Теория абиогенного происхождения жизни 3

Приложение 1. Развитие органической жизни на Земле (по А. И. Опарину, 1924, и Дж. Холдейну, 1929) 10

Возникновение жизни на Земле

Основные гипотезы

Для перехода к проблеме происхождения жизни на Земле сначала определим, что такое жизнь. Вспомним определения понятия «жизнь».

«Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел» - Ф. Энгельс.

Жизнь - это высшая по сравнению с физической и химической форма существования материи.

Живые объекты отличаются от неживых обменом веществ - непрерывным условием жизни, способностью к размножению, росту, активной регуляции своего состава и функций, к различным формам движения, раздражимостью, приспособляемостью к среде и т. д.

Окончательного и строгого определения понятия «жизнь» нет до сих пор. Так, например, неясно, можно ли вирусы считать формой жизни, т. к. вне клеток хозяина они не проявляют никаких признаков жизни, например, они не могут размножаться.

Живые системы характеризуются очень высоким уровнем структурной и функциональной организации на молекулярном уровне, высочайшей информационной плотностью, самоорганизацией, способностью к самовосстановлению и т. п.

Существуют следующие пять основных групп теорий о происхождении жизни.

Креационизм, утверждающий, что жизнь была создана сверхъестественным существом (Богом, космическим разумом и т.п.), к этому направлению примыкают теологи и философы-идеалисты. Этот процесс был произведен один раз, больше он не повторится и поэтому не доступен экспериментальной проверке. Поэтому эту теорию обычно выносят за рамки научного исследования.

Остальные направления материалистичны.

Теория самопроизвольного зарождения - жизнь самозарождается при создании для этого подходящих условий, и это на протяжении всей истории Земли на ней происходило неоднократно, однако попытки создания жизни в искусственных лабораторных условиях (в «пробирке») химическим путем пока не удались.

Теория стационарного состояния. Жизнь существовала всегда, и только изменялись ее формы.

Теория панспермии. Жизнь на Землю была занесена из космоса, поскольку в нем зародыши жизни и белковые элементы непрерывно переносятся с планеты на планету (основание – найденные на метеоритах органические соединения).

Теория биохимической революции - жизнь произошла естественным путем в результате саморазвития химических и физических процессов (примыкает ко второй группе теорий).

Последняя группа теорий в настоящее время является господствующей. Согласно ней биологической эволюции предшествовала длительная химическая эволюция – возникновение все более сложных химических соединений.

Теория абиогенного происхождения жизни

Пожалуй, первая научная, хорошо продуманная теория происхождения жизни абиогенным путем была предложена биохимиком А.И. Опариным еще в 20-х годах прошлого века и дополненная Дж. Холдейном. Теория базировалась на представлении, что все начиналось с белков, и на возможности в определенных условиях спонтанного химического синтеза мономеров белков - аминокислот и белковоподобных полимеров (полипептидов) абиогенным путем. Публикация теории стимулировала многочисленные эксперименты в ряде лабораторий мира, показавшие реальность такого синтеза в искусственных условиях. Теория быстро стала общепринятой и необыкновенно популярной.

Основным ее постулатом было то, что спонтанно возникавшие в первичном «бульоне» белковоподобные соединения объединялись в коацерватные капли - обособленные коллоидные системы (золи), плавающие в более разбавленном водном растворе. Это давало главную предпосылку возникновения организмов - обособление некой биохимической системы от окружающей среды, ее компартментализацию. Так как некоторые белковоподобные соединения коацерватных капель могли обладать каталитической активностью, то появлялась возможность прохождения биохимических реакций синтеза внутри капель - возникало подобие ассимиляции, а значит, роста коацервата с последующим его распадом на части - размножением. Ассимилирующий, растущий и размножающийся делением коацерват рассматривался как прообраз живой клетки.

У теории Опарина-Холдейна имеются существенные недостатки – она не объясняла механизма возникновения из коацерватов полноценной клетки и способности к самовоспроизведению. Существует и ряд других проблем – каким образом аминокислоты без участия ферментов могли образовать белковые структуры, как образовались первые ферменты и т.д. Для объяснения этих моментов теория модифицировалась, и этот процесс продолжается до сегодняшнего дня.

По господствующим современным представлениям, образованию белков предшествовало образование РНК. Нуклеиновые кислоты являются единственным типом биологических полимеров, макромолекулярная структура которых, благодаря принципу комплементарности при синтезе новых цепей, обеспечивает возможность копирования собственной линейной последовательности мономерных звеньев, другими словами, возможность воспроизведения (репликации) полимера, его микроструктуры. Поэтому только нуклеиновые кислоты, но не белки, могут быть генетическим материалом, то есть воспроизводимыми молекулами, повторяющими свою специфическую микроструктуру в поколениях.

Общий ход возникновения жизни по современным представлениям представлен на рис. 1.

Рис. 1. Возникновение жизни

Развитие жизни на Земле

Геологическая и палеонтологическая летописи тесно взаимосвязаны. В осадочных толщах разного возраста встречаются ископаемые остатки животных и растений. Поэтому историю развития жизни на Земле делят на геологические эры и периоды.

По степени геологической и палеонтологической изученности история земной коры подразделяется на две неравные части. Более молодой интервал времени, охватывающий последние 570 млн. лет, относительно хорошо изучен. Американским геологом Ч. Шухертом он назван фанерозойским эоном или фанерозоем (от греч. «фанерос»— очевидный, четкий, «зое»— жизнь). К фанерозою относятся кайнозойская, мезозойская и палеозойская эры. Вторая, более древняя и продолжительная часть названа криптозойским эоном (период со скрытым развитием жизни). Он охватывает огромный интервал времени — 4600—570 млн. лет назад. В большинстве случаев организмы криптозоя не имели твёрдого скелета и оставили довольно скудные следы.

Криптозой

Архей - древнейшая геологическая эра Земли (3,5 - 2,6 млрд. лет назад).

Ко времени архея относится возникновение первых прокариот (бактерий и сине-зеленых) - организмов, которые в отличие от эукариот не обладают оформленным клеточным ядром и типичным хромосомным аппаратом (наследственная информация реализуется и передается через ДНК).

В отложениях архея найдены также остатки нитчатых водорослей. В этот период появляются гетеротрофные организмы не только в море, но и на суше. Образуется почва. В атмосфере снижается содержание метана, аммиака, водорода, начинается накопление углекислого газа и кислорода.

Протерозой (с греч. «первичная жизнь») - огромный по продолжительности этап исторического развития Земли (2,6 млрд.-570 млн. лет назад).

Возникновение многоклеточности - важный ароморфоз в эволюции жизни.

Конец протерозоя иногда называют «веком медуз» - очень распространенных в это время представителей кишечнополостных.

Палеозой

Палеозой (от греч. «древняя жизнь») - геологическая эра (570-230 млн. лет) со следующими периодами:

· кембрий (570-500 млн.лет)

· ордовик (500-440 млн. лет)

· силур (440-410 млн. лет)

· девон (410-350 млн. лет)

· карбон (350-285 млн. лет)

· пермь (285-230 млн. лет)

Для развития жизни в раннем палеозое (кембрий, ордовик, силур) характерно интенсивное развитие наземных растений и выход на сушу животных.

Рис. 2. Фауна раннего палеозоя (кембрий, ордовик, силур):

1-колония археоцит

2-скелет силурийского коралла

3-обитатель мелководных заливов силурийских морей – гигантский ракоскорпион

4-головоногий моллюск

5-морские лилии

6, 7, 8-древнейшие позвоночные бесчелюстные панцирные «рыбы»

9-одиночные кораллы

10, 11- трилобиты – примитивнейшие ракообразные

12-раковина силурийского головоногого моллюска.

Наступивший в конце силура горообразовательный период изменил климат и условия существования организмов. В результате поднятия суши и сокращения морей климат девона был более континентальный, чем в силуре. В девоне появились пустынные и полупустынные области; на суше появляются первые леса из гигантских папоротников, хвощей и плаунов. Новые группы животных начинают завоевывать сушу, но их отрыв от водной среды не был еще окончательным. К концу карбона относится появление первых пресмыкающихся - полностью наземных представителей позвоночных. Они достигли значительного разнообразия в перми из-за засушливого климата и похолодания.

Так в палеозое произошло завоевание суши многоклеточными растениями и животными.

Мезозой

Мезозой (с греч. «средняя жизнь») - это геологическая эра (230-67 млн.лет) со следующими периодами:

· триас (230-195 млн.лет)

· юра (195-137 млн.лет)

· мел (137-67 млн.лет)

Мезозой справедливо называют эрой пресмыкающихся. Их расцвет, широчайшая дивергенция и вымирание происходят именно в эту эру.

В мезозое усиливается засушливость климата. Вымирает множество сухопутных организмов, у которых отдельные этапы жизни связаны с водой: большинство земноводных, папоротники, хвощи и плауны. Вместо них начинают преобладать наземные формы, в жизненном цикле которых нет стадий, связанных с водой. В триасе среди растений сильного развития достигают голосеменные, среди животных - пресмыкающиеся. В триасе появляются растительноядные и хищные динозавры. Весьма разнообразны в эту эру морские пресмыкающиеся. Помимо ихтиозавров, в морях юры появляются плезиозавры.

В юре пресмыкающиеся начали осваивать и воздушную среду. Летающие ящеры просуществовали до конца мела.

Рис. 3. Мезозойские пресмыкающиеся:

1-водяной ящер

2-полуводный ящер

3-рогатый динозавр

4-летающий хвостатый ящер

5-летающий бесхвостый ящер

6-растительноядный динозавр-бронтозавр

7-растительноядный динозавр-стегозавр

В юре от пресмыкающихся возникли и птицы. На суше в юре встречаются гигантские растительноядные динозавры.

Во второй половине мела возникли сумчатые и плацентарные млекопитающие. Приобретение живорождения, теплокровности были теми ароморфозами, которые обеспечили прогресс млекопитающих.

Кайнозой

Геологическая эра, в которую мы живем, называется кайнозой.

Кайнозой (от греч. «новая жизнь») - это эра (67 млн. лет - наше время) расцвета цветковых растений, насекомых, птиц и млекопитающих.

Кайнозой делится на два неравных периода: третичный (67-3 млн.лет) и четвертичный (3 млн.лет - наше время).

В первой половине третичного периода широко распространены леса тропического и субтропического типа. В течение третичного периода от насекомоядных млекопитающих обособляется отряд приматов. К середине этого периода широкое распространение получают и общие предковые формы человекообразных обезьян и людей.

К концу третичного периода встречаются представители всех современных семейств животных и растений и подавляющее большинство родов

Рис. 4. Третичные млекопитающие:

1-фенакодус

2-эогиппус

3-гиппарион

4-палеотранус

5-саблезубый тигр

6-оленеобразный жираф

7-гигантский носорог

8-меритерий

9-миоценовый слон

В это время начинается великий процесс остепнения суши, который привел к вымиранию одних древесных и лесных форм и к выходу других на открытое пространство. В результате сокращения лесных площадей одни из форм антропоидных обезьян отступали вглубь лесов, другие спустились с деревьев на землю и стали завоевывать открытые пространства. Потомками последних являются люди, возникшие в конце третичного периода.

В течение четвертичного периода вымирают мамонты, саблезубые тигры, гигантские ленивцы, большерогие торфяные олени и другие животные. Большую роль в вымирании крупных млекопитающих сыграли древние охотники.

Рис 5. Млекопитающие четвертичного периода:

1-широконосый носорог

2-носорог-эласмотерий

3-гигантский броненосец

4-гигантский ленивец

6-мамонт

7-древний слон

8-древний зубр

9-гигантский торфяной олень

10-современный индийский слон

Около 10 тысяч лет назад в умеренно теплых областях Земли наступила «неолитическая революция», связанная с переходом человека от собирательства и охоты к земледелию и скотоводству. Это определило видовой состав органического мира, который существует в настоящее время.

Приложение 1. Возникновение органической жизни на Земле (по А. И. Опарину, 1924, и Дж. Холдейну, 1929)

Эра	Возраст	Этапы возникновения жизни	Процессы, происходящие на Земле
Архейская	От 2,6 до 3,5 млрд. лет	I	Образование в водах океана из неорганических веществ органических в результате действия ультрафиолетовой радиации, грозовых разрядов и химических реакций
		II	Белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты концентрируются — образуют коацерваты, действующие как открытые системы, способные к росту
		III	В результате соединения и взаимодействия коацерватов с нуклеиновыми кислотами образуются живые существа — пробионты (протоклетки), способные к самовоспроизведению
		IV	Прогрессивное усложнение гетеротрофных примитивных организмов, возникновение автотрофного питания и свободного кислорода (предъядерные организмы — бактерии, гетеротрофы и фототрофы и синезеленые)
Протерозойская	От 0,5 до 2,6 млрд. лет	Ядерные организмы	Появление ядерных автотрофных фотосинтезирующих растений (зеленые водоросли) и простейших; обогащение воды кислородом — среда обитания животных
		Многоклеточные организмы	Прогрессивное усложнение животных и растений. Беспозвоночные животные: кишечнополостные, черви, моллюски; различные водоросли
		Органные организмы	Прогрессивное усложнение тела животных (хордовые бесчерепные)

Литература

1. Аруцев А.А., Ермолаев Б.В., Кутателадзе И.О., Слуцкий М.С. Концепции современного естествознания. М.: 1999

2. Бернал Д. Возникновение жизни. М.: 1969.

3. Богданова Т.Л. Биология. Задания и упражнения. Пособие для поступающих в ВУЗы. М.,1991

4. Борисяк А. А. Из истории палеонтологии (идея эволюции). М.—Л.: 1966.

5. Брукс М. Климаты прошлого. М.: 1952.

6. Варсанофьева В. А. Развитие жизни на Земле. М.: 1988.

7. Войткевич Г. В. Возникновение и развитие жизни на Земле. М.: 1988

8. Голенкин М. И. Победители в борьбе за существование. М.: 1959.

9. Иорданский Н. Н. Развитие жизни на Земле. М. 1989.

10. Ливанов Н. А. Пути эволюции животного мира. М.: 1955.