Возникновение эукариот и многоклеточных организмов

Развитие жизни в протерозойских эру. В течение первой половины протерозойской эры (началась 2,5 млрд, закончилась - около 0,6 млрд. лет назад) прокариотической экосистемы освоили весь Мировой океан. В это время (около 2 млрд лет назад) возникли первобытные одноклеточные эукариоты (жгутиковые), которые быстро дивергувалы на растения (водоросли), животные (простейшие) и грибы.

Гипотезы происхождения эукариот. Есть несколько гипотез происхождения эукариот, из которых в наше время популярная симбиотическая. Сторонники этой гипотезы считают, что по крайней мере некоторые двомембранни ор-Ганель, способные к размножению делением (пластиды и митохондрии),-потомки паразитических или мутуалистичних видов, утративших способность к существованию вне клетки хозяина. Так симбиоз нескольких видов прокариот привел, в конце концов, к образованию эукариотических клеток. Для эукариот свойственно осложнения генома (появление сложных структурных единиц - хромосом - вследствие объединения ДНК и ядерных белков - гистонов и формирования ядерной оболочки). У них возникают настоящий митоз и редукционный деление - мейоз. В отличие от бактерий, для которых половой процесс необязателен, половое размножение, что способствует комбинативной изменчивости, в эукариот становится основным средством воспроизведения себе подобных. Появляются популяции, в которых происходит обмен наследственной информацией. Кроме того, исчезает возможность горизонтального (межвидового) обмена ею; репродукционная изоляция становится средством сохранения целостности вида.

Как способ достижения биологического прогресса для эукариот характерно усложнение организации, которое ведет к более эффективному усвоению жизненных ресурсов.

Возникновение многоклеточных организмов - еще одно проявление способности эукариот к усложнению строения. Большинство исследователей считает, что многоклеточные организмы произошли от колониальных одноклеточных, вследствие дифференциации их клеток. Багатоклитиннисть у различных групп водорослей и грибов возникала независимо в разных систематических группах: например, многоклеточные зеленые, бурые и красные водоросли произошли от различных колониальных (нитчатых) форм. Среди животных все многоклеточные организмы, которые в эмбриональном развитии имеют два (экто-и эндодерма) или три (еще и мезодерма) зародышевые слои (листья) клеток имеют монофилетическое происхождения (т.е. происхождение от общих предков).

Основные гипотезы происхождения многоклеточных животных от колониальных жгутиковых выдвинули во второй половине XIX века немецкий биолог Э. Геккель и украинский ученый И. И. Мечников.

Э. Геккель, опираясь на открытый им биогенетический закон, считал, что каждый этап онтогенеза соответствует определенному виду предковых организмов. Изучая эмбриогенез некоторых кишечнополостных, которых он считал близкими к первоначальным многоклеточных, он установил, что гаструляция в них происходит благодаря вгинанню бластодермы на заднем конце тела (инвагинация) с образованием первичного рта и мешкообразной кишечника. Такую гипотетическую животное Геккель назвал «гастрея». По его мнению, она захватывала пищу ртом и переваривали ее в кишечнике.

По мнению И. И. Мечникова, первичным способом травления многоклеточных животных был фагоцитоз, т.е. внутриклеточное пищеварение, которое и теперь свойственно многим группам с низким уровнем организации (губки, часть ресничных червей, некоторые кишечнополостные и т.п.). Он также установил, что у части кишечнополостных гаструляция происходит путем миграции части клеток бластодермы внутрь бластулы. По его утверждению, первоначальной многоклеточных животных была гипоггетична «фагоцитела», покрытая слоем ресничных клеток, способных к захвату мелких питательных частиц с помощью фагоцитоза. Клетки с пищеварительными вакуолями мигрировали внутрь фагоцителы, теряя реснички, где и переваривали пищу. Организмы типа гастреи возникли от фагоцителы на поздних этапах эволюции, когда приобрели способность захватывать большую по размеру добычу ротовым отверстием, возникший вследствие различия внешнего слоя клеток.

Следует отметить, что палеонтологи не нашли останков подобных организмов, поэтому реальные пути возникновения разных типов многоклеточных животных до сих пор не установлены.

Первоначальные эукариоты (жгутиковые одноклеточные организмы) произошли от прокариот в первой половине протерозойской эры и вскоре после того разделились на одноклеточные растения (водоросли), животные (простейшие) и грибы. Формирование сложного генома, ядерной оболочки, доминирование полового способа размножения и способности к усложнению организации эукариот обусловило их широкие адаптивные возможности и дальнейшую бурную эволюцию.

По мнению большинства ученых, многоклеточные организмы произошли от колониальных предков. Вероятные пути происхождения многоклеточных животных объясняют гипотезы фагоцителы И.И.Меч-ников и гастреи Э. Геккеля.

По современным представлениям, жизнь — это процесс существования сложных систем, состоящих из больших органических молекул и неорганических веществ и способных самовоспроизводиться, саморазвиваться и поддерживать свое существование в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой.

С накоплением человеком знаний об окружающем мире, развитием естествознания изменялись взгляды на происхождение жизни, выдвигались новые гипотезы. Однако и сегодня вопрос о происхождении жизни еще окончательно не решен. Существует множество гипотез происхождения жизни. Наиболее важными из них являются следующие:

Ø Креационизм (жизнь была создана Творцом);

Ø Гипотезы самопроизвольного зарождения (самозарождение; жизнь возникала неоднократно из неживого вещества);

Ø Гипотеза стационарного состояния (жизнь существовала всегда);

Ø Гипотеза панспермии (жизнь занесена на Землю с других планет);

Ø Биохимические гипотезы (жизнь возникла в условиях Земли в ре зультате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам, т.е. в результате биохимической эволюции).

Креационизм. Согласно этой религиозной гипотезе, имеющей древние корни, все существующее во Вселенной, в том числе жизнь, было создано единой Силой — Творцом в результате нескольких актов сверхъестественного творения в прошлом. Организмы, населяющие сегодня Землю, происходят от сотворенных по отдельности основных типов живых существ. Сотворенные виды были с самого начала превосходно организованы и наделены способностью к некоторой изменчивости в определенных границах (микроэволюция). Этой гипотезы придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений.

Традиционное иудейско-христианское представление о сотворении мира, изложенное в Книге Бытия, вызывало и продолжает вызывать споры. Однако существующие противоречия не опровергают концепцию творения. Религия, рассматривая вопрос о происхождении жизни, ищет ответ главным образом на вопросы «почему?» и «для чего?», а не на вопрос «каким образом?». Если наука в поисках истины широко использует наблюдение и эксперимент, то богословие постигает истину через божественное откровение и веру.

Процесс божественного сотворения мира представляется как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. В связи с этим гипотеза творения не может быть ни доказана, ни опровергнута и будет существовать всегда наряду с научными гипотезами происхождения жизни.

Гипотезы самозарождения. На протяжении тысячелетий люди верили в самопроизвольное зарождение жизни, считая его обычным способом появления живых существ из неживой материи. Полагали, что источником спонтанного зарождения служат либо неорганические соединения, либо гниющие органические остатки (концепция абиогенеза). Эта гипотеза была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Идея самозарождения высказывалась также философами Древней Греции и даже более ранними мыслителями, т.е. она, по-видимому, так же стара, как и само человечество. На протяжении столь длительной истории эта гипотеза видоизменялась, но по-прежнему оставалась ошибочной. Аристотель, которого часто провозгла шают основателем биологии, писал, что лягушки и насекомые заводятся в сырой почве. В средние века многим «удавалось» наблюдать зарождение разнообразных живых существ, таких как насекомые, черви, угри, мыши, в разлагающихся или гниющих остатках организмов. Эти «факты» считались весьма убедительными до тех пор, пока итальянский врач Франческо Реди (1626—1697) не подошел к проблеме возникновения жизни более строго и не подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. В 1668 г. Реди проделал следующий опыт. Он поместил мертвых змей в разные сосуды, причем одни сосуды накрыл кисеей, а другие оставил открытыми. Налетевшие мухи отложили яйца на мертвых змеях в открытых сосудах; вскоре из яиц вывелись личинки. В накрытых сосудах личинок не оказалось (рис. 5.1). Таким образом, Реди доказал, что белые черви, появляющиеся в мясе змей, — личинки флорентийской мухи и что если мясо закрыть и предотвратить доступ мух, то оно не «произведет» червей. Опровергнув концепцию самозарождения, Реди высказал мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).

Подобных взглядов придерживался и голландский ученый Антони ван Левен-гук (1632—1723), который, используя микроскоп, открыл мельчайшие организмы, невидимые невооруженным глазом. Это были бактерии и протисты. Левенгук высказал мысль, что эти крошечные организмы, или «анималькулы», как он их называл, происходят от себе подобных.

Мнение Левенгука разделял итальянский ученый Ладзаро Спалланцани (1729— 1799), который решил доказать опытным путем, что микроорганизмы, часто обнаруживаемые в мясном бульоне, самопроизвольно в нем не зарождаются. С этой целью он помещал жидкость, богатую органическими веществами (мясной бульон), в сосуды, кипятил эту жидкость на огне, после чего сосуды герметично запаивал. В итоге бульон в сосудах оставался чистым и свободным от микроорганизмов. Своими опытами Спалланцани доказал невозможность самопроизвольного зарождения микроорганизмов.

Противники этой точки зрения утверждали, что жизнь в колбах не возникала по той причине, что воздух в них во время кипячения портится, поэтому по-прежнему признавали гипотезу самозарождения.

Сокрушительный удар по этой гипотезе был нанесен в 19 в. французским ученым-микробиологом Луи Пастером (1822—1895) и английским биологом Джоном Тиндалем (1820—1893). Они показали, что бактерии распространяются по воздуху и что если в воздухе, попадающем в колбы с простерилизованным бульоном, их нет, то и в самом бульоне они не возникнут. Пастер пользовался для этого колбами с изогнутым S -образ-ным горлышком, которое служило для бактерий ловушкой, тогда как воздух свободно проникал в колбу и выходил из нее (рис. 5.3).

Тиндаль стерилизовал воздух, поступающий в колбы, пропуская его сквозь пламя или через вату. К концу 70-х гг. 19 в. практически все ученые признали, что живые организмы происходят только от других живых организмов, что означало возвращение к первоначальному вопросу: откуда же взялись первые организмы?

Гипотеза стационарного состояния. Согласно этой гипотезе Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало; виды также существовали всегда. Эту гипотезу называют иногда гипотезой этернизма (от лат. eternus — вечный).

Гипотеза этернизма была выдвинута немецким ученым В. Прейером в 1880 г. Взгляды Прейера поддерживал академик В.И. Вернадский, автор учения о биосфере.

Гипотеза панспермии. Гипотеза о появлении жизни на Земле в результате переноса с других планет неких зародышей жизни получила название панспермии (от греч. pan — весь, всякий и sperma — семя). Эта гипотеза примыкает к гипотезе стационарного состояния. Ее приверженцы поддерживают мысль о вечном существовании жизни и выдвигают идею о внеземном ее происхождении. Одним из первых идею о космическом (внеземном) происхождении жизни высказал немецкий ученый Г. Рихтер в 1865 г. Согласно Рихтеру жизнь на Земле не возникла из неорганических веществ, а была занесена с других планет. В связи с этим вставали вопросы, насколько возможно такое перенесение с одной планеты на другую и как это могло быть осуществлено. Ответы искали в первую очередь в физике, и неудивительно, что первыми защитниками этих взглядов выступили представители этой науки, выдающиеся ученые Г. Гельмгольц, С. Аррениус, Дж. Томсон, П.П. Лазарев и др.

Согласно представлениям Томсона и Гельмгольца споры бактерий и других организмов могли быть занесены на Землю с метеоритами. Лабораторные исследования подтверждают высокую устойчивость живых организмов к неблагоприятным воздействиям, в частности к низким температурам. Например, споры и семена растений не погибали даже при длительном выдерживании в жидком кислороде или азоте.

Другие ученые высказывали мысль о перенесении «спор жизни» на Землю светом.

Современные приверженцы концепции панспермии (в числе которых — лауреат Нобелевской премии английский биофизик Ф. Крик) считают, что жизнь на Землю занесена случайно или преднамеренно космическими пришельцами.

К гипотезе панспермии примыкает точка зрения астрономов Ч. Вик-рамасингха (Шри-Ланка) и Ф. Хойла

(Великобритания). Они считают, что в космическом пространстве, в основном в газовых и пылевых облаках, в большом количестве присутствуют микроорганизмы, где они, по мнению ученых, и образуются. Далее эти микроорганизмы захватываются кометами, которые затем, проходя вблизи планет, «сеют зародыши жизни».