Основные этапы развития жизни на Земле представляют собой последовательность процессов, в ходе которых происходила эволюция живых организмов в течение 4 млрд лет. Эры и периоды также демонстрируют, как окружающая среда с ее климатическими изменениями, образованием континентов и океанов и катастрофами планетарного масштаба влияла на развитие органической материи.
Образование планеты Земля
Прежде чем показать таблицу по эрам развития жизни на Земле, следует кратко охарактеризовать сам процесс формирования планеты.
По общепризнанным представлениям считается, что около 13,5 млрд лет назад произошел так называемый Большой Взрыв. После него в течение миллиардов лет из облаков пыли, которые состояли из водорода и гелия, начали образовываться первые звездные светила.
По окончании их цикла жизни, что заняло еще несколько миллиардов лет, они либо превращались в белых карликов («спокойная смерть»), либо взрывались подобно суперновым звездам.
Благодаря таким взрывам образовались первые крупные материальные объекты в космосе, которые содержали различные химические элементы.
Наша планета появилась после формирования Солнца из облака пыли и газа приблизительно 4,6 млрд лет назад.
Отвердевание ее коры произошло довольно быстро, в последующие 100 млн лет. К этому же периоду, или эре, которую ученые называют Катархей, относятся процессы формирования Луны и повышенная активность земных вулканов, обусловившая формирование древнейшей атмосферы.
Появление жизни
Геохронологический рисунок появления и развития жизни позволяет охватить все эры и выявить в каждой из них уровень развития живых организмов.
Тем не менее во многом такая таблица построена на косвенных свидетельствах, и в ней остается много загадок.
Еще более загадочным для современных ученых является факт появления самой жизни, то есть возникновения объектов органической материи, которые могут самостоятельно воспроизводить себе подобных.
Существует две гипотезы, касающиеся появления жизни на планете Земля:
Земная гипотеза
Согласно земной гипотезе, жизнь зародилась приблизительно 4 млрд лет назад, в Архейскую эру, Эоархейский период, в центре геотермальных источников.
Именно они смогли создать комбинацию необходимых для этого условий, которые включали в себя высокую температуру, повышенное давление, наличие большого количества неорганических веществ (в основном сульфидов металлов и сероводорода, а также воды и углекислого газа).
Считается, что первые органические молекулы являлись нуклеотидами, которые со временем смогли построить первую рибонуклеиновую кислоту (РНК). Этап образования сложной молекулы РНК является самым слабым местом этой теории.
Благодаря синтезу несложных протеинов РНК постепенно эволюционировала в более стабильную к мутациям молекулу ДНК.
Космическое происхождение
- В биологии проще всего предположить, что на Землю, как одну из молодых планет нашей галактики, живые организмы попали из космоса.
- Здесь существует две различные гипотезы:
- Вместе с метеоритом или кометой, которые упали на поверхность планеты. В подтверждение этой гипотезы можно привести два факта: во-первых, момент появления жизни с точностью до нескольких сотен миллионов лет совпадает с процессами интенсивной бомбардировки поверхности Земли метеоритами; во-вторых, является установленным фактом, что некоторые виды бактерий могут выжить в условиях безвоздушного пространства и интенсивного радиоактивного излучения.
- Благодаря пришельцам, которые в далеком прошлом посетили нашу планету и оставили на ней (случайно или намеренно) часть биологического материала.
Эволюция организмов
Развитая классификация живых существ (их деление на царства, классы и виды), а также ряд генетических исследований указывают на один интересный факт: все существующие организмы имеют единственного доисторического предка. Почему жизнь на планете развивалась по одному, а не по нескольким параллельным путям одновременно, остается загадкой.
За всю историю эволюции существовало около 5 млрд видов организмов, из них 99% уже вымерли. По некоторым оценкам, в наши дни насчитывается около 10−14 млн обитателей Земли, при этом лишь 1,2 млн из них более-менее изучены. Около 86% флоры и фауны человечеству еще предстоит открыть.
Чтобы иметь представления о том, какие организмы и когда существовали на Земле, следует изучить таблицы по эрам и периодам, где кратко будут описаны важные изменения в органическом мире.
Многие данные, особенно датированные миллиардами лет назад, являются предположениями ученых и сопровождаются множеством дискуссий и споров по сей день.
Суперэры Архей и Протерозой
Они также называются эонами. Каждая из суперэр делится на ряд эр, которые разделены периодами. Во всех этих названиях часто употребляются приставки палео-, мезо- и нео-. Они говорят о хронологии периода внутри эры по порядку: начиная с самого раннего (палео-), переходя через средний (мезо-) к конечному (нео-).
Архейский эон охватывает период 4−2,8 млрд лет назад. Он характеризуется словами «первый» или «впервые», ведь именно в эту суперэру появились живые клетки прокариоты и возник бескислородный фотосинтез.
К концу Архея в Неоархейскую эру, около 2,8 млн лет назад, у цианобактерий появляется способность производить органическую материю из неорганической под действием электромагнитного излучения (явление фотосинтеза).
В Протерозойский эон, который длился с 2,8 млрд до 635 млн лет назад, происходит образование кислородной атмосферы планеты. Около 1,8 млрд лет назад появляется первая клетка, содержащая ядро, эукариот. Через несколько сотен миллионов лет после ее появления формируются колонии бактерий, которые 1,4 млрд лет назад эволюционировали в красные водоросли.
Около 720 млн лет назад наступает период, который носит название Земля-снежок, а около 635 млн лет назад формируется суперконтинент Паннотия.
Палеозойская и Мезозойская эры
- Обе эры охватывают период 540−66 млн лет назад и относятся к Фанерозойскому эону.
- Палеозойская (540−252 млн лет) делится на следующие периоды:
- Кембрий (540−485 млн). Этот начальный период эры знаменуется появлением первых рыб.
- Ордовик (485−444 млн). Заселение планеты беспозвоночными.
- Силур (444−419 млн). Возникновение первых сухопутных растений.
- Девон (419−359 млн). Развитие мира амфибий.
- Карбон (359−299 млн). Первые рептилии, заселение насекомыми, развитие примитивных гигантских деревьев и папоротников.
- Пермь (299−252 млн). Вымирание 95% морских и около 70% сухопутных видов живых существ. Точные причины этой катастрофы неизвестны, предполагается, что она была связана с действием вулканов или падением огромного метеорита на поверхность планеты. В это время также происходит образование суперконтинента Пангея.
- Мезозойская эра длилась с 252 млн до 66 млн лет назад.
- Ее основные периоды и события живого мира следующие:
- Триас (252−201 млн). После великого вымирания в Пермский период появляются первые динозавры на суше, активно идет эволюция морских гигантских рептилий. В это время возникают также яйцекладущие млекопитающие (в настоящее время это утконос и ехидна).
- Юра (201−145 млн). Появление первых цветущих растений, птиц и сумчатых млекопитающих, которое сопровождается исчезновением гигантских амфибий. Морская жизнь продолжает развиваться, появляются многие виды губок, звезд, ежей, двустворчатых моллюсков и других беспозвоночных. Возникают многие виды летающих рептилий (птерозавры).
- Мел (145−66 млн). Расцвет динозавров, который характеризуется появлением многих их видов (птеродактиль, тиранозавр, стегозавр и другие). Появление первых примитивных живородящих млекопитающих. А также Меловой период — это время расцвета крупных насекомых (появление пчел и муравьев) и цветущих растений. Заканчивается он массовым исчезновением 75% живых существ планеты (в основном крупных ее обитателей) из-за предположительного столкновения планеты с крупным космическим объектом и последующими пагубными изменениями климата.
Палеоген, Неоген и Четвертичный периоды
- Все они относятся к Кайнозойской эре, которая началась после исчезновения динозавров и длится по сей день.
- Важными событиями в живом мире являются следующие:
- Палеоген (66−23 млн). Формирование современных классов и отрядов животных и растений, их расцвет. Активные процессы образования континентов, включая столкновение Индии с Азией и обледенение Антарктиды.
- Неоген (23−2,58 млн). Устойчивый климат, который подобен современному. Образование ледяных шапок в Гренландии и в Арктике. В это время появились австралопитеки и первые далекие предки человека в Африке (6 млн лет назад).
- Четвертичный (2,58 млн — наши дни). Исчезновение разнообразной мегафауны и мегафлоры планеты из-за повторяющихся ледниковых циклов. Эволюция человека, которая насчитывает многие виды (прямоходящий, неандертальцы, человек Гейдельбергский, люди Денисова). Анатомически современные люди появились приблизительно 250 тыс. лет назад. Около 50 тыс. лет назад они начали колонизацию Европы и Азии, вытесняя другие виды гоминидов.
Таким образом, жизнь на Земле постоянно развивалась от простого к сложному.
- Если всю историю продолжительностью 4 млрд лет представить в виде 12 месяцев одного года начиная с января, то человек появился лишь в последний день последнего месяца, а его цивилизация начала свое развитие в последнюю минуту года.
Происхождение и развитие жизни на земле #58
П Происхождение жизни на Земле является до сих пор неопределенным фактом. Происхождение жизни, а также история ее развития на нашей планете складывается из многочисленных теорий и гипотез, из которых научный мир выбрал наиболее вероятные.
Происхождение жизни на Земле – основные теории
Вопросы происхождения жизни на Земле были в центре внимания человечества с момента его появления и до настоящего времени. Все существующие гипотезы можно объединить в три группы.
Сторонники гипотез биогенеза предполагают, что живое могло происходить только от живого. Они утверждают вечность жизни. Происхождение жизни связывается чаще всего с актом сотворения всего живого Творцом (высшим разумом – идеи креационизма). В настоящее время известно, что Земля длительное время была необитаема.
Гипотеза занесения жизни из космоса (гипотеза панспермии) примыкает к гипотезам биогенеза. Она была выдвинута немецким ученым Г. Рихтером (1865) и поддержана физиками Г. Гельмгольцем, С. Аррениусом и др. Согласно их представлениям споры бактерий и других организмов могли быть занесены на Землю метеоритами, космической пылью, давлением световых лучей.
В настоящее время доказана высокая устойчивость живых организмов к неблагоприятным воздействиям, и в частности к низким температурам. Английский биофизик Ф. Крик считает, что жизнь на Землю занесена преднамеренно или случайно космическими пришельцами.
Эта гипотеза представляет интерес с точки зрения существования жизни на других планетах, но она не дает ответа на вопрос о происхождении жизни.
Гипотезы абиогенеза предполагают происхождение жизни из неживой природы.
В качестве доказательства сторонники этой гипотезы приводили многочисленные примеры появления личинок, мух, плесневых грибов, микроорганизмов на портящихся продуктах и нечистотах. В 1668 г. итальянский врач Ф. Реди опроверг эти представления.
Он поместил кусочки мяса в сосуды, часть из которых закрыл кисеей, а часть оставил открытыми. Естественно, в открытых сосудах вскоре появились личинки мух, а в закрытых они не вывелись.
Во второй половине ХVIII века сторонники витализма утверждали существование «жизненной силы», без которой не могло произойти появление живых существ из неживого. После опытов Ф. Реди возникло предположение, что самозарождаться могут только микроорганизмы.
Это предположение опроверг французский микробиолог Л. Пастер (1859). Он поместил в колбы с длинными S-образными горлышками питательную среду и прокипятил ее, убив все нахоцящисся там микроорганизмы.
Через S-образную трубку «жизненная сила» могла свободно проходить в колбы, а бактерии и их споры оседали на стенках трубки. В этих условиях никакого «самозарождения» жизни не наблюдалось.
Когда же S-образные горлышки были отломлены, микрорганизмы смогли свободно проникать в питательну среду и наблюдался бурный рост микроорганизмов (среда мутнела). Таким образом, было окончательно доказано, что в современных условиях самозарождение жизни невозможно.
Коацерватная теория
Наибольшее признание в ХХ столетий получила биохимическая гипотеза происхождения жизни на Земле, предложенная советским биохимиком А. И. Опариным (1924) и независимо от него английским биохимиком Дж. Холдейном (1929). Базируясь на гипотезе Опарина-Холдейна, английский ученый Дж. Бернал сформулировал гипотезу биопоэза, включающую три этапа:
- абиогенное возникновение органических веществ;
- образование биополимеров;
- формирование мембранных структур и первых самовоспроизводящихся организмов.
Первый этап биопоэза был абиогенный синтез простых органических соединений. Земля как планета возникла около 4,5 млрд лет назад. Температура ее поверхности была очень высокой (4 — 5 тыс. °С).
По мере отстывания углерод и тугоплавкие металлы (железо, алюминий, кальций, магний и другие) конденсировались и образовали земную кору (около 3,9 млрд лет назад). К этому моменту начала формироваться первичная атмосфера, состоящая из паров воды, аммиака, диоксида углерода, метана и цианистого водорода.
Легкие газы(ведород‚ гелий, азот, кислород и аргон) уходили из атмосферы. При отстывании Земли у ее поверхности происходила конденсация паров воды, что привело к образованию первичного океана.
Вулканическая деятельность, мощные электрические разряды и излучения (космическое и солнечное в отсутствие азонового слоя) привели к образованию простых органических соединений: формальдегида, муравьиной и молочной кислот, мочевины, глицерина и некоторых простых аминокислот.
Так как свободного кислорода в атмосфере не было, то эти соединения не окислялись, а накапливались в водах первичного океана, образуя так называемый «первичный бульон». Продолжительность этих процессов составляла многие миллионы и десятки миллионов лет.
Вероятно, так осуществился первый этап биопоэза – образование и накопление органических мономеров.
Представления о первом этапе биохимической эволюции были подтверждены экспериментально. В 1953 г. американский биохимик С. Миллер сконструировал прибор, «атмосферой» в котором служила смесь аммиака, водорода и метана, а вода – «первичным океаном». Воду нагревали, а через смесь газов пропускали электрические разряды в течение недели.
В результате в установке были получены некоторые органические соединения: аминокислоты, простые сахара, альдегиды и аденин. Опыты Миллера были многократно повторены со смесями разных газов и с разными источниками энергии: во всех случаях при отсутствии кислорода удавалось получить целый спектр различных простых органических соединений. В дальнейшем (Дж.
Оро) в сходных условиях были получены аденин, урацил и нуклеотиды.
Вторым этапом биопоэза, вероятно, было образование биополимеров из простых органических соединений. Значительная часть образовавшихся мономеров разрушалась, а некоторые могли вступать в соединение друг с другом (реакции конденсации и полимеризации).
Этому способстовало повышение концентрации органических соединений при подсыхании водоемов, адсорбции органических веществ на глинах и т.п. Жирные кислоты, соединяясь со спиртами, могли образовывать липиды, покрывающие жировой пленкой поверхность водоемов.
Аминокислоты, соединяясь друг с другом, образовывали полипептиды, моносахариды – полисахариды, а нуклеотиды – нуклеиновые кислоты.
Первыми нуклеиновыми кислотами, вероятно, были небольшие цепи РНК, так как они, как и небольшие полипептиды, могли синтезироваться в среде с высоким содержанием минеральных компонентов без участия ферментов.
Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам, так как их молекулы способны образовывать гидрофильные комплексы, покрытые сольватными оболочками (связанная вода).
Такие комплексы способны сливаться друг с другом и образовывать коацерваты (от лат. coacervus – сгусток, куча). Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества из окружающей среды.
При поглощении ионов металлов могли образовываться ферменты, значительно ускоряющие течение биохимических реакций.
Одним из важных этапов превращения коацерватов в примитивные живые системы стало формирование вокруг них элементарных мембран, которые изолировали и защищали коацерваты от окружающей среды. Мембраны образовались, вероятно, из липидных пленок. При волнении водоемов могли возникать пузырьки, внутри которых оказывались коацерваты.
В живые организмы могли превратиться только те коацерваты, которые стали способны к саморегуляции и самовопроизведению, т.е. содержали белки и нуклеиновые кислоты.
Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация привела, возможно, к образованию идентичных коацерватов («размножению»).
Такая предположительная последовательность событий могла привести к возникновению примитивных самовоспроизводящихся гетеротрофных организмов – протобионтов‚ которые питались органическими веществами «первичного бульона».
С появлением устойчивых механизмов воспроизведения генетической информации закончилась эпоха химической эволюции и наступила эра эволюции биологической. Таким образом, третьим этапом биопоэза было формирование мембран и появление самовоспроизведения. Произошло это около 3,5 млрд лет назад.
Первые живые организмы были анаэробные гетеротрофы, близкие по строению к прокариотам. Постепенно запасы органических веществ в «первичном бульоне» истощались. Проблема дальнейшего развития жизни разрешилась появлением автотрофных анаэробов.
Первые автотрофы, вероятно, с помощью энергии солнечного света окисляли сероводород до сульфатов, а высвобождающийся при этом водород использовали для восстановления диоксида углерода до углеводов. При этом кислород не выделялся.
Следующим шагом в эволюции было возникновение фотосинтезирующих организмов, использующих воду в качестве источника атомов водорода с выделением свободного кислорода. Первыми такими организмами были, вероятно, цианобактерии.
Фотосинтез с выделением кислорода оказал решающее влияние на дальнейшее развитие живого. С развитием автотрофного питания были созданы условия для появления огромного разнообразия как автотрофных, так и гетеротрофных организмов.
Атмосфера постепенно насыщалась кислородом, и, когда его содержание составило около 3%, появились первые аэробы – организмы, способные к энергетически более выгодному кислородному этапу энергетического обмена.
В верхней части атмосферы сформировался озоновый экран, защищающий живые существа от губительного действия коротковолновых ультрафиолетовых лучей‚ что позволило им выйти на сушу.
Следующим важным этапом эволюции явилось появление эукариотических одноклеточных организмов. Это произошло около 1,5 млрд лет назад. Существуют две главные гипотезы происхождения эукариотических клеток: инвагинационная и симбиотическая.
Согласно инвагинационной гипотезы, эукариотические клетки появились путем впячивания и отшнуровывания участков мембран прокариотической клетки, в которой одновременно находилось несколько геномов, прикрепленных к клеточной мембране, с последующей специализацией их в ядро, митохондрии и хлоропласты.
Наиболее популярна в настоящее время симбиотическая гипотеза происхождения эукариотических клеток, детально разработанная Л. С. Маргулис. Согласно этой гипотезе исходной клеткой была анаэробная гетеротрофная прокариотическая, способная к амебоидному движению, которая питалась более мелкими клетками, например аэробными бактериями.
В цитоплазме некоторых амебоидных клеток аэробные бактерии не переваривались, а превратились в митохондрии. Сходное происхождение имеют, вероятно, центриоли, реснички и жгутики, появившиеся вследствие симбиоза таких клеток со спирохетоподобной бактерией. В результате такого слияния значительно увеличилась подвижность организмов, что способствовало нахождению пищи.
Постепенно в цитоплазме сформировалось ядро (образовалась кариолемма). Такая клетка могла стать исходной для возникновения одноклеточных жгутиконосцев, которые в процессе эволюции дали начало царствам грибов и животных. Некоторые из подвижных эукариот могли вступить в симбиоз с цианобактериями, которые дали начало хлоропластам.
Так появились фотосинтезирующие жгутиконосцы, давшие впоследствии начало царству растений.
В ходе дальнейшей биологической эволюции произошла серия ароморфозов, приведшая к появлению многоклеточности.
Многоклеточные организмы обладают рядом преимуществ перед одноклеточными: способность к более длительному существованию, специализация клеток, развитие органов, обеспечивающих активное передвижение, добывание и переваривание пищи и т.п.
Считают, что все многоклеточные произошли от колониальных жгутиковых протистов. Гипотезы происхождения многоклеточных были предложены в конце ХIХ в. немецким зоологом Э. Геккелем и русским ученым И. И. Мечниковым.
Э.
Геккель считал, что многоклеточные произошли от вольвоксоподобных колониальных жгутиковых, у которых произошло впячивание одного полюса внутрь колонии с образованием второго внутреннего слоя клеток, как это происходит при образовании гаструлы путем инвагинации. Такой организм был назван гастреей. Гастрея имела двухслойную стенку тела, внутри которой помещалась кишечная полость, сообщающаяся с внешней средой ртом (как у современных примитивных кишечнополостных).
И. И. Мечников предполагал, что предками многоклеточных были колониальные жгутиковые, которые питались посредством фагоцитоза. Клетки наружного слоя захватывали пищевые частицы, становились тяжелее и погружались внутрь колонии, теряя при этом жгутик.
После переваривания пищи они опять поднимались на поверхность и восстанавливали жгутик. Эти клетки размножались и образовали внутри колонии второй слой клеток, возник двухслойный организм – фагоцителла.
В дальнейшем произошло разделение функции клеток: клетки эктодермы стали выполнять защитную и двигательную функции, а энтодермы – пищеварительную. Ход дальнейшей эволюции представлен в таблице .
Основные этапы эволюции растительного и животного мира
| Эры, их возраст и длительность (млн лет) | Периоды и их длительность (млн лет) | Важнейшие ароморфозы | Результаты ароморфозов |
| Арахейская: 3500; 900 |
|
|
|
| Протерозойская (ранней жизни): 2700; 2000 |
|
|
|
| Палеозойская (древней жизни): 570; 340 | Кембрийский; 70 | ||
| Ордовикский; 60 | |||
| Силурийский; 30 |
|
|
|
| Девонский; 60 |
|
|
|
| Каменно-угольный; 75 — 65 |
|
|
|
| Пермский 55 | образование пыльцевой трубки и семени | расцвет голосеменных | |
| Мезозойская (средней жизни) 230; 163 | Триасовый; 35 Юрский; 58 |
|
появление первых теплокровных животных(примитивные млекопитающие, археоптерикс) |
| Меловой; 70 |
|
|
|
| Кайнозойская (новой жизни); 67; 67 | Палеоген; 42 Неоген; 23,5 |
||
| Антропоген; 1,5 |
|
появление и развитие человека |
1. Биология для абитуриентов. Авторы: Давыдов В.В. , Бутвиловский В.Э. , Рачковская И. В. , Заяц Р.Г.
Происхождение жизни
☰
Происхождении жизни на Земле является ключевой и нерешенной проблемой естествознания, нередко служащей почвой для столкновения науки и религии.
Если наличие в природе эволюции живой материи можно считать доказанным, так как были вскрыты ее механизмы, археологами обнаружены древние более просто устроенные организмы, то ни одна гипотеза возникновения жизни не имеет такой обширной доказательной базы. Эволюцию мы можем наблюдать воочию хотя бы в селекции. Создать же живое из неживого никому не удавалось.
Несмотря на большое количество гипотез о происхождении жизни, лишь одна из них имеет приемлемое научное объяснение. Это гипотеза абиогенеза — длительной химической эволюции, которая протекала в особых условиях древней Земли и предшествовала биологической эволюции.
При этом из неорганических веществ сначала были синтезированы простые органические, из них более сложные, далее появились биополимеры, следующие этапы более умозрительны и малодоказуемы. Гипотеза абиогенеза имеет много нерешенных проблем, различных взглядов на определенные этапы химической эволюции.
Однако некоторые ее моменты были подтверждены опытным путем.
Другие гипотезы происхождения жизни — панспермия (занесение жизни из космоса), креационизм (сотворение творцом), самопроизвольное зарождение (в неживой материи вдруг появляются живые организмы), стационарное состояние (жизнь существовала всегда).
Невозможность самозарождения жизни в неживом была доказано Луи Пастером (XIX в.) и рядом ученых до него, но не так безапелляционно (Ф. Реди — XVII в.). Гипотеза панспермии не решает проблему возникновения жизни, а переносит ее с Земли в космическое пространство или на другие планеты.
Однако и опровергнуть эту гипотезу сложно, особенно тех ее представителей, которые утверждают, что жизнь была занесена на Землю не метеоритами (в этом случае живое могло сгореть в слоях атмосферы, подвергнуться разрушительному действию космической радиации и т. д.), а разумными существами.
Только вот как они долетели до Земли? С точки зрения физики (огромных размеров Вселенной и невозможности преодолеть скорость света) это вряд ли возможно.
Впервые возможный абиогенез был обоснован А.И. Опариным (1923-1924 г.), позже данную гипотезу разрабатывал Дж. Холдейн (1928 г).
Однако мысль, что жизни на Земле могло предшествовать абиогенное образование органических соединений, высказывал еще Дарвин. Теория абиогенеза была доработана и дорабатывается другими учеными и по сей день.
Главная ее нерешенная проблема — это подробности перехода от сложных неживых систем к простым живым организмам.
В 1947 г. Дж. Бернал, на основе разработок Опарина и Холдейна, сформулировал теорию биопоэза, выделив в абиогенезе три стадии: 1) абиогенное возникновение биологических мономеров; 2) образование биополимеров; 3) образование мембран и формирование первичных организмов (протобионтов).
Абиогенез
Ниже в общих чертах описан предположительный сценарий происхождения жизни согласно теории абиогенеза.
Возраст Земли составляет около 4,5 млрд. лет. Жидкая вода на планете, так необходимая для жизни, по оценкам ученых появилась не ранее 4 млрд. лет назад. При этом 3,5 млрд.
лет назад жизнь на Земле уже существовала, что доказано обнаружением пород таких возрастов со следами жизнедеятельности микроорганизмов.
Таким образом, первые простейшие организмы возникли относительно быстро — менее чем за 500 млн. лет.
Порода со следами деятельности древних простейших
Когда Земля только образовалась, ее температура могла достигать 8000 °C. При остывании планеты металлы и углерод как наиболее тяжелые элементы конденсировались и образовывали земную кору.
В то же время происходила вулканическая активность, кора двигалась и сжималась, на ней образовывались складки и разрывы.
Гравитационные силы приводили к уплотнению коры, при этом выделялась энергия в виде тепла.
Легкие газы (водород, гелий, азот, кислород и др.) не удерживались планетой и уходили в космос. Но в составе других веществ эти элементы оставались.
До тех пор, пока температура на Земле не упала ниже 100 °C, вся вода находилась в парообразном состоянии. После снижения температуры испарение и конденсация повторялись множество раз, шли сильные ливни с грозами.
Горячая лава и вулканический пепел, оказавшись в воде, создавали разные условия среды. В каких-то могли протекать определенные реакции.
Таким образом, физические и химические условия на ранней Земле были благоприятны для образования органических веществ их неорганических.
Атмосфера была восстановительного типа, свободного кислорода и озонового слоя в ней не было. Поэтому на Землю проникали ультрафиолетовое и космическое излучение.
Другими источниками энергии были теплота земной коры, которая еще не остыла, извергающиеся вулканы, грозы, радиоактивный распад.
В атмосфере присутсвовали метан, оксиды углерода, аммиак, сероводород, цианистые соединения, а также пары воды. Из них синтезировались ряд простейших органических веществ.
Далее могли образовываться аминокислоты, сахара, азотистые основания, нуклеотиды и другие более сложные органические соединения. Многие из них послужили мономерами для будущих биологических полимеров.
Отсутствие в атмосфере свободного кислорода благоприятствовало протеканию реакций.
Химическими опытами (впервые в 1953 г. С. Миллер и Г. Юри), моделирующих условия древней Земли, была доказана возможность абиогенного синтеза органических веществ из неорганических. При пропускании электрических разрядов через газовую смесь, имитировавшую первобытную атмосферу, в присутсвии паров воды были получены аминокислоты, органические кислоты, азотистые основания, АТФ и др.
Следует отметить, что в древней атмосфере Земли простейшие органические вещества могли образовываться не только абиогенно. Они также заносились из космоса, содержались в вулканической пыли. Причем это могли быть достаточно большие количества органики.
Низкомолекулярные органические соединения накапливались в океане, создавая так называемый первичный бульон. Вещества адсорбировались на поверхности глинистых отложений, что повышало их концентрацию.
В определенных условиях древней Земли (например на глине, склонах остывающих вулканов) могла происходить полимеризация мономеров.
Так образовались белки и нуклеиновые кислоты — биополимеры, ставшие в последствии химической основой жизни. В водной среде полимеризация маловероятна, так как в воде обычно происходит деполимеризация.
Опытом была доказана возможность синтеза полипептида из аминокислот, соприкасающихся с кусками горячей лавы.
Далее биополимеры могли смываться дождями в первичный бульон. Это предохраняло их от разрушения под действием ультрафиолетового излучения (озонового слоя еще не было).
Следующий важный шаг на пути происхождения жизни – образование в воде коацерватных капель (коацерватов) из полипептидов, полинуклеотидов, других органических соединений. Подобные комплексы снаружи могли иметь слой, имитировавший мембрану и сохраняющий их стабильность. Опытным путем в коллоидных растворах были получены коацерваты.
Белковые молекулы амфотерны. Они притягивают к себе молекулы воды так, что вокруг них образуется оболочка. Получаются коллоидные гидрофильные комплексы, обособленные от водной массы. В результате в воде образуется эмульсия. Далее коллоиды сливаются между собой и образуются коацерваты (процесс называется коацервацией).
Коллоидный состав коацервата зависел от состава среды, в которой он образовывался. В разных водоемах древней Земли образовывались разные по химическому составу коацерваты. Какие-то из них были более устойчивыми и могли в определенной степени осуществлять избирательный обмен веществ с окружающей средой.
Происходил своего рода биохимический естественный отбор.
Коацерваты способны избирательно поглощать из окружающей среды некоторые вещества и выделять в нее некоторые продукты протекающих в них химических реакций. Это напоминает обмен веществ. По мере накопления веществ коацерваты росли, а при достижении критических размеров распадались на части, каждая из которых сохраняла черты исходной организации.
В самих коацерватах могли происходить химические реакции. При поглощении коацерватами ионов металлов могли образовываться ферменты.
В процессе эволюции остались лишь такие системы, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизведению.
Это знаменовало наступление следующего этапа происхождения жизни – возникновение протобионтов (по некоторым источникам это то же самое, что коацерваты) — тел, имеющие сложный химический состав и ряд свойств живых существ. Протобионты можно рассматривать как наиболее устойчивые и удачно получившиеся коацерваты.
Мембрана могла образоваться следующим образом. Жирные кислоты соединялись со спиртами и образовывали липиды. Липиды формировали пленки на поверхности водоемов. Их заряженные головки обращены в воду, а неполярные концы — наружу.
Плавающие в воде белковые молекулы притягивались к головкам липидов, в результате чего образовывались двойные липопротеиновые пленки. От ветра такая пленка могла изгибаться, и образовывались пузырьки. В эти пузырьки могли быть случайно захвачены коацерваты.
Когда такие комплексы снова оказывались на поверхности воды, то покрывались уже вторым липопротеиновым слоем (за счет гидрофобных взаимодействий, обращенных друг к другу неполярных концов липидов). Общая схема мембраны сегодняшних живых организмов представляет собой два слоя липидов внутри и два слоя белков, расположенных по краям.
Но за миллионы лет эволюции произошло усложнение мембраны за счет включения белков, погруженных в липидный слой и пронизывающих его, выпячивание и впячивание отдельных участков мембраны и др.
В коацерваты (или протобионты) могли попадать уже существующие молекулы нуклеиновых кислот, способные к самовоспроизведению. Далее в некоторых протобионтах могла произойти такая перестройка, что нуклеиновая кислота стала кодировать белок.
Эволюция протобионтов — это уже не химическая, а предбиологическая эволюция.
Она привела к усовершенствованию каталитической функции белков (они стали выполнять роль ферментов), мембран и их избирательной проницаемости (что делает протобионт устойчивым набором полимеров), возникновению матричного синтеза (переноса информации с нуклеиновой кислоты на нуклеиновую кислоту и с нуклеиновой кислоты на белок).
| Химическая эволюция — синтез соединений |
|
| Предбиологическая эволюция – химический отбор: остаются наиболее устойчивые, способные к самовоспроизведению протобионты |
|
| Биологическая эволюция – биологический отбор: борьба за существование, выживание наиболее приспособленных к условиям окружающей среды |
|
Одной из самых больших загадок происхождения жизни остается вопрос: как РНК стала кодировать аминокислотную последовательность белков.
В вопросе фигурирует РНК, а не ДНК, так как считается, что сначала рибонуклеиновая кислота играла не только роль в реализации наследственной информации, но и отвечала за ее хранение. ДНК ее заменила позже, возникнув из РНК путем обратной транскрипции.
ДНК лучше подходит для хранения информации и более устойчива (менее склонна к реакциям). Поэтому в процессе эволюции именно она была оставлена в качестве хранителя информации.
В 1982 г. Т. Чеком была открыта каталитическая активность РНК. Кроме того РНК могут синтезироваться в определенных условиях даже при отсутствии ферментов, а также образовывать свои копии.
Поэтому можно предположить, что РНК были первыми биополимерами (гипотеза РНК-мира).
Какие-то участки РНК случайно могли кодировать полезные для протобионта пептиды, остальные участки РНК в процессе эволюции стали вырезаемыми интронами.
В протобионтах возникла обратная связь — РНК кодирует белки-фермены, белки-ферменты увеличивают количество нуклеиновых кислот.
Начало биологической эволюции
Химическая эволюция и эволюция протобионтов длилась более 1 млрд. лет. Жизнь возникла, и началась ее биологическая эволюция.
От некоторых протобионтов произошли примитивные клетки, включающие всю совокупность наблюдаемых нами сегодня свойств живого. В них было реализовано хранение и передача наследственной информации, ее использование для создания структур и обмена веществ. Энергия для процессов жизнедеятельности обеспечивалась молекулами АТФ, появились типичные для клеток мембраны.
Первые организмы были анаэробные гетеротрофы. Энергию, запасаемую в АТФ, они получали с помощью брожения. Пример — гликолиз — бескислородное расщепление сахаров. Питались эти организмы за счет органических веществ первичного бульона.
Но запасы органических молекул постепенно истощались, так как условия на Земле менялись, и новая органика уже почти не синтезировалась абиогенным путем. В условиях конкуренции за пищевые ресурсы эволюция гетеротрофов ускорилась.
Преимущество получили бактерии, оказавшиеся способными фиксировать углекислый газ с образованием органических веществ. Автотрофный синтез питательных веществ более сложный, чем гетеротрофное питание, поэтому у ранних форм жизни он возникнуть не мог. Из некоторых веществ под действием энергии солнечного излучения образовывались соединения, необходимых клетке.
Первые фотосинтезирующие организмы не выделяли кислорода. Фотосинтез с его выделением скорее всего появился позже у организмов, сходных с нынешними сине-зелеными водорослями.
Накопление в атмосфере кислорода, появление озонового экрана, уменьшение количества ультрафиолетового излучения привело к почти невозможности абиогенного синтеза сложных органических веществ. С другой стороны, возникшие формы жизни стали более устойчивыми в таких условиях.
На Земле распространилось кислородное дыхание. Анаэробные организмы сохранились лишь в отдельных местах (например, есть анаэробные бактерии, живущие в горячих подземных источниках).
plustilino © 2019. All Rights Reserved
Загрузка...
