Возникновение жизни на Земле

4. ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Происхождение жизни на Земле явилось третьим значительным этапом в ряду происхождения нашей вселенной и происхождения Земли.

Существовало масса теорий и гипотез о возникновении жизни на Земле. Среди них миф о «акте сотворения мира Богом», описанный в Библии, гипотезы Аристотеля, Эпикура и Демокрита.

Исследования Луи Пастера в 19-м веке окончательно подтвердили ошибочность представлений происхождения жизни как о спонтанном самозарождении. Правда, они не дали окончательных выводов о происхождении жизни.

И только 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества ученый А.И. Опарин с новой точки зрения рассмотрел проблему возникновения жизни. Его доклад «О возникновении жизни» стал исходной точкой нового взгляда на вечную проблему нашего появления на Земле. Необходимо подчеркнуть, что независимо от Опарина к таким же выводам пришел английский ученый Дж. Холдейн.

Общим во взглядах Опарина и Холдейна было объяснение возникновения жизни в результате химической эволюции. Оба они подчеркивали огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался «первичный бульон».

Александр Иванович Опарин

Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн

1. УСЛОВИЯ ПОЯВЛЕНИЯ ЖИЗНИ

Зарождение жизни не произошло само по себе, а совершилось благодаря определенным внешним условиям, сложившимся к тому времени. Главное условие возникновения жизни связано с массой и размерами нашей планеты. Доказано, что если масса планеты больше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции.

Следующим важным условием возникновения жизни являлось наличие воды (Рис.1). Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено ее специфическими термическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др.

Рисунок 1. Структура молекулы воды и ее вид в электронном микроскопе

Третьим элементом явился углерод, который присутствовал на Земле в виде графита и карбидов. Из карбидов при их взаимодействии с водой образовывались углеводороды (Рис.2).

Рисунок 2. Структура углеводорода

Четвертым необходимым условием являлась внешняя энергия. Такая энергия на земной поверхности имелась в нескольких формах: лучистая энергия Солнца, в частности ультрафиолетовый свет, электрические разряды в атмосфере и энергия атомного распада природных радиоактивных веществ (Рис.3).

Рисунок 3. Излучение Солнца и распад радиоактивного вещества на примере Урана-238

2. ПОЯВЛЕНИЕ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ

Земля после ее возникновения длительное время находилась в таком раскаленном состоянии, что никаких химических соединений на ней не могло быть. Первые соединения, которые появились после охлаждения земного шара, были углеводороды и аммиак. В результате химических превращений производных этих веществ и взаимодействия их между собой в водной среде образовались углеводы, аминокислоты, жироподобные вещества и другие сложные органические соединения. Дальнейшие взаимодействия между упомянутыми соединениями привели к возникновению и объединению больших молекул в каплевидные образования, отделенные от окружающего их водного раствора, из которого они могли поглощать разные вещества. В одних случаях поглощение каплями различных веществ могло приводить к распаду этих капель, в других -- к их увеличению. Оставались такие капли, в которых устанавливалось определенное соотношение между процессами синтеза и распада составляющих их веществ, на ход которых влияли различные катализаторы. Впоследствии появились наиболее совершенные каталитические вещества белковой природы -- ферменты, способствующие ускорению химических процессов и усилению их специфичности.

Такие системы, которые были прообразами очень простых живых существ, имели больше шансов сохраниться, чем те системы, в которых процессы шли медленнее и взаимодействие их с веществами водного раствора было менее активным. Таким образом, с известным правом можно утверждать, что в возникновении первых организмов сыграли роль процессы, напоминающие те, которые совершаются при естественном отборе.

Первые организмы были гетеротрофами и в основном питались органическими веществами, возникшими без участия организмов. Размах их синтетических процессов был еще незначителен; создавать из неорганических соединений органические вещества они не могли ввиду отсутствия у них необходимых для этого аппаратов. В атмосфере, окружавшей рассматриваемые организмы, свободного кислорода не было, так как он был поглощен при остывании Земли в процессе различных реакций. Следовательно, у первых организмов диссимиляция происходила по типу брожения с освобождением сравнительно небольшого количества энергии. Это ограничивало их активность и уменьшало возможности синтеза органических веществ, образующихся с поглощением энергии. Строение их было простое, специальных частей, выполняющих определенные функции, еще, вероятно, не было.

Когда на Земле возникли вещества подобные белкам, начался новый этап в развитии материи -- переход от органических соединений к живым существам. Первоначально, органические вещества находились в морях и океанах в виде растворов. В них не было какого-либо строения, какой-либо структуры. Но когда подобные органические соединения смешивались между собой, из растворов выделялись особые полужидкие, студенистые образования -- коацерваты (Рис.4). В них концентрировались все находящиеся в растворе белковые вещества.

Рисунок 4. Коацерватная капля под микроскопом

Хотя коацерватные капельки были жидкие, они обладали определенным внутренним строением. Частицы вещества в них были расположены не беспорядочно, как в растворе, а с определенной закономерностью. При образовании коацерватов возникали зачатки организации, однако, еще очень примитивной и неустойчивой (Рис.5). Для самой капельки эта организация имела большое значение. Любая коацерватная капелька была способна улавливать из раствора, в котором плавает, те или иные вещества. Они химически присоединялись к веществам самой капельки. Таким образом, в ней протекал процесс созидания и роста. Но в любой капельке наряду с созиданием существовал и распад. Тот или иной из этих процессов, в зависимости от состава и внутреннего строения капельки, начинал преобладать.

Рисунок 5. Организация коацерватной капли

В результате, в каком-нибудь месте первичного океана смешались растворы белковоподобных веществ и образовались коацерватные капельки. Они плавали не в чистой воде, а в растворе разнообразных веществ. Капельки улавливали эти вещества и росли за их счет. Скорость роста отдельных капелек была неодинакова. Она зависела от внутреннего строения каждой из них.

Если в капельке преобладали процессы разложения, то она распадалась. Вещества, ее составляющие, переходили в раствор и поглощались другими капельками. Более или менее длительно существовали лишь те капельки, в которых процессы созидания преобладали над процессами распада.

Таким образом, все случайно возникающие формы организации сами собой выпадали из процесса дальнейшей эволюции материи.

Каждая отдельная капелька не могла расти беспредельно как одна сплошная масса -- она распадалась на дочерние капельки. Но каждая капелька в то же время была чем-то отлична от других и, отделившись, росла и изменялась самостоятельно. В новом поколении все неудачно организованные капельки погибали, а наиболее совершенные участвовали в дальнейшей эволюции материи. Так в процессе возникновения жизни происходил естественный отбор коацерватных капелек. Рост коацерватов постепенно ускорялся. Причем научные данные подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных систем.

В конечном итоге усовершенствование коацерватов привело к новой форме существования материи -- к возникновению на Земле простейших живых существ (Рис.6). Вообще, исключительное разнообразие жизни осуществляется на единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.

Рисунок 6. Первые живые существа. Этим остаткам древнейших бактерий 3,5 млрд лет

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 образовывают устойчивые соединения с двух и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. А образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими химическими особенностями углерода.

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

3. ПЕРВЫЕ ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ

Строение первых живых организмов хотя и было гораздо совершеннее, чем у коацерватных капелек, но все же оно было несравненно проще нынешних живых существ. Естественный отбор, начавшийся в коацерватных капельках, продолжался и с появлением жизни. В течение долгого времени строение живых существ все более улучшалось, приспособлялось к условиям существования (Рис.7).

Рисунок 7. Нитевидная форма бактерий и колония бактерий

Вначале пищей для живых существ были только органические вещества, возникшие из первичных углеводородов. Но с течением времени количество таких веществ уменьшилось. В этих условиях первичные живые организмы выработали в себе способность строить органические вещества из элементов неорганической природы -- из углекислоты и воды. В процессе последовательного развития у них появилась способность поглощать энергию солнечного луча, разлагать за счет нее углекислоту и строить в своем теле из ее углерода и воды органические вещества. Так возникли простейшие растения -- сине-зеленые водоросли (Рис.8).

Рисунок 8. Сине-зеленые водоросли

Остатки сине-зеленых водорослей обнаруживаются в древнейших отложениях земной коры.

Другие живые существа сохранили прежний способ питания, но пищей им стали служить первичные растения. Так возникли в своем первоначальном виде животные.

На заре жизни и растения, и животные были мельчайшими одноклеточными существами, подобными живущим в наше время бактериям, сине-зеленым водорослям, амебам. Большим событием в истории последовательного развития живой природы стало возникновение многоклеточных организмов, т. е. живых существ, состоящих из многих клеток, объединенных в один организм. Постепенно, но значительно быстрее, чем раньше, живые организмы становились все сложнее и разнообразнее.

С образованием сложных ультра молекулярных систем (пробионтов) включающих нуклеиновые кислоты, белки ферменты и механизм генетического кода, появляется жизнь на Земле. Пробионты нуждались в различных химических соединениях -- нуклеотидах, аминокислотах и др. Из-за низкой степени генетической информации, пробионты обладали достаточно ограниченными возможностями. Дело в том, что они использовали для своего роста готовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, и если бы жизнь на своем раннем этапе существовала только в форме одного вида организмов, то первичный бульон был бы достаточно быстро исчерпан.

Однако благодаря тенденции к приобретению большого разнообразия свойств, и в первую очередь, к возникновению способности синтезировать органические вещества из неорганических соединений с использованием солнечного света, этого не произошло.

В начале следующего этапа образуются биологические мембраны-органеллы, ответственные за форму, структуру, активность клетки (Рис. 9).

Рисунок 9. Мембранные органеллы - эндоплазматическая сеть (ЭПС), аппарат Гольджи, митохондрии, лизосомы, пластиды

Биологические мембраны построены из агрегатов белков и липидов, способных отграничить органическое вещество от среды и служить защитной молекулярной оболочкой. Предполагается, что образование мембран могло начаться еще в процессе формирования коацерватов. Но для перехода от коацерватов к живой материи были необходимы не только мембраны, но и катализаторы химических процессов -- ферменты или энзимы. Отбор коацерватов усиливал накопление белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. Результаты отбора фиксировались в строении нуклеиновых кислот. Система успешно работающих последовательностей нуклеотидов в ДНК усовершенствовалась именно путем отбора. Возникновение самоорганизации зависело как от исходных химических предпосылок, так и от конкретных условий земной среды. Самоорганизация возникла как реакция на определенные условия. При самоорганизации отсеивалось множество различных неудачных вариантов, до тех пор, пока основные черты строения нуклеиновых кислот и белков не достигли оптимального соотношения с точки зрения естественного отбора.

Благодаря предбиологическому отбору самих систем, а не только отдельных молекул, системы приобрели способность совершенствовать свою организацию. Это был уже следующий уровень биохимической эволюции, который обеспечивал возрастание их информационных возможностей. На последнем этапе эволюции обособленных органических систем сформировался генетический код (Рис.10). После образования генетического кода эволюция развивается вариациями. Чем дальше она продвигается во времени, тем многочисленнее и сложнее вариации.

Рисунок 10. Генетический код в виде таблицы и графического рисунка

Однажды возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами показывая ускорение эволюции во времени. Так, развитие от первичных пробионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как для становления человека потребовалось около 3 млн лет.

4. ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ

В настоящее время, да, наверное, и в будущем, наука не сможет дать ответ на вопрос, как выглядел самый первый организм, появившийся на Земле, - предок, от которого берут начало три основные ветви древа жизни. Одна из ветвей - эукариоты, клетки которых имеют оформленное ядро, содержащее генетический материал, и специализированные органеллы: митохондрии, вырабатывающие энергию, вакуоли и др. К эукариотным организмам относятся водоросли, грибы, растения, животные и человек.

Вторая ветвь - это бактерии - прокариотные (доядерные) одноклеточные организмы, не имеющие выраженного ядра и органелл. И наконец, третья ветвь - одноклеточные организмы, именуемые археями, или архебактериями, клетки которых имеют такое же строение, как и у прокариот, но совсем другую химическую структуру липидов.

Таблица 1. Сравнение прокариотов и эукариотов

Всплеск эволюции, давший начало многоклеточным организмам, произошёл немногим более полумиллиарда лет назад. Хотя размеры микроорганизмов столь малы, что в одной капле воды могут поместиться миллиарды, масштабы проведённой ими работы грандиозны.

Полагают, что первоначально в земной атмосфере и Мировом океане не было свободного кислорода, и в этих условиях жили и развивались лишь анаэробные микроорганизмы. Особым шагом в эволюции живого было возникновение фотосинтезирующих бактерий, которые, используя энергию света, превращали углекислый газ в углеводные соединения, служащие пищей для других микроорганизмов. Если первые фотосинтетики выделяли метан или сероводород, то появившиеся однажды мутанты начали вырабатывать в процессе фотосинтеза кислород. По мере накопления кислорода в атмосфере и водах анаэробные бактерии, для которых он губителен, заняли бескислородные ниши.

В древних ископаемых остатках, найденных в Австралии, возраст которых исчисляется 3,46 миллиардов лет, были обнаружены структуры, которые считают остатками цианобактерий - первых фотосинтезирующих микроорганизмов. О былом господстве анаэробных микроорганизмов и цианобактерий свидетельствуют строматолиты (Рис.11), встречающиеся в мелководных прибрежных акваториях не загрязнённых солёных водоёмов.

Рисунок 11. Строматолиты. Наши далекие «предки»

По форме они напоминают большие валуны и представляют интересное сообщество микроорганизмов, живущее в известняковых или доломитовых породах, образовавшихся в результате их жизнедеятельности. На глубину нескольких сантиметров от поверхности строматолиты насыщены микроорганизмами: в самом верхнем слое обитают фотосинтезирующие цианобактерии, вырабатывающие кислород; глубже обнаруживаются бактерии, которые до определённой степени терпимы к кислороду и не нуждаются в свете; в нижнем слое присутствуют бактерии, которые могут жить только в отсутствии кислорода. Расположенные в разных слоях, эти микроорганизмы составляют систему, объединённую сложными взаимоотношениями между ними, в том числе пищевыми. За микробной плёнкой обнаруживается порода, образующаяся в результате взаимодействия остатков отмерших микроорганизмов с растворённым в воде карбонатом кальция. Учёные считают, что когда на первобытной Земле ещё не было континентов, и лишь архипелаги вулканов возвышались над поверхностью океана, мелководье изобиловало строматолитами.

В результате жизнедеятельности фотосинтезирующих цианобактерий в океане появился кислород, а примерно через 1 миллиард лет после этого он начал накапливаться в атмосфере. Сначала образовавшийся кислород взаимодействовал с растворённым в воде железом, что привело к появлению окислов железа, которые постепенно осаждались на дне. Так в течение миллионов лет с участием микроорганизмов возникли огромные залежи железной руды, из которой сегодня выплавляется сталь.

Затем, когда основное количество железа в океанах подверглось окислению и уже не могло связывать кислород, он в газообразном виде ушёл в атмосферу.

После того как фотосинтезирующиеся цианобактерии создали из углекислого газа определённый запас богатого энергией органического вещества и обогатили земную атмосферу кислородом, возникли новые бактерии - аэробы (Рис.12), которые могут существовать только в присутствии кислорода. Кислород им необходим для окисления (сжигания) органических соединений, а значительная часть получаемой энергии превращается в биологически доступную форму - аденозинтрифосфат (АТФ). Этот процесс энергетически очень выгоден: анаэробные бактерии при разложении одной молекулы кислорода получают 36 молекул АТФ.

Рисунок 12. Колонии аэробных бактерий

С появлением достаточного для аэробного образа жизни количества кислорода дебютировали и эукариотные клетки, имеющие в отличие от бактерий ядро и такие органеллы, как митохондрии, лизосомы, а у водорослей и высших растений - хлоропласты, где совершаются фотосинтетические реакции (Рис.13).

Рисунок 13. Строение клетки эукариот

По поводу возникновения и развития эукариот существует интересная и вполне обоснованная гипотеза, высказанная почти 30 лет назад американским исследователем Л. Маргулисом. Согласно этой гипотезе митохондрии, выполняющие функции фабрик энергии в эукариотной клетке, - это аэробные бактерии, а хлоропласты растительных клеток, в которых происходит фотосинтез, - цианобактерии, поглощённые, вероятно, около двух миллиардов лет назад примитивными амёбами. В результате взаимовыгодных взаимодействий поглощённые бактерии стали внутренними симбионтами и образовали с поглотившей их клеткой устойчивую систему - эукариотную клетку.

Исследования ископаемых останков организмов в породах разного геологического возраста показали, что на протяжении сотен миллионов лет после возникновения эукариотные формы жизни были представлены микроскопическими шаровидными одноклеточными организмами, такими как дрожжи, а их эволюционное развитие протекало очень медленными темпами. Но немногим более 1 миллиарда лет назад возникло множество новых видов эукариот, что обозначило резкий скачок в эволюции жизни.

Прежде всего это было связано с появлением полового размножения (Рис.14). И если бактерии и одноклеточные эукариоты размножались, производя генетически идентичные копии самих себя и не нуждаясь в половом партнёре, то половое размножение у более высокоорганизованных эукариотных организмов происходит следующим образом.

жизнь планета земля клетка

Рисунок 14. Половое размножение у одноклеточных эукариот

Две гаплоидные, имеющие одинарный набор хромосом половые клетки родителей, сливаясь, образуют зиготу, имеющую двойной набор хромосом с генами обоих партнёров, что создаёт возможности для новых генных комбинаций. Возникновение полового размножения привело к появлению новых организмов, которые и вышли на арену эволюции.