Возникновение жизни на Земле - ЭВОЛЮЦИОННОЕ УЧЕНИЕ - ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

Определение понятия «жизнь». Гипотеза академика А. И. Опарина о происхождении жизни. Абиогенный синтез органических соединений. Свойства первичных организмов. Ранние этапы развития жизни на Земле. Развитие органического мира в архейскую, протерозойскую и палеозойскую эры. Возникновение прокариот и эукариот. Дивергенция по способу питания: автотрофы и гетеротрофы. Космическая роль растений. Развитие жизни от одноклеточных к многоклеточным формам.

Общие указания. В данном разделе необходимо повторить и проанализировать определение жизни, данное Ф. Энгельсом, и сопоставить его с современным определением. Затем следует провести сравнение живого и неживого, а также перечислить этапы химической эволюции. При этом надо обратить внимание на последовательность возникновения различных органических соединений и на причины, которыми эта последовательность обусловлена. Очень важно понимание взаимодействия веществ, особенно белковых коацерватных капель с нуклеиновыми кислотами, давших живую органическую материю — пробионт. Проследив многоступенчатый характер усложнений и преобразований пробионта, прокариот (предъядерных), эукариот (ядерных) в ходе естественного отбора, следует отметить два направления развития органического мира — мира автотрофов и гетеротрофов.

К вопросу о невозможности самозарождения жизни на Земле в современных условиях надо подойти в основном с трех позиций: отсутствия соответствующих физико-химических условий, невозможности возникновения жизни абиогенным путем (из неживого) на данном этапе развития и неконкурентоспособности низкоорганизованных форм жизни, возникающих в биосфере заново.

Задание 4

• Повторить учебный материал.

• Ответить на вопросы для самоконтроля.

• Выполнить контрольную работу № 3.

• Проанализировать таблицы 13-15.

• Проверить свои знания по словарю терминов и понятий.

Вопросы для самоконтроля

• Чем характеризуются звездная и планетарная стадии истории Земли?

• Какие химические элементы, а затем их соединения были в первичной атмосфере?

• Что послужило причиной образования первичного океана?

• Какие соединения могли быть растворены в водах первичного океана?

• Когда началась геологическая история Земли и какая эра была первой?

• В чем сущность I этапа зарождения жизни?

• Какие органические вещества первыми возникли в водах океана?

• В чем заключается II этап зарождения жизни на Земле?

• Почему соединение нуклеиновых кислот с коацерватными каплями считается важнейшим этапом возникновения жизни?

Таблица 13. Развитие доорганической природы

Стадия истории Земли	Возраст	Физико-химические условия	Процессы, происходящие на Земле
Звездная	Более 6 млрд лет	Поверхность Земли раскалена до 1000 С, элементы находятся в виде атомов	Вследствие вращательного движения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых металлов перемещались к центру, а на поверхности остались атомы легких элементов (N, Н, С, О); при их взаимодействии выделялось много газов, поднимавшихся вверх
Планетарная	От 3,5 до 6 млрд лет	Первичная атмосфера	Газы образовали первичную атмосферу. Появились химические соединения: Н2О в виде водяного пара, NH4+, NH3Н2, СО2, СО
		Первичный океан	С охлаждением планеты ниже 100 °С началась конденсация водяных паров. На Землю полились горячие ливни, что привело к образованию больших водоемов. Возникали частые грозы; из недр извергались карбиды (соединения металла с углеродом). В горячей воде они растворялись и образовывали углеводы, там же растворялись газы, соли, которые вступали в химические взаимодействия

Вопросы для самоконтроля (продолжение)

• Как питался и как дышал первый живой организм — пробионт?

• Какие изменения под действием естественного отбора претерпевали пробионты?

• Какую роль в эволюции органического мира сыграло появление фотосинтезирующих организмов?

• На какие два направления развития подразделяют ядерные организмы (эукариоты)?

• Кто из советских ученых создал рассмотренную теорию возникновения жизни на Земле?

• Почему невозможно самозарождение жизни, т. е. возникновение ее из неорганической материи, в современных условиях?

Контрольная работа № 3

1. Когда началась геологическая история Земли (свыше 6 млрд, б млрд, 3,5 млрд лет тому назад)?

2. Где возникли первые неорганические соединения (в недрах Земли, в первичном океане, в первичной атмосфере)?

3. Что явилось предпосылкой возникновения первичного океана (охлаждение атмосферы, опускание суши, появление подземных источников)?

4. Какие первые органические вещества возникли в водах океана (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты)?

5. Какими свойствами обладали коацерваты (рост, обмен веществ, размножение)?

6. Какие свойства присущи пробионту (обмен веществ, рост, размножение)?

7. Какой способ питания был у первых живых организмов (автотрофный, гетеротрофный)?

8. Какой новый способ питания появляется у прокариот (автотрофный, гетеротрофный)?

9. Какие органические вещества возникли с появлением фотосинтезирующих растений (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты)?

10. Возникновение каких организмов создало условия для развития животного мира (бактерии, сине-зелёные, зеленые водоросли)?

Таблица 14. Развитие органической жизни на Земле (I-III этапы по А. И. Опарину, 1924, и Дж. Холдейну, 1929)

Эра	Возраст	Этапы возникновения жизни	Процессы, происходящие на Земле
Архейская	От 2,6 до 3,5 млрд лет	I	Образование в водах океана из неорганических веществ органических в результате действия ультрафиолетовой радиации, грозовых разрядов и химических реакций
		II	Белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты концентрируются — образуют коацерваты, действующие как открытые системы, способные к росту
		III	В результате соединения и взаимодействия коацерватов с нуклеиновыми кислотами образуются живые существа — пробионты (протоклетки), способные к самовоспроизведению
		IV	Прогрессивное усложнение гетеротрофных примитивных организмов, возникновение автотрофного питания и свободного кислорода (предъядерные организмы — бактерии, гетеротрофы и фототрофы и сине-зеленые)
Протерозойская	От 0,5 до 2,6 млрд лет	Ядерные организмы	Появление ядерных автотрофных фотосинтезирующих растений (зеленые водоросли) и простейших; обогащение воды кислородом — среда обитания животных
		Многоклеточные организмы	Прогрессивное усложнение животных и растений. Беспозвоночные животные: кишечнополостные, черви, моллюски; различные водоросли
		Органные организмы	Прогрессивное усложнение тела животных (хордовые бесчерепные)

Таблица 15. Возникновение важнейших ароморфозов в ходе эволюции

Геологическая эра, период		Животные	Растения
Кайнозойская	Антропоген	Появление человека
Мезозойская	Мел		Возникновение цветка и плода (покрытосеменные)
	Юра Триас	Четырехкамерное сердце, полное разделение артериального и венозного кровотоков, теплокровность (птицы, млекопитающие)
Палеозойская	Пермь	Внутреннее оплодотворение, накопление желтка в яйцеклетке, размножение вне воды, ороговение кожи (пресмыкающиеся)	Образование семени, появление пыльцевой трубки (семенные папоротники, голосеменные)
	Девон	Преобразование плавников в конечности, плавательных (воздушных) пузырей — в легкие, выход на сушу первых позвоночных (стегоцефалы)	Расчленение тела на органы: корень, стебель, лист (высшие споровые)
	Силур	Расчленение тела на отделы (голова, туловище, хвост), образование у позвоночных челюстей и поясов конечностей (рыбы)	Выход растений на сушу (псилофиты), дифференциация тела на ткани
Протерозойская		Двусторонняя симметрия, хорда, вторичная полость тела
		Половой процесс, морфологически оформленное ядро (эукариоты), многоклеточность
Архейская		Фотосинтез, аэробное дыхание

Словарь основных терминов и понятий

Абиогенный путь возникновения жизни на Земле (греч. «а» — частица отрицания, «биос» — жизнь) — возникновение живых тел из веществ неорганической (неживой) природы, которое происходило в три этапа. Автор этой гипотезы — советский ученый А. И. Опарин (1924). На базе его гипотезы основаны почти все современные представления о происхождении жизни на Земле.

Архейская эра (греч. «архайос» — древний) — самая древняя эра в геологической истории Земли; ее возраст более 3,5 млрд лет. Породы этой эры представлены гнейсами, кристаллическими сланцами, кварцитами. В эту эру на Земле зарождалась жизнь. Следов живых организмов не обнаружено, но многие горные породы, встречающиеся в отложениях, могли возникнуть лишь при участии бактерий и цианобактерий.

Второй этап возникновения жизни на Земле, согласно гипотезе А. И. Опарина, — 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.

Гипотеза вечности жизни — гипотеза, пытающаяся объяснить происхождение жизни на Земле путем заноса из космического пространства спор растений, микроорганизмов, которые там существуют вечно в виде космических зачатков. Автор этой гипотезы — шведский ученый С. Аррениус (1859-1927); сторонники этого взгляда есть и среди современных ученых.

Гипотезы о происхождении и эволюции клетки — существующие в науке предположения о путях перехода от пробионта (первичной живой клетки) к настоящей растительной и животной клетке. Наиболее интересны две точки зрения: первая — о внутриклеточном происхождении органоидов из мембранных систем; вторая — о симбиотическом происхождении двухмембранных органелл — митохондрий и хлоропластов. Согласно первой гипотезе все органеллы клеток образуются или непосредственно из мембран эндоплазматической сети (аппарат Гольджи, сферосомы, лизосомы), или из ядра путем отделения частичек ядерного вещества, окруженных двойной мембраной ядерной оболочки (митохондрии, пластиды). Вторая гипотеза предполагает, что на уровне протоклетки происходил фагоцитоз, в результате которого были захвачены гетеротрофные бактерии и автотрофные сине-зеленые, однако они не подвергались расщеплению пищеварительными ферментами, а вошли в симбиоз. Это объясняет присутствие у митохондрий (бывших бактерий) и пластид (бывших синезеленых) собственных ДНК, РНК и рибосом, а также двойной мембраны. В процессе жизнедеятельности организмов эти органеллы передаются через яйцеклетку в виде промитохондрий и пропластид, а размножаются путем собственного деления (перетяжки).

Живое тело — открытая саморегулирующаяся и самовоспроизводящаяся система, построенная из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот (М. В. Волькенштейн, 1965). Первые живые тела возникли при взаимодействии коацерватов и нуклеиновых кислот; их называют пробионтами.

Свойства живого

1) Единство элементарного химического состава — в состав живого входят те же элементы, что и в состав неживой природы, но в других количественных соотношениях; при этом примерно 98% приходится на углерод, водород, кислород и азот.

2) Единство биохимического состава — все живые организмы состоят в основном из белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот.

3) Единство структурной организации — единицей строения, жизнедеятельности, размножения, индивидуального развития является клетка; вне клетки жизни нет.

4) Обмен веществ и энергии (метаболизм), состоящий из двух взаимосвязанных процессов: ассимиляции — синтеза органических веществ в организме (за счет внешних источников энергии — света, пищи) и диссимиляции — процесса распада сложных органических веществ с выделением энергии, которая затем расходуется организмом. Именно обмен веществ и обеспечивает относительное постоянство химического состава организмов.

5) Открытость — живые системы являются открытыми, поскольку в ходе метаболиза через них проходят потоки веществ и энергии.

6) Саморегуляция — необходима для поддержания гомеостаза — постоянства внутренней среды организма.

7) Самовоспроизведение, в основе которого лежит информация, заложенная в ДНК.

8) Наследственность — способность передавать свои признаки и свойства последующим поколениям, основой которой является относительное постоянство строения молекул ДНК.

9) Изменчивость — способность приобретать новые признаки и свойства, основой которой являются изменения строения молекул ДНК.

10) Способность к росту и развитию (индивидуальному и историческому).

11) Раздражимость, благодаря которой живые системы способны избирательно реагировать на изменяющиеся условия внешней среды.

12) Дискретность — любая биологическая система состоит из отдельных взаимодействующих частей, которые вместе образуют структурно-функциональное единство.

В зависимости от способа питания они разделились на две группы — автотрофы и гетеротрофы. Первыми возникли гетеротрофные организмы, поглощающие органические вещества из окружающей среды — воды морей и океанов.

Жизнь — по определению Ф. Энгельса, «...есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч. 2-е изд. Т. 20. С. 616).

Звездная стадия истории Земли — предполагаемая ранняя стадия (возраст более 6 млрд лет), когда Земля представляла собой раскаленный до температуры свыше 1000 С шар. Все химические элементы находились в виде атомов. Вследствие вращательного движения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых металлов перемещались к центру Земли, а на поверхности оставались атомы легких элементов (N, Н, С, О). При их взаимодействии образовывалось много газов, поднимавшихся наверх.

Кайнозойская эра (греч. «кайнос» — новый, «зое» — жизнь) — эра новой жизни, которая длится 67 млн лет и продолжается в наши дни. Именно в эту эру животный и растительный мир постепенно приобрел современный облик. Среди растений окончательно наступило господство покрытосеменных (цветковых); животный мир характеризовался расцветом млекопитающих, птиц и насекомых. Вершиной эволюции млекопитающих явился отряд приматов, к которому относится род Человек. Кайнозойская эра — эра возникновения на Земле человека, культурных растений и домашних животных. Эта эра представлена тремя периодами: палеогеном, неогеном и антропогеном. Палеоген и неоген объединяются в третичный период. Антропоген называется еще четвертичным периодом. Именно в этот период развивался человек (греч. «антропос» — человек), история которого насчитывает около 10 млн лет. В результате неосознанной деятельности человека в современную эпоху биосфера находится на грани экологического кризиса. Прямое уничтожение многих видов растений и животных, ухудшение среды обитания, увеличение площадей агроценозов — все это обеднило природные биологические системы. В то же время названные изменения создают условия для процветания таких видов, как сорные растения, насекомые-вредители, грибы-паразиты, обладающие огромной плодовитостью. При отсутствии конкуренции они будут стремиться занять все освободившиеся места обитания. В свою очередь это вызовет биологический регресс и гибель видов, более требовательных к условиям обитания. Поэтому только глубокое знание объективных законов эволюции должно помочь человеку оценить сложившееся на Земле положение и принять меры к предотвращению экологического кризиса биосферы.

Мезозойская эра (греч. «мезос» — средний, «зое» — жизнь) — средняя эра в развитии жизни на Земле, наступившая после палеозоя. Она длилась около 240 млн лет и подразделяется на три периода: триасовый, юрский, меловой. Эта эра характеризуется относительной стабильностью растительного и животного мира в триасовый и юрский периоды, когда господствовали голосеменные растения и гигантские пресмыкающиеся; очень незначительное место занимали теплокровные животные — птицы, яйцекладущие, сумчатые и мелкие плацентарные млекопитающие. Но в середине мелового периода, вероятно по космогоническим причинам, на Земле резко меняется климат: усиливается солнечная радиация, становится более сухо и жарко. Это привело к резкому сокращению флоры споровых и голосеменных растений, бурйому развитию и распространению на Земле покрытосеменных (цветковых), что существенно повлияло на состав и температуру атмосферы, состав почвы и воды. Вслед за этим изменилась фауна: вымерли гигантские пресмыкающиеся, и их место заняли млекопитающие, птицы, общественные насекомые (осы, пчелы, термиты). Таким образом, в меловом периоде произошла «биологическая революция».

Палеозойская эра (греч. «палайос» — древний, «зое» — жизнь) — эра древней жизни; ее возраст 570 млн лет. Подразделяется на кембрийский, ордовикский, силурийский, девонский, каменноугольный, пермский периоды. В палеозойскую эру растительный мир развивался от водорослей до первых семенных растений (семенных папоротников); животный мир — от примитивных морских бесчерепных хордовых до наземных пресмыкающихся. В силурийском периоде появились первые обитатели суши — растения-псилофиты и беспозвоночные животные — паукообразные. Это были первые животные, дышавшие атмосферным кислородом.

Первичная атмосфера — воздушная оболочка Земли, образовавшаяся около 6 млрд лет назад из газов, поднимавшихся от горячей планеты в результате идущих там реакций. Состояла из следующих химических соединений: воды в виде водяного пара, метана, аммиака, молекулярного водорода, диоксида углерода (углекислого газа), оксида углерода, сероводорода; молекулярного кислорода не было. В настоящее время эти же газы выделяют действующие вулканы.

Первичный океан — водная оболочка Земли, образовавшаяся в результате охлаждения планеты ниже 100 °С и начавшейся конденсации водяных паров. На Землю полились горячие ливни, и образовались большие водоемы. В атмосфере происходили частые грозы, на поверхность Земли свободно проникало ультрафиолетовое излучение, вулканы извергали карбиды (соединения металлов с углеродом). В результате взаимодействия карбидов с водой возникали углеводороды. В воде растворялись газы и соли, вступавшие в химические реакции. Таким образом создавались предпосылки для образования органических веществ.

Первый этап возникновения жизни на Земле — согласно гипотезе А. И. Опарина, это образование органических веществ из неорганических, происходившее в водах первичного океана более 3,5 млрд 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.

Планетарная стадия истории Земли — период доорганической эволюции, когда на Земле сформировались первичная атмосфера и первичный океан. Из атомов синтезировались неорганические соединения. Возраст этой стадии — от 3,5 до 6 млрд лет.

Протерозойская эра (греч. «протерос» — более ранний, «зое» — жизнь) — эра ранней жизни. Ее возраст 2,7 млрд лет. В это время в водоемах, помимо бактерий и сине-зеленых водорослей, появились первые ядерные организмы, как одно-, так и многоклеточные, представленные в основном зелеными водорослями. Фотосинтетическая деятельность водорослей создала условия для жизни в воде животных, так как вода обогатилась свободным молекулярным кислородом. Первыми появились беспозвоночные животные, относящиеся к типам кишечнополостных, червей, моллюсков, затем появились хордовые (бесчерепные — ланцетники).

Самозарождение жизни — донаучное представление об абиотическом пути появления на Земле живых организмов (животных и растений), происходящем на органической среде в присутствии свежего воздуха в любой момент развития жизни на Земле, в том числе и в современных условиях. Эти взгляды были опровергнуты М. М. Тереховским (XVIII в.) и Л. Пастером (XIX в.), доказавшими невозможность абиогенного зарождения живых существ в современных условиях.

Самопроизвольное зарождение живых организмов — взгляды ученых древнего мира и средних веков (стихийных материалистов), сводившиеся к тому, что живые существа зарождаются из росы, мяса, навоза, грязного белья и т. д. (Аристотель, ван Гельмонт). Антинаучность этих взглядов доказал Ф. Реди (XVII в.)

Теория возникновения жизни на Земле — теория, построенная на целом ряде экспериментальных исследований ученых разных стран, в основе которой лежит гипотеза акад. А. И. Опарина 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, образовывавшие, в свою очередь, подобие коацерватов. Основные положения теории следующие: 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 самовоспроизводящиеся системы — свободные гены; 3) свободные гены соединялись с другими высокомолекулярными органическими веществами; 4) вокруг них стали образовываться белково-липидные мембраны; 5) возникли клетки (подробнее см. табл. 13, 14).

Третий этап возникновения жизни на Земле — согласно гипотезе А. И. Опарина, 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 (2,7-3,5 млрд лет назад) находят следы предъядерных организмов (сине-зеленые, 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.