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
  1. фотосинтез;
  2. эукариотические клетки;
  3. половой процесс;
  4. многоклеточность.
  1. накопление O2 в атмосфере;
  2. образование ядра и органоидов клетки;
  3. обмен генетической информацией между клетками;
  4. появление многоклеточных организмов.
Протерозойская (ранней жизни): 2700; 2000
  1. двусторонняя симметрия;
  2. трехслойность;
  3. системы органов;
  4. задний отдел кишечника и анальное отверстие;
  5. органы движения, дыхания и кровеносная система;
  6. наружный скелет, поперечно-полосатая мускулатура, членистые конечности;
  7. осевые органы хордовых
  1. появление двустороннесимметричных трехслойных организмов(плоские черви);
  2. появление круглых червей;
  3. появление кольчатых червей;
  4. появление членистоногих;
  5. появление бесчерепных хордовых.
Палеозойская (древней жизни): 570; 340 Кембрийский; 70
Ордовикский; 60
Силурийский; 30
  1. дифференцировка тела растений на ткани;
  2. разделение тела животных на отделы;
  3. образование челюстей;
  4. появление поясов конечностей у позвоночных
  1. выход растений на сушу (псилофиты);
  2. выход животных на сушу (скорпионы);
  3. активное питание;
  4. разнообразие движений.
Девонский; 60
  1. расчленение тела растений на органы;
  2. преобразование плавников в наземные конечности;
  3. появление органов воздушного дыхания.
  1. появление папоротниковых;
  2. появление первых наземных позвоночных – кистеперых рыб и стегоцифалов
Каменно-угольный; 75 — 65
  1. внутреннее оплодотворение;
  2. плотные оболочки яйца;
  3. ороговение кожи;
  4. образование семян
  1. появление пресмыкающихся;
  2. появление голосеменных.
Пермский 55 образование пыльцевой трубки и семени расцвет голосеменных
Мезозойская (средней жизни) 230; 163 Триасовый; 35

Юрский; 58

  1. четырехкамерное сердце;
  2. полное разделение артериального и венозного кровотока;
  3. молочные железы
появление первых теплокровных животных(примитивные млекопитающие, археоптерикс)
Меловой; 70
  1. возникновение цветка и плода;
  2. образование матки.
  1. появление покрытосеменных;
  2. появление высших млекопитающих.
Кайнозойская (новой жизни); 67; 67 Палеоген; 42

Неоген; 23,5

Антропоген; 1,5
  1. интенсивное развитие коры головного мозга;
  2. прямохождение.
появление и развитие человека

Оставьте комментарий