Мы далеки от зарождения жизни на Земле. Вот ключ к тому, как мы туда попали.
Вселенная была уже на две трети своего нынешнего возраста к тому времени, когда сформировалась Земля, и вскоре после этого на нашей поверхности появилась жизнь. Но на протяжении миллиардов лет жизнь оставалась в относительно примитивном состоянии. Прошло почти целых четыре миллиарда лет, прежде чем произошел кембрийский взрыв: макроскопические, многоклеточные, сложные организмы , включая животных, растения и грибы , стали доминирующими формами жизни на Земле.
Как ни удивительно, на самом деле было всего несколько критических изменений, которые были необходимы, чтобы перейти от одноклеточной, простой жизни к необычайно разнообразным наборам существ, которых мы знаем сегодня.. Мы не знаем, легок этот путь или труден среди планет, на которых зарождается жизнь. Мы не знаем, является ли сложная жизнь обычной или редкой. Но мы знаем, что это произошло на Земле. Вот как.
Когда появились первые живые организмы, наша планета была заполнена организмами, собирающими энергию и ресурсы из окружающей среды, перерабатывающими их для роста, адаптации, размножения и реагирования на внешние раздражители. Поскольку окружающая среда менялась из-за нехватки ресурсов, конкуренции, изменения климата и многих других факторов, одни черты увеличивали шансы на выживание, а другие уменьшали их. Благодаря феномену естественного отбора организмы, наиболее приспособленные к изменениям, выживали и процветали.
Использование одних только случайных мутаций и передача этих признаков потомству чрезвычайно ограничивает эволюцию. Если мутация вашего генетического материала и передача его вашему потомству - единственный механизм эволюции, который у вас есть, вы, возможно, никогда не достигнете сложности.
Но много миллиардов лет назад жизнь развила способность к горизонтальному переносу генов, когда генетический материал может перемещаться от одного организма к другому посредством механизмов, отличных от бесполого размножения. Трансформация, трансдукция и конъюгация - все это механизмы горизонтального переноса генов, но все они имеют нечто общее: одноклеточные примитивные организмы, вырабатывающие генетическую последовательность, полезную для определенной цели, могут передавать эту последовательность другим организмам, предоставляя им способности, над развитием которых они так усердно работали.
Это основной механизм, благодаря которому у современных бактерий развивается устойчивость к антибиотикам. Если один примитивный организм может развить полезную адаптацию, другие организмы могут развить такую же адаптацию, не создавая ее с нуля.
Второй важный этап эволюции включает в себя развитие специализированных компонентов внутри одного организма. У самых примитивных существ есть свободно плавающие фрагменты генетического материала, заключенные с некоторой протоплазмой внутри клеточной мембраны, и ничего более специализированного, чем это. Это прокариотические организмы мира: первые формы жизни, которые, как считается, существуют.
Но более развитые существа обладают способностью создавать миниатюрные фабрики, способные выполнять специализированные функции. Эти мини-органы, известные как органеллы, предвещают появление эукариот. Эукариоты крупнее прокариот, имеют более длинные последовательности ДНК, но также имеют специализированные компоненты, которые выполняют свои собственные уникальные функции, независимо от клетки, в которой они обитают.
Эти органеллы включают клеточное ядро, лизосомы, хлоропласты, тельца Гольджи, эндоплазматический ретикулум и митохондрии. Митохондрии сами по себе невероятно интересны, потому что они открывают окно в эволюционное прошлое жизни.
Если взять из клетки отдельную митохондрию, она сможет выжить сама по себе. Митохондрии имеют собственную ДНК и могут метаболизировать питательные вещества: они сами по себе соответствуют всем определениям жизни. Но их также производят практически все эукариотические клетки. В более сложных, более высокоразвитых клетках содержатся генетические последовательности, которые позволяют им создавать компоненты самих себя, которые кажутся идентичными более ранним, более примитивным организмам. В ДНК сложных существ заложена способность создавать собственные версии более простых существ.
В биологии структура и функция, возможно, являются самыми основными отношениями из всех. Если организм разовьет способность выполнять определенную функцию, то он будет иметь генетическую последовательность, кодирующую информацию для формирования структуры, выполняющей эту функцию. Если вы получите этот генетический код в своей собственной ДНК, то вы тоже сможете создать структуру, выполняющую определенную функцию.
По мере того, как существа становились все более сложными, они накапливали большое количество генов, которые кодировали определенные структуры, выполняющие различные функции. Когда вы сами формируете эти новые структуры, вы получаете возможность выполнять те функции, которые не могли бы выполняться без этих структур. В то время как более простые одноклеточные организмы могут воспроизводиться быстрее, организмы, способные выполнять больше функций, часто лучше адаптируются и более устойчивы к изменениям.
К тому времени, когда закончилось гуронское оледенение и Земля снова стала теплым, влажным миром с континентами и океанами, эукариотическая жизнь была обычным явлением. Прокариоты все еще существовали (и существуют до сих пор), но уже не были самыми сложными существами в нашем мире. Однако, чтобы сложность жизни резко возросла, должны были произойти еще два шага, которые должны были не только произойти, но и произойти в тандеме: многоклеточность и половое размножение.
Многоклеточность, согласно биологическим записям, оставленным на планете Земля, - это то, что эволюционировало множество независимых раз. На раннем этапе одноклеточные организмы приобрели способность создавать колонии, многие из которых сшиваются вместе, образуя микробные коврики. Этот тип клеточного сотрудничества позволяет группе организмов, работающих вместе, достичь большего успеха, чем любой из них по отдельности.
Многоклеточность дает еще большее преимущество: возможность иметь клетки-«нахлебники» или клетки, которые могут пожинать плоды жизни в колонии, не выполняя никакой работы. Что касается одноклеточных организмов, клетки-халявщики по своей природе ограничены, поскольку их слишком большое количество уничтожит колонию. Но в контексте многоклеточности можно не только включать и выключать производство клеток-халявщиков, но и эти клетки могут развивать специализированные структуры и функции, помогающие организму в целом. Большим преимуществом, которое дает многоклеточность, является возможность дифференцировки: наличие нескольких типов клеток, работающих вместе для оптимальной пользы всей биологической системы.
Вместо того, чтобы отдельные клетки внутри колонии конкурировали за генетическое превосходство, многоклеточность позволяет организму наносить вред или разрушать различные части себя, чтобы принести пользу целому. По словам математического биолога Эрика Либби:
[A] Клетка, живущая в группе, может находиться в совершенно иной среде, чем клетка, живущая в одиночестве. Окружающая среда может быть настолько разной, что черты, губительные для одиночного организма, такие как повышенная смертность, могут стать выгодными для клеток в группе.
Существует несколько родословных эукариотических организмов, многоклеточность которых развивается из многих независимых источников. Плазмодиальные слизевики, наземные растения, красные водоросли, бурые водоросли, животные и многие другие классы живых существ развили многоклеточность в разное время на протяжении всей истории Земли. На самом деле самый первый многоклеточный организм мог возникнуть уже 2 миллиарда лет назад, а некоторые данные подтверждают идею о том, что первые водные грибы появились еще раньше.
Но современная жизнь животных стала возможной не только благодаря многоклеточности. Эукариотам требуется больше времени и ресурсов, чтобы развиться до зрелости, чем прокариотам, а многоклеточные эукариоты имеют еще больший временной интервал от поколения к поколению. Сложность сталкивается с огромным барьером: более простые организмы, с которыми они конкурируют, могут изменяться и адаптироваться быстрее.
Эволюция во многом похожа на гонку вооружений. Различные существующие организмы постоянно конкурируют за ограниченные ресурсы: пространство, солнечный свет, питательные вещества и многое другое. Они также пытаются уничтожить своих конкурентов прямыми средствами, такими как хищничество. Прокариотическая бактерия с одной критической мутацией может иметь миллионы поколений шансов уничтожить большое, долгоживущее сложное существо.
Существует важный механизм, которым обладают современные растения и животные для конкуренции со своими быстро размножающимися одноклеточными собратьями: половое размножение. Если у конкурента есть миллионы поколений, чтобы выяснить, как уничтожить более крупный и медленный организм за каждое поколение последнего, победит более быстро адаптирующийся организм. Но половое размножение позволяет потомству значительно отличаться от родителя таким образом, что бесполое размножение не может соответствовать.
Чтобы выжить, организм должен правильно кодировать все белки, отвечающие за его функционирование. Единственная мутация в неправильном месте может привести к искажению, что подчеркивает важность правильного копирования каждого нуклеотида в вашей ДНК. Но несовершенства неизбежны, и даже с механизмами, разработанными организмами для проверки и исправления ошибок, где-то между 1 из 10 000 000 и 1 из 10 000 000 000 скопированных пар оснований будет иметь ошибка.
Для организма, размножающегося бесполым путем, это единственный источник генетической изменчивости от родителя к ребенку. Но для организмов, размножающихся половым путем, 50 % ДНК каждого родителя будет составлять потомок, при этом примерно 0,1 % общей ДНК варьируется от образца к образцу. Эта рандомизация означает, что даже одноклеточный организм, который хорошо приспособлен к тому, чтобы превзойти родителя, будет плохо приспособлен, когда столкнется с проблемами ребенка.
Половое размножение также означает, что у организмов будет возможность изменить окружающую среду за гораздо меньшее количество поколений, чем у их бесполых собратьев. Мутации - это только один из механизмов перехода от предыдущего поколения к следующему; другой - изменчивость, при которой признаки передаются от родителей к потомству.
Если среди потомства больше разнообразия, то больше шансов выжить, когда многие представители вида будут отобраны против него. Выжившие могут воспроизводиться, передавая черты, предпочтительные в данный момент времени. Вот почему растения и животные могут жить десятилетиями, столетиями или тысячелетиями, и все же могут пережить непрерывный натиск организмов, воспроизводящих сотни тысяч поколений в год.
Без сомнения, будет чрезмерным упрощением утверждать, что горизонтальный перенос генов, развитие эукариот, многоклеточность и половое размножение - это все, что требуется для перехода от примитивной жизни к сложной, дифференцированной жизни, доминирующей в мире. Мы знаем, что это произошло здесь, на Земле, но мы не знаем, какова была его вероятность, и были ли миллиарды лет, необходимые для этого на Земле, типичными или намного более быстрыми, чем в среднем.
Что мы знаем точно, так это то, что жизнь существовала на Земле почти четыре миллиарда лет до кембрийского взрыва, знаменующего возникновение сложных животных. История ранней жизни на Земле - это история большей части жизни на Земле, и только последние 550-600 миллионов лет демонстрируют мир таким, каким мы его знаем. После 13,2 миллиарда лет космического путешествия мы наконец были готовы вступить в эру сложной, дифференцированной и, возможно, разумной жизни.
Дополнительная информация о том, какой была Вселенная, когда:
- Каково было, когда Вселенная раздувалась?
- Как это было, когда начался Большой Взрыв?
- Каково было, когда Вселенная была самой горячей?
- Как это было, когда Вселенная впервые создала больше материи, чем антиматерии?
- Как это было, когда бозон Хиггса придал Вселенной массу?
- Как это было, когда мы впервые создали протоны и нейтроны?
- Как это было, когда мы потеряли последнюю часть нашей антиматерии?
- Как это было, когда Вселенная создала свои первые элементы?
- Как это было, когда Вселенная впервые создала атомы?
- Каково было, когда во Вселенной не было звезд?
- Как это было, когда первые звезды начали освещать Вселенную?
- Как это было, когда погибли первые звезды?
- Как это было, когда во Вселенной образовалось второе поколение звезд?
- Как это было, когда Вселенная создала самые первые галактики?
- Как это было, когда звездный свет впервые прорвался сквозь нейтральные атомы Вселенной?
- Как это было, когда образовались первые сверхмассивные черные дыры?
- Что было, когда жизнь во Вселенной впервые стала возможной?
- Как это было, когда галактики образовывали наибольшее количество звезд?
- Как это было, когда формировались первые обитаемые планеты?
- Как это было, когда космическая паутина сформировалась?
- Как это было, когда сформировался Млечный Путь?
- Как это было, когда темная энергия впервые захватила Вселенную?
- Как это было, когда наша Солнечная система только сформировалась?
- Как это было, когда планета Земля сформировалась?
- Как это было, когда на Земле зародилась жизнь?
- Каково было, когда Венера и Марс стали необитаемыми планетами?
- Каково было, когда появился кислород и чуть не убил все живое на Земле?