Земля - колыбель человечества (современные представления о возникновении и эволюции планеты)

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО Тамбовский Государственный университет им. Г. Р. Державина

Академия экономики и предпринимательства

Земля - колыбель человечества (современные представления о возникновении и эволюции планеты)

реферат по курсу "КСЕ"

Выполнила студентка 107 группы Печейкина А.В.

Проверил: Чиванов

Андрей Викторович

Тамбов 2009

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВОЗНИКНОВЕНИИ ПЛАНЕТЫ

1.1 БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

1.2 ИЗУЧЕНИЕ ГЕОЛОГИИ. ТЕОРИЯ УНИФОРМИЗМА

1.3 НОВЕЙШИЕ ТЕОРИИ

1.4 ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ РАЗДЕЛЕНИЯ КОНТИНЕНТОВ

2. ЭВОЛЮЦИЯ ПЛАНЕТЫ И ЖИЗНИ НА НЕЙ

2.1 ЭКРАНИРОВАННАЯ ЗЕМЛЯ

2.2 СУБТРОПИЧЕСКАЯ ЖИЗНЬ ОТ ПОЛЮСА ДО ПОЛЮСА

2.3 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ НА ПЛАНЕТЕ

2.4 ГИГАНТСКИЕ РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ

2.5 ОСОБЕННОСТИ ЭВОЛЮЦИИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ НА РАЗНЫХ

УРОВНЯХ РАЗВИТИЯ

2.6 ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ИНТЕРНЕТ - РЕСУРСЫ

ВВЕДЕНИЕ

Вопрос о происхождении и истории жизни на Земле всегда вызывал споры. Как появилась жизнь на нашей планете? Явилась ли она результатом случайных процессов, происходивших в течение миллионов лет, или была создана всемогущим Творцом-Созидателем, имевшим конкретное представление о том, какой должна быть Земля и каково ее предназначение? Вопросы эти задают часто. Но существует ли реальная возможность получить на них ответы?

Существует множество теорий о возникновении и развитии нашей планеты. Наиболее популярной теорией происхождения и развития жизни на Земле является теория эволюции. Она принята большинством ученых как единственное разумное объяснение наблюдаемым явлениям. Большинство эволюционистов едины во мнении, что, поскольку теория эволюции, принята столь широко, она перестает быть теорией и становится неопровержимым фактом. Исходной точкой эволюционного представления является мнение о том, что происхождение всех упорядоченных сложных систем, включая живые существа, можно объяснить действием естественных законов. Согласно этому ходу мыслей, все живые существа, включая человека, являются результатом случайных изменений, которые происходили в течение миллиардов лет и которые в совокупности превратили хаос в стройный порядок. Приверженцы этой теории были Джеймс Хаттон, Чарльз Лайель, Чарльз Дарвин. Однако, наука не стоит на месте и на сегодняшний день наряду с прежними теориями о происхождении земли появились новые, совершенно не похожие на прежние, теории.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВОЗНИКНОВЕНИИ ПЛАНЕТЫ

1.1 БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

Всякому ясно, что Вселенная должна была иметь начало. Но человеческому разуму трудно охватить то, что могло произойти, когда возникла Вселенная. Была ли созидающая сила чем-то, что можно описать законами физики, или же она появилась в результате творческой мощи всемогущего Бога? Наиболее обычным объяснением является утверждение о том, что вначале произошел так называемый Большой Взрыв. Согласно этой теории, все, что можно сегодня наблюдать во Вселенной, восходит к этому исходному Взрыву. Ученые полагают, что этот взрыв произошел примерно от 9 до 18 миллиардов лет назад. В то время, говорят они, вся материя во Вселенной существовала в виде плотной массы с температурой в триллионы градусов. Предполагается, что после взрыва в течение огромного периода времени из беспорядка образовался порядок. Атомы и молекулы образовали небесные тела, подобные нашей Солнечной системе; в результате соединения молекул появилась простейшая жизнь, которая, развиваясь в течение миллионов лет в условиях случайных процессов, образовала более сложные формы жизни. Теория Большого Взрыва широко принята эволюционистами как описание действительно произошедшего события. В различных научных журналах часто печатаются статьи, создающие впечатление, будто Большой Взрыв является доказанным и не вызывающим сомнения фактом. Например, на с. 36 майского номера "Science Digest" ("Обзор науки"), 1981 год, говорится: "Самая первая миллиард-миллиард-миллиард-миллиардная доля секунды - а затем, пользуясь системой простой логики, мы можем сегодня точно вывести во всех подробностях то, что произошло в первую секунду Творения. В последнее время мы узнали, что некоторые из самых драматических событий в жизни Вселенной произошли до того, как ее возраст достиг одной секунды. К удивлению непрофессионала, ученые преодолевают барьеры времени, восстанавливая обстоятельства первой миллиард-миллиард-миллиард-миллиардной доли секунды". Однако многие учёные не принимают во внимание данную теорию. С точки зрения логики, говорят они, трудно принять версию о том, что Взрыв является основой Вселенной, организация которой отличается необычайной сложностью, поскольку все когда-либо наблюдавшиеся взрывы приводили к хаосу, беспорядку. Они считают, что ни один разумный человек не станет пытаться взорвать какой-то предмет с намерением получить другой предмет, более сложный. Совершенно ясно, что взрыв может привести лишь к разрушению существующего порядка. Гипотезе Большого Взрыва противоречат также и законы физики. Каждая система, предоставленная самой себе, следует в направлении от порядка к беспорядку. Этот закон Вселенной известен как второй закон термодинамики. Несколько примеров того, как работает этот закон, помогут проиллюстрировать невозможность созидающего взрыва. Если вы уложите кирпичи в штабель, с течением времени этот штабель разрушится и станет беспорядочной грудой кирпичей. Если новый автомобиль поставить в гараж и не пользоваться им в течение, скажем, сотни лет, он проржавеет и разрушится. Или обратимся к имеющему прямое отношение к каждому из нас процессу старения. Со временем клетки нашего организма начинают работать все хуже и хуже, мы стареем и умираем. Нам известно, что Солнце сгорает, и при этом расходуется водород, который не возмещается. Все процессы, предоставленные самим себе, неизбежно идут в направлении от порядка к беспорядку. Логика, а также явные, поддающиеся наблюдению факты, противоречат предположению о том, что взрыв был той созидающей силой, которая стоит за началом Вселенной.

Отказ от данной теории заставил многих ученых вновь задуматься о возникновении нашей планеты, что в свою очередь послужило почвой для создания и выдвижения новых теорий и гипотез.

1.2 ИЗУЧЕНИЕ ГЕОЛОГИИ. ТЕОРИЯ УНИФОРМИЗМА

Одним из важнейших принципов другой теории основан на привлечении данных геологии. Геология - наука, занимающаяся изучением Земли, ее строения, а также изменений, которым подвергалась Земля в прошлом и которые происходят в настоящее время. Первоначально геология основывалась на представлении о том, что физические особенности Земли сформировались в результате глобальных катастроф - таких, как наводнения, землетрясения, извержения вулканов. Эта идея уступила место теории униформизма, предполагающей, что геологические особенности Земли можно объяснить факторами окружающей среды, постепенно действующими в течение продолжительных периодов времени. Многие ученые считают данные геологии самым убедительным доказательством правильности эволюционной теории. Учебники, описывающие происхождение и историю Земли, почти всегда включают изображение так называемой геологической колонны. Эта теория так широко принята геологами, что ее считают уже не теорией, а бесспорным фактом. Основополагающий принцип геологической колонны - допущение того, что возраст Земли измеряется миллиардами лет. Геологическая колонна отражает попытки объяснить наличие многочисленных слоев, или пластов, земной коры. Ученые предполагают, что эти слои появились в течение миллионов лет в результате постепенных и не изменяющихся процессов. По существу, теория униформизма утверждает, что процессы эрозии, отложения осадочных пород и вулканическая деятельность в прошлом происходили с той же интенсивностью, что и в наши дни. Каждой такой формации присвоено название и приписывается определенный возраст ее формирования. С концепцией постепенного отложения слоев Земли связана вера в то, что живые организмы на Земле эволюционировали одновременно с образованием ее слоев. Согласно этой теории, происходило непрерывное развитие жизни от простых форм к более сложным. Неживые "строительные блоки" случайно образовали одноклеточные организмы, которые также случайно развивались в многоклеточные растения или в многоклеточных животных. Беспозвоночные животные случайно развились в рыб; рыбы становились четвероногими земноводными; затем земноводные преобразовались в пресмыкающихся; одетые в чешую пресмыкающиеся развились в птиц или млекопитающих. Млекопитающие начали передвигаться на задних конечностях. Так появились обезьяны, от которых в конце концов произошли люди. Кроме того, эволюционная теория утверждает что организмы, жившие в прошлом, должны обнаруживаться в слоях Земли в определенной последовательности - со все увеличивающейся сложностью. Более простые формы должны обнаруживаться в более древних слоях, расположенных в земной коре на большей глубине, тогда как более развитые формы должны находиться в более молодых слоях, ближе к поверхности. Чтобы лучше понять значение геологической колонны и то, как она используется, рассмотрим ее более подробно. Геологическую колонну можно признать приемлемой, научно обоснованной моделью, если она выдержит проверку фактами. Важно понимать, что возраст пластов, обозначенных в колонне, был определен много лет назад только лишь на основе допущений и спекуляций. Никто не смог научно доказать, какой продолжительности должен был быть период времени, требуемый для отложения в прошлом того или иного слоя. Определение периода, достаточного для формирования такого слоя, основано на допущении, которое не может быть проверено. Другим наблюдением, которое ставит под сомнение эту гипотетическую геологическую колонну, являются очень четкие границы, которые всегда существуют между пластами. Если верна теория униформизма, мы, несомненно, должны ожидать плавных переходов от одного слоя к другому. Существуют ли еще какие-нибудь важные причины, чтобы поставить под вопрос достоверность геологической колонны? Предполагаемая последовательность геологических слоев, отложенных л порядке от самых старых к более молодым, не была обнаружена. Ни одному геологу не удалось найти такие места на Земле, где пласты присутствуют в той же последовательности и в том же количестве, как это показано на схемах.

1.3 НОВЕЙШИЕ ТЕОРИИ

Существует ещё одна теория об образовании нашей планеты. Вся солнечная система образовалась из гигантского небесного тела - прообраза нашей Земли, которая также возникла на месте подобной некогда существовавшей системы. Она содержит в себе ядро-солнце и несколько бывших планет, "обросших" гигантскими массами околосолнечного вещества, ставшими континентальными частями Земли, которые, двигаясь по инерции по своим орбитам, заставили её вращаться вокруг оси, сформировали на её поверхности высокие горы и глубокие впадины. До сего времени продолжается неудержимый, хотя и малозаметный "дрейф" континентов, сопровождающийся смещением огромных пластов земных недр и разрушительными землетрясениями. Кроме того, бывшие планеты и спутники, находящиеся внутри Земли, продолжая жить своей собственной жизнью, ещё больше усложняют ситуацию, когда, переходя на следующий этап своего развития, превращаются в маленькие "звёзды". В этом случае, внутри планеты кроме ядра начинают существовать ещё несколько раскалённых очагов на разных уровнях земной толщи. Их деятельность проявляется в многочисленных землетрясениях, выбросах горячей воды, ледниковых периодах, появлениях пустынь и т. д. Как видим, геоцентрическое мировоззрение позднеантичного ученого Клавдия Птолемея имело под собой реальную основу: в своё время, раскалённое ядро Земли когда-то всё-таки было центром системы окружавших его небесных тел. Такова история появления и развития нашей планеты, считают учёные. Разгадана тайна формирования космических тел, звёздных систем и галактик, установлены закономерности, по которым они развиваются. Теперь нам известно не только прошлое, но и будущее Земли, Солнечной системы, всех существующих галактик. Но по-прежнему величайшей загадкой остаётся происхождение самой Вселенной, неизвестно "как и почему" она возникла и существует. Будет ли найдены ответы на эти самые главные извечные вопросы в истории земной цивилизации? Возможно, эта тайна будет раскрыта в ближайшее время, но вероятнее всего истину мы не познаем никогда.

1.4 ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ РАЗДЕЛЕНИЯ КОНТИНЕНТОВ

Многие поколения людей, изучающих карты мира, отмечали, что восточное и западное полушария совмещаются одно с другим, как подходящие части в мозаичной игрушке-головоломке, и это напечатано в учебниках, только "они" умалчивают, что на самом деле при подгонке одного континента к другому "они" их вращают и уменьшают один континент в несколько раз, чтобы он подошел под другой. В начале XX века некоторые геологи высказали предположение о том, что когда-то континенты были соединены, но дело в том, что континенты и сейчас соединены, существует предположение, что под водой есть земля. Геологические открытия нескольких последних десятилетий подтвердили, что вся масса суши Земли первоначально была без разрывов, то есть без континентов. Геологическая теория разделения континентов отводит на этот процесс сотни миллионов лет. Следует помнить, что основной принцип современной геологии базируется на допущении, что возраст Земли составляет миллиарды лет. Наиболее популярной теорией происхождения континентов, предложенной геологами-эволюционистами, является теория континентального дрейфа. Эта концепция, часто называемая тектоникой мировых плит, явилась вызовом традиционной эволюционной концепции стабильной планеты. Концепция тектоники плит выдвигает следующий взгляд на историю Земли:

1. Земная кора состоит из нескольких плит, или секций. Эти плиты можно сравнить с растрескавшейся скорлупой сваренного вкрутую яйца. Плиты плавают по горячей мантии, находящейся под земной поверхностью. Земная суша и океаны опираются на эти секции земной коры.

2. Около 200 миллионов лет назад масса земной суши была соединена в одном месте. Этот сверхконтинент часто называют Пангеей. По какой-то причине эта единая большая масса суши стала раскалываться и постепенно разделяться.

3. В течение миллионов лет все семь континентов, а также многочисленные крупные острова, которые мы наблюдаем сего дня, постепенно переместились в свое теперешнее положение.

Часто обсуждается вопрос о том, почему и как более 200 миллионов лет назад континенты разделились. 7 апреля 1976 года в "Science News" ("Новости науки") было опубликовано сообщение о том, что континенты разъединило внезапное событие. Согласно последним теориям, на Землю мог упасть какой-то объект космического происхождения, вызвав первоначальное разделение единого континента. Однако, многие учёные считают данную теорию ошибочной из-за недостатка фактов и доказательств.

2. ЭВОЛЮЦИЯ ПЛАНЕТЫ И ЖИЗНИ НА НЕЙ

2.1 ЭКРАНИРОВАННАЯ ЗЕМЛЯ

Первоначально, по мнению учёных, Земля очень сильно отличалась от той Земли, какой мы ее знаем в наши дни.

Благодаря плотному водяному пару, который окружал Землю, наша планета была защищена водным экраном, который обеспечивал субтропический парниковый эффект. Присутствие слоя водяного пара, окружавшего первоначальную Землю, приводило к существованию целого ряда условий, отличных от наблюдаемых на Земле сегодня. Чтобы лучше понять эту "экранную" модель, посмотрим, что же давал слой водяного пара вокруг Земли. Солнечный свет, или длинноволновое излучение, проходил через слой водяного пара в верхних слоях атмосферы.

1) Свет достигал всех широт с одинаковой интенсивностью. Тепло, излучаемое с поверхности Земли в виде коротковолнового излучения, задерживалось внутри водяной оболочки. Это создавало среду с парниковым эффектом по всей поверхности земного шара. В результате от полюса до полюса климат был субтропическим. На всей поверхности Земли могли существовать субтропические растения и животные.

2) Этот "экран", окружающий Землю, обусловливал стабильный климат. Отсутствовали экстремальные климатические различия, подобные наблюдаемым нами сегодня и возникающим как результат неодинакового нагрева земной поверхности. В современных атмосферных условиях солнечный свет на экваторе падает на Землю под большим углом и потому почти не рассеивается. В полярных областях значительная часть лучей отражается от поверхности Земли, и поэтому поверхность нагревается меньше. Различие температур в разных частях земного шара вызывает перепады атмосферного давления, что, в свою очередь, является причиной ветров. Ветры движутся в разных направлениях по всему земному шару, выравнивая разницу давлений, а при встрече холодного и теплого воздуха выпадают осадки.

3) Благодаря обеспечиваемой водяным экраном равномерной температуры первоначальная Земля характеризовалась очень большой влажностью, но осадки при этом не выпадали.

4) Окружающий Землю слой воды мог фильтровать вредоносное космические излучение, пронизывающее земную атмосферу. Этот слой мог пропускать длинноволновое излучение, но не пропускал коротковолновое, например, ультрафиолетовые лучи, водный экран функционировал так же, как озоновый слой функционирует теперь, защищая Землю от коротковолнового излучения. Кстати, воду используют и сегодня как надежный экран для защиты живых существ от неблагоприятных воздействий радиоактивного материала на атомных исследовательских установках. Коротковолновое излучение чрезвычайно опасно для жизни. Кроме того, что оно вызывает дегенеративные генетические изменения в хромосомах клеток, оно ускоряет процесс старения. Мы должны признать, что под защитой окружавшего Землю экрана растения, люди и животные были намного крупнее, здоровее, сильнее и жили дольше.

Достоверность любой модели или теории может быть оценена только в свете наблюдаемых фактов. Мы рассмотрели некоторые основные условия среды, которые создавал слой водяного пара, окружавший Землю. Обратимся теперь к некоторым фактам, подтверждающим достоверность модели экранированной Земли.

2.2 СУБТРОПИЧЕСКАЯ ЖИЗНЬ ОТ ПОЛЮСА ДО ПОЛЮСА

"Экранная" модель предполагает возможность существования субтропической жизни от полюса до полюса как результат одинаковых температурных условий на всей поверхности планеты. Существуют ли какие-нибудь свидетельства, указывающие на то, что в прошлом жизнь существовала именно в подобных условиях? Изучение окаменелостей дает нам многочисленные примеры существования организмов в далеком прошлом. И становится очевидно, что климатические условия на Земле первоначально были совершенно иными, чем в наши дни. Например, на северной конечности острова Ванкувер в Канаде были найдены окаменелые отпечатки листьев пальмы. Эти листья были обнаружены в вулканической породе, что говорит о том, что они оказались в куске лавы в результате вулканического извержения. Субтропическая растительность такого типа не растет в этом районе сегодня. Очевидно, что в северной части планеты в прошлом климат был совершенно иным.

Можно обратиться еще к одному району, Новосибирским островам на севере России, за Полярным кругом. На территории этих островов повсюду были обнаружены остатки тропических лесов, гигантские плодовые деревья с вмерзшими в лед зелеными листьями и плодами, а также останки мамонтов и других млекопитающих. Об этих находках сообщалось в книге Чарльза Г. Хэпгуда "Тайны замерзших мамонтов". На Шпицбергене, в северной части Норвегии, также за Полярным кругом, расположен еще один район, в котором сохранились свидетельства субтропической жизни. Дональд Гаттен в книге "Библейский Потоп и ледниковая эпоха" пишет о пальмовых листьях длиной от десяти до двенадцати футов, найденных в окаменелом состоянии вместе с различного рода окаменелостями субтропических морских животных. Многочисленные находки, указывающие на то, что в прошлом жизнь в высоких широтах была совершенно иной, нежели в наши дни, обнаружены на Аляске. В марте 1972. года журнал "National Geographic" опубликовал интересную статью об аляскинской тундре. В этой статье рассказано об останках гигантских верблюдов, львов, лошадей, мамонтов, тигров, ленивцев и бизонов, вмерзших в слои льда и ила. Эти животные не живут сегодня на Аляске, но факты говорят о том, что они жили там в прошлом. В южном полушарии, у самого Южного полюса, были найдены окаменелые остатки пышных лесов со стволами деревьев диаметром более трех футов. Об этом рассказано в книге Хукера "Эти удивительные ледниковые эпохи". Приведенные примеры еще раз подтверждают модель экранированной Земли. В прошлом растительная и животная жизнь существовала от полюса и до полюса.

2.3 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ НА ПЛАНЕТЕ

Существуют и другие представления о возникновении нашей планеты и жизни на ней. Вот одно из них. Возникновению живого вещества на Земле (и, как можно судить по аналогии, на других планетах) предшествовала довольно длительная и сложная эволюция химического состава атмосферы, в конечном итоге приведшая к образованию ряда органических молекул. Эти молекулы впоследствии послужили как бы "кирпичиками" для образования живого вещества. По современным данным планеты образуются из первичного газово-пылевого облака, химический состав которого аналогичен химическому составу Солнца и звёзд, первоначальная их атмосфера состояла в основном из простейших соединений водорода - наиболее распространённого элемента в космосе. Больше всего было молекул водорода, аммиака, воды и метана. Кроме того, первичная атмосфера должна была быть богата инертными газами - прежде всего гелием и неоном. В настоящее время благородных газов на Земле мало, так как они в своё время диссипировали (улетучились) в межпланетное пространство, как и многие водородсодержащие соединения. Однако, по-видимому, решающую роль в установлении состава земной атмосферы сыграл фотосинтез растений, при котором выделяется кислород. Не исключено, что некоторое, а может быть даже существенное, количество органических веществ было принесено на Землю при падениях метеоритов и, возможно, даже комет. Некоторые метеориты довольно богаты органическими соединениями. Подсчитано, что за 2 млрд. лет метеориты могли принести на Землю от 108 до 1012 тонн таких веществ. Также органические соединения могут в небольших количествах возникать в результате вулканической деятельности, ударов метеоритов, молний, из-за радиоактивного распада некоторых элементов. Имеются довольно надёжные геологические данные, указывающие на то, что уже 3.5 млрд. лет назад земная атмосфера была богата кислородом. С другой стороны возраст земной коры оценивается геологами в 4.5 млрд. лет. Жизнь должна была возникнуть на Земле до того, как атмосфера стала богата кислородом, так как последний в основном является продуктом жизнедеятельности растений. Согласно недавней оценке американского специалиста по планетной астрономии Сагана, жизнь на Земле возникла 4.0-4.4 млрд. лет назад. Механизм усложнения строения органических веществ и появление у них свойств, присущих живому веществу, в настоящее время ещё недостаточно изучен, хотя в последнее время наблюдаются большие успехи в этой области биологии. Но уже сейчас ясно, что подобные процессы длятся в течение миллиардов лет. Любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других органических соединений - это ещё не живой организм. Можно, конечно, предположить, что при каких-то исключительных обстоятельствах где-то на Земле возникла некая "праДНК", которая и послужила началом всему живому. Вряд ли, однако, это так, если гипотетическая "праДНК" была вполне подобна современной. Дело в том, что современная ДНК сама по себе совершенно беспомощна. Она может функционировать только при наличии белков-ферментов. Думать, что чисто случайно, путём "перетряхивания" отдельных белков - многоатомных молекул, могла возникнуть такая сложнейшая машина, как "праДНК" и нужный для её функционирования комплекс белков-ферментов - это значит верить в чудеса. Однако можно предположить, что молекулы ДНК и РНК произошли от более примитивной молекулы. Для образовавшихся на планете первых примитивных живых организмов высокие дозы радиации могут представлять смертельную опасность, так как мутации будут происходить так быстро, что естественный отбор не поспеет за ними. Заслуживает внимания ещё такой вопрос: почему жизнь на Земле не возникает из неживого вещества в наше время? Объяснить это можно только тем, что ранее возникшая жизнь не даст возможность новому зарождению жизни. Микроорганизмы и вирусы буквально съедят уже первые ростки новой жизни. Нельзя полностью исключать и возможность того, что жизнь на Земле возникла случайно. Существует ещё одно обстоятельство, на которое, может быть, стоит обратить внимание. Хорошо известно, что все "живые" белки состоят из 22 аминокислот, между тем, как всего аминокислот известно свыше 100. Не совсем понятно, чем эти кислоты отличаются от остальных своих "собратьев". Нет ли какой-нибудь глубокой связи между происхождением жизни и этим удивительным явлением? Если жизнь на Земле возникла случайно, значит, жизнь во Вселенной редчайшее (хотя, конечно, ни в коем случае не единичное) явление. Для данной планеты возникновение особой формы высокоорганизованной материи, которую мы называем "жизнью", является случайностью. Но в огромных просторах Вселенной возникающая таким образом жизнь должна представлять собой закономерное явление. Надо ещё раз отметить, что центральная проблема возникновения жизни на Земле - объяснение качественного скачка от "неживого" к "живому" - всё ещё далека от ясности. Недаром один из основоположников современной молекулярной биологии профессор Крик на Бюраканском симпозиуме по проблеме внеземных цивилизаций в сентябре 1971 года сказал: "Мы не видим пути от первичного бульона до естественного отбора. Можно прийти к выводу, что происхождение жизни - чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании".

Однако, 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества молодой советский ученый А.И. Опарин с дерзостью, присущей молодости, позволил себе с новой точки зрения рассмотреть проблему возникновения жизни. Его доклад "О возникновении жизни" стал исходной точкой нового взгляда на вечную проблему "откуда мы пришли?".

Опарин выступил с утверждением, что принцип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, действует лишь в современную эпоху существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Постепенно происходило усложнение этих соединений и превращение их в протобионты (доклеточные предки живых организмов). В результате появились первичные живые существа. Иными словами, в раннюю геологическую эпоху было возможно абиогенное происхождение жизни. А.И. Опарин рассматривал появление жизни как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли химической эволюции, перешедшей на качественно новый уровень - биохимическую эволюцию. Исходя из теоретических предположений, он экспериментально доказал, что под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси первичной атмосферы Земли, содержащие пары воды, аммиака, циана, метана и др., произошло появление аминокислот, нуклеотидов и их полимеров. Данные органические соединения накапливались и концентрировались в "первичном бульоне океана", после чего часть из них дала начало коллоидным системам, которые он назвал коацерватными каплями, которые и стали предками живых организмов на Земле. Существенной особенность коацерватов была способность поглощать из окружающей среды различные органические вещества, т.е. они осуществляли первичный обмен веществ со средой, а это - одно из важнейших свойств и условий жизни. Далее, по убеждению Опарина, начал действовать естественный отбор, способствовавший "выживанию" наиболее устойчивых коацерватных систем. По сути, эти системы были примитивными белками.

Пять лет спустя независимо от Опарина сходные идеи были развиты английским ученым Дж. Холдейном. Общим во взглядах Опарина и Холдейна является попытка объяснить возникновение жизни в результате химической эволюции на первичной Земле. Оба они подчеркивают огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался "первичный бульон", а кроме того, и роль энзимов - органических молекул, которые многократно ускоряют нормальный ход химических процессов. В дополнение к этому Холдейн впервые высказывает идею, что первичная атмосфера на Земле, "вероятно, содержала очень мало или вообще не содержала кислорода".

Согласно Дж. Берналу, "труд Опарина содержит в себе основы новой программы химических и биологических исследований". Идеи Опарина вдохновили многих ученых на новые целенаправленные исследования, результаты которых начинают открывать тайну жизни - эту мучительную и сладкую загадку для человека.

Ученики и последователи А.И. Опарина - Стэнли Миллер и Орджел продолжили его исследования и в результате проведенных экспериментов синтезировали простые нуклеиновые кислоты, сахара и другие вещества в смоделированных условиях существовавших на ранней Земле.

Сильные и слабые стороны концепции А.И. Опарина

Сильной стороной концепции является достаточно точное соответствие ее химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом добиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается не только лабораторного воспроизведения предполагаемых физико-химических условий первичной Земли, но и коацерватов, имитирующих доклеточного предка и его функциональные особенности.

Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опарин допускает возможность самовоспроизведения коацерватов при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизма наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живому не удается. Поэтому сегодня считается, что решить эту сложную проблему биологии без привлечения концепции открытых каталитических систем Руденко, молекулярной биологии, а также синергетики и кибернетики не получится.

Большинство современных специалистов убеждены, что возникновение жизни в условиях первичной Земли есть естественный результат эволюции материи. Это убеждение основано на доказанном единстве химической основы жизни, построенной из нескольких простых и самых распространенных во Вселенной атомов.

Исключительное морфологическое разнообразие жизни (микроорганизмы, растения, животные) осуществляется на единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.

Основные химические элементы, из которых построена жизнь, - это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своего строения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, "кислорода и азота имеют небольшие размеры и способны образовывать устойчивые соединения с двух- и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. Образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими.

Другие два биогенных элемента - сера и фосфор - присутствуют в относительно малых количествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов также дают возможность образования кратных химических связей. Сера входит в состав белков, а фосфор - составная часть нуклеиновых кислот.

Кроме этих шести основных химических элементов в построении организмов в малых количествах участвуют натрий, калий, магний, кальций, хлор, а также микроэлементы: железо, марганец, кобальт, медь, цинк и небольшие следы алюминия, бора, ванадия, йода и молибдена; следует отметить и некоторые исключительно редкие атомы, которые встречаются случайно и в ничтожных количествах.

Следовательно, химическая основа жизни разнообразится еще 15 химическими элементами, которые вместе с шестью основными биогенными элементами участвуют в различных соотношениях в строении и осуществлении функций живых организмов. Этот факт особенно показателен в двух отношениях:

1) как доказательство единства происхождения жизни и

2) в том, что сама жизнь, являющаяся результатом самоорганизации материи, включила в эволюцию биологических макромолекул не только все самые распространенные элементы, но и все атомы, которые особенно пригодны для осуществления жизненных функций (например, фосфор, железо, йод и др.). Как отмечает советский ученый М. Камшилов, "для осуществления функций жизни важны химические свойства ее атомов, к которым, в частности, относятся квантовые особенности". Не только структура, обмен веществ, но даже и механические действия живых организмов зависят от составляющих их молекул. Это, однако, не означает, что жизнь может быть сведена просто к химическим закономерностям.

Жизнь - одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особенно характерны обмен веществ и воспроизведение, а особенности более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней.

Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем. Сложную химическую эволюцию обычно выражают следующей обобщенной схемой: атомы - простые соединения - простые биоорганические соединения <=> макромолекулы - организованные системы. Начало этой эволюции положено нуклеосинтезом в Солнечной системе, когда образовались основные элементы, в том числе и биогенные. Начальное состояние - нуклеосинтез - быстро переходит в процесс образования химических соединений. Этот процесс протекает в условиях первичной Земли со все нарастающей сложностью, обусловленной общекосмическими и конкретными планетарными предпосылками.

2.4 ГИГАНТСКИЕ РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ

Как обстоит дело с предположением о том, что в прошлом формы растительной и животной жизни должны были быть гораздо крупнее? Если экранированная Земля существовала, то в летописи окаменелостей должны быть многочисленные примеры гигантских растений и животных. Рассмотрим некоторые из таких примеров. В "Зеленом царстве" - книге, опубликованной Чайлдкрафтом, приводится ряд рисунков растений, живших в прошлом. В основе этих рисунков лежит информация, полученная из летописи окаменелостей. В книге изображены моховидные растения почти метровой длины. В наши же дни их размеры не превышают 5-8 см. Так же в книге показаны растения, похожие на гигантский аспарагус. Длинна их стеблей превышает 12 м. Корневая система этих pастений подобна волосовидным корневым системам современных луковичных растений. Очевидно, что корни этих растении не должны были углубляться далеко в почву, чтобы добывать влагу и не закреплялись в грунте с целью защиты от ветров. В летописи окаменелостей присутствуют хвощи высотой более 15 м. Хвощ растет на болотах и в наши дни, но достигает максимальной высоты от одного до полутора метров, высота папоротниковых растений в прошлом достигала более 16 м, теперешние, же папоротниковые достигают лишь высоты кустарника. В летописи окаменелостей есть также насекомые, гораздо более крупные, чем сегодняшние виды. Например, были найдены тараканы диаметром более 30 см; сохранились стрекозы с размахом крыльев более метра.

Окаменелые останки морских организмов часто гораздо более крупные, чем их сородичи сегодня. В санденском каньоне близ Нанффа (провинция Альберта в Канаде) были найдены окаменелые двустворчатые моллюски длиной более полуметра. В летописи окаменелостей есть раковины наутилоидов диаметром около 2 м. Сегодня их потомки достигают длины не более 20 см.

В разных частях Земли найдены окаменелости гигантских животных различных видов. В книге "Гиганты из прошлого", опубликованной Национальным географическим обществом, показано много таких гигантских, существ, ныне не существующих. Окаменелые останки безрогих носорогов говорят об их росте, превышающем 6 м. Свиньи достигали размеров крупного рогатого скота. Рост верблюда превышал 3,5-метровую отметку. Гигантские птицы вырастали до 3 м, а бобры достигали размеров свиньи. Ширина оленьих рогов превышала 3,5 м. Земляные ленивцы, достигающие ныне размеров средней обезьяны, в летописи окаменелостей представлены экземплярами длиной более 5,5 м.

Одной из наиболее известных особенностей летописи окаменелостей является обилие гигантских рептилий. Наиболее распространенная из них - динозавр. Рептилии вылупляются из яиц, а затем растут. Чем дольше живет рептилия, тем больших размеров она достигает. Динозавр является одним из Крупнейших существ, когда-либо живших на нашей планете. Для того, чтобы динозавр мог вырасти до таких огромных размеров, какие мы видим в летописи окаменелостей, продолжительность его жизни должна быть намного больше продолжительности жизни ныне живущих рептилий. Существование защитного экрана, несомненно, помогает объяснить то, почему животные прошлого достигали больших размеров и жили дольше.

2.5 ОСОБЕННОСТИ ЭВОЛЮЦИИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ НА РАЗНЫХ УРОВНЯХ РАЗВИТИЯ

Особенности эволюции на клеточном уровне

Рассмотрим подробнее особенности эволюции на клеточном уровне организации жизни. Наибольшее различие существует не между растениями, грибами и животными, а между организмами, обладающими ядром (эукариоты) и не имеющими его (прокариоты). Последние представлены низшими организмами - бактериями и сине-зелеными водорослями (цианобактерии, или цианеи), все остальные организмы - эукариоты, которые сходны между собой по внутриклеточной организации, генетике, биохимии и метаболизму.

Различие между прокариотами и эукариотами заключается еще и в том, что первые могут жить как в бескислородной (облигатные анаэробы), так и в среде с разным содержанием кислорода (факультативные анаэробы и аэробы), в то время как для эукариотов, за немногим исключением, обязателен кислород. Все эти различия имели существенное значение для понимания ранних стадий биологической эволюции.

Сравнение прокариот и эукариот по потребности в кислороде приводит к заключению, что прокариоты возникли в период, когда содержание кислорода в среде изменилось. Ко времени же появления у эукариот концентрация кислорода была высокой и относительно постоянной.

Первые фотосинтезирующие организмы появились около 3 млрд. лет назад. Это были анаэробные бактерии, предшественники современных фотосинтезирующих бактерий. Предполагается, что именно они образовали самые древние среди известных строматолитов. Обеднение среды азотистыми органическими соединениями вызывало появление живых существ, способных использовать атмосферный азот. Такими организмами, способными существовать в среде, полностью лишенной органических углеродистых и азотистых соединений, являются фотосинтезирующие азотфиксирующие сине-зеленые водоросли. Эти организмы осуществляли аэробный фотосинтез. Они устойчивы к продуцируемому ими кислороду и могут использовать его для собственного метаболизма. Поскольку сине-зеленые водоросли возникли в период, когда концентрация кислорода в атмосфере колебалась, вполне допустимо, что они - промежуточные организмы между анаэробами и аэробами.

С уверенностью предполагается, что фотосинтез, в котором источником атомов водорода для восстановления углекислого газа является сероводород (такой фотосинтез осуществляют современные зеленые и пурпурные серные бактерии), предшествовал более сложному двустадийному фотосинтезу, при котором атомы водорода извлекаются из молекул воды. Второй тип фотосинтеза характерен для цианеи и зеленых растений.

Фотосинтезирующая деятельность первичных одноклеточных имела три последствия, оказавшие решающее влияние на всю дальнейшую эволюцию живого. Во-первых, фотосинтез освободил организмы от конкуренции за природные запасы абиогенных органических соединений, количество которых в среде значительно сократилось. Развившееся посредством фотосинтеза автотрофное питание и запасание питательных готовых веществ в растительных тканях создали затем условия для появления громадного разнообразия автотрофных и гетеротрофных организмов. Во-вторых, фотосинтез обеспечивал насыщение атмосферы достаточным количеством кислорода для возникновения и развития организмов, энергетический обмен которых основан на процессах дыхания. В-третьих, в результате фотосинтеза в верхней части атмосферы образовался озоновый экран, защищающий земную жизнь от губительного ультрафиолетового излучения космоса.

Еще одно существенное отличие прокариот и эукариот заключается в том, что у вторых центральным механизмом обмена является дыхание, у большинства же прокариот энергетический обмен осуществляется в процессах брожения. Сравнение метаболизма прокариот и эукариот приводит к выводу об эволюционной связи между ними. Вероятно, анаэробное брожение возникло на более ранних стадиях эволюции. После появления в атмосфере достаточного количества свободного кислорода аэробный метаболизм оказался намного выгоднее, так как при окислении углеводов в 8 раз увеличивается выход биологически полезной энергии в сравнении с брожением. Таким образом, к анаэробному метаболизму присоединился аэробный способ извлечения энергии одноклеточными организмами.

Когда же появились эукариотические клетки? На этот вопрос нет точного ответа, но значительное количество данных об ископаемых эукариотах позволяет сказать, что их возраст составляет около 1,5 млрд. лет. Относительно того, каким образом возникли эукариоты, существуют две гипотезы.

Одна из них (аутогенная гипотеза) предполагает, что эукариотическая клетка возникла путем дифференциации исходной прокариотической клетки. Вначале развился мембранный комплекс: образовалась наружная клеточная мембрана с впячиваниями внутрь клетки, из которой сформировались отдельные структуры, давшие начало клеточным органоидам. От какой именно группы прокариот возникли эукариоты, сказать невозможно.

Другую гипотезу (симбиотическую) предложила недавно американский ученый Маргулис. В ее обоснование она положила новые открытия, в частности обнаружение у пластид и митохондрий внеядерной ДНК и способности этих органелл к самостоятельному делению. Л. Маргулис предполагает, что эукариотическая клетка возникла вследствие нескольких актов симбиогенеза. Вначале произошло объединение крупной амебовидной прокариотной клетки с мелкими аэробными бактериями, которые превратились в митохондрии. Затем эта симбиотическая прокариотная клетка включила в себя спирохетоподобные бактерии, из которых сформировались кинетосомы, центросомы и жгутики. После обособления ядра в цитоплазме (признак эукариот) клетка с этим набором органелл оказалась исходной для образования царств грибов и животных. Объединение прокариотной клетки с цианеями привело к образованию пластидной клетки, что дало начало формированию царства растений. Гипотеза Маргулис разделяется не всеми и подвергается критике. Большинство авторов придерживается аутогенной гипотезы, более соответствующей дарвиновским принципам монофилии, дифференциации и усложнения организации в ходе прогрессивной эволюции.

В эволюции одноклеточной организации выделяются промежуточные ступени, связанные с усложнением строения организма, совершенствованием генетического аппарата и способов размножения.

Самая примитивная стадия - агатная прокариотная - представлена цианеями и бактериями. Морфология этих организмов наиболее проста в сравнении с другими одноклеточными (простейшими). Однако уже на этой стадии появляется дифференциация на цитоплазму, ядерные элементы, базальные зерна, цитоплазматическую мембрану. У бактерий известен обмен генетическим материалом посредством конъюгации. Большое разнообразие видов бактерий, способность существовать в самых разных условиях среды свидетельствуют о высокой адаптивности их организации.

Следующая стадия - агамная эукариотпая - характеризуется дальнейшей дифференциацией внутреннего строения с формированием высокоспециализированных органоидов (мембраны, ядро, цитоплазма, рибосомы, митохондрии и др.). Особо существенной здесь была эволюция ядерного аппарата - образование настоящих хромосом в сравнении с прокариотами, у которых наследственное вещество диффузно распределено по всей клетке. Эта стадия характерна для простейших, прогрессивная эволюция которых шла по пути увеличения числа одинаковых органоидов (полимеризация), увеличения числа хромосом в ядре (полиплоидизация), появления генеративных и вегетативных ядер - макронуклеуса и микронуклеуса (ядерный дуализм). Среди одноклеточных эукариотных организмов имеется много видов с агамным размножением (голые амебы, раковинные корненожки, жгутиконосцы).

Прогрессивным явлением в филогенезе простейших было возникновение у них полового размножения (гамогонии), которое отличается от обычной конъюгации. У простейших имеется мейоз с двумя делениями и кроссинговером на уровне хроматид, и образуются гаметы с гаплоидным набором хромосом. У некоторых жгутиковых гаметы почти неотличимы от бесполых особей и нет еще разделения на мужские и женские гаметы, т.е. наблюдается изогамия. Постепенно в ходе прогрессивной эволюции происходит переход от изогамии к анизогамии, или разделению генеративных клеток на женские и мужские, и к анизогамной копуляции. При слиянии гамет образуется диплоидная зигота. Следовательно, у простейших наметился переход от агамной эукариотной стадии к зиготной - начальной стадии ксеногамии (размножение путем перекрестного оплодотворения). Последующее развитие уже многоклеточных организмов шло по пути совершенствования способов ксеногамного размножения.

Возникновение и развитие многоклеточной организации

Следующая после возникновения одноклеточных ступень эволюции заключалась в образовании и прогрессивном развитии многоклеточного организма. Эта ступень отличается большой усложненностью переходных стадий, из которых выделяются колониальная одноклеточная, первично - дифференцированная, централизованно - дифференцированная.

Колониальная одноклеточная стадия считается переходной от одноклеточного организма к многоклеточному и является наиболее простой из всех стадий в эволюции многоклеточной организации.

Недавно обнаружены самые примитивные формы колониальных одноклеточных, стоящих как бы на полпути между одноклеточными организмами и низшими многоклеточными (губками и кишечнополостными). Их выделили в подцарство Mesozoa, однако в эволюции на многоклеточную организацию представителей этого полцарства считают тупиковыми линиями.

Первично-дифференцированная стадия в эволюции многоклеточной организации характеризуется началом специализации по принцип "разделения труда" у членов колонии. Элементы первичной специализации наблюдаются у колоний Pandorina morum (16 клеток), Eudorina elegans (32 клетки), Volvox globator (тысячи клеток). Специализация у названных организмов сводится к разделению клеток на соматические, осуществляющие функции питания и движения (жгутики), и генеративные (гонидии), служащие для размножения. Здесь наблюдается и выраженная анизогамия. На первично-дифференцированной стадии происходит специализация функций на тканевом, органном и системно-органном уровне. Так, у кишечнополостных уже сформировалась простая нервная система, которая, распространяя импульсы, координирует деятельность двигательных, железистых, стрекательных, репродуктивных клеток. Нервного центра как такового еще нет, но центр координации имеется.

С кишечнополостных начинается развитие централизованно-дифференцированной стадии в эволюции многоклеточной организации. На этой стадии усложнение морфофизиологической структуры идет через усиление тканевой специализации, начиная с возникновения зародышевых листков, детерминирующих морфогенез пищевом, выделительной, генеративной и других систем органов. Возникает хорошо выраженная централизованная нервная система: у беспозвоночных - ганглиолярная, у позвоночных - с центральным и периферическим отделами. Одновременно совершенствуются способы полового размножения от наружного оплодотворения к внутреннему, от свободной инкубации яиц вне материнского организма к живорождению.

Финалом в эволюции многоклеточной организации животных было появление организмов с поведением "разумного типа". Сюда относятся животные с высокоразвитой условно-рефлекторной деятельностью, способные передавать информацию следующему поколению не только через наследственность, но и надгаметным способом (например, передача опыта молодняку посредством обучения). Заключительным этапом в эволюции централизованно-дифференцированной стадии стало возникновение человека.

Рассмотрим основные этапы эволюции многоклеточных организмов в той последовательности, как она происходила в геологической истории Земли. Всех многоклеточных разделяют на три царства: грибы (Fungi), растения (Metaphyta) и животные (Metazoa). Относительно эволюции грибов известно очень мало, так как палеонтологицеская летопись их остается скудной. Два других царства намного богаче представлены ископаемыми остатками, дающими возможность довольно подробно восстановить ход их истории.

Эволюция животного мира

История животных изучена наиболее полно в связи с тем, что они обладают скелетом и поэтому лучше закрепляются в окаменелых остатках. Самые ранние следы животных обнаруживаются в конце докембрия (700 млн. лет). Предполагается, что первые животные произошли либо от общего ствола всех эукариот, либо от одной из групп древнейших водорослей. Наиболее близки к предкам простейших животных (Protozoa) одноклеточные зеленые водоросли. Неслучайно, например, эвглену и вольвокс, способных и к фотосинтезу, и к гетеротрофному питанию, ботаники относят к типу зеленых водорослей, а зоологи - к типу простейших животных. За всю историю животного мира возникло 35 типов, из которых 9 вымерло, а 26 существуют до сих пор.

Разнообразие и количество палеонтологических документов в истории животных резко возрастают в породах, датируемых менее 570 млн. лет. В течение примерно 50 млн. лет довольно быстро появляются почти все типы вторичнополостных животных с прочным скелетом. Широко были распространены в морях силура трилобиты. Возникновение типа хордовых (Chordata) относится ко времени менее 500 млн. лет. Комплексы хорошо сохранившихся ископаемых найдены в сланцах Бергеса (Колумбия), содержащих остатки беспозвоночных, в частности, мягкотелых организмов типа Annelida, к которому принадлежат современные дождевые черви.