Начало биологической эволюции
Содержание:
- 1. Гипотезы происхождения жизни
- 2. Эволюция пробионтов
- 3. Возникновение и эволюция эукариот и многоклеточных организмов
- 4. Основные этапы эволюции растений
- 5. Биологические этапы
- 6. Основные этапы эволюции животных
- 7. Геохронологическая шкала Земли
Гипотезы происхождения жизни
Креационизм: жизнь создана творцом — Богом.
Гипотеза биогенеза: согласно этой теории жизнь может зародиться только из живого.
Гипотеза панспермии (Г. Рихтер, Г. Гельмгольц, С. Аррениус, П. Лазарев): согласно этой гипотезе жизнь могла возникнуть один или несколько раз в космосе. На Земле жизнь появилась в результате занесения ее из космоса.
Гипотеза вечности жизни (В. Прейер, В.И. Вернадский): жизнь существовала всегда, проблемы происхождения жизни нет.
Теория абиогенеза: жизнь возникла из неживой материи путем самоорганизации простых органических соединений.
■ Для средних веков были характерны примитивные представления, допускавшие появление целых живых организмов из неживой материи (считалось, что лягушки и насекомые заводятся в сырой почве, мухи — из гнилого мяса, рыбы — из ила и т.д.).
■ Современной конкретизацией этой теории является коацерват-ная гипотеза Опарина — Холдейна.
Коацерватная гипотеза Опарина — Холдейна: жизнь возникла абиогенным путем на протяжении трех этапов:
■ первый этап — возникновение органических веществ из неорганических под воздействием физических факторов среды, существовавших на древней Земле более 3,5 млрд, лет назад;
■ второй этап — образование сложных биополимеров (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, протеиноидов) из простых органических соединений в водах первичного океана Земли и формирование из них коацерватов — капелек концентрированной смеси различных биополимеров. Коацерваты не обладали генетической информацией, обеспечивающей их воспроизводство и копирование, и поэтому не были «живыми»;
■ третий этап — возникновение в коацерватах липопротеидных мембранных структур и избирательного обмена веществ и формирование пробионтов — первых примитивных гетеротрофных живых организмов, способных к самовоспроизведению; начало биологической эволюции и естественного отбора.
Первыми носителями генетической информации стали молекулы РНК. Они образовывались с помощью протеиноидов, притягивающих определенные нуклеотиды, которые объединялись в цепочки РНК. Такая РНК несла информацию о структуре протеиноидов и притягивала к себе соответствующие аминокислоты, что приводило к воспроизводству точных копий протеиноидов. Позднее функции РНК перешли к ДНК (ДНК стабильнее РНК и может копироваться с большей точностью), а РНК стала выполнять роль посредника между ДНК и белком. В процессе эволюции преимуществом обладали те пробионты, у которых взаимодействие белков и нуклеиновых кислот было наиболее четким.
Эволюция пробионтов
Пробионты были анаэробными гетеротрофными прокариотами. Пищу и энергию для жизнедеятельности они получали из органических веществ абиогенного происхождения за счет анаэробного расщепления (брожения, или ферментации). Истощение запасов органических веществ усилило конкуренцию и ускорило эволюцию пробионтов.
В результате произошла дифференциация пробионтов. Одна их часть (примитивные предки современных бактерий), оставаясь анаэробными гетеротрофами, претерпела прогрессивное усложнение. Другие пробионты, содержащие определенные пигменты, приобрели возможность образовывать органические вещества путем фотосинтеза (сначала бескислородного, а затем — предки цианобактерий — с выделением кислорода). Т.е. возникли анаэробные автотрофные прокариоты, которые постепенно насыщали свободным кислородом атмосферу Земли.
С появлением кислорода возникли аэробные гетеротрофные прокариоты, существующие за счет более эффективного аэробного окисления органических веществ, образовавшихся в результате фотосинтеза.
Возникновение и эволюция эукариот и многоклеточных организмов
Амебоподобные гетеротрофные клетки могли поглощать другие небольшие клетки. Некоторые из «съеденных» клеток не гибли и оказывались способны функционировать и внутри клетки-хозяина. В отдельных случаях такой комплекс оказался биологически взаимовыгодным и привел к устойчивому симбиозу клеток.
❖ Симбиотическая теория появления (около 1,5 млрд, лет назад) и эволюции эукариотических клеток (симбиогенез):
■ одна группа анаэробных гетеротрофных пробионтов вступила в симбиоз с аэробными гетеротрофными первичными бактериями, дав начало эукариотическим клеткам, имеющим в качестве энергетических органоидов митохондрии;
■ другая группа анаэробных гетеротрофных пробионтов объединилась не только с аэробными гетеротрофными бактериями, но и с первичными фотосинтезирующими цианобактериями, дав начало эукариотическим клеткам, имеющим в качестве энергетических органоидов хлоропласты и митохондрии. Клетки-симбионты с митохондриями в дальнейшем дали начало царствам животных и грибов; с хлоропластами — царству растений.
Усложнение эукариот привело к появлению клеток с полярными свойствами, способными к взаимному притяжению и слиянию, т.е. к половому процессу, диплоидности (следствие этого — мейоз), доминантности и рецессивности, комбинативной изменчивости и т.д.
❖ Гипотезы появления многоклеточных организмов (2,6 млрд, лет назад):
■ гипотеза гастреи (Э. Геккель, 1874 г.): предковыми формами многоклеточных были одноклеточные организмы, образовавшие однослойную сферическую колонию. Позднее за счет впя-чивания (инвагинации) части стенки колонии образовался гипотетический двуслойный организм — гастрея, подобный стадии гаструлы эмбрионального развития животных; при этом клетки наружного слоя выполняли покровную и двигательную функции, клетки внутреннего слоя — функции питания и размножения;
■ гипотеза фагоцителлы (И.И. Мечников, 1886 г.; эта гипотеза лежит в основе современных представлений о возникновении многоклеточное™): многоклеточные произошли от одноклеточных колониальных жгутиковых организмов.
особом питания таких колоний был фагоцитоз. Клетки, захватившие добычу, перемещались внутрь колонии, и из них образовывалась ткань — энтодерма, выполняющая пищеварительную функцию. Клетки, оставшиеся снаружи, выполняли функции восприятия внешних раздражений, защиты и движения; из них впоследствии развилась покровная ткань — эктодерма. Часть клеток специализировалась на выполнении функции размножения. Постепенно колония превратилась в примитивный, но целостный многоклеточный организм — фагоцителлу. Подтверждением этой гипотезы служит ныне существующий, промежуточный между одной и многоклеточными, организм трихоплакс, строение которого соответствует строению фагоцителлы.
Основные этапы эволюции растений
Исторические этапы
Разделение эукариот на несколько ветвей, от которых произошли растения, грибы и животные (около 1—1,5 млрд, лет назад). Первые растения были водорослями, большая часть которых свободно плавала в воде, остальные прикреплялись ко дну.
Появление первых наземных растений — риниофитов (около 500 млн. лет назад в результате процесса горообразования и сокращения площади морей часть водорослей оказалась в мелких водоемах и на суше; некоторые из них погибли, другие адаптировались, приобретя новые признаки: у них образовались ткани, которые затем дифференцировались на покровные, механические и проводящие; бактерии, взаимодействуя с минералами земной поверхности, образовали на суше почвенный субстрат). Споровое размножение риниофитов.
Вымирание риниофитов и появление плаунов, хвощей и папоротников (около 380-350 млн. лет назад); возникновение вегетативных органов (что повысило эффективность функционирования отдельных частей растений); появление семенных папоротниковидных и хвойных.
Появление голосеменных растений (около 275 млн. лет назад), которые могли обитать в более сухой среде; вымирание семенных папоротников и древовидных споровых растений; у высших наземных растений постепенная редукция гаплоидного поколения (гаметофита) и преобладание диплоидного поколения (спорофита).
Появление диатомовых водорослей (около 195 млн. лет назад).
Появление покрытосеменных растений (около 135 млн. лет назад); расцвет диатомовых водорослей.
Вымирание многих видов растений (около 2,5 млн. лет назад), упадок древесных форм, расцвет травянистых; приобретение растительным миром современных форм.
Биологические этапы
1. Переход от гаплоидности к диплоидности. Диплоидность смягчает влияние неблагоприятных рецессивных мутаций на жизнеспособность и дает возможность накопить резерв наследственной изменчивости.
от переход прослеживается и при сопоставлении современных групп растений. Так, у многих водорослей все клетки, кроме зигот, гаплоидны. У мхов преобладает гаплоидное поколение (взрослое растение) при сравнительно слабом развитии диплоидного (органы спороношения). У более высокоорганизованных бурых водорослей наряду с гаплоидными существуют и диплоидные особи. Но уже у папоротников преобладает диплоидное поколение, а у голосеменных (сосны, ели и др.) и покрытосеменных растений (многие деревья, кустарники, травы) самостоятельно существуют только диплоидные особи (см. рис.).
2. Утрата связи процесса полового размножения с водой, переход от наружного оплодотворения к внутреннему.
3. Разделение тела на органы (корень, стебель, лист), развитие проводящей системы, усложнение строения тканей.
4. Специализация опыления с помощью насекомых и распространение семян и плодов животными.
Основные этапы эволюции животных
❖ Важнейшие биологические этапы эволюции:
■ возникновение многоклеточное и все большее расчленение и дифференциация всех систем органов;
■ возникновение твердого скелета (наружного у членистоногих, внутреннего у позвоночных);
■ развитие центральной нервной системы;
■ развитие общественного поведения в разных группах высокоорганизованных животных, которое, вместе с накоплением ряда крупных ароморфозов, привело к возникновению человека и человеческого общества.
Важнейшие ароморфозы и их результаты
Геохронологическая шкала Земли
❖ Катархейская эра (4,7-3,5 млрд, лет назад): климат очень жаркий, сильная вулканическая деятельность; происходит химическая эволюция, возникают биополимеры.
❖ Архейская эра (3,5-2,6 млрд, лет назад) — эра зарождения жизни.
имат жаркий, активная вулканическая деятельность; возникновение жизни на Земле, появление на границе водной и наземно-воздушной сред первых организмов (анаэробных ге-теротрофов) — пробионтов. Появление анаэробных автотрофных организмов, архебактерий, цианобактерий; образование отложений графита, серы, марганца, слоистых известняков как результат жизнедеятельности архебактерий и цианобактерий. В конце архея — возникновение колониальных водорослей. Появление кислорода в атмосфере.
❖ Протерозойская эра (2,6-0,6 млрд, лет назад) — эра ранней жизни; делится на ранний протерозой (2,6-1,65 млрд, лет назад) и поздний протерозой (1,65-0,6 млрд, лет назад). Характеризуется интенсивным горообразованием, многократными похолоданиями и оледенениями, активным формированием осадочных пород, образованием в атмосфере кислорода (в конце эры — до 1%), началом формирования защитного озонового слоя в атмосфере Земли. В органическом мире: развитие одноклеточных прокариотических и эукариотических фотосинтезирующих организмов, возникновение полового процесса, переход от ферментации к дыханию (ранний протерозой); появление низших водных растений — строматолитов, зеленых водорослей и др. (поздний протерозой), а к концу эры — всех типов беспозвоночных многоклеточных (кроме хордовых): губок, кишечнополостных, червей, моллюсков, иглокожих и др.
❖ Палеозойская эра (570-230 млн. лет назад) — эра древней жизни; делится на 6 периодов: кембрий, ордовик, силур, девон, карбон и пермь.
■ Кембрий (570-490 млн. лет назад): климат умеренный, материк Пангея начал погружаться в воды океана Тетис. В органическом мире: жизнь сосредоточена в морях; эволюция многоклеточных форм; расцвет основных групп водорослей (зеленых, красных, бурых и др.) и морских беспозвоночных животных с хитиновофосфатной раковиной (особенно трилобитов и археоцеатов).
■ Ордовик (490-435 млн. лет назад): климат теплый, погружение Пангеи достигает максимума. В конце периода — освобождение от воды значительных территорий. В органическом мире: обилие и разнообразие водорослей; появление кораллов, морских иглокожих, полухордовых (граптолитов), первых хордовых (бесчелюстных рыб) и первых наземных растений — риниофи-тов. Господство трилобитов.
■ Силур (435-100 млн. лет назад): климат засушливый и прохладный; происходит подъем суши и интенсивное горообразование; концентрация О2 в атмосфере достигает 2%; завершается формирование защитного озонового слоя. В органическом мире: заселение суши сосудистыми растениями (риниофитами) и формирование на ней почвы; возникновение современных групп водорослей и грибов; расцвет в морях трилобитов, граптолитов, кораллов, ракоскорпионов; появление челюстных хордовых (панцирных и хрящевых рыб) и первых наземных членистоногих (скорпионов).
■ Девон (400-345 млн. лет назад): климат резко континентальный; оледенение, дальнейший подъем суши, полное освобождение от моря Сибири и Восточной Европы; концентрация О2 в атмосфере достигает современной (21%). В органическом мире: расцвет риниофитов, а затем (к концу периода) их вымирание; появление основных групп споровых растений (мохообразных, папоротниковидных, плауновидных, хвощевидных), а также примитивных голосеменных (семенных папоротников); расцвет древних беспозвоночных, а затем вымирание многих их видов, как и большинства бесчелюстных; появление бескрылых насекомых и паукообразных; расцвет в морях панцирных, кистеперых и двоякодышащих рыб; выход на сушу первых четвероногих позвоночных (стегоцефалов) — предков земноводных.
■ Карбон (каменноугольный период) (345-280 млн. лет назад): климат жаркий и влажный (в Северном полушарии), холодный и сухой (в Южном полушарии); материки низменные с обширными болотами, в которых шло образование каменного угля из стволов папоротниковидных. В органическом мире: расцвет древовидных споровых хвощевидных (каламитов), плауновидных (лепидодендронов и сигиллярий) растений и семенных папоротниковидных; появление первых голосеменных (хвойных); расцвет раковинных амеб (фораминифер), морских беспозвоночных, хрящевых рыб (акул); появление на суше первых амфибий, древних пресмыкающихся (котилозавров) и крылатых насекомых; вымирание граптолитов и панцирных рыб.
■ Пермь (280-240 млн. лет назад): усиливается засушливость, наступает похолодание, происходит интенсивное горообразование. В органическом мире: исчезновение лесов из древовидных папоротников; распространение голосеменных (гинкговых, хвойных); начало расцвета стегоцефалов и пресмыкающихся; распространение головоногих моллюсков (аммонитов) и костистых рыб; уменьшение количества видов хрящевых, кистеперых и двоякодышащих рыб; вымирание трилобитов.
❖ Мезозойская эра (240-67 млн. лет назад) — средняя эра в развитии жизни на Земле; делится на 3 периода: триас, юра, мел.
■ Триас (240-195 млн. лет назад): климат засушливый (появляются пустыни); начинается дрейф и разделение континентов (материк Пангея разделяется на Лавразию и Гондвану). В органическом мире: вымирание семенных папоротников; господство голосеменных (саговниковых, гинкговых, хвойных); развитие пресмыкающихся; появление головоногих моллюсков (белемнитов), первых яйцекладущих млекопитающих (триконодонтов) и первых динозавров; вымирание стегоцефалов и многих видов животных, процветавших в палеозойскую эру.
■ Юра (195-135 млн. лет назад): климат засушливый, материки подняты над уровнем моря; на суше большое разнообразие ландшафтов. В органическом мире: появление диатомовых водорослей; господство папоротников и голосеменных растений; расцвет головоногих и двустворчатых моллюсков, пресмыкающихся и гигантских ящеров (ихтиозавров, бронтозавров, диплодоков и др.); появление первых зубастых птиц (археоптериксов); развитие древних млекопитающих.
■ Мел (135—67 млн. лет назад): климат влажный (много болот); во многих районах похолодание; продолжается дрейф континентов; происходит интенсивное отложение мела (из раковин форам инифер). В органическом мире: господство голосеменных растений, сменяющееся их резким сокращением; появление первых покрытосеменных растений, их преобладание во второй половине периода; формирование кленовых, дубовых, эвкалиптовых и пальмовых лесов; расцвет летающих ящеров (птеродактилей и др.); начало расцвета млекопитающих (сумчатых и плацентарных); к концу периода вымирание гигантских ящеров; развитие птиц; появление высших млекопитающих.
❖ Кайнозойская эра (началась 67 млн. лет назад и продолжается по настоящее время) делится на 2 периода: третичный (палеоген и неоген) и четвертичный (антропоген).
■ Третичный период (от 67 до 2,5 млн. лет назад): климат теплый, к концу прохладный; завершение дрейфа континентов; материки приобретают современные очертания; характерно интенсивное горообразование (Гималаи, Альпы, Анды, Скалистые горы). В органическом мире: господство однодольных покрытосеменных и хвойных растений; развитие степей; расцвет насекомых, двустворчатых и брюхоногих моллюсков; вымирание многих форм головоногих моллюсков; приближение видового состава беспозвоночных к современному; широкое распространение костистых рыб, занимающих пресноводные водоемы и моря; дивергенция и расцвет птиц; развитие и расцвет сумчатых и плацентарных млекопитающих, сходных с современными (китообразных, копытных, хоботных, хищных, приматов и др.), в палеогене — начало развития антропоидов, в неогене — появление предков человека (дриопитеков).
■ Четвертичный период (антропоген; начался 2,5 млн. лет назад): резкое похолодание климата, гигантские материковые оледенения (четыре ледниковых периода); формирование ландшафтов современного типа. В органическом мире: исчезновение в результате оледенений многих древних видов растений, господство двудольных покрытосеменных; упадок древесных и расцвет травянистых форм растений; развитие многих групп морских и пресноводных моллюсков, кораллов, иглокожих и др.; вымирание крупных млекопитающих (мастодонт, мамонт и др.); появление, доисторическое и историческое развитие человека: интенсивное развитие коры головного мозга, прямохождение.
Источник: esculappro.ru
Похожие главы из других работ:
Этапы эволюции человека
Для разрешения проблемы происхождения человека Дарвин сделал больше, чем все его предшественники, — натуралисты и философы, — когда-либо занимавшиеся этой проблемой. Дарвин неоспоримо доказал, что человек исторически связан с животным миром…
2.2 Начальные этапы эволюции жизни
В позднем архее (более 3,5 млрд. лет назад) на дне небольших водоемов или мелководных, теплых и богатых питательными веществами морей возникла жизнь в виде мельчайших примитивных существ — протобионтов…
2.0 Ключевые этапы эволюции биосферы
В истории нашей планеты, как и в жизни любого человека, существуют различные этапы самосовершенствования, от возникновения к нечто современному и совершенному иными словами эволюция…
1. Ч. Дарвин основатель теории биологической эволюции
Важным источником формирования естественно-научных основ психологии явилось эволюционное учение Чарльза Дарвина (1809-1882). В 1859 г. в свет выходит его книга «Происхождение видов путем естественного отбора», вероятно…
Начальные этапы эволюции жизни
В позднем архее (более 3,5 млрд. лет назад) на дне небольших водоемов или мелководных, теплых и богатых питательными веществами морей возникла жизнь в виде мельчайших примитивных существ — протобионтов…
3. Нарушение симметрии в ходе биологической и социально-экономической эволюции
Древний математический метод Фибоначчи и физическая модель статистического равновесия объединены нами в единую теорию статистической симметрии…
2.1 Основные этапы эволюции Земли
История Земли по современным представлениям насчитывает примерно 4,6 млрд. лет. Многочисленные результаты исследования земной коры (химический состав и структура горных пород, их распределение по глубине, содержание радиоактивных изотопов…
2. Концепции биологической эволюции
Принято считать, что теория эволюции была создана Ч. Дарвином и впервые изложена в его знаменитой книге «Происхождение видов» (1859), до этой работы Ч. Дарвина уже существовали различные гипотезы об эволюции…
1.2 Основные этапы эволюции приматов
Происхождение первых примитивных приматов (протоприматов) обычно связывают с древнейшими насекомоядными млекопитающими и относят к концу верхнего мелового периода мезозойской эры…
3. Ранние этапы эволюции предков человека
…
Теория биологической эволюции
Издавна люди пытались объяснить многообразие живого мира. На протяжении нескольких тысячелетий господствовало очень простое объяснение, которое состояло в том…
2. Этапы химической и предбиологической эволюции на пути к жизни
Гипотеза А.И. Опарина способствовала конкретному изуче-нию происхождения простейших форм жизни. Она положила начало физико-химическому моделированию процессов обра-зования молекул аминокислот, нуклеиновых оснований…
2. Основные законы биологической эволюции
Творцом первой подлинно научной теории эволюции стал великий английский ученый Чарльз Роберт Дарвин (1809-1882). Главным трудом Ч…
2.Современные теории биологической эволюции
В середине XX века на основе теории Дарвина сформировалась синтетическая теория эволюции (сокращённо СТЭ). СТЭ является в настоящее время наиболее разработанной системой представлений о процессах видообразования…
3.3 Теория биологической эволюции. Концепция биосферы и ноосферы.
Уже в 20-х годах нашего столетия в биологии начало формироваться новое направление эволюционного учения, которое было связано с именем В.И.Вернадского и которое называют учением об эволюции биосферы и ноосферы. Его, несомненно…
Источник: bio.bobrodobro.ru
Абиогенез
Ниже в общих чертах описан предположительный сценарий происхождения жизни согласно теории абиогенеза.
Возраст Земли составляет около 4,5 млрд. лет. Жидкая вода на планете, так необходимая для жизни, по оценкам ученых появилась не ранее 4 млрд. лет назад. При этом 3,5 млрд. лет назад жизнь на Земле уже существовала, что доказано обнаружением пород таких возрастов со следами жизнедеятельности микроорганизмов. Таким образом, первые простейшие организмы возникли относительно быстро — менее чем за 500 млн. лет.
Когда Земля только образовалась, ее температура могла достигать 8000 °C. При остывании планеты металлы и углерод как наиболее тяжелые элементы конденсировались и образовывали земную кору. В то же время происходила вулканическая активность, кора двигалась и сжималась, на ней образовывались складки и разрывы. Гравитационные силы приводили к уплотнению коры, при этом выделялась энергия в виде тепла.
Легкие газы (водород, гелий, азот, кислород и др.) не удерживались планетой и уходили в космос. Но в составе других веществ эти элементы оставались. До тех пор, пока температура на Земле не упала ниже 100 °C, вся вода находилась в парообразном состоянии. После снижения температуры испарение и конденсация повторялись множество раз, шли сильные ливни с грозами. Горячая лава и вулканический пепел, оказавшись в воде, создавали разные условия среды. В каких-то могли протекать определенные реакции.
Таким образом, физические и химические условия на ранней Земле были благоприятны для образования органических веществ их неорганических. Атмосфера была восстановительного типа, свободного кислорода и озонового слоя в ней не было. Поэтому на Землю проникали ультрафиолетовое и космическое излучение. Другими источниками энергии были теплота земной коры, которая еще не остыла, извергающиеся вулканы, грозы, радиоактивный распад.
В атмосфере присутсвовали метан, оксиды углерода, аммиак, сероводород, цианистые соединения, а также пары воды. Из них синтезировались ряд простейших органических веществ. Далее могли образовываться аминокислоты, сахара, азотистые основания, нуклеотиды и другие более сложные органические соединения. Многие из них послужили мономерами для будущих биологических полимеров. Отсутствие в атмосфере свободного кислорода благоприятствовало протеканию реакций.
Химическими опытами (впервые в 1953 г. С. Миллер и Г. Юри), моделирующих условия древней Земли, была доказана возможность абиогенного синтеза органических веществ из неорганических. При пропускании электрических разрядов через газовую смесь, имитировавшую первобытную атмосферу, в присутсвии паров воды были получены аминокислоты, органические кислоты, азотистые основания, АТФ и др.
Следует отметить, что в древней атмосфере Земли простейшие органические вещества могли образовываться не только абиогенно. Они также заносились из космоса, содержались в вулканической пыли. Причем это могли быть достаточно большие количества органики.
Низкомолекулярные органические соединения накапливались в океане, создавая так называемый первичный бульон. Вещества адсорбировались на поверхности глинистых отложений, что повышало их концентрацию.
В определенных условиях древней Земли (например на глине, склонах остывающих вулканов) могла происходить полимеризация мономеров. Так образовались белки и нуклеиновые кислоты — биополимеры, ставшие в последствии химической основой жизни. В водной среде полимеризация маловероятна, так как в воде обычно происходит деполимеризация. Опытом была доказана возможность синтеза полипептида из аминокислот, соприкасающихся с кусками горячей лавы.
Далее биополимеры могли смываться дождями в первичный бульон. Это предохраняло их от разрушения под действием ультрафиолетового излучения (озонового слоя еще не было).
Следующий важный шаг на пути происхождения жизни – образование в воде коацерватных капель (коацерватов) из полипептидов, полинуклеотидов, других органических соединений. Подобные комплексы снаружи могли иметь слой, имитировавший мембрану и сохраняющий их стабильность. Опытным путем в коллоидных растворах были получены коацерваты.
Белковые молекулы амфотерны. Они притягивают к себе молекулы воды так, что вокруг них образуется оболочка. Получаются коллоидные гидрофильные комплексы, обособленные от водной массы. В результате в воде образуется эмульсия. Далее коллоиды сливаются между собой и образуются коацерваты (процесс называется коацервацией). Коллоидный состав коацервата зависел от состава среды, в которой он образовывался. В разных водоемах древней Земли образовывались разные по химическому составу коацерваты. Какие-то из них были более устойчивыми и могли в определенной степени осуществлять избирательный обмен веществ с окружающей средой. Происходил своего рода биохимический естественный отбор.
Коацерваты способны избирательно поглощать из окружающей среды некоторые вещества и выделять в нее некоторые продукты протекающих в них химических реакций. Это напоминает обмен веществ. По мере накопления веществ коацерваты росли, а при достижении критических размеров распадались на части, каждая из которых сохраняла черты исходной организации.
В самих коацерватах могли происходить химические реакции. При поглощении коацерватами ионов металлов могли образовываться ферменты.
В процессе эволюции остались лишь такие системы, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизведению. Это знаменовало наступление следующего этапа происхождения жизни – возникновение протобионтов (по некоторым источникам это то же самое, что коацерваты) — тел, имеющие сложный химический состав и ряд свойств живых существ. Протобионты можно рассматривать как наиболее устойчивые и удачно получившиеся коацерваты.
Мембрана могла образоваться следующим образом. Жирные кислоты соединялись со спиртами и образовывали липиды. Липиды формировали пленки на поверхности водоемов. Их заряженные головки обращены в воду, а неполярные концы — наружу. Плавающие в воде белковые молекулы притягивались к головкам липидов, в результате чего образовывались двойные липопротеиновые пленки. От ветра такая пленка могла изгибаться, и образовывались пузырьки. В эти пузырьки могли быть случайно захвачены коацерваты. Когда такие комплексы снова оказывались на поверхности воды, то покрывались уже вторым липопротеиновым слоем (за счет гидрофобных взаимодействий, обращенных друг к другу неполярных концов липидов). Общая схема мембраны сегодняшних живых организмов представляет собой два слоя липидов внутри и два слоя белков, расположенных по краям. Но за миллионы лет эволюции произошло усложнение мембраны за счет включения белков, погруженных в липидный слой и пронизывающих его, выпячивание и впячивание отдельных участков мембраны и др.
В коацерваты (или протобионты) могли попадать уже существующие молекулы нуклеиновых кислот, способные к самовоспроизведению. Далее в некоторых протобионтах могла произойти такая перестройка, что нуклеиновая кислота стала кодировать белок.
Эволюция протобионтов — это уже не химическая, а предбиологическая эволюция. Она привела к усовершенствованию каталитической функции белков (они стали выполнять роль ферментов), мембран и их избирательной проницаемости (что делает протобионт устойчивым набором полимеров), возникновению матричного синтеза (переноса информации с нуклеиновой кислоты на нуклеиновую кислоту и с нуклеиновой кислоты на белок).
| Эволюция | Результаты | |
|---|---|---|
| 1 | Химическая эволюция — синтез соединений |
|
| 2 | Предбиологическая эволюция – химический отбор: остаются наиболее устойчивые, способные к самовоспроизведению протобионты |
|
| 3 | Биологическая эволюция – биологический отбор: борьба за существование, выживание наиболее приспособленных к условиям окружающей среды |
|
Одной из самых больших загадок происхождения жизни остается вопрос: как РНК стала кодировать аминокислотную последовательность белков. В вопросе фигурирует РНК, а не ДНК, так как считается, что сначала рибонуклеиновая кислота играла не только роль в реализации наследственной информации, но и отвечала за ее хранение. ДНК ее заменила позже, возникнув из РНК путем обратной транскрипции. ДНК лучше подходит для хранения информации и более устойчива (менее склонна к реакциям). Поэтому в процессе эволюции именно она была оставлена в качестве хранителя информации.
В 1982 г. Т. Чеком была открыта каталитическая активность РНК. Кроме того РНК могут синтезироваться в определенных условиях даже при отсутствии ферментов, а также образовывать свои копии. Поэтому можно предположить, что РНК были первыми биополимерами (гипотеза РНК-мира). Какие-то участки РНК случайно могли кодировать полезные для протобионта пептиды, остальные участки РНК в процессе эволюции стали вырезаемыми интронами.
В протобионтах возникла обратная связь — РНК кодирует белки-фермены, белки-ферменты увеличивают количество нуклеиновых кислот.
Начало биологической эволюции
Химическая эволюция и эволюция протобионтов длилась более 1 млрд. лет. Жизнь возникла, и началась ее биологическая эволюция.
От некоторых протобионтов произошли примитивные клетки, включающие всю совокупность наблюдаемых нами сегодня свойств живого. В них было реализовано хранение и передача наследственной информации, ее использование для создания структур и обмена веществ. Энергия для процессов жизнедеятельности обеспечивалась молекулами АТФ, появились типичные для клеток мембраны.
Первые организмы были анаэробные гетеротрофы. Энергию, запасаемую в АТФ, они получали с помощью брожения. Пример — гликолиз — бескислородное расщепление сахаров. Питались эти организмы за счет органических веществ первичного бульона.
Но запасы органических молекул постепенно истощались, так как условия на Земле менялись, и новая органика уже почти не синтезировалась абиогенным путем. В условиях конкуренции за пищевые ресурсы эволюция гетеротрофов ускорилась.
Преимущество получили бактерии, оказавшиеся способными фиксировать углекислый газ с образованием органических веществ. Автотрофный синтез питательных веществ более сложный, чем гетеротрофное питание, поэтому у ранних форм жизни он возникнуть не мог. Из некоторых веществ под действием энергии солнечного излучения образовывались соединения, необходимых клетке.
Первые фотосинтезирующие организмы не выделяли кислорода. Фотосинтез с его выделением скорее всего появился позже у организмов, сходных с нынешними сине-зелеными водорослями.
Накопление в атмосфере кислорода, появление озонового экрана, уменьшение количества ультрафиолетового излучения привело к почти невозможности абиогенного синтеза сложных органических веществ. С другой стороны, возникшие формы жизни стали более устойчивыми в таких условиях.
На Земле распространилось кислородное дыхание. Анаэробные организмы сохранились лишь в отдельных местах (например, есть анаэробные бактерии, живущие в горячих подземных источниках).
Источник: biology.su
2. Начальные этапы биологической эволюции
Появление примитивной клетки означало окончание предбиологической эволюции живого и начало биологической эволюции жизни.
Первыми возникшими на нашей планете одноклеточными организмами были примитивные бактерии, не обладавшие ядром, то есть прокариоты. Как уже указывалось, это были одноклеточные безъядерные организмы. Они были анаэробами, поскольку жили в бескислородной среде, и гетеротрофами, поскольку питались готовыми органическими соединениями «органического бульона», то есть веществами, синтезированными в ходе химической эволюции. Энергетический обмен у большинства прокариот происходил по типу брожения. Но постепенно «органический бульон» в результате активного потребления убывал. По мере его исчерпания некоторые организмы стали вырабатывать способы формирования макромолекул биохимическим путем, внутри самих клеток при помощи ферментов. В таких условиях конкурентоспособными оказались клетки, которые смогли получать большую часть необходимой энергии непосредственно от излучения Солнца. По этому пути и шел процесс формирования хлорофилла и фотосинтеза.
Переход живого к фотосинтезу и автотрофному типу питания явился поворотом в эволюции живого. Атмосфера Земли стала «наполняться» кислородом, который для анаэробов явился ядом. Поэтому многие одноклеточные анаэробы погибли, другие укрылись в бескислородных средах – болотах и, питаясь, выделяли не кислород, а метан. Третьи приспособились к кислороду. У них центральным механизмом обмена стало кислородное дыхание, которое позволило увеличить выход полезной энергии в 10–15 раз по сравнению с анаэробным типом обмена – брожением. Переход к фотосинтезу был длительным процессом и завершился около 1,8 млрд лет назад. С возникновением фотосинтеза в органическом веществе Земли накапливалось все больше энергии солнечного света, что ускоряло биологический круговорот веществ и эволюцию живого в целом.
В кислородной среде сформировались эукариоты, то есть одноклеточные, имеющие ядро организмы. Это были уже более совершенные организмы с фотосинтетической способностью. Их ДНК уже были сконцентрированы в хромосомы, тогда как у прокариотных клеток наследственное вещество было распределено по всей клетке. Хромосомы эукариотов были сконцентрированы в ядре клетки, а сама клетка уже воспроизводилась без существенных изменений. Таким образом, дочерняя клетка эукариот была почти точной копией материнской и имела столько же шансов на выживание, сколько и материнская.
Образование растений и животных.
Последующая эволюция эукариотов была связана с разделением на растительные и животные клетки. Такое разделение произошло в протерозое, когда Земля была заселена одноклеточными организмами[3].
С начала эволюции эукариоты развивались двойственно, то есть в них параллельно были группы с автотрофным и гетеротрофным питанием, что обеспечивало целостность и значительную автономность живого мира.
Растительные клетки эволюционировали в сторону уменьшения способности передвижения из-за развития жесткой целлюлозной оболочки, но в направлении использования фотосинтеза.
Животные клетки эволюционировали в сторону увеличения способности к передвижению, а также совершенствования способов поглощать и выделять продукты переработки пищи.
Следующим этапом развития живого стало половое размножение. Оно возникло примерно 900млн лет назад.
Дальнейший шаг в эволюции живого произошел около 700–800млн лет назад, когда появились многоклеточные организмы с дифференцированными телом, тканями и органами, выполняющими определенные функции. Это были губки, кишечнополостные, членистоногие и т.д., относящиеся к многоклеточным животным.
На протяжении всего протерозоя и в начале палеозоя растения населяют в основном моря и океаны. Это зеленые и бурые, золотистые и красные водоросли. Впоследствии в морях кембрия уже существовали многие типы животных. В дальнейшем они специализировались и совершенствовались. Среди морских животных той поры ракообразные, губки, кораллы, моллюски, трилобиты.
В конце ордовикского периода стали появляться крупные плотоядные, а также позвоночные животные.
Дальнейшая эволюция позвоночных шла в направлении челюстных рыбообразных. В девоне стали появляться уже двоякодышащие рыбы – амфибии, а затем насекомые. Постепенно развивалась нервная система как следствие совершенствования форм отражения.
Особо важным этапом в эволюции форм живого являлись выход растительных и животных организмов из воды на сушу и дальнейшее увеличение количества видов наземных растений и животных. В дальнейшем именно из них и происходят высокоорганизованные формы жизни. Выход растений на сушу начался в конце силура, а активное завоевание суши позвоночными началось в карбоне.
Переход к жизни в воздушной среде требовал от живых организмов очень многих изменений и предполагал выработку соответствующих приспособлений. Он резко увеличил темпы эволюции живого на Земле. Вершиной эволюции живого стал человек. Жизнь в воздушной среде «увеличила» массу тела организмов, в воздухе не содержатся питательные вещества, воздух иначе, чем вода, пропускает свет, звук, тепло, количество кислорода в нем выше. Ко всему этому необходимо было приспособиться. Первыми приспособившимися к условиям жизни на суше позвоночными были рептилии. Их яйца были снабжены пищей и кислородом для эмбриона, покрыты твердой скорлупой, не боялись высыхания.
Примерно 67млн лет назад преимущество в естественном отборе получили птицы и млекопитающие. Благодаря теплокровности млекопитающих они быстро завоевали господствующее положение на Земле, что связано с условиями похолодания на нашей планете. В это время именно теплокровность стала решающим фактором выживания.
Она обеспечивала постоянную высокую температуру тела и стабильность функционирования внутренних органов млекопитающих. Живорождение млекопитающих и вскармливание детенышей молоком явилось мощным фактором их эволюции, позволяющим размножаться в разнообразных условиях среды. Развитая нервная система способствовала разнообразию форм приспособления и защиты организмов. Произошло разделение хищно-копытных животных на копытных и хищников, а первые насекомоядные млекопитающие положили начало эволюции плацентарных и сумчатых организмов.
Решающим этапом эволюции жизни на нашей планете явилось появление отряда приматов. В кайнозое примерно 67–27 млн. лет назад приматы разделились на низших и человекообразных обезьян, являющихся древнейшими предками современного человека. Предпосылки появления современного человека в процессе эволюции формировались постепенно.
Сначала был стадный образ жизни. Он позволил сформировать фундамент будущего социального общения. Причем если у насекомых (пчелы, муравьи, термиты) биосоциальность вела к потере индивидуальности, то у древних предков человека, напротив, она развивала индивидуальные черты особи. Это явилось мощной движущей силой развития коллектива.
Источник: www.KazEdu.kz