Гипотезы происхождения жизни на Земле

Таким образом, жизнь на Земле могла возникнуть при следующих условиях: наличие определенных химических веществ, отсутствие газообразного кислорода, наличие источников энергии и безгранично долгое время.

Система взглядов А.И. Опарина получила название коацерватной гипотезы.

К аналогичным рассуждениям и выводам независимо от Опарина пришел в 1929 г. ученый Дж. Б. Холдейн, в связи с чем в настоящее время эта гипотеза возникновения жизни называется коацерватной гипотезой Опарина—Холдейна.

Гипотеза биопоэза. Гипотеза Опарина—Холдейна была принята и развита в дальнейшем многими учеными разных стран. В 1947 г. английский ученый Джон Бернал сформулировал гипотезу биопоэза. Дж. Бернал также считает, что формирование жизни на Земле шло в три этапа:

абиогенное возникновение органических веществ;

формирование биополимеров;

развитие мембранных структур и первых организмов.

Важнейшей биохимической гипотезой происхождения жизни на Земле является коацерватная гипотеза Опарина—Холдейна. Согласно этой гипотезе жизнь возникла в бескислородных условиях в первичном водном океане путем самоорганизации молекул органических веществ, возникших абиогенным путем. Возникновение жизни на Земле шло в три этапа.

Дальнейшее развитие жизни

С появлением надежного механизма воспроизведения генетической информации процесс возникновения жизни завершился. Эра химической эволюции закончилась, наступила эра эволюции биологической. Организмам уже было недостаточно просто выжить — отбор среди клеток шел по способности получать энергию более эффективным путем и обращать ее на свое воспроизводство.

В течение длительного времени все организмы были гетеротрофными. Пищей им служили готовые органические вещества, накопленные в океане, либо другие гетеротрофные организмы.

Первыми организмами были, по всей вероятности, примитивные бактерии, окаменелые остатки и следы жизнедеятельности которых обнаружены в осадочных породах возрастом около 3,5 млрд лет. Судя по окаменелым остаткам, они имели палочковидную форму и напоминали современных бактерий.

При электронно-микроскопическом изучении у них выявлена двухслойная клеточная стенка, подобная клеточной стенке многих современных бактерий. Если найденные в породах остатки действительно принадлежат прокариотам или являются продуктами их жизнедеятельности, это значит, что к этому времени уже были сформированы некоторые типы жизни.

Первые автотрофные организмы возникли около 3 млрд лет назад. Это были анаэробные бактерии, предшественники современных фотосинтезиру-ющих бактерий. Они, вероятно, осуществляли одностадийный фотосинтез, характерный для современных анаэробных серных пурпурных бактерий, которые на свету окисляют сероводород до сульфатов, а высвобождающийся в результате реакции водород используется для восстановления углекислого газа до углеводов. Источником атомов водорода могли быть и органические соединения. Кислород в процессе фотосинтеза такого типа не выделяется.

Следующим шагом эволюции было приобретение фотосинтезирующими организмами способности использовать воду в качестве источника атомов водорода. Автотрофное усвоение углекислого газа такими организмами сопровождалось выделением кислорода. Первыми фотосинтезирующими организмами, осуществляющими двухстадийный фотосинтез с выделением кислорода, были цианобактерии. Цианобактерии способны использовать атмосферный азот, поэтому могли существовать в среде, полностью лишенной органических углеродистых и азотистых соединений.

Кислород, выделяемый цианобактериями, вначале поглощался земной корой, в которой происходили интенсивные процессы окисления. По имеющимся геологическим данным, содержание кислорода в воздухе в то время составляло всего 1 % от его содержания в современной атмосфере. Поскольку цианобактерии возникли в период, когда концентрация кислорода в атмосфере колебалась, вполне допустимо, что они являются промежуточными организмами между анаэробами и аэробами.

Последствия фотосинтезирующей деятельности первичных одноклеточных организмов оказали решающее влияние на всю дальнейшую эволюцию живого.

Во-первых, организмы были освобождены от конкуренции за природные запасы абиогенных органических веществ, количество которых в среде значительно сократилось. С развитием автотрофного питания были созданы условия для появления громадного разнообразия автотрофных и гетеротрофных организмов.

Во-вторых, атмосфера насытилась достаточным количеством свободного кислорода. В его присутствии появилась возможность энергетически более выгодного кислородного типа обмена веществ, что способствовало появлению аэробных бактерий.

В-третьих, в верхней части атмосферы образовался озоновый экран, защищающий земную жизнь от губительного ультрафиолетового излучения космоса. В дальнейшем это способствовало выходу живых организмов из водной среды на сушу.

Таким образом, появление в атмосфере свободного кислорода обеспечило развитие многочисленных новых форм живых организмов и более широкое использование ими компонентов окружающей среды.

Следующий важный этап эволюции — появление эукариотических одноклеточных организмов. Предположительно это произошло около 1,5 млрд лет тому назад.

Относительно того, каким образом возникли эукариоты, существует две гипотезы.

Аутогенная гипотеза предполагает, что эукариотическая клетка возникла путем дифференциации исходной прокариотической клетки. Вначале образовалась наружная мембрана, потом из ее впячиваний сформировались отдельные структуры, давшие начало клеточным органеллам.

Другая гипотеза — симбиотическая. Впервые идею симбиогенеза выдвинул русский ученый А.С. Фоминцын, а детально ее разработала американская исследовательница Лин С. Маргулис. Согласно симбиотической гипотезе эукариотическая клетка возникла в результате нескольких последовательных симбиозов. Исходной клеткой была амебовидная гетеротрофная клетка, которая питалась более мелкими клетками, в том числе аэробными бактериями. Эти бактерии были способны функционировать и внутри клетки-хозяина, производя энергию. Те крупные амебовидные клетки, в теле которых аэробные бактерии оставались невредимыми, оказались в более выгодном положении, чем клетки, продолжавшие получать энергию анаэробным путем — посредством брожения. В дальнейшем аэробные бактерии превратились в митохондрии. Затем такая симбио-тическая прокариотическая клетка вступила в симбиоз со спирахетоподобной бактерией, из которой сформировались центриоли, реснички и жгутики. В результате подвижность такого организма и его способность к нахождению пищи резко возросли. Постепенно в цитоплазме происходило обособление ядра (признак эукариот). Ядерная клетка с простейшим набором органелл явилась исходной формой для возникновения одноклеточных жгутиконосцев, которые могли послужить базой для образования царства грибов и животных.

Подвижные эукариоты, вступив в симбиоз с цианобактериями, явились основой для возникновения фотосинтезирующих жгутиконосцев.

Гипотеза Л.С. Маргулис хорошо обоснована, и ее приняли многие ученые.

Во-первых, хлоропласты и митохондрии современных эукариотических организмов имеют собственную ДНК, которая по строению удивительно похожа на ДНК бактерий.

Во-вторых, хлоропласты, имплантированные в клетки простейших, остаются в них интактными, т.е. не гидролизуются. Кроме того, в течение некоторого времени хлоропласты могут осуществлять фотосинтез.

Дальнейшая эволюция одноклеточных эукариотических организмов привела к возникновению диплоидности и полового процесса. Создание многочисленных комбинаций генов способствовало появлению значительного разнообразия живых организмов, которые быстро размножились на планете. Однако их возможности в освоении среды обитания ограничены. Одноклеточные организмы не могут расти беспредельно. Объясняется это тем, что кислород для дыхания они потребляют всей поверхностью тела. При увеличении размеров клетки ее поверхность возрастает в квадратичной зависимости, а объем — в кубической. Поэтому в большом одноклеточном организме будет наблюдаться постоянный дефицит кислорода и, как следствие, — недостаток энергии. По другому пути шел эволюционный процесс, связанный с появлением и развитием многоклеточных организмов.

Первые живые организмы на Земле были гетеротрофами. На определенном этапе эволюции часть организмов перешла к фототрофности. Возникновение процесса фотосинтеза имело огромное влияние на дальнейший ход эволюции.

Примерно 1,5 млрд лет тому назад из доядерных организмов возникли ядерные, дальнейшая эволюция которых привела к возникновению диплоидности, полового процесса и многоклеточности.

Основные направления биологической эволюции

Геохронологическая история Земли. Историю Земли принято делить на промежутки времени, границами которых являются крупные геологические события: горообразовательные процессы, поднятие и опускание суши, изменения очертаний материков, уровня океанов. Движения и разломы земной коры, происходившие в разные геологические периоды, сопровождались усиленной вулканической деятельностью, в результате чего в атмосферу выбрасывалось огромное количество газов и пепла. Наличие в атмосфере большого количества твердых частичек снижало прозрачность атмосферы, следовательно, уменьшалось количество падающей на Землю солнечной радиации. Это было одной из причин развития оледенения. Не случайно оледенения сопровождали горообразовательные процессы.

Грандиозные ледниковые покрытия поверхности Земли значительно изменяли климатические условия и тем самым оказывали глубокое влияние на развитие органического мира. В процессе эволюции постоянно возникали новые формы организмов, а прежние формы, оказавшиеся неприспособленными к новым условиям существования, вымирали.

Выжившие в этих условиях группы организмов в межледниковые периоды достигали расцвета. В течение многих миллионов лет на планете накапливались остатки некогда живших организмов. На основе находок ископаемых форм в отложениях земных пластов удается проследить подлинную историю живой природы. Применение радиоизотопного метода позволяет с большой точностью определить возраст пород в местах залегания палеонтологических остатков и возраст ископаемых организмов.

На основе данных палеонтологии всю историю жизни на Земле подразделяют на эры и периоды.

Основные направления биологической эволюции. Архей — древнейший этап в истории Земли — появление и господство прокариотических и эукариотических одноклеточных организмов. Живые организмы того времени могли существовать исключительно в водной среде, так как толща воды уменьшала губительное воздействие ультрафиолетового излучения, а также ряда вредных веществ, токсичность которых снижалась при растворении. В архее находят и первые остатки фотосинтезирующих организмов.

Эволюция одноклеточных организмов продолжалась и далее, на протяжении всей истории существования жизни. Возможность обитания одноклеточных организмов в экстремальных условиях (многие бактерии, например, могут обитать в бескислородных условиях, при низких и высоких температурах, в концентрированных растворах солей и т.п.), разные способы питания, быстрая сменяемость поколений и отбор наиболее приспособленных особей вели в ходе дальнейшей эволюции к возникновению огромного числа различных видов прокариот и одноклеточных эукариот.

В протерозое ствол древних эукариот разделился на несколько ветвей, из которых возникли многоклеточные организмы — грибы, растения и животные. Переход к многоклеточности — это серия ароморфозов, имевших особое значение в эволюции. Гипотезы происхождения многоклеточных организмов. Все многоклеточные, как растения, так и животные, при половом размножении начинают процесс индивидуального развития с одной клетки — зиготы. Это дает основание судить о возможности их происхождения от протистов. Считается, что основной группой, от которой берут свое начало многоклеточные организмы, являются колониальные жгутиковые протисты.

В основе современных представлений о происхождении многоклеточных организмов лежат гипотезы немецкого зоолога Э. Геккеля и русского ученого И.И. Мечникова, которые были предложены в конце 19 в.

Гипотеза Э. Геккеля основана на сходстве эмбриональной стадии развития многоклеточных животных (бластулы) с шаровидной колонией жгутиковых протистов типа вольвокса. Э. Геккель считал, что примитивные многоклеточные — губки и кишечнополостные произошли от вольвоксо подобных колониальных жгутиковых, у которых одна сторона вогнулась внутрь колонии, в результате чего образовался второй, внутренний слой клеток. Сходство этой предковой формы с эмбриональной гаструлой дало основание Э. Геккелю назвать ее гастреей. Гастрея имела рот, слепо замкнутую кишечную полость и двухслойную стенку тела, состоящую из экто- и энтодермы. Гастрея Э. Геккеля близка по организации к кишечнополостным, от которых, возможно, идет ветвь к высшим многоклеточным.

Согласно гипотезе И.И. Мечникова предками многоклеточных были шарообразные колонии жгутиковых, первичным способом питания которых был фагоцитоз. Клетки, захватывающие пищевые частицы, временно утрачивали жгутики и перемещались внутрь колонии. Затем они могли возвращаться на поверхность колонии и восстанавливать жгутик. Путем дальнейшего размножения этих клеток внутри колонии образовался второй слой клеток и возник двухслойный организм — фагоцителла. Постепенно у фагоцителлы произошло разделение функций между клетками: наружные клетки эктодермы стали выполнять покровную и двигательную функции, а клетки внутреннего слоя — энтодермы — функции питания и размножения. В 70-е гг. 20 в. зоологи обратили внимание на крошечный морской организм — трихоплакс. В 1973 г. русский ученый А.В. Иванов установил, что трихоплакс по своему строению соответствует гипотетическому существу фагоцителле и, таким образом, заполняет брешь между ныне существующими одноклеточными и многоклеточными животными.

Основные направления биологической эволюции. В протерозойской эре в морях обитало множество водорослей. Начальные звенья эволюции многоклеточных животных не сохранились. В протерозойских отложениях находят остатки представителей губок, кишечнополостных, членистоногих.