Теории о зарождении жизни

Какое событие положило начало биологической эволюции на Земле — один из самых сложных вопросов в естествознании, и на него еще никогда не было получено однозначного ответа. На протяжении истории человечества выдвигались разные гипотезы о появлении жизни:

• Креационизм. Все религии придерживаются теории сотворения, согласно которой все живое было создано единовременно некоей божественной сущностью — творцом, а человек — венец творенья. Большое сомнение вызывает одновременное появление всего и сразу.
• Панспермия и стационарное состояние. Взаимосвязанные теории, жизнь разносится сквозь космическое пространство по планетам некими семенами, но сама вселенная существует вечно и также вечно существует в ней жизнь. Опровергается Теорией Большого взрыва.
• Спонтанное зарождение. Основной тезис — живое зарождается из неживого. Трудно представить, но даже в VII—VIII вв. еках ученые описывали, как из закрытых в шкафу грязных рубашек и пшеницы зародилась мышь. После открытия микроорганизмов эта теория получила новый виток, ведь если сложные организмы не самозарождаются, возможно, это могут делать простые.
• Океанское дно. Защита от губительных ультрафиолетовых излучений и процветание жизни в термальных гидроисточниках (черных курильщиках) под толщей воды позволили выдвинуть такую гипотезу. Теоретически черные курильщики имеют все необходимое для изначального зарождения жизни — тепло, минеральные вещества, сероводород.
• Биогенез. Все живое происходит от живого. Но тут встает вопрос, когда и каким образом могли возникнуть живые организмы, если изначально их не существовало на планете.

Гипотезу о происхождении жизни из так называемого органического бульона выдвинул Александр Опарин в 1924 году. На сегодняшний день она является наиболее признанной. В ее пользу свидетельствуют опыты по получению белков и базовых органических молекул для построения ДНК и РНК (аминокислот) из смеси распространенных во вселенной циановодорода и сероводорода с обычными минеральными веществами и металлами. А.

Опарин полагал, что уже на самых ранних этапах развития планеты должны были появиться т. н. пробионты, представляющие собой изолированные участки среды, в которых процессам обмена легче будет происходить.

Возникновение органики

Сейчас считается, что жизнь возникла и начала эволюционировать с того момента, как органические молекулы стали организовываться в самовоспроизводящиеся структуры.

На начальных этапах развития жизни на Земле химические вещества и металлы океанской воды взаимодействовали друг с другом посредством самых разнообразных химических реакций, соединяясь во все новые и новые молекулы. Маленькие молекулы соединялись в большие и удерживались электростатическими силами, образовывая коацервантные капли — скопления липидных молекул, вокруг которых появилась водоотталкивающая оболочка. Органические вещества в коацервате собирались не случайным образом, они дополняли и «понимали» друг друга.

Коацерватные капли привели к возникновению первых «просто клеток» — протобионтов. Их еще нельзя было считать полноценными клетками, но были неким органическим прототипом. Появление протобионтов стало возможным благодаря выполнению двух условий:

• Упорядоченное скапливание молекул.
• Развитие воспроизводства себе подобных (репликации).

Протобионты, сочетающие в себе способность к репликации и обмену веществ, сохранились в процессе предбиологического отбора и эволюционировали в первые живые организмы — бактерии.

Так как полагается, что изначально кислорода в земной атмосфере не было, то прокариоты были анаэробными и гетеротрофными микроорганизмами. Бактерии-анаэробы и сейчас довольно многочисленны. Некоторые живут в кислородной среде, но не используют ее для дыхания — это молочно-кислые бактерии. Возбудители газовой гангрены, столбняка, ботулизма могут развиваться только без доступа кислорода, иначе погибают.

Появление эукариотов

Основные этапы формирования многоклеточных организмов начались гораздо позже — около 1,5 млрд лет назад. Предпосылками для этого стало появление одноклеточных, способных на фотосинтез и симбиогенез.

Бурная вулканическая деятельность и высокая температура на древней Земле позволяли синтезировать органические вещества в больших количествах. Но со временем земля остывала, количество синтезированных веществ падало, а с появлением бактерий-анаэробов, питающихся ими, могло бы полностью истощиться. В результате могло произойти окончание истории развития жизни, если бы в результате конкуренции за получение органических веществ не появились фотосинтезирующие бактерии.

Они выработали способность самим производить для себя пищу, т. е. синтезировать органику из неорганики за счет энергии солнечного света. У самых первых таких бактерий фотосинтез проходил без выделения кислорода (аноксигенный тип), а водород они брали из сероводорода. При дальнейшем эволюционировании появились цианобактерии (сине-зеленые водоросли), использующие водород из воды и выделяющие кислород.

Распространение цианобактерий позволило сформироваться озоновому слою, защищающему планету от губительных ультрафиолетовых лучей и стало предпосылкой перемещения жизни из воды на сушу. Дальнейшее эволюционное развитие привело к появлению первых бактерий-аэробов, использующих кислород для дыхания. Для жизни им требовалось гораздо меньше органических веществ, что повышало конкурентноспособность таких организмов в борьбе за выживание.

Бактериям-анаэробам пришлось приспосабливаться к новым условиям, так они не умели ни фотосинтезировать, ни дышать кислородом. В результате появились хищные амебы, захватывающие своими ложноножками другие бактерии. Не все захваченные организмы погибали, некоторые продолжали жить в цитоплазме амебы-захватчицы. Этот процесс получил отображение в симбиогенезе.

Многоклеточные организмы обязаны своим появлением именно этой стадии эволюционирования. Если кратко, симбиогенез или эндосимбиоз происходит по схеме: одна клетка проникает за мембрану другой, но ее поглощения не происходит. Она приживается внутри другой клетки и продолжает функционировать. Последовательность может повторяться — получившееся образование захватывает новые организмы, причем как одиночные, так и со своим симбионтом. Исследования И. И. Мечникова подтверждают эту гипотезу. В 1880 году, изучая пищеварение иглокожих и кишечнополостных, он пришел к выводу, что внутриклеточное пищеварение является более древним.

Возникшее в результате симбиогенеза сообщество организмов обладало всеми свойствами его составляющих:

• Способность к фотосинтезу.
• Экономное и эффективное использование органических веществ благодаря кислородному виду дыхания.
• Способность к быстрому перемещению и захвату других бактерий.

Со временем фотосинтезирующие симбионты превратились в хлоропласты, аэробные бактерии — в митохондрии. Связи между ними и главной клеткой укрепились и стали устойчивыми. Для управления таким сложным образованием и сохранения генетической системы клетки-носителя возникло ядро — новая клеточная органелла со специальными функциями. Организмы, клетки которых не имеют ядра называются прокариотами, а организмы, состоящие из клеток с ядром — эукариотами.

Разделение на животных и растения

Первые эукариоты содержали и хлоропласты, и митохондрии. Под влиянием внешних условий появляются древние жгутиковые — приспособленные к активному передвижению формы. Считается, что жгутики произошли от каких-то прокариот, как митохондрии и хлоропласты, и сочетали в себе свойства как животных, так и растений.

Постепенно они попадали в разную среду, вследствие чего были вынуждены приспосабливаться к ней. Если органических веществ вокруг оказывалось достаточно, то жгутиковые утрачивали хлоропласты и превращались в простейших одноклеточных животных, а сохранившие хлоропласты стали прародителями одноклеточных растений. Они в процессе развития утратили способность к передвижению и обзавелись разнообразными механизмами, улучшающими процесс фотосинтеза. Растительный мир эволюционировал от водорослей до покрытосеменных растений и стал похож на современный к концу мелового периода.

В окаменелостях вендского периода были найдены абсолютно симметричные организмы, переходная форма между животными и растениями, что также говорит об их общих предках. Переходной формой от одноклеточных к многоклеточным считаются колониальные формы. Они состоят из одноклеточных особей, связанных между собой определенным образом и имеющих зачатки едино действующего организма.

Основные этапы

Эволюцию животных разделяют на этапы согласно геохронологической истории. Ее подробности можно найти в специальных таблицах, из которых видно, что путь, совершившийся от появления первых одноклеточных до млекопитающих, длился миллионы лет. Развитие многоклеточных организмов, не имеющих скелетных образований, началось еще в поздний период протерозойской эры. В дальнейшем какие-то виды навсегда вымирали, как тупиковые ветви, а какие-то заняли самые широкие ареалы обитания, как млекопитающие. Порядок эволюционирования:

• Простейшие — бактерии и вирусы.
• Кишечнополостные — коралловые полипы, губки. Малоподвижные морские существа, пищеварительная полость которых имеет вид мешка. Проводят жизнь в основном на одном месте, охотясь на проплывающую мимо добычу. Но их внутренние и наружные клетки уже имеют разную специализацию.
• Иглокожие — морская звезда, морские ежи. У них начали появляться зачатки пищеварительного тракта.
• Черви — дождевой червь, пиявка. Сначала появились плоские ресничные черви, ставшие прародителями кольчатых червей. Более развитый пищевой тракт и ярко выраженное размещение ротового отверстия в одном конце были следующей стадией эволюции в переходе к подвижному образу жизни.
• Мягкотелые — моллюски, устрицы, улитки. Вероятно, были другой ветвью развития ресничных червей, заменивших подвижность на внешнюю защиту. Хорошо выраженное ротовое отверстие способствовало появлению зачатков нервной системы.
• Членистоногие — насекомые, раки, скорпионы. Обзавелись наружным скелетом, в отличие от первых хордовых и челюстных рыб, имеющих зачатки внутреннего скелета. Имеют выраженные органы чувств.
• Позвоночные. Полагается, что произошли от лучеперых и кистеперых рыб, плавники которых были зачатками конечностей.

Важную роль в эволюции животных имеет ароморфоз. Эта способность позволяет живым организмам адаптироваться к новым условиям окружающей среды, при этом повышается общий уровень организации, приобретаются новые полезные умения и способности. Основой ароморфоза являются наследственность и естественный отбор. Примеры важнейших ароморфозов в эволюции животных:

• появление костного скелета и круга кровообращения у рыб;
• половое деление клеток;
• внутреннее оплодотворение у пресмыкающихся;
• развитие легких у земноводных, что позволило им осваивать жизнь на суше;
• формирование перьевого покрова и крыльев у птиц.

И это только малая часть всех ароморфозов, произошедших с животными во время эволюции. Этапы развития животных довольно хорошо изучены благодаря исследованиям хорошо сохранившихся останков.