Когда возникли первые живые организмы кратко
Обновлено: 05.07.2024
В истории Земли принято различать промежутки времени, разделённые крупными геологическими событиями: горообразовательными процессами, поднятием и опусканием суши, изменением очертаний материков, уровня океанов.
Вопрос 2. Когда возникли первые живые организмы?
Вопрос 3. Какие организмы жили в протерозойскую эру?
В протерозойскую эру, эру ранней жизни, которая началась 2 млрд. 600 млн лет назад и продолжалась 2 млрд. лет, в морях уже обитало много разнообразных водорослей, в том числе прикреплённых ко дну. Суша была безжизненной, но по берегам водоёмов в результате деятельности бактерий и микроскопических водорослей начались почвообразовательные процессы.
Вопрос 4. Составьте список крупнейших эволюционных событий протерозойской эры.
К крупнейшим эволюционным событиям протерозоя относят:
1. В это время зародились первые одноклеточные аэробные организмы.
2. Формирование твёрдого скелета у животных.
3. Появление губок, кишечнополостных и членистоногих.
Вопрос 5 Почему образование клетками колоний биологически выгодно?
Разделение функций клеток у первых колониальных многоклеточных организмов привело к образованию эктодермы, энтодермы и мезодермы, дифференцированных по структуре в зависимости от выполняемой функции. Дальнейшая дифференцировка создала необыкновенное разнообразие клеточных типов, необходимое для расширения структурных и функциональных возможностей организма в целом, в результате чего создавались всё более сложные органы. Совершенствование взаимодействия между клетками – сначала контактного, а затем опосредованного с помощью регуляторных систем – нервной и эндокринной – обеспечило существование многоклеточного организма как единого целого со сложным и тонким взаимодействием его частей и соответствующим реагированием на окружающую среду.
Вопрос 6. Вследствие какого события произошло разделение живого мира на растительный и животный?
Важнейший этап эволюции жизни на Земле связан с возникновением фотосинтеза, что обуславливает разделение органического мира на растительный и животный. Первыми фотосинтезирующими организмами были прокариотические (доядерные) цианобактерии и синезеленые водоросли. Появившиеся затем эукариотические зеленые водоросли выделяли в атмосферу из океана свободный кислород, что способствовало возникновению бактерий, способных жить в кислородной среде.
Вопрос 7. Объясните, почему в геологических отложениях невозможно найти доказательства существования жизни в архейскую эру.
Архейская эра является древнейшей из собственно геологических эр. В архейскую эру органический мир только зарождался, и мы не имеем о нем даже приблизительного представления. Это связано с тем, что в докембрии обитали мягкотелые бесскелетные организмы, которые не образовывали окаменелостей, и очень редко встречаются в ископаемом состоянии, да и то лишь в виде отпечатков. Поэтому для докембрия нельзя применить ни палеонтологические методы определения относительного возраста горных пород, ни биономический анализ для восстановления физико-географических условий (кроме пород верхнего протерозоя).
Обзор
Автор
Редактор
Одной из главных причин, по которой мы изучаем биологию, является желание понять наше происхождение. Чем больше ископаемых остатков мы изучим, тем больше ветвей добавится к нашему биологическому древу. Но все ветви растут из единого ствола. Так кто же находится у корней?
Ранняя Земля
Во время первых стадий своего формирования Земля кардинально отличалась от той картинки, с которой она ассоциируется у большинства из нас. Было время, когда не существовало жизни и даже намеков на нее. Внешний вид планеты и условия на ней представить довольно сложно, но возможно. После столкновения с Тейей (рис. 1), в результате которого образовалась Луна [1], вся поверхность Земли превратилась в магму с температурой выше 2000 °С. Началось испарение силикатов и водяного пара. В такой протоатмосфере были метан и углекислый газ, благодаря которым создавался сильнейший парниковый эффект.
Рисунок 1. Так художник Билл Карр (Bill Carr) изобразил последствия столкновения Земли с гипотетической Тейей
Когда возникла жизнь?
В 2015 году американский журнал Proceedings of the National Academy of Sciences опубликовал статью, которая подтверждает, что на Земле жизнь зародилась ~4,1 миллиарда лет назад [3]. Геохимик Элизабет Белл и ее коллеги анализировали породы массива Джек Хиллс в Западной Австралии и нашли в одном из цирконов (его датируют 4,1 миллиардами лет) включения углерода. Авторы статьи настаивают на том, что этот циркон образовался среди органических соединений, попадавших в мантию в ходе столкновения тектонических плит. Возможно, именно в этом районе Земли впервые зародилась жизнь.
Мир РНК
Появление теории и ее предшественники
После открытия структуры ДНК и подробного цитологического анализа современных эукариот ученые пришли к выводу, что для формирования подобной структуры из первичного бульона ушло бы больше времени, чем существует Вселенная! Также было выяснено, что на тогдашней Земле отсутствовали в нужном объеме многие химические элементы, в частности фосфор, необходимые для формирования такой сложной структуры как эукариотическая клетка [2]. По этим и другим причинам господствующая теория абиогенеза отошла на второй план, и начались поиски другой теории, объясняющей появление современной клетки.
Самой очевидной и простой была теория панспермии (см. врезку) — внеземного происхождения жизни на более пригодной планете и ее распространения на Землю с одним из небесных тел (рис. 2) [4]. Одним из главных аргументов является малое количество на Земле молибдена — элемента, содержащегося во многих жизненно необходимых ферментах. Но все же гипотеза не объясняет происхождение самой жизни, а только указывает возможный путь ее попадания на нашу планету в далеком прошлом из неизвестного уголка Вселенной.
Рисунок 2. В космическом пространстве находится множество молекул (в том числе и органических), способных попасть на Землю
Панспермия
Рисунок 3. Отрывок комикса на тему теории панспермии
Первым высказал идею панспермии (рис. 3) древнегреческий мыслитель Анаксагор в 5 веке до нашей эры, но свое развитие теория получила лишь в 20 веке нашей эры. Фред Хойл и Чандра Викрамасингх были влиятельными сторонниками панспермии, и в 1974 году они выдвинули гипотезу о том, что некоторая пыль в межзвездном пространстве содержит углерод и является органической. Позже их гипотеза подтвердилась [5]. Хойл и Викрамасингх также утверждали, что некие формы жизни продолжают проникать в атмосферу Земли и могут быть ответственны за эпидемические вспышки, новые заболевания и генетическую новизну, необходимую для макроэволюции [6].
Особенно активно эта теория начала развиваться в 21 веке. На МКС с 2008 по 2015 годы проводили эксперименты, связанные с нахождением микроорганизмов в открытом космосе за пределами станции. В течение полутора лет микробы и их споры подвергались воздействию солнечных лучей и вакуума. Некоторые организмы сохранились в неактивном состоянии значительное время [7], и эти образцы, защищенные смоделированным метеоритным материалом, дают экспериментальные подтверждения гипотетического сценария панспермии.
В 2017 году группа российских ученых обнаружила на облицовке МКС споры земных бактерий, подобных микроорганизмам из вод Карского и Баренцева морей. Это означает возможный перенос бактерий из стратосферы в ионосферу с помощью восходящих потоков глобальной электрической цепи Земли [8].
Радикальная гипотеза
Позже выяснилось, что многие процессы в клетке происходят благодаря рибозимам. Очень ярким примером является рибосома, активный центр которой представлен катализирующей рРНК.
Итак, теория мира РНК гласит, что первыми прообразами организмов были автокаталитические циклы, состоящие из этих самых рибозимов и работающие в тем или иным образом ограниченном пространстве [13]. Как мы уже сказали выше, в какой-то момент нуклеотиды, самопроизвольно образовавшиеся в первичном бульоне, под действием высоких температур начали соединяться, и образовали макромолекулы — молекулы РНК, которые были способны копировать друг друга. Кроме такой уникальной возможности, РНК могла синтезировать белки на основе структуры других молекул РНК и хранить информацию. То есть все жизненно важные процессы проходили тогда исключительно на основе РНК.
Однако рибонуклеиновая кислота оказалась довольно плохим накопителем информации из-за своей нестабильности и склонности к быстрой деградации. (Исключение могут составлять, например, РНК-вирусы, генетический материал которых защищен капсидом от разрушительного воздействия окружающей среды. Такие вирусы имеют специальный фермент — обратную транскриптазу, — катализирующий синтез ДНК по матрице РНК после попадания вирусного генетического материала в клетку. Однако не стоит забывать, что вирусы не проявляют признаков жизнедеятельности за пределами клетки и полностью зависят от нее.) И впоследствии, с ходом эволюции, РНК передала свои ферментативные функции белкам, а длительное хранение генетической информации — ДНК.
К сожалению, пока исследования показывают, что ни один природный рибозим не может создать копию себя [14] (хотя синтетические уже могут), и поэтому теория мира РНК еще не является полностью доказанной.
Возникновение клетки
Существуют две основные теории происхождения первой протоклетки, которую можно определенно назвать организмом в современном понимании. Оба предположения могли быть реализованы в условиях молодой Земли.
Сторонники первой теории утверждают, что первая протоклетка могла появиться в зонах с геотермической активностью. Под воздействием врéменных высоких температур вода на какой-то период почти полностью испарилась, и полимеры сконцентрировались в скоплениях жирных кислот — образовался прототип клетки. После сухого периода снова вернулась водная среда, и организм мог начать полноценно функционировать. Подобные геоактивные зоны сейчас находятся на Камчатке и в Йеллоустонском парке [17].
Вторая теория подразумевает, что первый организм мог образоваться в зоне океанических гидротермальных источников. Минеральная полупроницаемая оболочка, покрывающая горные породы жерла источника и поры в нем, эффективно отделяла щелочную среду от более кислой. В результате создавался градиент pH, с помощью которого могли синтезироваться первые органические вещества, такие как углекислый газ [17]. Сходство с живым организмом заключается в том, что гидротермальные источники также частично изолированы от внешней среды. Существование жизни в подобных геотермальных неорганических ячейках поддерживалось постоянным притоком необходимых биогенов, особенно водорода, которой не так легко найти где-то в чистом виде, и температурой магмы, шедшей из недр Земли. Сегодня эта гипотеза Уильяма Мартина и Майкла Рассела считается более правдоподобной и реалистичной [18], [19]. Современным аналогом гидротермальных источников могут служить черные курильщики, которые и сейчас являются оазисами жизни посреди пустынного океанского дна (более подробно курильщики описаны под рисунком 7).
Прогеноты
В 1977 году Карл Вёзе и Жан Фокс определили прогенота как гипотетическую допрокариотную стадию эволюции клетки:
Эукариоты возникли из прокариот, но только с организационным различием, не филогенетическим. Аналогично прокариоты появились из более примитивных форм жизни. Самые эволюционно ранние организмы называются прогенотами, потому что они еще в процессе развития отношений между генотипом и фенотипом.
The concept of cellular evolution [20]
Вопрос о строении прогенотов остается открытым, но кое-что можно сказать уже сейчас. Это были куски генетической информации в виде рибозимной РНК без строго определенного количества генов, изолированные от внешней среды спонтанно собранными фосфолипидными мицеллами (в первичном бульоне содержались все компоненты для образования подобной структуры) [15], [16]. С этой РНК происходили все необходимые для жизнедеятельности процессы — трансляция, репликация и репарация, — но существовала одна значительная проблема. Внутриклеточные процессы зависели от множества факторов внутри- и внеклеточной сред, и по большей части от того, что РНК непригодна для длительного хранения генетической информации, поскольку в агрессивной среде очень быстро деградирует [15].
Однако мы видим явное преимущество прогенотов перед одинокими рибозимными молекулами (и даже их группами) в том, что:
- Прогеноты содержат разнообразные и функционально специализированные РНК-молекулы (информационная РНК, хранящая генетический код, и, например, ферментативная РНК, осуществляющая синтез чего-либо).
- Прогеноты изолированы от внешней среды, что дает базис для возможного развития внутриклеточной структуры и появления настоящей прокариотной клеточной мембраны.
Следующая стадия клетки должна была уже модернизировать внутреннюю систему, создать полупроницаемую мембрану и развить отношения между генотипом и фенотипом, то есть стать прокариотом.
Насколько он древний?
LUCA жил еще до появления любого из современных представителей земной жизни (рис. 6), до разделения всего живого на эукариот, бактерий и архей (по трехдоменной системе Вёзе) [21–23]. LUCA появился в палеоархее, около 3,6 миллиардов лет назад [24]. Учитывая тот факт, что Земле 4,5 миллиарда лет [25], его можно считать эволюционно очень ранним организмом. Для примера, эукариоты появились только 1,84 миллиарда лет назад, в орозирии [25].
Рисунок 6. Новый взгляд на клеточную эволюцию. На схеме старой парадигмы (А) мы можем видеть, что прогеноты были связующим звеном между РНК-миром и новым разнообразным ДНК-миром. Современный подход (В) говорит, что между прогенотами и тремя доменами существовал последний общий предок, который и выполнял эволюционно переходную функцию.
В старой эволюционной парадигме мы видим только одну, одностороннюю, стрелочку, перпендикулярную трем ветвям-доменам — она иллюстрирует теорию эндосимбиогенеза (рис. 6). Теория гласит, что предшественники некоторых органоидов современных эукариот были свободноживущими бактериями, которые попали в эукариотическую клетку и как-то смогли выжить, наладив отношения с клеткой-хозяином. Примером может служить митохондрия, которая до фагоцитоза была свободной альфа-протеобактерией, или же первичные хлоропласты — в прошлом цианобактерии . Первые предположения о внутриклеточном симбиозе высказывали еще в 19 веке по аналогии с недавно открытым лишайником (симбиозом гриба и бактерии) [27]. Подтверждение теория нашла уже во второй половине 20 века одновременно с резким скачком в генетике, цитологии и микробиологии в целом. Кроме аргумента о несинхронности жизненных циклов симбионта и хозяина, появились цитологические и молекулярные, такие как собственный генетический материал симбионтов или рибосомы.
Новая парадигма обзавелась еще одной перпендикулярной стрелкой — LGT (от англ. lateral gene transfer), или горизонтальным переносом генов (рис. 6). Это одна из главных проблем определения генома LUCA. Горизонтальный перенос генов и слияние ранее независимых линий превратили дерево жизни в сеть жизни. Если мы определим общий ген для архей и бактерий, то будет ли он присутствовать у LUCA как последствие обычной вертикальной передачи генов (по наследству) или же из-за этого самого горизонтального переноса? Приведем яркий пример, не пользуясь понятием LGT: у аэробных архей бактериальный тип дыхания. Значит ли это, что археи — потомки (или предки) аэробных бактерий? Как мы знаем, кислород вырабатывается цианобактериями, следовательно, аэробные археи должны были появиться позже них, и тогда о трех доменах не может идти и речи, т.к. у корня биологического древа следует поставить цианобактерий. Но если включить в систему горизонтальный перенос генов, то всё становится на свои места.
Условия обитания
Благодаря тогдашним климатическим условиям нашей планеты, можно считать LUCA крайним экстремофилом, в связи с чем связано наличие некоторых особенностей его физиологии:
Как выглядел LUCA
Стоит отметить, что LUCA — прокариот [26] и стоит на эволюционно более высоком уровне, чем прогеноты. Время, ушедшее на преобразование из прогенотов в такой сравнительно сложный организм, было просто колоссальным. За этот период LUCA приобрел ряд усовершенствований, связанных в первую очередь с метаморфозами клеточной мембраны и генома. Наследственная информация была строго упорядочена и представлена в виде правильно оформленной молекулы ДНК (или РНК) в отличие от хаотично плавающих в замкнутом пространстве мицелл кусков РНК прогенотов.
Формированию внутриклеточных структур прогенотов препятствовала их зависимость от внешней среды. Отсутствие частично проницаемой мембраны не давало допрокариотам оставлять все нужные вещества внутри клетки. Но уже на уровне LUCA появляется частичная независимость от внешних факторов, фосфолипидная полупроницаемая мембрана [31], закодированная в геноме, и определенный клеточный цикл [32], [33].
По его мнению, возможно, LUCA не имел клеточной организации в современном представлении, это была не отдельная клетка, а сеть организмов, не разделенных мембранами, но уже имеющих ряд важных мембранных белков, таких как компоненты АТФ-синтазы и SRP. Для подобной структуры Кунин предложил использовать обозначение LUCA(S) (Last Ancestral Universal Common State — последнее универсальное предковое состояние). LUCA(S) был разнородной популяцией генетических элементов, которые существовавали в сети неорганических ячеек — компартментов. Таким образом, в подобной системе могли одновременно существовать и РНК, и одноцепочечная ДНК, и даже двухцепочечная ДНК. Появление собственной клеточной мембраны и обособление генома произошли независимо у разных организмов, что и привело к образованию разных во многих смыслах доменов жизни.
Генетика LUCA
Существует две теории о геноме LUCA [18].
Первая говорит нам о том, что у эволюционно ранних прокариотов был смешанный геном из ДНК и РНК, которые слаженно работали вместе, а с течением эволюции разные группы организмов оставили что-то одно: либо РНК, либо ДНК.
Второй подход подразумевает, что генетическая информация у LUCA хранилась в РНК-молекулах, а ДНК появлялась у каждой группы независимо. Вторая теория выглядит минималистичней, и к ней склоняется и Уильям Мартин (см. ниже).
Точного подтверждения существования LUCA в виде секвенированного генома или каких-то окаменелостей, не существует, но его генетическая информация содержится в любом ныне живущем существе (рис. 6).
Для решения проблемы определения состава генома LUCA нужно установить:
- Общие гены для доменов бактерий и архей.
- Какие гены появились из-за горизонтального переноса.
- Какие гены прямо наследованы от LUCA[24].
Затем для генов бактерий и архей можно построить филогенетическое дерево. И если мы учтем все возможные потери и приобретения генов за время эволюции, то есть выясним историю каждого отдельно взятого гена, то свободно проследим путь прямиком до LUCA. При этом ограничение размера генома с учетом гипотетического местообитания LUCA, условий среды и т.п. сильно упрощает задачу [24], [34].
И еще немного о LUCA
Заключение
На ранних эволюционных стадиях мы можем видеть разительное отличие общего устройства и функционала некоторых структур в сравнении с современными. РНК-молекулы, выполнявшие все функции организма, и которые сами, по сути, были целыми организмами на первых стадиях, с ходом эволюции кардинально меняют свое назначение. Раньше РНК полностью заменяла и ДНК, и ферменты, поддерживала жизнь всего организма на основе своего огромного функционала. Однако время идет, жизнь склонна усложняться. Появляется клеточная мембрана, а значит, вскоре появятся и органоиды, и вот уже оказывается, что теперь нет времени на долгий катализ рибозимами, и необходимого срока хранения генетической информации РНК предоставить уже не может в связи с интенсивным увеличением генома. И вот организм вынужден образовывать новые структуры, новые органеллы, прибегать к помощи симбионтов. Таким образом, всего через пару миллиардов лет мы можем лицезреть эукариот, в основе эволюции которых лежит одна лишь макромолекула.
С течением времени и развитием технологий изучение ранних стадий эволюции становится проще, но все так же остается одной из сложнейших задач науки. В последние годы все больше старых гипотез доказывается или опровергается на новой научной базе. Столетие назад никто и подумать не мог об орбитальных экспериментах и космических исследованиях, но человечество и это делает возможным. Мы устанавливаем родство на основе генетики, ищем древнейших предков с помощью молекулярной биологии и пытаемся узнать непостижимое — тайну происхождения жизни.
Каким образом мы все появились на Земле? На протяжении многих веков люди задавали себе этот вопрос и пытались найти на него ответ. Это одна из самых сложных загадок для человеческого разума.
Одной из общепринятых версий возникновения жизни на Земле является теория Большого взрыва. Согласно ей, около 15 млрд лет назад Вселенная представляла собой небольшой горячий объект. Затем произошел Большой взрыв, и этот объект стал расширяться и существенно увеличиваться в размерах. Так произошло рождение Вселенной. Образовались галактики, звезды, в том числе и Солнце. Вокруг него начали вращаться 8 планет, одна из которых — наша Земля.
Формирование планеты Земля
Около 4,6 млрд лет назад Земля выглядела совсем по-другому. Вместо привычных зеленого, голубого и белого цветов наша планета была красно-оранжевой. Ее поверхность покрывал океан кипящей лавы. Вместо кислорода, которым мы дышим сегодня, воздух был насыщен смертельно ядовитыми газами.
На протяжении первых 500 млн лет своего существования Земля представляла собой огромный безжизненный шар огненной лавы. Затем в течение еще 300 млн лет планета была слишком горячей для появления воды. Потом она стала постепенно остывать. Повсюду начали идти дожди, причем настолько сильные, что образовались реки, озера, моря и океаны.
Но все водное и наземное пространство по-прежнему оставалось безжизненным: в воде не плавала рыба, по небу не летали птицы, не было ни людей, ни животных. Только песок и камень.
Появление жизни на Земле
По мнению биологов, жизнь на Земле образовалась в результате эволюции. Несмотря на видимую безжизненность древнего океана, он содержал химические соединения, которые были готовы преобразоваться в живые организмы. Ученые назвали эти строительные вещества первичным бульоном, т.е. возможным источником возникновения жизни на Земле. В состав этого бульона входили аминокислоты, белки, жиры, углеводы и другие основные компоненты клеток живого существа.
Когда на Земле зародилась жизнь?
Официальная "дата" зарождения жизни на Земле - 3,5 млрд. лет назад . Именно в это время возникли первые живые существа, населившие новую планету - сине-зеленые водоросли (простейшие цианобактерии). Они зародились совершенно уникальным образом в только что возникших океанах Земли и стали первыми "производителями" одного из главных элементов атмосферы нашей планеты - кислорода.
Несмотря на то, что время возникновения на Земле жизни научно доказано, тем не менее, некоторые геохимики, исследовав состав нашей планеты, утверждают, что жизнь на земном шаре возникла намного раньше - 4,4 млрд. лет назад, почти сразу же после рождения новой планеты.
Что возникло раньше: яйцо или курица?
Загадка кажется смешной, но в ней есть глубокий смысл. Подумай сам: если бы не было курицы, то не существовало бы и яиц, а с другой стороны, как появилась курица? Из яйца? Что все-таки было первым? Ответ на этот очень сложный вопрос касается не только курицы и яйца, но и всех форм жизни.
Чем питались первые клетки?
Первые клетки питались, скорее всего, первичным бульоном, тем, из которого они образовались. Большое количество белков, жиров и аминокислот позволяло клеткам жить и размножаться. Они стали родоначальниками клеток животных. На протяжении миллионов лет запасы продовольствия постепенно сокращались. В результате стали образовываться новые клетки — так называемые продуценты. Они смогли развить способность создавать для себя пищу из окружающего строительного материала, используя энергию Солнца или тепло Земли. Эти клетки положили начало всему растительному миру.
Клетка — это основной элемент живого существа. Она может питаться, двигаться и образовывать себе подобных. Первые клетки были достаточно примитивными, но они смогли взять необходимые элементы из первичного бульона и начать свою очень короткую жизнь.
Эволюционные изменения
Чтобы жизнь вокруг нас стала такой, какой мы ее видим сейчас, был пройден долгий и трудный путь превращения простейшей клетки в многоклеточный организм.
Кислород — основа жизни
Переломным моментом на этом пути стало использование клетками кислорода. Ты уже знаешь, что изначально в земной атмосфере кислород содержался в минимальных количествах или отсутствовал вообще, поэтому и первые клетки были устроены так, что не нуждались в нем.
Тем не менее клетки развивались и выделяли кислород в атмосферу. В течение довольно длительного времени атмосфера Земли из смеси смертельно ядовитых газов превратилась в среду, благоприятную для живых существ.
Следующий этап развития
Развитие многоклеточных организмов — следующий этап эволюционного развития. Жизнь больше не ограничивалась одноклеточными существами. Стали появляться новые организмы, состоящие из двух, десяти, тысячи и даже миллиардов клеток. Более того, клетки с разным строением стали специализироваться на выполнении разных работ. Например, одни исполняли роль глаз, другие — сердца, третьи — мозга, тем самым усложняя и совершенствуя устройство живого организма.
С изменением состава атмосферы изменилась и жизнь на Земле. Стали образовываться клетки, для жизнедеятельности которых понадобился кислород. А он благодаря своим свойствам открыл двери более сложным и продвинутым жизненным формам
Естественный отбор: выживают сильнейшие
Почему так происходит? Давай разбираться. Жизнь на Земле началась с простейших клеток, которые впоследствии развились в растения, животных и все остальные организмы. Но кто решил, как будет выглядеть каждый из них?
Почему у животных есть глаза, уши, нос и другие органы? Почему существует так много видов живых существ?
Каким образом определяется внешний вид животных?
Ты сам можешь дать ответ на этот вопрос. Посмотри на себя в зеркало. На кого ты похож? На своих родителей, бабушек и дедушек.
То же происходит и с животными. У львов рождаются львята, у сов — совята и т.д. И если у львов длинный хвост, то такой же будет у львенка, когда он вырастет. Маленький совенок очень похож на своих взрослых родителей, и вряд ли ты его перепутаешь с птенцом павлина или цыпленком. Детеныши перенимают все внешние признаки своих родителей.
На протяжении миллионов лет образовывались многочисленные виды растений и животных. Одни из них были маленькие, другие — большие, одни жили на суше, другие — в воде. И всем этим процессом руководил естественный отбор
Эволюция в действии — совершенствование поколений
Представь, миллионы лет назад на Земле жили птицеподобные животные, которые не могли летать. Со временем у некоторых из них развилась способность высоко прыгать и, возможно, даже пролетать небольшие дистанции. Совершенно очевидно, что это умение давало им неоспоримые преимущества перед другими видами живых существ. Прыгучие животные могли беспрепятственно скрываться от погони, быстрее перемещались и находили пищу. Поэтому выжили именно эти особи, а их детеныши унаследовали способность высоко прыгать и пролетать небольшие расстояния. И так происходило с каждым поколением, причем потомки еще выше прыгали и еще дольше могли находиться в воздухе. А выживали самые сильные и здоровые, и у них появлялись детеныши, обладавшие выдающимися качествами своих родителей.
В конце концов спустя миллионы лет птицы стали непревзойденными асами полета.
Ученые Нагойского университета в Японии показали, что предшественниками живых организмов на Земле могли служить молекулы, похожие на ДНК, а не РНК. Рассказываем, что это значит и как развивалась жизнь на планете Земля.
Когда началась эволюция жизни на Земле?
Эволюция жизни на Земле началась с момента появления первого живого существа — около 2,7 млрд (а по некоторым данным — 4,1 млрд лет назад) и продолжается по сей день. Сходство между всеми организмами указывает на наличие общего предка, от которого произошли все другие живые существа.
Цианобактериальные маты и археи были доминирующей формой жизни в начале архейского периода и явились огромным эволюционным шагом того времени. Кислородный фотосинтез, появившийся около 2,5 млрд лет назад, в конечном итоге привел к оксигенации атмосферы, которая началась примерно 2,4 млрд лет назад.
Самые ранние свидетельства эукариот датируются 1,8 млрд лет назад, хотя, возможно, они появились ранее — диверсификация эукариот ускорилась, когда они начали использовать кислород в метаболизме. Позже, около 1,7 млрд лет назад, стали появляться многоклеточные организмы с дифференцированными клетками для выполнения специализированных функций.
Примерно 1,2 млрд лет назад появляются первые водоросли, а уже примерно 450 млн лет назад — первые высшие растения. Беспозвоночные животные появились в эдиакарском периоде, а позвоночные возникли около 525 млн лет назад во время кембрийского взрыва.
Во время пермского периода из крупных позвоночных преобладали синапсиды — предки млекопитающих, но события пермского вымирания (251 млн лет назад) уничтожили 96% всех морских видов и 70% наземных видов позвоночных, в том числе и большинства синапсид.
В периоде восстановления после этой катастрофы архозавры стали наиболее распространенными наземными позвоночными и вытеснили терапсид в середине триаса. В конце триаса архозавры дали начало динозаврам, которые доминировали в течение юрского и мелового периодов.
Предки млекопитающих в то время представляли собой небольших насекомоядных животных. После мел-палеогенового вымирания, произошедшего около 66 млн лет назад, все нептичьи динозавры вымерли, и из архозавров остались только крокодилы и птицы.
После этого млекопитающие стали быстро увеличиваться в размерах и разнообразии, так как теперь им почти никто не составлял конкуренцию. Такие массовые вымирания, вероятно, ускоряли эволюцию путем появления у новых групп организмов возможностей для диверсификации.
Люди являются одними из приматов, начавших ходить вертикально около 6 млн лет назад. Хотя размер мозга их предков был сравним с размером мозга других гоминид, например, шимпанзе.
Возникновение жизни
Согласно современной концепции мира РНК, рибонуклеиновая кислота (РНК) была первой молекулой, которая приобрела способность самовоспроизводиться. Могли пройти миллионы лет, прежде чем на Земле появилась первая такая молекула. Но после ее образования на нашей планете появилась возможность возникновения жизни.
Молекула РНК может работать как фермент, соединяя свободные нуклеотиды в комплементарную последовательность. Таким образом происходит размножение РНК.
Но эти химические соединения еще нельзя назвать живым существом, так как они не имеют границ тела. Любой живой организм имеет такие границы. Только внутри изолированного от внешнего хаотического движения частиц тела могут происходить сложнейшие химические реакции, позволяющие существу питаться, размножаться, двигаться, и так далее.
Появление изолированных полостей в океане — явление довольно частое. Их образуют жирные кислоты (алифатические кислоты), попавшие в воду. Все дело в том, что один конец молекулы гидрофильный, а другой — гидрофобный.
Попавшие в воду жирные кислоты образуют сферы таким образом, что гидрофобные концы молекул находятся внутри сферы. Возможно, молекулы РНК стали попадать в такие сферы.
Умение воспроизводиться и наличие границ тела — это еще не все признаки, отличающие живое существо от неживой природы. Для воспроизведения внутри сферы из жирных кислот молекуле РНК нужно было наладить процесс обмена веществ.
Как начали делиться первые клетки, состоящие из молекулы РНК и мембраны из жирных кислот, в настоящее время неизвестно. Возможно, построенная внутри мембраны новая молекула РНК начинала отталкиваться от первой.
В конце концов, одна из них прорывала мембрану. Вместе с молекулой РНК уходила и часть молекул жирных кислот, которые образовывали вокруг нее новую сферу.
Докембрий или криптозой
Докембрий длился почти 4 млрд лет. В этот отрезок времени на Земле произошли значительные изменения: кора остыла, появились океаны и, что самое важное, появилась примитивная жизнь. Однако следы этой жизни в палеонтологической летописи редки, поскольку первые организмы были мелкими и не имели твёрдых оболочек.
На докембрий приходится большая часть геологической истории Земли — около 3,8 млрд лет. При этом его хронология разработана гораздо хуже, чем последовавшего за ним фанерозоя.
Причина этого в том, что органические остатки в докембрийских отложениях встречаются крайне редко, что является одной из отличительных особенностей этих древнейших геологических образований. Поэтому палеонтологический метод изучения для докембрийских толщ неприменим.
- Катархейский эон (4,54-4,0 млрд лет назад)
Исследования метеоритов, горных пород и других материалов того времени показывают, что наша планета сформировалась примерно 4,54 млрд лет назад. До этого времени вокруг Солнца был только размытый диск, состоящий из газа и космической пыли. Затем под действием силы притяжения пыль стала собираться в небольшие тела, которые в итоге превратились в планеты.
На протяжении многих миллионов лет на Земле не существовало никаких форм жизни. После архейского эпизода расплавления верхней мантии и ее перегрева с возникновением в этой геосфере магматического океана вся первозданная поверхность Земли вместе с ее первичной и изначально плотной литосферой очень быстро погрузилась в расплавы верхней мантии.
Атмосфера в то время не была плотной и состояла из ядовитых газов, таких как аммиак (NH3), метан (CH4), водород (H2), хлор (Cl2), сера. Температура ее достигала 80 °С. Естественная радиоактивность была во много раз выше нынешней. Жизнь в таких условиях была невозможна.
4,533 млрд лет назад Земля предположительно столкнулась с небесным телом размером с Марс, гипотетической планетой Тейей. Столкновение было таким сильным, что образовавшиеся при столкновении обломки были выброшены в космос и образовали Луну.
Образование Луны способствовало появлению жизни: она вызывала приливы, способствовавшие очищению и аэрации морей, и стабилизировала ось вращения Земли.
Катархейский эон, 4,54-4 млрд лет назад, известен как протопланетный этап развития Земли. Охватывает первую половину криптозоя. Земля в то время была холодным телом с разреженной атмосферой и без гидросферы. В таких условиях никакой жизни появиться не могло.
Во время катархея атмосфера не была плотной. Она состояла из газов и паров воды, появлявшихся при столкновении Земли с астероидами.
В связи с тем, что Луна тогда была слишком приближена (всего на 170 тыс. км) к Земле (длина экватора — 40 тыс. км), сутки длились недолго — всего 6 часов. Но по мере отдаления Луны сутки стали увеличиваться.
Первые химические следы жизни возрастом примерно 3,5 млрд лет были обнаружены в горных породах Австралии (Пилбара). Позднее органический углерод был обнаружен в породах, датируемых 4,1 млрд лет. Возможно, жизнь зародилась именно в горячих источниках, где было много питательных веществ, в том числе и нуклеотидов.
Жизнь в архее развилась до бактерий и цианобактерий. Они вели придонный образ жизни: устилали дно моря тонким слоем слизи.
Эоархей
Длился 4-3,6 млрд лет назад. Возможно, прокариоты появились уже в конце эоархея. Кроме того, к эоархею относятся древнейшие геологические породы — формация Исуа в Гренландии.
Палеоархей
Палеоархей продолжался с 3,6 по 3,2 млрд лет назад. В Австралии найдена самая древняя форма жизни, относящаяся к этой эре — хорошо сохранившиеся остатки бактерий возрастом 3,46 млрд лет.
Мезоархей
Строматолит мезоархейского периода.
Мезоархей длился 3,2-2,8 млрд лет назад. В мезоархее уже встречаются строматолиты.
Неоархей
Что было прародителем живых организмов?
Ученые Нагойского университета в Японии считают, что до появления первой живой клетки существовал мир пре-РНК, основанный на ксенонуклеиновых кислотах (XNA).
В отличие от РНК-цепочек, репликация и сборка XNA не требует ферментов. Цепи ксенонуклеиновых кислот достаточно стабильны, чтобы нести генетическую информацию.
Они также способны связываться с белками и обладать ферментативными функциями подобно рибозимам (так ученые называют рибонуклеиновые кислоты, способные катализировать биохимические реакции).
Ученые синтезировали фрагменты алифатической (не имеющей циклов) нуклеиновой кислоты L-треонинола (L-aTNA), которая, как считается, существовала до появления РНК.
Они также сделали более длинную цепочку L-aTNA, которая была комплементарна исходной последовательности фрагментов, подобно тому, как две комплементарные друг другу ДНК-цепочки создают двойную спираль.
В пробирке при контролируемых условиях более короткие фрагменты L-aTNA собирались вместе и связывались друг с другом на более длинной цепочке L-треонинола. Это произошло в присутствии соединения, называемого N-цианоимидазолом, и иона металла, такого как марганец, оба из которых, скорее всего, присутствовали на ранней Земле.
Фрагменты L-aTNA также могли связываться с ДНК и РНК. Это говорит о том, что генетический код может быть перенесен с ДНК и РНК на L-aTNA и обратно.
По словам ученых, результаты исследования помогут будущим разработкам по созданию искусственной жизни и высокофункциональных биотехнологических инструментов, состоящих из ациклических XNA.
Читайте также: