Империя: Живые организмы. Когда на Земле появились первые живые организмы

По палеонтологическим данным, основанным на изучении древнейших горных пород Земли, первые живые организмы появились на Земле около 3,5 млрд лет т.н.

По существу, первая живая клетка, так же, как и ее неживой прообраз — коацерватная капля, была капелькой первичного океана, окруженной водоотталкивающей оболочкой, однако белки и нуклеиновые кислоты в ней не были случайным набором органических веществ. Они уже научились «понимать» друг друга, научились взаимодействовать.

Первые живые клетки уже обладали важнейшим свойством каждого живого организма — способностью к точному самовоспроизведению, самокопированию.

Питались они готовыми органическими веществами, которые образовались на ранних этапах формирования Земли абиогенным путем. По мнению большинства ученых, в период появления первых живых организмов свободного кислорода в атмосфере древней Земли еще не было, поэтому у них был анаэробный (безкислородный) тип дыхания. Таким образом, первыми живыми организмами на Земле были, по-видимому, гетеротрофные (питающиеся готовыми органическими веществами) бактерии- анаэробы (рис. 1).

Несмотря на то что бактерии-анаэробы возникли в глубокой древности, они широко распространены на Земле и в настоящее время. Их можно встретить и в банке с простоквашей, и в бочонке с солеными огурцами или капустой. Молочнокислые бактерии — факультативные анаэробы (они могут расти и развиваться в присутствии кислорода, но в процессе дыхания кислород не используют).

Рис. 1. Симбиотическая гипотеза происхождения эукариот

Анаэробами являются и многие почвенные бактерии, например возбудители столбняка, газовой гангрены, ботулизма. Все они облигатные анаэробы. В отличие от факультативных анаэробов, облигатные анаэробы не переносят присутствия кислорода в окружающей среде, кислород для них — яд. Именно поэтому опасность заражения столбняком гораздо выше, если рана колотая и инфекция в ней развивается без доступа кислорода. Значительно менее опасны открытые раны и ссадины. Газовая гангрена тоже, как правило, начинает развиваться после наложения на поврежденную конечность препятствующей доступу кислорода гипсовой повязки. Опасность тяжелого пищевого отравления — ботулизма — возникает при домашнем консервировании, когда воздух удален предварительным кипячением, а герметичная крышка препятствует поступлению кислорода извне. В случае засолки огурцов или грибов в открытой посуде возбудитель ботулизма не разовьется, поскольку он — облигатный анаэроб. При домашнем консервировании возбудитель ботулизма уничтожить чрезвычайно трудно, поскольку его споры выдерживают 5-6 часов непрерывного кипячения. Поэтому промышленное консервирование проводят перегретым паром под давлением при температуре не 100, а 130°С в течение 1-2 часов.

Бактерии-анаэробы древней Земли питались готовыми органическими веществами, образовавшимися в больших количествах на ранних этапах формирования Земли. Абиогенному синтезу органических веществ способствовали высокая температура атмосферы и бурная вулканическая деятельность. К моменту появления первых живых организмов Земля остыла и интенсивность абиогенного синтеза органических веществ значительно снизилась. Развитие анаэробов должно было неизбежно истощить запасы органических веществ, что, в свою очередь, привело бы к гибели всех живых организмов. Возможно, история развития жизни на Земле на этом и закончилась бы, если бы спустя всего 100 млн лет (3,4 млрд лет тому назад) под влиянием жесткой конкуренции за органические вещества на Земле не появилось новое поколение живых организмов - фото синтезирующие бактерии (см. рис. 1).

Уникальной особенностью этих живых существ была способность осуществлять фотосинтез , т.е. синтезировать органические вещества из неорганических с использованием энергии солнечного света. У первых фотосинтезирующих бактерий был необычный аноксигенный тип фотосинтеза (он протекает без выделения кислорода).

Как известно, строительными элементами, из которых фото- синтезирующие организмы создают органические вещества, являются углекислый газ и водород. Первые фотосинтезирующие бактерии отнимали водород не от воды, как это происходит у большинства современных фотосинтезирующих организмов, а от сероводорода (H 2 S), поскольку затраты энергии на отрыв атомов водорода от молекулы сероводорода в 7 раз меньше, чем на отрыв его от молекулы воды.

Фотосинтез с выделением кислорода появился позднее у цианобактерий (сине-зеленых водорослей). Именно цианобактерии впервые осуществили фотолиз воды, при котором с помощью энергии солнечного света водород, необходимый для биосинтеза органических веществ, отрывается от молекулы воды, а в качестве побочного продукта образуется свободный кислород.

Накопление в атмосфере свободного кислорода привело к коренному преобразованию условий жизни на Земле. К моменту появления первых живых организмов Земля сильно остывает, снижается количество грозовых разрядов в атмосфере, затухает вулканическая деятельность. Практически единственным источником энергии для абиогенного синтеза органических веществ является ультрафиолетовое излучение Солнца.

С появлением кислорода в верхних слоях атмосферы, на высоте 15-30 км, сформировался озоновый экран, защитивший живые организмы от губительного действия ультрафиолетового излучения, что послужило предпосылкой возникновения жизни не только в воде, но и на суше. Одновременно озоновый экран, снизив интенсивность падающего на Землю ультрафиолетового излучения, практически остановил абиогенный синтез органических веществ, вследствие чего дальнейшее существование жизни на Земле стало полностью зависеть от дея тельности фотосинтезирующих организмов.

Фотосинтезирующие бактерии, в первую очередь цианобактерии, и в настоящее время широко распространенная и процветающая группа живых организмов. «Цветение» воды в конце лета обусловлено главным образом бурным развитием циано- бактерий. Они способны не только к автотрофному питанию путем фотосинтеза, но и к гетеротрофному питанию готовыми органическими веществами. Поэтому загрязнение водоемов органическими веществами под воздействием хозяйственной деятельности человека создает благоприятные условия для развития цианобактерий (сине-зеленых водорослей), которые, бурно размножаясь, вытесняют эукариотические водоросли, что снижает продуктивность водоемов, приводя к гибели планктонных организмов и рыб.

Как отмечалось ранее, главный (целевой) продукт фотосинтеза — богатые энергией органические вещества, которые используются живыми организмами как для построения своего чела, так и для получения необходимой для их жизнедеятельности энергии, кислород же является побочным продуктом фотосинтеза. Поэтому для наиболее древних но происхождению живых организмов — бактерий-анаэробов и первых фотосинтезирующих бактерий кислород — это яд. Однако вслед за фотосинтезирующими бактериями на Земле появились живые организмы, которые научились не только защищаться от кислорода, но и использовать его — научились дышать кислородом. Это были бактерии-аэробы (или бактерии-окислители).

Биологические преимущества кислородного дыхания очевидны: при кислородном окислении органических веществ из единицы (например, из 1 г) органических веществ можно извлечь в 19 раз больше энергии, чем при бескислородном дыхании. Вследствие этою бактерии-аэробы оказались способными значительно экономнее расходовать органические вещества, чем анаэробы, что, в свою очередь, позволило им существовать в условиях относительно низких концентраций органических веществ.

Симбиотическая гипотеза происхождения эукариот

На ранних этапах биологической эволюции на Земле последовательно возникают, а затем сосуществуют 3 поколения прокариот: бактерии-анаэробы, фотосинтезирующие бактерии и бактерии- аэробы (см. рис. 1).

Фотосинтезирующие бактерии могли создавать органические вещества из неорганических, а бактерии-аэробы умели очень экономно их расходовать. Лишенные этих преимуществ бактерии-анаэробы вынуждены были эксплуатировать полезные свойства других живых организмов. Один из способов одностороннего использования одного организма другим — хищничество. На определенном этапе развития от бактерий-анаэробов произошли хищные амебовидные организмы, способные захватывать с помощью ложноножек и поглотать как фотосинтезирующих бактерий, так и бактерий-аэробов.

Однако не все амебовидные хищники переваривали захваченные бактерии, в некоторых случаях бактерии могли жить и размножаться внутри цитоплазмы хищника. Возникшее таким образом сообщество живых организмов обладало многими ценными свойствами: способностью к фотосинтезу, обусловленной деятельностью фотосинтезирующих бактерий, способностью к экономному и эффективному использованию органических веществ благодаря кислородному типу дыхания, характерному для бактерий-аэробов, и, наконец, способностью к активному передвижению и захвату добычи, свойственному хищной клетке-носите- лю. Со временем взаимовыгодные, симбиотические отношения этих трех групп организмов закрепились, стали устойчивыми: фотосинтезирующие бактерии превратились в хлоропласт ы, а аэробные бактерии-окислители - в энергетические станции клетки — митохондрии. Как митохондрии, так и хлоропласты и в настоящее время сохраняют собственный наследственный аппарат, размножаются независимо отделения клетки и наследуются через цитоплазму но материнской линии.

Для управления сложным сообществом живых организмов и защиты собственного генетического материала (ведь другие организмы, входящие в сообщество, имели свою генетическую программу) у клетки-носителя возникает специальная клеточная органелла - ядро.

Живые организмы, клетки которых имеют оформленное ядро, называются эукариотами (от греч. еu - хорошо, полностью иkaryon — ядро). Все растения, животные и грибы — эукариоты. Наследственная информация в ядрах эукариотических клеток хранится в виде особых структур — хромосом, отчетливо видных под световым микроскопом в момент деления клетки. Первые эукариотические клетки появились на Земле около 2 млрд лет т.н.

Более древние по происхождению бактерии не имеют оформленного ядра.

Живые организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра, называются прокариотами (от лат. pro — перед, раньше и греч. karyon — ядро). Все бактерии, в том числе и фотосинтезирующие, — прокариоты. Наследственная информация представлена в них одной-единственной кольцевой молекулой ДНК, лежащей непосредственно в цитоплазме и не различимой в обычный световой микроскоп.

Поскольку но современным научным представлениям вес эукариотические клетки представляют собой симбиотические сообщества двух или трех живых организмов, изложенную выше гипотезу происхождения эукариот называют симбиотической.

Первые эукариотические клетки, по-видимому, представляли собой амебовидные существа, многие из которых содержали как митохондрии, так и хлоропласты.

Около 1,5 млрд лет т.н. от них возникают более совершенные эукариотические организмы, способные к быстрому активному передвижению — древние жгутиковые (см. рис. 1). Принято считать, что жгутики, так же как в свое время митохондрии и хлоропласты, произошли от каких-то древних свободноживущих прокариот.

Древние жгутиковые, видимо, сочетали свойства растений и животных. Со временем те из них, которые оказались в среде с высоким содержанием органических веществ, утратили хлоропласты и превратились в одноклеточных животных — простейших, а сохранившие хлоропласты дали начало растениям. Естественно, наиболее древние по происхождению растения — одноклеточные, подвижные и имеют жгутики.

Дальнейший эволюционный прогресс животных связан с возрастанием роли активного передвижения, что вызвано необходимостью поиска пищи и захвата добычи. Совершенствуется и система управления движением, что, в конечном итоге, приводит к возникновению высокоорганизованной нервной системы и, наконец, интеллекта.

В то же время растения, обеспечивающие себя питанием за счет фотосинтеза, в процессе эволюции утрачивают способность к передвижению и приобретают множество приспособлений, повышающих эффективность фотосинтеза.

Таким образом, около 1,5 млрд лет т.н. от единого предка — древнего жгутикового возникают два важнейших царства живых организмов — царство растения и царство животные.

Вполне возможно, что первые живые организмы были не похожи на существующие ныне. Некоторые весьма примитивные красные бактерии заключают в себе молекулы размером с вирус, которые имеют в своем составе нуклеотиды и энзимы. Эти молекулы могут вырабатывать для себя органическую пищу, используя энергию Солнца. Такое обстоятельство дает нам все основания называть их живыми созданиями, однако существовали ли столь малые организмы самостоятельно, неизвестно. Возможно, первыми живыми организмами были бактерии. Это наименьшие и наипростейшие организмы, которые несомненно можно назвать живыми существами, хотя они не принадлежат ни к растительному, ни к животному миру. На пространстве, занимаемом точкой в конце этого предложения, могла бы уместиться не одна тысяча таких бактерий или микробов.

Но, что бы собой ни представляли эти первые организмы, у них не было иного источника пищи, кроме океанического бульона, из которого они сами возникли. Все существующие ныне одноклеточные могут ассимилировать, или «пожирать», ниже организованные органические вещества. Следовательно, именно эта способность и должна была появиться у первых живых организмов прежде всего. Ввиду отсутствия кислорода для них оставался единственный способ расщеплять органическую пищу, чтобы получать энергию для выполнения своих жизненных функций, - ферментация, или брожение. При этом процессе простые молекулы, как, например, молекулы сахара, соединяются с водой и образуют двуокись углерода и некоторые кислоты, такие как алкоголь. Последние заключают в себе меньше энергии, чем первые, и эта-то разница и представляет собой энергию, используемую организмом, осуществляющим ферментацию.

Некоторые существующие ныне бактерии и дрожжи могут жить подобным образом при отсутствии кислорода. Однако ферментация - расточительный и неэффективный процесс, при котором для получения небольшого количества энергии используется значительное количество органического вещества. Отсюда следует, что первые организмы и их потомки стали «пожирать» пищу гораздо быстрее, чем она воссоздавалась неорганическими веществами. Они жили «в кредит».

Однако прежде чем запасы пищи иссякли, некоторые организмы обрели пигментную окраску, а вместе с ней - способность непосредственно использовать энергию Солнца. Сначала эта энергия шла только лишь на то, чтобы быстрее усваивать органические вещества, что еще более усугубляло пищевой дефицит. Но поскольку такая способность давала огромное преимущество перед прочими организмами, пигментированная группа обогнала в своем развитии остальных обитателей океана. Со временем эти организмы обрели новый чудесный пигмент - хлорофилл (что по-гречески означает «зеленый лист»). Это химическое вещество позволило им использовать солнечную энергию для того, чтобы самим изготавливать себе пищу из двуокиси углерода, воды и иных неорганических веществ. Такой процесс называется фотосинтезом, что означает «соединение с помощью света». Без этого процесса жизнь, какой мы ее знаем, была бы невозможна.

Первые организмы, обладающие способностью к фотосинтезу, стали родоначальниками всех видов трав, деревьев и морских водорослей. Лишь зеленые растения способны вырабатывать составные части всего живого - протеины, углеводы и жиры, - используя элементы, находящиеся в воде, почве и воздухе.

Всякое животное обязано своим существованием - прямо или косвенно - именно этим растениям.

Фотосинтез не только избавил живые организмы от необходимости зависеть от пищи, создаваемой океаном, он изменил состав земной атмосферы и дал источник энергии, необходимой для дальнейшей эволюции жизни. Когда растения производят сахар и крахмал путем сочетания углерода, извлеченного из двуокиси углерода, с водородом, находящимся в воде, в качестве отхода выделяется кислород. До возникновения растений на Земле существовало лишь ничтожное количество свободного кислорода, образовавшегося в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей, разлагавших молекулы водяного пара на водород и кислород. С появлением же растений большая часть углекислого газа, находящегося в воздухе, была поглощена и заменена кислородом. По подсчетам ученых, благодаря фотосинтезу весь кислород, находящийся в нашей атмосфере, обновляется каждые 2000 лет. Углекислый же газ, считают они, заменяется каждые 300 лет. Таким образом, весь кислород и углекислый газ, которыми мы дышим, неоднократно поглощались и снова выделялись ранее жившими организмами.

По мере того как количество кислорода в первобытной атмосфере увеличивалось, кислород, находившийся в верхних слоях атмосферы, подвергался воздействию ультрафиолетовых лучей и превращался в особо активный вид кислорода - озон. Со временем появился значительный слой озона, который поглощал ультрафиолетовую радиацию и препятствовал проникновению ультрафиолетовых лучей к поверхности Земли. Таким образом, источника энергии, который бы способствовал дальнейшему образованию органических веществ, более не существовало, но, поскольку живые организмы научились сами производить такие вещества, эта потеря на них не сказалась. Наоборот, факт этот способствовал возникновению более сложных и хрупких форм жизни. Ведь ультрафиолетовые лучи не только способствуют образованию органических соединений, но могут и расщепить их. Если бы мы не имели озонового щита, находящегося на высоте 15 миль над нашими головами, то солнечные лучи убили бы нас и большинство других высших животных. Но даже и те ослабленные ультрафиолетовые лучи, которым удается достичь земной поверхности, могут причинить нам болезненные ожоги.

Хотя фотосинтез позволил растениям самостоятельно вырабатывать себе пищу, но для того, чтобы получать из нее энергию, им по-прежнему приходилось расщеплять ее посредством малоэффективной ферментации. Более экономичным способом оказалось «сжигание» пищи путем соединения ее с кислородом. При таком холодном горении, или «окислении», выделяется в 30 раз больше энергии, чем при ферментации, иначе говоря, почти вся энергия, содержавшаяся в соединении. При наличии кислорода живым организмам оставалось только научиться использовать его, что было лишь вопросом времени. Те организмы, которым удалось это сделать, получили огромное преимущество перед организмами, которые этого не сделали и оттого со временем канули в вечность.

Фотосинтез в сочетании с ферментацией сделали жизнь самоподдерживающимся процессом. Фотосинтез в сочетании с окислением, или дыханием, обеспечил организмы дополнительными запасами энергии, которые стали использоваться для обеспечения новых форм деятельности организмов.

Одной из новых форм поведения живых организмов стала привычка пожирать друг друга. Это избавило ряд организмов от необходимости вырабатывать для себя пищу. Клетки животных могли возникнуть или независимо от растительных клеток, или в результате эволюции таких растений-«каннибалов». И поныне существуют одноклеточные организмы, которые могут получать питание как с помощью фотосинтеза, так и хищнически атакуя другие фотосинтезирующие организмы. Злоупотребляя этим свойством, подобные организмы, возможно, утратили свой хлорофилл и стали жить лишь за счет растений и себе подобных организмов.

Как давно это произошло? По мере накопления сведений и технических знаний возраст жизни все более увеличивается, исчисляясь уже не тысячелетиями и не миллионами, а миллиардами лет. В 1965 году группа ученых из Калифорнийского университета потрясла весь научный мир открытием, что живые организмы населяли Землю почти на миллиард лет ранее, чем до тех пор полагали. В породах, образовавшихся 2,7 миллиарда лет назад, они обнаружили молекулы, входившие в состав живых организмов, а точнее, как полагают исследователи во главе с доктором Мелвиллом Калвином, в состав примитивных хлорофилловых растений - сине-зеленых водорослей. Они нам знакомы: это скользкая зеленоватая плесень, которая в тихих затонах плавает на поверхности воды, покрывает камни и сваи. Эти водоросли - наиболее примитивные растения из всех, что существуют ныне. Они настолько древние, что структуры, находящиеся внутри их клеток, как бы свалены в одну кучу, а не обособлены друг от друга, как у более высоко организованных растений.

Глыбы породы были привезены из северной части штата Миннесота; возраст их был определен путем измерения уровня их радиоактивности. Исследователи использовали самые разнообразные химические и физические методы для того, чтобы обнаружить эти молекулы. Удивительно то, что организмы, обладающие способностью к фотосинтезу, были, вероятно, распространены еще 2,7 миллиарда лет назад. Хотя сине-зеленые водоросли находятся на самой нижней ступени лестницы эволюции, фотосинтез - весьма сложный процесс, для возникновения которого понадобилось, должно быть, чрезвычайно много времени - один, а то и целых два миллиарда лет. В том же 1965 году двое ученых из Гарвардского университета обнаружили следы еще более ранних примитивных живых организмов, сходных с нынешними бактериями-палочками. Они нашли их в Южной Африке - в глыбах, чей возраст насчитывал 3 миллиарда лет. Это может означать, что жизнесозидательные процессы начались вскоре после рождения нашей планеты, около 4,5 миллиарда лет назад [Стр. 16. См. примечание к стр. 3.].

Доктор Калвин и его сотрудники намерены искать следы живых организмов в самых древних на нашей Земле породах - в гранитных валунах в Южной Африке, чей возраст насчитывает 3,3 миллиарда лет. А по словам доктора Бернала, жизнь могла возникнуть даже ранее самых древних пород на земной поверхности. Он допускает возможность возникновения органических молекул в первородном пылевом облаке, из которого образовались планеты.

А вот что пишет в своей замечательной книге «Возникновение жизни на Земле» Опарин: «Современный процесс эволюции живых существ в принципе представляет собой не что иное, как ряд дальнейших звеньев той непрерывной цепи превращений материи, начало которой уходит к наиболее ранним стадиям существования Земли» [А. И. Опарин. «Возникновение жизни на Земле». Изд. АН СССР, М., 1957. (Прим. перев.)].

Первая жизнь

В это трудно поверить, но на планете Земля до сих существуют те самые первые организмы, которые сыграли величайшую роль в дальнейшей эволюции живой природы. Ученые знали о них еще в 18-м веке, но только в 30-х гг. 20-го века приоткрылась завеса происхождения и тайна их образования. Речь идет о строматолитах.

Стромалиты

Строматолит (с греч. stromatos - подстилка, lithos - камень) - это ничто иное, как плотное слоистое образование в толщах известняков и доломитов, возникающее в результате жизнедеятельности колоний сине-зеленых водорослей и других микроорганизмов. Встречаются строматолиты на Земле с протерозоя и на сегодня установлено, что самые древние представители могут похвастаться возрастом примерно в 3,5 млрд. лет. При чем эти самые представители ни капельки не изменились с тех времен.

В 30-х гг. 20 века было совершено одно из самых примечательных событий в классической биологии. На литорали залива ШаркБэй (Австралия) и на атлантическом побережье Багамских островов были найдены небольшие рифовые постройки неизвестного ранее типа. При внимательном изучении это оказались современные строматолиты!

Результат деятельности цианобактерий

Именно тогда стало ясно, что строматолит образуется в результате жизнедеятельности уникального прокариотного существа - цианобактериального мата. Цианобактериальный мат представляет собой многослойный "ковер", толщиной до 2 см. Состоит он из цианобактерий и других микроорганизмов. Но по мимо того, что мат состоит из слоев, они выполняют различные, но строго распределенные, функции. Таким образом, это полноценный живой организм, каждая часть которого выполняет четко свои функции и дальнейшие исследования показали, что цианобактериальный мат является одной из самых сбалансированных экосистем в природе.

Живут строматолиты в экстремальных условиях - в пещерах, очень соленых озерах и долинах, а также в горячих источниках. И это не удивительно, ведь именно такими, экстремальными, были условия жизни на Земле 3,5 млрд. лет назад. И только благодаря фотосинтетирующей работе цианобактерий современная атмосфера богата кислородом. Вот такие вот они удивительные, первые живые организмы!

НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ

Первые живые организмы были гетеротрофами и в качестве источника энергии (пищи) использовали органические соединения, находящиеся в растворенном виде в водах первичного океана.

Поскольку в атмосфере Земли свободного кислорода не было, они имели анаэробный (бескислородный) тип обмена, эффективность которого невелика. Появление все большего количества гетеротрофных организмов приводило к истощению вод первичного океана, в нем все меньше оставалось готовых органических веществ, которые можно было использовать в пищу.

В этих условиях в преимущественном положении оказались организмы, приобретшие способность использовать энергию света для синтеза органических веществ из неорганических, а именно из СОг и N2 атмосферы. Но СОг и N2 в атмосфере находятся в инертном окисленном состоянии, а чтобы они были способны участвовать в химических реакциях, их надо восстановить, т. е. передать им электроны от других соединений.

Функцию передачи электронов от одного соединения к другому, по-видимому, выполнял активированный светом пигментный комплекс, предшественник современного хлорофилла. Считают, что одним из первых источников (доноров) электронов был сероводород H2S. В результате образуется элементарная сера, а водород используется для восстановления диоксида углерода до углеводов.

В качестве доноров водорода могут быть использованы и другие соединения, в том числе органические. Кислород в процессе фотосинтеза такого типа не выде ляется. Фотосинтез у анаэробных организмов развился на очень раннем этапе истории жизни, они долгое время существовали в бескислородной среде. Такие анаэробные фотосинтезирующие организмы сохранились до наших дней, например серные пурпурные бактерии. Очень важно отметить, что пигментный комп леке сходен с пигментами зеленых растений - хлорофиллом

Следующим шагом эволюции было приобретение фотосинтезирующими организмами способности использовать воду в качестве источника водорода. Автотрофное усвоение СОг такими организмами сопровождалось выделением свободного кислорода. С тех пор в атмосфере Земли постепенно начал накапливаться кислород. По геологическим данным, уже 2,7 млрд. лет назад в атмосфере в небольшом количестве имелся свободный кислород.

Первыми фотосинтезирующими организмами, выделяющими в атмосферу Ог, были цианобактерии (цианеи, их называют еще синезелеными водорослями ). Цианобактерии способны также усваивать из атмосферы и азот. Около 2,1 млрд. лет назад существовали все фотосинтезирующие прокариоты, известные в настоящее время. К этому времени, по-видимому, возникли организмы, имевшие аэробный тип обмена.

Переход от первичной восстановительной атмосферы к среде, содержащей кислород,- важнейшее событие как в эволюции живых существ, так и в преобразовании минералов. Во-первых, кислород, выделяющийся в атмосферу, в верхних ее слоях под действием мощного ультрафиолетового излучения Солнца превращается в активный озон (Оз), который способен поглощать большую часть жестких - коротковолновых - ультрафиолетовых лучей, разрушительно действующих на сложные органические соединения. Во-вторых, в присутствии свободного кислорода возникает возможность энергетически более выгодного кислородного типа обмена веществ, т. е. появления аэробных бактерий. Таким образом, два фактора, обусловленных образованием на Земле свободного кислорода, вызвали к жизни многочисленные новые формы живых организмов и более широкое использование ими окружающей среды.

Как же повлияло накопление молекулярного кислорода в атмосфере на анаэробные организмы, положившие начало жизни на Земле? Они оказались в невыгодном положении. Одни из них вымерли, другие нашли среду обитания, лишенную кислорода, и продолжали там анаэробное существование. Третьи вступили в симбиоз с аэробными клетками. Так возникли эукариотические клетки.

Сущность симбиотической гипотезы возникновения эукариот состоит в следующем.

Полагают, что основой для симбиоза послужили амебоподобные крупные гетеротрофные клетки. В процессе питания вместе с органическими молекулами, находящимися в окружающей среде, они могли захватывать и мелкие бактериоподобные аэробные клетки, способные дышать кислородом. Такие бактерии могли функционировать и внутри клетки-хозяина, производя энергию.

Те амебоподобные хищники, в теле которых аэробные бактерии оставались невредимыми, оказались в более выгодном положении, чем клетки, получившие энергию анаэробным путем. В дальнейшем бактерии- симбионты превратились в митохондрии. На возможность такого пути возникновения митохондрий указывает существование в наше время амеб, у которых нет митохондрий. Их роль выполняют бактерии-симбионты. Когда к поверхности клетки-хозяина прикрепилась другая группа симбионтов - жгутикоподобные бактерии, сходные с современными спирохетами, подвижность и способность к нахождению пищи у такой клетки резко возросли. Так возникли примитивные животные клетки - предшественники ныне живущих жгутиковых простейших.

Образовавшиеся подвижные эукариоты путем симбиоза с фотосинтезирующими прокариотическими организмами (возможно, цианобактериями) дали начало водорослям, т. е. растениям. Фотосинтезирующие бактерии-симбионты стали хлоропластами.

Таким образом, возникновение жизни на Земле носит закономерный характер, и ее появление связано с длительным процессом химической эволюции, происходившей на нашей планете.

Формирование структуры, отграничивающей организм от окружающей среды,- мембраны - способствовало появлению живых организмов и ознаменовало начало биологической эволюции. Как примитивные живые организмы, возникшие около 3 млрд. лет назад, так и более сложно устроенные в основе своей организации имеют клетку. Следовательно, клетка представляет собой структурную единицу всех живых организмов вне зависимости от уровня их организации.

Таковы основные черты возникновения и начальные этапы развития жизни на Земле.

Первые живые организмы были анаэробными гетеротрофами, не имели внутриклеточных структур и были похожи по строению на современных прокариотов. Они получали пишу и энергию из органических веществ абиогенного происхождения. Но за время химической эволюции, которая длилась 0,5-1,0 млрд лет, условия на Земле изменились. Запасы органических веществ, которые синтезировались на ранних этапах эволюции, постепенно истощались, и между первичными гетеротрофами возникала жёсткая конкуренция, которая ускорила появление автотрофов.
Самые первые автотрофы были способны к фотосинтезу, т. е. использовали в качестве источника энергии солнечную радиацию, но кислород при этом не образовывали. Лишь позднее появились цианобактерии, способные к фотосинтезу с выделением кислорода. Накопление кислорода в атмосфере привело к образованию озонового слоя, который защитил первичные организмы от ультрафиолетового излучения, но при этом прекратился абиогенный синтез органических веществ. Наличие кислорода привело к образованию аэробных организмов, которые сегодня составляют большинство среди живых организмов.
Параллельно с совершенствованием обменных процессов происходило усложнение внутреннего строения организмов: образовывались ядро, рибосомы, мембранные
органоиды, т. е. возникали эукариотические клетки (рис. 52). Некоторые первичные
гетеротрофы вступали в симбиотические отношения с аэробными бактериями. Захватив их, гетеротрофы начинали использовать их в качестве энергетических станций. Так возникли современные митохондрии. Эти симбионты дали начало животным и грибам. Другие гетеротрофы захватывали не только аэробных гетеротрофов, но и первичных фото синтетиков - цианобактерий, которые вступали в симбиоз, образуя нынешние хлоропласты. Так появились предшественники растений.

Рис. 52. Возможный путь образования эукариотических организмов

В настоящее время живые организмы возникают только в результате размножения. Самозарождение жизни в современных условиях невозможно по нескольким причинам. Во-первых, в условиях кислородной атмосферы Земли органические соединения быстро разрушаются, поэтому не могут накопиться и усовершенствоваться. А во-вторых, в настоящее время существует огромное количество гетеротрофных организмов, которые используют любое скопление органических веществ для своего питания.
Вопросы для повторения и задания
Какие космические факторы на ранних этапах развития Земли явились предпосылками для возникновения органических соединений? Назовите основные стадии возникновения жизни согласно теории биопоэза. Как образовывались, какими свойствами обладали и в каком направлении эволюционировали коацерваты? Расскажите, как возникли пробионты. Опишите, как могло происходить усложнение внутреннею строения первых гетеротрофов. Почему невозможно самозарождение жизни в современных условиях?
Подумайте! Выполните! Объясните, почему в настоящее время на нашей планете невозможно зарождение жизни из веществ неорганической природы. Как вы считаете, почему именно море стало первичной средой развития жизни? Примите участие в дискуссии «Возникновение жизни на Земле». Выскажите свою точку зрения по этому вопросу.
Работа с компьютером
Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.


Эукариоты, эубактерии и архебактерии. Сравнивая последовательности нуклеотидов в рибосомных РНК (рРНК), учёные пришли к выводу, что все живые организмы нашей планеты можно разделить на три группы: эукариоты, эубактерии и архебактерии. Две последние группы - прокариотические организмы. В 1990 г. Карл Вёзе - американский исследователь, построивший на основании рРНК филогенетическое древо всех живых организмов, предложил для этих трёх групп термин «домены».
Поскольку генетический код у организмов всех трёх доменов один и тот же, была выдвинута гипотеза, что они имеют общею предка. Этого гипотетического предка назвали «прогенот», т. е. прародитель. Предполагают, что эубактерии и архебактерии могли произойти от прогенота, а современный тип эукариотической клетки, по-видимому, возник в результате симбиоза древнего эукариота с эубактериями.