Эра скрытой жизни - ЭВОЛЮЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Постановка проблемы урока

Обыватель:Я слышал, что многие миллиарды лет на Земле ничего не происходило, а потом одновременно появилось множество современных систематических групп.

Учёный:В течение архейской и протерозойской эр на Земле впервые произошло много очень важных событий, которые и составляют значительную часть учебника общей биологии (появление фотосинтеза, полового размножения, эукариот, митоза и мейоза). Просто в эту эпоху палеонтологическая летопись очень неполна, а начиная с кембрийского периода в осадочных породах появляются ископаемые остатки, и летопись становится гораздо более полной: ведь у живых организмов появился скелет.

• Можно ли считать события эры скрытой жизни простыми или незначительными?

• На какой вопрос мы будем искать ответ? Предложите свой и сравните с вариантом авторов на с. 397.

Необходимые базовые знания

• Когда и как возникла жизнь? Какие условия были на Земле в прошлом? (§ 48)

• Вспомните значение таких общебиологических явлений, как фотосинтез, хемосинтез и клеточное дыхание (§ 13-14); отличие эукариот и прокариот (§ 10); значение митоза и мейоза (§ 16), полового размножения (§ 21).

• Что такое ароморфоз? (§ 47)

• Вспомните, что такое колония микроорганизмов. (5 класс)

Решение проблемы

Возникновение фотосинтеза

• В чём состоит значение фотосинтеза для преобразования биосферы?

• Объясните значение слов “анаэробный” и “абиогенный”.

Первые живые организмы — пробионты — были устроены весьма просто и напоминали современных бактерий. Они были анаэробными гетеротрофами, т.е. питались готовым органическим веществом. В пользу этого свидетельствует, например, тот факт, что процессы разложения сложных органических молекул на мономеры — наиболее универсальная составляющая обмена веществ любого организма. Мелкие водоёмы той поры, по меткому названию А.И. Опарина, представляли собой “первичный бульон”, наполненный разного рода органическими веществами, возникавшими в результате идущего медленно, но постоянно абиогенного синтеза веществ. Однако эффективность синтеза была невелика, поэтому источников пищи и энергии постоянно не хватало.

Первые автотрофные формы, способные использовать для синтеза органических веществ энергию солнечных лучей (фотосинтез) или химических связей (хемосинтез), получили явное преимущество. С этого момента на планете стал действовать полноценный биотический круговорот в биосфере, включающий на первых порах продуцентов и редуцентов, а позднее и консументов. С этих пор жизнь перестала зависеть от синтеза органических веществ в неживой природе. Первые фотосинтезирующие формы кислород не образовывали. Лишь с появлением цианобактерий, выделяющих кислород в качестве побочного продукта фотосинтеза, на планете началось накопление этого газа в атмосфере, оказавшее огромное влияние на дальнейшую эволюцию жизни (рис. 49.1).

49.1. Схема развития кислородной атмосферы и органического мира

• Как кислородная “революция” повлияла на разнообразие живой природы? Каковы причины этого?

Кислородная “революция”

• Почему накопление кислорода в атмосфере сыграло революционную роль?

Появление фотосинтеза привело к росту концентрации кислорода в атмосфере Земли. Этот активный химический элемент вступал в окислительную реакцию с другими элементами. Именно в это время образовались самые крупные на Земле залежи железной руды (оксидов железа) вроде Курской магнитной аномалии. Все они — органогенного происхождения, т.е. созданы деятельностью бактерий. Из-за быстрого связывания кислорода его содержание в атмосфере увеличивалось очень медленно. Тем не менее, достигнув определённой концентрации, кислород стал для обитателей Земли сильным ядом. Он вызвал настоящую экологическую катастрофу и вымирание большинства существовавших тогда форм жизни.

Оборотной стороной доступности мощного окислителя стало появление организмов, эффективно использующих кислород для извлечения энергии из органических веществ. Это стало “экономически оправданным” в тот момент, когда концентрация кислорода в атмосфере достигла 1% от современного. В результате КПД обмена веществ резко возрос: ведь в ходе клеточного дыхания из каждой молекулы глюкозы стало возможным получать 38 молекул АТФ (вместо двух при бескислородном брожении)! С появлением дыхания жизнь ускорилась на порядок, а вместе с ней выросли и темпы органической эволюции.

Появление эукариот

• Как, когда и почему появились эукариотные организмы?

Прокариотные (безъядерные) организмы состоят из одной сравнительно небольшой клетки, их размер обычно составляет несколько микрон. Такие мелкие организмы имеют сравнительно большую относительную поверхность. А это значит, что окружающая среда весьма сильно влияет на них. Вместе с тем и внутренняя поверхность мембран, на которой, как правило, располагаются белки-ферменты и идут все реакции, у них достаточно велика. Поэтому обмен веществ бактерий весьма интенсивен.

Укрупнение клетки поощрялось отбором, так как уменьшало влияние среды. Кроме того, среди мелких организмов крупные становились менее уязвимыми при нападении. Но увеличение поверхности при этом отставало от увеличения объёма, и ощущался недостаток места для размещения белков-ферментов: скорость обмена веществ падала.

В процессе эволюции был найден выход из этой ситуации. При возникновении эукариот дополнительные поверхности создаются за счёт впячивания складок мембран внутрь клетки, а также за счёт появления новых мембранных органелл, образовавшихся путём симбиоза крупной клетки с мелкими аэробными бактериями (митохондрии) и цианобактериями (хлоропласты). О том, что нынешние органеллы были когда-то отдельными свободноживущими организмами, свидетельствует ряд факторов:

— пластиды и митохондрии образуются только из себе подобных путём их деления;

— обе органеллы обладают, как и прокариоты, кольцевыми ДНК и собственными рибосомами;

— за построение внутренней мембраны митохондрии отвечает ДНК митохондрии, а внешней — ДНК клеточного ядра.

Увеличение поверхности мембран позволило решить ещё одну задачу. В просто устроенной прокариотной клетке различные процессы происходят в едином объёме, мешая друг другу. Появление дополнительных мембран разделило клетку на отдельные “комнаты”, в каждой из которых протеканию химических реакций не мешают процессы из соседних “комнат”. Это явление получило названиекомпартментализации.

49.2. Возможный путь образования эукариотических организмов

•Объясните с помощью схемы, как появились основные органеллы эукариотной клетки.

Возникновение полового процесса

• Постарайтесь объяснить, какую роль в эволюции живой природы сыграло появление упорядоченного деления клеток и полового размножения.

Усложнение генетического материала в ядре эукариот привело к тому, что он стал храниться не в виде кольцевой ДНК (как у прокариот), а в виде плотно упакованных белками хромосом. Это привело к появлению сложного процесса деления клетки - митоза, обеспечивающего равномерное расхождение хромосом по дочерним клеткам.

Прокариоты могут нерегулярно обмениваться фрагментами своего генетического материала. У подавляющего большинства эукариот возникполовой процесс,т.е. регулярный обмен генетическим материалом. Обычно он совмещался с делением клетки, превратившись вполовое размножение.Поскольку при слиянии клеток генетический материал удваивался, в то же время возник и противоположный процесс — мейоз, включающий редукционное деление. Этот специальный тип деления клеток, как вы уже знаете, вдвое уменьшал число хромосом перед каждым половым размножением.

Весь комплекс этих важнейших ароморфозов имел далеко идущие последствия. Он создал возможность для появления и широкого распространения диплоидности, доминантности и рецессивности, комбинативной изменчивости и многих других процессов и явлений, определивших темпы и характер эволюции эукариот.

• Какое преимущество имеет диплоидность? Почему высшие животные и растения, как правило, диплоидны?

• Какую роль в эволюции высших животных и растений играет комбинативная изменчивость? (§ 30-31)

Появление многоклеточных организмов

• Когда, как и почему возникли многоклеточные организмы?

Преимущества большого размера столь велики (прежде всего из-за превосходства над конкурентами), что эволюция организмов пошла по этому пути и дальше. Сильно увеличить размеры клетки невозможно, так как затрудняется питание и дыхание через поверхность. Поэтому дальнейший рост размеров шёл по пути многоклеточности.

В колонию объединялись однородные эукариотические клетки, но их положение в колонии позволило специализироваться на различных функциях. Поскольку каждая клетка смогла лучше выполнять свою узкую задачу, эффективность работы всей колонии, ставшей постепенно целостным организмом, повысилась. Это увеличило взаимную зависимость клеток и потребовало возникновения более тонкой регуляции с помощью нервной системы. В ходе дальнейшей эволюции сформировался мозг - орган централизованного управления и возник разнообразный мир гигантских организмов. Даже мелкие многоклеточные организмы обычно в разы превосходили самых крупных одноклеточных.

Колониальные одноклеточные организмы, существующие сегодня, подсказали учёным наиболее вероятные пути происхождения многоклеточных в истории развития жизни на Земле (рис. 49.3).

49.3. Схема, объясняющая происхождение многоклеточных

1. Многоклеточные животные произошли от колониальных простейших.

2. Эффективность колониального образа жизни повысилась в результате разделения функций клеток внешней и внутренней части колонии.

3. Сидячие формы приспособились к донной фильтрации путём “выворачивания наизнанку”: жгутиковые клетки, переместившись внутрь колонии, обеспечили постоянный ток воды сквозь колонию и извлечение мелких частиц пищи из неё. Такое строение имеют современные губки.

4. Колонии, образовавшие внутреннюю полость, смогли использовать её сокращения как реактивный двигатель, чтобы приподняться над уровнем дна. Эта же полость послужила для захвата более крупной добычи. Принципиально такое строение имеют кишечнополостные.

5. Другие формы, питаясь донной органикой, освоили передвижение по дну. Их ожидало большое будущее. Таков план строения первых плоских червей.

Обобщение новых знаний

Эра скрытой жизни (архей и протерозой) продолжалась более трёх миллиардов лет: от момента возникновения жизни вплоть до наступления палеозойской эры. Хотя палеонтологические следы этой жизни обнаруживаются крайне редко, учёным удалось реконструировать целый ряд важнейших ароморфозов, определивших будущий облик живой природы: возникновение фотосинтеза, эукариотной клетки, полового размножения, появление многоклеточных организмов.

Применение знаний

1. В чём важность ароморфозов, возникших в эру скрытой жизни?

2. Какие события произошли в архейскую, а какие - в протерозойскую эру?

3. Почему нельзя точно датировать описываемые в параграфе события?

4. Попробуйте объяснить, почему жизнь началась в водной среде.

5. Какое из описанных в параграфе событий вы считаете самым важным для развития жизни на Земле?

6. Поработайте в паре: пусть один из вас выберет самый важный, с его точки зрения, ароморфоз и будет доказывать его важность, а второй - будет оспаривать это.