Наша планета образовалась около 4,5 млрд. лет назад. Поверхность Земли была в то время очень горячей, и никакой жизни на ней не существовало.
Самым древним остаткам живых организмов, которые чем-то походили на современных бактерий, предположительно 3,5 млрд. лет.
Заглянуть в прошлое Земли, проследить этапы развития жизни помогает палеонтология — наука о вымерших растениях и животных, чьи окаменевшие остатки сохранились в толщах осадочных пород.
Геологические эры
Первые миллионы лет жизнью Земли управляли извержения вулканов и землетрясения
Палеонтология развивалась рука об руку с геохронологией, изучающей геологическую историю Земли.
Изучая строение, условия возникновения и напластования осадочных пород и научившись определять их абсолютный возраст, ученые создали геохронологическую шкалу, разделив геологическую историю Земли на ряд периодов.
Продолжительность этих периодов измеряется миллионами лет, все они разделены на 5 эр: архей, протерозой, палеозой, мезозой, кайнозой. Архей — самая древняя эра, а в кайнозое мы живем.
Зарождение жизни
На заре своего существования Земля представляла собой раскаленный безжизненный шар, и только 3,5 млрд. лет назад она остыла настолько, что на ее поверхности образовалась твердая земная кора.
Пары воды, содержавшиеся в первичной атмосфере, сконденсировались и стали выпадать в виде дождей, образовав древний океан, над которым возвышался единственный материк, впоследствии расколовшийся на части. В земной коре происходили постоянные изменения, сопровождавшиеся грандиозными климатическими колебаниями.
Именно в океане появились первые живые организмы, напоминавшие бактерий, а потом и одноклеточные водоросли.
Одними из самых древних живых организмов были бактерии, покрывавшие прибрежные камни
В древнейшей атмосфере Земли не было кислорода, однако водоросли были способны использовать энергию солнечного света для производства питательных веществ. При этом они выделяли кислород, который стал накапливаться в воздухе, создав условия для возникновения более сложно устроенных организмов.
Появление кислорода оказалось губительным для организмов, привыкших к бескислородной среде, так произошло первое на Земле вымирание. Прошло немало времени, прежде чем в океане появились первые многоклеточные организмы. Это были губки, медузы и организмы, напоминающие червей. Их остатки обнаружены в породах, возраст которых насчитывает около 600 млн. лет.
Развитие жизни на Земле было тесно связано с передвижением материков, которое влекло за собой изменения климата и уровня Мирового океана.
Французский ученый Жорж Кювье (1769—1832) — основоположник сравнительно-анатомического метода в биологии. Он применил его и к ископаемым остаткам, заложив основы палеонтологии.
Согласно принципу последовательного напластования осадочных и вулканических пород, каждый нижележащий пласт старше вышележащего (если их последовательность не была нарушена).
Сравнивая окаменелости из различных пластов осадочных пород, Кювье первым попытался выявить в геологической истории Земли ряд этапов с характерным для каждого из них составом животных и растений.
Палеозой
Примерно 580-570 млн. лет назад начался кембрийский период, продолжавшийся 70 млн. лет. Наступила очень важная эпоха развития органической жизни, ознаменовавшаяся возникновением и развитием новых форм животных, имеющих скелет из соединений кальция и кремнезема. За сравнительно короткий период времени (около 100 млн.
лет) появились представители большинства основных групп животных, известных современной науке (одноклеточные радиолярии и фораминиферы, брюхоногие моллюски, плеченогие, иглокожие и др.). Широко распространились трилобиты, которые стали предками всех нынешних членистоногих.
Животные освоили морское дно и толщу воды, прибойную полосу океана.
Окаменевшие остатки аммонитов находят в породах, возраст которых 180 млн. лет
Это был настоящий эволюционный взрыв, причины которого до сих пор непонятны. Многие возникшие виды буквально тут же вымерли, не сумев приспособиться к условиям обитания. В ордовикском и силурийском периодах жизнь становилась все более разнообразной.
Широко распространились морские лилии, появились примитивные хордовые — предки позвоночных животных, а затем и первые рыбы, у которых жаберные дуги преобразовались в усаженную зубами пасть, а тело было покрыто мощным панцирем.
К концу силура жизнь шагнула и на сушу — примитивные растения стали осваивать прибрежную полосу.
Девонский период был временем величайших катаклизмов и активного движения материков. В этот период толщу морей уже бороздили акулы и скаты, кистеперые и лучеперые рыбы.
Настоящими хозяевами морей стали головоногие моллюски аммониты, тело которых было спрятано в спирально закрученную раковину, разделенную множеством перегородок.
На суше распространились папоротники и плауновые, появились первые голосеменные растения, ее начали осваивать первые клещи, пауки, примитивные насекомые, а вслед за ними на сушу потянулись и первые земноводные.
В девонский период в морях обитало множество бесчелюстных позвоночных и рыб
В каменноугольном периоде (карбоне) поймы рек и заболоченные пространства покрывали настоящие леса, состоящие из гигантских плаунов, хвощей, древовидных папоротников и голосеменных растений.
Очень разнообразны были насекомые, среди них появилось множество летающих форм. Карбон стал эпохой расцвета земноводных, среди которых были и мелкие насекомоядные животные, и хищники размером с крокодила.
В пермском периоде хвойные растения заселили внутриматериковые области.
Пресмыкающиеся активно осваивали сушу, среди них были и мелкие виды, и огромные травоядные формы самого причудливого облика. А в лесах уже появились предки современных млекопитающих.
Конец пермского периода ознаменовался грандиозными геологическими катаклизмами: сталкивались материки, появлялись горные хребты.
Не все животные смогли приспособиться к быстро изменяющимся условиям, и около половины их семейств вымерло.
Мезозой
В триасовом периоде основной группой животных на Земле становятся динозавры, освоившие разнообразнейшие места обитания. Появились лягушки, черепахи, крокодилы, первые млекопитающие.
В морях возросла доля моллюсков — двустворчатых, брюхоногих, головоногих.
Господство динозавров продолжалось и в юрский период, среди отложений этого времени найдены остатки первого пернатого животного — археоптерикса.
Тропический климат каменноугольного периода способствовал бурному развитию жизни
В меловом периоде пейзажи уже напоминали современные, в лесах уже росли сосны и кедры, дубы и березы, с цветка на цветок перелетали бабочки, щебетали птицы, шныряли ящерицы и насекомоядные млекопитающие. К концу мелового периода заметно похолодало, что привело к вымиранию многих групп морских животных. В это же время исчезли динозавры.
Кайнозой
В кайнозойскую эру сформировался современный растительный и животный мир
65 млн. лет назад началась кайнозойская эра, которая делится на третичный и четвертичный периоды (в котором мы живем).
На суше господствующее положение заняли млекопитающие, в морях — костные рыбы, в растительном мире преобладали покрытосеменные растения. На Земле прошла череда оледенений.
Несколько миллионов лет назад из животного царства выделились прямоходячие приматы (гоминиды), эволюция которых в итоге привела к возникновению Homo sapiens (человека разумного).
Поделиться ссылкой
Основные этапы развития жизни на земле
Большинство учёных склоняются к гипотезе биохимической эволюции. Ее основы заложили русский учёный Александр Иванович Опарин и англичанин Джон Холдейн.
Сторонники гипотезы биохимической эволюции полагают, что жизнь возникла в результате процессов, которые подчиняются химическим и физическим законам природы.
Гипотеза биохимической эволюции легла в основу современных представлений о возникновении жизни.
На основе гипотезы биохимической эволюции Опарина — Холдейна в 1947 году английский исследователь Джон Бернал сформулировал современную теорию возникновения жизни на Земле, названную теорией биопоэза.
Данная теория основана на предположении о химической эволюции, которая постепенно переходит к биохимической, а затем и к биологической эволюции. То есть основана на трёх эволюционных этапах.
1-й. Химический этап возникновения жизни на Земле. Абиогенное возникновение органических мономеров.
2-й. Биохимический этап. Образование биологических полимеров.
И 3-й этап. Биологический. Формирование мембранных структур и первичных организмов.
На первом этапе древняя атмосфера Земли была насыщена вулканическими газами, в состав которых входили оксиды серы, азота, аммиак, оксиды и диоксид углерода, пары воды и ряд других веществ.
Активная вулканическая деятельность, сопровождавшаяся сильными и частыми электрическими разрядами вовремя практически не прекращающихся гроз, а также ультрафиолетового излучения способствовали образованию органических соединений.
Древняя атмосфера не содержала свободного кислорода, поэтому органические соединения не окислялись и могли накапливаться в тёплых и даже кипящих водах различных водоёмов, постепенно усложняться по строению, формируя так называемый «первичный бульон».
Продолжительность этих процессов составляла многие миллионы и десятки миллионов лет.
Итак, на первом химическом этапе образовались органические соединения ― мономеры. Предположительно аминокислоты.
- Этот факт доказывает экспериментальнoе исследование американского учёного Стенли Миллера, который провёл эксперимент, моделирующий гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции.
- На втором этапе возникновения жизни на Земле протекали реакции полимеризации, которые могли активизироваться при значительном увеличении концентрации раствора (пересыхание водоёма) и даже во влажном песке.
- Из мономеров (аминокислот) формировались полимеры ― белковые вещества макромолекулы.
Образование белково-нуклеиново-липоидных комплексов и есть второй этап — биохимическая эволюция. Благодаря реакциям полимеризации образовывались сгустки, называемые коацерватными каплями.
Коацерваты, которые были способны к примитивному обмену и росту, в ходе дальнейшей эволюции превратились в пробионты ― предшественников живых организмов.
Благодаря наличию белков и, нуклеиновых кислот пробионты были способны передавать наследственную информацию.
Такие пробионты с маточной наследственностью, может быть, множились. Пробионты, в которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки.
И именно возникновение наследственности представляло собой переход от химической эволюции к биологической.
3й ― Биологический этап эволюции.
В результате предбиологического естественного отбора появились первые примитивные живые организмы, которые вступили в биологический естественный отбор и дали начало всему органическому миру на Земле. Жизнь, очевидно, развивалась в водной среде на некоторой глубине, так как единственной защитой от ультрафиолетового излучения была вода.
Предполагалось, что первые примитивные организмы уже на первых этапах развития различались по способу питания. Такое различие обуславливалось недостатком питательных веществ.
Некоторые из примитивных организмов питались абиогенными органическими веществами первичного бульона и энергию получали путём их сбраживания. Учёные считают, что это были первичные прокариоты (бактерии, например), то есть организмы, клетки которых не имеют оформленного, ограниченного мембраной ядра. А по способу питания они являлись анаэробными гетеротрофами.
При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях обострилась конкуренция между древними прокариотами, которая, с одной стороны, способствовала усложнению их строения, с другой — привела к появлению новых способов получения энергии для жизненных процессов.
- Некоторые первичные организмы из-за нехватки органических соединений стали использовать энергию солнечного света, перешли к автотрофному способу питания.
- То есть появились организмы, которые для жизнедеятельности стали использовали неорганические вещества и синтезировать органические за счёт реакций окисления и восстановления.
- Такие автотрофные организмы получили значительные преимущества в конкурентной борьбе.
- Из-за фотосинтеза в атмосфере начал накапливаться кислород, благодаря чему в ходе эволюции появились предпосылки для нового, более эффективного способа получения энергии ― дыхания, отличающегося от гликолиза и брожения значительно большим выходом энергии.
- Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволила организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.
Итак, произошло формирование прокариотических клеток. Это клетки, которые не имеют ядра. В отличие от эукариотической клетки, у прокариот нет и других мембранных органоидов: эндоплазматической сети, комплакса Гольжди, митохондрий, пластид и лизосом.
Однако, как вы знаете, все организмы, кроме бактерий и архей (а также вирусов), являются ядерными. Животные, растения, грибы, протисты — все являются эукариотическими организмами.
Гипотезы происхождения эукариот
Большинство учёных считают, что эукариоты произошли от прокариотических клеток. Существует две наиболее признанные гипотезы происхождения эукариотических клеток и их органоидов.
Итак, по одной из гипотез образование органоидов эукариотической клетки произошло путём выпячивания клеточной мембраны. В результате внутри клетки образовывалось что-то вроде шариков, окружённых мембраной и содержащих внутри цитоплазму с захваченными соединениями и структурами. В зависимости от того, что попало внутрь, сформировались разные органоиды.
Эта гипотеза объясняет наличие 2 мембран в оболочке ядра, митохондрий и хлоропластов. Она встречается с трудностями в объяснении различий в деталях процесса биосинтеза белка в корпускулярных органеллах и цитоплазме эукариотической клетки.
Однакона сегодняшний день в научном мире основной гипотезой происхождения эукариот признается симбиогенез.
Исходя из неё, эукариотическая клетка возникла путём симбиоза ― сожительства различных существ.
То есть путём столкновения первичной клетки и органоидов, которые сформировались отдельно от неё. Другими словами, согласно этой гипотезе хлоропласты и митохондрии, были когда-то свободноживущими прокариотическими клетками, а органоидами они стали в процессе симбиоза.
Доказательствами теории симбиогенеза служат существующие простейшие (одноклеточные эукариотические организмы), у которых нет митохондрий или хлоропластов. Зато вместо них в цитоплазме поселяются прокариоты-симбионты, выполняющие соответствующие функции.
Этот факт, а также схожесть системы биосинтеза белка митохондрий и пластид с прокариотами рассматриваются как доказательства симбиогенеза.
Доказательством также служит то, что митохондрии и хлоропласты размножаются самостоятельно, они никогда не строятся клеткой с нуля.
Действительно, хлоропласты и митохондрии современных клеток имеют собственную ДНК и способны воспроизводиться. В отличие от линейных молекул, хлоропластная ДНК и митоходриальная ДНК представляют собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу.
- По строению РНК митохондрий сходны с РНК пурпурных бактерий, а РНК хлоропластов сходны с РНК цианобактерий.
- Ещё одна гипотеза происхождения эукариотических клеток ― гипотеза прогинота (прародителя)
- Согласно этой гипотезе, от общего гипотетического предка, получившего название “прогенот”, эволюционировали три различные ветви прокариот: эукариоты, эубактерии и архебактерии.
К такому заключению учёные пришли, сравнивая последовательность нуклеотидов в рибосомных РНК. Поскольку генетический код во всех трёх группах один и тот же, была выдвинута гипотеза, что они имеют общего предка.
Предполагается, что эубактерии и архебактерии могли произойти от прогенота.
А современный тип эукариотической клетки, по-видимому, возник в результате симбиоза древнего эукариота (тоже произошедшего от прогенота) с эубактериями.
Однако, каким бы путём ни возникла клетка, важным ароморфозом её эволюции было обособление ядра. Именно появление клетки с ядром и цитоплазмой привело к мощному ускорению биологической эволюции.
- Существует четыре гипотезы, объясняющие появление ядерной оболочки:
- 1. гипотеза впячивания клеточной мембраны;
- 2. эндоспоровая гипотеза;
- 3. симбиотическая гипотеза;
4. гипотеза слияния клеточных выростов.
- Поскольку все перечисленные гипотезы имеют сильные и слабые стороны, а также во многом не исключают положения друг друга, то, на наш взгляд, в происхождении структур эукариотических клеток могло сыграть роль сочетание множества факторов, описываемых разными гипотезами.
- Итак, химическая эволюция за три с половиной миллиарда лет привела лишь к образованию многомолекулярных систем.
- А биологическая эволюция всего за полтора миллиарда лет породила не только многообразный мир современных флоры и фауны, но и высший продукт материи ― мыслящего человека.
Развитие представлений о происхождении жизни на Земле — урок. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс)
Вопрос о происхождении жизни является одним из наиболее сложных вопросов естествознания. Точного ответа на него нет, но существует множество гипотез.
1. Гипотеза божественного происхождения жизни (креационизм)
Согласно этой гипотезе все живые организмы на Земле были созданы Богом. Они изначально целесообразны и сохраняются в неизменном виде. Причём сотворение мира произошло единожды, поэтому его изучение невозможно.
Креационизм принимает жизнь как данность и не предпринимает попыток объяснения происхождения жизни естественными законами природы.
2. Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни
Эта гипотеза подразумевает многократное самопроизвольное возникновение живых организмов из неживой материи. В Средние века многим «удавалось» наблюдать появление живых организмов (червей, личинок насекомых, мышей, плесневых грибов) в гниющих остатках организмов.
В (1668) г. итальянский врач Ф. Реди экспериментально опроверг эти представления.
Он поместил кусочки мяса в сосуды, часть из которых закрыл марлей. В открытых сосудах вскоре появились личинки мух, а в закрытых их не было.
Так была доказана невозможность самозарождения мух в гниющем мясе. Реди выдвинул принцип «всё живое — от живого».
Окончательно опровергнуть гипотезу спонтанного возникновения живых организмов удалось в (1859) г. французскому микробиологу Л. Пастеру. Он экспериментально установил, что не могут самопроизвольно появляться также и микроорганизмы.
Стерильный бульон Пастер поместил в специальные колбы с длинными S-образными горлышками. Часть колб оставалась открытой. В открытых колбах вскоре появились и стали размножаться бактерии.
В колбах с изогнутым вытянутым горлышком, которое служило своеобразной ловушкой для бактерий, бульон оставался стерильным.
К концу (19) в. практически все учёные признали, что живые организмы возникают только от других живых организмов.
3. Гипотеза панспермии
В (1865) г. немецкий учёный Г. Рихтер впервые высказал идею о космическом происхождении жизни на Земле.
Согласно его гипотезе жизнь была занесена с других планет. Сторонники космического происхождения жизни считают, что жизнь на Землю была занесена случайно или преднамеренно космическими пришельцами.
Но остаётся открытым вопрос о возникновении жизни в космосе.
4. Биохимическая гипотеза
В (1924) г. советский биохимик А. И. Опарин и в (1929) г. английский биохимик Дж. Холдейн выдвинули гипотезу о том, что жизнь возникла из неорганических веществ в специфических условиях древней Земли.
В (1947) г. английский учёный Дж. Бернал, базируясь на гипотезе Опарина — Холдейна, сформулировал гипотезу биопоэза, которая характеризует три этапа формирования жизни на Земле.
Источники:
https://en.ppt-online.org/274710
Этапы возникновения жизни на Земле, теория кратко (таблица)
Теория возникновения жизни на Земле — это теория, которая построена на целом ряде экспериментальных исследований ученых разных стран, в основе которой лежит гипотеза академика ОпаринаА.И.
о возникновении жизни на Земле абиогенным путем. В опытах ученых Дж.Холдейна, С.Фокса, С.Миллера, Г.
Мёллера удалось воспроизвести физико-химические условия, в которых из неорганических веществ возникали органические, те в свою очередь в образовывавшие подобие коацерватов.
- Основные положения теории звучат так:
- 1) органические вещества сформировались из неорганических под действием физических факторов среды;
- 2) органические вещества взаимодействовали, образуя все более сложные вещества, в результате чего возникли ферменты и самовоспроиз-водящиеся системы — свободные гены;
- 3) свободные гены соединялись с другими высокомолекулярными органическими веществами;
- 4) вокруг них стали образовываться белково-липидные мембраны;
- 5) возникли клетки (подробнее смотрите в таблице ниже).
Таблица этапы возникновения жизни на Земле
| Этапы | Описание |
| Первый этап возникновения жизни на Земле | Согласно гипотезе ОпаринаА.И., это образование органических веществ из неорганических, происходившее в водах первичного океана более 3,5млрд. лет назад. При этом на Землю, которую еще не защищал озоновый экран, свободно проникало ультрафиолетовое излучение; в атмосфере происходили грозовые разряды. В условиях бескислородной среды атмосфера насыщалась альдегидами, спиртами, аминокислотами. |
| Второй этап возникновения жизни на Земле | Согласно гипотезе ОпаринаА.И., — этап образования из простых органических соединений в водах первичного океана белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. Разрозненные молекулы соединений концентрировались и формировали коацерваты, действующие как открытые системы, способные к обмену веществ с окружающей средой и к росту. |
| Третий этап возникновения жизни на Земле | Согласно гипотезе ОпаринаА.И., этап развития жизни, когда коацерваты соединились, укрупнялись, взаимодействовали между собой и с другими веществами, поглощаемыми ими. В результате взаимодействия коацерватов с нуклеиновыми кислотами образовались первые живые существа — пробионты, способные, помимо роста и обмена веществ, к самовоспроизведению. Наступил период органической эволюции, в основе которой лежали изменчивость, наследственность, естественный отбор. В отложениях конца архейской эры (2,7-3,5млрд. лет назад) находят следы предъядерных организмов (синезеленые, хемотрофные и гетеротрофные бактерии). В результате прогрессивных усложнений появились автотрофные растительные организмы, а вместе с ними свободный кислород и органические вещества — продукты фотосинтеза. Организмы, оставшиеся гетеротрофными, дали начало грибами и животным. |
_______________
Источник информации: Биология: Справочник для старшеклассников и поступающих в вузы/ Т.Л.Богданова —М.: 2012.
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...
