Лекция 4. Происхождение жизни на Земле.

Согласно одной группе теорий, жизнь возникла на Земле в ходе добиологических процессов (А. И. Опарин). Согласно другим теориям (панспермия) - жизнь привнесена на Землю из космоса (С. Аррениус, В. И. Вернадский). «Жизнь зарождается не на Земле, а на Землю привносится из космического пространства в готовом виде». Но в самое последнее время были сделаны находки в пользу теории панспермии.

В метеоритах найдены фоссилизированные остатки бактерий и, что еще более интересно, грибов (Розанов). Грибы в отличие от бактерий имеют так называемую эукариотическую клетку, как у людей. То есть в метеоритах присутствовали представители не только низшего, но и высшего царства живой природы. Возраст метеоритов был оценен в 4,5 млрд. лет. В это время не было не только жизни, но и самой Земли.

Основные варианты жизнеобеспечения в органическом мире Земли. Потребление энергии: фототрофы и автотрофы, фото-автотрофы. Потребление углерода: хемотрофы и гетеротрофы, хемо-гетеротрофы.

Основной источник энергии – Солнце. Его энергия поддерживает два круговорота веществ: большого (круговорот воды и циркуляция атмосферы) и малого (биологического). Ежегодная продукция биомассы около 100 млрд. т. За последние 600 млн. лет общее количество органического углерода составляет 2400 млрд. т. Оно поддерживается с точностью до четырех значащих цифр (Горшков, 1995).

Поток энергии от Солнца в Космос вызывает и организует круговороты и в планетной, и в отдельных органических системах (от простых физических: воды и воздуха до сложного - биотического).

Биотический кругооборот: цикл реакций восстановления и окисления. Развивался он постепенно. Возникали и выживали те, которые лучше вписывались в этот круговорот и способствовали его ускорению (косвенно это подтверждается тем, что скорости химических реакций в живой природе возросли в миллионы и миллиарды раз). При этом кругооборот использует все больше энергии. Естественный отбор в этом случае перестает играть роль «Господа Бога» и с очевидностью выполняет следующие функции:

• развитие круговоротов энергии, их оптимальное взаимодействие, стремление к ускорению окислительно-восстановительных реакций,

• сдерживание и стабилизация процессов эволюции, что вы­ражается в устранении некоторых форм организмов, в их регрессе, или в стремлении к устранению избыточных по потреблению энергии форм организмов.

Действие естественного отбора проверяется и контролируется не только на уровне видообразования, но и на уровне совершенствования целых экосистем.

Все современные концепции развития жизни сводятся к трем основным типам: субстратные, энергетические, информационные. Общая экологическая теория биологического развития естест­венным образом опирается на эти три концепции, органически связывая их друг с другом.

Первой стала развиваться субстратная концепция, которая берет за основу изучение морфо­логии организмов. Дальнейшее развитие биохимии и физиологии расширило понимание биохимического единства живой природы, а бурный взрыв исследований по молекулярной биологии и ге­нетике за последнее десятилетие доказал единую генетико-молекулярную основу всех процессов жизнедеятельности.

Иформационная концепция – детище кибернетики и теории информации. Управление и связь существуют как в машине, так и в живом организме (Н.Винер). Кибернетический подход позволил многое понять в развитии механизмов управления в живой природе, дав представление и о темпах эволюции. Однако и он односторонен. Не ясно, как кон­кретно применять вывод о «возрастании ценности информации в эволюции», основанный на использовании этого подхода.

Энергетическому подходу повезло меньше двух первых из-за различий в методологии физики и биологии. Однако именно он указывает направление развития сложных открытых систем, под­вергающихся постоянной накачке энергией извне: это совершен­ствование циклов вещества, их ускорение, возрастание переработки энергии каждой единицей структуры и наименьшие траты этой энергии ею самой.

60—70-е годы стали годами бурного развития и накопления количественного материала по исследованию биологических систем, их внутренних временных циклов. Появилось понятие «биологические часы». Но вопросами исследования субъективного времени циклов занимались не только биологи, но и химики (реакция Белоусова-Жаботинского), и физики (исследования турбулентного движения и хаоса). Обобщая все эти работы, можно утверждать, что все они базируются на временных циклах, состоящих из довольно ограниченного количества элементов.

После исследований Э. Э. Шноля и А. Т. Уинфри В. И. Кринского, В. И. Арнольда и И. Р. Пригожина, можно говорить о качественной аналогии всех процессов в органическом мире с количественной разницей по субъективному времени, о взаимосвязях между этими явлениями и о длительности исследуемых взаимо­связей. Математические модели при этом показывают, насколько сложна эволюция, насколько безграничен наш мир и как много пространств нас окружает, как субъективное время модели свора­чивается в «точку неопределенности» и разворачивается в «беско­нечную спираль».

Начало биологической эволюции — по-прежнему загадка. По современным представлениям, фотосинтез является единственной причиной образования кислорода. Под действием солнечного све­та фотосинтезирующие пигменты превращают шесть молекул уг­лекислого газа и шесть молекул воды в молекулу глюкозы и шесть молекул кислорода. Но если молекулы, поглощающие УФ-излуче­ние, имеют простое строение, то структура хлорофилла, поглощающего свет в видимой части спектра, гораздо сложнее. Сейчас УФ-излучение не достигает поверхности Земли из-за озонового слоя. Но когда не было кислорода, не было и озона. Чем тогда объяснить изобилие флоры, даже такой простой, как одноклеточные сине-зеленые водоросли?

В 1996—1997 гг. были расшифрованы геномы первых семи бактерий. Сообщается об определении последовательности из 4 214 810 нуклеотидных пар, составляющих геном Bacillus subtilis. Геном человека и других высших позвоночных — из 4 млрд. Убедительно показано, что разделение бактерий на грам-положи­тельные и грам-отрицательные, произошедшее 1 Gyr назад, было вызвано заражением общего предка бактериофагом. Таким образом, бактериофаги играют ключевую роль в эволюции микроорганизмов.

Вирусная гипотеза эволюции, не противоречащая второму началу термодинамики, получила серьезное подтверждение. Гипотеза основана на явлении трансдукции — передаче генетического материала от одной бактерии к другой плазмидами или умеренными бактериофагами (Ледерберг). Встраиваясь в геном хозяина, вирусы убивают значительную часть особей, но зато выжившие приобретают новые гены.

В настоящее время известна структура 100 тыс. белков, и, хотя осталось изучить несколько миллионов белков, ясно, что изложенный в учебниках ход эволюции переписывать не потребуется.

570 млн. лет (570 Myr) назад появились первые животные, обладавшие панцирями, скелетами, рако­винами, множество ископаемых остатков которых найдено и изу­чено. Все наземные растения произошли от печеночницы (возраст 476 Myr). Через несколько десятков миллионов лет содер­жание кислорода в атмосфере возросло до 10% и возникла жизнь на суше. Из моря или реки на берег выбрались земноводные, от которых произошли пресмыкающееся. 65 Myr назад случилась ка­тастрофа, причина которой неизвестна. Одни считают, что произошло резкое изменение климата, другие винят в катастрофе патогенные микроорганизмы, которые могли переноситься гигантскими насекомыми. Динозавры вымерли, а птицы и млекопита­ющие катастрофу пережили. Возраст наиболее древних костей примата — 53 Myr.

Появление человека. Палеолит. Центры расселения. Основы жизнеобеспечения (собирательство, охота, одежда, огонь). Мезолит.

Возникновение цивилизаций. Неолит. Появление скотоводства и земледелия. Разделение труда. Шумеры и египтяне. Кризисы цивилизации.