Условия среды на древней земле сообщение
Обновлено: 05.07.2024
Гусев М. В., Минеева Л. А. - Микробиология
После открытия А. ван Левенгуком микроорганизмов именно они стали основным объектом спора о зарождении жизни, поскольку логичным представлялось, что в первую очередь к самозарождению способны наиболее примитивно устроенные живые существа. Сам А. ван Левенгук отрицательно относился к возможности зарождения микроорганизмов из неживой материи.
Английский натуралист Дж. Нидхем (J. Needham, 1713 — 1781) попытался экспериментально ответить на этот вопрос. Дж. Нидхем поставил серию опытов, которые сводились к тому, что он готовил в стеклянных колбах разные настои, кипятил их в течение нескольких минут, затем закрывал обычными пробками. Через несколько дней в сосудах появлялись микроорганизмы. Это привело его к заключению о спонтанном возникновении микроорганизмов из неживого органического вещества, т. е. о возможности самопроизвольного зарождения на уровне низших живых существ.
Опыты Дж. Нидхема повторил итальянский естествоиспытатель Л. Спалланцани (L. Spallanzani, 1729 — 1799). Его опыты внешне не отличались от опытов Дж. Нидхема, за исключением того, что Л. Спалланцани закрывал сосуд пробкой не после, а до кипячения, а само кипячение длилось не несколько минут, как в опытах Дж. Нидхема, а значительно дольше — от 30 мин до 1 ч. В таких сосудах после выдерживания в течение нескольких дней не. было обнаружено никаких микроорганизмов. Л. Спалланцани сделал вывод, что в опытах Дж. Нидхема микроорганизмы в настоях появлялись, или попадая туда из воздуха (поскольку сосуды закрывали обычными пробками после кипячения), или погибали не все первоначально содержавшиеся в настоях клетки из-за недостаточно длительного кипячения. (В первую очередь это относится к наиболее термоустойчивым формам бактерий — спорам.) Л. Спалланцани под микроскопом удалось наблюдать деление микроба на две одинаковые дочерние клетки, каждая из которых также делилась на две клетки. Все сказанное позволило итальянскому ученому утверждать, что и микроорганизмы возникают не в результате самозарождения, а происходят от себе подобных. Выводы Л. Спалланцани, однако, не поколебали веры Дж. Нидхема и его сторонников в самозарождение. Дж. Нидхем объяснил отрицательные результаты, полученные Л. Спалланцани, тем, что тот подвергал свои настои слишком жесткой обработке, в результате которой разрушалась их "жизненная сила".
Рис. 48. Опыт Л. Пастера в колбах с S-образными горлами: 1 — колба с подсахаренной дрожжевой водой; после стерилизации и охлаждения остается стерильной в течение длительного времени; 2 — та же колба через 48 ч после удаления изогнутого горла; наблюдается рост микроорганизмов (по Kenyon, Steinman, 1972)
Окончательный конец спору о самозарождении микроорганизмов положил Л. Пастер. Серией четко поставленных опытов он доказал, что микроорганизмы не возникают самопроизвольно. Особенно изящными были его опыты, проведенные в колбах с S-образными горлами (рис. 48). В такие колбы наливали подсахаренную дрожжевую воду. Если колбы прокипятить, а затем осторожно охладить, то они остаются стерильными неопределенно долгое время, несмотря на то, что не закрыты пробками. Если же удалить S-образный участок горла, то спустя несколько дней в такой колбе будет наблюдаться бурное развитие микроорганизмов. Через S-образное горло непрогретый воздух может легко поступать в колбу, но содержащиеся в воздухе микроорганизмы задерживаются в изгибах горла, оседая в его нижнем колене. После удаления S- образной части горла микроорганизмы прямо попадают в колбу, начинается их быстрый рост. Этим простым опытом Л. Пастер опроверг возражение о разрушении при нагревании таинственной "жизненной силы", содержащейся в питательной среде и в обычном (непрогретом) воздухе. Он неопровержимо доказал, что "самозарождение" в большинстве опытов происходит в результате попадания в стерилизованные питательные среды микроорганизмов из воздуха.
Позднее идеи о самозарождении возникли уже в XX в. по отношению к субмикроскопическим живым частицам — вирусам. Однако и в этом случае было доказано, что вирусы не зарождаются из невирусного материала, а происходят только от себе подобных частиц, т. е. вирусов. Таким образом, хотя теория самозарождения была убедительно опровергнута на разных уровнях организации живых организмов, вопрос о происхождении жизни оставался открытым. Основной вывод, который можно сделать из рассмотренного выше материала, заключается в том, что в настоящее время (имеется в виду отрезок времени достаточной исторической протяженности) спонтанное возникновение жизни невозможно. Однако это не ответ на вопрос о происхождении жизни.
Точно так же не является ответом на вопрос и гипотеза о внеземном происхождении жизни и занесении ее на Землю в виде спор или зародышей с другой планеты34. Эта гипотеза не объясняет первоначального возникновения этих спор или зародышей, а просто истоки жизни выносит в просторы Вселенной. В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения возможность существования жизни в других частях Вселенной, однако вероятность занесения на Землю живых организмов из космического пространства не имеет пока никаких подтверждений.
34 В конце XIX — начале XX в. большой популярностью пользовалась гипотеза панспермии, согласно которой живые организмы были занесены на Землю из космического пространства. Особенно привлекательно выглядела идея занесения их с метеоритами или космической пылью. Гипотеза панспермии была сформулирована в 1865 г. немецким исследователем Г. Рихтером (G. Richter) и поддержана С. Аррениусом (S. Arrhenius) и Г. Гельмгольцем (Н. Helmholtz). В наше время эту идею с учетом достижений науки и техники, и в первую очередь освоения человеком космического пространства, модернизировали Ф. Крик (F. Crick) и Л. Оргелл (L. Orgel), предположившие доставку зародышей жизни (микроорганизмов) на Землю из другой, более развитой цивилизации на космическом корабле.
Итак, на вопрос о возможности самозарождения в наше время живых существ из неживой материи был получен отрицательный ответ, и в этом огромная заслуга Л. Пастера. Однако многими современниками Л. Пастера его опыты, опровергавшие возникновение живых существ (микроорганизмов) из неживой материи, были восприняты как абсолютное доказательство полной невозможности зарождения живых организмов из неорганической природы35. Это поставило в тупик тех исследователей, которые видели в самозарождении единственный путь возникновения жизни.
В XX в. внимание к этой проблеме было привлечено советским биохимиком А. И. Опариным и английским исследователем Дж. Холдейном (J. Haldane), которые выдвинули предположение, что жизнь возникла в результате взаимодействия органических соединений, образовавшихся в бескислородных условиях на первобытной Земле. Согласно этой гипотезе, биологический синтез органических веществ происходит только на современном этапе существования Земли. На первобытной безжизненной Земле могли происходить химические (абиогенные) синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. В результате этой эволюции имело место постепенное усложнение органических соединений, формирование из них пространственно обособленных систем и превращение последних в предшественников жизни, а затем и в первичные живые организмы. В последующие годы эти идеи получили широкое признание.
Конечно, вопрос о происхождении жизни — проблема общебиологическая. Более того, плодотворное его решение возможно только в комплексе с другими науками, такими как химия, геология, палеонтология, физика. Почему же этому вопросу так много внимания уделяется в курсе микробиологии? На это можно ответить словами К. ван Ниля: ". он (микробиолог) имеет дело с биологическим материалом, по-видимому, достаточно близким к "истокам жизни", и в то же время несет прямую ответственность за тупик, создавшийся вследствие того, что ему не удалось доказать самопроизвольное зарождение".
Условия на древней земле
Возраст видимой нами Вселенной определяют как 10 — 15 млрд лет, а Земля возникла приблизительно 4,5 — 5,0 млрд лет назад. Согласно распространенным представлениям, образование Земли произошло путем аккумуляции холодных твердых тел. Первоначально Земля была довольно однородной и ее последующее изменение происходило в направлении дифференциации исходного гомогенного вещества на кору, мантию и ядро. Этот период, в течение которого происходило формирование Земли как единого твердого тела, завершился примерно 4,6 млрд лет назад. Для понимания процесса возникновения и эволюции жизни необходимо представлять, каковы были условия на Земле, в которых оказалось возможным "самозарождение" жизни. В последующий после сформирования Земли период на ней происходили активные геологические процессы, менявшие ее облик и приводившие к формированию земной коры, гидросферы и атмосферы.
35 Л. Пастер допускал возможность существования каких-то неизвестных условий, при которых могло произойти спонтанное зарождение жизни. В 1878 г. он писал, что не считает самозарождение в принципе невозможным.
На первобытной Земле основная масса воды находилась в связанном гидратированными породами состоянии, поэтому первоначально Мировой океан содержал меньше 10% того количества воды, которое содержат современные океаны. Остальные 90% образовались позднее за счет выделения паров воды из внутренних слоев Земли. Считается, что pH Мирового океана на протяжении всей истории Земли был довольно стабильным, в пределах 8 — 9. Формирование Мирового океана происходило, таким образом, постепенно, в тесной связи с формированием земной коры.
С формированием последней связано и образование атмосферы первобытной Земли, которая принципиально отличалась от современной атмосферы. По существующим представлениям атмосфера древней Земли, т. е. та атмосфера, в которой развивалась жизнь, имела восстановительный характер. Она содержала главным образом водород и его соединения (метан, аммиак, пары воды), в меньшем количестве — сероводород, азот, двуокись углерода и благородные газы. Эта атмосфера была лишена свободного кислорода. Возникновение атмосферы, содержащей O2, произошло значительно позднее и связано с жизнедеятельностью фотосинтезирующих организмов. Отсутствие свободного кислорода в первобытной атмосфере Земли имело принципиальное значение, поскольку органические вещества, образующиеся в этот период, не могли бы синтезироваться и сохраняться на протяжении геологических периодов в присутствии кислорода 36.
36 Получены данные о том, что УФ-излучение Солнца в первый миллиард лет его существования было в 100 000 раз интенсивнее, чем в наши дни. Поэтому первичный механизм образования O2 в предбиологической атмосфере Земли мог быть обусловлен разложением молекул водяного пара и CO2 из вулканических извержений под действием УФ-излучения молодого Солнца. А значит, предбиологическая атмосфера Земли могла содержать в миллион раз больше O2 чем это предполагается. Если эти данные получат подтверждение, возникнет необходимость пересмотреть некоторые из существующих идей о составе первобытной атмосферы Земли и условиях возникновения жизни.
Исходным материалом для синтеза органических веществ служили широко распространенные во Вселенной химические элементы: углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Однако синтез биологически важных молекул из этих элементов мог происходить только при условии обеспечения реакций свободной энергией, источником которой на первобытной Земле (как и на современной) были солнечное излучение, электрические разряды, тепловая энергия земных недр и радиоактивное излучение. Наиболее мощный из них — солнечное излучение. Поскольку молекулярный кислород в первобытной атмосфере Земли практически отсутствовал, не было и озонового экрана, существующего в современной атмосфере на высоте примерно 25 км от поверхности Земли и сильно поглощающего коротковолновую часть УФ-излучения. Можно представить, что значительная часть коротковолнового УФ проникала через атмосферу первобытной Земли и достигала ее поверхности, поэтому в условиях древней Земли длинноволновая часть солнечного излучения играла небольшую роль.
ВОЗМОЖНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА ПЕРВОБЫТНОЙ ЗЕМЛЕ Последовательность процессов возникновения органических веществ разной степени сложности можно представить следующим образом. В результате действия всех видов энергии из химических элементов синтезировались первичные соединения: углеводороды (в первую очередь метан), аммиак, цианистый водород, окись углерода, сероводород, простейшие альдегиды (и прежде всего формальдегид) и т. д. Эти соединения сами по себе не имели биохимического значения. Основным их свойством была высокая реакционная способность. Первичные соединения служили исходными веществами для образования биохимически важных органических соединений — мономеров. Из мономеров путем конденсации возникали полимеры — основные составные компоненты всех живых организмов.
В свое время А. И. Опарин и Дж. Холдейн высказали предположение о возможности моделирования процессов, происходивших на древней Земле. Это можно делать путем создания в лаборатории условий, имитирующих таковые, существовавшие на первобытной Земле. Выдвинутое положение стимулировало разработку экспериментальных подходов к изучаемой проблеме и оказалось весьма плодотворным. В настоящее время ряд процессов абиогенного синтеза сложных органических молекул, входящих в состав клеточных организмов, осуществлен в лабораторных условиях.
Рис. 49. Схема прибора С. Миллера: 1 — реакционная колба; 2 — вольфрамовые электроды; 3 — искровой разряд; 4 — колба с кипящей водой; 5 — холодильник; 6 — ловушка; 7 — кран, через который в аппарат подается газовая смесь (по Kenyon, Steinman, 1972)
Одним из первых в 1953 г. провел опыты по абиогенному синтезу биохимически важных соединений С. Миллер (S. Miller). Через газовую смесь, содержащую метан, аммиак, молекулярный водород и пары воды, т. е. имитирующую атмосферный состав первобытной Земли, он пропускал электрические разряды, а затем анализировал образующиеся продукты реакции. Схема прибора С. Миллера приведена на рис. 49. В реакционную колбу, содержащую смесь газов, были вмонтированы вольфрамовые электроды. В течение недели пропускали искровые разряды напряжением 60000 В. Содержащуюся в другой малой колбе воду поддерживали в состоянии кипения. Пары воды проходили через реакционную колбу и конденсировались в холодильнике. В процессе циркуляции они захватывали из реакционной колбы продукты реакции и переносили их в ловушку, где и осуществлялось их концентрирование. При идентификации продуктов реакции были обнаружены аминокислоты (глицин, a- и b-аланин, глутаминовая, аспарагиновая кислоты и др.) и органические кислоты (муравьиная, уксусная, пропионовая, гликолевая, молочная). По данным С. Миллера, основными первичными продуктами реакции в зоне разряда являются альдегиды и цианистый водород. Вторичные реакции, происходящие в водной фазе, приводят к образованию из них аминокислот и органических кислот.
В настоящее время в разных лабораториях осуществлен абиогенный синтез многих биологически важных мономеров. Большая информация получена относительно абиогенного синтеза аминокислот (табл. 14). Перечисленные в таблице аминокислоты образуются в простых по составу газовых или водных смесях в результате воздействия на них разными источниками энергии. При некотором усложнении реакционной смеси введением в нее C2-, C3-углеводородов, уксусного альдегида, гидроксиламина, гидразина и других соединений, образование которых легко происходит в условиях первобытной Земли, синтезируется значительно большее число аминокислот, в том числе и таких, которые не были обнаружены в качестве продуктов реакции в газообразных и водных смесях простого состава. Экспериментально доказано, что почти все аминокислоты, входящие в состав природных белков, можно получить в лаборатории при имитации условий первобытной Земли.
Происхождение жизни на Земле явилось третьим значительным этапом в ряду происхождения нашей вселенной и происхождения Земли.
Существовало масса теорий и гипотез о возникновении жизни на Земле.
Библии, гипотезы Аристотеля, Эпикура и Демокрита.
Исследования Луи Пастера в 19-м веке окончательно подтвердили
ошибочность представлений происхождения жизни как о спонтанном
самозарождении. Правда, они не дали окончательных выводов о происхождении
И только 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества
ученый А. И. Опарин с новой точки зрения рассмотрел проблему возникновения
взгляда на вечную проблему нашего появления на Земле. Необходимо
подчеркнуть, что независимо от Опарина к таким же выводам пришел английский
ученый Дж. Холдейн.
Общим во взглядах Опарина и Холдейна было объяснение возникновения
II. Условия появления жизни.
Зарождение жизни не произошло само по себе, а совершилось благодаряопределенным внешним условиям, сложившимся к тому времени. Главное условие возникновения жизни связано с массой и размерами нашей планеты. Доказано, что если масса планеты больше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции. Следующим важным условием возникновения жизни являлось наличие воды.Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено ее специфическимитермическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами какрастворителя и др. Третьим элементом явился углерод, который присутствовал на Земле ввиде графита и карбидов. Из карбидов при их взаимодействии с водойобразовывались углеводороды. Четвертым необходимым условием являлась внешняя энергия. Такая энергияна земной поверхности имелась в нескольких формах: лучистая энергия Солнца,в частности ультрафиолетовый свет, электрические разряды в атмосфере и энергия атомного распада природных радиоактивных веществ.
III. Появление живых существ. Когда на Земле возникли вещества подобные белкам, начался новый этап в развитии материи — переход от органических соединений к живым существам. Первоначально, органические вещества находились в морях и океанах в виде растворов. В них не было какого-либо строения, какой-либо структуры. Но когда подобные органические соединения смешивались между собой, израстворов выделялись особые полужидкие, студенистые образования —коацерваты. В них концентрировались все находящиеся в растворе белковыевещества. Хотя коацерватные капельки были жидкие, они обладали определеннымвнутренним строением. Частицы вещества в них были расположены небеспорядочно, как в растворе, а с определенной закономерностью. Приобразовании коацерватов возникали зачатки организации, однако, еще оченьпримитивной и неустойчивой. Для самой капельки эта организация имелабольшое значение. Любая коацерватная капелька была способна улавливать израствора, в котором плавает, те или иные вещества. Они химически присоединялись к веществам самой капельки. Таким образом, в ней протекалпроцесс созидания и роста. Но в любой капельке наряду с созиданием существовал и распад. Тот или иной из этих процессов, в зависимости отсостава и внутреннего строения капельки, начинал преобладать. В результате, в каком-нибудь месте первичного океана смешалисьрастворы белково-подобных веществ и образовались коацерватные капельки. Они плавали не в чистой воде, а в растворе разнообразных веществ. Капелькиулавливали эти вещества и росли за их счет. Скорость роста отдельныхкапелек была неодинакова. Она зависела от внутреннего строения каждой изних. Если в капельке преобладали процессы разложения, то она распадалась.Вещества, ее составляющие, переходили в раствор и поглощались другимикапельками. Более или менее длительно существовали лишь те капельки, вкоторых процессы созидания преобладали над процессами распада. Таким образом, все случайно возникающие формы организации сами собойвыпадали из процесса дальнейшей эволюции материи. Каждая отдельная капелька не могла расти беспредельно как однасплошная масса — она распадалась на дочерние капельки. Но каждая капелька вто же время была чем-то отлична от других и, отделившись, росла иизменялась самостоятельно. В новом поколении все неудачно организованныекапельки погибали, а наиболее совершенные участвовали в дальнейшей эволюции материи. Так в процессе возникновения жизни происходил естественный отбор коацерватных капелек. Рост коацерватов постепенно ускорялся. Причем научные данные подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных систем. В конечном итоге усовершенствование коацерватов привело к новой формесуществования материи — к возникновению на Земле простейших живых существ.Вообще, исключительное разнообразие жизни осуществляется на единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов. Основные химические элементы, из которых построена жизнь, — этоуглерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмыиспользуют для своего строения простейшие и наиболее распространенные воВселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов.Например, атомы водорода, углерода, кислорода и азота имеют небольшиеразмеры и образовывают устойчивые соединения с двух и трехкратными связями,что повышает их реакционную способность. А образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими химическими особенностями углерода. Сера и фосфор присутствуют в относительно малых количествах, но ихроль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов даютвозможность образования кратных химических связей. Сера входит в состав белков, а фосфор - составная часть нуклеиновых кислот.
IV. Первые живые организмы.
Строение первых живых организмов хотя и было гораздо совершеннее, чем у коацерватных капелек, но все же оно было несравненно проще нынешних живых существ. Естественный отбор, начавшийся в коацерватных капельках, продолжался и с появлением жизни. В течение долгого времени строение живых существ все более улучшалось, приспособлялось к условиям существования.
Вначале пищей для живых существ были только органические вещества,
возникшие из первичных углеводородов. Но с течением времени количество
таких веществ уменьшилось. В этих условиях первичные живые организмы
выработали в себе способность строить органические вещества из элементов
неорганической природы — из углекислоты и воды. В процессе последовательного развития у них появилась способность поглощать энергию
солнечного луча, разлагать за счет этой энергии углекислоту и строить в
своем теле из ее углерода и воды органические вещества. Так возникли
простейшие растения — сине-зеленые водоросли. Остатки сине-зеленых
водорослей обнаруживаются в древнейших отложениях земной коры.
Другие живые существа сохранили прежний способ питания, но пищей им
стали служить первичные растения. Так возникли в своем первоначальном виде
На заре жизни и растения, и животные были мельчайшими одноклеточными
существами, подобными живущим в наше время бактериям, сине-зеленым
водорослям, амебам. Большим событием в истории последовательного развития
живой природы стало возникновение многоклеточных организмов, т. е. живых
существ, состоящих из многих клеток, объединенных в один организм.
Постепенно, но значительно быстрее, чем раньше, живые организмы становились
все сложнее и разнообразнее.
С образованием сложных ультра молекулярных систем (пробионтов)
включающих нуклеиновые кислоты, белки ферменты и механизм генетического кода, появляется жизнь на Земле. Пробионты нуждались в различных химических соединениях — нуклеотидах, аминокислотах и др. Из-за низкой степени генетической информации, пробионты обладали достаточно ограниченными возможностями. Дело в том, что они использовали для своего роста готовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, и если бы жизнь на своем раннем этапе существовала только в форме одного вида организмов, то первичный бульон был бы достаточно быстро исчерпан.
Однако благодаря тенденции к приобретению большого разнообразия
свойств, и в первую очередь, к возникновению способности синтезировать
органические вещества из неорганических соединений с использованием
солнечного света, этого не произошло.
В начале следующего этапа образуются биологические мембраны-органеллы,
ответственные за форму, структуру и активность клетки. Биологические
мембраны построены из агрегатов белков и липидов, способных отграничить
органическое вещество от среды и служить защитной молекулярной оболочкой.
Предполагается, что образование мембран могло начаться еще в процессе
формирования коацерватов. Но для перехода от коацерватов к живой материи
были необходимы не только мембраны, но и катализаторы химических процессов — ферменты или энзимы. Отбор коацерватов усиливал накопление белково- подобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций.
Результаты отбора фиксировались в строении нуклеиновых кислот. Система успешно работающих последовательностей нуклеотидов в ДНК усовершенствовалась именно путем отбора. Возникновение самоорганизации зависело как от исходных химических предпосылок, так и от конкретных условий земной среды. Самоорганизация возникла как реакция на определенные условия. При самоорганизации отсеивалось множество различных неудачных вариантов, до тех пор, пока основные черты строения нуклеиновых кислот и белков не достигли оптимального соотношения с точки зрения естественного отбора.
Благодаря предбиологическому отбору самих систем, а не только
отдельных молекул, системы приобрели способность совершенствовать свою
организацию. Это был уже следующий уровень биохимической эволюции, который обеспечивал возрастание их информационных возможностей. На последнем этапе эволюции обособленных органических систем сформировался генетический код.
После образования генетического кода эволюция развивается вариациями. Чем дальше она продвигается во времени, тем многочисленнее и сложнее вариации.
Однажды возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами показывая
ускорение эволюции во времени. Так, развитие от первичных пробионтов до
аэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как с момента
возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн лет, приматы выделились за 12-15 млн лет, для становления человека потребовалось около 3 млн лет.
Истинная основа жизни образовалась в результате появления клетки, в которой биологические мембраны объединили отдельные органеллы в единое целое.
Первые клетки были примитивны и не имели ядра. Но такие клетки существуют и в настоящее время. Удивительно, ведь они появились более 3
Первые клетки были прообразом всех живых организмов: растений,
животных, бактерий. Позже, в процессе эволюции, под воздействием
дарвиновских законов естественного отбора клетки совершенствовались и
появились специализированные клетки высших многоклеточных, растений и
животных — метафитов и метазоа.
В качестве объединяющей зависимости между химической эволюцией
переходящей затем в биохимическую и биологическую эволюцию можно привести следующую:
2. простые молекулы
3. сложные макромолекулы и ультра молекулярные системы (пробионты)
4. одноклеточные организмы.
Итак, живой мир сотворен. На это потребовалось более 3 миллиардов лет,
и это было самым трудным. Не поддается перечислению огромное количество
вариантов развития исходных углеродных соединений. Однако самым важным был результат – возникновение жизни на Земле.
Несмотря на важность знаний, относительно условий, причин и процессов
появления жизни на Земле в наше время НТП многие не уделяют этому должного внимания. Хотя для всех должно быть очень ясно, что жизнь, окружающая нас, формировалась в течение такого гигантского периода времени, который просто неподвластен нашему сознанию. И только поэтому, тот ущерб, который уже был нанесен всему живому за прошедший век, пока еще не привел к необратимым последствиям. Однако, благодаря НТП человек сам, не осознавая того, создает все более опасные для всего живого изобретения. И, к сожалению, никто не знает, какое из них будет последним….
А ведь мы часть живого мира, на создание которого потребовались
миллиарды лет. Думаю, есть о чем задуматься.
Список используемой литературы.
Земля, к которой мы привыкли сейчас, не всегда была такой: с наличием воздуха и воды, благоприятной температурой для жизни и т.д. Когда-то давно наша планета была раскаленным шаром, вращающимся вокруг Солнца, на котором не было ничего, кроме раскаленной поверхности. В молодости наша Земля была невозможной для существования живых существ, но все со временем пришло к тому, что Земля стала совсем другой.
Как появилась наша Древняя Земля
Наша планета появилась, приблизительно, 5 млрд. лет назад, это примерно одна четвертая возраста самой Вселенной. Согласно основной истории возникновения планеты, она была сформирована из облака пыли и газа. Эта “основа” вращалась вокруг своего центра и увеличивала свою скорость, по мере своего уплотнения. Различная энергия и материя заставляла нагреваться нашу “основу”, попадая в неё из космоса. планета Земля, со временем, уплотнялась все больше и больше, пока не стала плотным шаром. Но наша планета была не одной такой в нашей Солнечной системе, помимо неё здесь еще было много планет различных размеров и все они вращались вокруг Солнца. Столкновения между этими телами были неизбежны. При столкновении планет, они соединялись и образовывали одну, более крупную планету. Так и образовалась наша планета как и вся внутренняя Солнечная система.
Условия на Древней Земле
Конечно, тогда условия на нашей планете были просто ужасными. Температура поверхности была приблизительно равно 4 700º C. В то время на нашей планете были абсолютно ничего, кроме раскаленной и бурлящей под большой температурой поверхности. Затем наша планета начала остывать, все процессы на ней начинали успокаиваться, но нашу планету ждало очень серьезное и ключевое испытание после которого и стала возможно жизнь на планете. Этим испытанием было столкновение с другой, более меньшей планетой. Это столкновение было самое ужасное за всю историю, но после него, на нашем небе появилась Луна, которая очень важна для поддержания баланса на планете и способствует поддержанию жизни.
Древняя Земля была ужасным местом не только для человека, а для всего живого. Со временем наша молодая планета начнет остывать, пока не появится земная кора – поверхность планеты Земля, после её ждет бомбардировка каметами, которые принесут на неё воду и, так же появится Атмосфера Земли без которой на Земле не смогли бы выжить никакие живые организмы.
Магнитные полюса Земли в то время не были такими как сейчас и, соответственно, магнитное поле не было таким сильным, как в настоящее время, поэтому солнечный ветер мог проникать в атмосферу планеты, что не позволяло бы выжить ни одному живому существу на планете, даже если бы состояние поверхности не было бы таким неблагоприятным, а, скажем, было бы таким как сейчас. Из-за слабого магнитного поля планеты на Земле не было бы жизни и наша планета в конце концов стала бы выглядеть как Марс.
Череда геологических эпох приводила в мир новых тварей, с каждым разом всё более хитро выдуманных. Менялись климат, состав атмосферы и очертания континентов. Даже правила игры между хищником и жертвой не были одинаковы в разное время. Это очень интересные вопросы, но в сейчас речь пойдёт об отличиях более фундаментальных, нежели что-то из перечисленного выше. В минувшие времена иначе функционировала биосфера, как таковая.
Кажется, что круговорот — нормальное, необходимое состояние, что так было всегда, ибо иначе система работать просто не может. Однако, замкнутый круговорот веществ — это эволюционное достижение, причём по геологическим меркам недавнее. Ранее круговорот был не замкнут и сопровождался потерей ресурсов. Биосфера может функционировать и в таком режиме. Но существенно хуже. Как следствие, максимального уровня биомасса на планете достигала не в карбоне или мелу, а палеогене и неогене. Но этому вопросу статья уже посвящалась . В данном же случае речь о причинах такого положения дел.
По функциям, по роли играемой в биосфере все организмы можно разделить на три категории: продуцентов, консументов и редуцентов. Первые делают из маленьких неорганических молекул большие органические. Вторые перестраивают произведённые продуцентами молекулы для собственных нужд, частично разрушая их, в том числе и полностью — до воды и углекислого газа. Редуценты же осуществляют окончательную зачистку обрывков, обломков, остатков органики, возвращая газы и минералы в исходное, необходимое продуцентам состояние. Проблема же, собственно, в том, что редуценты не даром всегда упоминаются третьими — в конце списка. Они появились последними и всегда отставали. Так что, древняя биосфера Земли отличалась от современной неспособностью редуцентов выполнить возложенные задачи.
Причины отставания очевидны. Во-первых, организм, умеющий разбирать химическими воздействиями некую сложную, не встречающуюся в природе молекулу, не появится раньше, чем кто-то научится такие молекулы синтезировать. Да и потом — спешить с появлением не станет. Работа редуцентов в природе не то что бы не почётна, но — тяжела и не прибыльна. Продуценты питаются самыми трудными для переработки, но зато и наиболее доступными веществами. Консументам пищу приходится искать, но зато получают они её в максимально концентрированном и удобном для переработки виде. Редуценты же оперируют веществами, которые одновременно и редки, и неудобны.
Низкая популярность благородной по сути миссии редуцента, в свою очередь, порождает третью проблему. Мало-мальски продвинутые организмы не берутся за такую работу, оставляя её бактериям. Многоклеточные редуценты — грибы — являются исключением. Одноклеточные же существа встречают на своём пути массу ограничений. Например, не могут существовать вне жидкой среды. Да и в ней не поглощают пищу обычным образом, а выделают в окружающую среду вещества, разрушающие крупные молекулы на куски, которые уже могут (если повезёт) впитаться внутрь бактерии сквозь мембрану. Это очень неэффективный и затратный способ.
. Как следствие, появившись в природе первыми, продуценты — бактерии и археи — очень долго — первые два миллиарда лет истории жизни на планете! — вынуждены были работать вообще без поддержки других групп. Даже консументы, способные вернуть в оборот хотя бы часть использованных материалов, появились далеко не сразу . Ведь, для того чтобы поглотить чужую биомассу, уже нужно отрастить ложноножки и пищеварительные вакуоли. И казалось бы, растениям выгодно, когда никто не питается ими. Но это — не так. Отмершая органика минерализовалась, уходила в известковые отложения. И если углекислый газ не кончился на Земле ещё в архее, то только потому, что интенсивность синтеза была очень низкой, и убыль успевала восполняться вулканическими выбросами.
Консументы и (вероятно) редуценты подставили дружеское плечо около 1.8 миллиардов лет назад. Но плечо это было совсем хиленькое. Вплоть до того, что ещё более миллиарда лет — до начала палеозоя включительно — многоклеточные водоросли не служили кому-либо пищей. Как следствие, минерализация углерода в морских отложениях, которым в будущем предстоит превратиться в залежи нефти , бодро продолжалась. В месте же с углеродом, которого до сих пор достаточно, в отложения уходил и дефицитный фосфор. Так что интенсивность биосинтеза колебалась возле отметки 1% от современной, ввиду нехватки ресурсов.
. В последующие эпохи ситуация с балансом между деятельностью продуцентов и редуцентов постоянно улучшается. Что ведёт к постепенному сокращению потерь жизнеобеспечивающих элементов. К современному уровню интенсивности круговорот веществ, а значит и скорость биосинтеза приближаются в конце меловой эпохи.
Читайте также: