Биология 11 класс: Происхождение и развитие жизни на Земле

Происхождение жизни на Земле: основные гипотезы и этапы

Возраст нашей планеты оценивается примерно в 4,5–4,6 миллиарда лет. Первые сотни миллионов лет условия на Земле были абсолютно непригодны для существования живых организмов: высочайшие температуры, постоянная метеоритная бомбардировка и отсутствие кислорода. Однако сегодня планета населена миллионами видов живых существ. Чтобы успешно подготовиться к контрольной работе, нам необходимо разобраться, как именно неживая материя превратилась в живую, и какие ключевые изменения претерпевала жизнь на протяжении геологической истории.

Основные гипотезы происхождения жизни

В научном сообществе и истории человеческой мысли сформировалось несколько фундаментальных взглядов на то, как появилась жизнь.

* Креационизм — концепция, согласно которой жизнь и все многообразие видов были созданы Творцом или Высшим разумом. Эта концепция лежит за рамками естественно-научного метода, так как ее невозможно проверить экспериментально. Гипотеза самозарождения — древнее представление о том, что живые организмы могут регулярно появляться из неживой материи (например, мыши из грязного белья или мухи из гниющего мяса). Эта гипотеза была окончательно опровергнута экспериментами Франческо Реди и Луи Пастера*. * Панспермия — гипотеза космического происхождения жизни. Согласно ей, первые микроорганизмы или их споры были занесены на Землю из космоса вместе с метеоритами и кометами. Гипотеза биохимической эволюции — наиболее признанная в современной науке теория, предложенная в 1920-х годах независимо друг от друга учеными Александром Опариным и Джоном Холдейном*.

Согласно теории Опарина-Холдейна, жизнь на Земле возникла в результате длительного процесса химической эволюции — постепенного усложнения органических молекул в условиях первичной атмосферы.

> Жизнь — это не случайная искра, а закономерный итог длительной эволюции углеродных соединений на остывающей планете. > > А.И. Опарин, «Происхождение жизни»

Этапы биохимической эволюции

Процесс зарождения жизни по Опарину-Холдейну можно разделить на три последовательных этапа.

Первый этап: абиогенный синтез органических мономеров. В первичной атмосфере Земли не было свободного кислорода (), но присутствовали метан (), аммиак (), водород () и пары воды (). Под воздействием мощных электрических разрядов (молний), жесткого ультрафиолетового излучения и вулканической активности из этих простых неорганических газов начали синтезироваться простые органические вещества — аминокислоты, моносахариды и нуклеотиды.

Для проверки этой гипотезы в 1953 году ученые Стэнли Миллер и Гарольд Юри провели знаменитый эксперимент. Они создали стеклянный аппарат, имитирующий условия ранней Земли. В течение одной недели они пропускали электрические разряды напряжением 60 000 вольт через смесь газов , , и . В результате в колбе образовалась «первичный бульон», содержащий несколько видов аминокислот и мочевину. Это доказало принципиальную возможность абиогенного синтеза.

Второй этап: образование биополимеров и коацерватов. Простые органические молекулы накапливались в древнем океане. Со временем они начали объединяться в длинные цепи — полимеры (белки и нуклеиновые кислоты). Белковые молекулы в воде притягивали к себе молекулы воды, образуя обособленные капли — коацерваты. Они могли поглощать вещества из окружающей среды и расти, но еще не были живыми.

Третий этап: формирование пробионтов. Вокруг коацерватов сформировалась липидная мембрана, а внутрь попали нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), способные к самовоспроизведению. Так возникли пробионты — предшественники первых живых клеток. С этого момента химическая эволюция сменилась биологической.

Геологические эры и развитие жизни

Биологическая эволюция неразрывно связана с историей самой планеты. Всю историю Земли геологи делят на крупные временные отрезки — эры. Переход от одной эры к другой обычно сопровождался глобальными изменениями климата, вымиранием одних групп организмов и бурным развитием других.

Главным двигателем прогресса в биологической эволюции является ароморфоз — крупное эволюционное изменение, которое повышает общий уровень организации организма и позволяет ему освоить новые среды обитания.

| Эра | Временные рамки | Ключевые события и ароморфозы | | :--- | :--- | :--- | | Архейская | 4,0 – 2,5 млрд лет назад | Появление первых прокариот (бактерий). Возникновение хемосинтеза и фотосинтеза (цианобактерии). | | Протерозойская | 2,5 млрд – 540 млн лет назад | Появление эукариот (клеток с ядром). Возникновение многоклеточности и полового процесса. Накопление кислорода в атмосфере. | | Палеозойская | 540 – 252 млн лет назад | «Кембрийский взрыв» разнообразия животных. Выход растений (псилофитов) и животных на сушу. Появление челюстных рыб, земноводных и первых пресмыкающихся. | | Мезозойская | 252 – 66 млн лет назад | Эпоха динозавров. Появление первых млекопитающих и птиц. Возникновение цветковых (покрытосеменных) растений. | | Кайнозойская | 66 млн лет назад – наше время | Расцвет млекопитающих, птиц и насекомых. Формирование современных экосистем. Появление и эволюция человека. |

Ключевые ароморфозы в истории Земли

Чтобы успешно сдать контрольную работу, важно не просто знать эры, но и понимать, какие именно ароморфозы позволили живым организмам совершить эволюционный скачок.

Рассмотрим важнейшие ароморфозы в хронологическом порядке:

Фотосинтез (Архей). Первоначально жизнь была гетеротрофной — организмы питались готовой органикой «первичного бульона». Появление фотосинтеза у цианобактерий привело к кислородной катастрофе: атмосфера начала насыщаться кислородом (), что сделало возможным появление аэробного дыхания, которое в 18 раз энергетически эффективнее анаэробного.

Половой процесс (Протерозой). Обеспечил обмен генетической информацией между особями. Это резко увеличило генетическое разнообразие потомства и ускорило темпы эволюции.

Многоклеточность (Протерозой). Позволила организмам увеличить размеры тела и привела к дифференциации (разделению) клеток на ткани и органы. Каждая группа клеток начала выполнять свою специфическую функцию.

Появление челюстей и парных плавников (Палеозой, силур-девон). Этот ароморфоз позволил рыбам перейти к активному хищничеству и быстрому плаванию.

Выход на сушу (Палеозой). Для растений это означало появление механических, проводящих и покровных тканей (чтобы не высохнуть и стоять вертикально). Для животных (первых земноводных) — появление легочного дыхания и рычажных пятипалых конечностей.

Амниотическое яйцо (Палеозой, карбон). Земноводные зависели от воды, так как их икра высыхала на суше. Пресмыкающиеся приобрели яйцо с плотными оболочками и запасом воды (амнионом). Это позволило им размножаться вдали от водоемов и полностью завоевать сушу.

Гомойотермия или теплокровность (Мезозой). Птицы и млекопитающие приобрели четырехкамерное сердце и полное разделение артериальной и венозной крови. Это обеспечило постоянную высокую температуру тела, позволив им сохранять активность в холодном климате и пережить вымирание динозавров.

Цветок и плод (Мезозой, мел). У покрытосеменных растений появился цветок для привлечения насекомых-опылителей и плод для защиты и распространения семян. Это сделало их господствующей группой растений в Кайнозое.

Понимание связи между изменением условий окружающей среды и возникновением новых ароморфозов — ключ к успешному освоению эволюционной биологии. Каждая геологическая эпоха ставила перед живыми организмами новые вызовы, ответом на которые становилось усложнение их строения.