Концепции зарождения и эволюции жизни

7.1. Какие свойства присущи живым системам? Как провести границу между живой и неживой природой?

Современная биология утверждает, что любой живой системе присущи следующие основные характеристики:

1. ЕДИНСТВО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА. 98% массы приходится на 4 элемента: углерод, кислород, азот и водород. Эти элементы участвуют в синтезе биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, ферментов и т.п.).

2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ОТКРЫТОСТЬ – наличие обмена веществ (метаболизма), участие в биогенном круговороте вещества и энергии.

3. Живые системы – самоуправляющиеся, саморегулирующиеся, САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ СИСТЕМЫ.

4. Живые системы – САМОВОСПРОИЗВОДЯЩИЕСЯ СИСТЕМЫ. Они способны сохранять жизнь вида.

5. ИЗМЕНЧИВОСТЬ.

6. СПОСОБНОСТЬ К РОСТУ И РАЗВИТИЮ.

7. РАЗДРАЖИМОСТЬ живых систем – способность реагировать на сигналы (изменения) внешней среды.

8. ЦЕЛОСТНОСТЬ и ДИСКРЕТНОСТЬ. Особь – наименьшая структурная единица биологического вида. Живой организм неделим и функционирует как единое целое.

Одно из главных затруднений науки – строгое разграничение живого и неживого. Например, долгое время считалось, что характерная особенность живых организмов – наличие в них белка, так как их метаболизм определяется свойствами белков. Однако белок можно синтезировать и без участия живых организмов.

При обобщении определение жизни таково: жизнь есть МАКРОМОЛЕКУЛЯРНАЯ СИСТЕМА с определённой иерархической организацией, способностью к самовоспроизведению, обмену веществ и перераспределению потоков энергии.

7.2. Возникновение жизни на земле и формирование биосферы – одна из основных проблем современного естествознания. С помощью каких гипотез учёные пытались решить данную проблему?

В истории естествознания известно несколько подходов к объяснению механизмов зарождения и эволюции жизни на Земле. Остановимся на четырёх наиболее значимых концепциях.

1. КРЕАЦИОНИЗМ – теория самопроизвольного зарождения жизни. Данная теория долгое время господствовала в древних Китае, Египте, Вавилоне, Греции.

2. ТЕОРИЯ БИОГЕНЕЗА (СТАЦИОНАРНОГО СОСТОЯНИЯ) утверждала, что жизнь существовала всегда. Данная теория доминировала в Европе в эпоху позднего средневековья.

Я. Ван Гельмонт (XVI–XVII в.в.) описал эксперимент, в котором ему удалось из грязного белья и пшеницы в тёмном шкафу получить мышей. Активным началом зарождения мышей Ван Гельмонт считал человеческий пот. Ф. Реди (1688 г.) поместил в сосуды мясо, рыбу, змей. Часть сосудов была запечатана, часть оставалась открытой. Выяснилось, что в запечатанных сосудах никакого зарождения жизни не произошло, в открытых же завелись личинки мух. Л. Спалланцани (1765 г.) запечатал кипяченые мясные и овощные отвары. Через несколько дней он исследовал их и не обнаружил признаков жизни. Он заключил, что высокая температура уничтожила все живое, и ничего нового уже не могло возникнуть.

3. ПАНСПЕРМИЯ – теория занесения жизни из космоса (XIX-XX в.в.). Её выдвинул Г. Рихтер (1865 г.), а позже поддержали Г. Гельмгольц и С. Аррениус. Последний предположил, что «семена жизни» могли быть заброшены на Землю с других планет. Споры и другие законсервированные формы жизни благодаря давлению света могут переноситься в космическом пространстве, а жизнь могла возникать неоднократно в разное время и в разных местах Вселенной.

При изучении метеоритных материалов действительно удалось обнаружить некоторые вещества – предшественники живого, а также структуры, похожие на простейшие микроорганизмы.

Но при этом не предлагались механизмы возникновения жизни на других космических телах, а также не рассматривались механизмы защиты от космического УФ-излучения.

4. ТЕОРИЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ (А.И. Опарин, 1924 г. – см. п. 7.3). Данная теория вплоть считалась доминирующей на протяжении всего ХХ века.

7.3. В чём состоит сущность теории биохимической эволюции?

Академик А.И. Опарин явился основоположником современной модели зарождения жизни на Земле – теории биохимической эволюции. Зарождение жизни рассматривается как ЕСТЕСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС, который проходил в особых условиях, отсутствующих сейчас на Земле. Ключевыми положениями этой теории являются:

1. АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ органических соединений из неорганических и накопление «первичного бульона» в океане;

2. КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ органических веществ, образование белков и других биополимеров;

3. КОАЦЕРВАЦИЯ – образование, укрупнение и усложнение белковых коллоидных гидрофильных комплексов (коацерватов), по существу – предшественников биологических клеток;

Опарин высказал мнение, что В УСЛОВИЯХ ПЕРВИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ Земли, значительно отличающейся от нынешней, мог протекать синтез всех необходимых для зарождения жизни веществ – прежде всего, в океане. В далекие геологические эпохи условия на поверхности Земли резко отличались от современных. Первичная атмосфера состояла преимущественно ИЗ АММИАКА, ВОДЫ, МЕТАНА, УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА. Отсутствие кислорода придавало ей восстановительные свойства, что облегчало синтез и сохранность органических веществ.

Через атмосферу легко проникало коротковолновое солнечное УФ-излучение. Иными были и температурные условия – в насыщенной водяными парами атмосфере шли электрические разряды. Именно в таких условиях и мог произойти абиогенный синтез органических соединений. В океанах постепенно накопились органические вещества и образовался, по выражению Опарина, «первичный бульон», в котором затем возникла жизнь.

Гидросфера Земли, включающая Мировой океан, возникла из паров мантийного материала. Первые порции конденсированной воды на Земле имели повышенную кислотность. Они представляли собой раствор с высоким содержанием ионов галогенов (фтор, хлор, бром, иод) которые и сейчас присутствуют в морской воде.

Но главный вопрос – механизм перехода от неживого к живому – теория Опарина все же оставила открытым. Предполагалось, что главная роль принадлежала белкам – они образовывали капли-коацерваты.

Эти структуры могли обмениваться веществами с окружающей средой и накапливать различные соединения. Различие состава коацерватов открывало возможности для биохимического естественного отбора. В самих каплях происходили дальнейшие химические превращения попавших туда веществ. На границе капель с внешней средой выстраивались молекулы жиров (липиды), образуя примитивную мембрану – защитную оболочку.

При включении в коацерват или при образовании внутри него первой молекулы, способной к самовоспроизведению тем или иным путем, появлялась первая клеткоподобная структура. Коацерватные капли могли расти и даже размножаться – капли, ставшие большими, делились на две или больше частей. Такие образования А.И. Опарин называет «протобионтами», т.е. предшественниками живых организмов.

Рост размеров коацерватов и их деление могли привести к образованию идентичных копий коацерватов. Они также поглощали компоненты окружающей среды, и процесс продолжался. Таким путем мог возникнуть первый гетеротрофный организм, использовавший для питания органические вещества «первичного бульона».

Таким образом, ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ произошли ОТ НЕЖИВОЙ ПРИРОДЫ (абиогенный процесс), причем биологической эволюции предшествовал длительный период химической эволюции – период образования и усложнения молекул органических соединений.

7.4. Экспериментальным подтверждением ряда идей биохимической эволюции служат опыты американских ученых С.Л. Миллера и Г.К. Юри. В чём состояли эти опыты?

Американские ученые С.Л. Миллер и Г.К. Юри в 1953 г. экспериментально получили некоторые низкомолеулярные вещества, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров воды. Эта смесь была моделью первичной атмосферы (газообразные ВОДОРОД, АММИАК И МЕТАН). Как видно, в смеси ОТСУТСТВОВАЛ КИСЛОРОД – этот газ появился в атмосфере значительно позже, по мере развития зелёных растений, для которых был характерен процесс фотосинтеза.

Электрические разряды имитировали грозовую активность – возможный источник энергии для химических реакций на первобытной Земле. Потребовалась всего неделя, чтобы в «океане» обнаружилось много различных органических соединений, в том числе рибоза и другие простые сахара, а также аминокислоты и азотистые основания.

В схожем опыте другая группа учёных получила короткие НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ (олигонуклеотиды). Стало понятно, что основные органические вещества-мономеры, необходимые для возникновения полимерных молекул нуклеиновых кислот и белков, действительно могли быть химически получены в условиях пребиотического (еще лишенного жизни) мира. В отсутствие кислорода, который мог бы их разрушить, а также бактерий и грибов, которые использовали бы их в качестве пищи, эти вещества действительно должны были накапливаться в первобытном океане до консистенции бульона.

При нагревании сухой смеси аминокислот удалось получить цепи аминокислот – ПРОТЕНОИДЫ (т.е. белкоподобными веществами). Некоторые протеноиды способны действовать подобно ферментам – катализировать биохимические реакции. Возможно, именно эта способность была главной чертой, определившей их последующую эволюцию вплоть до возникновения настоящих ферментов.

Смешанные в воде разные виды полимеров могли объединиться и образовать более крупные структуры. Чтобы превратиться в клетку, этот агрегат должен был обладать хотя бы зачатками свойств клетки:

· наличием липидно-белковой мембраны, отделяющей клетку от окружающей среды и осуществляющей обмен различными веществами между клеткой и средой;

· наличием белков, способствующих этому обмену со средой, выполняющих роль структурных белков и катализирующих бесчисленные биохимические реакции в клетке;

· наличием нуклеиновых кислот, содержащих информацию для синтеза определенных белков.

7.5. Какие основные этапы можно выделить в эволюции жизни на Земле?

К настоящему времени эволюционный путь земной жизни представляется достаточно хорошо изученным. Биологическая эволюция представляется неразрывно связанной с эволюцией планеты Земля, со сменой геологических эпох (Рис. 13). Развитие жизни по пути усложнения стало логическим продолжением возникновения предшественников живых организмов («протобионтов» – п. 7.3). В эволюции жизни на Земле можно выделить восемь этапов:

1. ПОЯВЛЕНИЕ ПРОКАРИОТ – простейших безъядерных клеток. Около 3,9 млрд. лет назад появились первые одноклеточные организмы, которые, вероятно, были сходны с современными бактериями и архебактериями. Прокариотные клетки не имеют оформленного ядра и специализированных органелл, в их желеподобной цитоплазме располагаются макромолекулы ДНК – носители генетической информации, и рибосомы, на которых происходит синтез белка, а энергия производится на цитоплазматической мембране, окружающей клетку.

2. ПОЯВЛЕНИЕ ЭУКАРИОТ – клеток с оформленным ядром. На это потребовалось почти 2 млрд. лет. Наиболее логичным путём усложнения одноклеточных организмов представляется поглощение других прокариотных клеток. Одни из них – аэробные бактерии – превратились в митохондрии (энергетические станции кислородного дыхания). Другие – фотосинтетические бактерии – начали процесс фотосинтеза (выработки органических веществ из углекислого газа и воды под действием солнечного света) внутри клетки-хозяина и стали хлоропластами в клетках водорослей и растений. Эукариотные клетки, имеющие в своём составе эти органеллы и четко обособленное ядро, включающее генетический материал, составляют все современные сложные формы жизни – от плесневых грибов до человека.

3. ОБЪЕДИНЕНИЕ клеток-эукариот С ОБРАЗОВАНИЕМ МНОГОКЛЕТОЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ; функциональная дифференциация клеток в организмах. 1,2 млрд. лет назад произошел взрыв эволюции, обусловленный появлением полового размножения и ознаменовавшийся появлением высокоорганизованных форм жизни – растений и животных. Образование новых вариаций в смешанном генотипе, возникающем при половом размножении, проявилось в виде увеличения биоразнообразия.

Рис. 13. Представление биогеохимической связи эволюции живого и планеты Земля в виде «спирали времени». Шкала времени выражена в миллионах лет [2]

4. ПОЯВЛЕНИЕ ОРГАНИЗМОВ С ТВЕРДЫМИ СКЕЛЕТАМИ. Появились органические беспозвоночные формы с твердым скелетом (моллюски, членистоногие). Затем появляются хордовые животные – земноводные, примитивные рептилии, рыбы, птицы, млекопитающие.

5. ВОЗНИКНОВЕНИЕ у высших животных развитой НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ.

6. ФОРМИРОВАНИЕ МОЗГА.

7. ФОРМИРОВАНИЕ РАЗУМА – высшей формы мыслительной деятельности мозга.

8. ОБРАЗОВАНИЕ СОЦИАЛЬНОЙ ОБЩНОСТИ ЛЮДЕЙ.

7.6. В чём состоит сущность теории эволюции Ч. Дарвина?

В основе теории эволюции Ч. Дарвина (XIX в.) – понятие наследственности, которое понимается как свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом. НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ обеспечивают постоянство и многообразие форм жизни; они лежат в основе эволюции живой природы. Дарвин усматривал главные причины эволюции в борьбе за существование и естественном отборе.

Понятие «борьба за существование» отражает те факты, что каждый вид производит больше особей, чем их доживает до взрослого состояния, и что каждая особь в течение своей жизнедеятельности вступает во множество отношений с биотическими и абиотическими факторами среды.

Дарвин выделял три взаимосвязанных вида БОРЬБЫ ЗА СУЩЕСТВОВАНИЕ:

1. ВНУТРИВИДОВУЮ;

2. МЕЖВИДОВУЮ;

3. Борьбу С НЕБЛАГОПРИЯТНЫМИ УСЛОВИЯМИ неживой природы.

Изменчивость по Дарвину – основной природный инструмент эволюции. При этом на первое место по значению для эволюции видов Дарвин поставил индивидуальную (неопределенную) изменчивость.

Неизбежным и логичным результатом борьбы за существование и наследственной изменчивости является ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР – процесс выживания и воспроизведения организмов, наиболее приспособленных к условиям среды, и гибель неприспособленных особей.

Слабым местом в учении Дарвина были представления о наследственности. Закономерности и физические механизмы передачи наследственных признаков были раскрыты другими учёными.

7.7. В чём состоит сущность синтетической теории эволюции? Что такое микро- и макроэволюция?

Синтетическая теория эволюции (СТЭ) – современная эволюционная теория, которая является синтезом различных дисциплин, прежде всего, генетики и дарвинизма. СТЭ отличается от дарвиновской теории по ряду важнейших пунктов:

1. СТЭ выделяет ЭЛЕМЕНТАРНУЮ СТРУКТУРУ, с которой начинается эволюция, – ПОПУЛЯЦИЮ (совокупность индивидов одного вида, способных скрещиваться между собой). В дарвиновской теории такой элементарной единицей являлась отдельная особь или вид, состоящий из нескольких популяций;
2. В качестве результата процесса эволюции СТЭ рассматривает ИЗМЕНЕНИЕ ГЕНОТИПА популяции;
3. СТЭ шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции, выделяя среди них основные и неосновные. К ведущим факторам относятся МУТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ПОПУЛЯЦИОННЫЕ ВОЛНЫ численности (колебания популяции во времени) И ИЗОЛЯЦИЯ.
4. Материалом для эволюции являются МУТАЦИОННАЯ И РЕКОМБИНАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ.
5. Естественный отбор рассматривается как ГЛАВНАЯ ПРИЧИНА развития адаптаций, образования новых видов и происхождения надвидовых структур (таксонов).
6. ДРЕЙФ ГЕНОВ и принцип основателя выступают причинами формирования нейтральных признаков.

Таким образом, синтетическую теорию эволюции можно охарактеризовать как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически.

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ВИД – система популяций, репродуктивно изолированных от популяций других видов. Каждый вид экологически обособлен. Образование новых видов заключается в возникновении генетических изолирующих механизмов и осуществляется преимущественно в условиях географической изоляции.

Важнейшим фактором эволюции в СТЭ является МУТАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС. Теория исходит из признания неоспоримого факта, что основную массу эволюционного материала составляют РАЗЛИЧНЫЕ ФОРМЫ МУТАЦИЙ (п. 8.5) – случайных, стихийных, ненаправленных изменений наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызванных искусственными средствами (например, действием ядов или ионизирующих излучений).

Аппарат наследственности сформирован отдельными структурными и функциональными единицами – генами (п. 8.3) и в идеале передается по наследству без изменения.

7.8. В чём состоят принципиальные отличия между социально-культурной и биологической эволюцией человека?

Человек как биосоциальный вид занимает особое место на планете Земля и эволюционирует в двух взаимосвязанных направлениях: биологическом и социально-культурном.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕКА подчиняется общим закономерностям в рамках синтетической теории эволюции, а именно:

· Человек находится в зависимости от окружающей среды и постоянно взаимодействует с её компонентами.

· Факторами биологической эволюции человека выступают наследственность и изменчивость.

Принципиальные отличия социально-культурной эволюции от биологической состоят в следующем:

· СОЦИАЛЬНО-КУЛЬТУРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ наследуется целенаправленно через обучение;

· В процессе развития человека влияние биологической эволюции убывает, а социально-культурной – возрастает;

· Знания, идеи, технологии распространяются по всей популяции быстрее, чем генетическая информация.

Эволюция человеческой линии была по меркам природы молниеносной – в сравнении с длительным периодом зарождения и эволюции земной жизни (3,5 млрд. лет). Она заняла не более 10 млн. лет, а разделение ветвей человека и шимпанзе произошло порядка 4 млн. лет назад.

Долгое время считалось, что эволюция человека происходила по более-менее линейному сценарию: одна форма сменяла другую, и каждая новая была более прогрессивной, всё сильнее приближаясь к современному человеку. Но с помощью многочисленных исследований удалось установить, что на самом деле эволюционное древо пралюдей оказалось разветвленным (Рис. 14). На нём обнаруживаются ветви, существовавшие параллельно, но отмершие в результате естественного отбора. Например, тупиковой ветвью развития рода «человек» оказались неандертальцы.

Генетически доказано, что всё современное человечество произошло от довольно малочисленной группы людей. Также учёными получены подтверждения того, что за время эволюции человека проходили сильные (катастрофические) колебания численности человеческой популяции, связанные с несколькими экологическими кризисами (п. 9.9).

Рис. 14. Генеалогическое древо человека. Обозначения: 1 – плезиадацис, 2 – дриопитек африканский, 3 – рамапитек, 4 – австралопитек, 5 – австралопитек войсен, 6–7 – Человек прямоходящий (Homo erectus), 8 – неандерталец, 9 – Человек разумный (Homo sapiens), 10 – современный человек [91]