Теории зарождения жизни на Земле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теории зарождения жизни на Земле

Появление аэробных бактерий

После того как появились синезеленые водоросли, настал черед возникновения прокариот, способных поглощать кислород. И такие прокариоты действительно возникли. Это были аэробные бактерии.

Возможно, первыми появились 2 млрд. лет назад аэробные бактерии, поглощающие, наряду с кислородом, серу, которую в больших количествах извергали вулканы. Имеются в виду так называемые бесцветные серобактерии. Именно они, по-видимому, оказались самыми первыми организмами, «вдохнувшими» кислород. Поглощая воду, кислород из атмосферы ж серу из продуктов вулканических извержений, бесцветные серобактерии синтезировали серную кислоту (Н₂80₄) и при этом превращали световую энергию солнечного излучения в энергию химических связей в молекулах серной кислоты. Эти бактерии оказались неплохими накопителями энергии, этакими энергетическими прокариотами. Происходящие химические превращения можно представить таким образом:

К аэробным бактериям-энергостанциям относятся также разные виды нитрифицирующих бактерий. Одни из них добывают энергию, окисляя аммиак. При этом получается азотистая кислота (НгТО₂):

Другие добывают энергию, окисляя азотистую кислоту; при этом получается азотная кислота (НЖ)₃):

Формирование одноклеточных эукариот - далеких предков животных, грибов, растений

Соберем все, что мы с тобой узнали об эволюции первых живых организмов. Итак, она началась более 3,5 млрд. лет назад с появления первичных одноклеточных прокариот, которые являлись анаэробными гетеротрофами. Эволюция этих прокариот привела к появлению примерно 3 млрд. лет назад новых видов прокариот - бактерий, способных к фотосинтезу, т.е. способных превращать неорганическое вещество в органическое. Это был аноксигенный фотосинтез - он происходил без образования свободного кислорода. Прошло еще несколько сотен миллионов лет, и вот примерно 2,3 млрд. лет назад продолжающаяся эволюция прокариот создала синезеленые водоросли - бактерии, способные к фотосинтезу с образованием свободного кислорода. Миновали еще сотни миллионов лет - и появились прокариоты, «вдохнувшие» кислород, который к тому времени стал накапливаться в земной атмосфере. Это были аэробные бактерии.

Таким образом, в результате эволюции прокариот на Земле образовалось несколько весьма разных типов одноклеточных организмов. Наряду с первичными прокариотами (анаэробными гетеротрофами) существовали бактерии-фотосинтетики (в том числе синезеленые водоросли) и аэробные бактерии. И тут эволюция прокариот сделала два весьма любопытных хода!

Первый ход заключался в том, что первичные прокариоты и аэробные бактерии вступили в симбиоз. Так на ученом языке называется взаимополезное сожительство. Аэробные бактерии внедрились внутрь первичных прокариот и прекрасно там устроились, сохраняя при этом некоторую автономию (они не расстались с собственной мембраной и молекулами ДНК). Аэробные бактерии нашли, что жизнь внутри другой клетки имеет свои преимущества с точки зрения обеспечения питанием. Первичные прокариоты тоже оказались в немалом выигрыше - они заполучили «домашнюю энергостанцию», что помогало им обеспечивать себя энергией. Со временем аэробные бактерии внутри клетки превратились в клеточные органеллы, называемые митохондриями. О митохондриях мы с тобой немало говорили в книге «Микромир и Вселенная».

Конечно, симбиоз двух столь разных прокариот, которые ранее существовали самостоятельно, породил ряд проблем. Во-первых, надо было как-то позаботиться о едином управлении всей клеткой; в результате начало формироваться внутриклеточное ядро. Во-вторых, пришлось отказаться от простого деления клетки (как это делали и до сих пор делают все прокариоты); началось формирование более сложного процесса размножения клеток - митоза.

Понятно, что клетки, возникшие в результате симбиоза первичных прокариот и аэробных бактерий, заполучившие ядро и процесс митоза, уже не являлись прокариотами. Это были уже эукариоты.

Так эволюция прокариот привела к возникновению одноклеточных эукариот-гетеротрофов. Это были далекие предки животных и грибов.

Далее эволюция сделала второй замечательный ход. Некоторые эука-риоты-гетеротрофы вступили в симбиоз с синезелеными водорослями. Точнее говоря, синезеленые водоросли внедрились внутрь эукариот-гете-ротрофов и со временем превратились в хлоропласты (о них также немало говорилось в книге «Микромир и Вселенная»). В результате эукарио-ты-гетеротрофы перешли на автотрофный тип питания. Так возникли одноклеточные эукариоты-автотрофы - далекие предки растений.

По оценкам ученых, первые одноклеточные эукариоты сформировались 1,5-1,7 млрд. лет назад. Сначала появились эукариоты-гетеротрофы, а позднее - эукариоты-автотрофы.

Схема возникновения одноклеточных эукариот на основе симбиоза прокариот разного типа (см. рисунок на с. 252) наглядно иллюстрирует этот рассказ. Обрати внимание на то, что сначала от первичных прокариот «отпочковались» бактерии-фотосинтетики и аэробные бактерии, а затем произошел симбиоз прокариот разного типа.

Простейшие

Одноклеточные эукариоты в ходе дальнейшей эволюции превратились в многоклеточные эукариоты. Но так произошло не со всеми эукариотами. Многие так и остались одноклеточными организмами. Виды этих организмов со временем множились, так что в наше время на Земле существует великое множество разнообразных одноклеточных эукариот - свыше 50 тысяч видов. Биологи объединяют их под названием простейшие. Заметь: простейшие - это отнюдь не бактерии. Бактерии являются одноклеточными прокариотами (впрочем, многоклеточных прокариот не бывает); у них нет ядра, а также других органелл клетки, таких, как митохондрия, хлоропласт, аппарат Гольджи. Простейшие же имеют ядро и прочие органеллы; они - эукариоты. Правда, эукариоты одноклеточные.

Большинство простейших следует отнести к царству животных, но существуют также простейшие из царства грибов и царства растений. Среди одноклеточных грибов есть хорошо всем известные дрожжевые грибки, или попросту дрожжи. В царстве растений, как известно, особое место занимают водоросли. Существует очень много разных видов водорослей (более 30 тысяч); большинство из них многоклеточные, но немало и одноклеточных. Из одноклеточных водорослей достаточно широко известны хлорелла и эвглена. Впрочем, эвглену называть растением не вполне правильно. На свету она питается как растение (посредством фотосинтеза), но в темноте может утратить хлорофилл (а вместе с ним и зеленую окраску) и перейти к животному способу питания - улавливать и пожирать другие организмы.

Возьми в руки кусочек обычного мела. Знаешь ли ты, что на 50-70% он состоит из известковых скелетов одноклеточных водорослей, имеющих весьма звучное название - кокколитофориды? Из этих скелетов сложены мощные пласты известняков на дне океанов и на материках.

Как уже отмечалось, большинство простейших надо отнести к животным. Не правда ли, смешно звучит - «одноклеточное животное»? Ты, конечно, слышал об амебах. Эти одноклеточные животные не имеют постоянной формы и перемещаются, как бы «перетекая» с одного места на другое. Они питаются бактериями и одноклеточными водорослями, обволакивая их и затем как бы заглатывая. Существуют безобидные амебы, живущие внутри кишечника высших животных, в том числе человека. Они питаются перевариваемой в кишечнике пищей и кишечными бактериями. Но есть также весьма опасные амебы, способные переваривать стенки кишечника, вызывая кровавый понос. Это так называемые дизентерийные амебы. В прудах и болотах живут ближайшие родственники амеб - раковинные амебы. Они отличаются тем, что подобно улиткам прячут свое тело в крошечных раковинках. Раковинами обладают также родственники амеб, обитающие не в пресных водах, а в соленой морской воде, - фора-миниферы и радиолярии. Особенно удивительны раковины радиолярий (см. рисунок на с. 255). Глядя на них, трудно представить себе, что перед тобой часть живого существа, а не тончайшие ювелирные изделия. Иглы скелета радиолярий (иглы раковин) служат для того, чтобы эти удивительные одноклеточные животные могли легко «парить» в толще морской воды, всплывая или, напротив, уходя в глубину. Свою добычу радиолярии ловят многочисленными тонкими нитями (ложноножками), расходящимися от центра их тела во все стороны.

Многие простейшие передвигаются в воде с помощью одного или нескольких жгутиков - тонких нитей, похожих на волоски. Биологи относят их к классу жгутиконосцев. Различают жгутиконосцев растительных и животных. К растительным относится, например, упоминавшаяся выше эвглена (если она живет не в темноте, а на свету).

Особо отметим одноклеточных животных, относящихся к классу инфузорий. Эти простейшие имеют определенную форму тела и покрыты многочисленными тонкими ресничками (у каждой инфузории их более 10 тысяч). Реснички можно рассматривать как укороченные жгутики. Дружно взмахивая до 30 раз в секунду, реснички, словно весла множества

гребцов, движут инфузорию вперед. Этот «скоростной» способ передвижения не сравнить с неспешным «перетеканием» амебы. За секунду инфузория может проплыть до 20 длин своего тела. Достаточно широко известны инфузории туфелька и трубач. На с. 256 книги ты можешь полюбоваться различными инфузориями. Вверху в центре показана инфузория туфелька, а в верхнем правом углу - инфузория трубач.

Эволюция многоклеточных эукариот в криптозое

Можно предположить, что первые многоклеточные эукариоты появились лишь спустя 500-700 млн. лет после возникновения одноклеточных эукариот, т.е. приблизительно 1 млрд. лет назад. А до того происходил процесс постепенного совершенствования эукариотной клетки: приживались к новой «обстановке» аэробные бактерии и синезеленые водоросли, превращаясь, соответственно, в митохондрии и хлоропласты, формировались ядро и аппарат Гольджи, отрабатывался механизм митоза и т.д.

Без сомнения, все многоклеточные эукариоты возникли в ходе эволюции из одноклеточных эукариот. Стимулом к переходу от одноклеточных к многоклеточным был естественный отбор, так как многоклеточностъ дает много преимуществ живому организму. Прежде всего она делает возможной специализацию клеток внутри организма, появление различных органов, которые выполняют те или иные функции. Так, у животных возникают органы чувств и органы, обеспечивающие активное передвижение и добывание пищи. У растений возникают специализированные органы прикрепления и питания.

Современные представления о возникновении многоклеточных организмов основываются на теории, предложенной в 1886 году российским биологом Ильей Ильичом Мечниковым (1845-1916). Согласно этой теории многоклеточные произошли от колоний простейших организмов класса жгутиконосцев. В этих колониях в ходе эволюции формировались специализированные клетки. Так, наружные клетки выполняли с помощью жгутиков функцию движения, а также реагировали на внешние раздражения и обеспечивали защиту колонии от внешних воздействий. Из таких клеток развилась впоследствии покровная ткань (эктодерма). Возникли клетки, захватывающие пищу и перемещающиеся вместе с ней внутрь колонии. Из них впоследствии образовалась ткань, выполняющая пищеварительную функцию (энтодерма). Часть клеток специализировалась на выполнении функции размножения. Они стали половыми клетками. Так колония превращалась в примитивный, но целостный многоклеточный организм.

Примером подобной колонии является поныне существующая водоросль вольвокс, имеющая форму шара диаметром до 3 мм, на периферии которого в один слой расположено от 200 до 50 000 клеток, соединенных между собой нитями протоплазмы. Каждая клетка имеет две жгутика и похожа на широко известное одноклеточное растение - хламидомонаду. Вольвокс наблюдал в свой микроскоп еще Антони ван Ле вевенгук (1632-1723). Голландский натуралист пришел в восторг от того. как кружились и перемещались в воде эти зеленые шарики. Он сравнивал их движение с вращением Вселенной, состоящей из множества звезд. Отдельные клетки вольвокса (половые клетки) делятся и оставляют потомство. В колонии таких клеток всего с десяток.

Эволюция многоклеточных эукариот в криптозое происходила исключительно в водоемах. Сведения, которыми сегодня располагает наука с развитии жизни в докембрийских морях, весьма скудны. Вполне очевидно, что пути эволюционных превращений первых многоклеточных были различны. Некоторые перешли к сидячему образу жизни и превратились в организмы типа губок. Другие стали ползать, перемещаться по дну : помощью ресничек. От них произошли плоские черви. Третьи сохранили плавающий образ жизни, приобрели рот и дали начало кишечнополостным. Никаких скелетов - ни внутренних, ни внешних - у организмов. обитавших в докембрийских морях, не было. Скелеты появятся позднее -в кембрии, т.е. в начале фанерозоя. Поэтому не думай, что красавцы радиолярии существовали во времена криптозоя; они появились много позднее, в ходе эволюции простейших.

Приведем приблизительную хронологическую схему (см. с. 259), демонстрирующую последовательные этапы длительной эволюции жизни на Земле - от абиогенных биомономеров до первых многоклеточных эукариот. Эта эволюция заняла четыре миллиарда лет!

Эры и периоды фанерозоя: обший взгляд

бактерия эукариот многоклеточный эволюция жизнь

Период «явной жизни» (фанерозой) начался 570 млн. лет н.2-зад. Ученые разбили его на эры, выделив в каждой эре несколько периодов. Схему такого деления (так называемую геохронологическую шкалу) мы приводили уже в самом начале данной книги (во Вступлении). Теперь мы ее повторим, дополнив сведениями, касающимися эволюции жизни в фанерозое (см. с. 261).

Итак, весь фанерозой разделяют на три эры. Самая древняя эра - палеозойская, или палеозой. В переводе с греческого «палеозой» означает дословно «старая жизнь» (лучше говорить «древняя жизнь»). Палеозойская эра длилась 335 млн. лет; она началась 570 млн. лет назад и закончилась 235 млн. лет назад. После палеозоя началась мезозойская эра, или мезозой. В переводе с греческого «мезозой» означает «средняя жизнь». Мезозойская эра длилась 169 млн. лет; она началась 235 млн. лет назад и закончилась 66 млн. лет назад. Наконец, после мезозоя началась кайнозойская эра, или кайнозой (дословно: «новая жизнь»). Она длится вот уже 66 млн. лет.

Эры разбивают на периоды. Всего выделяют 12 периодов -6 периодов в палеозое и по 3 периода в мезозое и кайнозое. Число в кружочках на приведенной схеме показывают, сколько миллионов лет назад начался тот или иной период. Используя их, лег;-:: подсчитать длительность каждого периода в миллионах лег.

Интересно, можешь ли ты представить себе, что же это такое - миллион лет? Что можно измерять миллионами лет? Что совершается за миллионы и десятки миллионов лет?

За такое время образуются новые виды живых организмов. Природе некуда спешить. Она тратит миллионы лет, чтобы какие-то рыбы научились жить на суше, превратившись в амфибии. Она тратит новые миллионы и десятки миллионов лет, чтобы превратить маленьких амфибий 1 гигантских динозавров - диплодоков - длиной до 30 м. Она дает им посуществовать какую-то сотню миллионов лет, а потом в несколько миллионов лет стирает их с лица Земли. Нужны именно эти миллионы, десятка» и сотни миллионов лет, чтобы разглядеть, как совершается удивительней процесс, называемый эволюцией жизни на Земле.

Остановись на минутку. Задумайся: человек живет так мало, а мозг его успевает вместить в себя и отследить все эти миллионы и сотни миллионов лет. Разве это не удивительно? Разве не удивительно мысленное путешествие по шкале времени, где пройденный «путь» измеряется миллионами лет?

Но обратимся к геохронологической шкале, изображенной в параграфе. Как мы видим, все началось с беспозвоночных. В верхнем ордовике от них произошли рыбы. В девоне от рыб произошли амфибол

(земноводные). В карбоне от амфибий произошли рептилии (пресмыкающиеся). На границе пермского периода и триаса от рептилий произошли млекопитающие. От рептилий же в юрском периоде произошли птицы. Все позвоночные произошли, в конечном счете, от беспозвоночных.

Наверное, полезно показать, кто же скрывается под названием «беспозвоночные» (см. схему на с. 262). Без сомнения, тебе встретятся здесь многие знакомцы (подробнее о беспозвоночных смотри в п. 6.8 и п. 6.9).

Мысленно отправимся в путешествие во времени - от начала фанерозоя к нашему времени. Эру палеозоя открывает кембрий - период, начавшийся 570 млн. лет назад и длившийся около 80 млн. лет.

Кембрий - спокойное полновластное царство водорослей и беспозвоночных

При обсуждении в п. 3.5 в первой части книги геологической истории нашей планеты мы отмечали, что в конце протерозоя континенты после очередного объединения стали распадаться на части и «разбегаться» друг от друга. К началу кембрия поверхность земного шара была в большей своей части покрыта водой, и в этой воде шел длительный и непрерывный процесс видообразования. Вся жизнь была сосредоточена в морях. Суша тогда представлялась безжизненной - ни единой травинки, ни единого даже маленького животного. Безжизненной была также атмосфера.

Моря кембрия - это моря без рыб, спокойное подводное царство водорослей и микропланктона, в котором обитали малоподвижные беспозвоночные, в основном кишечнополостные и губки. Хищники пока еще не появились. Кто-то просто пропускал через себя воду вместе с плавающими в ней водорослями и микропланктоном, кто-то занимался фильтрацией ила, получавшегося при разложении тех же водорослей. Фактически это были своеобразные живые насосы. Некоторые из них, например медузы, дожили до нашего времени. То же можно сказать о губках.

В атмосфере в те времена уже появился кислород, наработанный водорослями. Используя кислород, животные кембрия постепенно увеличивались в размерах, становились более энергичными и стали обзаводиться внешними и внутренними скелетами - панцирями, раковинами, шипами, челюстями. В кембрии произошла, по выражению биологов, скелетная революция. По-видимому, мягкотелость становилась небезопасной. Живая природа как бы исподволь готовилась к бурным событиям, которые начнутся в морях ордовика и развернутся как следует в морях силура.

Подводный мир кембрия мог выглядеть таким, каким он изображен на приводимом здесь рисунке. Кроме водорослей здесь изображены представители кембрийской морской фауны: медузы (1), губки (2), трилобиты (3-5), хиолит (6), брахиоподы (7), археоциаты (8).

Безобидными властелинами морей кембрия были трилобиты - вымершие предки членистоногих (пауков и скорпионов). Они имели длину от одного до 80 см. Спинная сторона была закрыта известково-хитиновым панцирем. На брюшной стороне располагались многочисленные двуветвпстые конечности для плавания и ползания по дну; их наружные ветви выполняли функцию жабр. Питались трилобиты микропланктоном и илом.

В придонных областях морей можно было встретить колонии губок. Долгое время ученые считали губок растениями, поскольку они неподвижно сидят на дне, процеживая через себя воду с частицами пищи. Но по типу питания губки относятся не к растениям, а к животным (они гете-ротрофы). Губки обзавелись скелетом, образованным известковыми иглами.

Отметим также брахиоподов, заключенных в известковые раковины. От них позднее произошли двустворчатые моллюски. Раковиной обзавелись также вымершие впоследствии хиолиты. Их раковина длиной от одного до ста миллиметров имела своеобразную форму. Это был конус либо пирамида, открывающиеся с широкого конца. Отметим, наконец, вымерших впоследствии археоциатов, обладавших кубкообразными скелетами. Подобно губкам, эти животные вели прикрепленный образ жизни.

По ступеням палеозоя.

Беспокойный подводный мир ордовика и силура

В ордовике закончилась спокойная жизнь обитателей древних морей. Появились рыбы с внутренним скелетом. Вначале - бесчелюстные (предки миноги), а позднее - с челюстями, усаженными зубами. Возник ротовой аппарат хватательного типа. Конечно, хватать живую добычу было интереснее, чем бесконечно процеживать ил. Началась охота одних организмов на других. Спокойная жизнь на Земле закончилась навсегда.

Размещено на Allbest.ru