые исследуют такого рода случаи, известные во многих разных группах живых организмов, и разбираются в том, являются ли сходные черты строения и поведения результатом происхождения от общих предков или независимыми эволюционными ответами на действие похожих факторов окружающей среды.

Эволюция позволяет объяснять особенности географического распространения растений и животных.

Разнообразие живых организмов почти невообразимо. Многие миллионы видов обитают на земле, в земле и над землей, и каждый из них занимает свое собственное место в природе (экологическую нишу). Некоторые виды, например люди, собаки и крысы, могут жить в очень широком диапазоне условий. Другие, напротив, крайне специализированы. Например, один из видов грибов растет исключительно на передней части надкрыльев единственного вида жуков, который обитает в единственной пещере на юге Франции. Личинки одного из видов мушки-дрозофилы, Drosophila carcinophila, могут развиваться только в особых бороздках под выростами третьей пары ротовых придатков сухопутного краба, обитающего лишь на нескольких островах в Карибском море.

Биологическая эволюция объясняет не только происхождение этого разнообразия, но и распространение видов по нашей планете. Рассмотрим, к примеру, мушек из семейства Drosophilidae (дрозофилиды), живущих на Гавайских островах. Более 500 видов мушек этого семейства, относящихся к роду Drosophila и к близкому к нему роду Scaptomyza, встречаются исключительно на Гавайях. Эти виды составляют около четверти всех известных науке видов из этих двух родов. На Гавайях живет больше видов этих родов, чем на какой-либо другой сравнимой по площади территории Земли. Почему так много разных видов этих мушек обитают на Гавайях, и только на Гавайях?

Ответ на этот вопрос следует из геологической и биологической истории Гавайских островов. Эти острова представляют собой вершины стоящих посреди океана вулканов. Они никогда не были соединены ни с каким материком. Эти острова возникли из-за наползания Тихоокеанской тектонической плиты на «горячую точку», где поднимающиеся вверх из глубины Земли расплавленные породы нагревают земную кору. Самые новые острова — самые высокие, а более старые постепенно разрушаются и в конечном итоге погружаются под воду. Самый старый из современных Гавайских островов, атолл Куре, поднялся со дна океана около 30 миллионов лет назад, в то время как самый молодой, Большой остров (о. Гавайи), возник лишь около 500 000 лет назад и по-прежнему обладает довольно сильной вулканической активностью.

Все туземные (то есть существовавшие до людей, которые пришли от 1200 до 1600 лет назад) растения и животные Гавайского архипелага происходят от организмов, которые по воздуху или по воде с окружающих материков и с других островов попали на Гавайи, первоначально почти безжизненные. Что касается мушек-дрозофилид, то ряд данных, особенно полученных с помощью изучения ДНК, говорит о том, что все современные гавайские виды родов Drosophila и Scaptomyza происходят от единственного предкового вида, попавшего на острова миллионы лет назад.

Первые «поселенцы» столкнулись с условиями, весьма благоприятными для стремительного видообразования. Каждый вид неоднократно становился предковым для множества новых видов по мере заселения мушками новых местообитаний — на разной высоте, с разным количеством осадков, с разной почвой и разными растениями. Кроме того, небольшие группы мушек, а в некоторых случаях, возможно, и единичные оплодотворенные самки, время от времени перелетали или переносились ветром на другие острова, где от них происходили новые виды. Например, многие гавайские дрозофилы откладывают яйца в гниющие на земле листья. На материках эта ниша занята другими группами насекомых и иных беспозвоночных, но на Гавайях она оставалась почти незанятой.

Млекопитающие, населявшие Северную и Южную Америку, представляют собой еще один хороший пример того, как особенности распространения видов объясняются их эволюцией. Около 60 миллионов лет назад Северная Америка примыкала к Евразии, и там развивались парнокопытные, непарнокопытные, хоботные и хищные млекопитающие. Южная Америка в те времена лишь недавно отделилась от Австралии с Антарктидой, и на этом материке эволюционировали сумчатые, а также свои группы копытных, гигантские грызуны, ленивцы и броненосцы. Примерно 3 миллиона лет назад тектонические силы сблизили Северную и Южную Америку, а падение уровня моря привело к образованию Панамского перешейка. По нему обитатели Северной Америки — ламы, еноты, пумы, медведи и собаки — двинулись на юг, а броненосцы, ленивцы, дикобразы и опоссумы проследовали в обратном направлении, однако прижиться там смогли лишь немногие мелкие виды. А в Южной Америке почти вся самобытная фауна млекопитающих, сухопутных крокодилов и гигантских бегающих птиц была вытеснена пришельцами с Севера.

Фотография политенной хромосомы личинки мушки-дрозофилы. Штрихами отмечен участок хромосомы, развернутый в обратную сторону по отношению к его исходному положению, сохранившемуся у других родственных видов. Такой поворот участка хромосомы называют инверсией.

Мушки с пятнистыми крыльями

Гавайские мушки-дрозофилы представляют собой прекрасный пример так называемой «адаптивной радиации» (т. е. как бы приспособительного расхождения из одной точки), процесса, при котором предковый вид дает начало очень большому числу новых видов за сравнительно небольшой промежуток времени. Исследователи биологической эволюции сосредоточили особое внимание на группе, включающей приблизительно 100 видов дрозофил, обладающих характерными пигментными пятнами на довольно крупных крыльях. Эти виды — носители весьма любопытных сведений об эволюционной истории данной группы.

Клетки в слюнных железах личинок всех мушек из рода Drosophila содержат особые хромосомы, получившие название политенных. Эти хромосомы легко увидеть под микроскопом. Окрашенные определенным образом, они становятся полосатыми, покрываясь поперечными темными и светлыми полосами разной ширины. Благодаря этим полоскам в хромосомах несложно выявить такую разновидность хромосомных перестроек, как инверсии. Иногда фрагмент хромосомы переворачивается задом наперед в результате ошибок, происходящих при удвоении ДНК. В результате получается видоизмененная хромосома, часть которой, заметная благодаря порядку светлых и темных полос, развернута на 180 градусов. Многие инверсии такого типа происходили в разных участках хромосом в ходе образования разных видов дрозофил.

Принимая во внимание, что все гавайские виды мушек семейства Drosophilidae произошли от единственного вида, ученые исследовали политенные хромосомы разных видов на предмет изменений в расположении полос, чтобы восстановить последовательность, в соответствии с которой виды мушек переселялись со старых островов на новые и давали начало новым видам. Например, на Большом острове, самом молодом во всем архипелаге, в настоящее время обитает 26 видов дрозофил с пятнистыми крыльями. Исследуя инверсии, происходившие в хромосомах этих видов, и сравнивая эти данные с данными о видах, населяющих более старые острова, ученые установили, что дрозофилы Большого острова являются потомками 19 оплодотворенных самок или небольших групп мушек, проникших на этот остров с соседних, более старых островов.

Данные молекулярной биологии подтвердили и уточнили выводы об эволюции, полученные в других областях науки.

Чарльз Дарвин и другие биологи XIX века пришли к своим выводам об эволюции несмотря на то, что им почти ничего не было известно о молекулярных основах жизни. Открытые с тех пор возможности детального исследования биологических молекул предоставили науке данные совершенно нового рода, свидетельствующие о механизмах и путях эволюции. Новые данные полностью подтвердили общие выводы, сделанные на основании изучения ископаемых, географического распространения видов и других наблюдений. Кроме того, молекулярные данные стали источником множества новых сведений об эволюционных отношениях видов и о механизмах эволюции.

ДНК передается из поколения в поколения либо напрямую от родительской особи к детям (у организмов, размножающихся бесполым путем), либо в результате слияния содержащих ДНК сперматозоида и яйцеклетки (у организмов, размножающихся половым путем). Последовательность нуклеотидов в ДНК, как уже было сказано, может меняться при передаче от одного поколения другому в ходе мутаций. Если эти изменения приводят к появлению полезных признаков, то новая последовательность нуклеотидов получает повышенные шансы распространиться в пределах популяции на протяжении ряда поколений. В результате в молекулах ДНК оказываются «записаны» последствия происходивших в прошлом наследственных изменений, в том числе ответственных за возникающие в ходе эволюции приспособления.

Сравнение последовательностей ДНК двух организмов разных видов позволяет биологам выявить наследственные изменения, произошедшие с тех пор, как эволюционные ветви, ведущие к этим видам, отделились от их единого общего предка. Если общий предок этих двух видов существовал сравнительно недавно, то последовательности их ДНК будут больше похожи друг на друга, чем если их последний общий предок жил очень давно. Например, последовательность нуклеотидов в ДНК человека, в небольшой степени изменчивая в пределах нашего вида в зависимости от популяции и индивидуума, в среднем отличается от последовательности нуклеотидов в ДНК шимпанзе лишь на несколько процентов, что отражает наше сравнительно близкое эволюционное родство с шимпанзе. Но ДНК человека уже больше отличается от ДНК павиана, еще больше — от ДНК мыши, еще больше — от ДНК курицы, еще больше — от ДНК рыбы фугу. Этот ряд отражает степень нашего эволюционного родства со всеми этими видами. Еще большая разница наблюдается, если сравнивать ДНК человека с ДНК мух, червей, растений. Но у всех живых организмов можно выявить сходные черты в последовательности нуклеотидов в ДНК, несмотря на то что с тех пор, как жил последний общий предок всего живого, прошло уже очень много времени. Даже у людей и бактерий последовательности ДНК обладают некоторыми чертами сходства в пределах отдельных генов, причем сходные участки последовательностей отвечают за синтез молекулярных систем, имеющих сходные функции. Так представления о биологической эволюции дают ответ на вопрос, почему для успешного изучения важнейших для жизнедеятельности человека биологических процессов во многих случаях можно исследовать другие организмы. В связи с этим значительная часть современных биомедицинских исследований основана на изучении общих биологических свойств разных живых организмов.

Эволюция конечностей у древнейших наземных позвоночных

Молекулярно-биологические исследования позволили выявить участки ДНК, отвечающие за образование различных частей тела в ходе развития зародыша. Некоторые из наиболее важных таких участков называют гомеотическими генами (или хокс-генами).

У людей и других млекопитающих гомеотических генов 39. Каждый гомеотический ген управляет функциями других генов, причем в разных частях организма один и тот же гомеотический ген может управлять разными наборами других генов.

Гомеотические гены принимают участие в развитии многих черт строения, в том числе конечностей, позвоночника, пищеварительной и половой систем у самых разных видов беспозвоночных и позвоночных животных. К примеру, как показано на иллюстрации (справа), те же гены, что управляют развитием определенных частей тела у мушки-дрозофилы, управляют развитием соответствующих частей тела и у мышей и других млекопитающих. Каждый цвет соответствует участкам работы определенного гомеотического гена у зародышей дрозофилы и мыши.

Гомеотические гены также непосредственно управляют развитием плавников у рыб и конечностей у наземных позвоночных. Характер работы этих генов определяет черты строения конечностей, в частности обеспечивает образование пальцев. Изменения характера их работы, по всей видимости, играли заметную роль в эволюции древнейших наземных позвоночных, в частности в происхождении тиктаалика.

Изучение биологических молекул позволяет выявлять не только характер и степень эволюционного родства организмов, но также и характер изменений признаков, происходящих в ходе эволюции в результате изменений генов. В частности, молекулярно-биологические исследования позволили изучить функции белков-регуляторов, которые включают и выключают гены в клетках в процессе развития организма из оплодотворенной яйцеклетки. Небольшие изменения в этих белках, в участках ДНК, к которым эти белки прикрепляются, осуществляя регуляцию, а также, как недавно выяснилось, в небольших молекулах РНК могут оказывать сильнейший эффект на черты строения и функций организма. Такого рода изменения, видимо, играли большую роль во многих возникших в ходе эволюции новшествах, в частности в формировании конечностей наземных позвоночных из плавников рыб. Кроме того, биологи выяснили, что очень похожие наборы регуляторных белков имеются у таких разных организмов, как мухи, мыши и люди, несмотря на то что от общего предка их отделяют многие миллионы лет. Данные исследований ДНК говорят о том, что фундаментальные механизмы, лежащие в основе формирования особенностей строения организмов, возникли раньше, чем многоклеточность, или на заре эволюции многоклеточных организмов и с тех пор изменялись лишь очень слабо.

Ископаемые остатки древнего китообразного из рода дорудон (Dorudon), обнаруженные в Египте и относящиеся ко времени около 40 миллионов лет назад, являют собой пример важного переходного звена в эволюции китообразных. Предками этого животного были наземные млекопитающие, и оно еще сохраняло остатки скелетной основы задних ног со ступнями и пальцами (маленькие косточки у основания хвоста), несмотря на то что уже обитало в воде и плавало при помощи длинного и мощного хвоста.

Эволюция китов и дельфинов

Объединение результатов палеонтологических и молекулярно-биологических исследований позволяет биологам создавать намного более подробные схемы эволюционной истории живых организмов, чем было возможно до внедрения молекулярных методов. К примеру, недавние палеонтологические открытия, сделанные в Азии и Северной Африке, демонстрируют начавшийся около 50 миллионов лет назад ряд организмов, первоначально копытных хищников, живущих на суше, затем наземных хищников, охотящихся в воде, затем превратившихся в постоянных обитателей водной среды. Эти палеонтологические данные соответствуют недавним открытиям, сделанным генетиками, говорящим о происхождении китов и дельфинов от парнокопытных наземных млекопитающих, представленных в наши дни такими животными, как свиньи, овцы, козы и жирафы. Новейшие исследования регуляторных систем генов у современной морской свиньи (китообразного, близкого к дельфинам) позволили выявить те молекулярные изменения, благодаря которым предки этих животных утратили задние конечности и приобрели обтекаемую форму тела. Все эти данные согласуются друг с другом и добавляют интереснейшие подробности к нашим представлениям об эволюции.

Биологическая эволюция объясняет происхождение и историю нашего вида.

Изучение разного рода свидетельств, о которых мы говорили выше, привело ученых к выводу, что человек произошел в ходе эволюции от приматов. Для людей XIX века идея, что у человека и современных обезьян общие предки, была внове, и она стала предметом бурных обсуждений среди ученых при жизни Дарвина и в последующие годы.

Но в наши дни у ученых уже нет сомнений в близком эволюционном родстве человека и всех остальных приматов. Используя те же данные и методы, что применяются для изучения эволюции других видов, исследователи накопили множество палеонтологических данных об эволюции человека, а в последнее время получили также убедительнейшие молекулярно-биологические данные, однозначно свидетельствующие о том, что биологическая эволюция человеческого вида протекала сходным образом и под действием тех же факторов, что и эволюция всех остальных форм жизни на Земле.

Согласно данным подробнейшего сравнения ДНК, общий предок человека и шимпанзе жил приблизительно 6–7 миллионов лет назад в Африке. Ветвь эволюционного древа, ведущая от этого древнего вида к современным людям, дала начало нескольким боковым ветвям, соответствующих популяциям и видам, которые в конечном итоге вымерли. В разные периоды прошлого на Земле могли сосуществовать несколько человекоподобных видов.

Около 4,1 миллиона лет назад в Африке возник вид, который палеонтологи относят к роду австралопитеков. (Название Australopithecus означает «южная обезьяна»: ископаемые остатки первого известного науке вида этого рода были обнаружены на юге Африки, хотя другие находки, в том числе почти полный скелет трехлетней самки, были впоследствии сделаны в восточной части Африки.) Мозг взрослого представителя этого рода, судя по ископаемым черепам, был сравним по размеру с мозгом современных человекообразных обезьян. По-видимому, австралопитеки проводили часть жизни на деревьях, о чем свидетельствуют их короткие ноги и черты строения рук. Но австралопитеки умели также ходить на двух ногах, как люди. Известны прекрасно сохранившиеся окаменевшие следы ног одного из древнейших видов австралопитека, отпечатанные на вулканическом пепле.

Около 2,3 миллиона лет назад в Африке возник древнейший вид рода Homo, к которому принадлежат все современные люди. Этот вид получил научное название Homo habilis, что означает «человек умелый». Средний размер его мозга, судя по ископаемым черепам, был, по-видимому, примерно на 50% больше, чем размер мозга ранних австралопитеков. Первые каменные орудия, изготовленные древними гоминидами, появились уже 2,6 миллиона лет назад.

Около 1,8 миллиона лет назад возник более продвинутый вид, Homo erectus («человек прямоходящий»). Этот вид проник из Африки в Евразию. Более поздние находки свидетельствуют и о существовании нескольких других видов рода Homo.

Мозг более поздних видов в среднем превосходил по размерам мозг их предшественников.

Ряд данных свидетельствует о том, что первые современные по строению тела люди, представители вида Homo sapiens («человек разумный»), возникли в Африке из более ранних форм рода Homo. Древнейшим известным ископаемым остаткам современного человека немногим менее 200 000 лет. Современные люди распространились по всей Африке, а позже проникли в Азию, Австралию, Европу и Америку, вытеснив при этом обитавших в некоторых частях света древних людей.

Как появилась жизнь

Формирование нашей планеты можно уподобить выплавке чугуна в мартеновской печи. В печи кокс, руда, флюсы – все это плавится, и в конце концов тяжелый жидкий металл стекает вниз, а наверху остается затвердевшая пена шлака.

Кроме того выделяются газы и вода. Точно так же образовалось металлическое ядро земли, «стекшее» к центру планеты. В результате этой «плавки» начался процесс, известный как дегазация мантии. Землю 4 млрд лет назад, когда, как считают, зародилась жизнь отличал активный вулканизм, не идущий ни в какое сравнение с нынешним. Поток радиации из недр был раз в 10 мощнее, чем в наше время. В результате тектонических процессов и интенсивной метеоритной бомбардировки тонкая земная кора постоянно перерабатывалась. Свой вклад, очевидно, вносила и находившаяся на значительно более близкой орбите Луна, которая своим гравитационным полем массировала и разогревала нашу планету.

Самое удивительное, что интенсивность свечения солнца в те далекие времена была ниже примерно на 30%. Если бы солнце стало в нашу эпоху стало светить хотя бы на 10% слабее, Земля моментально покрылась бы льдом. Но тогда у нашей планеты было намного больше собственного тепла, и ничего даже близко напоминавшего ледников на ее поверхности не встречалось.

Зато существовала  плотная атмосфера, хорошо удерживавшая тепло. По своему составу она имела восстановительный характер, то есть, в ней практически отсутствовал несвязанный кислород, зато она включала в себя значительное количество водорода, а также парниковые газы – водяной пар, метан и углекислый газ.

Короче говоря, первая жизнь на Земле появилась в условиях, в которых из живущих ныне организмов могли бы существовать лишь примитивные бактерии. Первые следы воды геологи находят в отложениях, возрастом 3,5 млрд лет, хотя, судя по всему в жидком виде она появилась на Земле несколько  раньше. На это косвенно указывают имеющие окатанную форму цирконы, которую они приобрели, вероятно находясь в водоемах. Вода образовывалась из насыщавшего атмосферу водяного пара, когда Земля стала постепенно остывать. Кроме того, воду (предположительно в объеме до 1,5 объема современного мирового океана) к нам принесли малые кометы, интенсивно бомбардировавшие земную поверхность. 

Новости ВсЁ Наука — Как возникла жизнь на Земле?

Как возникла жизнь на третьей каменистой планете, вращающейся вокруг ничем не примечательной звезды в центре Солнечной системы? Люди ищут ответ на этот вопрос на протяжении всей своей истории. Но лишь в последние десятилетия ученые добились определенных успехов в понимании механизма возникновения жизни в океанах. Может показаться, что нечто столь сложное, как жизнь, должно быть явлением невероятно редким и что для его возникновения, вероятно, потребовалось много времени. Но в 2015 году ученые доказали, что жизнь появилась на Земле на 300 миллионов лет раньше, чем они полагали. Это значит, что после того, как наша планета сформировалась, потребовалось всего 400 миллионов лет, чтобы на ней появились первые формы жизни. При этом четыреста миллионов лет – мгновение по сравнению с 4,5 миллиардами лет существования нашей планеты.

Что нужно для возникновения жизни?

Когда ученые пытаются ответить на вопрос о том, как появилась жизнь на нашей планете, первое, на что стоит обратить внимание – это время. Мы знаем, что Земля родилась 4,5 миллиардов лет назад, а возраст первых ископаемых останков, обнаруженных в Западной Австралии составляет 4,1 млрд лет. Значит ли это, что жизнь на третьей планете от Солнца зародилась практически сразу?

Авторы работы, которая была опубликована в журнале Journal Science целых пять лет назад полагают, что с правильными ингредиентами жизнь формируется очень быстро. Говоря о правильных ингредиентах, важно понимать, что основным ингредиентом – по крайней мере в случае каменистых планет земного типа – является вода. А на нашей планете, как оказалось, вода присутствовала с самого начала.

Необходимо отметить, что наличие воды настолько важно для развития жизни, что многие астрономы в поисках жизни на других планетах в прямом смысле этого слова “следуют за водой». Вот почему сегодня ученые снаряжают миссии к ледяным лунам газовых гигантов Европе, спутнике Юпитера и Энцеладе, спутнике Сатурна. Оба спутника покрыты ледяным панцирем, под которым находится жидкая вода.

Ранняя Земля была прекрасной химической лабораторией

Первые бактерии

Так что же удалось обнаружить ученым в Западной Австралии? Находкой оказались цианобактерии, также известные как сине-зеленые водоросли. Возможные ископаемые образцы были обнаружены в горных породах, возраст которых составляет около 3500 миллионов лет. Хотя обычно их называют сине-зелеными водорослями, цианобактерии на самом деле водорослями не являются. Цианобактерии и вообще бактерии – это прокариотические формы жизни. В основном это означает, что их клетки не имеют органелл (крошечных структур внутри клеток, которые выполняют определенные функции) и не имеют отдельных ядер – их генетический материал смешивается с остальной частью клетки. Эта особенность характерна для бактерий и архей.

Все остальные формы жизни на Земле, включая настоящие водоросли, состоят из эукариотических клеток с органеллами и генетическим материалом, содержащимся в одном месте (ядре). Но почему бактерии, спросите вы? Дело в том, что бактерии (и археи) – выносливые существа. Они процветают в горячих, холодных, соленых, кислых и щелочных средах, в которых большинство эукариот гибнут. А прокариоты, как известно – самые ранние формы жизни на Земле. Это были простые существа, которые питались углеродными соединениями ранних океанов Земли. Еще больше статей о том, какие формы жизни существуют на нашей планете вы найдете на нашем канале в Google News, подписывайтесь, не стесняйтесь.

Полосатые, извилистые мраморные узоры на поверхности некоторых водоемов – ни что иное, как полосатые рисунки масс сине-зеленых водорослей.

Но с течением времени эволюционировали и другие организмы, которые использовали солнечную энергию вместе с такими соединениями, как сульфиды, чтобы генерировать собственную энергию. Затем цианобактерии пошли еще дальше: они начали использовать воду в процессе фотосинтеза, выделяя кислород в качестве побочного продукта. Со временем в атмосфере Земли накопилось достаточно кислорода, чтобы обеспечить эволюцию организмов, метаболизирующих кислород.

Важно понимать, что эволюция эукариотических клеток была важной вехой в истории жизни на Земле. По мере того как условия становились все более благоприятными, развивались все более сложные организмы. Так и появились мы с вами.

Однако понимание процессов, ведущих к возникновению жизни, осложняется самой биологией. Атмосфера Земли сегодня мало похожа на атмосферу ранней Земли, в которой развивалась жизнь; она была почти восстановлена бактериями, растительностью и другими формами жизни, которые действовали на нее в течение многих эпох. К счастью, Солнечная система сохранила для нас множество естественных лабораторий, в которых мы можем изучать сырые ингредиенты жизни – летучие вещества, органические вещества, а также химические процессы, ведущие к жизни. Мы также можем найти на Земле прямые свидетельства взаимодействия жизни с окружающей средой и изменений, которые претерпела жизнь по мере развития планеты. Когда мы поймем как именно развивалась жизнь на Земле, нам будет намного легче найти жизнь за ее пределами.

Происхождение Вселенной и Земли

Солнечная туманность

Происхождение Земли — Солнечная туманность Гипотеза

Около 4,6 миллиарда лет назад наша Солнечная система образовалась из облака газа и пыль, которая медленно сжималась под действием силы тяжести всех своих частиц. Облако состояло в основном из водорода (H) с небольшим количеством гелия (He) и небольшого количества количества остальных встречающихся в природе химических элементов.Элементы больше, чем он должен был иметь был произведен в сверхновой.

Начальное вращение или опрокидывающееся движение было ускорено, поскольку туманность сжался, как вращающийся фигурист, который тянет руки, чтобы вращаться быстрее. Контракт, вращающееся облако превратилось в диск. Внутри диска самая большая концентрация материи была в центре. Это стало солнцем. Иметь значение собраны в более мелкие комочки на диске. Они стали планетами. В протосолнце и протопланеты выросли за счет аккреции вещества, падающего в к центру масс.Солнечная туманность нагрелась по мере увеличения сжатия давление. Как протосолнце росло и давление увеличивалось, он нагрелся от гравитационного сжатия. Он начал светиться красным. Жар протосолнца нагрел солнечная туманность, особенно внутренняя туманность. В конце концов давление и температура в ядре протосолнца стала настолько высокой, что водород ядра слились вместе, образуя гелий. Эта ядерная реакция высвободила огромные количество энергии, как и сегодня.Солнце родилось. В течение Фаза Т-Тельца, очень сильный солнечный ветер унес большую часть оставшегося газа и частиц. менее 10 м от внутренней части Солнечной системы, оставляя только планеты и астероиды. К этому времени планеты достигли почти всей своей массы. но бомбардировка сильными метеоритами продолжалась еще полмиллиарда лет или около того.

При высоких температурах внутренней солнечной туманности малые протопланеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс) были слишком горячими, чтобы удерживать летучие газы, которые доминировала в солнечной туманности.Только тугоплавкие (с высокой температурой плавления) материалы, такие как железо и каменистые силикаты были стабильны. Следовательно, планет земной группы состоят в основном из металлических ядер. и силикатные мантии с тонкой или отсутствующей атмосферой. Во внешней солнечной туманности температура была достаточно низкой, чтобы обильные газы накапливались и удерживались протопланетами. В результате юпитерианских планет (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) — газовые гиганты, состоящие в основном из водорода, гелия и водорода. такие соединения, как метан (CH ₄ ) и аммиак (NH ₃ ).

Разделение Слои и атмосфера Земли

Материалы, которые аккреции к ранней Земле, вероятно, были добавлены по частям, без каких-либо определенного порядка (хотя некоторые модели призывают к последовательному наращиванию металлических а затем силикатные материалы). Ранняя Земля была очень горячей из-за 1) гравитационного сжатие, 2) удары и 3) радиоактивный распад (намного больше, чем сегодня). Ранняя Земля, вероятно, была частично или в значительной степени расплавленный.Более плотные металлические жидкости опустились к центру Земли. и менее плотные силикатные жидкости поднимались наверх, как нефть поднимается на поверхность воды. Таким образом, Земля очень быстро превратилась в металлическую, в основном железо ядро ​​ и каменная силикатная мантия .

Через вулканический (вулканическая и интрузивная) активность кора Земли в конечном итоге сформировалась. Состав мантии силикатный, богат железом и магнием, подобен к композициям из каменных метеоритов и лунных скал.Корочка же более обогащен кремнеземом с меньшим количеством железа и магния. Высокий кремнезем породы земной коры (или, скорее, совокупность минералов в породах земной коры) обычно имеют более низкую плотность и более низкие температуры плавления, чем мантийные породы (минералы). Образовались породы земной коры по частичное плавление мантийных пород (плавление низшей температуры плавления, высший кремнезем, минералы в породах мантии. Это дает более богатую кремнеземом магму (расплавленную породу), чем мантию. горные породы.Магма, будучи менее плотной чем скала, из которой он образовался, может подняться на поверхность, остыть и кристаллизоваться. Этот общий процесс происходило медленно с течением времени после того, как Земля остыла настолько, что мантийные породы могли не растает полностью. Много континентальный корка , самая кремнеземная богатый и наименее плотный вид, возник 2,5 миллиарда лет назад.

Формирование и эволюция Атмосфера

Летучие вещества, переносимые некоторые типы метеоров и комет были добавлены на Землю в результате ударов, некоторые из них проникли внутрь. Газы в мантии предпочитают переходить в любой образующийся расплав и счастливо уйти в атмосферу, если расплав достигнет поверхности. Вулканическая активность, особенно на Срединно-океанические хребты, вулканические дуги и горячие точки высвобождают большое количество воды пар, углекислый газ и другие газы в атмосферу.

Сегодняшняя атмосфера Земли на 78% состоит из азота (N ₂ ) и на 21% из кислорода (O ₂ ). Это сильно отличается от атмосферы спутников Земли Венеры и Марса, чьи в атмосфере преобладает углекислый газ (CO ₂ ), но без свободных кислород.Еще более разные бывают атмосферы планет Юпитера, состоящие из H, He и H соединений CH ₄ и NH ₃ . Водяной пар (H ₂ O), CO ₂ и N ₂ вместе с другими газами выбрасываются в поверхность из-за вулканической активности на Земле сегодня и, предположительно, также в начале дни Земли. Эти газы напоминают атмосферы других планет земной группы. Итак, если атмосфера Земли была первоначально преобладали эти газы, как это изменилось до такой степени, что N ₂ и O ₂ являются доминирующими, а CO ₂ второстепенными? А как насчет всех H ₂ O?

Как только жизнь эволюционировала, к 3.5 лет назад фотосинтез начал накапливать энергию в химические связи простого углевода (CH ₂ O). Фотосинтез выводит CO ₂ атмосферы и заменяет его на O ₂ .

CO ₂ + H ₂ O (плюс солнечный свет) -> CH ₂ O + O ₂

Энергия, запасенная посредством фотосинтеза, используется организмами (в том числе фотосинтетические) дыханием , который берет с воздуха O ₂ , совмещает его с углеводов (и других органических веществ) и высвобождает CO ₂ обратно в атмосферу.

СН ₂ О + О ₂ -> (энергия для клеточных процессов) CO ₂ + H ₂ O

Но фотосинтез и дыхание не сбалансированы. Часть органического вещества, которое произведенная продукция смывается в почвы и вниз по рекам и откладывается в осадочных породах. пласты, где он хранится.

За геологическое время большая часть CO ₂ была удалена из атмосферы и хранится в осадочных породах, добавлен О ₂ и N ₂ продолжает накапливаться от газовыделения.Конечно, большая часть выпущенного водяного пара конденсируется с образованием океаны.

Ископаемое топливо являются остатками органического вещества, хранящегося в осадочных породах. Сжигание ископаемого топлива возвращает CO ₂ который был заперт от миллионов до сотен миллионов лет назад атмосферы, и изменение нынешнего баланса атмосферы и Земли климат (потому что CO ₂ является парниковым газом).

Истоки жизни на Земле

Происхождение жизни — одна из величайших загадок Вселенной. Чтобы определить происхождения жизни ученые исследуют проблему в нескольких различные пути. Некоторые ученые изучают жизнь на нашей планете. Некоторые ученые ищут жизнь или ископаемую жизнь на других планетах или луны в нашей солнечной системе. И другие ученые пытаются обнаружить жизни в других солнечных системах, либо путем измерения воздействия жизни на атмосферы далеких планет или путем измерения искусственного излучения, например радиосигналы, которые могут быть произведены развитой жизнью.

На данный момент, наиболее плодотворным подходом было изучение жизни на нашей планете. Однако даже у нас на заднем дворе трудно определить жизненный путь. происхождение, потому что это началось по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад. Мы знаем что жизнь началась по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад, потому что это возраст древнейших пород с ископаемыми свидетельствами жизни на Земле. Эти горные породы встречаются редко, потому что последующие геологические процессы изменили форму поверхность нашей планеты, часто разрушая старые породы, создавая новые. Тем не менее, в Африке можно найти скалы возрастом 3,5 миллиарда лет с окаменелостями. и Австралия. Обычно они представляют собой смесь застывших вулканических лав. и осадочные кремни. Окаменелости встречаются в осадочных кремнях.

Выше) возраст 3,5 миллиарда лет лава. Вверху справа) осадочные кремни возрастом 3,5 миллиарда лет.

Химические следы жизни также были обнаружены в немного более старых породах.В Гренландии, обнаружена серия древних метаморфизованных отложений. Анализирует указывают на то, что отложения образовались около 3,8 миллиарда лет назад. Они также выявили сигнатуры изотопов углерода, которые, по-видимому, были произведены организмами, которые жили, когда осаждались отложения.

Во всех случаях, в нашей жизни должна быть вода. Это общее правило верно на Земле и считается верным в других частях Солнечной системы. В настоящее время ищут жизнь на Марсе, где, возможно, когда-то текла вода. на поверхности и Европе, где может существовать подземное море воды под его ледяная поверхность.

Если проанализировать генетическая информация в различных современных организмах, живущих на Земле, можно начать группировать и разделять организмы на основе их общих (или разнородные) свойства. Этот тип анализа интуитивно понятен в некоторых случаях. уровни. Например, большинство людей узнают, что мул олень и белый Хвостовые олени более близки, чем олени-мулы и медведи гризли. Следовательно, на дереве жизни олень-мул выглядел бы ближе к белому. хвост оленя, чем медведя гризли. Этот же процесс можно применить к всех организмов и привел к трем большим сферам жизни: бактериям, архее, и Эукария. Люди, как и другие сложные млекопитающие, являются частью группа Eukarya. Если проследить генетическую информацию в организмах во всех трех группах, похоже, у них есть общий предок или, по крайней мере, предки, имеющие общий набор черт.В любом случае кажется ранние формы жизни на древе жизни были теплолюбивыми или гипертермофильными организм, что означает, что они жили в системах, состоящих из горячей воды.

Вверху) Примеры современных термофильные организмы.

Горячая вода системы называются гидротермальными системами. Их можно найти в областях вулканической активности, когда горячая расплавленная порода под поверхностью нагревает грунтовые воды. Гидротермальные системы производят горячие источники и гейзеры на поверхности. Хорошие примеры включают Йеллоустон в США и Роторуа в Нью-Йорке. Зеландия.

Вверху) Горячие источники Йеллоустоун

Недавно, Кринг и его коллеги исследовали воздействие, вызванное гидротермальные системы. Энергия, выделяемая при ударе, равна настолько велика, что может легко нагреть воду и заставить ее циркулировать земная кора.Примеры систем, вызванных ударами, были найден в нескольких ударных кратерах по всему миру. И хотя никто из них действуют сегодня, вероятно, они производили горячие источники и гейзеры. подобны тем, которые вызваны магматической активностью под поверхностью Земля.

Ранний период на Земле В истории вулканизма и образования кратеров от ударов были очень распространенными процессами. Таким образом, оба могли обеспечить среду, необходимую для преобразования разнородных химические соединения в живые организмы и, возможно, обеспечили подходящие среда обитания для развития этой жизни.

Был происхождение жизни связано с лунным катаклизмом?

Этот веб-сайт основан на информации, изначально созданной для серии исследований центров космических снимков NASA / UA.
Концепция и содержание Дэвида А. Кринга.
Дизайн, графика и изображения Джейка Бейли и Дэвид А. Кринг.
Для любого использования информации и изображений требуется разрешение Центра космических снимков и / или Дэвида А.Кринг (сейчас в ФИАН).

Происхождение жизни: Условия, породившие жизнь на Земле

Происхождение Земли — сложная история. Его поверхность претерпела долгую эволюцию, претерпев огромные изменения за миллионы лет. С самого раннего этапа аккреции, когда газ и пыль начали сливаться под действием силы тяжести, это была динамичная планета. Бомбардировка астероидов и горячего внутреннего ядра означала, что самая ранняя среда на Земле была враждебной, голой скалой.Геологи называют это время, начавшееся с момента первоначального образования Земли 4,6 миллиарда лет назад, гадейским эоном. Слово Hadean происходит от греческого бога Аида, правившего подземным миром, и является подходящей аналогией адской среды.

Геологи давно изучают немногочисленные остатки этого времени, записанные в горных породах, в надежде найти подсказки об условиях на Земле. Единственные сохранившиеся записи от 4,6 до 4 миллиардов лет назад обнаружены в твердом кристаллическом минерале под названием циркон.Однако жизненно важно, чтобы ученые узнали как можно больше об этом времени, поскольку именно в этих суровых и адских условиях произошло зарождение жизни.

Профессора Сигенори Маруяма, Кен Курокава и доктор Тошиказу Эбисудзаки являются частью команды, работающей над проектом Hadean Bioscience, в основном базирующейся в Институте наук о Земле и жизни (Токийский технологический институт).В проекте участвуют ученые из разных областей, включая геологию, биологию и физику, создавая междисциплинарную команду, работающую над ответом на фундаментальный вопрос о том, когда, где и как зародилась жизнь на Земле.

Хадейская Земля
Ответ на вопрос о том, как зародилась самая первая жизнь на Земле, долгое время было проблемой для ученых. Неужели на Земле спонтанно возникла жизнь? Если да, то как это могло произойти? И означает ли это, что на других планетах с похожими условиями окружающей среды тоже есть жизнь?

Междисциплинарная команда, работающая над ответом на фундаментальный вопрос о том, когда, где и как
родилась на Земле жизнь.