Современные представления о возникновении жизни. Этапы эволюции живых существ

I. История развития проблемы
Проблема происхождения жизни одна из наиболее важных и сложных проблем современной биологии. Ее решение имеет важное значение для понимания особенностей организации и эволюции современных организмов. Существует большое количество теорий происхождения жизни. Креационистские концепции основаны на положении о божественном сотворении живого, они недоказуемы и ненаучны. Суждения материалистов-естествоиспытателей и философов укладываются в две главные гипотезы. Согласно гипотезе панспермии жизнь занесена из космоса в виде спор микроорганизмов. И хотя прямых доказательств этого нет, предполагают, что космос мог быть источником низкомолекулярных органических соединений, послуживших средой для развития жизни. Согласно второй гипотезе жизнь возникла на Земле при совокупности условий путем абиогенного образования органических веществ из неорганических.
Первую научную гипотезу по вопросу о происхождении жизни на Земле высказал, в 1924 г. А.И. Опарин на заседании Русского ботанического общества. Она известна под названием эволюционной теории возникновения жизни. Эта гипотеза объясняла материалистическое происхождение жизни на Земле абиогенным путем. В 1929 г. английский ученый Дж. Холдейн высказал аналогичное предположение. Согласно этим гипотезам жизнь возникла путем постепенной эволюции органических соединений на земной поверхности (включая атмосферу и гидросферу), т.е. в ходе эволюционного абиогенеза. Тот факт, что зарождение жизни в современных условиях невозможно, объясняется отсутствием восстановительной атмосферы и первоначальной стерильности Земной поверхности.

II. Основные этапы возникновения жизни
По современным представлениям основными этапами возникновения и развития жизни являются:
1. Образование первичной атмосферы из газов, послуживших “сырьем“ для синтеза органических веществ.
2. Абиогенное образование органических веществ, в том числе мономеров - аминокислот, мононуклеотидов, сахаров.
3. Полимеризация мономеров в полимеры - полипептиды, полинуклеотиды.
4. Образование протобионтов - предбиологических форм сложного химического состава, имеющих некоторые свойства живых существ.
5. Возникновение примитивных клеток - простейших живых форм.
6. Биологическая эволюция возникших живых существ.
Возраст Земли, как и всей Солнечной системы, около 4,6 млрд. лет, поэтому вряд ли жизнь старше этого срока. Еще Ч. Дарвин заметил, что жизнь может возникнуть только при отсутствии жизни. Вездесущие микроорганизмы, распространенные сейчас на Земле,
использовали бы все возникающие вновь органические вещества. Поэтому возникновение жизни в привычных нам земных условиях невозможно.
Одним из условий возникновения жизни на Земле было отсутствие кислорода в атмосфере, т.к. кислород, взаимодействуя с органическими веществами, разрушает их. В первичной атмосфере восстановительного типа содержались углекислый газ, водород, азот, аммиак, метан, водяные пары, синильная кислота. Источниками энергии являлись ультрафиолетовое, космическое излучения, тепловая и электрическая энергии. В этих условиях происходили химические реакции с образованием самых разнообразных сложных соединений, в том числе и органических. В 1953 г. Стенли Миллер и Юри экспериментально в лабораторных условиях подтвердили возможность абиогенного синтеза органических веществ: карбоновых кислот, аминокислот, азотистых оснований, АТФ. Органические вещества накапливались в водах первичного океана в виде первичного бульона или адсорбировались на поверхности глинистых отложений, что создавало лучшие условия для полимеризации.
Следующим этапом на пути возникновения жизни была полимеризация низкомолекулярных соединений с образованием полипептидов и полинуклеотидов. Реакция полимеризации первичных звеньев в водном растворе не идет, т.к. при соеди-нении друг с другом аминокислот или нуклеотидов отщепляется молекула воды. Есть предположение, что первичный синтез биополимеров шел при замораживании “первичного бульона” или же при нагревании его сухого остатка. К. Фокс, нагревая до 130° сухую смесь аминокислот, показал, что в этом случае реакция полимеризации происходит. Вода при этом испаряется и получается искусственный протеиноид. Протеиноиды представляют собой белковоподобные молекулы со случайной последовательностью аминокислот. Протеиноиды, растворенные в воде, обладают незначительной каталитической активностью, т.е. обладают свойствами ферментов. Есть предположение, что аминокислоты “первичного бульона” концентрировались в испаряющихся водоемах, а затем под действием солнечных лучей высушивались и полимеризовались, образуя белковоподобные вещества.
Следующий этап - это возникновение фазовообособленных открытых систем - предбиологических форм сложного химического состава, или протобионтов. В силу особых физико-химических свойств молекул воды и органических соединений, водныерастворы последних могут разделяться на две фазы. Так, голландский ученый Белгендерг де Ионг, используя смесь водных растворов желатина и гуммиарабика, наблюдал процесс образования комплексов, названных им “коацерватные” капли. Капли были неодинаковы по размерам, они сливались, увеличивались в размерах за счет поступления органических веществ, обладали способностью к избирательному обмену с окружающей средой, т.е. являлись открытыми системами.
Другая модель возникновения протобионтов, предложенная К. Фоксом, - модель протеиноидов. Эти структуры назвали микросферами. Коацерватные капли и микросферы могут рассматриваться как модель протобионта (т.е. предшественника клетки).
Протобионты представляются как обособленные от окружающей среды, открытые макромолекулярные системы, способные к примитивным формам роста, размножения, обмена веществ и предбиологическому химическому отбору.
Наиболее важным этапом в происхождении жизни было возникновение примитивных живых существ - протоклеток.
Эволюция протобионтов по пути возникновения протоклеток шла по трем главным направлениям: 1) совершенствование каталитической функции белков. Развивалось такое свойство биологического катализа, как специфичность. 2) возникновение механизма самовоспроизведения себе подобных, реакций матричного синтеза. 3) возникновение биологических мембран с избирательной проницаемостью и стабилизация параметров обмена веществ.
Протоклетки в большом количестве накапливались в водоемах и опускались на дно, где оказывались защищенными от губительного действия ультрафиолетовых лучей. Так, американский ученый Неги обнаружил органические микроструктуры, имеющие возраст 3,7 млрд.
лет. Подобные структуры были найдены в южноафриканских осадочных породах, возраст которых 2,2 млрд. лет. Все эти данные и приводят к мнению, что эволюция протоклеток продолжалась в течение огромного периода времени, начиная от первых протоклеток, возникших 3,7 млрд. лет тому назад. В эту раннюю эпоху у протоклеток появились и эволюционировали генетический и белоксинтезирующий аппараты, и также наследуемый обмен веществ.
В проблеме происхождения жизни есть много не решенных до конца вопросов: 1) возникновение полупроницаемых мембран клетки; 2) возникновение рибосом, 3) возникновение генетического кода, который универсален для всего живого на Земле; 4) возникновение энергетического механизма клетки с использованием АТФ и т.д.
На возникновение жизни потребовалось относительно мало времени, если учесть, что возраст планеты 4,6 млрд. лет. В промежутке времени между 3,7 и 2,9 млрд. лет появились первые гетеротрофные организмы, на смену им пришли фотосинтезирующие. Появление их было связано с тем, что запасы органических веществ в первичном океане были полностью исчерпаны и обменные процессы у части живых существ переориентировались на усвоение энергии солнечного света. Это были прокариоты типа сине-зеленых водорослей и бактерий. И лишь за 1500 млн. лет до наших дней возникли первые эукариоты - как гетеротрофные, так и автотрофные организмы, давшие начало современным группам живых существ.

III. Основные этапы эволюции живых существ
В настоящее время общепризнано, что вскоре после возникновения жизни она разделилась на три корня, которые представлены надцарствами архебактерий, эубактерий и эукариот. Больше всего черт исходных протоорганизмов сохранили архебактерии. Они обитают в бескислородных илах, концентрированных растворах соли, горячих вулканических источниках. Согласно симбиотической гипотезе, основой в эволюции клетки эукариотического типа послужил анаэробный прокариот. Надцарство эукариот разделилось на царства животных, растений, грибов.
Рассмотрим основные пути эволюции животных. Первые остатки животных находят в морских отложениях протерозоя. Первые многоклеточные животные представлены сразу несколькими типами: губки, кишечнополостные, членистоногие. В морях кембрийского периода уже существовали все основные типы животных (см. табл. 8) В силурийский период появились животные, дышащие атмосферным воздухом. Первыми обитателями суши были паукообразные, напоминавшие по строению современных скорпионов. Уже в девонском периоде появились все современные подклассы рыб. От древних костных рыб произошли кистеперые, двоякодышащие и современные костистые рыбы. Кистепёрые дали начало первым земноводным (стегоцефалам). В каменно-угольном периоде появляются первые пресмыкающиеся, что определило начало активного завоевания суши позвоночными. Одной из ветвей древних рептилий являлись котилозавры - предки современных пресмыкающихся. До наших дней из триасовых рептилий дожили гаттерия и черепахи. Особенно сильного развития достигают морские рептилии в юрском периоде (ихтиозавры, плезиозавры). Возникают птерозавры, освоившие воздушную среду. В меловом периоде продолжается специализация рептилий, возникают гигантские растительноядные динозавры, встречаются летающие ящеры с размахом крыльев до 20 м. В условиях похолодания исключительные преимущества получают теплокровные животные - птицы, млекопитающие. Кайнозой - время расцвета насекомых, птиц, млекопитающих. Исходной группой для млекопитающих служили зверозубые ящеры. Приматы в своём происхождении связаны с древними насекомоядными. Одна из групп обезьян - дриопитеки - дала начало ветви, ведущей к роду человек (таблица 8).