9. Современные представления о зарождении жизни и основные этапы эволюции биосферы

1) По современным упрощенным модельным представлениям, Земля образовалась из рассеянного газопылевого облака в результате гравитационной конденсации (перехода в жидкое или твёрдое состояние из газообразного) отдельных частиц, которые притягивались друг к другу, укрупнялись и объединялись в небесное тело. Под действием сил сжатия и теплоты распада радиоактивных элементов происходил разогрев её глубоких слоев и разделение вещества Земли на несколько сфер. Образовались центральное ядро, мантия, земная кора. Наиболее древние породы земной коры возникли 3,4—3,8 млрд лет назад. Процесс формирования земной коры, по оценкам ученых, длился около 1 млрд лет, так что возраст Земли составляет примерно 4,5 млрд лет.

2) По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к ее центру, а более легкие оставались на поверхности. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений и поэтому носила восстановительный характер. Это обстоятельство послужило важной предпосылкой возникновения органических молекул небиологическим путем. Соединения, являющиеся восстановителями, легко вступают в химические реакции, отдавая водород, и при этом сами окисляются. Компоненты атмосферы подвергались воздействию различных видов энергии: излучению Солнца, грозовым разрядам, действию высокой температуры и др. В результате этих воздействий химически простые компоненты атмосферы вступали во взаимодействие, изменяясь и усложняясь. Возникли молекулы сахаров, аминокислот, азотистые основания, органические кислоты и другие простые органические соединения.

Важное свойство образующихся органических молекул — способность объединяться, создавая капельки более концентрированного раствора, чем окружающая среда. Такие концентрированные капельки (коацерваты) способны поглощать из окружающего раствора различные вещества, увеличиваясь при этом в размерах. Это уже отдаленно похоже на процессы питания и роста организмов. Опытным путем установлено, что коацерватные капли взаимодействуют между собой, вещества капель вступают в реакции, а некоторые продукты реакций выделяются из коацервата во внешнюю среду. Это напоминает известный биологический процесс обмена веществ.

В настоящее время определена основная совокупность характеристик, позволяющих отнести обьект к живому организму:

• общность биогенных химических элементов (Н, С (углерод), О, Р, N, S), из которых построены биоорганические соединения: белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты

• поглощение из внешней среды необходимых для жизнедеятельности веществ, извлечение из них энергии и выделение продуктов распада

• способность к самовоспроизведению (наследственность)

• изменчивость

• способность к саморегуляции (поддержание постоянства химического состава)

• клеточное строение

• раздражимость

• системность и дискретность (живые системы состоят из отдельных (дискретных) взаимодействующих элементов);

• иерархичность структурной организации: менее сложные уровни являются необходимой основой для возникновения более сложных уровней организации живой материи.

3. Первые живые организмы в качестве источника энергии (пищи) использовали органические соединения, находящиеся в растворенном виде в водах первичного океана. Поскольку в атмосфере Земли свободного кислорода не было, организмы имели анаэробный (бескислородный) тип обмена, эффективность которого невелика. Появление все большего количества анаэробных организмов приводило к истощению вод первичного океана, в нем все меньше оставалось готовых органических веществ, которые можно было использовать в пищу.

4. В этих условиях в преимущественном положении оказались организмы, приобретшие способность использовать энергию света для синтеза органических веществ из неорганических. Дальнейшим и особенно крупным усовершенствованием жизни стал кислородный фотосинтез. В результате появился свободный кислород, сначала в воде, а потом и в атмосфере, что привело к ее качественному изменению, в частности к появлению озонового слоя. Постепенное увеличение количества кислорода в воде, его диффузия в атмосферу начались около 2 млрд лет назад. Это сделало возможным быстрое развитие клеток структурных единиц всех живых организмов вне зависимости от уровня их организации.

5. Появление клетки в свою очередь привело к эволюции более крупных и сложных живых организмов: растений, животных, человека.

Это «классическая» модель возникновения жизни на Земле, которая не является безусловной и безальтернативной.

1. Согласно современной теории космических катастроф, Земле пришлось пережить ряд столкновений с астероидами, при которых жизнь на ней уничтожалась в результате возникновения высоких температур (до 300 °С), несовместимых с биологической точки зрения с процессом жизнедеятельности. Однако при этих условиях могут выжить некоторые термостойкие микроорганизмы (например, бактерии в глубине грунта). После таких космических ударов Земля постепенно остывала и начинался новый эволюционный этап развития жизни.

2. Взрывы «близлежащих» к Земле сверхновых звезд способны уничтожить или сдуть большую часть озонового слоя, и тогда на все живое обрушится поток ионизирующего излучения, что также может привести к уничтожению жизни на Земле. В начале 80-х годов прошлого века в пробах высотных метеозондов на высоте около 20 км обнаружены микроорганизмы, не встречающиеся на Земле. Возможность жизнедеятельности этих микроорганизмов можно объяснить наличием защитной оболочки, оберегающей их от губительного действия ионизирующего солнечного излучения. В ходе последующих космических испытаний на станции «Мир» установлено, что наиболее устойчивыми из земных бактерий являются сенные палочки, которые в комочках грунта выживали при действии электромагнитного излучения в открытом космосе, а бактерии, лишенные этой защитной оболочки, погибали. Если «защищенные» споры способны перемещаться как минимум по Солнечной системе, то, следовательно, не исключен механизм космического начала жизни на Земле.

10. Метаболизм (от греч. — «превращение, изменение»), или обмен веществ — набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.

Метаболизм обычно делят на две стадии:

1. в ходе катаболизма сложные органические вещества деградируют до более простых;

2. в процессах анаболизма с затратами энергии синтезируются такие вещества, как белки, сахара, липиды и нуклеиновые кислоты.

Обмен веществ происходит между клетками организма и межклеточной жидкостью, постоянство состава которой поддерживается кровообращением. Серии химических реакций обмена веществ называют метаболическими путями, в них при участии ферментов (белков или молекул РНК

1. катализирующих химические процессы в организмах

2. регулирующих метаболические пути в ответ на изменения среды клетки или сигналы от других клеток) одни биологически значимые молекулы последовательно превращаются в другие.

Особенности метаболизма влияют на то, будет ли пригодна определенная молекула для использования организмом в качестве источника энергии. Так, например, некоторые прокариоты (безъядерные одноклеточные) используют сероводород в качестве источника энергии, однако этот газ ядовит для животных. Скорость обмена веществ также влияет на количество пищи, необходимой для организма.

Основные метаболические пути и их компоненты одинаковы для многих видов, что свидетельствует о единстве происхождения всех живых существ. Например, некоторые карбоновые кислоты присутствуют во всех организмах, начиная от бактерий и заканчивая многоклеточными организмами эукариот. Сходства в обмене веществ, вероятно, связаны с высокой эффективностью метаболических путей, а также с их ранним появлением в истории эволюции.

Семинар подготовила М. Гареева, Туризм, 1 курс

Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем