Реферат: Земля в период возникновения жизни. Начало жизни на Земле. Эволюция форм жизни

ЗЕМЛЯ В ПЕРИОД ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ. НАЧАЛО ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ.

ЭВОЛЮЦИЯ ФОРМ ЖИЗНИ.

Содержание

Введение	3
Земля в период возникновения жизни. Начало жизни на Земле. Эволюция форм жизни.	4
Предпосылки возникновения жизни	4
Концепции зарождения жизни на Земле	5
Развитие жизни на Земле	13
Список литературы	18

Введение Жизнь заполняет все уголки нашей планеты. Океаны, моря, озера, реки, горы, равнины, пустыни, даже воздух населены живыми существами. Миллиарды лет жизнь шествует по Земле как уникальная самоорганизующаяся система. Она знала периоды расцвета, исторических испытаний и тяжелых кризисов, прежде чем достигла в наши дни своего великолепного богатства. Сегодня науке известно около 4,5 млн. видов животных и растений. Предполагается, что за всю историю жизни на Земле существовало около 4,5 млрд. видов животных и растений. Как же появились эти виды? Во все ли эпохи истории Земли растительный и животный мир был таким, как сейчас? Для науки очевидно, что современный животный и растительный мир представляет собой лишь обложку той великой книги, которую изучает палеонтология. Окаменевшие останки живших некогда существ, которые содержатся в земных пластах, записали историю своей эволюции и ее связь с изменениями окружающей среды. С незапамятных времен происхождение жизни было загадкой для человечества. С момента своего появления благодаря труду человек начинает выделяться среди остальных живых существ. Но способность задавать себе вопрос «откуда мы?» человек получает сравнительно недавно — 7-8 тыс. лет назад, в начале нового каменного века (неолита). Первые примитивные формы веры в нереальные, сверхъестественные или божественные силы, существовавшие уже 35-40 тыс. лет назад, расширяются и укрепляются. Человек понимает, что он смертен, что одни рождаются, а другие умирают, что он создает орудия труда, обрабатывает землю и получает ее плоды. А что же лежит в основе всего, кто первосоздатель, кто создал землю и небо, животных и растения, воздух и воду, день и ночь, и, наконец, самого человека? Земля в период возникновения жизни. Начало жизни на Земле. Эволюция форм жизни. Предпосылки возникновения жизни на Земле Для того чтобы правильно представить процесс возникновение жизни, необходимо кратко рассмотреть современные взгляды на образование Солнечной системы и положение Земли среди её планет. Эти представления очень важны, так как, несмотря на общность происхождения планет, окружающих Солнце, только на Земле появилась жизнь и достигла исключительного разнообразия. В астрономии считается принятым, что Земля и другие планеты Солнечной системы образовались из газово-пылевого облака около 4,5 миллиардов лет тому назад. Такая газово-пылевая материя встречается в межзвёздном пространстве и в настоящее время. Водород - преобладающий элемент Вселенной. Путём реакции ядерного синтеза из него возникает гелий, из которого, в свою очередь, образуется углерод. Ядерные процессы внутри облака продолжались длительное время (сотни миллионов лет). Ядра гелия объединялись с ядрами углерода и формировали ядра кислорода, затем неона, магния, серы и т. д. Таким образом, под действием высоких температур и гравитационного сжатия, обусловленного вращением облака вокруг своей оси, возникают различные химические элементы, составляющие основную массу звёзд, планет и их атмосферы. Образование химических элементов при возникновении звездных систем, в том числе и таких, как наша Солнечная система, - закономерное явление в эволюции материи. Однако для её дальнейшего развития на пути к возникновению жизни необходимы были некоторые космические и планетарные условия. Одно из таких условий – размеры планеты. Масса ее не должна была быть слишком большой, так как энергия атомного распада природных радиоактивных веществ может привести к перегреванию планеты или, что еще более важно, к радиоактивному загрязнению среды, несовместимому с жизнью. Маленькие планеты не способны удерживать около себя атмосферу, потому что сила притяжения их невелика. Это обстоятельство исключает возможность развития жизни. Примером таких планет может служить спутница Земли – Луна. Второе, не менее важное условие – движение планеты вокруг звезды по круговой или близкой к круговой орбите, позволяющее постоянно и равномерно получать необходимое количество энергии. Наконец, третье необходимое условие для развития материи и возникновения живых организмов – постоянная интенсивность излучения светила. Последнее условие также очень важно, потому что в противном случае поток лучистой энергии, поступающий на планету, не будет равномерным. Неравномерность потока энергии, приводя к резким колебаниям температуры, неизбежно препятствовала бы возникновению и развитию жизни, так как существование живых организмов возможно в пределах весьма жестких температурных рамок. Стоит вспомнить, что живые существа на 80-90 % состоят из воды, причем не газообразной (пар) и не твердой (лед), а жидкой. Следовательно, температурные границы жизни определяются еще и жидким состоянием воды. Всем этим условиям удовлетворяла наша планета – Земля. Итак, около 4,5 млрд. лет назад на Земле создались космические, планетарные и химические условия для развития материи в направлении возникновения жизни. Концепции зарождения жизни Вопросы о происхождении природы и сущности жизни издавна стали предметом интереса человека в его стремлении разобраться в окружающем мире, понять самого себя и определить свое место в природе. Происхождение жизни – одна из трех важнейших мировоззренческих проблем наряду с проблемой происхождения нашей Вселенной и проблемой происхождения человека. Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили разные концепции возникновения жизни:

1) Креационизм – божественное сотворение живого;

2) концепция многократного самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни из неживого вещества (ее придерживался еще Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы);

3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

4) концепция панспермии – внеземного происхождения жизни;

5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам. Концепция креационизма Согласно креационизму, возникновение жизни на Земле не могло осуществиться естественным, объективным, закономерным образом; жизнь является следствием божественного творческого акта. Возникновение жизни относится к определенному событию в прошлом, которое можно вычислить. В 1650 г. архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э., а в 9 часов утра 23 октября и человека. Это число он получил из анализа возрастов и родственных связей всех упоминаемых в Библии лиц. Однако к тому времени на ближнем Востоке уже была развитая цивилизация, что доказано археологическими изысканиями. Впрочем, вопрос сотворения мира и человека не закрыт, поскольку толковать тексты Библии можно по-разному. Концепция спонтанного зарождения жизни Теория спонтанного зарождения жизни возникла в Вавилоне, Египте и Китае как альтернатива креационизму. В ее основе лежит понятие о том, что под влиянием естественных факторов живое может возникнуть из неживого, органическое из неорганического. Она восходит к Эмпедоклу и Аристотелю: определенные «частицы» вещества содержат некое «альтернативное начало», которое при определенных условиях может создать живой организм. Аристотель считал, что активное начало есть в оплодотворенном яйце, солнечном свете, гниющем мясе. У Демокрита начало жизни было в иле, у Фалеса – в воде, у Анаксагора – в воздухе. Аристотель на основе сведений о животных, которые поступали от воинов Александра Македонского и купцов-путешественников, сформировал идею постепенного и непрерывного развития живого из неживого и создал представление о «лестнице природы» применительно к животному миру. Он не сомневался в самозарождении лягушек, мышей и других мелких животных. Платон говорил о самозарождении живых существ из земли в процессе гниения. Идея самозарождения получила широкое распространение в средневековье и эпоху Возрождения, когда допускалась возможность самозарождения не только простых, но и довольно высокоорганизованных существ, даже млекопитающих (например, мышей из тряпок). Например, в трагедии В. Шекспира «Антоний и Клеопатра» Леонид говорит Марку Антонию: «Ваши египетские гады заводятся в грязи от лучей вашего египетского солнца. Вот, например, крокодил...». Известны попытки Парацельса разработать рецепты искусственного человека (гомункулуса). Гельмонт придумал рецепт получения мышей из пшеницы и грязного белья. Бэкон тоже считал, что гниение – зачаток нового рождения. Идеи самозарождения жизни поддерживали Галилей, Декарт, Гарвей, Гегель, Против теории самозарождения в XVII в. выступил флорентийский врач Франческо Реди. Положив мясо в закрытый горшок, Ф. Реди показал, что в гнилом мясе личинки мясной мухи не самозарождаются. Сторонники теории самозарождения не сдавались, они утверждали, что самозарождение личинок не произошло по той лишь причине, что в закрытый горшок не поступал воздух. Тогда Ф. Реди поместил кусочки мяса в несколько глубоких сосудов. Часть из них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Через некоторое время в открытых сосудах мясо кишело личинками мух, тогда как в сосудах, прикрытых кисеей, в гнилом мясе никаких личинок не было. В XVIII в. теорию самозарождения жизни продолжал защищать немецкий математик и философ Лейбниц. Он и его сторонники утверждали, что в живых организмах существует особая «жизненная сила». По мнению виталистов (от лат. «вита» —- жизнь), «жизненная сила» присутствует всюду. Достаточно лишь вдохнуть ее, и неживое станет живым ». Микроскоп открыл людям микромир. Наблюдения показывали, что в плотно закрытой колбе с мясным бульоном или сенным настоем через некоторое время обнаруживаются микроорганизмы. Но стоило прокипятить мясной бульон в течение часа и запаять горлышко, как в запаянной колбе ничего не возникало. Виталисты выдвинули предположение» что длительное кипячение убивает «жизненную силу», которая не может проникнуть в запаянную колбу. В XIX в. Даже Ламарк в 1809 г. писал о возможности самозарождения грибков. С появлением книги Дарвина «Происхождение видов» вновь встал вопрос о том, как же все-таки возникла жизнь на Земле. Французская Академия наук в 1859 г. назначила специальную премию за попытку осветить по-новому вопрос о самопроизвольном зарождении. Эту премию в 1862 г. получил знаменитый французский ученый Луи Пастер. Пастер провел эксперимент, соперничавший по простоте со знаменитым опытом Реди. Он кипятил в колбе различные питательные среды, в которых могли развиваться микроорганизмы. При длительном кипячении в колбе погибали не только микроорганизмы, но и их споры. Помня об утверждении виталистов, что мифическая «жизненная сила» не может проникнуть в запаянную колбу, Пастер присоединил к ней S-образную трубку со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на поверхности тонкой изогнутой трубки и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не наблюдалось самозарождения микроорганизмов, хотя доступ воздуха (а с ним и пресловутой «жизненной силы») был обеспечен. Так было доказано то, что в наше время какой бы то ни было организм может появиться только из другого живого организма. Концепция стационарного состояния Сторонники теории вечного существования жизни считают, что на вечно существующей Земле некоторые виды вынуждены были вымереть или резко изменить численность в тех или иных местах планеты из-за изменения внешних условий. Четкой концепции на этом пути не выработано, поскольку в палеонтологической летописи Земли есть некоторые разрывы и неясности. С идеей вечного существования жизни во Вселенной связана и следующая группа гипотез. Концепция панспермии Теория панспермии (гипотеза о возможности переноса Жизни во Вселенной с одного космического тела на другие) не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни и переносит проблему в другое место Вселенной. Либих считал, что «атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туманностей можно считать как вековечные хранилища оживленной формы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей во Вселенной. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствии с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Эта гипотеза была поддержана многими выдающимися учеными. Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц и др. в начале нашего века с идеей радиопанспермии выступил Аррениус. Он описывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счет светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни, они начинают новую жизнь на этой планете. Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления НЛО. Полеты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах солнечной системы, которая появилась после открытия Скиапарелли каналов на Марсе.

Концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам

В настоящее время наиболее, широкое признание получила гипотеза о происхождении жизни на Земле, сформулированная советским ученым акад. А. И. Опариным и английским ученым Дж. Холдейном. Эта гипотеза исходит из предположения о постепенном возникновении жизни на Земле из неорганических веществ путем длительной абиогенной (небиологической) молекулярной эволюции. Теория А. И. Опарина представляет собой обобщение убедительных доказательств возникновения жизни на Земле в результате закономерного процесса перехода химической формы движения материи в биологическую. Образование простых органических соединений. На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород, а также молекулярный водород, кислород, азот. Физические и химические свойства воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образования окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) определили то, что именно они оказались у колыбели жизни. На этих начальных этапах сложилась первичная атмосфера Земли, которая носила не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер. Кроме того, она была богата инертными газами (гелием, неоном, аргоном). Эта первичная атмосфера уже утрачена. На ее месте образовалась вторая атмосфера Земли, состоящая на 20% из кислорода — одного из наиболее химически активных газов. Эта вторая атмосфера — продукт развития жизни на Земле, одно из его глобальных следствий. Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твердое состояние, а также образование земной коры. Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100°С произошло сгущение водяных паров. Длительные ливни с частыми грозами привели к образованию больших водоемов. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилось много раскаленной массы, в том числе карбидов — соединений металлов с углеродом. При взаимодействии карбидов с водой выделялись углеводородные соединения. Горячая дождевая вода как хороший растворитель имела в своем составе растворенные углеводороды, а также газы (аммиак, углекислый газ, цианистый водород), соли и другие соединения, которые могли вступать в химические реакции. С особым успехом, видимо, протекали процессы роста молекул при наличии группы - N= C= N-. У этой группы большие химические возможности к росту за счет как присоединения к атому углерода атома кислорода, так и реагирования с азотистым основанием. Так постепенно на поверхности молодой планеты Земля накапливались простейшие органические соединения. Причем накапливались в больших количествах. Подсчеты показывают, что только посредством вулканической деятельности на поверхности Земли могло образоваться около 10¹⁶ кг органических молекул. Это всего на 2—3 порядка меньше массы современной биосферы. Спектроскопическое изучение звездных атмосфер показало присутствие в так называемых холодных звездах, к которым относится и Солнце, значительной части углерода, связанного с водородом, и образование простейшего углеводорода — метина (СН). Не исключено, что наряду с метином в этих звездах присутствуют и более сложные углеводородные соединения. Между тем не вызывает сомнений, что эти соединения образуются абиогенно, т. е. не за счет деятельности живых организмов. Широкое распространение углеводородов обнаружено и в тех местах Вселенной, где температура близка к абсолютному нулю. Несомненно присутствие метана (СН₄ ) в атмосфере Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и других планет, причем в больших количества». Наличие довольно сложных углеводородов отмечено в ряде метеоритов, в которых не удалось установить никаких следов пребывания живых существ. Наконец, синтез углеводородов может быть осуществлен в эксперименте при наличии комплекса определенных физических и химических условий (температура, давление, электрическое поле и др.). Таким образом, абиогенное образование органических соединений — углеводородов не только возможно, но и широко распространено во Вселенной. Вполне логично предположить, что Земля уже на начальных этапах своего существования обладала определенным количеством углеводородов. Возникновение сложных органических соединений. Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений, в частности белковых веществ в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись и образовывались углеводы, жиры, аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты. Возможность такого синтеза была доказана опытами А.М. Бутлерова, который еще в середине прошлого столетия получил из формальдегида углеводы (сахар). В 1953—1957 гг. химиками различных стран (США, СССР, Германии) в целом ряде экспериментов из смеси газов (аммиака, метана, водяного пара, водорода) при 70—80°С и давлении несколько атмосфер под воздействием электрических разрядов напряжением 60 000 В и ультрафиолетовых лучей были синтезированы органические кислоты, в том числе аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), которые являются материалом для образования белковой молекулы. Таким образом, были смоделированы условия первичной атмосферы Земли, при которых могли образовываться аминокислоты, а при их полимеризации — и первичные белки. Эксперименты в этом направлении оказались перспективными. В дальнейшем (при использовании других соотношений исходных газов и видов энергии) путем реакции полимеризации из простых молекул получали более сложные молекулы: белки, липиды, нуклеиновые кислоты и их производные, а позже была доказана возможность синтеза в условиях лаборатории и других сложных биохимических соединений, в том числе белковых молекул (инсулина), азотистых оснований нуклеотидов. Особенно важно то, что лабораторные эксперименты совершенно определенно показали возможность образования белковых молекул в условиях отсутствия жизни. С определенного этапа в процессе химической эволюции на Земле активное участие стал принимать кислород. Он мог накапливаться в атмосфере Земли в результате разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. (Для превращения восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную потребовалось не менее 1—1,2 млрд. лет.) С накоплением в атмосфере кислорода восстановленные соединения начали окисляться. Так, при окислении метана образовались метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота и т.д. Образующиеся соединения не разрушались вследствие их летучести. Покидая верхние слои земной коры, они попадали во влажную холодную атмосферу, что предохраняло их от разрушения. В дальнейшем эти вещества вместе с дождем выпадали в моря, океаны и другие водные бассейны. Накапливаясь здесь, они вновь вступали в реакции, в результате чего возникали более сложные вещества (аминокислоты и соединения типа аденита). Для того чтобы те или иные растворенные вещества вступали между собой во взаимодействие, нужна достаточная концентрация их в растворе. Важно и то, что более сложные органические соединения являются более стойкими перед разрушающим действием ультрафиолетового излучения, чем простые соединения. Анализ возможных оценок количества органического вещества, которое накопилось неорганическим путем на ранней Земле, впечатляет: по некоторым расчетам за 1 млрд. лет над каждым квадратным сантиметром земной поверхности образовалось несколько килограммов органических соединений. Если их все растворить в мировом океане, то концентрация раствора была бы приблизительно 1%. Это довольно концентрированный «органический бульон». В таком «бульоне» мог вполне успешно развиваться процесс образования более сложных органических молекул. Таким образом, воды первичного океана постепенно насыщались разнообразными органическими веществами, образуя «первичный бульон». Насыщению такого «органического бульона» в немалой степени способствовала и деятельность подземных вулканов. «Первичный бульон» и образование коацерватов. Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ, возникновением белковых тел. В водах первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходили их смешивание, взаимодействие и объединение в мелкие обособленные структуры раствора. Такие структуры можно легко получить искусственно, смешивая растворы разных белков, например желатина и альбумина. Эти обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры выдающийся русский ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями или коацерватами. Коацерваты — мельчайшие коллоидальные частицы — капли, обладающие осмотическими свойствами. Коацерваты образуются в слабых растворах. Вследствие взаимодействия противоположных электрических зарядов происходит агрегация молекул. Мелкие сферические частицы возникают потому, что молекулы воды создают вокруг образовавшегося агрегата поверхность раздела. Исследования показали, что коацерваты имеют достаточно сложную организацию и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами. Например, они способны поглощать из окружающей среды разные вещества, которые вступают во взаимодействие с соединениями самой капли, и увеличиваться в размере. Эти процессы в какой-то мере напоминают первичную форму ассимиляции. Вместе с тем в коацерватах могут происходить процессы распада и выделения продуктов распада. Соотношение между этими процессами у разных коацерватов неодинаково. Выделяются отдельные динамически более стойкие структуры с преобладанием синтетической деятельности. Однако все это еще не дает основания для отнесения коацерватов к живым системам, потому что они лишены способности к самовоспроизведению и саморегуляции синтеза органических веществ. Но предпосылки возникновения живого в них уже содержались. Коацерваты объясняют, как появились биологические мембраны. Образование мембранной структуры считается самым «трудным» этапом химической эволюции жизни. Истинное живое существо (в виде клетки, пусть даже самой примитивной) не могло оформиться до возникновения мембранной структуры и ферментов. Биологические мембраны — это агрегаты белков и липидов, способные отграничить вещества от среды и придать упаковке молекул прочность. Мембраны могли возникнуть в ходе формирования коацерватов. Повышенная концентрация органических веществ в коацерватах увеличивала возможность взаимодействия между молекулами и усложнения органических соединений. Коацерваты образовывались в воде при соприкосновении двух слабо взаимодействующих полимеров. Кроме коацерватов в «первичном бульоне» накапливались полинуклеотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых невозможно образование способности к самовоспроизведению и обмену веществ. Катализаторами могли быть и неорганические вещества. Так, Дж. Берналом в свое время была выдвинута гипотеза о том, что наиболее удачные условия для возникновения жизни складывались в небольших спокойных теплых лагунах с большим количеством ила, глинистой мути. В такой среде очень быстро протекает полимеризация аминокислот; здесь процесс полимеризации не нуждается в нагревании, так как частицы ила выступают в качестве своеобразных катализаторов. Возникновение простейших форм живого. Главная проблема в учении о происхождении жизни состоит в объяснении возникновения матричного синтеза белков. Жизнь возникла не тогда, когда образовались пусть даже очень сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК и др., а тогда, когда начал действовать механизм конвариантной редупликации. Именно поэтому завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. В ходе предбиологического отбора наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению. Переход к матричному синтезу белков был величайшим качественным скачком в эволюции материи. Однако механизм такого перехода пока не ясен. Основная трудность здесь состоит в том, что для удвоения нуклеиновых кислот нужны ферментные белки, а для создания белков — нуклеиновые кислоты. Как разорвать эту «замкнутую цепь»? Иначе говоря, нужно объяснить, как в ходе предбиологического отбора объединились способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов в условиях пространственно-временного разобщения начальных и конечных продуктов реакции. Существуют разные гипотезы на сей счет, но все они так или иначе не полны. Однако в настоящее время наиболее перспективными здесь являются гипотезы, которые опираются на принципы теории самоорганизации, синергетики, на представления о гиперщпслах, т.е. системах, связывающих самовоспроизводящиеся (автокаталитические) единицы друг с другом посредством циклической связи. В таких системах продукт реакции одновременно является и ее катализатором или исходным реагентом. Потому и возникает|йвление самовоспроизведения, которое на первых этапах вовсе могло и не быть точной копией исходного органического образования. О трудностях становления самовоспроизведения свидетельствует само существование вирусов и фагов, которые представляют собой, по-видимому, осколки форм предбиологической эволюции. В последующем предбиологический отбор коацерватов, по-видимому, шел по нескольким направлениям. Во-первых, в направлении выработки способности накопления специальных белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. В результате строение нуклеиновых кислот изменялось в направлении преимущественного «размножения» систем, в которых удвоение нуклеиновых кислот осуществлялось с участием ферментов. На этом пути и возникает характерный для живых существ циклический обмен веществ. Во-вторых, в системе коацерватов происходил и отбор самих нуклеиновых кислот по наиболее удачному сочетанию последовательности нуклеотидов. На этом пути формировались гены. Самовоспроизводящиеся системы со сложившейся стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть названы живыми. В проблеме возникновения жизни еще много неопределенного, она еще далека от своего окончательного разрешения. Так, например, не ясно, почему все белковые соединения, входящие в состав живого вещества, имеют только «левую симметрию». Какие механизмы предбиологической эволюции могли к этому привести? Первые обитатели нашей планеты были гетеротрофами и питались за счет органических веществ, растворенных в первородном океане. Прогрессивное развитие первичных живых организмов обеспечило в дальнейшем такой огромный скачок, как возникновение аутотрофов, использующих солнечную энергию для синтеза органических соединений из простейших неорганических. Разумеется, не сразу возникло такое сложное соединение, как хлорофилл. Первоначально появились более простые пигменты, способствовавшие усвоению прежде всего органических веществ. Постепенно в первородном океане стали иссякать органические вещества, накопившиеся в нем абиогенным путем. Появление аутотрофных организмов, в первую очередь зеленых растений, обеспечило дальнейший непрерывный синтез органических веществ, а следовательно, существование и дальнейшее развитие жизни. Возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами (ускорение эволюции во времени). Так, развитие от первичных протобионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн лет, приматы выделились за 12-15 млн лет, для становления человека потребовалось около 3 млн лет. Развитие жизни на Земле Никто точно не знает, когда именно возникла первая живая клетка. Возраст самых ранних следов жизни (остатков бактерий), найденных в древних отложениях земной коры, - около 3,5 миллиардов лет. Допустим, что возраст жизни на нашей планете – 3 миллиарда 600 миллионов лет. Для большей наглядности представим себе, что этот огромный отрезок времени уместился в пределы одних суток. Сейчас на наших “часах” – ровно 24 часа, а в момент возникновения жизни они показывали 0 часов. Каждый час вместил 150 миллионов лет, каждая минута – 2,5 миллионов лет.

Докембрий

Самая древняя эпоха развития жизни докембрийская длилась невероятно долго: свыше 3 миллиардов лет. Или, по нашей шкале, с начала суток до 8 часов вечера. Мы уже рассказали об условиях, в которых жили первые живые организмы. Пищей им служил “первичный бульон” окружающего океана или их менее удачливые собратья. Постепенно, однако, в течение миллионов лет этот бульон становился все более “разбавленным”, и, наконец, запасы питательных веществ исчерпались. Развитие жизни зашло в тупик. Но эволюция благополучно нашла из него выход. Появились первые организмы (бактерии ),способные с помощью солнечного света превращать неорганические вещества в органические. Чтобы строить свои организмы, всему живому требуется, в частности, водород. Зеленые растения получают его, расщепляя воду и выделяя кислород. Но бактерии этого делать еще не умеют. Они разлагают не воду, а сероводород, что гораздо проще. При этом выделяется не кислород, а сера. (Поэтому на поверхности некоторых болот можно встретить пленку из серы). Так и поступали древние бактерии. Но количество сероводорода на Земле было довольно ограничено. Наступил новый кризис в развитии жизни. Выход из него “нашли” сине-зеленые водоросли. Они научились расщеплять воду. Молекула воды – непростой “орешек“ не так – то легко “растащить” водород и кислород. Это в семь раз труднее, чем расщепить сероводород. Можно сказать, что сине-зеленые водоросли совершили настоящий подвиг. Это произошло 2 миллиарда 300 миллионов лет назад (по нашей шкале – около 9 часов утра ). Теперь в качестве побочного продукта в атмосферу начал выделяться кислород. Накопление кислорода представляло серьезную угрозу для жизни. Начиная с 11 часов утра новое самозарождение жизни на Земле стало невозможным – содержание кислорода достигло 1% от современного. А перед живыми организмами встала новая проблема - как бороться с возрастающим количеством этого агрессивного вещества. Но эволюция сумела преодолеть и это испытание, одержав новую блестящую победу. Около 11 часов утра на Земле появился первый организм, вдохнувший кислород. Так возникло дыхание. До этого момента живые организмы жили в океане, укрываясь в водной толще от губительного для всего живого потоков солнечного ультрафиолета. Теперь благодаря кислороду в верхних слоях атмосферы возник слой озона, смягчивший излучение. Под защитой озона жизнь смогла выйти на сушу. Американский писатель-фантаст Клиффорд Саймак в повести “Кто там в толще скал ?” так описывает воображаемое путешествие своего героя во времени – в докембрий: ”Дышать было трудно. Кислорода еще хватало, хоть и с грехом пополам, - из-за этого он и дышал гораздо чаще обычного. Отступи он в прошлое еще на миллион лет– кислорода перестало бы хватать. А отступи еще немного дальше – и свободного кислорода не оказалось бы совсем. Всмотревшись в береговую кромку, он приметил, что она населена множеством крохотных созданий, снующих туда-сюда, копошащихся в пенном прибрежном соре или сверлящих булавочные норки в грязи. Он опустил руку и слегка поскреб камень, на котором сидел. На камне проступало зеленоватое пятно – оно тут же отделилось и прилипло к ладони толстой пленкой, склизкой на ощупь. Значит, перед ним была первая жизнь, осмелившаяся выбраться на сушу, - существа, не готовые, да и не способные оторваться от подола ласковой матери - воды, которая бессменно пестовала жизнь с самого ее начала. Здесь происходило многое, что даст себя знать в грядущем, но происходило тайно, исподволь. Снующие козявки и осклизлый налет на скалах – отважные в своем неразумии предвестники далеких дней – внушали почтение .” В течение докембрия природа сделала еще целый ряд замечательных “изобретений”. Около 2 часов дня (по нашей шкале) клетки получили ядро. Примерно тогда же возникло половое размножение, резко ускорившее темпы эволюции. Появились первые многоклеточные существа. К концу докембрия (как мы помним, это 8 часов вечера) земные моря населяли разнообразные животные: медузы, плоские черви, губки, полипы. Все они были мягкотелыми, лишенными скелета. Возникновение у животных скелета раковин, панцирей и т.д. обозначило начало новой геологической эры.

Палеозойская эра

Палеозойская эра, начавшаяся 570 миллионов лет назад, длилась 340 миллионов лет. (То есть, по нашей шкале, с начала девятого вечера до половины одиннадцатого. )Ученые делят ее на шесть периодов. Самый ранний из них – кембрий (он продолжался 70 миллионов лет). Как мы уже сказали, в этот период у самых разнообразных животных начинает развиваться скелет, будь то раковина, панцирь или просто колючие шипики. Видимо, мягкотелось становится к этому моменту слишком небезопасной. Творчество природы, создающей новые формы жизни, в кембрии необычайно плодотворно и разнообразно: почти все типы животного царства получают своих первых представителей. Хордовых, например, представляют существа, похожие на современного ланцетника. Пропуская воду через жаберные щели, они таким образом процеживают из ила съедобные частички. Как ни трудно нам представить моря без рыб, но в морях кембрия их еще не было. Моря были густо заселены знаменитыми трилобитами – вымершими предками пауков, скорпионов и клещей. За кембрием следует ордовик (он длился 60 миллионов лет). В море по – прежнему процветают трилобиты. Появляются первые позвоночные – родичи современных миног и миксин. Челюстей у них еще нет, но строение рта позволяет хватать живую добычу, что, конечно, гораздо выгоднее, бесконечного процеживания ила. В следующем периоде – силуре (30 миллионов лет) на сушу выходят первые растения (псилофиты), покрывая берега зеленым ковром высотой до 25 сантиметров. Вслед за ними на сушу начинают переселяться животные, приучаясь дышать атмосферным воздухом, - многоножки, черви, пауки и скорпионы. В морях трилобитов уже теснят гигантские ракоскорпионы, длина которых порой превышает 2 метра. У позвоночных появляется новый, неизвестный прежде орган – челюсти, развившиеся из безобидных жаберных щелей бесчерепных (например, ланцетника). Чтобы добыча не ускользнула из их челюстей, рыбы приобретают одновременно парные плавники, увеличивающие маневренность. Следующий период – девон (60 миллионов лет). Сушу заселяют плауны, папоротники, хвощи, мхи. В их зарослях уже живут первые насекомые. Выбираются на сушу и позвоночные. Как и почему это происходит? Климат в девоне был сухой, температура в течение года резко изменялась. Многие водоемы пересыхали . Некоторые рыбы стали на время засухи зарываться в ил. Для этого нужно было уметь дышать атмосферным воздухом. Но особенно многообещающей для дальнейшей эволюции оказалась группа кистеперых рыб. Помимо легочного дыхания они имели подвижные мускулистые плавники, похожие на лапы. С их помощью они ползали по дну. Чтобы не погибнуть в пересохшем водоеме, кистеперые рыбы отправлялись в сухопутные странствия в поисках воды. При этом они путешествовали на довольно большие расстояния. Естественно, выживали те, которые лучше могли двигаться по суше. Правда, слабых легких для дыхания было недостаточно. Как еще дышать, если жабры на суше не годятся? Только через кожу. Поэтому рыбья чешуя уступила место гладкой влажной коже. Так в девоне кистеперые рыбы постепенно покинули родную стихию и дали начало первым земноводным – стегоцефалам (панцирноголовым). Вслед за девоном наступил карбон, или каменноугольный период (65 миллионов лет). Впервые огромные пространства суши покрылись болотистыми лесами из древовидных папоротников, хвощей и плаунов. Глядя на современные небольшие плауны, трудно поверить, что их предки (например, чешуедрев, или лепидодендрон) достигали 40 метров в высоту и 6 метров в обхвате. Из падавших в воду и постепенно превращавшихся в уголь стволов образовались залежи каменного угля. Самый ценный уголь (антрацит) получился из скоплений множества спор, которые роняли в воду деревья того времени. Сжигая в печке каменный уголь, мы чувствуем тепло солнечных, падавших на Землю без малого треть миллиарда лет назад. Под ними грелись наши далекие предки - земноводные, царствовавшие в карбоне. Впервые жизнь, освоившая воду и сушу, сделала шаг и в третью стихию – воздух. Первыми и единственными, кто поднялся в воздух в лесах каменноугольного периода, были насекомые. Порой они вырастали до невероятных. Размах крыльев некоторых стрекоз достигал 70 сантиметров. А в зарослях помимо пауков и скорпионов стали встречаться, например, тараканы (размером с морскую свинку). Жизнь сумела окончательно оторваться от породившей ее водной стихии. Почти одновременно это удалось рептилиям и семенным папоротникам, предкам хвойных. У растений появились семена вместо спор, у яиц рептилий – скорлупа. Зародыши в семени и яйце были защищены оболочками, обеспечены пищей. Из яиц рептилий вылуплялся уже не беспомощный головастик, а уменьшенная копия родителя. Рептилиям уже не нужна была голая кожа для дыхания – вполне хватало легких. Они “заковались обратно в панцирь” из чешуи или роговых щитков. Последний период эры древней жизни – пермь, или пермский период (55 миллионов лет). Климат стал холоднее и суше. Влажные леса из папоротников и плаунов исчезли. Вместо них появились и широко разрослись хвойные. Земноводных все больше теснили рептилии, шедшие к своему господству на планете. Мезозойская эра Мезозойская эра наступила 230 миллионов лет назад и длилась 163 миллиона лет. (То есть с половины одиннадцатого вечера до половины двенадцатого по нашей шкале.) Она делится на 3 периода: триас (35 миллионов лет), юру , или юрский период (58 миллионов лет), и мел, или меловой период (70 милллионов лет). В морях еще в пермский период окончательно вымерли трилобиты. Но это не было закатом морских беспозвоночных. Напротив: на смену каждой вымершей форме приходило несколько новых. В течение мезозойской эры океаны Земли изобиловали моллюсками: белемнитами, похожими на кальмаров (их ископаемые раковины зовут “чертовыми пальцами“), и аммонитами. Раковины некоторых аммонитов достигали 3 метра в диаметре. Ни у кого больше на нашей планете, ни до того, ни позднее, не было таких колоссальных раковин. В лесах мезозоя господствовали хвойные, похожие на современные сосны и кипарисы, а также саговники. Мы привыкли видеть насекомых, вьющихся над цветами. Но такое зрелище стало возможным лишь с середины мезозоя, когда на Земле расцвел первый цветок. К меловому периоду цветковые растения уже начали теснить хвойные и саговники. Мезозой, особенно юру, можно назвать царством рептилий. Но еще в самом начале мезозоя, когда рептилии только шли к своему господству, рядом с ними появились мелкие, покрытые шерстью теплокровные животные – млекопитающие. Долгие 100 миллионов лет они жили рядом с динозаврами, почти незаметные на их фоне, терпеливо дожидаясь своего часа. В юре у динозавров появились и другие теплокровные соперники – первоптицы (ахеоптериксы). Они имели еще очень много общего с рептилиями: например, челюсти, усеянные острыми зубами. В меловом периоде от них произошли и настоящие птицы. В конце мелового периода климат на Земле стал холоднее. Природа уже не могла прокормить животных, весивших более десяти килограммов. (Правда, есть научные теории, иначе объясняющие вымирание динозавров.) Началось массовое вымирание (растянувшееся, однако, на миллионы лет) гигантов – динозавров. Теперь освободившееся место могли занять звери и птицы. Кайнозойская эра Кайнозойская эра, начавшаяся “за полчаса до полуночи” (67 миллионов лет назад), стала царством птиц млекопитающих, насекомых и цветковых растений. Она продолжается и сейчас. Ученые разделяют ее на 3 периода: палеоген, неоген и антропоген. Последний из этих периодов, в котором появляется человек, начался (по нашему счету – 50 секунд назад). А время существования всей человеческой цивилизации (если считать ее возрастом 10 тысяч лет) на нашей шкале – всего “четверть секунды” Заключение Более пятнадцати лет назад академик Б.С. Соколов, говоря о времени существования жизни на земле, назвал цифру 4 миллиарда 250 миллионов лет. Именно здесь, по современным научным данным, прослеживается граница между «нежизнью» и «жизнью». Эта цифра очень важна. Оказалось, что самое главное событие в истории жизни – возникновение её молекулярно-генетических основ – произошло, по геологическим масштабам, прямо-таки мгновенно: всего через 250 миллионов лет после рождения самой планеты и, по-видимому, одновременно с образованием океанов. Дальнейшие исследования показали, что первые клеточные организмы появились на нашей планете значительно позже – понодобилось около миллиарда лет, чтобы из структур, подобных коацерватам возникли первые простейшие клеточные организмы. Их удалось обнаружить в породах, имеющих возраст 3-х миллиардов лет. Первые обитатели нашей планеты оказались совсем крохотными «пылинками»: их длина всего 0,7, а ширина 0,2 микрометра. Разработка идеи химической предбиологической эволюции, приведшей к возникновению клеточных форм жизни, раскрыла роль разнообразных факторов среды в этом процессе. В частности, Дж. Бернал обосновал участие глинистых отложений на дне водоёмов в концентрировании органических веществ абиогенного происхождения. Считают также, что на ранних этапах формирования планеты Земля проходила в межзвездном пространстве через пылевые облака и могла захватить вместе с космической пылью большое количество образованных в космосе органических молекул. По приблизительным оценкам, количество это соизмеримо с биомассой современной Земли. Список литературы 1. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. – М.: Гардарики, 1999. – 476 с. 2. Слюсарев А.А. Биология с общей генетикой. - М.: Медицина, 1978. – 472 с. 3. Биология/ Семенов Э.В., Мамонтов С.Г., Коган В.Л. – М.: Высшая школа, 1984. – 352 с. 4. Общая биология/ Беляев Д.К., Рувинский А.О. – М.: Просвещение, 1993. – 271 с.


РЕФЕРАТЫ