1.3 Эволюция живых существ

На вопрос о том, как выглядел самый первый организм на земле, родоначальник, от которого произошли три основные ветви древа жизни, наука в настоящее время не может дать ответ и, вероятно, не сможет дать ответ в будущем. Одной из ветвей являются эукариоты, клетки которых имеют формализованное ядро, содержащее генетический материал и специализированные органеллы. К эукариотическим организмам относятся водоросли, грибы, растения, животные и человек. Вторая ветвь - это бактерии - прокариотические (пренуклеатные) одноклеточные организмы, не имеющие отдельных ядер и органелл. Наконец, третья ветвь - одноклеточные организмы, называемые археями или архебактериями, клетки которых имеют ту же структуру, что и прокариоты, но совершенно другую химическую структуру липидов.

Эволюционный взрыв, который привел к появлению многоклеточных организмов, произошел чуть более полумиллиарда лет назад. Хотя микроорганизмы настолько малы, что миллиарды из них могут поместиться в одной капле воды, масштабы проделанной ими работы просто великолепны.

Считается, что изначально в атмосфере и океанах Земли не было свободного кислорода и в этих условиях жили и развивались только анаэробные микроорганизмы. Особым шагом в эволюции жизни стало появление фотосинтетических бактерий, которые использовали энергию света для преобразования углекислого газа в углеводные соединения, служившие пищей для других микроорганизмов. Если первые фотосинтетики вырабатывали метан или сероводород, то после появления мутантов они начали вырабатывать кислород в процессе фотосинтеза. По мере накопления кислорода в атмосфере и воде анаэробные бактерии, для которых он был разрушительным, захватывали бескислородные ниши.

Древние окаменелости, найденные в Австралии, датируемые 3,46 миллиардами лет, обнаружили структуры, считающиеся остатками цианобактерий - первых фотосинтезирующих организмов. Строматолиты, обнаруженные на мелководье из незагрязненных соленых вод, свидетельствуют о доминировании в прошлом анаэробных микроорганизмов и цианобактерий.

Имея форму больших валунов, они представляют собой интересное сообщество микроорганизмов, живущих в известняке или доломитовой породе, возникшее в результате их жизнедеятельности. На глубине нескольких сантиметров от поверхности строматолиты насыщены микроорганизмами: в верхнем слое обитают фотосинтетические цианобактерии, вырабатывающие кислород; в глубине слоя находятся бактерии, которые переносят некоторую степень кислорода и не требуют света; в нижнем слое - бактерии, которые могут жить только при отсутствии кислорода. Эти микроорганизмы, расположенные в разных слоях, образуют систему, связанную между собой сложными взаимоотношениями, в том числе и пищевыми. За микробной пленкой находится порода, образовавшаяся в результате взаимодействия остатков мертвых микроорганизмов с растворенным в воде карбонатом кальция. Ученые считают, что, когда на первобытной Земле не было континентов и над поверхностью океана поднимались только вулканические архипелаги, на мелководье было много строматолитов.

Жизнь фотосинтетических цианобактерий привела к появлению кислорода в океанах, и примерно через 1 миллиард лет после этого кислород начал накапливаться в атмосфере. Этот кислород впервые взаимодействовал с железом, растворенным в воде, образуя окиси железа, которые постепенно оседали на дно океана. За миллионы лет микроорганизмы образовали огромные залежи железной руды, из которой сейчас изготавливают сталь.

Затем, когда большая часть железа в океанах окислялась и не могла больше связывать кислород, оно выделялось в атмосферу в газообразном виде.

После того, как фотосинтетические цианобактерии создали некоторое количество богатого энергией органического вещества из углекислого газа и насыщенной кислородом атмосферы Земли, появились новые бактерии: Аэробы, которые могут существовать только в присутствии кислорода. Для окисления (сжигания) органических соединений им необходим кислород, и значительная часть полученной энергии преобразуется в биологически доступную форму - аденозинтрифосфат (АТФ). Этот процесс энергетически очень выгоден: анаэробные бактерии получают 36 молекул АТФ при разложении одной молекулы кислорода.

С появлением достаточного количества кислорода для аэробной жизни эукариотические клетки, которые, в отличие от бактерий, имеют ядро и такие органеллы, как митохондрии, лизосомы, а в водорослях и высших растениях - хлоропласты, где протекают фотосинтетические реакции.

Существует интересная и обоснованная гипотеза о происхождении и эволюции эукариот, опубликованная около 30 лет назад американским исследователем Л. Маргулисом. Согласно этой гипотезе, митохондрии, действующие как энергетические фабрики в эукариотических клетках, являются аэробными бактериями, а хлоропласты растительных клеток, в которых происходит фотосинтез, - цианобактериями, которые, вероятно, были поглощены примитивными амёбами около двух миллиардов лет назад. В результате взаимовыгодных взаимодействий проглатываемые бактерии становятся внутренними симбионтами и образуют стабильную систему с проглатывающей их клеткой - эукариотической клеткой.

Исследования ископаемых останков организмов в породах разных геологических эпох показали, что эукариотические формы жизни были представлены микроскопическими сферическими одноклеточными организмами, такими как дрожжи, на протяжении сотен миллионов лет после их возникновения, и их эволюционное развитие происходило очень медленно. Однако чуть более 1 миллиарда лет назад появилось много новых видов эукариот, что ознаменовало драматический скачок в эволюции жизни.

Изначально это было связано с появлением половой репродукции. В то время как бактерии и одноклеточные эукариоты воспроизводятся путем получения генетически идентичных копий самих себя и не требуют сексуального партнера, половое размножение в более высокоорганизованных эукариотических организмах происходит следующим образом.

Две гаплоидные родительские гаметы, состоящие из одного набора хромосом, сливаются в зиготу, которая имеет дублированный набор хромосом, содержащий гены обоих партнеров, создавая возможности для новых комбинаций генов. Появление полового размножения привело к появлению новых организмов, которые вышли на арену эволюции.

В течение трех четвертей времени, когда жизнь существовала на Земле, она была представлена исключительно микроорганизмами, пока не произошел качественный скачок в эволюции, который привел к появлению высокоорганизованных организмов, в том числе и человека. Давайте проследим основные вехи в истории жизни на Земле.

Четыре миллиарда лет назад появилась РНК. Возможно, он образовался из более простых органических молекул, которые присутствовали на примитивной Земле. Считается, что молекулы Древней РНК являются носителями генетической информации и белков-катализаторов, способных к репликации, мутации и подверженных естественному отбору. В современных клетках РНК не обладает и не проявляет этих свойств, но играет очень важную роль в опосредованной передаче генетической информации от ДНК к рибосомам. [5]

Одноклеточные организмы, которые, вероятно, выглядели как современные бактерии и архебактерии, появились 3,9 миллиарда лет назад. Как в древних, так и в современных прокариотических клетках отсутствуют сформированное ядро и специализированные органеллы; их желатиновая цитоплазма содержит макромолекулы ДНК, носители генетической информации, рибосомы, где происходит синтез белка, а выработка энергии происходит на цитоплазматической мембране, окружающей клетку.

Два миллиарда лет назад сложные организованные эукариотические клетки появились, когда одноклеточные организмы усложнили свою структуру, поглотив другие прокариотические клетки. Одна из них, аэробные бактерии, превратилась в митохондрии, энергетические станции кислородного дыхания. Другие - фотосинтезирующие бактерии - начали фотосинтезировать внутри клетки хозяина и стали хлоропластами в водорослях и растительных клетках. Эукариотические клетки с этими органеллами и четко разделенным ядром, в том числе и генетическим материалом, составляют все современные сложные формы жизни.

1,2 миллиарда лет назад произошел эволюционный взрыв, вызванный появлением полового размножения и отмеченный появлением высокоорганизованных форм жизни - растений и животных. [3]