Концепции происхождения жизни на Земле.

По вопросу происхождения жизни существует две основные группы гипотез:

жизнь как творение (креационизм) и жизнь как итог естественного природного эволюционного процесса.

Божественное сотворение мира, в том числе и жизни, излагаемое в Библии, обычно не служит объектом изучения или наблюдений какой-либо из наук. Поэтому креационизм как основа сегодняшнего мира не рассматривается в данном пособии.

В то же время, другая точка зрения, утверждающая, что жизнь – это продукт эволюции материи имеет длительную историю. Взгляды на то, что жизнь может зарождаться самопроизвольно, существовали еще в древнем Китае, древнем Египте и других государствах Востока. В частности, Аристотель в четвертом столетии до н.э. был сторонником теории спонтанного происхождения жизни считая, что жизнь может зарождаться в гниющем мясе, болотной тине и т. д. Такая точка зрения просуществовала слишком долго, около 2 тыс. лет. Впервые, лишь в 1688 году экспериментально итальянский биолог и врач Франческо Реди установил, что белые червячки в гниющем мясе это личинки мух, подтвердив тем самым идею биогенеза, что жизнь может развиваться только от жизни. Аналогичные эксперименты, проведенные позднее Ладзаро Спалланцани (1765 Г.) и Луи Пастером (1860 г.) опровергли теорию спонтанного зарождения жизни.

Тем не менее, в двадцатом веке ученые вновь обратились к теории самопроизвольного зарождения жизни на Земле. Они полагали, что образование органических веществ и возникновение жизни - закономерный шаг в эволюции вещества. Как это происходило?

Для создания живых организмов, как отмечалось ранее, природа «предпочла» в основном 6 элементов (углерод, водород, кислород, фосфор, азот и серу), а из всего разнообразия органических соединений, в построении живых организмов принимают участие всего несколько десятков аминокислот, пуриновых, пиримидиновых оснований и сахаров.

В условиях ранней Земли из первичной атмосферы планеты легкие газы - водород, гелий, азот, кислород и аргон - из-за слабого гравитационного поля улетучивались. В то же время, некоторые соединения – аммиак, двуокись углерода и метан - содержавшие те же элементы, удерживались. Другими словами, атмосфера Земли была восстановительной. И, как считают исследователи, только такие условия - отсутствие кислорода, относительно низкая температура и наличие воды, могли быть приемлемыми для возникновения жизни. Исследования горных пород показывают, что атмосфера Земли на ранних этапах развития была восстановительной. Об этом свидетельствует факт наличия в древних породах металлов в восстановленной форме, тогда как в более поздних горных породах металлы окисленные. В современных условиях образование органических веществ из неорганических – большая редкость. Однако в первичной атмосфере Земли, где преобладали углекислый газ, пары воды, водород, аммиак и метан процессы образования органических веществ под воздействием электрических разрядов и мощного ультрафиолетового облучения, были обычным явлением. Этому способствовало отсутствие кислорода (появление которого на Земле связывают исключительно с фотосинтезом) и живых организмов, которые использовали бы эти вещества в качестве пищи.

Начало физико-химическим процессам образований соединений, формирующим живые организмы (аминокислот, нуклеиновых оснований, углеводородов), положила теория А. И. Опарина, объясняющая самопроизвольное происхождение жизни на Земле.

А. Опарин в начале 20-го века в своей теории показал возможный путь образования органических веществ из неорганических компонентов. Он полагал, что органические вещества (углеводороды) создавались в океане. Этому способствовало отсутствие озона в атмосфере и свободно, проникавшее жесткое излучение солнца, именно та энергия, которая необходима была для синтеза органических веществ.

В 1953 году С. Миллер в экспериментальных условиях синтезировал сложные органические вещества. Он создал в колбе предполагаемую первичную атмосферу Земли (метан, аммиак, водяные пары, водород), а затем, пропуская электрические разряды высокого напряжения получил многие аминокислоты, белок аденин и простые сахара типа рибозы. Позднее другие ученые в сходных условиях, но при использовании лишь углекислого газа, паров воды и следов других газов получили вещества аналогичные тем, которые были получены в экспериментах С. Миллера. Однако эти эксперименты пока не подтвердили гипотезу о самопроизвольном зарождении жизни. От органических веществ до возникновения жизни путь слишком большой или даже невозможный. Математический анализ показывает, что образование живых систем - невероятное событие. Тем не менее, живые организмы населяют землю и возможно не только землю.

В этом плане интересны взгляды Опарина. Он полагал, что в воде постепенно накапливались органические вещества «первичный бульон», в котором и возникла жизнь. Решающая роль в возникновении живого из неживого отводилась белкам. Благодаря амфотерности белковых молекул, они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов. Они, притягивая к себе молекулы воды и тем самым, формировали оболочку вокруг себя. Объединенные комплексы или коацерваты, как называл их А. Опарин, были способны обмениваться веществами с окружающей средой и избирательно их накапливать. Предполагалось также, что коацерваты поглощали металлы и таким образом могли возникнуть ферменты. На границе коацерватов аккумулировались липиды, тем самым, формируя примитивную клеточную мембрану и одновременно, придавая образованию некоторую стабильность. Крупные коацерваты могли делиться с последующим поглощением веществ из внешней среды и восстановлением размеров. Предполагается, что таким путем могли возникнуть примитивные живые формы, питающиеся гетеротрофно и способные к размножению делением.

Тем не менее, сложные органические соединения – это еще не жизнь. Она невозможна без механизма репликации, т. е. без механизма передачи наследственности потомкам и без наличия обменных процессов. Механизмы данных явлений очень сложны и вероятность их самопроизвольного создания бесконечно мала. В частности, английские астрономы Ф. Хойл и Ч. Викрамасингх утверждают, что вероятность образования ста ферментов меньше, чем число атомов во всех звездах Вселенной. Хорошо известно, что в каждом организме боле тысячи ферментов и без них невозможны ни репликация, ни любые обменные процессы, свойственные живым организмам. В итоге рассмотрения различных теорий, мы видим доказательства самопроизвольного образования органических веществ при определенных обстоятельствах, которые могли быть в космосе в различных его уголках. С другой стороны, различные теории самопроизвольного возникновения жизни малоубедительны.

 

Эволюция жизни на Земле.

 

По палеонтологическим исследованиям жизнь на планете Земля появилась около 3,8 млрд. лет назад. Первыми организмами были прокариотные гетеротрофные формы. Затем возникли автотрофы – синезеленые водоросли или цианобионты, преобразующие солнечную энергию при фотосинтезе в органическое вещество. Исследования также показывают, что жизнь на планете в качественном отношении во времени существенно изменялась.

Изучение истории развития жизни на Земле по палеонтологическим остаткам подтверждает эволюцию и смену типов жизни (эр, периодов и т. д.). Наблюдаемые изменения происходили из-за изменения условий жизни, обусловленных эволюцией самой Земли (формирования ядра, коры, вулканической деятельности, остывания и т. д.) и изменением условий определяемых вращением Земли вместе с солнечной системой вокруг центра Галактики. Это вращение проходит не по круговой орбите, а эллиптической. Земля в разных точках орбиты испытывает различное воздействие галактических гравитационных сил, которые в свою очередь вызывают изменение эндогенных процессов в той или иной мере изменяющих облик планеты, климат и историю жизни на ней.

Развитие органического мира в сочетании с тектоническими и другими факторами развития Земли (трансгрессии и регрессии моря, вулканическая деятельность, соотношение суши и моря и т. д.) послужили основой для выделения отрезков времени, образующих единую геохронологическую шкалу. Каждый из этих отрезков имеет свой специфический набор ископаемых организмов, позволяющий отличать один отрезок времени от другого. В то же время по ископаемым остаткам можно проследить этапы развития органической жизни на Земле.

 

Археозойский эон.

 

Продолжительность археозоя более 2100 млн. лет. В это время произошло формирование гидросферы, литосферы, атмосферы и биосферы. Ученые отмечают, что именно к этому времени можно отнести достоверные находки жизни. По итогам изотопного анализа предполагается, что возникновение первых наземных организмов произошло около 3,8 млрд. лет назад.

В это время на Земле появились первые безъядерные организмы – прокариоты, представленные бактериями и цианобионтами или как их чаще называют синезелеными водорослями. Остатки жизнедеятельности тех бактерий представлены сегодня железорудными месторождениями, фосфоритами, графитами, а синезеленых - известняками (строматолитами и онколитами).

 

Протерозойский эон.

 

Продолжительность протерозоя несколько меньше археозоя и составляет около 1800 млн. лет. Он подразделяется на ранний, средний и поздний протерозой. В его составе выделяют рифей продолжительностью 1000 млн. лет и венд продолжительностью 80 млн. лет. С эволюционных позиций сделан колоссальный шаг - в этом эоне появляются уже ядерные, в большинстве случаев одноклеточные грибы, растения и животные. Одновременно с этим получают развитие и организмы, зародившиеся в археозое. В течение протерозоя, особенно в рифее увеличилось разнообразие прокариотных организмов, бактерий и цианобионтов. Продукты жизнедеятельности их те же, но представлены они громадными глобальными толщами осадочных пород.

 

Вендский период.

Этот период продолжался около 80 млн. лет и его выделяют отдельно, т. к. в это время разнообразие цианобионтов, растений и растений резко возросло. Среди растений встречаются уже многоклеточные низшие формы, по-видимому, относящиеся к зеленым водорослям. Животные этого периода не имели минерального скелета. Среди животных этого времени встречаются губки, полипы и медузы, черви, членистоногие и иглокожие. Особенность вендского периода заключается в первом появлении и развитии мягкотелых безскелетных животных. В отдельных научных работах вендский период относят к фанерозою.

 

Фанерозойский эон.

Продолжительность фанерозоя около 570 млн. лет. Его начало совпадает с массовым появлением скелетной фауны, представленной почти всеми типами животных. Его делят на три эры: палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую.

Продолжительность палеозойской эры около 340 млн. лет. В данной эре выделяют несколько периодов: кембрийский, ордовикский, силурийский, девонский, каменноугольный и пермский. К ярким особенностям палеозоя относят и появление, и вымирание риниофитов – первых наземных растений, имевших ряд примитивных черт. Настоящие листья и корни у них отсутствовали. Функцию фотосинтеза осуществляли зачаточные листья, представлявшие собой выросты покровных тканей.

Среди животных, появившихся и вымерших в палеозое были археоциаты, близкие по уровню развития к губкам. Археоциаты - это одиночные и колониальные животные, оставившие после себя громадные толщи известняков, которые позднее в результате перекристаллизации образовали различные виды мрамора. Одна из самых интересных групп животных, вымерших в палеозое, это трилобиты - достаточно высокоорганизованные членистоногие и граптолиты, близкие по уровню организации к высокоорганизованным, вторичноротым животным – иглокожим. В палеозое появились такие широко распространенные сегодня животные как форамениферы, радиолярии, кораллы, насекомые, двустворчатые и брюхоногие моллюски, рыбы.

Продолжительность мезозойской эры около 185 млн. лет. В ней выделяют – триасовый, юрский и меловой периоды. В мезозое происходит дальнейший расцвет большинства форм, появившихся в палеозое: фораминифер, раковинных головоногих моллюсков, рептилий, наземных растений. В юрский период шел процесс интенсивного углеобразования, сравнимый, по своим масштабам, с каменноугольным.

Кайнозойская эра продолжается уже около 65 млн. лет. В ней выделяют палеогеновый период, продолжительностью около 40 млн. лет, неогеновый период – около 23 млн. лет и четвертичный период или антропогеновый - около 2 млн. лет.

Яркой особенностью кайнозоя является развитие покрытосеменных или цветковых растений и млекопитающих или плацентарных животных. В кайнозое развивались и приматы, эволюция которых завершилась образованием Человека разумного.

 

Антропогенез.

Впервые гипотезу о животном происхождении Человека от древних человекообразных обезьян в результате перехода к прямохождению высказал Ж.Б. Ламарк. Другой великий ученый того времени, основатель первой классификации живых организмов Земли, К. Линней отнес высших обезьян шимпанзе, гориллу и Человека даже к одному роду.

Сегодня представляется, что эволюция человека или антропогенез – это достаточно длительный процесс, начавшийся от примитивных обезьяноподобных форм. Самые древние находки предков человека, узконосых обезьян, близких к примитивным приматам, лемурам, встречаются в осадочных породах возрастом 40 млн. лет в Восточном Алжире. Достоверные находки фрагментов скелета высших человекообразных обезьян (в основном зубы) известны из пород миоцена возрастом в 20 – 9 млн. лет. Сегодня ученые – антропологи называют их дриопитеками (лесными обезьянами). Опираясь на наличие прогрессивных черт в их строении, они считают, что именно данные обезьяны были в основании эволюционной ветви, давшей в последствие Человека. Дриопитеки имели хорошее бинокулярное цветное зрение, хватательные задние и передние конечности, хорошо развитую центральную нервную систему.

Все эти прогрессивные черты, но в более развитом виде встречаются и у более поздней стадии эволюционной линии Человека – австралопитека (Australopithecus). Становление этих обезьян происходило 9 – 5 млн. лет назад. Эти приматы жили в эпоху, когда тропические леса Африки стали отступать на север и их место заняли саванны и сухие степи. Австралопитеки были стадными некрупными (до 50 кг) животными. Судя по строению их тазовых костей, они уже обладали двуногой походкой, но имели примитивные черты - строение зубов, маленький мозг и т. д. не позволяющие отнести их к роду Человека.

От австралопитеков, где-то около 2,5 млн. лет назад, отделилась ветвь, давшая начало роду человека. Представителей ветви назвали человек умелый (Homo habilis), поскольку они уже умели изготовлять примитивные орудия и имели достаточно большой мозг объемом 500 – 800 см³.

Многочисленные находки более поздних представителей линии человека (синантропа, питекантропа, человека гейдельбергского) называют человеком распрямленным (Homo erectus) или архантропом. Эти люди в период между 1,5-0,5 млн. лет назад жили везде кроме Америки и Австралии. Они были активными охотниками. Их рост составлял 165-170 см, а объем головного мозга был близок к объему мозга современного человека - 750-1300 см³. У архантропов, очевидно, развивалась речь, т.к. в их лобных долях полушарий имелся центр Брока, а в височных долях – центр Вернике, ответственных за понимание звуковых сигналов. Повреждение их у современных людей приводит к афазии – потере речи и ее понимания.

Антропологи наших дней считают, что формирование современных людей (Homo sapiens) произошло в Африке где-то около 100 тыс. лет назад. В Европу они проникли гораздо позднее, около 40 тыс. лет назад. Вообще палеонтологи склоняются к мысли, что вся эволюция Человека прошла в Африке, о чем и свидетельствуют многочисленные научные факты. В частности, изменчивость митохондриальной ДНК как наиболее показательного фактора эволюции. Согласно проведенных исследований, расселение по всему свету началось от небольшой группы людей, локализованных первоначально в районе северо-восточной, или (и) центральной Африки. По многим генетическим признакам получается, что общий предок Человека жил в тех местах около 90-100 тыс. лет назад и тогда же началось разделение людей на два ствола: большего – монголоидного и меньшего – европеоидно-негроидного. С того момента прошло достаточно много времени, обусловившего эволюцию Человека в отдельных регионах, и сегодня ученые уже выделяют 5 рас: европеоидов, монголоидов, негроидов, америнд или американских индейцев и австралоидов.

Развитие биологии.

 

В истории развития биологии можно выделить четыре основных этапа, систематики (К. Линней), эволюционный (Ч. Дарвин), биологии микромира (Г. Мендель) и биосферный (В.Вернадский).

Этап систематики.

Развитие биологии как науки началось еще в древнем Риме и Греции и долгие годы носило описательный характер. Много растений и животных было идентифицировано в то время. Большой вклад в развитие биологических знаний внес Аристотель (384 – 322 до н. э.). В его 15 трактатах с исчерпывающей полнотой, охвачен весь круг знаний того времени об организмах. Это позволяет считать его основателем биологии как науки. Существенный вклад в развитие биологии внесли в первом и втором веках новой эры римский натуралист - Плиний и греческий врач - Гален. Их труды использовались как образцовые более тысячи лет, хотя, и это естественно, в них было много ошибок.

В средние века, с пятого по пятнадцатый, развитие науки происходило в борьбе между рациональным и теолого-мистическим направлениями по отношению к природе.

В эпоху Возрождения в связи с новыми открытиями биология получает дополнительные возможности для развития. В это время проводятся тщательные исследования строения, функций и образа жизни растений и животных. В частности, научные разработки Везалия (1514 – 1564 г.), Гарвея (1578 – 1657 г.) и Хантера (1728 – 1793 г.) позволили достаточно полно изучить строение и функции человека и животных. Позднее в работах Мальпиги (1628 – 1694 г.), Левенгука (1632 – 1723 г.) были отражены серьезные достижения в области тонкого строения растительных клеток, и бактерий. Все достижения в эти годы проходили под знаком неизменности природы и встречающихся в ней видов. Шло постепенное накопление и обобщение знаний о многообразии растительного и животного мира планеты. В этом убеждает нас во многом искусственные, но подытоживающие первый этап в развитии биологии системы живых организмов, предложенные шведским натуралистом Карлом Линнеем и французским естествоиспытателем Жоржем Бюффоном. В предложенных системах еще слабо учитывались происхождение и развитие организмов, хотя Ж. Бюффон был ближе к этим взглядам. Тем не менее, эти работы имели громадное значение для развития биологии. Начались более интенсивные поиски естественных критериев для систематики живых организмов, способствовавших развитию теории эволюции. Попытки создания естественной системы на основе эволюционных критериев были предприняты Ж. Б. Ламарком и Э. Ж. Сент-Илером. На сегодняшний день систематика как наука о классификации, опираясь на достижения ботаники, зоологии, палеонтологии, генетики и т. д. создала естественную классификацию живых организмов Земли. Основными иерархическими единицами, принято считать следующие таксономические категории:

Надцарство.

Царство

Тип.

Класс.

Отряд.

Семейство.

Род.

Вид.

 

В систематике самой низкой таксономической единицей является – вид. Самой крупной – надцарство. Всего их два, надцарство прокариот – безъядерные живые организмы (царство бактерии и сине-зеленые водоросли) и надцарство эукариот организмы, имеющие оформленное ядро (царства растения, животные и грибы).

Эволюционный этап.

Именно благодаря работам Ж. Б. Ламарка, идеи эволюционизма, с конца 18-го века, стали проникать в биологию. Он как величайший ученый впервые разработал целостную эволюционную концепцию. Большой заслугой Ламарка было то, что он подчеркнул неразрывную связь организмов со средой их обитания, объясняя изменения организмов действием внешних факторов. В будущем, в создании теории эволюции также была использована работа английского священника Томаса Мальтуса «Трактат о народонаселении», где отмечалось, к чему бы привел рост населения, если бы он ничем (имеется ввиду условия среды) не сдерживался. Дарвин перенес такой подход и на другие организмы, тем самым, открыв механизм эволюции путем естественного отбора. Чарльз Дарвин, обобщив весь накопленный к тому времени научный материал и использовав, материалы естествоиспытателя Альфреда Рассела Уоллеса, создал стройную теорию эволюции живых форм на Земле. Согласно теории эволюции все многообразие живой природы является результатом действия трех факторов: изменчивости, наследственности и отбора.

 

Изменчивость неотъемлемое свойство живого.Даже в потомстве одной пары родителей не встречается совершенно идентичных детей. При благоприятных условиях имеющиеся различия могут не оказать влияния на развитие и выживаемость особей. При неблагоприятных условиях имеющиеся различия могут оказать решающее влияние на выживаемость и участие особей в размножении, т. е. на закреплении имеющихся различий в потомстве.

Наследственность дает возможностьотсеивать часть родившихся особей в борьбе за существование. В природе каждая пара особей производит гораздо больше потомков, чем может выжить. В процессе жизнедеятельности организмы вступают в многообразные отношения с особями внутри семьи, вида, других видов и факторами внешней среды. Все эти взаимоотношения Ч. Дарвин назвал борьбой за существование.

Отбор способствует выживанию наиболее приспособленных особей. Сформулированный принцип естественного отбора остается в современной биологии основополагающим принципом.

Со времен Ч. Дарвина теория эволюции является основой развития различных разделов теоретической биологии и практики: сравнительной анатомии, эмбриологии, систематики, эволюционной палеонтологии, генетики, селекции, синтетической теории эволюции и т. д.

В настоящее время вопросы эволюции интенсивно изучаются на молекулярном уровне с помощью различных методов генетики, биохимии, а также на популяционном уровне, т. е. на уровне развития совокупностей особей одного вида.

 

Этап биологии микромира.

Особенно интенсивно эти исследования стали проводиться после открытия в 1865 году чешским естествоиспытателем Г. Менделем количественных закономерностей в передаче наследственных признаков потомкам и обоснования в начале 20-го столетия Т. Г. Морганом хромосомной теории наследственности. Известно, что в каждой клетке любого организма содержится определенное число хромосом, ответственных за передачу наследственных признаков. Основу хромосом составляют нуклеиновые кислоты (фосфорсодержащие биополимеры), состоящие из углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора. Каждая хромосома представляет собой две совместно правозакрученных спиральных полинуклеотидных цепи. Число хромосом у разных видов растений и животных может колебаться от 2, как у одного из круглых червей, до 1600 у радиолярий. Обычно их число не превышает нескольких десятков. К примеру, у дрозофилы – 8 хромосом, у садового гороха – 14, кукурузы – 20, крысы – 42, человека – 46, картофеля – 48, человекообразных обезьян – 48.

Процесс эволюции осуществляется путем изменения генов (мутаций). Мутации подразделяются на геномные (изменение количества хромосом), хромосомные (изменение структуры хромосом) и генные (изменение молекулярной структуры гена). Обычно мутации летальны. Положительные мутации (повышающие приспособляемость и жизненность организма) встречаются относительно редко и это,

прежде всего, генные мутации. При некоторых обстоятельствах, они, путем отбора, могут сохраняться у потомства и определять историческое развитие данного вида организмов. Именно они - основа прогрессивной эволюции.

 

Современные направления развития генетики и вопросы биоэтики.

Особенно бурно развивается в последнее десятилетие генетика человека и генная инженерия. Совсем недавно, в начале третьего тысячелетия, полностью расшифрован геном человека, составлены его генетические карты.

Генная инженерия - область молекулярной генетики, связанная с разработкой методов получения генов с заранее заданными свойствами и их вживление в геном реципиента с целью получения необходимых качеств у живых организмов. Если такой процесс будет удачным, то организм получит информацию, содержащуюся в новом гене. В частности, таким методом на микроорганизмах получают несвойственные им белки: инсулин, интерферон, гормон роста и т. д., широко используемые в современной медицине. С помощью таких методов сегодня изучают молекулярные основы наследственных заболеваний человека.

Путем вмешательства в конструкцию ДНК изменяются свойства животных и растений с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур и улучшения качеств животных. В 1988 году в США была создана первая, генетически измененная мышь - мутант созданный человеком для исследований раковых заболеваний.

Вопросы, генной инженерии, сегодня обсуждаются на всех уровнях. Это связано с достижениями генной инженерии и возможностью ученых, изменять генетическую структуру по своему усмотрению у любых организмов, в том числе и у человека. В настоящее время развивается генная терапия – вживление генов с «правильной» информацией в клетки с дефектными генами. Широкое распространение получил метод клонирования. Клон – это генетическая копия отдельного организма, полученного из клетки тела одного из родителей. В агрономии уже давно селекционеры клонируют ценные сорта плодовых деревьев и других растений. В животноводстве клонирование может помочь в культивировании наиболее ценных пород.

С другой стороны, клонирование вызывает много споров этического характера. В связи с развитием генной инженерии сегодня формируется новая область знаний – биоэтика, направленная на решение этических проблем использования биологических и медицинских процедур, технологий и методов лечения. К таковым можно отнести пересадку органов, поддержания жизни безнадежно больных, эвтаназии и др.