1.2. Начальные этапы развития жизни на Земле
Ученые считают, что первые примитивные клетки (прокариоты) появились в водной среде Земли 3,0 – 3,5 млрд. лет назад. Они питались синтезированными абиогенно органическими веществами или менее удачливыми своими собратьями; энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения, т.е. были анаэробными гетеротрофами. Отбор среди клеток велся на способность получать энергию и вещества из окружающей среды более эффективным путем и обращать их на создание потомства.
При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности, т.е. к синтезу органических веществ из неорганических за счет реакций окисления и восстановления. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии. Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света – фотосинтез.
Для первых фотосинтезирующих бактерий источником электронов был сероводород (Н2S). Значительно позже у цианобактерий (синезеленых водорослей) развился более сложный процесс получения электронов из воды. В результате в качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.
Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного симбиоза, эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга в пределах общей клеточной мембраны. Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов, а возможно, и жгутиков от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размерам анаэробной клетки. Объем эукариотических клеток по сравнению с прокариотическими, как правило, в 1000 раз больше. Соответственно в эукариотических клетках больше разнообразного клеточного материала (рис. 2).
|
Рис. 2. Происхождение растительных и животных эукариотических клеток в соответствии с симбиотической теорией |
Глубокие преобразования в строении и функционировании значительно увеличили эволюционные возможности эукариот, которые, появившись всего 0,9 млрд. лет назад, смогли достигнуть многоклеточного уровня и сформировать современную флору и фауну.
1.3. Определение, основные свойства и уровни организации живого
Итак, жизнь – это одна из форм существования материи, закономерно возникшая при определенных условиях. Одним из существенных свойств живого является обмен веществ. Организмы потребляют из окружающей среды энергию и вещества и используют их для обеспечения химических реакций, а затем возвращают в среду эквивалентное количество энергии и вещества в другой форме, менее пригодной для них.
Организм – открытая система, находящаяся в стационарном состоянии: скорость поступления веществ и энергии из среды уравновешивается скоростью переноса веществ и энергии из системы. Своим химическим составом (нуклеиновые кислоты, белки, липиды и др.) земные организмы достаточно четко отграничены от неживого. Хотя живые существа состоят из тех же атомов, что и неживая природа, эти элементы образуют в организме сложные молекулы, не встречающиеся в неживой природе.
Следующим обязательным свойством живых существ является способность к самовоспроизведению с сохранением у потомков строения и функций родительскихформ. В основе наследственности лежит матричный принцип репликации и синтеза молекул нуклеиновых кислот. Новый организм возникает в большинстве случаев из особо устроенных половых клеток в ходе процессов роста и развития.
Взаимосвязь между поколениями осуществляется в процессе передачи наследственного материала и последующего на основе этой информации индивидуального развития – онтогенеза. Самоудвоение молекул ДНК делает возможным не только сохранение у потомков наследственных особенностей родителей, но и отклонение от них, т.е. изменчивость.
При смене многочисленных поколений происходит изменение видов, или историческое развитие, – филогенез. Способность передавать в поколениях изменения наследственного материала лежит в основе выработки адаптации к среде, эволюционного развития живой природы.
Для существования живого в меняющихся условиях окружающей среды необходимо внутреннее регулирование – саморегуляция различных процессов, подчинение их единому порядку поддержания постоянства внутренней среды – гомеостаза.
Организмы обладают также свойством избирательно реагировать на воздействия, внешней среды – раздражимостью. Раздражимостью называют способность организма отвечать на определенные воздействия специфическими реакциями. Наиболее яркой формой проявления раздражимости является движение. У растений это тропизмы, ростовые движения, у примитивных животных – таксисы. Реакции многоклеточных на раздражение осуществляются с помощью нервной системы и называются рефлексами. Сочетание раздражитель – реакция могут накапливаться в виде опыта, т.е. научения и памяти, и (по крайней мере, у животных) использоваться в последующей деятельности.
Живые системы резко отличаются от неживых объектов своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. В то же время любой компонент биологической системы дискретен и целостен, т.е. состоит из отдельных, тесно связанных взаимодействующих частей, образующих структурно-функциональное единство.
Структурная сложность живого начинается с гигантских полимерных молекул и продолжается на уровне клеток многоклеточных организмов и надорганизменных сообществ. Все живое на Земле характеризуется иерархичностью (соподчиненностью) структурной организации.
Все многообразие живой природы можно свести к пяти структурным уровням: молекулярно-генетический, клеточный, организменный (онтогенетический), популяционно-видовой и биогеоценотический.
Современному состоянию исследований в области молекулярной биологии соответствует определение явления жизни, данное отечественным ученым М.В. Волькенштейном: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».