Возникновение и развитие жизни на Земле

Возникновение и развитие жизни  на Земле

Возникновение и развитие жизни на Земле

   Возраст Земли,  определенный различными методами, насчитывает 6-7 млрд лет, однако  ни один из методов не является  точным. Должно было пройти около  3 млрд лет, прежде чем на  Земле возникла жизнь. Высказывалось много гипотез о происхождении Земли, согласно которым Солнце и планеты Солнечной системы образовались внутри космического облака. Масса Земли была первоначально очень мала, но в силу гравитации все больше частиц притягивалось и масса увеличивалась и уплотнялась. Из-за увеличения плотности частиц начала повышаться температура Земли, а затем наступило охлаждение, продолжавшееся в течение миллионов лет и сопровождавшееся образованием химических веществ. Более тяжелые вещества оседали к центру, образуя ядро Земли, а более легкие образовали оболочку Земли. По мере охлаждения поверхность Земли затвердевала, исключая места вулканической деятельности. Благодаря большим размерам Земля имела силу притяжения, достаточную, чтобы удержать окружавшие ее газы. Это были совсем другие газы, нежели те, которые содержатся в современной атмосфере. В древней атмосфере Земли содержались вода (преимущественно в виде пара, поскольку температура Земли была высокой, чему способствовали распад радиоактивных соединений и поток ультрафиолетового излучения Солнца), пар, водород, аммиак и метан. Высоко над Землей водяной пар конденсировался, образуя тучи, и выпадал в виде дождя на горячие скалы. Свободного кислорода не было, он соединялся с железом, алюминием, кремнием и другими элементами, образуя минералы в земной коре, а также входил в состав воды и таких газов, как оксид углерода (СО) и окись углерода (СО2). Свободный кислород появился в атмосфере Земли много позже, когда возникла жизнь и развился процесс фотосинтеза. По-видимому, не было в атмосфере тогда и молекулярного азота (N2), он

образовался позже  в результате окисления аммиака  кислородом. Содержание углерода в  первичной атмосфере можно объяснить  его образованием при взаимодействии карбидов (соединений углерода с металлами) с водой, в результате чего возникает метан (СН4) и другие углеводороды.

   Когда интенсивность  радиоактивных, радиохимических  и химических процессов стала  снижаться, началось охлаждение  планеты, но поверхность долгое  время оставалась горячей, продолжалась активная вулканическая деятельность - образовывались горы и глубокие впадины. При температуре ниже 100 oC стали изливаться дожди, образовывались моря и океаны. В горячей дождевой воде растворялись NH3, CO2, CH4, HCN из атмосферы, а также соли и другие вещества, вымываемые из поверхностных слоев Земли. Между веществами, растворенными в первобытном океане, неизбежно должны были происходить химические реакции, в результате которых могли образоваться органические

соединения.

  Как же возникла жизнь на Земле? В античные и средневековые времена было широко распространено учение о зарождении живых существ из неживого материала. Спор между мистическими учениями и развивающимся материализмом состоял лишь в трактовке этого вопроса: является ли самозарождение проявлением “духовного начала” или же это процесс естественного образования живых организмов. Итальянский врач Франческо Реди в 1668 г. опубликовал результаты своих экспериментов и легко и просто доказал, что черви в мясе появляются в результате откладывания яиц мухами, а не из самого мяса. Тем самым он нанес неотразимый удар по представлению о самопроизвольном зарождении жизни. Молодым украинским ученым М.М.Тереховским (1775 г.) была также доказана невозможность самозарождения жизни: он показал, что если прокипятить мясной бульон и сосуд запаять, то в нем никаких микробов не появится. Знаменитый французский химик и микробиолог Луи Пастер получил премию Парижской академии наук в 1862 г. за то, что проведя блестящий эксперимент, доказал невозможность самозарождения микробов. Пастер поместил бульон в склянку с S-образным узким горлышком, в которую свободно проходил

воздух, а микробы, находившиеся в воздухе, оседали  в S-образном колене горлышка. В таком  состоянии сосуды были оставлены  в спокойном месте и даже через несколько месяцев бульон был чистым. Если же сосуд поворачивали так, чтобы бульон обмыл S-образный изгиб и снова стек в колбу, в ней вскоре начиналось гниение. Как только споры попадали в бульон из изогнутого горлышка, начиналось размножение микробов. После работ Реди, Тереховского, Пастера было единодушно признано, что любой организм рождается от своих родителей - живых организмов т.е. происходит биогенез. И снова встал вопрос: каким образом возникла жизнь на Земле, на которой не было ничего живого?

В настоящее время  высказано несколько гипотез  о происхождении жизни на Земле. Каждая из них,

имея вполне убедительные доказательства, тем не менее требует  точных научных доказательств,

которыми человечество владеет еще недостаточно.

   Согласно космогонической теории (гипотеза о вечности жизни или “панспермии”), зародыши

жизни (споры растений и микроорганизмов) рассеяны в космическом  пространстве и переносятся с  планеты на планету, а на Землю  попадают с метеоритами и пылью. Горячим сторонником этой гипотезы был выдающийся ученый конца XIX в. физикохимик С.Аррениус. Эту же точку зрения разделял виднейший биогеохимик академик В.И.Вернадский. Даже если жизнь существует на других планетах, трудно себе представить, что живые организмы переносятся на Землю без повреждений, поскольку они могут быть убиты из-за воздействия ультрафиолетовых лучей, интенсивность которых в космосе очень велика, и низкой температурой космического пространства, и, наконец, сгореть в верхних слоях атмосферы. Проверить эту гипотезу очень трудно.

   Автотрофная  гипотеза происхождения жизни  на Земле полагает, что организм  такого типа мог бы 

быть исходной формой жизни. Первые автотрофы должны были бы быть с самого начала очень 

сложными организмами, а согласно теории эволюции, сложные организмы развиваются в течение длительного времени из менее сложных, постепенно усложняясь. Более вероятно, что развитие началось с менее сложных организмов, которые не могли синтезировать пищу. К настоящему времени доказательств в пользу этой гипотезы почти нет, хотя теоретически автотрофный путь развития жизни вполне возможен.

   В настоящее  время наибольшее количество  доказательств получено в пользу  гетеротрофной гипотезы происхождения  жизни. Впервые современная гипотеза  о происхождении жизни была опубликована советским биохимиком А.И.Опариным в 1924 г. Несколько позже, в 1929 г., к тем же представлениям пришел английский ученый Джон Холдейн. Эта гипотеза была подтверждена последующими научными

исследованиями в  разных областях биологии и химии. Согласно этой гипотезе, первым этапом на

пути возникновения  жизни на Земле стал абиогенный (небиологический) синтез органических молекул из неорганических. В 1953 г. американские ученые Миллер и  Юри в сконструированном ими  аппарате из смеси газов (CH4, NH3 и H2) при пропускании высокого электрического разряда получили в кипящей

жидкости различные  органические соединения. Они имитировали  условия, существовавшие на

Земле 4 000 млн лет тому назад. В жидкости были обнаружены мочевина, мочевая кислота, несколько разных аминокислот. Сходные результаты были получены советскими учеными А.Г.Пасынским и Т.Е.Павловской. Они исследовали влияние ультрафиолетовых лучей в подобных экспериментах. В течение миллионов лет возникали и разрушались бесчисленные варианты новых соединений - от простых до самых сложных и высокомолекулярных: могли быть углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты. Органические вещества были вначале в виде разбавленного раствора, а затем сгущались. Американский ученый Сидней В.Фокс в 1957 г. высказал предположение о том, что аминокислоты могут соединяться, образуя пептидные связи в отсутствии воды (дегидратационный синтез).

   Дальнейший  этап эволюции должен был состоять  в соединении молекул с образованием  того, что 

А.И.Опарин и Д.Холдейн  называли “питательным бульоном”. А.И.Опарин считал наиболее вероятным самопроизвольное концентрирование высокомолекулярных органических веществ с образованием капелек, называемых коацерватами - скоплениями белков или белковоподобных веществ. Поэтому вторым этапом на пути возникновения жизни на Земле был процесс концентрирования органических

веществ. Между капельками коацерватов происходит некоторая  взаимосвязь: каждая коацерватная капля  может увеличиваться в размерах (сходно с процессом роста клеток), возможно выделять какие-то продукты химических реакций, происходящих внутри, в окружающую ее среду, и даже между коацерватами может происходить нечто, напоминающее борьбу за существование. Но они еще не являются живыми объектами, они не обладают способностью к самовоспроизведению. Третий, последний этап - возникновение самовоспроизводства молекул. Образовавшиеся полипептиды не обладают способностью к самовоспроизводству и тем самым закреплять приобретенную в результате

химическую структуру, которая может выполнять определенную функцию. Нуклеиновые кислоты в

отличие от белков способны к репликации, т.е. созданию новых  копий, неотличимых от материнских  молекул. В 1982 г. американский биохимик Т.Чек открыл каталитическую активность РНК, что позволяет предположить, что молекулы РНК были первыми биополимерами на Земле. Наличие кодирующих белков молекул РНК и ДНК и белков-ферментов, катализирующих процессы репликации нуклеиновых кислот, позволяет образовываться системам с обратной связью. Такие системы уже обладают некоторыми признаками жизни, но поскольку они не имеют мембраны, не могут быть названы живыми организмами. Биомембраны могли образоваться на поверхности водной пленки, но этот процесс во многом еще не ясен. Образование биомембраны и формирование ее структуры продолжалось много миллионов лет. Эволюционно закреплялись лишь такие системы, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизведению. Полагают, что это и были первые живые организмы -пробионты. На основании имеющихся на сегодняшний день знаний о составе древней атмосферы Земли можно сделать вывод о том, что первые организмы были анаэробными гетеротрофами, затем мог появиться, скорее всего у анаэробных бактерий, способных к азотфиксации, бактериальный фотосинтез. Но это был бескислородный фотосинтез, поскольку первые фотосинтезирующие бактерии могли получать водород путем расщепления органики или сероводорода. И лишь цианобактерии (цианобактерии, или сине-зеленые) первыми перешли к фоторасщеплению воды. При таком фотосинтезе стал выделяться кислород как побочный продукт. Этот кислород не только насытил воду, но стал выделяться и в атмосферу. Такой поворот событий вызвал коренное изменение хода эволюции, лик Земли стал изменяться. Появление озонового экрана защитило первичные организмы от

ультрафиолетового облучения и положило конец абиогенному синтезу органических веществ. До

этого момента вода защищала первые живые организмы  от интенсивного солнечного излучения,

а с появлением озонового  слоя жизнь “вышла” из воды и  распространилась по всей поверхности  Земли.

   В настоящее  время многие исследователи придерживаются  точки зрения, заключающейся в 

том, что вскоре после  возникновения жизни сформировалось три надцарства: архебактерии, эубактерии (включая сине-зеленые) и эукариоты (грибы, растения, простейшие, животные). Вероятно, архебактерии сохранили значительное сходство с пробионтами. Они обитают в бескислородных слоях, концентрированных солевых растворах, горячих вулканических источниках. Эубактерии чрезвычайно широко представлены в биосфере. Крупным ароморфозом было возникновение фотосинтеза, в результате которого аэробные прокариоты (предъядерные) за короткое время освоили разнообразные условия среды. Из этой группы примерно 1,5-2 млрд лет тому назад выделились эукариоты (ядерные).

Появление ядерных  организмов - новый этап в эволюции жизни. Одноклеточные эукариоты господствовали на протяжении примерно 700-800 млн лет. У них сформировался митоз - один из

важных ароморфозов. Последующее усложнение эукариотических  клеток привело к возникновению 

полового процесса. Непрерывно шел процесс дивергенции, формы жизни - становились все более разнообразными. Выделилась группа простейших эукариот, из которых позднее сформировались растения, появились предковые формы животных, грибов, затем мейоз, имевший исключительное значение для последующих эволюционных проявлений.

   Первая геологическая  эра - архейская, продолжительностью 900 млн лет, почти не оставила  следов органической жизни. Наличие  пород органического происхождения  - известняка, мрамора, углистых веществ  - указывает на существование в архейскую эру бактерий и сине-зеленых водорослей (цианобактерий) - клеточных предъядерных организмов. Они обитают в морях, но выходят и на сушу. Вода насыщается кислородом, а на суше происходят почвообразовательные процессы. Бактерии не дали начала образованию  новых группировок и остались до нашего времени обособленными. Именно в архейскую эру произошло три крупных изменения в развитии живых организмов: половой процесс, фотосинтез и многоклеточность. Половой процесс возник в форме слияния двух одинаковых клеток у жгутиковых, считающихся наиболее древними одноклеточными. Позднее половой процесс происходил уже при помощи специальных половых клеток - мужской и женской, которые при слиянии образуют зиготу. Из нее развивается организм, содержащий генотип отца и матери, что дает комбинации различных признаков в потомстве, расширяя возможности действия естественного отбора. С появлением фотосинтеза единый ствол жизни разделился на два – растения и животные - за счет дивергенции. Многоклеточность вызвала дальнейшее усложнение организации живых организмов: дифференциацию тканей, органов, систем и их функций.