23. Биоэволюция

Концепции происхождения жизни: биогенез и абиогенез.

Вопрос о происхождении жизни был поставлен еще во времена Аристотеля.

В настоящее время существует 2 основных концепции:

1) концепция абиогенеза: жизнь возникает из неживых субстанций.

Издавна люди видели, как на гниющем мясе или пищевых отходах через какое-то время появляются маленькие белые червячки, а на мусорных свалках — мыши и крысы.

Аристотель придерживался идеи абиогенеза: в материи содержатся некоторые структуры, которые при определенных условиях могут создавать жизнь (т.е. жизнь способна к самозарождению). Например, появление микрофлоры, плесени, водорослей в луже.

2) концепция биогенеза: живое может произойти только от живого.

Сильные аргументы в пользу данной теории появились в XVIII в. с экспериментами Франческо Реди, Луиджи Споланцани, а в XIX в. Луи Пастер доказал, что в изолированной среде никакие организмы не могут самозародиться.

Например, Реди провел такой эксперимент: поместил мясо и рыбу в сосуды, некоторые из которых были оставлены открытыми, а другие запечатаны; в открытых сосудах мясо зачервивело (это были личинки мух, которые свободны залетали в сосуды и вылетали из них), а в закрытых сосудах не появилось ни одного червяка.

Но эта теория не давала ответа на вопрос, может ли жизнь возникать.

Теория панспермии (космических семян) – разновидность концепции биогенеза, согласно этой теории жизнь переносится по Вселенной с помощью особых спор (семян), из которых возникает жизнь на планетах, где имеются благоприятные условия. Но слабым местом данной теории является то, что при входе в атмосферу Земли кометы сильно нагреваются (1000˚C) и никакие белковые молекулы и нуклеиновые кислоты не могут сохраниться, а следовательно такие семена тоже должны разрушаться.

Теория биохимической эволюции Опарина и её разновидности (генобиоз и голобиоз).

Теория биохимической эволюции является разновидностью концепции абиогенеза, теория была разработана в 20-е гг. XX в.

Жизнь на Земле возникает в океане планеты в результате ряда процессов.

Для этого необходимо наличие начальных условий:

• гидросфера (H₂0);

• наличие некоторых простых соединений (CO₂, CH₄, NH₃);

• наличие ультрафиолетового излучения под действием которого:

I этап. Из неорганических веществ синтезируются биополимеры (синтез происходит, т.к. в те времена у планеты еще не было озонового слоя). Это положение было подтверждено в 50-е гг. Стэнли Миллером: из смеси этих веществ удалось получить нуклеиновые кислоты и аминокислоты.

II этап. Образование коацерватов (коацерватных капель) – фазово-обособленные системы из белков и липидов («сгустки»).

III этап (завершающий). Образование в коацерватах механизма матричного синтеза (первая ДНК). Этот этап нигде не удалось воспроизвести.

Данная теория на сегодняшний день является незавершенной, она не имеет важных экспериментальных подтверждений.

В рамках теории биохимической эволюции выделяются 2 разновидности данной теории, которые отвечают на вопрос: «Что возникло раньше: ДНК или белки?»:

1) генобиоз: в начале должна была возникнуть ДНК или РНК;

2) голобиоз: первыми появились ферменты, а только потом ДНК

Развитие жизни на Земле в Архее, Протерозое, Палеозое, Мезозое и Кайнозое.

Архейская эра (3,5-2,6 млрд. лет назад):

- жизнь развивалась в воде (только она могла защитить организмы от солнечного и космического излучения);

- на Земле еще не было кислородной атмосферы;

- первыми живыми организмами была анаэробные бактерии (прокариоты – безъядерные клетки), питавшиеся готовыми органическими веществами (т.е. гетеротрофы) из «первичного бульона»;

- истощение запасов органики усложняет строение бактерий, и появляются автотрофы;

- появление кислородного фотосинтеза;

- в атмосфере начинает накапливаться кислород.

Протерозойская эра (2,6 млрд. – 570 млн. лет назад):

- появление аэробных одноклеточных (появление дыхания);

- активное развитие эукариотов (клетки с ядрами) в результате сложного симбиоза разных групп прокариотов;

- возникновение митоза, а затем и мейоза;

- 2-1,5 млрд. лет назад возникло половое размножение;

- 1,3 млрд. лет назад – появление многоклеточности (первые многоклеточные – водоросли)  резкое увеличение многообразия организмов;

- сформировались царства живого мира: бактерии, растения, животные и грибы;

- формирование озонового слоя, защитившего Землю от излучения.

Палеозойская эра (570-230 млн. лет назад):

- интенсивные горообразовательные процессы с высокой вулканической деятельностью;

- периодические оледенения и наступления/отступления на сушу морей;

- выделяются 6 периодов:

1)кембрий и ордовик: расцвет медуз и кораллов, появление древних членистоногих, развитие хордовых;

3)силур: более сухой климат, увеличение площади суши (единого континента Пангеи), в морях массовое распространение позвоночных, выход на сушу споровых растений, а затем древних паукообразных;

4)девон: господство хрящевых и появление костных рыб, появление двоякодышащих и кистеперых рыб;

5)карбон: распространение на суше древовидных хвощей, плаунов и папоротников;

6)пермь: более холодный и сухой климат, сокращение разнообразия амфибий, пресмыкающиеся – основные хозяева суши, новые виды голосеменных.

Мезозойская эра (230 – 65 млн. лет назад):

- продолжается усложнение организмов и возрастание темпов эволюции;

- теплый климат на протяжении практически всей эры;

- в течение почти всей эры господствовали голосеменные растения и пресмыкающиеся;

- выделяются 3 периода:

1)триас: начало расцвета динозавров, появление крокодилов и черепах, возникновение теплокровности, появление первых млекопитающих, сокращение видового разнообразия амфибий, почти полное вымирание семенных папоротников;

2)юра́: господство голосеменных и пресмыкающихся, появление головоногих моллюсков, появление археоптериксы;

3)мел: образование высших млекопитающих и настоящих птиц, появление покрытосеменных и вытеснение ими голосеменных и папоротникообразных, в конце периода вымирание динозавров.

Кайнозойская эра (65 млн. лет назад – по настоящее время):

- континенты приобрели своё современное очертание;

- выделяются 3 периода:

1)палеоген: господство млекопитающих и птиц, формируется большинство современных отрядов млекопитающих, появление первых приматов, на суше господствуют покрытосеменные растения, развитие и увеличение многообразия насекомых;

2)неоген: более сухой климат, образование степей, распространение однодольных травянистых растений, отступление лесов способствует образованию первых человекообразных обезьян, формируются виды растений и животных, близкие к современным;

3)антропоген: похолодание климата (4 гигантских оледенения), появление приспособленных к суровому климату млекопитающих (мамонты, шерстистые носороги, овцебыки), широкое расселение видов (в т.ч. и человека), в конце периода – глобальное потепление, вымирание многих растений и крупных млекопитающих, формирование современной флоры и фауны.

Проблема существования жизни и разума во Вселенной.

Современная наука трактует внеземные цивилизации как общества разумных существ, которые могут возникать и существовать вне Земли (на других плане­тах, космических телах, средах и др.).

Астрономия исходит из того, что в Космосе существует большое разнообразие физических усло­вий, что может привести в принципе к возникновению самых разно­образных форм высокоорганизованной материи.

Вот как, например, оценивается вероятность возникновения жизни. Ясно, что далеко не на всякой планете может возникнуть жизнь. Для возникновения жизни (посредством естественного отбо­ра) необходим сложный комплекс условий:

1) значительные интервалы времени (жизнь может возникнуть только вокруг старых звезд);

2) на планете должны быть соответствующие темпе­ратурные условия;

3) масса планеты не должна быть слишком маленькой (чтобы планета не теряла свою атмосферу) или очень большой (чтобы не удерживать свою первоначаль­ную атмосферу из H₂ и He и не препятствовать появлению вторичной атмосферы);

4) наличие жидкой оболочки на поверхности;

5) на планете должны быть условия для воз­никновения сложных молекулярных соединений, на основе которых могут протекать разнообразные химические процессы.

В результате учета всех этих условий оказывается, что лишь у 1-2% всех звезд в Галактике могут быть планетные системы с явле­ниями жизни. Иначе говоря, при самых оптимальных оценках около 1 млрд звезд могут иметь планетные системы, на которых в принципе возможна жизнь.

Для обнаружения жизни во Вселенной ведутся как работы по поиску сигналов внеземных цивилизаций, так и попытки направить им послание о существовании человечества, однако успеха это пока не принесло.

В последнее время среди ученых преобладает мнение, что человечество одиноко если не во всей Все­ленной, то, во всяком случае, в нашей Галактике. Такое мнение влечет за собой важнейшие мировоззренческие выводы о значении и цен­ности земной цивилизации и ее достижений.