Галина Адельшина - Избранные лекции по курсу биологии

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 жизнив её современной форме была высказана в 1924 г. А. И. Опариным(в 1924 г вышла в свет его книга «Происхождение жизни»), а в 1929 годуангличанином 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;