Избранные лекции по курсу биологии - Галина Адельшина

Земля как небесное тело окончательно сформировалась приблизительно 4,6 млрд. лет назад. На протяжении 900 млн. лет на Земле происходили процессы, связанные с ее разогревом и формированием оболочек.

В живых организмах имеются почти все элементы периодической системы Менделеева. Однако особая роль среди них принадлежит углероду, который является основой построения всех органических соединений: белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и т.д. Поэтому не случайно, многие ученые связывают эволюцию углеродистых соединений в Солнечной системе с зарождением жизни на Земле.

Основная идея биохимической эволюции жизни в её современной форме была высказана в 1924 г. А. И. Опариным (в 1924 г вышла в свет его книга «Происхождение жизни»), а в 1929 году англичанином Дж. Холдейном (опубликовал статью по происхождению жизни на Земле). Их гипотеза представляет собой обобщение убедительных доказательств возникновения жизни на Земле в результате закономерного процесса перехода химической формы движения материи в биологическую.

Согласно гипотезе Опарина и Холдейна можно выделить три основных этапа процесса возникновения жизни:

1. абиогенный синтез органических веществ из неорганических;

2. возникновение сложных биополимеров и фазово-обособленных открытых систем;

3. эволюция протобионтов – первых живых организмов.

Начало решающего этапа абиогенного синтеза органических веществ относят к периоду между 4,6 – 3,7 млрд. лет до нашего времени. Первичная атмосфера Земли носила не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер и в ней полностью отсутствовал свободный кислород. Она была богата инертными газами (гелием, неоном, аргоном). Древняя атмосфера была насыщена также электричеством, в ней происходили бурные химические процессы, в результате которых образовались соли аммония, формальдегид и другие соединения.

Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твердое состояние, а также образование земной коры. Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100°С, произошло сгущение водяных паров и образовалась водная оболочка Земли.

Количество свободной воды на Земле в этот период было относительно небольшим – около 10 % от современного, поэтому в древнем океане планеты в сравнительно небольшом его объёме содержалось довольно много органических веществ (“первичный бульон”). Так как свободного кислорода не было, эти органические вещества не подвергались окислительным реакциям и могли сохраняться длительное время.

Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений, в частности белковых веществ в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись и образовывались углеводы, жиры, аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты.

Для превращения восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную потребовалось не менее 1 – 1,2 млрд. лет. С накоплением в атмосфере кислорода восстановленные соединения начали окисляться. В дальнейшем эти вещества вместе с дождем выпадали в водные бассейны, где накапливались, вновь вступали в реакции, в результате чего возникали более сложные вещества (аминокислоты и соединения типа аденита).

Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ, возникновением белковых тел. На определенном этапе существования Земли воды первичного океана превратились в своеобразный «первичный бульон», содержавший наряду с неорганическими солями, разнообразные органические вещества. Насыщению такого «органического бульона» в немалой степени способствовала и деятельность подземных вулканов.

В водах первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходили их смешивание, взаимодействие и объединение в мелкие обособленные структуры раствора. Такие многомолекулярные структуры выдающийся русский ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями или коацерватами (микросферами). В них находилась нуклеиновая кислота. Сейчас примерами микросфер служат серные бактерии, которые находят в кратерах вулканов.

Стабилизация коацерватных систем была обеспечена в первую очередь возникновением вокруг них внешнего плотного слоя, сходного со слоем клеточных мембран, а также возникновением примитивного метаболизма, т.е. коацерватные капли стали открытыми системами.

Последняя стадия биогенеза – это приобретение способности к воспроизведению, благодаря чему жизнь могла продолжаться. Кроме коацерватов в «первичном бульоне» накапливались полинуклеотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых невозможно образование способности к самовоспроизведению и обмену веществ.

Возникает способность к матричному синтезу и наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению. Способность полинуклеотида к репликации обеспечила появление у них свойства наследственности и, следовательно, переход в новое качество..

Самовоспроизводящиеся системы со сложившейся стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть названы живыми. Первые обитатели нашей планеты имели микроскопические размеры, были гетеротрофами и питались за счет органических веществ, растворенных в первородном океане. Постепенно в первородном океане стали иссякать органические вещества, накопившиеся в нем абиогенным путем и обменные процессы у части живых существ переориентировались на усвоение энергии солнечного света. Так в промежутке между 3,7 – 2,9 млрд. лет возникли первые фотосинтезирующие организмы.

Появление автотрофных организмов, в первую очередь зеленых растений, обеспечило дальнейший непрерывный синтез органических веществ, а, следовательно, существование и дальнейшее развитие жизни. Около 2,3 млрд. лет назад появились организмы, у которых начало формироваться ядро (прокариоты). И лишь за 1500 млн. лет до наших дней возникли первые эукариоты, давшие начало современным группам живых существ.

Многоклеточные организмы произошли от одноклеточных. Из существующих теорий происхождения многоклеточных основными являются:

1) теория гастреи (первичного многоклеточного организма, образовавшегося путем впячивания одной из сторон шарообразной колонии простейших типа вольвокса), высказанная Э. Геккелем;

Ранние стадии онтогенеза кораллового полипа Monoxenia (по Э. Геккелю): а) бластула; б) гаструляция; в – г) гаструла (внешний вид и продольный разрез).

2) теория паренхимеллы (фагоцителлы) предложена И.И. Мечниковым, который утверждал, что в однослойных шаровидных колониях, второй – внутренний слой образовался не путем впячивания, а путем выселения клеток из наружного слоя внутрь шара иммиграция.

Гаструляция зародыша гидроидного полипа Stomateca.

Проблема происхождения человека и его места в живой природе была и остается ареной борьбы между материализмом и идеализмом.

По представлению идеалистов человека сотворил Бог. Однако еще в античные времена человек признавался родственником животных (Анаксимен, Аристотель). Карл Линней поместил человека вместе с высшими и низшими обезьянами в один отряд приматов.

Первую гипотезу естественного происхождения человека выдвинул Ж. Б. Ламарк. В своем труде «Философия зоологии» он указал на происхождение человека от обезьяноподобных предков. Эти взгляды развил Ч. Дарвин в своем труде “Происхождение человека и половой отбор”. Он считал, что человек в конце третичного периода произошел от вымершей формы высокоразвитых человекообразных обезьян. Однако, несмотря на огромное значение трудов Ч. Дарвина, он не смог до конца раскрыть причины, которые вызвали очеловечивание наших обезьяноподобных предков. Это сделал Ф.Энгельс в своей работе “Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека” (1876), где убедительно доказал, что движущей силой возникновения и развития человека является труд.

Наука о происхождении человека его рас, изменчивости его как вида во времени и пространстве под воздействием различных условий вешней среды называется антропологией (от греч. antropos – человек, logos – наука). Одним из разделов антропологии является антропогенез, задачей которого является изучение проблемы происхождения и эволюции человека.