لماذا نشأت الحياة في الماء؟ أصل الحياة في الماء الساخن.

تشكلت الأرض على الأرجح منذ 4.5-5 مليار سنة من سحابة عملاقة من الغبار الكوني. يتم ضغط جزيئاتها في كرة ساخنة. تم إطلاق بخار الماء منه إلى الغلاف الجوي ، وتساقط الماء من الغلاف الجوي على الأرض التي تبرد ببطء على مدى ملايين السنين في شكل مطر. في تجاويف سطح الأرض ، تشكل المحيط ما قبل التاريخ. في ذلك ، منذ حوالي 3.8 مليار سنة ، ولدت الحياة الأصلية.

هناك عدة نظريات حول أصل الحياة على الأرض. على سبيل المثال ، تقول إحدى الفرضيات القديمة أنه تم إحضارها إلى الأرض من الفضاء ، ولكن لا يوجد دليل قاطع على ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحياة التي نعرفها تكيفت بشكل مدهش لتوجد على وجه التحديد في الظروف الأرضية ، وبالتالي ، إذا نشأت خارج الأرض ، فعندئذٍ على كوكب من النوع الأرضي. يعتقد معظم العلماء المعاصرين أن الحياة نشأت على الأرض ، في بحارها. ولكن كيف نشأ الكوكب نفسه وكيف ظهرت البحار عليه؟

هناك نظرية واحدة مقبولة على نطاق واسع حول هذا الموضوع. وفقا لها ، تشكلت الأرض من الغيوم غبار الفضاء، والتي تحتوي على جميع العناصر الكيميائية المعروفة في الطبيعة ، والتي يتم ضغطها في كرة. هرب بخار الماء الساخن من سطح هذه الكرة الحمراء الساخنة ، ولفها بغطاء سحابي مستمر.تبريد بخار الماء في السحب ببطء وتحول إلى ماء ، والذي سقط على شكل أمطار غزيرة مستمرة على الأرض التي لا تزال ساخنة ، محترقة أرض. على سطحه ، تحول مرة أخرى إلى بخار ماء وعاد إلى الغلاف الجوي. على مدى ملايين السنين ، فقدت الأرض تدريجيًا الكثير من الحرارة لدرجة أن سطحها السائل بدأ في التصلب مع تبريده. هكذا تكونت القشرة الأرضية.

مرت ملايين السنين ، وانخفضت درجة حرارة سطح الأرض أكثر من ذلك. توقفت مياه العواصف عن التبخر وبدأت تتدفق إلى برك ضخمة. هكذا بدأ تأثير الماء على سطح الأرض. وبعد ذلك ، بسبب انخفاض درجة الحرارة ، كان هناك فيضان حقيقي. المياه ، التي كانت قد تبخرت سابقًا في الغلاف الجوي وتحولت إلى الجزء المكون لها ، تندفع باستمرار إلى الأرض ، وسقطت زخات قوية من السحب مع الرعد والبرق. شيئا فشيئا في الأكثر المنخفضات العميقةالمياه المتراكمة على سطح الأرض ، والتي لم يعد لديها الوقت لتبخر تماما. كان هناك الكثير منه بحيث تشكل تدريجيًا محيط ما قبل التاريخ على هذا الكوكب. قطع البرق السماء. لكن لم يره أحد. لم تكن هناك حياة على الأرض بعد. بدأ هطول الأمطار المستمر في غسل الجبال. تدفقت المياه منها في مجاري صاخبة وأنهار عاصفة. على مدى ملايين السنين ، تسببت تدفقات المياه في تآكل سطح الأرض بعمق وظهرت في بعض الأماكن الوديان. انخفض محتوى الماء في الغلاف الجوي ، وتراكم أكثر فأكثر على سطح الكوكب. أصبح الغطاء السحابي المستمر أرق ، إلى أن لامس شعاع الشمس الأرض ذات يوم. انتهى المطر المستمر. كانت معظم الأرض مغطاة بالمحيط الذي يعود إلى عصور ما قبل التاريخ. من طبقاته العليا ، جرف الماء كمية هائلة من المعادن والأملاح القابلة للذوبان التي سقطت في البحر. تبخر الماء منه باستمرار ، مكونًا غيومًا ، واستقرت الأملاح ، ومع مرور الوقت كان هناك تملح تدريجي لمياه البحر. على ما يبدو ، في ظل بعض الظروف التي كانت موجودة في العصور القديمة ، تشكلت مواد نشأت منها أشكال بلورية خاصة. لقد نمت ، مثل كل البلورات ، وأدت إلى ظهور بلورات جديدة ، والتي تعلق المزيد والمزيد من المواد الجديدة بأنفسها. ضوء الشمسوربما كان التفريغ الكهربائي القوي للغاية بمثابة مصدر للطاقة في هذه العملية. ربما ولد سكان الأرض الأوائل من هذه العناصر - بدائيات النوى ، الكائنات الحية بدون نواة مشكلة ، على غرار البكتيريا الحديثة. لقد كانوا لاهوائيين ، أي أنهم لم يستخدموا الأكسجين الحر للتنفس ، وهو ما لم يكن موجودًا بعد في الغلاف الجوي في ذلك الوقت. كان مصدر الغذاء بالنسبة لهم هو المركبات العضوية التي نشأت على الأرض التي لا تزال بلا حياة نتيجة التعرض للأشعة فوق البنفسجية من الشمس ، وتصريفات البرق والحرارة المتولدة أثناء الانفجارات البركانية. ثم وجدت الحياة في طبقة رقيقة من البكتيريا في قاع الخزانات وفي الأماكن الرطبة. هذا العصر من تطور الحياة يسمى Archean. من البكتيريا ، وربما بطريقة مستقلة تمامًا ، نشأت أيضًا كائنات دقيقة وحيدة الخلية - أقدم البروتوزوا.

لا يزالون يشكلون أساس الحياة في البحار وخزانات المياه العذبة. إنها صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها إلا بالمجهر. في قطرة ماء من بركة صغيرة يوجد الآلاف والآلاف منهم. مع أبسط الكائنات أحادية الخلية ، بدأ تطور جميع أشكال الحياة الحيوانية. في نهاية عصر البروتيروزويك ، الحقبة التالية بعد العصر الأركي ، منذ 1000 - 600 مليون سنة ، كانت توجد بالفعل حيوانات غنية: قنديل البحر ، والزوائد اللحمية ، والديدان المفلطحة ، والرخويات ، وشوكيات الجلد.

تُظهر الصورة كائنات بدائية عاشت منذ حوالي 600-570 مليون سنة في العصر الجيولوجي الكمبري ، وهي الفترة الأولى من العصر الباليوزوي. علمنا بها أولاً بفضل الحفريات التي اكتشفها الجيولوجيون الذين درسوا جبال الكمبري في المملكة المتحدة. ومن هنا جاء اسم الفترة الجيولوجية في التاريخ.

من أبسط الحيوانات والنباتات التي سكنت البحر في نهاية البروتيروزويك ، لم يتم حفظ أي آثار. يمكن للمرء أن يفترض فقط أن هذه كانت كائنات حية تتكون فقط من الأنسجة الرخوة ، والتي سرعان ما تتحلل تمامًا بعد الموت. لم تكن هناك أسماك حقيقية في الكمبري حتى الآن ، ولكن الكائنات المعوية ، والإسفنج ، والأركيوثيات المنقرضة الآن ، والديدان المسطحة والمتعددة الأشواك ، والقواقع ، والحبار ، وجراد البحر ، وثلاثيات الفصوص. بدا الأخير مثل جراد البحر يصل طوله إلى 10 سم ، وفي ذلك الوقت ، كانوا عمالقة حقيقيين ، أكبر من جميع المخلوقات الأخرى. (لم تكن هناك حياة على الأرض في ذلك الوقت). في نهاية العصر الكمبري ، ظهر بالفعل الحبال الأولى ، على غرار لانسيليتس الحديث. على مدى المليون سنة التالية ، تغيرت الحيوانات تدريجيًا ، وفي الفترة الجيولوجية التالية - السيلوريان ، الذي بدأ قبل 500-400 مليون سنة ، بالإضافة إلى العديد من ثلاثية الفصوص على قاع البحرظهر سكان جدد - عقارب البحر.

انجرفت الكائنات وحيدة الخلية وقناديل البحر بشكل سلبي في عمود الماء في البحر السيلوري. والقشريات وثلاثيات الفصوص والديدان والحيوانات المحمية بأصداف ، مثل القواقع وذوات الصدفتين ، تزحف على طول قاع البحر. القليل منهم يستطيع السباحة. حتى الفقاريات الأولى ، التي تشبه الأسماك ظاهريًا بالفعل ، عاشت في قاع البحر. في Silurian ، ظهرت "الأسماك" الغريبة في البحار والمياه العذبة - بدون فك وزعانف مزدوجة. وقد نجا أقاربهم ، سمك الجريث والجلكى ، حتى يومنا هذا. في العصر السيلوري ، ظهرت بالفعل أول سمكة حقيقية. كان لدى هؤلاء السباحين الذين يشبهون أسماك القرش جسم انسيابي مقشر وزعانف وفم مع فك متحرك يشبه المنقار مبطن بأسنان حادة. منذ ما يقرب من 450 مليون سنة ، في Silurian ، ظهرت الفقاريات الأولى - الأسماك. كان جسد أحد أقدم - السيفالاسبيس - مغطى بمقاييس مدرعة ، وكان الرأس مغطى بقشرة من العظام. على ما يبدو ، كان السيفالاسبيس سباحًا فقيرًا. على مدى ملايين السنين في نفس الفترة الجيولوجية ، نشأت فئتان كبيرتان من الأسماك - الغضروفية والعظمية (الأسماك الرئوية ، شحمة الزعانف والزعانف). والغضروف ، أي له هيكل عظمي غضروفي ، يشمل أسماك القرش والأشعة. في المقابل ، يتكون الهيكل العظمي للأسماك العظمية جزئيًا أو كليًا من أنسجة العظام. تنتمي جميع الأسماك التجارية المعروفة جيدًا لنا تقريبًا إلى الأسماك العظمية: الرنجة والسمك المفلطح وسمك القد والماكريل والكارب والبايك وغيرها الكثير. في المجموع ، هناك 20 ألف نوع من الأسماك على الأرض اليوم ، وهي لا تعيش فقط في البحار ، ولكن أيضًا في المسطحات المائية الأخرى.

قبل 400 مليون سنة ، أفسح السيلوريان الطريق إلى العصر الديفوني الجيولوجي ، الذي استمر حوالي 60 مليون سنة. ثم ظهرت النباتات الأولى على الأرض - الأشنات ، التي غمرت الشواطئ الرطبة للخزانات. خلال العصر الديفوني ، نشأت أشكال أخرى منها ، بما في ذلك النباتات العليا الأولى - السرخس وذيل الحصان. بالإضافة إلى ذلك ، إذا كانت الحيوانات قبل استنشاق الأكسجين المذاب في الماء فقط ، فقد تعلم بعضها الآن استخراجه من الهواء. ربما عاشت هذه الحيوانات البرية الأولى - الديدان الألفية والعقارب والحشرات البدائية عديمة الأجنحة بالقرب من الماء. كان سلف جميع الفقاريات البرية عبارة عن سمكة ذات زعانف شحمية ذات زعانف صدرية وبطنية شبيهة بمخالبها. تدريجيا ، نمت الأسماك ذات الزعانف العلوية الحقيقية الأطراف السفليةوبمرور الوقت ظهرت البرمائيات (البرمائيات) والزواحف (الزواحف).

كيف نعرف كيف كانت تبدو الحيوانات القديمة؟

كل تلك التغييرات التي مرت بها الأرض منذ تكوين قشرتها تمت دراستها بواسطة الجيولوجيا التاريخية. يحدد العلماء عمر الطبقات الجيولوجية بواسطة الأحافير - بقايا الحيوانات والنباتات القديمة ، حيث كان لكل عصر ممثلين مميزين للنباتات والحيوانات. علم الحفريات هو دراسة الحفريات. يدرس علماء الأحافير البقايا الأحفورية للكائنات القديمة ويستعيدون مظهر الحيوانات المنقرضة. عندما ماتت الكائنات الحية في المحيط ما قبل التاريخ ، غرقت في القاع ، حيث كانت مغطاة بالطمي أو الرمل الذي جلبته الأنهار. لملايين السنين ، تم ضغط التربة الطينية ، مع البقايا المدفونة تحتها ، وتحولت إلى حجر. الأنسجة الناعمهالحيوانات تحللت تماما ولكن البصمة بقيت. غالبًا ما كانت الأصداف الصلبة من الرخويات أو قشور القشريات تبقى سليمة. أثناء التطور التاريخي للأرض ، تحت تأثير القوى القوية والأمعاء المنصهرة للكوكب ، تم دفع قاع البحر مرارًا وتكرارًا إلى ارتفاع كبير وأصبح جزءًا من الأرض. تم العثور على بقايا وبصمات الحيوانات القديمة المتناثرة في الصخور من قبل الباحثين وتستخدم لدراسة العمليات الجيولوجية. تشبه طبقات الصخور للعلماء صفحات كتاب يحتوي على العديد من الرسومات ، وتحتاج فقط إلى فك شفرة "النص" بشكل صحيح لفهم كيفية تطور الحياة على هذا الكوكب. ترسبت طبقات من الرمل والطمي مع الأحافير فوق بعضها البعض لملايين السنين. لذلك تم ضغطها: الطبقات القديمة أقل ، الطبقات المتأخرة أعلى. من خلال تراكم المعلومات حول الطبقات التي تهيمن عليها أنواع معينة من الأحافير ، تعلم العلماء تحديد الوقت الجيولوجي الذي ينتمون إليه. بعد ذلك ، أصبح من السهل جدًا تحديد عمر الصخور الجيولوجية التي تم العثور عليها من الحفريات التي تم العثور عليها.

يعد جراند كانيون لنهر كولورادو في ولاية أريزونا الأمريكية أحد الأماكن القليلة التي تم فيها الحفاظ على سجل حجري ضخم وسهل القراءة للحياة على هذا الكوكب. هنا قطع النهر من خلال سمك الصخور الرسوبية - الحجر الجيري والحجر الرملي والصخر الزيتي - إلى عمق 1800 متر. شكل النهر وادًا عميقًا به منحدرات شديدة الانحدار وقاع ضيق يغسل قاع البحر القديم. ارتفعت ببطء شديد وبشكل متساو. لم يكن بناء الجبال ، الذي كان دائمًا مصحوبًا بتحولات هائلة وأعطال الصخور ، موجودًا هنا. لذلك ، لم يتغير تسلسل حدوث الصخور الجيولوجية كثيرًا. بعد دراسة أحافير طبقات منحدر شديد الانحدار ، يمكن للمرء أن يتتبع جميع التغييرات التي حدثت مع عالم حيوانات البحر القديم على مدى مئات الملايين من السنين.

العلم

وفقا للعلماء، بدأت الحياة على الأرض منذ حوالي 3 مليارات سنة: خلال هذا الوقت ، تطورت أبسط الكائنات الحية إلى أشكال معقدة من الحياة. ومع ذلك ، لا يزال لغزًا للعلماء كيف بدأت الحياة على هذا الكوكب ، وقد طرحوا عدة نظريات لشرح هذه الظاهرة:

1. شرارات كهربائية

في تجربة Miller-Urey الشهيرة ، أثبت العلماء أن البرق يمكن أن يكون قد ساهم في تكوين المواد الأساسية اللازمة لأصل الحياة: شرارات كهربائية تشكل أحماض أمينية في جو مكون من كمية ضخمةالماء والميثان والأمونيا والهيدروجين. ثم تطورت أشكال الحياة الأكثر تعقيدًا من الأحماض الأمينية. تم تغيير هذه النظرية إلى حد ما بعد أن وجد الباحثون أن الغلاف الجوي للكوكب منذ مليارات السنين كان فقيرًا في الهيدروجين. اقترح العلماء أن الميثان والأمونيا والهيدروجين كانت موجودة في السحب البركانية المشبعة بالشحنات الكهربائية.

2. الطين

وضع الكيميائي ألكسندر جراهام كيرنز سميث من جامعة جلاسكو باسكتلندا نظرية مفادها أنه في فجر الحياة ، احتوى الطين على العديد من المركبات العضوية التي كانت قريبة من بعضها البعض ، ساعد الطين في تنظيم هذه المواد في هياكل مشابهة لجيناتنا.

يقوم الحمض النووي بتخزين المعلومات حول بنية الجزيئات ، ويشير التسلسل الجيني للحمض النووي إلى كيفية تكوين الأحماض الأمينية في البروتينات. يقترح كيرنز سميث أن البلورات الطينية ساعدت في تنظيم الجزيئات العضوية في هياكل مرتبة ، وبعد ذلك بدأت الجزيئات نفسها في القيام بذلك "دون مساعدة" الطين.

3. فتحات في أعماق البحار

وفقًا لهذه النظرية ، نشأت الحياة في الفتحات الحرارية المائية تحت الماء التي تقذف جزيئات غنية بالهيدروجين.يمكن أن تتجمع هذه الجزيئات على سطحها الصخري وتصبح محفزات معدنية للتفاعلات التي أدت إلى ولادة الحياة. حتى الآن ، تعد هذه الفتحات الحرارية المائية ، الغنية بالطاقة الكيميائية والحرارية ، موطنًا لعدد غير قليل من المنافذ عدد كبير منمخلوقات حية.

4. بداية الجليد

قبل 3 مليارات سنة ، لم تكن الشمس مشرقة كما هي الآن ، وبالتالي ، وصلت حرارة أقل إلى الأرض. من الممكن جدا أن كان سطح الأرض مغطى بطبقة سميكة من الجليد تحمي المادة العضوية الهشةفي الماء تحته من الأشعة فوق البنفسجية والتعرض الكوني. بالإضافة إلى ذلك ، ساعد البرودة الجزيئات على البقاء لفترة أطول ، مما سمح بردود الفعل التي أدت إلى ولادة الحياة.

5. عالم RNA

يحتاج الحمض النووي إلى تكوين البروتينات ، وتحتاج البروتينات إلى تكوين الحمض النووي. كيف يمكن أن يتشكلوا بدون بعضهم البعض؟ اقترح العلماء أن الحمض النووي الريبي متورط في هذه العملية ، والتي ، مثل الحمض النووي ، تخزن المعلومات. من الحمض النووي الريبي ، على التوالي ، تم تشكيل البروتينات والحمض النووي.، والتي حلت محله في ضوء كفاءته الأكبر.

نشأ سؤال آخر: "كيف ظهر الحمض النووي الريبي؟". يعتقد البعض أنه ظهر بشكل عفوي على هذا الكوكب ، بينما ينفي البعض الآخر مثل هذا الاحتمال.

6. نظرية "بسيطة"

اقترح بعض العلماء أن الحياة لم تتطور من جزيئات معقدة مثل الحمض النووي الريبي ، ولكن من جزيئات بسيطة تتفاعل مع بعضها البعض. ربما كانت في قذائف بسيطة تشبه أغشية الخلايا. ونتيجة لتفاعل هذه الجزيئات البسيطة المعقدةالتي تتفاعل بشكل أكثر كفاءة.

7. بانسبيرميا

أخيراً، ربما نشأت الحياة ليس على كوكبنا ، بل جاءت من الفضاء: في العلم ، تسمى هذه الظاهرة بانسبيرميا. هذه النظرية لها أساس متين للغاية: بسبب التأثير الكوني ، يتم فصل أجزاء من الحجارة بشكل دوري عن المريخ ، والتي تصل إلى الأرض. بعد أن اكتشف العلماء النيازك المريخية على كوكبنا ، اقترحوا أن هذه الأجسام تحمل البكتيريا معها. إذا كنت تصدقهم ، إذن كلنا مريخيون. اقترح باحثون آخرون أن المذنبات من أنظمة النجوم الأخرى جلبت الحياة. حتى لو كانوا على حق ، ستبحث الإنسانية عن إجابة لسؤال آخر: "كيف نشأت الحياة في الفضاء؟"

هناك العديد من النظريات العلمية حول أصل الحياة على الأرض. ومع ذلك ، يعتقد معظم العلماء المعاصرين أن الحياة نشأت في مناخ دافئ ، لأن هذه هي البيئة الأكثر ملاءمة لتطوير أبسط الكائنات أحادية الخلية.

نظرية "الحساء البدائي"

ابتكر عالم الأحياء السوفيتي ألكسندر إيفانوفيتش أوبارين في عام 1924 نظرية حول أصل الحياة على كوكبنا من خلال التطور الكيميائي للجزيئات المحتوية على الكربون. لقد صاغ مصطلح "الحساء البدائي" للإشارة إلى الماء الذي يحتوي على نسبة عالية من هذه الجزيئات.

من المفترض أن "الحساء البدائي" كان موجودًا منذ 4 مليارات سنة في الخزانات الضحلة للأرض. يتألف من الماء وجزيئات القواعد النيتروجينية وعديد الببتيدات والأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات. تشكل "الحساء البدائي" تحت تأثير الإشعاع الكوني ، درجة حرارة عاليةوالتفريغ الكهربائي.

نشأت المواد العضوية من الأمونيا والهيدروجين والميثان والماء. يمكن الحصول على الطاقة اللازمة لتكوينها من التفريغ الكهربائي البرق (البرق) أو من الأشعة فوق البنفسجية. أ. اقترح أوبارين أن الجزيئات الخيطية للبروتينات الناتجة يمكن أن تنثني و "تلتصق ببعضها البعض" مع بعضها البعض.

في ظل الظروف المختبرية ، تمكن العلماء من إنشاء ما يشبه "المرق البدائي" الذي تشكلت فيه تراكمات البروتينات بنجاح. ومع ذلك ، لم يتم حل مشكلة التكاثر والتطوير الإضافي للقطرات المتساقطة.

"كرات" البروتين تجذب جزيئات الدهون والماء. كانت الدهون موجودة على سطح تكوينات البروتين ، وتغطيها بطبقة تشبه بشكل غامض غشاء الخلية في التركيب. دعا Oparin هذه العملية coacervation ، والتراكم الناتج من البروتينات - قطرات coacervate. بمرور الوقت ، تمتص قطرات coacervate المزيد والمزيد من أجزاء المادة من البيئة ، مما يعقد هيكلها تدريجيًا حتى تتحول إلى خلايا حية بدائية.

أصل الحياة في الينابيع الساخنة

يمكن أن تدعم المياه المعدنية وخاصة السخانات الساخنة الغنية بالملح أشكال الحياة البدائية بنجاح. الأكاديمي Yu.V. اقترح Natochin في عام 2005 أن البيئة لتكوين الخلايا الأولية الحية لم تكن المحيط القديم ، ولكنها جسم مائي دافئ مع غلبة أيونات K +. تهيمن أيونات الصوديوم + في مياه البحر.

تم تأكيد نظرية الأكاديمي Natochin من خلال تحليل محتوى العناصر في الخلايا الحية الحديثة. في نفوسهم ، وكذلك في السخانات ، تسود أيونات K +.

في عام 2011 ، تمكن العالم الياباني تاداشي سوجاوارا من تكوين خلية حية في المياه المعدنية الساخنة. التكوينات البكتريولوجية البدائية - ستروماتوليت وتتشكل الآن فيها فيفوفي ينابيع المياه الحارة في جرينلاند وأيسلندا.