11656 (Земля - колыбель человечества (современные представления о возникновении и эволюции планеты)), страница 3

Однако, 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества молодой советский ученый А.И. Опарин с дерзостью, присущей молодости, позволил себе с новой точки зрения рассмотреть проблему возникновения жизни. Его доклад "О возникновении жизни" стал исходной точкой нового взгляда на вечную проблему "откуда мы пришли?".

Опарин выступил с утверждением, что принцип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, действует лишь в современную эпоху существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Постепенно происходило усложнение этих соединений и превращение их в протобионты (доклеточные предки живых организмов). В результате появились первичные живые существа. Иными словами, в раннюю геологическую эпоху было возможно абиогенное происхождение жизни. А.И. Опарин рассматривал появление жизни как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли химической эволюции, перешедшей на качественно новый уровень - биохимическую эволюцию. Исходя из теоретических предположений, он экспериментально доказал, что под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси первичной атмосферы Земли, содержащие пары воды, аммиака, циана, метана и др., произошло появление аминокислот, нуклеотидов и их полимеров. Данные органические соединения накапливались и концентрировались в "первичном бульоне океана", после чего часть из них дала начало коллоидным системам, которые он назвал коацерватными каплями, которые и стали предками живых организмов на Земле. Существенной особенность коацерватов была способность поглощать из окружающей среды различные органические вещества, т.е. они осуществляли первичный обмен веществ со средой, а это - одно из важнейших свойств и условий жизни. Далее, по убеждению Опарина, начал действовать естественный отбор, способствовавший "выживанию" наиболее устойчивых коацерватных систем. По сути, эти системы были примитивными белками.

Пять лет спустя независимо от Опарина сходные идеи были развиты английским ученым Дж. Холдейном. Общим во взглядах Опарина и Холдейна является попытка объяснить возникновение жизни в результате химической эволюции на первичной Земле. Оба они подчеркивают огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался "первичный бульон", а кроме того, и роль энзимов - органических молекул, которые многократно ускоряют нормальный ход химических процессов. В дополнение к этому Холдейн впервые высказывает идею, что первичная атмосфера на Земле, "вероятно, содержала очень мало или вообще не содержала кислорода".

Согласно Дж. Берналу, "труд Опарина содержит в себе основы новой программы химических и биологических исследований". Идеи Опарина вдохновили многих ученых на новые целенаправленные исследования, результаты которых начинают открывать тайну жизни - эту мучительную и сладкую загадку для человека.

Ученики и последователи А.И. Опарина - Стэнли Миллер и Орджел продолжили его исследования и в результате проведенных экспериментов синтезировали простые нуклеиновые кислоты, сахара и другие вещества в смоделированных условиях существовавших на ранней Земле.

Сильные и слабые стороны концепции А.И. Опарина

Сильной стороной концепции является достаточно точное соответствие ее химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом добиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается не только лабораторного воспроизведения предполагаемых физико-химических условий первичной Земли, но и коацерватов, имитирующих доклеточного предка и его функциональные особенности.

Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опарин допускает возможность самовоспроизведения коацерватов при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизма наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живому не удается. Поэтому сегодня считается, что решить эту сложную проблему биологии без привлечения концепции открытых каталитических систем Руденко, молекулярной биологии, а также синергетики и кибернетики не получится.

Большинство современных специалистов убеждены, что возникновение жизни в условиях первичной Земли есть естественный результат эволюции материи. Это убеждение основано на доказанном единстве химической основы жизни, построенной из нескольких простых и самых распространенных во Вселенной атомов.

Исключительное морфологическое разнообразие жизни (микроорганизмы, растения, животные) осуществляется на единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.

Основные химические элементы, из которых построена жизнь, - это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своего строения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, "кислорода и азота имеют небольшие размеры и способны образовывать устойчивые соединения с двух- и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. Образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими.

Другие два биогенных элемента - сера и фосфор - присутствуют в относительно малых количествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов также дают возможность образования кратных химических связей. Сера входит в состав белков, а фосфор - составная часть нуклеиновых кислот.

Кроме этих шести основных химических элементов в построении организмов в малых количествах участвуют натрий, калий, магний, кальций, хлор, а также микроэлементы: железо, марганец, кобальт, медь, цинк и небольшие следы алюминия, бора, ванадия, йода и молибдена; следует отметить и некоторые исключительно редкие атомы, которые встречаются случайно и в ничтожных количествах.

Следовательно, химическая основа жизни разнообразится еще 15 химическими элементами, которые вместе с шестью основными биогенными элементами участвуют в различных соотношениях в строении и осуществлении функций живых организмов. Этот факт особенно показателен в двух отношениях:

1) как доказательство единства происхождения жизни и

2) в том, что сама жизнь, являющаяся результатом самоорганизации материи, включила в эволюцию биологических макромолекул не только все самые распространенные элементы, но и все атомы, которые особенно пригодны для осуществления жизненных функций (например, фосфор, железо, йод и др.). Как отмечает советский ученый М. Камшилов, "для осуществления функций жизни важны химические свойства ее атомов, к которым, в частности, относятся квантовые особенности". Не только структура, обмен веществ, но даже и механические действия живых организмов зависят от составляющих их молекул. Это, однако, не означает, что жизнь может быть сведена просто к химическим закономерностям.

Жизнь - одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особенно характерны обмен веществ и воспроизведение, а особенности более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней.

Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем. Сложную химическую эволюцию обычно выражают следующей обобщенной схемой: атомы - простые соединения - простые биоорганические соединения макромолекулы - организованные системы. Начало этой эволюции положено нуклеосинтезом в Солнечной системе, когда образовались основные элементы, в том числе и биогенные. Начальное состояние - нуклеосинтез - быстро переходит в процесс образования химических соединений. Этот процесс протекает в условиях первичной Земли со все нарастающей сложностью, обусловленной общекосмическими и конкретными планетарными предпосылками.

2.4 ГИГАНТСКИЕ РАСТЕНИЯ И ЖИВОТНЫЕ

Как обстоит дело с предположением о том, что в прошлом формы растительной и животной жизни должны были быть гораздо крупнее? Если экранированная Земля существовала, то в летописи окаменелостей должны быть многочисленные примеры гигантских растений и животных. Рассмотрим некоторые из таких примеров. В "Зеленом царстве" - книге, опубликованной Чайлдкрафтом, приводится ряд рисунков растений, живших в прошлом. В основе этих рисунков лежит информация, полученная из летописи окаменелостей. В книге изображены моховидные растения почти метровой длины. В наши же дни их размеры не превышают 5-8 см. Так же в книге показаны растения, похожие на гигантский аспарагус. Длинна их стеблей превышает 12 м. Корневая система этих pастений подобна волосовидным корневым системам современных луковичных растений. Очевидно, что корни этих растении не должны были углубляться далеко в почву, чтобы добывать влагу и не закреплялись в грунте с целью защиты от ветров. В летописи окаменелостей присутствуют хвощи высотой более 15 м. Хвощ растет на болотах и в наши дни, но достигает максимальной высоты от одного до полутора метров, высота папоротниковых растений в прошлом достигала более 16 м, теперешние, же папоротниковые достигают лишь высоты кустарника. В летописи окаменелостей есть также насекомые, гораздо более крупные, чем сегодняшние виды. Например, были найдены тараканы диаметром более 30 см; сохранились стрекозы с размахом крыльев более метра.

Окаменелые останки морских организмов часто гораздо более крупные, чем их сородичи сегодня. В санденском каньоне близ Нанффа (провинция Альберта в Канаде) были найдены окаменелые двустворчатые моллюски длиной более полуметра. В летописи окаменелостей есть раковины наутилоидов диаметром около 2 м. Сегодня их потомки достигают длины не более 20 см.

В разных частях Земли найдены окаменелости гигантских животных различных видов. В книге "Гиганты из прошлого", опубликованной Национальным географическим обществом, показано много таких гигантских, существ, ныне не существующих. Окаменелые останки безрогих носорогов говорят об их росте, превышающем 6 м. Свиньи достигали размеров крупного рогатого скота. Рост верблюда превышал 3,5-метровую отметку. Гигантские птицы вырастали до 3 м, а бобры достигали размеров свиньи. Ширина оленьих рогов превышала 3,5 м. Земляные ленивцы, достигающие ныне размеров средней обезьяны, в летописи окаменелостей представлены экземплярами длиной более 5,5 м.

Одной из наиболее известных особенностей летописи окаменелостей является обилие гигантских рептилий. Наиболее распространенная из них - динозавр. Рептилии вылупляются из яиц, а затем растут. Чем дольше живет рептилия, тем больших размеров она достигает. Динозавр является одним из Крупнейших существ, когда-либо живших на нашей планете. Для того, чтобы динозавр мог вырасти до таких огромных размеров, какие мы видим в летописи окаменелостей, продолжительность его жизни должна быть намного больше продолжительности жизни ныне живущих рептилий. Существование защитного экрана, несомненно, помогает объяснить то, почему животные прошлого достигали больших размеров и жили дольше.

2.5 ОСОБЕННОСТИ ЭВОЛЮЦИИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ НА РАЗНЫХ УРОВНЯХ РАЗВИТИЯ

Особенности эволюции на клеточном уровне

Рассмотрим подробнее особенности эволюции на клеточном уровне организации жизни. Наибольшее различие существует не между растениями, грибами и животными, а между организмами, обладающими ядром (эукариоты) и не имеющими его (прокариоты). Последние представлены низшими организмами - бактериями и сине-зелеными водорослями (цианобактерии, или цианеи), все остальные организмы - эукариоты, которые сходны между собой по внутриклеточной организации, генетике, биохимии и метаболизму.

Различие между прокариотами и эукариотами заключается еще и в том, что первые могут жить как в бескислородной (облигатные анаэробы), так и в среде с разным содержанием кислорода (факультативные анаэробы и аэробы), в то время как для эукариотов, за немногим исключением, обязателен кислород. Все эти различия имели существенное значение для понимания ранних стадий биологической эволюции.

Сравнение прокариот и эукариот по потребности в кислороде приводит к заключению, что прокариоты возникли в период, когда содержание кислорода в среде изменилось. Ко времени же появления у эукариот концентрация кислорода была высокой и относительно постоянной.

Первые фотосинтезирующие организмы появились около 3 млрд. лет назад. Это были анаэробные бактерии, предшественники современных фотосинтезирующих бактерий. Предполагается, что именно они образовали самые древние среди известных строматолитов. Обеднение среды азотистыми органическими соединениями вызывало появление живых существ, способных использовать атмосферный азот. Такими организмами, способными существовать в среде, полностью лишенной органических углеродистых и азотистых соединений, являются фотосинтезирующие азотфиксирующие сине-зеленые водоросли. Эти организмы осуществляли аэробный фотосинтез. Они устойчивы к продуцируемому ими кислороду и могут использовать его для собственного метаболизма. Поскольку сине-зеленые водоросли возникли в период, когда концентрация кислорода в атмосфере колебалась, вполне допустимо, что они - промежуточные организмы между анаэробами и аэробами.

С уверенностью предполагается, что фотосинтез, в котором источником атомов водорода для восстановления углекислого газа является сероводород (такой фотосинтез осуществляют современные зеленые и пурпурные серные бактерии), предшествовал более сложному двустадийному фотосинтезу, при котором атомы водорода извлекаются из молекул воды. Второй тип фотосинтеза характерен для цианеи и зеленых растений.

Фотосинтезирующая деятельность первичных одноклеточных имела три последствия, оказавшие решающее влияние на всю дальнейшую эволюцию живого. Во-первых, фотосинтез освободил организмы от конкуренции за природные запасы абиогенных органических соединений, количество которых в среде значительно сократилось. Развившееся посредством фотосинтеза автотрофное питание и запасание питательных готовых веществ в растительных тканях создали затем условия для появления громадного разнообразия автотрофных и гетеротрофных организмов. Во-вторых, фотосинтез обеспечивал насыщение атмосферы достаточным количеством кислорода для возникновения и развития организмов, энергетический обмен которых основан на процессах дыхания. В-третьих, в результате фотосинтеза в верхней части атмосферы образовался озоновый экран, защищающий земную жизнь от губительного ультрафиолетового излучения космоса.

Еще одно существенное отличие прокариот и эукариот заключается в том, что у вторых центральным механизмом обмена является дыхание, у большинства же прокариот энергетический обмен осуществляется в процессах брожения. Сравнение метаболизма прокариот и эукариот приводит к выводу об эволюционной связи между ними. Вероятно, анаэробное брожение возникло на более ранних стадиях эволюции. После появления в атмосфере достаточного количества свободного кислорода аэробный метаболизм оказался намного выгоднее, так как при окислении углеводов в 8 раз увеличивается выход биологически полезной энергии в сравнении с брожением. Таким образом, к анаэробному метаболизму присоединился аэробный способ извлечения энергии одноклеточными организмами.

Когда же появились эукариотические клетки? На этот вопрос нет точного ответа, но значительное количество данных об ископаемых эукариотах позволяет сказать, что их возраст составляет около 1,5 млрд. лет. Относительно того, каким образом возникли эукариоты, существуют две гипотезы.

Одна из них (аутогенная гипотеза) предполагает, что эукариотическая клетка возникла путем дифференциации исходной прокариотической клетки. Вначале развился мембранный комплекс: образовалась наружная клеточная мембрана с впячиваниями внутрь клетки, из которой сформировались отдельные структуры, давшие начало клеточным органоидам. От какой именно группы прокариот возникли эукариоты, сказать невозможно.

Другую гипотезу (симбиотическую) предложила недавно американский ученый Маргулис. В ее обоснование она положила новые открытия, в частности обнаружение у пластид и митохондрий внеядерной ДНК и способности этих органелл к самостоятельному делению. Л. Маргулис предполагает, что эукариотическая клетка возникла вследствие нескольких актов симбиогенеза. Вначале произошло объединение крупной амебовидной прокариотной клетки с мелкими аэробными бактериями, которые превратились в митохондрии. Затем эта симбиотическая прокариотная клетка включила в себя спирохетоподобные бактерии, из которых сформировались кинетосомы, центросомы и жгутики. После обособления ядра в цитоплазме (признак эукариот) клетка с этим набором органелл оказалась исходной для образования царств грибов и животных. Объединение прокариотной клетки с цианеями привело к образованию пластидной клетки, что дало начало формированию царства растений. Гипотеза Маргулис разделяется не всеми и подвергается критике. Большинство авторов придерживается аутогенной гипотезы, более соответствующей дарвиновским принципам монофилии, дифференциации и усложнения организации в ходе прогрессивной эволюции.

В эволюции одноклеточной организации выделяются промежуточные ступени, связанные с усложнением строения организма, совершенствованием генетического аппарата и способов размножения.