Этапы возникновения и эволюции жизни на Земле

(современные представления) 3 этапа:

I. Химическая эволюция в космосе

Образованию Земли и возникновению жизни предшествовала длительная химическая эволюция:

ь образование атомов хим. элементов;

ь образование простейших неорганических соединений;

ь образование простейших органических соединений.

II. Предбиологическая эволюция на Земле На «молодой» Земле сложились благоприятные предпосылки для абиогенного возникновения жизни:

ь оптимальная удаленность земной орбиты от Солнца > оптимальные температурные условия;

ь химический состав атмосферы у поверхности Земли (пары воды, NH₃, CH₄, CO, H₂, H₂S, HCl, инертные газы — продукты вулканизма!);

ь наличие гидросферы;

ь интенсивное испарение и конденсация воды > сильные и частые ливни с грозами.

• 5 периодов:
• 1. Синтез малых органических молекул (АК и т. д.) из неорганических соединений.

Возможность такого синтеза доказана экспериментально (1953 г., «колба Миллера» — амер. биохимик — эксперимент имитирует условия древней атмосферы Земли).

Источники энергии при синтезе:

• · электрические разряды при грозах;
• · жесткое космическое УФ-излучение (О₃ еще не было!);
• · тепловая энергия и энергия радиоактивного распада в недрах Земли.

Важное условие возникновение жизни — отсутствие О_{2 в атмосфере (т.е. ее восстановительный характер). Если бы она была окислительной, как сейчас, все образующиеся органические соединения сразу разрушались бы.}

В результате эксперимента получены мономеры многих биополимеров (АК, моносахара и др.); эксперимент был многократно повторен в разных условиях (разные газы, источники энергии) разными учеными — результат одинаков!

2. Синтез крупных органических молекул (биополимеров) ;

Возможность синтеза также доказана экспериментально (Фокс): при нагревании (до 130 єС) или охлаждении смеси сухих АК образуется молекула белка (до 200 АК в цепочке).

Образование биополимеров могло происходить на раскаленных склонах вулканов. Дальнейшая эволюция возможна только в воде: белки «смывали» в океан ливни или «стряхивали» вулканы при извержении.

3. Образование протоклеток (коацерватов) —

Также доказано экспериментально (Фокс, предположил — Опарин): при растворении белков в воде со спец. добавками (имитация «первичного бульона») образуются микроскопические шарики (коацерваты), которые вскоре начинают делиться.

Опарин считал, что в неподвижных растворах вокруг крупных орг. молекул образуются тонкие мембраны, благодаря которым внутри среды быстрее идут хим. реакции и накапливаются орг. в-ва. Деление — за счет механических сил > внешнее сходство с живыми клетками.

Первые 3 этапа предбиологической эволюции можно воспроизвести в лабораторных условиях. Дальнейшее получение живого вещества из неживого в лаборатории невозможно, т.к. нельзя воспроизвести огромные пространственно-временные масштабы биологической эволюции.

4. Появление обмена веществ (метаболизма) ;

В результате постепенного отбора биокатализаторов (ферментов) стало возможным ускорение хим. реакций в коацерватах; появилась АТФ (энергонасыщенное в-во).

5. Возникновение точного воспроизводства (¦с 4 периодом).

Появились белки и НК (сами по себе не важны для формирования биологических систем: НК — самовоспроизводятся, но плохие катализаторы, белки — наоборот > необходимо соединить). При их взаимодействии друг с другом возник генетический код > возможность естественного отбора молекул с наилучшими св-вами (так были отобраны «правые» сахара для НК и «левые» АК для белков — только они могут образовывать спираль); генетический код — важное условие для возникновения жизни.

Т.о., в результате предбиологической эволюции (путем голоили генобиоза?) возникли примитивные проклетки — организмы, устроенные значительно сложнее, чем самые сложные орг. в-ва (3,5 млрд. л.н.). Их дальнейшее развитие происходило по законам эволюции живой материи (с возникновением мутаций и действием естественного отбора) — благодаря генетическому коду.

III. Биологическая эволюция.

Архейский эон (4,6 — 2,5 млрд. л. н).

І ? 3,5 млрд. л. н. — появились первые организмы, похожие на бактерии (в виде цепочек).

Предполагается, что первые живые организмы были автотрофами (сами синтезировали орг. в-во) — возникли как мутанты из-за дефицита орг. в-в (были истрачены коацерватами).

Среди автотрофов сначала появились хемотрофы (хемосинтезирующие автотрофы) — синтезируют орг. в-ва за счет энергии хим. р-ций (S, Fe-бактерии).

Затем в связи с дефицитом и неорг. в-в возникли фотосинтезирующие автотрофы, использующие энергию, имеющуюся в неограниченном кол-ве — солнечную.

Т.о., в течение всего архейского эона в океане господствовали бактерии и сине-зелёные водоросли.

Протерозойский эон (2,5 млрд. — 550 млн. л. н.).

І? 1,4 млрд. л. н. — появились первые эукариотические организмы (с ядром в клетке).

Существуют 2 гипотезы, объясняющие происхождение эукариотической клетки:

и Гипотеза симбиоза(Фаминцын, Маргелис) — 3 основных компонента эукариотической клетки (митохондрии, хлоропласты, жгутики) были когда-то свободноживущими прокариотическими клетками, вступившими в симбиоз.

и Внутриклеточное образование всех компонентов клетки путем впячивания мембран.

Обе гипотезы практически равноценны, обе могли иметь место в эволюции.

В течение архея и протерозоя жизнь развивалась очень медленно, предположительно из-за действия жесткого УФ-излучения из космоса (озонового экрана не было!) — жизнь была возможна в воде на глубине > 10 м (Н₂О защищает от излучения).

І? 770−900 млн. л. н. — появились мелкие многоклеточные мягкотелые организмы наподобие медуз и кольчатых червей (об этом периоде истории жизни имеется очень мало сведений, т.к. организмы не имели раковин и костей и плохо сохранялись).

Фанерозойский эон (550 млн. л. н. — 0) — «эра явной жизни».

В начале фанерозоя произошел «кембрийский взрыв» — появилось огромное разнообразие форм животных, в том числе почти все современные типы беспозвоночных («эксперименты природы» — многие имели причудливые формы).

Причина взрыва — загадка, предположительно:

• Ш Вспышка сверхновой звезды неподалеку от Солнца > резкое повышение уровня космических излучений > «мутационный взрыв» > вымирание старых и появление множества новых форм (маловероятно, т.к. крупные мутации обычно летальны);
• Ш Достижение «точки Пастера», т. е. накопление в атмосфере О₂ (1% от современного содержания), в результате произошло:

¦ ускорение обмена в-в (за счет использования О₂ для дыхания — в 14 раз эффективнее брожения!) > появление крупных организмов;

¦ возникновение частичной защиты от УФ (очень тонкий слой О₃-экран) > возможность жизни на глубинах до 1 м > расцвет водорослей > дальнейшее накопление О_{2 в атмосфере.}

Среди животных появилось много форм с раковинками (предположительно — из-за изменения хим. состава морской воды (смыв с континентов?) > повысилось содержание Са и Мg) > хорошая сохранность ископаемых остатков.

Некоторые появившиеся группы внезапно вымерли (по необъясненным пока причинам), оставшиеся — эволюционировали вплоть до современных.

В связи с кембрийским взрывом и вымиранием ряда форм возникает вопрос: а что было бы, если бы «пленку эволюции» можно было прокрутить назад? Многие ученые считают, что отбор в начале фанерозоя происходил случайно, поэтому мир живых организмов мог бы быть и совсем иным > весьма вероятно, что и человек в этом случае не появился бы.

Палеозойская эра (550−250 млн. л. н.).

Большую часть эры уровень моря был очень высоким > внутренние области континентов часто затапливались мелководными морями > начало отложения известняков (из раковин). В морях было много ныне вымерших членистоногих — трилобитов.

І ? 500 млн. л. н. — появились первые хордовые (заметные — панцирные «рыбы» — предки круглоротых).

І ? 420 млн. л. н. — появились настоящие рыбы с челюстями — господство в морях («век рыб»).

К этому времени концентрация О₂ в атмосфере достигла 10% от современной > образование О_{3-экрана > защита от УФ > возможность выхода на сушу.}

Первыми на суше появились растения (потомки водорослей — псилофиты); у них возникли приспособления к жизни на суше (механические ткани, семена) > началось почвообразование > выход на сушу первых животных (паукообразные).

І ? 400 млн. л. н. — появились первые земноводные — потомки двоякодышащих рыб (переход к жизни на суше длился? 15 млн. лет!).

І ? 350 млн. л. н. — появились семенные растения и насекомые (сначала — бескрылые, вскоре — крылатые, в т. ч. тараканы!).

І ? 330 млн. л. н. — появились рептилии (произошли от земноводных) — приспособлены к жизни на суше (яйцо, покровы тела) > освоили континенты.

В это время на суше господствовали пышные леса из древовидных папоротников (теплый климат) — начало накопления запасов каменного угля.

І ? 270 млн. л. н. — появились предки млекопитающих — звероподобные рептилии. К концу эры жизнь заняла всю Пангею.

І ? 250 млн. л. н. — массовое вымирание видов (исчезло 90% морских видов, много сухопутных).

Основной причиной считается похолодание климата > образование ледников > понижение уровня океана > гибель морских организмов в пересохших мелководных бассейнах > разложение большой массы орг. в-в, оказавшихся на суше > СО₂ > парниковый эффект (усугубился сильным вулканизмом и выделением парниковых газов).

Др. версия — после завершения оледенения последовало глобальное потепление > таяние льдов > опреснение морей > изменение условий обитания морских организмов > гибель.

Мезозойская эра (250−66 млн. л. н.) — «век динозавров».

На всем протяжении эры климат был теплым (+ распад Пангеи). > Сильно сократилась площадь континентальных водоемов.

Благодаря яйцу с твёрдой скорлупой, защищающей от высыхания, рептилии распространились по всей суше, а также освоили воздушную и водную среды.

Известно? 250 видов динозавров. Не все были большими и страшными (самые крупные — до 100 т, у летающих размах крыльев — до 15 м, самые мелкие — 50 см, вес — 3−5 кг), большинство — растительноядные. Крупные размеры — способствовали наилучшей терморегуляции в теплом климате (большая тушка быстро нагревается и долго остывает > они были практически теплокровными). Царствовали на Земле почти 100 млн. л.

І ? 200 млн. л. н. — появились первые птицы,.

І ? 140 млн. л.н. — первые цветковые растения.

Быстрое завоевание суши цветковыми растениями > обилие пищи > расцвет сухопутных животных.

В морях — произошло взрывное образование массы планктона > отложение мела (меловой период) и начало накопления нефти.

І 66 млн. л. н. — падение на Землю астероида (энергия удара — в 1000 раз > энергии всего мирового арсенала оружия) > поднялись облака пыли > темнота, прекращение фотосинтеза на несколько лет > гибель многих видов растений и животных (? 50% видов). Сейсмические волны вызвали:

¦ перегрев > пожары;

¦ атмосферные бури, реакции N₂ + O₂ в атмосфере > оксиды N > кислотные дожди.

Многие другие ученые отвергают версию астероида и предполагают какие-то земные причины вымирания животных, например, изменение циркуляции атмосферы в связи с начавшимся горообразованием (климат стал континентальным) и понижение уровня моря. Особенности физиологии динозавров не соответствовали новых условиям > вымирание.

Возможно, что обе эти причины «наложились» друг на друга.

Кайнозойская эра (66 млн. л. н. — 0) — «век млекопитающих».

Изучена значительно лучше предыдущих.

Млекопитающие возникли почти в начале мезозойской эры, но ? 150 млн. л. н. были мелкими и незаметными (из-за господства динозавров). Вымирание динозавров > взрывообразный рост числа видов млекопитающих.

История сумчатых млекопитающих: первоначально появились в Южной Америке; она была связана с Антарктидой, а Антарктида — с Австралией > расселились на всех трех континентах. К концу кайнозойской эры Австралия, а затем и Южная Америка отделились от Антарктиды и начали движение на север.

В Австралии сумчатые развивались в изоляции от других млекопитающих.

Южная Америка воссоединилась с Северной через Панамский перешеек (3 млн. л. н.) > с севера иммигрировали более развитые плацентарные млекопитающие > в Южной Америке исчезли почти все сумчатые.

В начале эры на Земле не было трав — только деревья и кустарники. Распространение трав произошло в связи с похолоданием климата (? 30 млн. л. н.) > появились соответствующие животные открытых ландшафтов (копытные и др.). Не все млекопитающие сохранились до настоящего времени (саблезубый тигр, пещерный медведь, мамонт и др.) — многие вымерли по вине человека (прямо или косвенно) или из-за изменения климата.

После завершения последнего оледенения 10−12 тыс. л.н. на Земле установился современный облик фауны и флоры.