Начальные этапы развития жизни на Земле
Естественные науки призваны помочь человечеству познать как самих себя, так и окружающий мир и, конечно же, выяснить каким образом на нашей планете возникла жизнь во всех её формах и проявлениях. Не вдаваясь в религиозные догмы о сотворении мира высшей духовной силой – Богом, мы изучим гипотезы происхождения живой материи, которыми оперирует биология. Основные этапы развития жизни на Земле помогут нам раскрыть проблему её происхождения и проявления в окружающем мире.
Представление ученых о процессе эволюции живой природы
Если собрать воедино все биологические виды организмов, как современных, так и давно вымерших, получится астрономическое число – до одного миллиарда видов. Неудивительно, что ученые, жившие в разное время, стремились выделить основные этапы развития жизни на Земле, приведшие к возникновению этих видов живых организмов, а также к формированию современной картины природы. Основатель систематики Карл Линней еще в 18 веке в основу этой науки положил принцип «живое от живого», в котором утверждал, что жизнь может возникнуть только от уже существующей живой субстанции. Линней не допускал даже намека на так называемое самозарождение организмов. Немецкий биолог Э. Геккель первым высказал идею о монофилии – происхождении всех живых организмов от одного предка. Жан-Батист Ламарк также отстаивал представление об одноклеточной предковой форме, возникновение которой произошло в ранние этапы развития жизни на Земле. Подводя итог всему выше сказанному, можно утверждать, что существующие в науке гипотезы о происхождении жизни классифицируются на две группы. Первая – абиогенная, она включает представления об образовании живой материи из неживой природы (А. Опарин, Д. Холдейн, С. Миллер). Другая – биогенная, содержит идеи о появлении живых существ только от себе подобных (Р. Вирхов, К. Линней, Ч. Дарвин).
Имели ли первичные организмы общую предковую форму
Первые этапы развития жизни на Земле, а именно абиогенный (химический), затем период появления биополимеров (белков и нуклеиновых кислот), названный предбиологическим и, наконец, этап биологической эволюции (формирование первичных одноклеточных организмов). Они были объединены и названы биопоэзом. Некоторые исследователи (например, Д. Бернал, С. Миллер) предложили идею о прогеноте – прародителе, от которого произошли архебактерии, эубактерии, ядерные клетки. Другие же исследователи считают, что эукариоты возникли не от прогенота, а явились результатом симбиоза, или же образовались вследствие изменений наружной мембраны протобионта. Рассмотрим эти гипотезы более детально.
Гипотеза Опарина – Холдейна
Среди множества научных версий, пытающихся объяснить явление, известное в науке как предбиологический этап развития жизни Земле, большой популярностью пользуется гипотеза коацерватных капель. Она сформулирована российским ученым А. И. Опариным. Похожие идеи были высказаны и британским исследователем Д. Холдейном. Идеи ученых перекликались с давно известной в биологии гипотезой о самозарождении жизни.
Суть гипотезы коацерватов
Академик А. Опарин предположил, что группы молекул органических соединений, появившиеся в результате процессов химического этапа, смогли создать достаточно плотную оболочку. Тем самым они отделялись от первичного бульона – водной среды древнего океана. Эти группы молекул ученый назвал коацерватами. Они уже были способны к самостоятельному существованию, продолжая осуществлять обмен с первичным раствором. К очень важным, по мнению Опарина, свойствам коацерватов относилась их способность к росту и дроблению (размножению). Д. Холдейн, опирался на опыты Миллера-Юри, в которых был экспериментально получен комплекс органических веществ из смеси метана, аммиака, водорода и углекислого газа. В него входили молекулы аминокислот и простых сахаров. Это привело к возможности появления обособленных структур – пробионтов.
По мнению Опарина и Холдейна, начальные этапы развития жизни на Земле, приведшие к образованию первичных комплексов – предшественников клеток, обеспечили основу для дальнейшего процесса эволюции живой материи. Нужно отметить, что для проведения экспериментов ученые удачно смоделировали возможные условия, которые могли быть в атмосфере и в первичном мировом океане, а именно: высокая температура и давление, ионизирующее облучение и электрические разряды.
Пробионты и их свойства
Наиболее ранние этапы развития жизни на Земле – катархей, а затем и архей, ознаменовались переходом от самоорганизующихся коацерватов (пробионтов) к первичным живым клеткам. Он стал возможным благодаря уникальным свойствам пробионтов: способности к образованию изолированных мембран, возможностью к простейшим формам размножения, элементарным процессам обмена с внешней средой. Самоорганизованные молекулы нуклеопротеидов, возникшие в результате химического этапа, обеспечили у пробионтов проявление важнейшего свойства живой материи – способности к передаче наследственной информации.
Характеристика первых живых организмов
Достаточно давно (приблизительно 3,5 миллиарда лет назад) образовались осадочные породы, в которых были обнаружены следы органической жизни. Они имели вид известковых оболочек цианобактерий и остатков муреиновых стенок бактериальных клеток. Геохимические условия литосферы в архейскую эру постоянно менялись, поэтому первичные экосистемы прокариот могли адаптироваться к ним путем накопления многих фенотипических вариантов. Фотосинтез, осуществляемый сине-зелеными водорослями (цианобактериями), обеспечил кардинальное изменение газового состава первичной атмосферы Земли, позволившее дальнейший выход живых существ из водной среды обитания на сушу. Деятельность первых прокариотических организмов, а ними являлись в основном серо- и железобактерии, привела к образованию не только осадочных пород, но также нефти и природного газа.
Почему стало возможным появление эукариотических клеток
Как мы уже упоминали ранее, фотосинтетическая активность зеленых и пурпурных серобактерий, а также железобактерий способствовала формированию экранирующего озонового слоя и появлению аэробных эукариотических клеток. Иными словами, первые 3 этапа развития жизни Земле привели к образованию биоценозов, содержащих одноклеточные и многоклеточные эукариотических организмы. Большинство ученых склонны считать, что их возникновение произошло около 600 миллионов лет тому назад. Вначале ядерные организмы были представлены одноклеточными жгутиковыми формами. В результате дивергенции от них произошли первые растения – водоросли, а также простейшие и грибы. Интересным представляется суждение некоторых исследователей о том, что прокариоты являются тупиковой ветвью эволюции, так как они практически не изменились в первые этапы развития жизни на Земле. Биология выдвигает две причины, объясняющее отсутствие эволюционного развития безъядерных организмов.
К первой из них относится неспособность прокариотических клеток к повышению организации и к дифференциации. Вторая причина – жесткий ригидный наследственный материал прокариот, представленный единственной кольцевой молекулой ДНК, называемой плазмидой.
Симбиоз, приведший к революционным изменениям в природе
Появления ядерных клеток в научных кругах принято объяснять с позиции симбиогенеза – теории, предложенной А. Шимпером. Так формирование клеточного ядра, наличие которого служит главным признаком эукариотов, а также образование хлоропластов и митохондрий стало возможным в результате трансформации некоторых аэробных бактерий. Проникнув в первичную клетку с наследственным веществом, обособленным мембраной, бактерии синхронизировали свой обмен веществ с клеткой хозяина. В итоге они потеряли способность к самостоятельному существованию вне клетки и стали её обязательными органеллами. Заслуживающей внимания является и гипотеза, объясняющая появление хлоропластов. Ведь нельзя забывать, что именно возникновение этих органоидов обеспечило феномен автотрофного питания и процесса фотосинтеза. Вслед за А. Шимпером, такие известные российские ученые, как К. С. Мережковский, Б. М. Козо-Полянский и другие обратили внимание на группу фотосинтезирующих бактерий, способных к симбиозу с гетеротрофными клетками. Попав в цитоплазму, они, по-видимому, ассимилировались с клеточным метаболизмом и стали функционировать в качестве органоидов, в последствии названных хлоропластами. Сами же гетеротрофные клетки видоизменились в одноклеточные зеленые водоросли, став первыми автотрофными эукариотами.
Биогеоценозы вендского периода
Итак, сосуществование сразу нескольких видов безъядерных организмов – бактерий - могло привести к формированию новой живой системы – эукариотической клетки. Продолжая изучать первые этапы развития жизни на Земле, остановимся на вендском периоде протерозойской эры, которая пришла на смену архею. В водной среде – основной колыбели жизни на планете, сформировались первые биогеоценозы. Продуцентами в них являлись фотосинтезирующие бактерии, а также одноклеточные и колониальные зеленые водоросли.
Они выделяли кислород, синтезировали органические вещества, которыми пользовались гетеротрофные организмы: одноклеточные простейшие, а также многоклеточные формы: кишечнополостные и трилобиты. Вендским периодом заканчиваются первые этапы развития жизни на Земле. Эрам и периодам, следующими за ним, предстояло осуществить дальнейшие процессы эволюции живой природы, в основе которых лежала наследственная изменчивость и естественный отбор.