Возникновение жизни на Земле и ее разнообразие

Долгое время в науке господствовали два основных подхода к решению вопроса о сущности жизни: механицизм и витализм. Механистический материализм, характерный для классической науки Нового времени, не признавал качественной специфики живых организмов и представлял жизненные процессы как результат действия химических и физических процессов. Поэтому механицизм отождествлял живые организмы со сложными машинами.

Противоположной точкой зрения придерживался витализм, который объяснял качественное отличие живого от неживого наличием в живых организмах особой "жизненной силы", отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам. Такое решение проблемы сущности жизни тесно связано с признанием факта творения ее Богом, иным разумным началом и т.д.

Ученым удалось точно установить, что качественное отличие живого от неживого заключено в структуре их соединений, строении и связях, особенностях функций, характеристике и организации протекающих внутри организма процессов. Кроме того, жизнь отличается динамичностью и лабильностью. Но при этом можно говорить о полном тождестве химических элементов, входящих в состав живого и неживого.

Современная биология в вопросе о сущности жизни все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. Б.М. Медников называет жизнью активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфических структур, обладающих следующими свойствами: наличием генотипа и фенотипа; репликацией генетических программ матричным способом; неизбежностью ошибок на микроуровне при репликации, приводящих к мутациям; многократное усилие этих изменений в ходе формирования фенотипа и их селекция со стороны факторов внешней среды.

При этом организм воспроизводит себя и поддерживает свою целостность за счет использования элементов окружающей среды с более низкой упорядоченностью. Отличия живых организмов от неживых систем придают жизни качественно новые свойства. Живым организмам присущи определенные специфические свойства, которые часто в той или иной степени характерны и для неживой природы, что подчеркивает единство эволюционных процессов. Совокупность и характер проявления этих свойств определяют сущность жизни. Поэтому для понимания сущности жизни необходимо установить путем сравнительного анализа, что такое живое и чем оно отличается от неживого.

Единство химического состава. В состав живых организмов и неживых предметов входят одни и те же химические элементы, но соотношение элементов в живом и неживом существенно различается. Элементный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т.д. В живых организмах, как уже отмечалось ранее, 98% химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород. Кроме того, живые организмы построены в основном из четырех сложных органических молекул - биологических полимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, жиров, которые очень редко встречаются в неживой природе.

Обмен веществ. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой: они поглощают из нее необходимые вещества и выделяют продукты своей жизнедеятельности. Обмен веществ - двусторонний процесс: во-первых, в результате ряда сложных химических превращений вещества из окружающей среды употребляются органическими веществами живого организма, и из них строится его тело; во-вторых, сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и, как следствие, постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся уловиях окружающей среды, т.е. обеспечивает гомеостаз. В неживой природе также существует обмен веществ, но там круговорот веществ сводится только к простому переносу их с одного места на другое или изменение их агрегатного состояния.

Самовоспроизведение и наследственность. При размножении живых организмов потомство похоже на родителей, что дает основание утверждать, что размножение - это свойство организмов воспроизводить себе подобных. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в ДНК. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органоиды клеток после деления сходны со своими прототипами. Следовательно, самовоспроизведение часто связано с наследственностью - способностью организмов к передаче свойств, признаков, особенностей развития из поколения в поколение, что обуславливает преемственность поколений.

Изменчивость развитие. Под изменчивостью в естествознании понимают способность организмов приобретать новые признаки и свойства на основе изменения молекул ДНК. Изменчивость дает разнообразный материал для естественного отбора и соответственно предпосылки для развития и роста живых организмов. Развитие - это необратимое направленное закономерное изменение объектов живой природы. В результате развития возникает качественное новое состояние живой системы развитие живой формы существования материи представлено индивидуальным развитием организмов, а увеличение его массы обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток.

Раздражимость. Любой живой организм неразрывно связан с окружающей средой: он поглощает необходимые вещества, подвергается воздействию неблагоприятных факторов среды, вступает в взаимодействие с другими организмами. В процессе эволюции у живых организмов выработало и закрепилось свойство раздражимости - избирательной реакции на внешние воздействия. Всякое изменение окружающих условий среды по отношению к организму представляет собой раздражение, а реакция организма на внешние раздражители служит показателям его чувствительности и проявлением раздражимости.

Ритмичность. Неотъемлемым свойством природы является последовательная закономерная смена циклов. Периодические изменения в окружающей среде оказывают существенное влияние на живую природу и на собственные жизненные ритмы живых организмов. В живых системах ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций с различными периодами их активации (от нескольких секунд до столетия): суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих и др. Ритмичность обеспечивает согласование функций организма и окружающей среды, т.е. приспособление к периодически изменяющимся условиям существования.

Саморегуляция. Все живые организмы способны поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов в постоянно меняющихся условиях окружающей среды. При недостаток каких-либо питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а при избытке какого-либо вещества его синтез вызывает усиленное размножение оставшихся клеток до нормально возникает сигнал о снижении интенсивности клеточного еления.

Дискретность. Как уже было отмечено, жизнь на Земле существует в виде дискретных форм, т.е. биосфера в целом и каждый отдельный организм состоят из обособленных и ограниченных в пространстве, но связанных и взаимодействующих частей, образующих структурно-функциональное единство. Дискретность строения организма - основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления организма путем замены отживших структурных элементов без прекращения его функционирования. Дискретность вида предопределяет возможность его эволюции через гибель или невозможность размножения неприспособленных особей и сохранения особей с полезными для выживания признаками.

Все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе. Эти признаки должны быть отражены в определении жизни. В современном естествознании понятием "жизнь" или "живое" обозначается высшая из природных форм движения материи, которая характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением равноуровневых открытых систем, основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.

Основные концепции происхождения жизни

Загадка появления жизни на Земле с незапамятных времен волнует людей. На протяжении веков менялись взгляды на эту проблему, высказывались разнообразные гипотезы и концепции. Некоторые из них получили широкое распространение и доминировали в те или иные периоды развития естествознания. К такого рода концепциям происхождения жизни относят:

Концепцию креационизма, утверждающую, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения;

Концепцию стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

Концепцию самопроизвольно зарождения жизни, основывающуюся на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества;

Концепцию панспермии, утверждающую, что жизнь занесена на Землю из космоса;

Концепцию случайного однократного происхождения жизни;

Концепцию закономерного происхождения жизни путем биохимической эволюции.

Концепция креационизма имеет самую длинную историю, так как практически во всех религиях возникновение жизни рассматривается как акт Божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами.

Концепция креационизма, по существу, научной не является, ведь она возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения жизни, так как все религии требует принимать это положение на веру, без доказательств.

Концепция стационарного состояния. Сторонники теории вечного существования жизни считают, что Земля никогда не возникала, а существовала вечно, и вместе с ней всегда существовали различные виды живого. При этом одни из них при изменении условий вымерли, другие переместились в другие биологические ниши, а третьи резко изменили численность. Большая часть аргументов в пользу этой теории основана на исследованиях палеонтологов, выявивших исчезновение некоторых видов животных в процессе эволюции, отсутствие следов переходных звеньев между разными видами живого и все более высокими оценками возраста земли.

Концепция самопроизвольного зарождения жизни долгое время была единственной альтернативой креационизму. Считалось, что все низшие организмы появляются путем самозарождения. Ученые средневековья, например, допускали, что рыбы могли зародиться из ила, мыши - из грязи, мухи - из мяса, и т.д. Однако начиная с 17 века стали накапливаться данные против такого понимания происхождения жизни. В 1668 г итальянский естествоиспытатель и врач Ф. Реди сформулировал знаменитый принцип "все живое - от живого". Поэтому он стал основоположником концепции биогенеза, утверждавшей, что жизнь возникает только из предшествующей жизни. В середине 19 века французский ученый Л. Пастер своими опытами окончательно доказал научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов.

Концепция панспермии. Практически одновременно с опытами Пастера немецким ученым Г. Рихтером была высказана гипотеза о занесении живых существ на Землю из космоса, получившая позднее название концепции панспермии. Эта теория допускала возможность возникновения жизни в разное время в разных частях Галактики и перенесения ее на Землю тем или иным способом. Концепция панспермии была поддержана многими известными учеными, что способствовало ее широкому распространению. Тем не менее серьезных аргументов в нее нет. Есть даже серьезные доводы против данной концепции. Дело в том, что, хотя спектр возможных условий для существования живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей.

Концепция случайного однократного появления жизни. Неспособность рассмотренных теорий и концепций дать убедительное и аргументированное объяснение происхождения жизни привели в начале 20 века к дальнейшим поискам решения этой проблемы. Американский генетик Г. Меллер выдвинул гипотезу о случайном возникновении первичной молекулы живого вещества, согласно которой живая молекула, способная размножаться, могла возникнуть случайно в результате взаимодействия простейших веществ. Он считает, что элементарная единица наследственности - ген - является основой жизни, поэтому и жизнь в форме гена возникла путем случайного сочетания атомных группировок и молекул.

Теория биохимической эволюции. Концепция А.И. Опарина. Одним из главных препятствий, стоявших в начале 20 века на пути решения проблемы возникновения жизни, было господствовавшее тогда в науке и основанное на повседневном опыте убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями не существует никакой взаимосвязи. Считалось, что природа неорганических веществ совершенно иная, поэтому возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ совершенно невозможно. Однако после того, как из обычных химических элементов было синтезировано первое органическое соединение, представление об отсутствии связи между органическими и неорганическими веществами оказалось несостоятельным. В результате этого открытия возникли органическая химия, изучающие химические процессы в живых организмах.

Кроме того, данное научное открытие позволило создать концепцию биохимической эволюции, согласно которой жизнь на Земле возникла в результате спонтанных физических и химических процессов. Исходную основу этой гипотезы составили данные о сходстве веществ, входящих в состав растений, животных, о возможности в лабораторных условиях синтезировать органические вещества, составляющие белок.

Эти открытия легли в основу концепции А.И. Опарина, опубликованной в 1924 г в книге "Происхождение жизни", в которой была изложена принципиально новая гипотеза о происхождении жизни, суть которой сводилась к следующему: зарождение жизни на Земле - длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой.

Появление жизни на Земле

Современная наука выдвигает некоторые гипотезы, отвечающие на вопросы о том, как, когда и в какой форме появилась жизнь на Земле.

История жизни и история Земли неотделимы друг от друга, так как именно в процессах развития нашей планеты закладывались условия, необходимые для появления и развития жизни. Для этого требуются определенные физические и химические условия.

Прежде всего, жизнь может существовать в достаточно узком диапазоне температур, давлений, радиации. Также для появления жизни на Земле нужны были материальные основы: химические элементы-органогены и в первую очередь углерод, так как именно он лежит в основе жизни.

Наряду с углеродом требуются кислород, водород и азот. Все эти элементы живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом.

Огромную роль в появлении и функционировании живых организмов играет вода, которая выступает не только средой, но и обязательным участником всех биохимических процессов. Вода обеспечивает метаболизм клетки, терморегуляцию организмов. Кроме того, водная среда как уникальная по своим упругим свойствам структура позволяет всем определяющим жизнь молекулам реализовать свою пространственную организацию.

Сегодня уже не вызывает сомнений тот факт, что В.И. Вернадский, предположивший, что жизнь сразу возникла в виде примитивной биосферы, был прав. Только разнообразие видов живых организмов могло обеспечить выполнение всех функций живого вещества в биосфере. Жизнь не просто существует в окружающей ее среде, но активно эту среду формирует, преобразуя ее "под себя". Весь облик современной Земли - результат действия живого вещества.

Эти данные позволили Вернадскому утверждать, что с самого начала биосферы входящая в нее жизнь должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, так как биогеохимические функции жизни в силу своего разнообразия и сложности не могут быть связаны только с какой-то одной формой жизни. Таким образом, первичная биосфера изначально была представлена богатым функциональным разнообразием. Поскольку организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте, первое появление жизни должно было произойти не в виде какого-то одного вида организмов, а их совокупности. Иными словами, сразу должны были появиться первичные биоценозы. Состояли они из простейших одноклеточных организмов, так как все ее исключения функции живого вещества в биосфере могут быть выполнены ими.

Формирование и развитие биосферы Земли

Как было отмечено выше, жизнь на Земле первоначально появилась в форме примитивной биосферы. Соответственно, присутствие жизни на планете стало коренным образом преображать окружающую среду. Ведь два важнейших компонента биосферы - живое вещество и среда их обитания - непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесном, органическом единстве, образуя целостную динамическую систему. Развитие биосферы Земли можно рассматривать как последовательную смену трех этапов: восстановительного, слабоокислительного и окислительного.

Восстановительный этап развития биосферы. Как считают многие ученые, этот этап начался еще в космических условиях и завершился появлением на Земле гетеротрофной биосферы. В данный период появились малые сферические анаэробы и прокариоты. Физиологические процессы этих организмов основывались не на кислородном окислении а на дрожжевом брожении. Изначально в атмосфере Земли присутствовали лишь следы свободного кислорода. Производство свободного кислорода было начато первыми организмами. Но произведенный кислород пока приводил лишь к окислительным процессам на земной поверхности и в океане.

Поскольку первые организмы были гетеротрофами, они нуждались в питании. Пищей для них стали ранее накопленные органические соединения, растворенные в одах первичного океана. Но жизнь нуждалась в дополнительных источниках энергии. Поэтому на ранних стадиях эволюции жизни она активно использовала различного рода радиацию.

Длительность существования восстановительной биосферы в геологических масштабах была невелика. Причина этого заключалась в том, что первичные гетеротрофные организмы быстро размножались и довольно быстро исчерпали свою питательную базу.

Слабоокислительный этап. Второй этап в развитии биосферы нашей планеты связан с появлением фотосинтеза. Новый способ питания был основан на том, что некоторые простые соединения обладают способностью поглощать свет, если в их составе есть атом магния. Уловленная таким способом световая энергия может быть использована для усиления реакций обмена, для образования органических соединений, которые при необходимости могут расщепляться с высвобождением энергии.

Данный способ питания способствовал быстрому расселению организмов нового типа у поверхности водоемов. Они оттеснили первичные гетеротрофные организмы, оказавшись более приспособленными к борьбе за существование.

Первыми автотрофными организмами были зеленые водоросли. Хотя свободный кислород и был ядом для первичных аэробов, не все они погибли. Некоторые остались жить в болотах, где не было свободного кислорода. Некоторые же первичные организмы смогли приспособиться к кислородной атмосфере.

Параллельно с этим шел процесс формирования эукариотов. Прокариоты, простые, выносливые и практически бессмертные организмы уступали место смертным эукариотам, так как нужна была не генетическая гибкость, а генетическая стабильность.

Эти процессы составили содержание второго этапа в истории биосферы Земли, занявшего почти половину всей геологической истории планеты. Дело в том, что, хотя свободный кислород и появлялся в значительных количествах, но он шел не в атмосферу, а на окисление железа, сернистых соединений и других металлов. Только после освобождения океана от железа и других металлов, концентрация кислорода в атмосфере стала резко возрастать.

Окислительный этап. Начиная с этого времени развивается фотоавтотрофная биосфера Земли и количество кислорода в атмосфере резко повышается.

После выхода жизни из океана на сушу произошло резкое увеличение массы живого вещества. Одновременно жизнь проникала все глубже в океан, осваивая все большие глубины. Наземные растения положили начало образованию угля, нефти, газа, горючих сланцев. Стал меняться биогеохимических круговорот элементов. При этом снижалась роль основных пород, и в земной коре вместо магния, кальция, железа стали большую роль играть кремний, натрий, алюминий, калий. Также благодаря деятельности живых организмов резко возрос круговорот кислорода и углекислого газа. Эти процессы, а также постепенное снижение уровня радиации стимулировали и ускоряли усложнение живого вещества, вели к появлению новых, более высокоорганизованных видов.

Появление растений и животных

В процессе формирования биосферы эукариоты разделились на растительные и животные клетки. Как считает большинство биологов, их следует различать по структуре, способности к росту, способу питания, способности к движению. При этом отнесение живого существа к одному из этих царств следует проводить по совокупности всех трех признаков. Это связано с тем, что между растениями и животными существуют переходные типы, обладающие свойствами как растений, так и животных. Так, например, существуют насекомоядные растения, которые по способу питания относятся к животным.

Образование и развитие растений. Самыми первыми растениями на планете были одноклеточные водоросли разных типов. Они пришли на смену господствовавшим до этого сине-зеленым водорослям и бактериям, относящимся к прокариотам. На водорослях природа впервые опробовала половое размножение, представляющее собой слияние ДНК двух индивидов с последующим перераспределением генетического материала. При этом потомство получается похожим на своих родителей, но не идентичным им.

Событием огромной важности стал выход растений из моря на сушу около 400 млн лет назад. Этот факт стал, предпосылкой для выхода на сушу и животных. Считается, что еще до массового перехода на сушу там появлялись локальные участки жизни - на побережьях мелководных заливов и лагун, в местах, где вода могла периодически отступать, оставляя растения. Именно так появились растения, нижняя часть которых находилась в воде, а верхняя - в воздухе, под прямыми лучами солнца. Затем растения смогли развить корневую систему, позволявшую использовать грунтовые воды.

Образование и развитие животных. Животная клетка, в отличии от растительной, имеет эластичную оболочку и поэтому не теряет способности к передвижению. Таким образом, они имеют возможность самим искать тебе пищу. Их эволюция шла в направлении совершенствования способов передвижения, поглощения и выделения крупных частиц через оболочку.

Возникновение животной клетки было связано с переходом к гетеротрофному способу питания.

Как и для растений, важнейшим этапом в эволюции животных стало появление многоклеточных организмов. Скорее всего, этот шаг был сделан с помощью колоний, в которые объединялись некоторые одноклеточные организмы. Вначале все клетки в таких колониях были одинаковыми, но затем началось их разделение и дифференциация в соответствии с выполненными функциями.

Дальнейшая эволюция многоклеточных организмов шла в направлении совершенствования способов их передвижения, дыхания, лучшей координации деятельности клеток и т.д.

На следующую ступень в своем развитии животное царство поднялось с появлением твердых частей тела - раковин и внутреннего скелета. Скелет служил опорой организмам, способствовал увеличению их размеров, делал их более прочными, защищая от физических повреждений.

Около 500 млн лет назад появились первые позвоночные - наиболее высокоорганизованная, обширная и разнообразная группа животных (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся и млекопитающие).

Выход жизни на сушу был связан с серьезнейшими изменениями ее форм, ведь на суше вес тел больше, чем в воде, в воздухе не содержится питательных веществ, которые есть в воде в растворенном виде. Кроме того, воздух иначе пропускает свети звук, а концентрация кислорода в нем выше, чем в воде. Таким образом, жизнь должна была приспособиться к новым условиям, выработав соответствующие приспособления. Первыми, полностью приспособившимися к условиям суши позвоночными, стали рептилии. Их яйца были покрыты твердой скорлупой, не боялись высыхания, были снабжены пищей и кислородом для эмбриона.

В конце мелового периода (67 млн лет назад) преимущество в естественном отборе получили птицы и млекопитающие. Позже наступил период господства млекопитающих на Земле. Это было связано с тем, что в условиях похолодания важнейшим условием выживания стала теплокровность, обеспечившая постоянно высокую температуру тела и постоянство внутренней среды организма. Первые насекомоядные млекопитающие дали начало плацентарным и сумчатым млекопитающим, которые развивались одновременно. Большую роль в эволюции млекопитающих сыграло разделение континентов, что привело к обособлению животных и формированию частично изолированных зоогеографических областей, в которых до сих пор сохранились некоторые реликтовые животные. Важнейшим этапом в эволюции жизни на Земле стало появление отряда приматов. Они походили на современных лемуров.67-27 млн лет назад приматы разделились на низших и человекообразных обезьян. Последние в свою очередь дали начало непосредственным предкам человека.

Список литературы

1. Концепции современного естествознания: учебное пособие/ А.П. Садохин - 3-е изд. - М.: Издательство "Омега-Л", 2008

2. Войткевич Г.В. Рождение Земли. Ростов-на-Дону, 1996

3. Барг О.А. Живое в едином мировом процессе. Пермь, 1993