Теории зарождения жизни на Земле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теории зарождения жизни на Земле

анаэробный бактерия эукариот криптозой

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 серобактерпж 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 эукариоты-гетеротрофы вступили в симбиоз с синезелеными водорослями. Точнее говоря, синезеленые водоросли внедрились внутрь эукариот-гетеротрофов и со временем превратились в хлоропласты (о них также немало говорилось в книге «Микромир и Вселенная»). В результате эукариоты-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, - фораминиферы 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

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 данкой книги (во Вступлении). Теперь мы ее повторим, дополнив сведениями, касающимися эволюции жизни в фанерозое.

Итак, весь фанерозой разделяют на три эры. Самая древЕ&ж 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 назах. 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. Числ в кружочках на приведенной схеме показывают, сколько миллг: - нов 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? Чп 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 посу-ществовать 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 егч 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 полволное 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 двуветвп-стые 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.

Обратимся к силурийскому морю. Богатство силурийской морской фауны демонстрирует приводимый здесь рисунок.

Общие замечания, касающиеся криптозоя - периода «скрытой жизни»

говорят биологи, абиогенное происхождение (идея абиогенеза). Современная наука придерживается именно этой точки зрения. 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 лети 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 Бер-нал (1901-1971) предложил разбить весь период зарождения жизни но три этапа. Вот эти этапы.

Начальный этап - этап химической эволюции: возникновение биологических молекул (биомономеров) из неорганического вещества. Средне-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.

1.3. 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 (см. рисунок на с. 240),

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 алани-на 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.

1.5. Этап биологической эволюции: формирование первых живых организмов - прокариот

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 (позиция 1 на рисунке). При порывах ветра двойная пленка (липидно-белковая пленка) могла в сильно изгибаться (рисунок на с. 242, позиция 2); от нее могли отрываться пузырьки (позиция 3). Падая затем вниз, такой пузырек заставлял прогибаться под собой двойную пленку на поверхности водоема (позиция 4). В результате внутри водоема возникал объем, отграниченный четырьмя пленками (двумя белковыми и двумя липидными) - смотри позицию 5. 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 (все это обсуждалось в книге «Микромир и Вселенная»). 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 (обо всем этом будет отдельный разговор в п. 2.4).

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 милларда лет возникло великое множество видов бактерий, но внутриклеточное ядро у них так и не сформировалось. На то они и прокариоты, простейшие одноклеточные организмы.

2.1. Самые первые прокариоты - анаэробные гетеротрофы

Напомню тебе, 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 гете-ротрофами). 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 такя-се и 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_вН₁₂0₆ + 60₂ = 6СО, + 6Н₂0. 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 аноксиген-ным (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 (Н₂8) и расщепляли его молекулы на атомы, используя энергию света. В темновой фазе бактерии поглощали углекислый газ (С0₂) и вырабатывали глюкозу (С_вН₁₂0₆) и воду (Н₂0). 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 синезеленых 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, синезеленые водоросли умеют расщеплять на атомы молекулы воды (что, кстати, значительно труднее, чем расщеплять молекулы сероводорода). При фотосинтезе синезеленых 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 синезеленых водорослей, но и вообще всех зеленых растений):

Обратите внимание: весь свободный кислород получается в результате расщепления молекул воды. Из двенадцати молекул Н₂0 получаются шесть молекул 0₂ (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: 6Н «0 + 6СО, = 60. + С_гН.0». Впрочем об этом у нас с тобой уже был разговор в книге «Микромир и Вселенная».

Итак, 2,3 млрд. лет назад эволюция прокариот в древних морях привела к зарождению синезеленых 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 причин* 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. Как ты, наверное, догадываешься, 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