Зарождение жизни на Земле

Переход к матричному синтезу белков был величайшим качественным скачком в эволюции материи. Однако механизм такого перехода пока не ясен. Основная трудность здесь состоит в том, что для удвоения нуклеиновых кислот нужны ферментные белки, а для создания белков — нуклеиновые кислоты. Как разорвать эту «замкнутую цепь»? Иначе говоря, нужно объяснить, как в ходе предбиологического отбора объединились способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов в условиях пространственно-временного разобщения начальных и конечных продуктов реакции.

Существуют разные гипотезы на сей счет, но все они так или иначе не полны. Однако в настоящее время наиболее перспективными здесь являются гипотезы, которые опираются на принципы теории самоорганизации, синергетики, на представления о гиперщпслах, т.е. системах, связывающих самовоспроизводящиеся (автокаталитические) единицы друг с другом посредством циклической связи. В таких системах продукт реакции одновременно является и ее катализатором или исходным реагентом. Потому и возникает|йвление самовоспроизведения, которое на первых этапах вовсе могло и не быть точной копией исходного органического образования. О трудностях становления самовоспроизведения свидетельствует само существование вирусов и фагов, которые представляют собой, по-видимому, осколки форм предбиологической эволюции.

В последующем предбиологический отбор коацерватов, по-видимому, шел по нескольким направлениям. Во-первых, в направлении выработки способности накопления специальных белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. В результате строение нуклеиновых кислот изменялось в направлении преимущественного «размножения» систем, в которых удвоение нуклеиновых кислот осуществлялось с участием ферментов. На этом пути и возникает характерный для живых существ циклический обмен веществ.

Во-вторых, в системе коацерватов происходил и отбор самих нуклеиновых кислот по наиболее удачному сочетанию последовательности нуклеотидов. На этом пути формировались гены. Самовоспроизводящиеся системы со сложившейся стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть названы живыми.

В проблеме возникновения  жизни еще много неопределенного, она еще далека от своего окончательного разрешения. Так, например, не ясно, почему все белковые соединения, входящие в состав живого вещества, имеют только «левую симметрию». Какие механизмы предбиологической эволюции могли к этому привести?

Первые обитатели нашей  планеты были гетеротрофами и  питались за счет органических веществ, растворенных в первородном океане. Прогрессивное развитие первичных живых организмов обеспечило в дальнейшем такой огромный скачок, как возникновение аутотрофов, использующих солнечную энергию для синтеза органических соединений из простейших неорганических. Разумеется, не сразу возникло такое сложное соединение, как хлорофилл. Первоначально появились более простые пигменты, способствовавшие усвоению прежде всего органических веществ.

Постепенно в первородном  океане стали иссякать органические вещества, накопившиеся в нем абиогенным путем. Появление аутотрофных организмов, в первую очередь зеленых растений, обеспечило дальнейший непрерывный синтез органических веществ, а следовательно, существование и дальнейшее развитие жизни.

Возникнув, жизнь стала  развиваться быстрыми темпами (ускорение эволюции во времени). Так, развитие от первичных протобионтов 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.

 

 

 

Развитие жизни на Земле

 

Никто точно не знает, когда именно возникла первая живая  клетка. Возраст самых ранних следов жизни (остатков бактерий), найденных  в древних отложениях земной коры,  - около 3,5 миллиардов лет.  Допустим, что возраст жизни на нашей планете – 3 миллиарда 600 миллионов лет. Для большей наглядности представим себе,  что этот огромный отрезок времени уместился в пределы одних суток.

Сейчас на наших “часах”  – ровно 24 часа, а в момент возникновения  жизни они показывали 0 часов. Каждый час вместил 150 миллионов лет, каждая минута – 2,5 миллионов лет.

 

Докембрий

 

Самая древняя эпоха  развития жизни докембрийская длилась  невероятно долго:  свыше 3 миллиардов  лет.  Или,  по нашей шкале, с начала суток до 8 часов вечера.  Мы уже рассказали об условиях, в которых жили первые живые организмы. Пищей им служил “первичный бульон” окружающего океана или их менее удачливые собратья.  Постепенно, однако, в течение миллионов лет этот бульон становился все более “разбавленным”, и,  наконец, запасы питательных веществ исчерпались.

Развитие жизни зашло  в тупик. Но эволюция благополучно нашла  из него выход. Появились первые организмы (бактерии ),способные с помощью  солнечного света  превращать неорганические вещества в органические.  

Чтобы строить свои организмы, всему живому требуется, в частности,  водород. Зеленые растения получают его, расщепляя воду и выделяя  кислород.  Но бактерии этого делать еще не умеют.  Они разлагают не воду, а сероводород, что гораздо проще. При этом выделяется не кислород, а сера.  (Поэтому на поверхности некоторых болот можно встретить пленку из серы). Так и поступали древние бактерии.  Но количество сероводорода на Земле было довольно ограничено. Наступил новый кризис в развитии жизни.

Выход из него “нашли”  сине-зеленые водоросли. Они научились  расщеплять воду.  Молекула воды –  непростой “орешек“ не так –  то легко “растащить” водород  и кислород. Это в семь раз труднее, чем расщепить сероводород. Можно сказать, что сине-зеленые водоросли совершили настоящий подвиг. Это произошло 2 миллиарда 300 миллионов лет назад (по нашей шкале – около 9 часов утра ).

Теперь в качестве побочного продукта в атмосферу  начал выделяться кислород.  Накопление кислорода представляло серьезную угрозу для жизни. Начиная с 11 часов утра новое самозарождение жизни на Земле стало  невозможным – содержание кислорода достигло 1%  от современного. А перед живыми организмами встала новая проблема - как бороться с возрастающим количеством этого агрессивного вещества.

Но эволюция сумела преодолеть и это испытание, одержав новую  блестящую победу. Около 11 часов  утра на Земле появился первый организм, вдохнувший кислород. Так возникло дыхание.

До этого момента  живые организмы жили в океане,  укрываясь в водной толще от губительного для всего живого потоков солнечного ультрафиолета. Теперь благодаря кислороду в верхних слоях атмосферы возник слой озона, смягчивший излучение. Под защитой озона жизнь смогла выйти на сушу.

Американский писатель-фантаст Клиффорд Саймак в повести “Кто там в толще скал ?” так описывает воображаемое путешествие своего героя во времени – в докембрий: ”Дышать было трудно. Кислорода еще хватало,  хоть и с грехом пополам, - из-за этого он и дышал гораздо чаще обычного. Отступи он в прошлое еще на миллион лет– кислорода перестало бы хватать. А отступи еще немного дальше – и свободного кислорода не оказалось бы совсем.

Всмотревшись в береговую  кромку, он приметил, что она населена множеством крохотных созданий,  снующих туда-сюда, копошащихся в пенном прибрежном соре или сверлящих булавочные норки в грязи. Он опустил руку и слегка поскреб камень, на котором сидел. На камне проступало зеленоватое пятно – оно тут же отделилось и прилипло к ладони толстой пленкой, склизкой на ощупь.

Значит, перед ним была первая жизнь, осмелившаяся выбраться  на сушу, - существа, не готовые, да и  не способные оторваться от подола ласковой матери - воды, которая бессменно  пестовала жизнь с самого ее начала.

Здесь происходило многое, что даст себя знать в грядущем, но происходило тайно, исподволь. Снующие козявки и осклизлый налет на скалах – отважные в своем неразумии предвестники далеких дней – внушали почтение …” В течение докембрия природа сделала еще целый ряд замечательных “изобретений”. Около 2 часов дня (по нашей шкале) клетки получили ядро. Примерно тогда же возникло половое размножение, резко ускорившее темпы эволюции.

Появились первые многоклеточные существа.   К концу докембрия (как мы помним, это 8 часов вечера) земные моря населяли разнообразные животные: медузы, плоские черви, губки, полипы. Все они были мягкотелыми, лишенными скелета. Возникновение у животных скелета раковин, панцирей и т.д. обозначило начало новой геологической эры.

 

            

 

 

Палеозойская эра

 

Палеозойская эра, начавшаяся 570 миллионов лет назад, длилась 340 миллионов лет. (То есть, по нашей шкале, с начала девятого вечера до половины одиннадцатого. )Ученые делят ее на шесть периодов.   Самый ранний из них – кембрий (он продолжался 70 миллионов лет). Как мы уже сказали, в этот период у самых разнообразных животных начинает развиваться скелет, будь то раковина, панцирь или просто колючие шипики.  Видимо, мягкотелось становится к этому моменту слишком небезопасной.

Творчество природы, создающей  новые формы жизни, в кембрии необычайно плодотворно и разнообразно: почти все типы животного царства получают своих первых представителей. Хордовых, например, представляют существа, похожие на современного ланцетника. Пропуская воду через жаберные щели, они таким образом процеживают из ила съедобные частички. Как ни трудно нам представить моря без рыб, но в морях кембрия их еще не было. Моря были густо заселены знаменитыми трилобитами – вымершими предками пауков,  скорпионов и клещей.  

За кембрием следует ордовик (он длился 60 миллионов лет). В море по – прежнему процветают трилобиты. Появляются первые позвоночные – родичи современных миног и миксин. Челюстей у них еще нет,  но строение рта позволяет хватать живую добычу, что, конечно, гораздо выгоднее, бесконечного процеживания ила.

В следующем периоде  – силуре (30 миллионов лет) на сушу выходят первые растения (псилофиты), покрывая берега зеленым ковром высотой до 25 сантиметров. Вслед за ними на сушу начинают переселяться животные,  приучаясь дышать атмосферным воздухом, - многоножки, черви, пауки и скорпионы.

В морях трилобитов уже  теснят гигантские ракоскорпионы, длина  которых порой превышает 2 метра.  У позвоночных появляется новый, неизвестный прежде орган – челюсти,  развившиеся из безобидных жаберных щелей бесчерепных (например, ланцетника). Чтобы добыча не   ускользнула из их челюстей, рыбы приобретают одновременно парные плавники, увеличивающие  маневренность.

Следующий период – девон (60 миллионов лет). Сушу заселяют плауны, папоротники, хвощи, мхи. В их зарослях уже живут первые насекомые.

Выбираются на сушу и  позвоночные. Как и почему это  происходит? Климат в девоне был  сухой, температура в течение  года резко изменялась. Многие водоемы  пересыхали . Некоторые рыбы стали  на время засухи зарываться в ил. Для этого нужно было уметь дышать атмосферным  воздухом. Но особенно многообещающей для дальнейшей эволюции оказалась группа кистеперых рыб. Помимо легочного дыхания они имели подвижные мускулистые плавники, похожие на лапы. С их помощью они ползали по дну.  Чтобы не погибнуть в пересохшем водоеме,  кистеперые рыбы отправлялись в сухопутные странствия в поисках  воды.  При этом они путешествовали на довольно большие  расстояния. Естественно, выживали те, которые лучше могли двигаться по суше. Правда, слабых легких для дыхания было недостаточно. Как еще дышать,  если жабры на суше не годятся? Только через кожу. Поэтому рыбья чешуя уступила место гладкой влажной коже. 

Так в девоне кистеперые рыбы постепенно покинули  родную стихию и дали начало первым земноводным – стегоцефалам (панцирноголовым).

Вслед за девоном наступил карбон, или каменноугольный период (65 миллионов лет). Впервые огромные пространства суши покрылись болотистыми лесами из древовидных папоротников, хвощей и плаунов.

Глядя на современные небольшие плауны, трудно  поверить, что их предки (например, чешуедрев, или лепидодендрон) достигали 40 метров в высоту и 6 метров в обхвате.

Из падавших в воду и постепенно превращавшихся в уголь  стволов образовались залежи каменного  угля. Самый ценный уголь (антрацит) получился из скоплений множества спор, которые роняли в воду деревья того времени.     

Сжигая в печке каменный уголь, мы чувствуем тепло солнечных, падавших на Землю без малого треть  миллиарда лет назад. Под ними грелись наши далекие предки  - земноводные, царствовавшие в карбоне.

Впервые жизнь, освоившая  воду и сушу, сделала шаг и в  третью стихию – воздух. Первыми  и единственными, кто поднялся в  воздух в лесах каменноугольного периода, были насекомые. Порой они  вырастали до невероятных. Размах крыльев некоторых стрекоз достигал 70 сантиметров. А в зарослях помимо пауков и скорпионов стали встречаться, например, тараканы (размером с морскую свинку).

Жизнь сумела окончательно оторваться от породившей ее водной стихии. Почти одновременно это удалось рептилиям и семенным папоротникам, предкам хвойных. У растений появились семена вместо спор, у яиц рептилий – скорлупа. Зародыши в семени и яйце были защищены оболочками, обеспечены пищей. Из яиц рептилий вылуплялся уже не беспомощный головастик, а уменьшенная копия родителя.

Рептилиям уже не нужна  была голая кожа для дыхания –  вполне хватало легких. Они  “заковались  обратно в панцирь”  из чешуи  или роговых щитков.

Последний период эры  древней жизни – пермь, или   пермский  период (55 миллионов лет). Климат стал холоднее и суше. Влажные леса из папоротников и плаунов исчезли.

Вместо них появились  и широко разрослись хвойные.   Земноводных все больше теснили  рептилии, шедшие к своему господству на планете.

 

 Мезозойская  эра 

 

Мезозойская эра наступила 230 миллионов лет назад и длилась 163 миллиона лет. (То есть с половины одиннадцатого вечера до половины двенадцатого по нашей шкале.) Она делится на 3 периода: триас (35 миллионов лет), юру, или юрский период (58 миллионов лет), и мел, или меловой период (70 милллионов лет).

В морях еще в пермский период окончательно вымерли трилобиты. Но это не было закатом морских  беспозвоночных. Напротив: на смену  каждой вымершей форме приходило  несколько новых. В течение мезозойской  эры океаны Земли изобиловали моллюсками: белемнитами, похожими на кальмаров (их ископаемые раковины зовут “чертовыми пальцами“), и аммонитами. Раковины некоторых  аммонитов достигали 3 метра в диаметре. Ни у кого больше на нашей планете, ни до того, ни позднее, не было таких колоссальных раковин.