След первой бактерии

Возникновение жизни – главный вопрос, который всегда волновал разумное человечество. Ответы на него менялись так часто, как и представление человека о мироустройстве. При этом могли уживаться как версии о божественной природе жизни, так и предположения о том, что жизнь рождается сама по себе: кинь ветошь в угол избы – и через какое-то время из этой ветоши родятся мыши. Справедливости ради стоит отметить, что точка в этом вопросе не поставлена и сегодня. Более того, современная наука даже не может ответить на вопрос о том, что же такое жизнь. А вот в чем единодушны ученые-естествоиспытатели, так это в том, что, скорее всего, самыми первыми органическими существами на планете Земля были первые бактерии.

Проблемы изучения

Принять то, что органическая жизнь развилась из простейшего одноклеточного, которого не во всякий микроскоп разглядишь, непростое решение. Отказаться от идеи присутствия божьего промысла и взять всю ответственность за происходящее исключительно на себя даже современное общество не совсем готово, а в более ранние века такие идеи называли ересью и крамолой.

Этические и культурные аспекты жизни социума всегда влияли на скорость и направленность научно-технического прогресса (и далеко не всегда это влияние являлось отрицательным). Но, кроме этических проблем, существуют и объективные сложности, которые не позволяют расставить все точки над і в вопросах появления первых живых организмов.

Окончательно закрепить за бактериями автотрофами и гетеротрофами право быть пионерами в деле формирования органической жизни на планете Земле не позволяют следующие обстоятельства:

1. Один из принципов научного подхода, который гласит, что природа в принципе непознаваема и всегда есть вероятность получить новые данные, которые смогут изменить официальную научную парадигму.
2. Отсутствие полной картины того процесса, в результате которого из неорганических соединений могла возникнуть сложная самокопирующаяся органическая молекула.
3. Отсутствие доступа к осадочным отложениям, формировавшимся на планете Земля в самом начале ее существования.

Вот с этих трех позиций и можно рассматривать вопросы о том:

• когда сформировались первые микроорганизмы;
• как развивались бактериальные сообщества, дошли ли они до наших дней;
• каковы перспективы бактерий на этой планете, в том числе и в разрезе сотрудничества с человеком.

Когда появились

Несмотря на то что современная наука очень много знает о простейших безъядерных организмах (бактериях), достоверных данных о первых представителях этого царства органической жизни сегодня, как и много лет назад, нет.

Есть предположения, что самые первые автотрофы-бактерии появились на Земле в первые сто миллионов лет существования планеты.

Пока что эту гипотезу невозможно ни подтвердить, ни опровергнуть. Причин для такой неопределенности несколько:

1. Самые древние осадочные отложения, которые найдены сегодня, образовались 3,9 млрд лет назад, в них уже есть следы бактерий.
2. Отсутствие возможности исследовать более поздние породы является основанием предполагать, что в них также могут быть следы бактерий.

По всему выходит, что вопрос о том, когда появились бактерии и сколько лет назад органические молекулы стали копировать себя, используя энергию, получаемую из окружающей среды, откладывается до момента выявления геологических объектов возрастом, максимально приближающимся к возрасту планеты.

Как появились

Если же абстрагироваться от того, когда появились самые первые прокариоты, и задаться вопросом, как они появились, можно узнать много интересного о том, на чем вообще держится органическая земная жизнь.

Разгадка кроется в тех первых процессах, которые зарождались в безжизненных и ядовитых, по современным меркам, водах первичного океана.

Сегодня достоверно известно: сколько бы лет назад ни возникли первые бактериальные клетки, они сформировались как организмы в тех условиях, в которых не могут существовать ни растения, ни животные, являющиеся частью современной биосферы.

Согласно косвенным и умозрительным предположениям, условия, в которых зарождалась первая земная жизнь, в первый миллиард лет существования планеты сложились такие:

1. В результате гравитационной дифференциации элементов, из которых первоначально состояла Земля, был запущен процесс формирования протосфер.
2. Гравитационная дифференциация способствовала разогреву планеты и, как следствие, плавлению ее верхней оболочки.
3. Плавление запустило процессы дегазации мантии, в результате чего сформировалась первичная атмосфера, которая состояла из водяных паров, метана, аммиака, молекулярного азота, сернистых дымов.
4. Вследствие постепенного оседания тяжелого железа и формирования ядра планеты температура на поверхности снижалась, а верхняя оболочка начинала постепенно остывать.
5. Остывающие водяные пары обрушивались ливнями на все еще горячую мантию Земли, и тут же большое количество влаги испарялось назад, в верхние слои первичной атмосферы.
6. В результате многократных процессов конденсации и испарения на Земле сформировалась гидросфера, атмосфера, был запущен геохимический круговорот.

Вот в этом первичном океане с только что родившимся геохимическим круговоротом возникли условия, в которых родилась первая безъядерная клетка. Сколько лет назад это произошло, сказать пока невозможно, это знание на данный момент является недоступным исследователям.

Сам процесс поэтапного формирования первых бактерий сегодня является частично изученным.

Согласно данным, подтвержденным многими научными экспериментами, последовательность формирования органических структур, которые позже стали первой бактерией, выглядела следующим образом:

1. В результате конкуренции между химическими реакциями возникла борьба за исходные вещества. Побеждали те реакции, которые получали возможность протекать (реагировать) быстрее. Скорость реакции увеличивается благодаря присутствию катализаторов.
2. В конкурентной борьбе возникли такие реакции, которые катализировались собственными продуктами, и эти реакции оказались в самом выигрышном положении. Все перечисленные выводы подтверждаются научными экспериментами, и неудивительно, что после таких результатов ученые засомневались в том, что же является жизнью, а что ею не является.
3. Появление первого автокаталитического цикла стало предпосылкой возникновения РНК-организмов, которые только и умели, что копировать самих себя, используя растворенные в первичном океане химические вещества, но для земной жизни это был огромный прорыв, поскольку появился так называемый РНК-мир, предвестник органической жизни.
4. Эволюция РНК-мира решила вопросы обеспечения химических реакций «дешевой» энергией АТФ, кроме того, используя свои молекулярные «хвостики», РНК научились «собирать» белки и, более того, со временем создали молекулу ДНК – единственного и непревзойденного на этой планете хранителя генетической информации.
5. Оболочка первых бактерий образовалась из липидов (жиров), также присутствовавших в первичном океане, это так называемые коацерватные капли. Не являясь живыми организмами, эти капли могут расти, делиться и обмениваться веществами с окружающей средой.

Предположительно оказавшаяся внутри коацерватной капли РНК-молекула получила преимущества перед теми РНК-молекулами, которые продолжали существовать в открытом пространстве океана, и это стало отправным моментом для формирования биологической клетки как единого комплекса согласованно действующих биохимических процессов.

Роль первых бактерий

Все вопросы, которые природа решала в процессе создания первых бактерий, фактически сводились к одному основному вопросу – стабилизация геохимического круговорота, который возник на планете в момент формирования ее основных сфер.

Сложно представить, но именно бактерии (автотрофы и гетеротрофы):

• образовали плодородный слой почвы;
• насытили атмосферу кислородом;
• создали предпосылки для возникновения ядерных организмов (эукариотов), которые впоследствии развились в два царства: растения и животные.

Все эти продукты жизнедеятельности простейших организмов включались в общий круговорот веществ в природе и постепенно стали его обязательными структурными элементами.

Однако при этом бактерии не утратили своей ведущей роли в жизни Земли. На сегодняшний день, как и много лет назад, бактерии-автотрофы синтезируют из неорганических соединений органические вещества, а бактерии-гетеротрофы разлагают органику на неорганические соединения. Два необходимых условия круговорота выполняют бактерии.

Отголоски в современности

Сегодня сложно делать категорические заявления о том, какими были те первые прокариоты много лет назад, поскольку нет полных данных об условиях, в которых жили эти первые микроорганизмы.

Но поиски следов зарождения органической жизни продолжаются, и иногда ученые получают возможность приоткрыть завесу тайны.

Так, интересные сведения были получены при изучении колонии архей (безъядерные микроорганизмы) Ферроплазма (Ferroplasma acidiphilum), обнаруженных в реакторе одного из металлургических заводов Тульской области.

При детальном изучении ферроплазмы были зафиксированы такие свойства, которые позволили бы микроорганизму с подобными характеристиками жить в условиях первичной атмосферы, предположительно существовавшей четыре миллиарда лет назад:

• у ферроплазмы нет жесткой клеточной стенки;
• живет в воде с очень высокой кислотностью, которая в обычных земных условиях практически не встречается;
• автотроф, синтезирующий органику из углекислого газа (одного из главных компонентов первичной атмосферы), при этом для синтеза используется не энергия солнца, а энергия окисления железа, которым были переполнены воды первичного океана;
• ферроплазма синтезирует белки, которые отличаются от известных науке белковых молекул очень высоким уровнем содержания металлов (самых первых и самых древних катализаторов), эти белки даже получили специальное название – металлопротеины.

Исследователи считают, что особенности ферроплазмы являются чудом сохранившимися отголосками первых этапов становления органической жизни, которые протекали миллиарды лет назад.

Утилитарное использование

Как бы ни была велика тяга человека к абстрактному познанию мира, действительность практически всегда возвращает его в рамки необходимости использовать полученные знания с конкретной практической пользой для общества.

Современное общество, воодушевленное открытиями микробиологов, хочет получить новые инструменты в решении основных проблем человечества:

• обеспечение дешевыми продуктами питания;
• профилактика и лечение недугов;
• создание синтетических органических материй разных уровней сложности, в том числе и для целей имплантации органов, а также в целях лечения;
• создание искусственного интеллекта;
• решение экологических проблем.

Современные бактерии, которые исследуются в целях лечения человека, его кормления и уборки отходов его жизнедеятельности, не имеют никакого отношения к тем первым бактериям, которые жили на Земле.

А вот те бактерии, которые стали первыми симбионтами человека и его первыми паразитами, могут сыграть важную роль в поиске новых путей лечения человека.

Так, например, сегодня активно изучается бактерия Хеликобактер Пилори, которая инфицировала более половины населения планеты и является причиной язвенных болезней желудка и двенадцатиперстной кишки.

В поисках инструментов для лечения этого недуга биологи прорабатывали гипотезу, согласно которой первые люди в свое время были заражены этой бактерией от животных. Однако последние данные показали, что именно человек стал первым резервуаром для жизни Хеликобактер Пилори. Дальнейшее заражение животных происходило в результате контакта последних с человеком.

Эти сведения имеют большую ценность для лечения язвы, ведь, понимая пути эволюции язвенной бактерии, гораздо проще разработать комплексное лечение и профилактические меры.

Кроме исследования живых бактериальных культур, микробиологи и фармацевты пытаются создать искусственные микроорганизмы, которые также смогут решить вопросы диагностики и лечения болезней человека.

Сегодня исследуются возможности искусственных бактерий, созданных на базе обычной кишечной палочки, диагностировать рак и диабет. Выявление этих болезней на ранних стадиях помогает добиваться высоких результатов в лечении.

Однако надо понимать, что искусственная бактерия – это не созданный из синтетических материалов микроорганизм. Синтетическая бактерия – это обычная бактерия, в генетический код которой вносятся определенные изменения.

Так, например, та же синтетическая кишечная палочка, благодаря изменению ДНК искусственным путем, при повышении сахара в крови диабетика начинает вырабатывать флуоресцирующий белок, который, попадая в мочу больного, сразу проявляет себя на специальных биохимических тестах.

Несмотря на перспективность разработок в области создания синтетических бактерий, необходимых при лечении и диагностике человека, эти научные разработки имеют большую опасность.

Многие общественные институты призывают разработчиков новаций по созданию искусственных бактерий отказываться от патентования своих разработок, поскольку современная наука пока не может дать ответ на вопрос, что будет, если синтетические бактерии станут частью естественной бактериальной среды планеты.

А отследить момент проникновения искусственных бактерий в естественную окружающую среду практически невозможно.

Светлана

Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.