Начальные этапы биологической эволюции

По палеонтологическим данным, основанным на изучении древнейших горных пород Земли, первые живые организмы появились на Земле около 3,5 млрд лет.

По существу, первая живая клетка, так же, как и ее неживой прообраз — коацерватная капля, была капелькой первичного океана, окруженной водоотталкивающей оболочкой, однако белки и нуклеиновые кислоты в ней не были случайным набором органических веществ. Они уже научились «понимать» друг друга, научились взаимодействовать.

Первые живые клетки уже обладали важнейшим свойством каждого живого организма — способностью к точному самовоспроизведению, самокопированию.

Питались они готовыми органическими веществами, которые образовались на ранних этапах формирования Земли абиогенным путем. По мнению большинства ученых, в период появления первых живых организмов свободного кислорода в атмосфере древней Земли еще не было, поэтому у них был анаэробный (безкислородный) тип дыхания. Таким образом, первыми живыми организмами на Земле были, по-видимому, гетеротрофные (питающиеся готовыми органическими веществами) бактерии-анаэробы (рис. 1).

Несмотря на то что бактерии-анаэробы возникли в глубокой древности, они широко распространены на Земле и в настоящее время. Их можно встретить и в банке с простоквашей, и в бочонке с солеными огурцами или капустой. Молочнокислые бактерии — факультативные анаэробы (они могут расти и развиваться в присутствии кислорода, но в процессе дыхания кислород не используют).

Анаэробами являются и многие почвенные бактерии, например возбудители столбняка, газовой гангрены, ботулизма. Все они облигатные анаэробы. В отличие от факультативных анаэробов, облигатные анаэробы не переносят присутствия кислорода в окружающей среде, кислород для них — яд. Именно поэтому опасность заражения столбняком гораздо выше, если рана колотая и инфекция в ней развивается без доступа кислорода. Значительно менее опасны открытые раны и ссадины.

Газовая гангрена тоже, как правило, начинает развиваться после наложения на поврежденную конечность препятствующей доступу кислорода гипсовой повязки. Опасность тяжелого пищевого отравления — ботулизма — возникает при домашнем консервировании, когда воздух удален предварительным кипячением, а герметичная крышка препятствует поступлению кислорода извне. В случае засолки огурцов или грибов в открытой посуде возбудитель ботулизма не разовьется, поскольку он — облигатный анаэроб. При домашнем консервировании возбудитель ботулизма уничтожить чрезвычайно трудно, поскольку его споры выдерживают 5−6 часов непрерывного кипячения. Поэтому промышленное консервирование проводят перегретым паром под давлением при температуре не 100, а 130 °C в течение 1−2 часов.

Бактерии-анаэробы древней Земли питались готовыми органическими веществами, образовавшимися в больших количествах на ранних этапах формирования Земли. Абиогенному синтезу органических веществ способствовали высокая температура атмосферы и бурная вулканическая деятельность. К моменту появления первых живых организмов Земля остыла и интенсивность абиогенного синтеза органических веществ значительно снизилась. Развитие анаэробов должно было неизбежно истощить запасы органических веществ, что, в свою очередь, привело бы к гибели всех живых организмов. Возможно, история развития жизни на Земле на этом и закончилась бы, если бы спустя всего 100 млн лет (3,4 млрд лет тому назад) под влиянием жесткой конкуренции за органические вещества на Земле не появилось новое поколение живых организмов — фото синтезирующие бактерии. Уникальной особенностью этих живых существ была способность осуществлять фотосинтез, т. е. синтезировать органические вещества из неорганических с использованием энергии солнечного света. У первых фотосинтезирующих бактерий был необычный аноксигенный тип фотосинтеза (он протекает без выделения кислорода).

Как известно, строительными элементами, из которых фотосинтезирующие организмы создают органические вещества, являются углекислый газ и водород. Первые фотосинтезирующие бактерии отнимали водород не от воды, как это происходит у большинства современных фотосинтезирующих организмов, а от сероводорода (H2S), поскольку затраты энергии на отрыв атомов водорода от молекулы сероводорода в 7 раз меньше, чем на отрыв его от молекулы воды.

Фотосинтез с выделением кислорода появился позднее у цианобактерий (сине-зеленых водорослей). Именно цианобактерии впервые осуществили фотолиз воды, при котором с помощью энергии солнечного света водород, необходимый для биосинтеза органических веществ, отрывается от молекулы воды, а в качестве побочного продукта образуется свободный кислород.

Накопление в атмосфере свободного кислорода привело к коренному преобразованию условий жизни на Земле. К моменту появления первых живых организмов Земля сильно остывает, снижается количество грозовых разрядов в атмосфере, затухает вулканическая деятельность. Практически единственным источником энергии для абиогенного синтеза органических веществ является ультрафиолетовое излучение Солнца.

С появлением кислорода в верхних слоях атмосферы, на высоте 15−30 км, сформировался озоновый экран, защитивший живые организмы от губительного действия ультрафиолетового излучения, что послужило предпосылкой возникновения жизни не только в воде, но и на суше. Одновременно озоновый экран, снизив интенсивность падающего на Землю ультрафиолетового излучения, практически остановил абиогенный синтез органических веществ, вследствие чего дальнейшее существование жизни на Земле стало полностью зависеть от деятельности фотосинтезирующих организмов.

Фотосинтезирующие бактерии, в первую очередь цианобактерии, и в настоящее время широко распространенная и процветающая группа живых организмов. «Цветение» воды в конце лета обусловлено главным образом бурным развитием цианобактерий. Они способны не только к автотрофному питанию путем фотосинтеза, но и к гетеротрофному питанию готовыми органическими веществами. Поэтому загрязнение водоемов органическими веществами под воздействием хозяйственной деятельности человека создает благоприятные условия для развития цианобактерий (сине-зеленых водорослей), которые, бурно размножаясь, вытесняют эукариотические водоросли, что снижает продуктивность водоемов, приводя к гибели планктонных организмов и рыб.

Как отмечалось ранее, главный (целевой) продукт фотосинтеза — богатые энергией органические вещества, которые используются живыми организмами как для построения своего чела, так и для получения необходимой для их жизнедеятельности энергии, кислород же является побочным продуктом фотосинтеза. Поэтому для наиболее древних, но происхождению живых организмов — бактерий-анаэробов и первых фотосинтезирующих бактерий кислород — это яд. Однако вслед за фотосинтезирующими бактериями на Земле появились живые организмы, которые научились не только защищаться от кислорода, но и использовать его — научились дышать кислородом. Это были бактерии-аэробы (или бактерии-окислители).

Биологические преимущества кислородного дыхания очевидны: при кислородном окислении органических веществ из единицы (например, из 1 г) органических веществ можно извлечь в 19 раз больше энергии, чем при бескислородном дыхании. Вследствие этою бактерии-аэробы оказались способными значительно экономнее расходовать органические вещества, чем анаэробы, что, в свою очередь, позволило им существовать в условиях относительно низких концентраций органических веществ.

На ранних этапах биологической эволюции на Земле последовательно возникают, а затем сосуществуют 3 поколения прокариот: бактерии-анаэробы, фотосинтезирующие бактерии и бактерииаэробы (см. рис. 1).

Фотосинтезирующие бактерии могли создавать органические вещества из неорганических, а бактерии-аэробы умели очень экономно их расходовать. Лишенные этих преимуществ бактерии-анаэробы вынуждены были эксплуатировать полезные свойства других живых организмов. Один из способов одностороннего использования одного организма другим — хищничество. На определенном этапе развития от бактерий-анаэробов произошли хищные амебовидные организмы, способные захватывать с помощью ложноножек и поглотать как фотосинтезирующих бактерий, так и бактерий-аэробов.

Однако не все амебовидные хищники переваривали захваченные бактерии, в некоторых случаях бактерии могли жить и размножаться внутри цитоплазмы хищника. Возникшее таким образом сообщество живых организмов обладало многими ценными свойствами: способностью к фотосинтезу, обусловленной деятельностью фотосинтезирующих бактерий, способностью к экономному и эффективному использованию органических веществ благодаря кислородному типу дыхания, характерному для бактерий-аэробов, и, наконец, способностью к активному передвижению и захвату добычи, свойственному хищной клетке-носителю. Со временем взаимовыгодные, симбиотические отношения этих трех групп организмов закрепились, стали устойчивыми: фотосинтезирующие бактерии превратились в хлоропласты, а аэробные бактерии-окислители — в энергетические станции клетки — митохондрии. Как митохондрии, так и хлоропласты и в настоящее время сохраняют собственный наследственный аппарат, размножаются независимо отделения клетки и наследуются через цитоплазму, но материнской линии.

Для управления сложным сообществом живых организмов и защиты собственного генетического материала (ведь другие организмы, входящие в сообщество, имели свою генетическую программу) у клетки-носителя возникает специальная клеточная органелла — ядро.

Живые организмы, клетки которых имеют оформленное ядро, называются эукариотами (от греч. еu — хорошо, полностью и karyon — ядро). Все растения, животные и грибы — эукариоты. Наследственная информация в ядрах эукариотических клеток хранится в виде особых структур — хромосом, отчетливо видных под световым микроскопом в момент деления клетки. Первые эукариотические клетки появились на Земле около 2 млрд лет т.н.

Более древние по происхождению бактерии не имеют оформленного ядра.

Живые организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра, называются прокариотами (от лат. pro — перед, раньше и греч. karyon — ядро). Все бактерии, в том числе и фотосинтезирующие, — прокариоты. Наследственная информация представлена в них одной-единственной кольцевой молекулой ДНК, лежащей непосредственно в цитоплазме и не различимой в обычный световой микроскоп. Поскольку, но современным научным представлениям вес эукариотические клетки представляют собой симбиотические сообщества двух или трех живых организмов, изложенную выше гипотезу происхождения эукариот называют симбиотической. Первые эукариотические клетки, по-видимому, представляли собой амебовидные существа, многие из которых содержали как митохондрии, так и хлоропласты. Около 1,5 млрд лет т.н. от них возникают более совершенные эукариотические организмы, способные к быстрому активному передвижению — древние жгутиковые (см. рис. 1). Принято считать, что жгутики, так же как в свое время митохондрии и хлоропласты, произошли от каких-то древних свободноживущих прокариот.

Древние жгутиковые, видимо, сочетали свойства растений и животных. Со временем те из них, которые оказались в среде с высоким содержанием органических веществ, утратили хлоропласты и превратились в одноклеточных животных — простейших, а сохранившие хлоропласты дали начало растениям. Естественно, наиболее древние по происхождению растения — одноклеточные, подвижные и имеют жгутики.

Дальнейший эволюционный прогресс животных связан с возрастанием роли активного передвижения, что вызвано необходимостью поиска пищи и захвата добычи. Совершенствуется и система управления движением, что, в конечном итоге, приводит к возникновению высокоорганизованной нервной системы и, наконец, интеллекта.

В то же время растения, обеспечивающие себя питанием за счет фотосинтеза, в процессе эволюции утрачивают способность к передвижению и приобретают множество приспособлений, повышающих эффективность фотосинтеза. клетка бактерия анаэробный фотосинтез Таким образом, около 1,5 млрд лет т.н. от единого предка — древнего жгутикового возникают два важнейших царства живых организмов — царство растения и царство животные.