Этапы эволюции в период криптозоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Общие замечания, касающиеся криптозоя - периода «скрытой

жизни»

Современная наука придерживается абиогенного происхождения (идеи абиогенеза). Она считает, что живое может возникнуть из неживого (и когда-то именно так и случилось но Земле), но не непосредственно, а в ходе длительной эволюции. Современная наука не поддерживает идею биогенеза (живое может возникнуть только из живого) и напрямую связанную с ней гипотезу панспермии. И, разумеется, наука отвергает гипотезу первичного акта божественного творения.

Современная наука оценивает возраст Земли примерно в 5 млрд. лет. Рассматривая зарождение и развитие жизни на Земле, ученые разделяют этот промежуток времени на два периода - криптозой (он начался 4,6 млрд. лет назад и завершился 570 млн. лет назад) и фанерозой (от 570 млн. лег назад до настоящего времени).

Криптозой в переводе с греческого означает «скрытая жизнь». «Кринтос» - «скрытый», «зое» - «жизнь». (Заметь: «зоопарк» - «парк жизни»). Криптозой включает в себя период зарождения жизни на Земле (это происходило не вдруг, а в течение примерно миллиарда лет!), завершившийся появлением первичных живых организмов, и период развития жизни от первичных организмов до водорослей и животных, обладающих внешних либо внутренним скелетом (это потребовало еще три миллиарда лет). Фанерозой в переводе с греческого означает «явная жизнь». «Фанерос» - «видимый», «открытый», «явный»,

Вполне понятно, что богатство органических остатков позволяет довольно подробно проследить эволюцию жизни в фанерозое. Этого нельзя сказать о криптозое. Тем не менее у ученых сегодня есть данные, что первые живые организмы появились на Земле 3,5-3,8 млрд. лет назад.

А что же было до этого? Что происходило в течение того миллиарда лет, который связывают с зарождением жизни? На этот счет современные ученые сформировали достаточно логичное и обоснованное представление. Известный английский ученый и общественный деятель Джон Бернал (1901-1971) предложил разбить весь период зарождения жизни на три этапа. Вот эти этапы.

Начальный этап - этап химической эволюции: возникновение биологических молекул (биомономеров) из неорганического вещества. Средний этап - этап биохимической эволюции: полимеризация биомономеров, т.е. образование белковых и нуклеиновых цепочек (биополимеров) и возникновение способности биополимеров самовоспроизводиться. Завершающий этап - этап биологической эволюции: формирование биологических мембран и появление первичных живых организмов.

Рассмотрим подробнее эти три этапа. Они того заслуживают, так как показывают, каким образом на нашей планете возникло живое из неживого.

Этап химической эволюции: зарождение биомономеров

В 1922 году видный российский биохимик Александр Иванович Опарин (1894-1980) выступил со своей точкой зрения на проблему возникновения жизни на Земле. Ее можно изложить так. Жизнь на Земле не занесена из Космоса, а возникла естественным путем из неорганической материи, т.е. имеет абиогенное происхождение. Но возникла жизнь не сразу, не вдруг; самозарождения живых организмов непосредственно из неорганических веществ не происходило. А происходил длительный процесс, который начался с того, что в древних морях стали возникать и накапливаться биологические мономеры, в частности молекулы различных аминокислот. Моря постепенно превращались в своеобразный «бульон» из биологических молекул, имевших абиогенное происхождение. Молекулы синтезировались из тех неорганических веществ, которые находились в атмосфере Земли 4 млрд. лет назад, - водорода, метана, аммиака, азота.

Принципиально важно, что в атмосфере в те времена не было свободного кислорода. Это было важно в двух отношениях. Во-первых, кислород активно окислял бы (если бы он присутствовал в атмосфере) органические вещества, т.е. немедленно уничтожал бы зародыши будущей жизни. Во-вторых, кислород неизбежно привел бы к возникновению озонового слоя в атмосфере, который поглощал бы ультрафиолетовое солнечное излучение и лишал бы энергии процессы образования органических молекул. После того как возникла, жизнь не может обходиться без кислорода; но возникнуть жизнь могла только в бескислородной среде.

Независимо от Опарина аналогичные идеи высказал в 1928 году английский биохимик Джон Холдейн (1892-1964).

Идеи Опарина и Холдейна об абиогенном синтезе биомономеров из воды, водорода, метана и аммиака попробовали экспериментально проверить в 1953 году американские ученые Стэнли Миллер (род. 1930) и Гарольд Юри (1893-1981). Они создали установку, в которой в течение недели подвергали смесь водяных паров и упомянутых выше газов действию мощных электрических разрядов. Как если бы это были грозовые разряды в древней атмосфере.

По окончании эксперимента в продуктах химических реакций были обнаружены различные органические соединения: мочевина, аминокислоты (составные части белковых молекул), аденин (одно из азотистых оснований, входящих в состав молекул ДНК и РНК), рибоза (моносахарид, входящий в состав молекул РНК). Эксперимент, таким образом, подтвердил возможность возникновения органических молекул из неорганической материи.

Справедливости ради следует заметить, что эксперимент, подобный опытам Миллера - Юри, выполнил еще в 1912 году (за десять лет до гипотезы Опарина) американский биолог Жак Лёб (1859-1924). Но тогда методы обнаружения микроскопических количеств органических веществ были практически еще не разработаны. Поэтому Лёбу удалось выделить в продуктах химических реакций только одну аминокислоту - глицин. Не удивительно, что о работе Лёба вскоре забыли.

Итак, можно вполне уверенно считать, что процесс зарождения жизни на Земле начался с абиогенного синтеза биомономеров. Биологические мономерные молекулы синтезировались из воды и атмосферных газов за счет энергии солнечного излучения и грозовых разрядов.

Этап биохимической эволюции: образование

самовоспроизводящихся биополимеров

Следующим шагом на пути к возникновению первичных живых организмов стал, по-видимому, процесс образования из биомономеров полимерных молекул (цепочек). В частности, образование белковых полипептидных цепей. (Надеюсь, все эти названия: полипептидные цепи, аминокислоты, молекулы ДНК и РНК и другие, встречающиеся здесь, - тебе уже знакомы; мы познакомились с ними в книге «Микромир и Вселенная»).

Предполагается, что накопившиеся в древних водоемах аминокислоты полимеризовались под действием тепла вулканических лавовых потоков, а также под действием солнечных лучей. Возможно, полимеризация проходила преимущественно на поверхности дна водоемов в прибрежной полосе; при этом твердые породы играли роль катализатора. Во всяком случае экспериментально установлено, что раствор аминокислоты аланина в воде синтезирует цепочку полиаланина в присутствии глинозема.

Однако сами по себе полипептидные белковые цепи не обладают способностью к самовоспроизведению, так что приобретенные в результате эволюции структуры не закрепляются и не размножаются. Такой способностью обладают нуклеиновые кислоты (вспомни о репликации молекулы ДНК, подробно рассмотренной в книге «Микромир и Вселенная»). Но можно ли предположить, что эволюция смогла привести к возникновению самовоспроизводящихся молекул нуклеиновых кислот? В 1982 году такое предположение стало обоснованным. В этом году американские микробиологи Томас Чек (род. 1947) и Сидни Олтен (род. 1939) экспериментально получили молекулы РНК, обладающие способностью копировать (воспроизводить) сами себя самопроизвольно, без участия белков-ферментов.

Таким образом, можно предположить, что в ходе полимеризации биомономеров в древних морях спонтанно возникли способные к самовоспроизведению цепочки РНК, а также ДНК, которые затем стали программировать рост белковых цепочек. Так, в процессе биохимической эволюции формировались структуры, способные к самовоспроизведению и размножению.

Этап биологической эволюции: формирование первых живых

организмов - прокариот

криптозой абиогенный полимерный молекула

Итак, в результате биохимической эволюции в древних морях образовался своеобразный «бульон», содержащий биополимеры, обладающие способностью самовоспроизводиться. Именно в этом «бульоне» и происходило в свое время зарождение первичных живых организмов. Возникновение каждого отдельного организма означало, что какое-то количество биополимерных молекул как-то обособлялось от окружающей среды, выделялось из нее. Не переставая обмениваться «строительным материалом» и энергией с окружающим его «бульоном», организм в то же время был отграничен от него некоторой оболочкой. Организм оказывался внутри такой оболочки, а весь остальной мир был вне ее. Оболочка эта есть биологическая мембрана.

Таким образом, чтобы зародился живой организм, должна была сформироваться обнимающая его биологическая мембрана. Ее назначение: сохранять случайно возникшую структуру полимерных молекул (белков и нуклеиновых кислот) и обеспечивать обмен веществом и энергией между этой структурой и окружающей ее средой.

Ученые предлагают следующий сценарий формирования биологических мембран в процессе зарождения жизни. Этот сценарий вполне правдоподобен, хотя и не единственно возможен. На поверхности древних водоемов, наполненных биополимерным «бульоном», могли возникать липидные пленки (пленки, образованные молекулами липидов). Находящиеся в глубине водоема белковые молекулы притягивались к липидной пленке под действием сил электрического притяжения. Таким образом возникала еще одна пленка - белковая. При порывах ветра двойная пленка (липидно-белковая пленка) могла сильно изгибаться, от нее могли отрываться пузырьки. Падая затем вниз, такой пузырек заставлял прогибаться под собой двойную пленку на поверхности водоема. В результате внутри водоема возникал объем, отграниченный четырьмя пленками (двумя белковыми и двумя липидными). Эта четырехслойная оболочка как раз и представляла собой биологическую мембрану и вместе с заключенной внутри нее структурой из биополимеров образовывала первичный живой организм - первичную живую клетку.

Надо подчеркнуть, что первичные живые клетки весьма сильно отличались от живых клеток растений, животных, грибов, возникших много позднее. Внутри клеток растений, животных, грибов имеются окруженное собственной мембраной ядро, митохондрии, аппарат Гольджи; кроме того, клетки растений имеют хлоропласты. В первичных же клетках ничего этого не было. Одноклеточные организмы, внутри которых нет ни ядра, ни митохондрий, ни аппарата Гольджи, ни хлоропластов, биологи называют прокариотическими клетками или прокариотическими организмами, а проще - прокариотами. Прокариотические организмы в переводе с греческого означают буквально «доядерные организмы» (т.е. организмы, возникшие до того, как сформировалось внутриклеточное ядро). По-гречески «про» означает «до», а «карион» - «ядро». Ввиду отсутствия ядра как такового ДНК у прокариот просто располагалась где-то в центре клетки в виде свернутой в кольца хромосомной нити.

Итак, жизнь на Земле зародилась в виде простейших одноклеточных организмов - в виде прокариот. И произошло это, как уже отмечалось, 3,5-3,8 млрд. лет назад. А потом началась эволюция живых организмов. В течение примерно двух миллиардов лет прокариоты эволюционировали, и вот 1,5-1,7 млрд. лет назад появились сначала одноклеточные, а позднее (еще через 500-700 млн. лет) многоклеточные организмы, у которых в клетках имелось ядро, а также прочие органеллы клетки (митохондрии, аппарат Гольджи, хлоропласты). Такие организмы биологи называют эукариотическими (эукариотами), т.е. «истинно ядерными организмами» («эу» по-гречески означает «настоящий», «истинный»). Возникли три разных типа эукариот, из которых развились соответственно три царства живых организмов - растения, животные, грибы.

Эукариоты возникли в ходе эволюции из прокариот. Однако не думай, что прокариоты со временем исчезли. Они прекрасно существуют и по сей день и при этом играют исключительно важную роль в биосфере. Они образуют царство бактерий (или, иными словами, микробов). За три с половиной миллиарда лет возникло великое множество видов бактерий, но внутриклеточное ядро у них так и не сформировалось. На то они и прокариоты, простейшие одноклеточные организмы.

Самые первые прокариоты - анаэробные гетеротрофы

Напомню, что в книге «Микромир и Вселенная» был разговор о двух принципиально разных видах питания организмов, т.е. двух способах приобретения организмами вещества и энергии. Речь идет об автотрофном и гетеротрофном способах питания. К организмам-автотрофам относятся практически все растения, а также некоторые бактерии. К организмам-гетеротрофам относятся все грибы и все животные (включая, разумеется, человека), а также подавляющее большинство бактерий.

Организмы-автотрофы забирают из окружающей среды только неорганические вещества (например, углекислый газ и воду), и уже сами синтезируют из этих веществ органические соединения. Они синтезируют глюкозу, из которой затем строятся цепи полисахаридов - крахмала, гликогена, целлюлозы. Организмы-автотрофы забирают световую энергию и, используя ее, синтезируют органические соединения; иначе говоря, они превращают световую энергию в химическую, «упаковывая» ее в химических связях синтезируемых ими соединений. Таково автотрофное питание. Его называют фотосинтезом.

Переходя к организмам-гетеротрофам, сразу заметим, что они тоже потребляют неорганические вещества (воду, минеральные соли и др.) и тоже синтезируют сложные органические соединения. Однако, в отличие от организмов-автотрофов, гетеротрофы не синтезируют органических соединений из неорганических веществ, а обязательно используют органические соединения, синтезированные другими организмами (автотрофами или другими гетеротрофами). Автотрофы используют для своей жизнедеятельности световую энергию, а гетеротрофы - химическую энергию, «накопленную» в органических соединениях других организмов. Прежде чем синтезировать собственные белки (углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты), гетеротрофы расщепляют (окисляют) органические соединения, синтезированные ранее другими организмами. Именно за счет освобождающейся при этом энергии они и осуществляют свой собственный синтез. Таким образом, если автотрофы превращают световую энергию в энергию химических связей, то гетеротрофы превращают энергию одних химических связей в энергию других химических связей.

После сделанных замечаний обратимся к интересующим нас сейчас объектам - самым древним прокариотам. В прокариотических клетках не было хлоропластов (кстати, их нет в прокариотических клетках и сейчас); поэтому автотрофное питание для прокариот исключено. С другой стороны, казалось бы, невозможно у самых первых прокариот гетеротрофное питание - ведь эти прокариоты были самыми первыми организмами. Но эта проблема оказалась разрешимой: самые первые прокариоты питались не живыми организмами, а теми органическими соединениями, которые содержались в «бульоне». Том самом «бульоне», из которого как раз и зародились самые первые прокариоты. Они превращали химическую энергию органических соединений в энергию собственных химических связей и, следовательно, функционировали как гетеротрофы.

Итак, самые первые прокариоты (самые первые на Земле живые организмы) были гетеротрофами. Они питались накопившимися в древних водоемах органическими соединениями, расщепляя их и затем синтезируя из продуктов расщепления свои собственные структуры. Существенно, что процесс расщепления органической пищи происходил в отсутствие кислорода (коль скоро свободного кислорода в атмосфере тогда не было). Такой процесс можно назвать процессом анаэробного (то есть бескислородного) расщепления; этот процесс называют также гликолизом.

Надо заметить, что гетеротрофное питание животных и грибов предполагает расщепление органических соединений при участии свободного кислорода. Типичная химическая реакция тебе хорошо известна:

С_вН₁₂О₆ + 60₂ = 6СО, + 6Н₂О.

Поэтому животные и грибы должны рассматриваться как аэробные (кислородные) гетеротрофы. В отличие от них первичные прокариоты являлись анаэробными гетеротрофами.

Заметим, что эволюция жизни на Земле не привела к исчезновению анаэробных гетеротрофов. Они сохранились в виде бактерий, которые играют исключительно важную роль в природе, поскольку превращают органику в неорганику в результате процессов брожения и гниения. Им помогают в этой работе грибы. Если бы на Земле не было грибов и анаэробных бактерий-гетеротрофов, то куда бы девались останки животных и прекратившие жизнедеятельность растения?

Возникновение фотосинтеза на Земле

Конечно, современные анаэробные гетеротрофы находятся в иных условиях по сравнению с их очень далекими предками - первичными прокариотами. В те времена, когда еще не появились организмы-автотрофы, запасы органической пищи были ограничены теми соединениями, которые сумели саморазвиться из неорганической среды. А эти запасы с течением времени постепенно истощались. Можно сказать, что питательный «бульон» абиогенного происхождения со временем становился все более и более «разбавленным».

Возникновение бескислородного фотосинтеза

К счастью, развитие жизни не зашло в тупик. Эволюция нашла выход: примерно через полмиллиарда лет после возникновения первых организмов появились бактерии, способные превращать с помощью солнечного света неорганические вещества в органические, т.е. появились первичные автотрофы (бактерии-фотосинтетики). Это означало, что на Земле возник фотосинтез.

Сначала зародились бактерии-фотосинтетики, которые не выделяли кислорода в атмосферу. Такой фотосинтез ученые называют аноксигенным (то есть бескислородным). Одними из первых бактерий-фотосинтетиков были зеленые серобактерии, потреблявшие сероводород и углекислый газ. Благодаря извержениям многочисленных вулканов эти соединения имелись в те времена в атмосфере в значительных количествах.

Рассмотрим, как происходил фотосинтез у зеленых серобактерий. Как и обычный фотосинтез (с выделением кислорода), он имел две стадии (две фазы) - световую, которая протекала с помощью солнечного света, и темповую, которая не нуждалась в свете. В световой фазе бактерии поглощали сероводород (Н₂S) и расщепляли его молекулы на атомы, используя энергию света. В темновой фазе бактерии поглощали углекислый газ (СО₂) и вырабатывали глюкозу (С_вН₁₂О₆) и воду (Н₂О). При этом некоторые продукты, появившиеся в световой фазе, поглощались в темновой фазе.

Для простоты мы не будем на них останавливаться и поэтому не станем рассматривать по отдельности химические реакции, протекавшие в световой фазе и в темновой фазе, а приведем реакцию, выражающую суммарный результат. Здесь в левой части равенства молекулы, поглощенные бактерией из окружающей среды, а в правой части - молекулы, выделенные бактерией в окружающую среду:

Как ни старались вулканы, однако рано или поздно запасы сероводорода на Земле должны были истощиться. Понятно, что зеленые серобактерии не могли по-настоящему решить проблему фотосинтеза. Назревал новый кризис в развитии жизни.

Возникновение кислородного фотосинтеза

Выход из этого кризиса стал возможным благодаря появлению примерно 2,3 млрд. лет назад сине-зеленых водорослей. Название «водоросли» не должно вводить тебя в заблуждение, так как фактически это были не растения, а бактерии (биологи называют их цианобактериями). Просто под микроскопом колонии этих бактерий, соединившиеся в цепочки, выглядят как нити водорослей:

Их можно и сегодня наблюдать в водоемах, когда они концентрируются там в больших количествах, окрашивая воду в сине-зеленый (или коричневый) цвет и придавая ей неприятный болотный запах и вкус. В этом случае говорят, что вода «зацвела». В отличие от зеленых серобактерий, сине-зеленые водоросли умеют расщеплять на атомы молекулы воды (что, кстати, значительно труднее, чем расщеплять молекулы сероводорода). При фотосинтезе сине-зеленых водорослей в атмосферу выделяется кислород. Поэтому такой фотосинтез ученые называют оксигенным (то есть кислородным). Все зеленые растения участвуют именно в оксигенном фотосинтезе. Когда говорят о фотосинтезе зеленых растений, то имеют в виду оксигенный фотосинтез, и поэтому слово «оксигенный», как правило, не произносят. Суммируя реагенты, действующие в световой и темновой фазах оксигенного фотосинтеза, получаем следующее уравнение (оно работает при фотосинтезе не только сине-зеленых водорослей, но и вообще всех зеленых растений):

Обратите внимание: весь свободный кислород получается в результате расщепления молекул воды. Из двенадцати молекул Н₂О получаются шесть молекул О₂ (а также двадцать четыре атома водорода, половина из которых пойдет на синтез молекулы глюкозы). Расщепление молекул воды происходит в световой фазе за счет световой энергии солнечного излучения. Обрати также внимание на то, что при оксигенном фотосинтезе вода не только поглощается, но и рождается. Рождающаяся при фотосинтезе вода (она выделяется в темновой фазе) содержит кислород из углекислого газа, поглощенного в темновой фазе, и никакого отношения не имеет к поглощенной в световой фазе воде. Это мы должны иметь в виду, когда формально сокращаем в левой и правой частях уравнения 6Н₂0 и представляем реакцию оксигенного фотосинтеза в виде:

6Н₂О + 6СО₂ = 6О₂ + С_гН₂О

Итак, 2,3 млрд. лет назад эволюция прокариот в древних морях привела к зарождению сине-зеленых водорослей, что имело два далеко идущих последствия. Во-первых, раз и навсегда была решена проблема синтеза органических соединений. Не надо больше ждать, когда эти соединения самопроизвольно возникнут в неорганической среде. Теперь организмы-автотрофы будут превращать неорганические вещества в органические.

Во-вторых, в земной атмосфере стал постепенно накапливаться свободных кислород. Земная атмосфера перестала быть бескислородной.

Появление и накопление свободного кислорода в атмосфере представляло серьезную угрозу для жизни - синтезируемые органические соединения окислялись кислородом. По оценкам ученых, примерно 2 м. трх. лет назад новое самозарождение жизни на Земле стало по этой причине невозможным. Вот теперь-то действительно начал работать принцип Реттл «все живое - только из живого». Отныне появление новых живых организмов могло быть связано исключительно с эволюцией уже существующих организмов.

С появлением в атмосфере свободного кислорода стало невозможным самозарождение жизни, но зато появилась возможность уберечь родившуюся жизнь от губительного воздействия ультрафиолетового излияния Солнца. Я имею в виду формирование в атмосфере озонового слоя. Под защитой этого слоя жизнь могла уже не укрываться в глубине морских вод, а постепенно выходить на сушу. Со временем так и произойдет. Правда, до массового выхода живых организмов на сушу должно было пройти еще более полутора миллиардов лет. А пока организмам надо было научиться дышать кислородом.

Размещено на Allbest.ru