Возникновение и начальное развитие жизни на земле

9

Введение

Возраст Земли, определенный различными методами, насчитывает 6-7 млрд. лет, однако ни один из методов не является точным. Должно было пройти около 3 млрд. лет, прежде чем на Земле возникла жизнь.

Для  возникновения   и   развития   жизни   на   Земле  необходимы были наличие определенных химических веществ, источника энергии, отсутствие газообразного кислорода  и  неограниченно длительное время.

Жизнедеятельность любого организма есть, прежде всего, совокупность различных взаимосвязанных химических процессов. Поэтому на планете  жизнь  возникла только тогда, когда появились достаточно сложные молекулярные соединения. Образование таких соединений, химические реакции между которыми в конечном итоге дали начало живому веществу,  и  существование последнего стали возможны при отсутствии слишком низких  и  высоких температур, а также их резких колебаний.

 Возникновение   жизни   на   Земле  следует рассматривать как закономерный процесс эволюции соединений углерода. Органические вещества абиогенного происхождения присутствовали  на   Земле  при формировании ее как планетного тела. Абиогенное образование простейших углеводородов — первая стадия в  развитии  органической материи.

Возникновение и начальное развитие жизни на земле

Высказывалось много гипотез о происхождении Земли, согласно которым Солнце  и  планеты Солнечной системы образовались внутри космического облака. Масса Земли была первоначально очень мала, но в силу гравитации все больше частиц притягивалось и масса увеличивалась и уплотнялась. Из-за увеличения плотности частиц начала повышаться температура Земли, а затем наступило охлаждение, продолжавшееся в течение миллионов лет и сопровождавшееся образованием химических веществ. Более тяжелые вещества оседали к центру, образуя ядро Земли, а более легкие образовали оболочку Земли.

По мере охлаждения поверхность Земли затвердевала, исключая места вулканической деятельности. Благодаря большим размерам Земля имела силу притяжения, достаточную, чтобы удержать окружавшие ее газы. Это были совсем другие газы, нежели те, которые содержатся в современной атмосфере. В древней атмосфере Земли содержались вода (преимущественно в виде пара, поскольку температура Земли была высокой, чему способствовали распад радиоактивных соединений и поток ультрафиолетового излучения Солнца), пар, водород, аммиак и метан.

Как же возникла жизнь на Земле? В античные и средневековые времена было широко распространено учение о зарождении живых существ из неживого материала. Спор между мистическими учениями и развивающимся материализмом состоял лишь в трактовке этого вопроса: является ли самозарождение проявлением “духовного начала” или же это процесс естественного образования живых организмов.

В настоящее время высказано несколько гипотез о происхождении жизни на Земле. Каждая из них, имея вполне убедительные доказательства, тем не менее, требует точных научных доказательств, которыми человечество владеет еще недостаточно.

Согласно космогонической теории (гипотеза о вечности жизни или “панспермии”), зародыши жизни (споры растений и микроорганизмов) рассеяны в космическом пространстве и переносятся с планеты на планету, а на Землю попадают с метеоритами и пылью. Горячим сторонником этой гипотезы был выдающийся ученый конца XIX в. физикохимик С.Аррениус. Эту же точку зрения разделял виднейший биогеохимик академик В.И.Вернадский. Даже если жизнь существует на других планетах, трудно себе представить, что живые организмы переносятся на  Землю  без повреждений, поскольку они могут быть убиты из-за воздействия ультрафиолетовых лучей, интенсивность которых в космосе очень велика, и низкой температурой космического пространства, и, наконец, сгореть в верхних слоях атмосферы. Проверить эту гипотезу очень трудно.

В настоящее время наибольшее количество доказательств получено в пользу гетеротрофной гипотезы происхождения  жизни . Впервые современная гипотеза о происхождении  жизни  была опубликована советским биохимиком А. И .Опариным в 1924 г. Несколько позже, в 1929 г., к тем же представлениям пришел английский ученый Джон Холдейн. Эта гипотеза была подтверждена последующими научными исследованиями в разных областях биологии  и  химии. Согласно этой гипотезе, первым этапом на пути  возникновения   жизни   на   Земле  стал абиогенный (небиологический) синтез органических молекул из неорганических. В 1953 г. американские ученые Миллер  и  Юри в сконструированном ими аппарате из смеси газов (CH4, NH3 и H2) при пропускании высокого электрического разряда получили в кипящей жидкости различные органические соединения. Они имитировали условия, существовавшие на Земле  4 000 млн. лет тому назад. В жидкости были обнаружены мочевина, мочевая кислота, несколько разных аминокислот. Сходные результаты были получены советскими учеными А.Г.Пасынским и Т.Е.Павловской. Они исследовали влияние ультрафиолетовых лучей в подобных экспериментах. В течение миллионов лет возникали и разрушались бесчисленные варианты новых соединений - от простых до самых сложных и высокомолекулярных: могли быть углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты. Органические вещества были вначале в виде разбавленного раствора, а затем сгущались. Американский ученый Сидней В.Фокс в 1957 г. высказал предположение о том, что аминокислоты могут соединяться, образуя пептидные связи в отсутствии воды (дегидратационный синтез).

В настоящее время многие исследователи придерживаются точки зрения, заключающейся в том, что вскоре после  возникновения   жизни  сформировалось три надцарства: архебактерии, эубактерии (включая сине-зеленые)  и  эукариоты (грибы, растения, простейшие, животные). Вероятно, архебактерии сохранили значительное сходство с пробионтами. Они обитают в бескислородных слоях, концентрированных солевых растворах, горячих вулканических источниках. Эубактерии чрезвычайно широко представлены в биосфере. Крупным ароморфозом было  возникновение  фотосинтеза, в результате которого аэробные прокариоты (предъядерные) за короткое время освоили разнообразные условия среды. Из этой группы примерно 1,5-2 млрд. лет тому назад выделились эукариоты (ядерные).

Появление ядерных организмов - новый этап в эволюции  жизни . Одноклеточные эукариоты господствовали на протяжении примерно 700-800 млн. лет. У них сформировался митоз - один из важных ароморфозов. Последующее усложнение эукариотических клеток привело к  возникновению  полового процесса. Непрерывно шел процесс дивергенции, формы  жизни  - становились все более разнообразными. Выделилась группа простейших эукариот, из которых позднее сформировались растения, появились предковые формы животных, грибов, затем мейоз, имевший исключительное значение для последующих эволюционных проявлений.

Первая геологическая эра - архейская, продолжительностью 900 млн. лет, почти не оставила следов органической жизни. Наличие пород органического происхождения - известняка, мрамора, углистых веществ - указывает на существование в архейскую эру бактерий  и  сине-зеленых водорослей (цианобактерий) - клеточных предъядерных организмов. Они обитают в морях, но выходят и на сушу. Вода насыщается кислородом, а на суше происходят почвообразовательные процессы. Бактерии не дали начала образованию  новых группировок и остались до нашего времени обособленными. Именно в архейскую эру произошло три крупных изменения в  развитии  живых организмов: половой процесс, фотосинтез и многоклеточность. Половой процесс возник в форме слияния двух одинаковых клеток у жгутиковых, считающихся наиболее древними одноклеточными. Позднее половой процесс происходил уже при помощи специальных половых клеток - мужской и женской, которые при слиянии образуют зиготу.

В протерозойскую эру (продолжительность 2 000 млн. лет) развиваются зеленые водоросли, в том числе и многоклеточные. Остатки животного мира редки и малочисленны. Предками многоклеточных организмов, вероятно, были организмы, подобные колониальным формам одноклеточных жгутиковых, а первые многоклеточные организмы близки губкам и кишечнополостным. Известны остатки всех типов беспозвоночных животных, в том числе иглокожих и членистоногих.

В палеозойскую эру, продолжительностью 330 млн. лет (древняя жизнь), подразделяемую на несколько периодов, происходили дальнейшие эволюционные преобразования органического мира. В кембрийском периоде, кроме бактерий и одноклеточных водорослей, были распространены крупные многоклеточные водоросли. Для кембрия и ордовика характерно наличие остатков ископаемых простейших, кишечнополостных, губок, червей (три типа), иглокожих, моллюсков, членистоногих, хордовых. Силур богат остатками ископаемых трилобитов и особенно плеченогих (в настоящее время их осталось около 200 видов).

В период девона появляются челюстноротые панцирные рыбы (их потомки - современные хрящевые рыбы, например, акулы и скаты), двоякодышащие. Однако выход на сушу осуществила другая группа рыб - кистеперые. Самыми примитивными наземными позвоночными считаются древние земноводные, берущие начало от одной из групп кистеперых. На основе наследственной изменчивости в процессе естественного отбора плавники превратились в конечности для передвижения по суше. Для дыхания на суше развились легкие. Древнейшие земноводные - стегоцефалы (панцирноголовые) обитали в болотистых местах. Животные девона, как и растения, обитали во влажных местах, поэтому не могли распространяться в глубь суши и занимать места, удаленные от водоемов. Стегоцефалы соединили в себе признаки рыб, земноводных и пресмыкающихся.

В каменноугольный период произошел крупный эволюционный подъем в развитии наземной растительности. Этот период отличался теплым влажным климатом. На Земле образовались огромные леса, состоящие из гигантских папоротников, древовидных хвощевых и плауновых - высотой 15-30 м. Они имели хорошую проводящую систему, корни, листья, но их размножение еще было связано с водой. Леса каменноугольного периода образовали месторождения каменного угля.

В этот период произрастали и семенные папоротники, у которых вместо спор развивались семена. Появление семенных растений было крупным ароморфозом, определившим дальнейшую эволюцию растений. С конца каменноугольного периода в связи с усиленным горообразованием влажный климат почти повсеместно сменился сухим.

При наступлении засушливых условий в конце каменноугольного периода крупные земноводные исчезают, сохраняются лишь мелкие формы в сырых местах. На смену земноводным пришли пресмыкающиеся, более защищенные и приспособленные к существованию в условиях более сухого климата на суше. Появление древнейших пресмыкающихся - новый ароморфоз в развитии животного мира. В основном это были травоядные животные, но некоторые перешли к хищному образу жизни. Появились зверозубые рептилии, от потомков которых, полагают, произошли первые млекопитающие. Зверозубые ящеры - переходная форма.

Таким образом, в палеозойскую эру, а именно в пермском периоде, растения и животные уже вышли на сушу: это сосудистые, споровые и голосеменные растения, кистеперые рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, членистоногие (пауки, как предполагают, появились в силуре). Сухой и теплый климат пермского периода способствовал их становлению. Архейская, протерозойская и палеозойская эры дали большой фактический материал, на основании которого можно судить об основных направлениях эволюции органического мира.

В триасовом периоде мезозойской эры (продолжительность 173 млн. лет) в условиях континентального климата усилилось развитие голосеменных, у которых оплодотворение происходило уже без участия воды, что является крупнейшим ароморфозом. Для мезозойской эры характерно необыкновенно богатое развитие голосеменных растений, продолжавшееся до середины мелового периода. В связи с  увеличивающейся засухой и яркостью Солнца с середине мелового периода на первый план выходит недавно возникшая группа растений - покрытосеменные. Двудольные и однодольные растения появились уже в конце мезозоя, а в меловом периоде они начинают процветать. Для покрытосеменных растений характерен крупный ароморфоз - появление цветка, приспособленного к опылению. Идиоадаптационные изменения цветка способствовали к многочисленным частным приспособлениям к опылению. В дальнейшем происходила идиоадаптация цветка, в результате которой выработались приспособления к распространению плодов и семян, а также к уменьшению испарения воды листьями. Пышное развитие покрытосеменных растений одновременно было связано с развитием высших форм членистоногих насекомых-опылителей: бабочек, шмелей, пчел, мух и др.

Мезозойская эра характеризуется поразительным развитием и последующим очень быстрым вымиранием гигантских пресмыкающихся. На суше обитали гигантские ящеры - динозавры, живородящие ихтиозавры, крокодилы, летающие ящеры. Гигантские пресмыкающиеся быстро вымерли. Первые мелкие млекопитающие появились в триасе, их размножение осуществлялось уже путем живорождения, детенышей они выкармливали молоком. Они имели постоянную температуру и дифференцированные зубы. Предками млекопитающих были зверозубые ящеры. Первые птицы возникли в юрском периоде мезозойской эры - это были зубастые птицы. А в конце мезозоя появились уже первые настоящие птицы. Древние хрящевые рыбы в триасе были вытеснены настоящими костистыми. В результате дивергенции непрестанно увеличивалось видовое разнообразие в пределах каждой систематической группы.

Кайнозойская эра (новая жизнь) длится 60-70 млн лет. Первый ее период - палеоген, второй - неоген и третий - антропоген, который продолжается по настоящее время. В течение этой эры сформировались континенты  и  моря в их современном виде. В палеогене покрытосеменные растения распространились по всем материкам  и  пресноводным водоемам. Во второй половине этого периода начались бурные горнообразовательные процессы. Наступило похолодание, вечнозеленые леса сменились листопадными. Происходила быстрая идиоадаптация форм в различных местных условиях.