სიცოცხლის გაჩენა: ვინ იყო პირველი ჩვენს პლანეტაზე? ჰიპოთეზა მრავალია, ჭეშმარიტება- ერთი.

დარვინმა გულწრფელად აღიარა, რომ მან ვერ უპასუხა კითხვაზე, თუ რატომ არ იქნა ნაპოვნი ცოცხალი არსებების კვალი დაახლოებით ნახევარ მილიარდ წელზე ძველ ნამარხებში. შემდეგ მეცნიერებამ იპოვა სიცოცხლის მტკიცებულება 3 მილიარდი წლით უფრო ძველი. თუმცა, ადრინდელი არაცოცხალისგან გამოყოფილი ცოცხალი და ამ მოვლენის ხელშესახები კვალი არ ჩანს.

ამიტომაც სიცოცხლის წარმოშობის საიდუმლო, რომლის შესწავლაც წიაღისეულ მასალებზე შეუძლებელია, თეორიული და ექსპერიმენტული კვლევის საგანია და პრობლემა იმდენად ბიოლოგიური არ არის, რამდენადაც გეოლოგიური. თამამად შეგვიძლია ვთქვათ: სიცოცხლის წარმოშობა სხვა პლანეტაზეა. და საქმე სულაც არ არის, რომ პირველი ბიოლოგიური არსებები ჩვენთან კოსმოსიდან მოიყვანეს (თუმცა ასეთი ჰიპოთეზები არსებობს). უბრალოდ, ადრეული დედამიწა არ ჰგავდა ახლანდელს.

ცხოვრების არსის გაგების ბრწყინვალე მეტაფორა ეკუთვნის ცნობილ ფრანგ ნატურალისტ ჟორჟ კუვიეს, რომელმაც ცოცხალი ორგანიზმი ტორნადოს შეადარა. მართლაც, ტორნადოს აქვს მრავალი თვისება, რაც მას ცოცხალ ორგანიზმთან აკავშირებს. ის ინარჩუნებს გარკვეულ ფორმას, მოძრაობს, იზრდება, რაღაცას შთანთქავს, რაღაცას გამოაგდებს - და ეს მეტაბოლიზმს ჰგავს. ტორნადო შეიძლება ორად გაიყოს, ანუ როგორ გამრავლდეს და ბოლოს, გარდაქმნას გარემო. მაგრამ ის ცხოვრობს მხოლოდ მანამ, სანამ ქარი უბერავს. ენერგიის ნაკადი გაშრება - და ტორნადო დაკარგავს ფორმასაც და მოძრაობასაც. მაშასადამე, ბიოგენეზის შესწავლის მთავარი საკითხია ენერგიის ნაკადის ძიება, რომელმაც შეძლო ბიოლოგიური სიცოცხლის პროცესის "დაწყება" და პირველ მეტაბოლური სისტემებისთვის უზრუნველყო დინამიური სტაბილურობა, ისევე როგორც ქარი მხარს უჭერს ტორნადოს არსებობას.

სიცოცხლის შემქმნელი "მწეველები"

ერთ-ერთი ამჟამად არსებული ჰიპოთეზა სიცოცხლის აკვანად მიიჩნევა ოკეანეების ფსკერზე მდებარე ცხელ წყაროებს, რომელთა წყლის ტემპერატურა შეიძლება ას გრადუსს აღემატებოდეს. ასეთი წყაროები დღემდე არსებობს ოკეანის ფსკერის განხეთქილების ზონებში და უწოდებენ "შავ მწეველებს". დუღილის წერტილზე ზევით გაცხელებული წყალი გამოყოფს იონურ ფორმაში გახსნილ მინერალებს. ეს გარემო ერთი შეხედვით მომაკვდინებელი ჩანს ნებისმიერი სიცოცხლისთვის, მაგრამ იქაც კი, სადაც წყალი 120 გრადუსამდე ცხელდება, ცხოვრობენ ბაქტერიები – ეგრეთ წოდებული ჰიპერთერმოფილები.

ზედაპირზე გამოტანილი რკინისა და ნიკელის სულფიდები წარმოქმნიან პირიტს და გრეიგიტის ნალექს ფოროვანი წიდის მსგავსი ქანების სახით. ზოგიერთმა თანამედროვე მეცნიერმა, მაგალითად მაიკლ რასელმა, წამოაყენა ჰიპოთეზა, რომ სწორედ ეს მიკროფორებით მდიდარი (ბუშტუკები) ქანები გახდა სიცოცხლის აკვანი. რიბონუკლეინის მჟავები და პეპტიდები შეიძლება წარმოიქმნას მიკროსკოპულ ვეზიკულებში. ამრიგად, ვეზიკულები გახდა პირველადი კატაკლავები, რომლებშიც ადრეული მეტაბოლური ჯაჭვები იზოლირებული იყო და გადაკეთდა უჯრედად.

სიცოცხლე ენერგიაა

მაშ, სად არის სიცოცხლის გაჩენის ადგილი ამ არც თუ ისე ადაპტირებულ ადრეულ დედამიწაზე? სანამ ამ კითხვაზე პასუხის გაცემას შევეცდებით, აღსანიშნავია, რომ ყველაზე ხშირად ბიოგენეზის პრობლემებში ჩართული მეცნიერები ყურადღებას ამახვილებენ „ცოცხალი აგურის“, „სამშენებლო ბლოკების“ წარმოშობაზე, ანუ იმ ორგანულ ნივთიერებების, რომლებიც ქმნიან ცოცხალ უჯრედი. ეს არის დნმ, რნმ, ცილები, ცხიმები, ნახშირწყლები. მაგრამ თუ აიღებთ ყველა ამ ნივთიერებას და ჩადებთ ჭურჭელში, თავისთავად არაფერი გაერთიანდება. ნებისმიერი ორგანიზმი არის დინამიკური სისტემა, რომელიც იმყოფება გარემოსთან მუდმივ გაცვლის მდგომარეობაში.

თუნდაც თანამედროვე ცოცხალი ორგანიზმი ავიღოთ და მოლეკულებამდე "დავფქვათ", მაშინ ამ მოლეკულებიდან ცოცხალი არსების ხელახლა შეკრება ვერავინ შეძლებს. თუმცა, სიცოცხლის წარმოშობის თანამედროვე მოდელები ძირითადად ორიენტირებულია მაკრომოლეკულების - ბიოორგანული ნაერთების წინამორბედების აბიოგენური სინთეზის პროცესებზე, ენერგიის გენერირების მექანიზმების შეთავაზების გარეშე, რამაც გამოიწვია და შეინარჩუნა მეტაბოლური პროცესები.

ჰიპოთეზა ცხელ წყაროებში სიცოცხლის წარმოშობის შესახებ საინტერესოა არა მხოლოდ უჯრედის წარმოშობის ვერსიით და მისი ფიზიკური იზოლაციით, არამედ სიცოცხლის ენერგეტიკული ფუნდამენტური პრინციპის პოვნის შესაძლებლობით, პროცესების სფეროში კვლევის წარმართვისთვის, რომლებიც აღწერილია არა იმდენად ქიმიის ენით, რამდენადაც ფიზიკის ტერმინებით.

ვინაიდან ოკეანის წყალი უფრო მჟავეა, ხოლო ჰიდროთერმული წყლები და ნალექის ფორების სივრცე უფრო ტუტეა, წარმოიშვა პოტენციური განსხვავებები, რაც ძალზე მნიშვნელოვანია სიცოცხლისთვის. ყოველივე ამის შემდეგ, უჯრედებში ჩვენი ყველა რეაქცია ბუნებით ელექტროქიმიურია. ისინი დაკავშირებულია ელექტრონის გადაცემასთან და იონურ (პროტონებთან) გრადიენტებთან, რომლებიც იწვევენ ენერგიის გადაცემას. ბუშტების ნახევრად გამტარი კედლები ასრულებდა მემბრანის როლს, რომელიც მხარს უჭერდა ამ ელექტროქიმიურ გრადიენტს.

სამკაული ცილოვან ყუთში

განსხვავება ოკეანის ფსკერზე (სადაც ქანები იხსნება სუპერ ცხელი წყლით) და ფსკერს მაღლა, სადაც წყალი იკლებს, ასევე საინტერესოა სიცოცხლის გაჩენის თვალსაზრისით.

t არის პოტენციური განსხვავება, რომლის შედეგია იონების და ელექტრონების აქტიური მოძრაობა. ამ ფენომენს გეოქიმიური ბატარეაც კი უწოდეს.

ორგანული მოლეკულების ფორმირებისთვის შესაფერისი გარემოს და ენერგიის ნაკადის არსებობის გარდა, არსებობს კიდევ ერთი ფაქტორი, რომელიც გვაძლევს საშუალებას მივიჩნიოთ ოკეანის ჰიდროთერმები სიცოცხლის წარმოშობის ყველაზე სავარაუდო ადგილად. ეს არის ლითონები.

ცხელი წყაროები, როგორც უკვე აღვნიშნეთ, განლაგებულია რიფტის ზონებში, სადაც ფსკერი შორდება და ცხელი ლავა ამოდის. ზღვის წყალი აღწევს ნაპრალებში, რომელიც შემდეგ ბრუნდება ცხელი ორთქლის სახით. უზარმაზარი წნევისა და მაღალი ტემპერატურის პირობებში ბაზალტები იხსნება შაქრის მსგავსად, გამოაქვს დიდი რაოდენობით რკინა, ნიკელი, ვოლფრამი, მანგანუმი, თუთია და სპილენძი. ყველა ეს ლითონი (და ზოგიერთი სხვა) უზარმაზარ როლს თამაშობს ცოცხალ ორგანიზმებში, რადგან მათ აქვთ მაღალი კატალიზური თვისებები.

ჩვენს ცოცხალ უჯრედებში რეაქციები კონტროლდება ფერმენტებით. ეს არის საკმაოდ დიდი ცილის მოლეკულები, რომლებიც ზრდის რეაქციის სიჩქარეს უჯრედის გარეთ მსგავს რეაქციებთან შედარებით, ზოგჯერ სიდიდის რამდენიმე რიგით. და რაც საინტერესოა, ფერმენტის მოლეკულის შემადგენლობაში, ათასობით და ათასობით ნახშირბადის, წყალბადის, აზოტის და გოგირდის ატომისთვის, ზოგჯერ მხოლოდ 1-2 ლითონის ატომია. მაგრამ თუ ატომების ეს წყვილი ამოღებულია, ცილა წყვეტს კატალიზატორს. ანუ ცილა-მეტალის წყვილში სწორედ ეს უკანასკნელი აღმოჩნდება ლიდერი. მაშინ რატომ გვჭირდება ცილის დიდი მოლეკულა? ერთის მხრივ, ის მანიპულირებს ლითონის ატომებით, „მიყრის“ მათ რეაქციის ადგილზე. და მეორე მხრივ, ის იცავს მას, იცავს მას სხვა ელემენტებთან ნაერთებისგან. და ამას დიდი მნიშვნელობა აქვს.

ფაქტია, რომ ბევრი ლითონი, რომელიც უხვად იყო ადრეულ დედამიწაზე, როცა ჟანგბადი არ იყო, ახლა უკვე ხელმისაწვდომია - იქ სადაც ჟანგბადი არ არის. მაგალითად, ვულკანურ წყაროებში ბევრი ვოლფრამია. მაგრამ როგორც კი ეს ლითონი გამოვა ზედაპირზე, სადაც ხვდება ჟანგბადს, მაშინვე იჟანგება, იგივე ხდება რკინასთან და სხვა ლითონებთან დაკავშირებით. ამრიგად, ცილის დიდი მოლეკულის ამოცანაა ლითონის აქტიური შენარჩუნება. ეს ყველაფერი იმაზე მეტყველებს, რომ სიცოხლის ც ისტორიაში პირველადია ლითონები. ცილების გაჩენა იყო ძირითადი გარემოს შენარჩუნების ფაქტორი, რომელშიც ლითონები ან მათი მარტივი ნაერთები ინარჩუნებდნენ კატალიზურ თვისებებს და უზრუნველყოფდნენ მათი ეფექტური გამოყენების შესაძლებლობას ბიოკატალიზში.

აუტანელი ატმოსფერო

ჩვენი პლანეტის ფორმირება შეიძლება შევადაროთ რკინის დნობას ღია კერის ღუმელში. ღუმელში კოქსი, მადანი, ნაკადები - ეს ყველაფერი დნება და ბოლოს მძიმე თხევადი ლითონი ქვევით ჩამოედინება, ზედ კი გამაგრებული წიდის ქაფი რჩება.

გარდა ამისა, გაზები და წყალი გამოიყოფა. ანალოგიურად ჩამოყალიბდა დედამიწის ლითონის ბირთვი, რომელიც პლანეტის ცენტრისკენ „მიედინა“. ამ „დნობის“ შედეგად დაიწყო პროცესი, რომელიც ცნობილია როგორც მანტიის დეგაზაცია. დედამიწა 4 მილიარდი წლის წინ, როდესაც სიცოცხლის წარმოშობად ითვლება, გამოირჩეოდა აქტიური ვულკანიზმით, რომელიც ახლანდელთან შედარება შეუძლებელია. ნაწლავებიდან გამოსხივების ნაკადი 10-ჯერ უფრო ძლიერი იყო, ვიდრე ჩვენს დროში. ტექტონიკური პროცესებისა და მეტეორიტების ინტენსიური დაბომბვის შედეგად, წვრილი დედამიწის ქერქი მუდმივად გადამუშავებული იყო. ცხადია, თავისი წვლილი შეიტანა მთვარემაც, რომელიც გაცილებით ახლო ორბიტაზე იმყოფებოდა, რომელმაც ჩვენი პლანეტის მასაჟი მოახდინა და გაათბო თავისი გრავიტაციული ველით.

ყველაზე გასაკვირი ის არის, რომ მზის ნათების ინტენსივობა იმ შორეულ დროში დაახლოებით 30%-ით დაბალი იყო. თუ ჩვენს ეპოქაში მზე დაიწყებდა მინიმუმ 10%-ით სუსტ ნათებას, დედამიწა მყისიერად დაიფარებოდა ყინულით. მაგრამ მაშინ ჩვენს პლანეტას გაცილებით მეტი სითბო ჰქონდა და მის ზედაპირზე მყინვარების მსგავსიც კი არაფერი აღმოაჩინეს.

მაგრამ იყო მკვრივი ატმოსფერო, რომელიც კარგად ინარჩუნებდა სითბოს. შემადგენლობაში მას პრაქტიკულად აკლდა თავისუფალი ჟანგბადი, მაგრამ შეიცავდა წყალბადის მნიშვნელოვან რაოდენობას, ასევე წყლის ორთქლს, მეთანს და ნახშირორჟანგს.

მოკლედ, დედამიწაზე პირველი სიცოცხლე გაჩნდა იმ პირობებში, როდესაც ცოცხალ ორგანიზმებს შორის მხოლოდ პრიმიტიული ბაქტერიების არსებობა შეიძლებოდა. გეოლოგები წყლის პირველ კვალს 3, 5 მილიარდი წლის ნალექებში პოულობენ, თუმცა, როგორც ჩანს, თხევადი სახით, ის დედამიწაზე ცოტა ადრე გამოჩნდა. წყალი წარმოიქმნა წყლის ორთქლიდან, რომელიც გაჯერდა ატმოსფეროში, როდესაც დედამიწამ თანდათანობით გაციება დაიწყო. გარდა ამისა, წყალი (სავარაუდოდ, თანამედროვე მსოფლიო ოკეანის 1, 5 მოცულობის მოცულობით) ჩვენამდე მოიტანეს პატარა კომეტებმა, რომლებიც ინტენსიურად ბომბავდნენ დედამიწის ზედაპირს.

წყალბადი, როგორც ვალუტა

ფერმენტების უძველესი სახეობაა ჰიდროგენაზები, რომლებიც ახდენენ უმარტივეს ქიმიურ რეაქციებს - წყალბადის შექცევად შემცირებას პროტონებიდან და ელექტრონებიდან. და ამ რეაქციის აქტივატორები არიან რკინა და ნიკელი, რომლებიც უხვად იყო წარმოდგენილი ადრეულ დედამიწაზე. წყალბადიც ბევრი იყო – მანტიის გაზის გაჟონვის დროს გამოიყოფოდა. წყალბადი, როგორც ჩანს, იყო ენერგიის მთავარი წყარო ადრეული მეტაბოლური სისტემებისთვის. ჩვენს ეპოქაშიც კი, ბაქტერიების მიერ განხორციელებული რეაქციების დიდი უმრავლესობა მოიცავს წყალბადის მოქმედებას. როგორც ელექტრონებისა და პროტონების პირველადი წყარო, წყალბადი ქმნის მიკრობული ენერგიის საფუძველს, არის რაღაც ენერგიის ვალუტა მათთვის.

სიცოცხლე წარმოიშვა უჟანგბადო გარემოში. ჟანგბადით სუნთქვაზე გადასვლა მოითხოვდა უჯრედის მეტაბოლური სისტემების რადიკალურ გარდაქმნებს ამ აგრესიული ჟანგვის აგენტის აქტივობის შესამცირებლად. ჟანგბადთან ადაპტაცია ძირითადად წარმოიშვა ფოტოსინთეზის ევოლუციის პროცესში. მანამდე წყალბადი და მისი მარტივი ნაერთები - წყალბადის სულფიდი, მეთანი, ამიაკი - ცოცხალთა ენერგიის საფუძველს წარმოადგენდა. მაგრამ ეს ალბათ არ არის ერთადერთი ქიმიური განსხვავება თანამედროვე ცხოვრებასა და ადრეულ ცხოვრებას შორის.

ეკონომიური ურანოფილები

შესაძლოა, ადრეულ სიცოცხლეს არ ჰქონოდა ის შემადგენლობა, როგორიც ახლანდელია, სადაც ძირითად ელემენტებად ჭარბობს ნახშირბადი, წყალბადი, აზოტი, ჟანგბადი, ფოსფორი და გოგირდი. ფაქტია, რომ სიცოცხლე უპირატესობას ანიჭებს მსუბუქ ელემენტებს, რომლებთანაც უფრო ადვილია "თამაში". მაგრამ ამ სინათლის ელემენტებს აქვთ მცირე იონური რადიუსი და ქმნიან ძლიერ კავშირებს. და სიცოცხლეს ეს არ სჭირდება. მას უნდა შეეძლოს ამ ნაერთების ადვილად დაშლა. ახლა ჩვენ გვაქვს ბევრი ფერმენტი ამისათვის, მაგრამ სიცოცხლის გარიჟრაჟზე ისინი ჯერ არ არსებობდნენ.

სავარაუდოდ ექვსი ძირითადი ელემენტიდან ზოგიერთს (მაკროელემენტები C, H, N, O, P, S) ჰყავდა უფრო მძიმე, მაგრამ ასევე უფრო "მოხერხებული" წინამორბედები. გოგირდის, როგორც ერთ-ერთი მაკროელემენტის ნაცვლად, სავარაუდოდ, მუშაობდა სელენი, რომელიც ადვილად აერთიანებს და ადვილად იშლება. დარიშხანმა შესაძლოა იმავე მიზეზით დაიკავა ფოსფორის ადგილი. ბაქტერიების ბოლო აღმოჩენა, რომლებიც დნმ-სა და რნმ-ში ფოსფორის ნაცვლად დარიშხანს იყენებენ, აძლიერებს ამ პოზიციას. და ეს ყველაფერი მართებულია არა მხოლოდ არალითონებისთვის, არამედ ლითონებისთვისაც. რკინასთან და ნიკელთან ერთად ვოლფრამი მნიშვნელოვან როლს თამაშობდა სიცოცხლის განვითარებაში. მაშასადამე, სიცოცხლის ფესვები, ალბათ, პერიოდული ცხრილის ბოლოში უნდა იყოს გადატანილი.

ბიოლოგიური მოლეკულების თავდაპირველი შემადგენლობის შესახებ ჰიპოთეზების დასადასტურებლად ან უარყოფისთვის, დიდი ყურადღება უნდა მივაქციოთ უჩვეულო გარემოში მცხოვრებ ბაქტერიებს, რომლებიც შესაძლოა ბუნდოვნად მოგვაგონებს ძველი დროის დედამიწას. მაგალითად, ახლახან იაპონელმა მეცნიერებმა შეისწავლეს ბაქტერიების ერთ-ერთი სახეობა, რომელიც ცხელ წყაროებში ცხოვრობს. მათ ლორწოვან გარსებში ურანის მინერალები აღმოაჩინეს. რატომ აგროვებენ მათ ბაქტერიები? იქნებ ურანს აქვს გარკვეული მეტაბოლური ღირებულება მათთვის? მაგალითად, გამოიყენება რადიაციის მაიონებელი ეფექტი. არის კიდევ ერთი ცნობილი მაგალითი - მაგნიტობაქტერიები, რომლებიც არსებობენ აერობულ პირობებში, შედარებით ცივ წყალში და აგროვებენ რკინას ცილოვან მემბრანაში გახვეული მაგნეტიტის კრისტალების სახით. როცა გარემოში ბევრი რკინაა, ამ ჯაჭვს ქმნიან, როცა რკინა არ არის, ხარჯავენ და „ჩანთები“ ცარიელდება. ეს ძალიან ჰგავს ხერხემლიანების ცხიმს, როგორც ენერგიის შემნახველს, მაგ აქლემის კუზში.

2-3 კმ სიღრმეზე, მკვრივ ნალექებში, გამოდის, რომ ბაქტერიებიც ცხოვრობენ და მთლიანად ჟანგბადისა და მზის გარეშე ცხოვრობენ. ასეთი ორგანიზმები აღმოაჩინეს, მაგალითად, სამხრეთ აფრიკის ურანის მაღაროებში. ისინი იკვებებიან წყალბადით და მათთვის საკმარისია, რადგან რადიაციის დონე იმდენად მაღალია, რომ წყალი ჟანგბადად და წყალბადად იშლება. დედამიწის ზედაპირზე ამ ორგანიზმებში გენეტიკური ანალოგი არ არის ნაპოვნი. სად ჩამოყალიბდა ეს ბაქტერიები? სად არიან მათი წინაპრები? ამ კითხვებზე პასუხების ძიება ჩვენთვის ხდება ნამდვილი მოგზაურობა დროში - დედამიწაზე სიცოცხლის წარმოშობისკენ.