Эволюция планеты земля

Вопрос  №1 Эволюция планеты  Земля, возникновение  жизни на земле. Первый глобальный кризис на Земле.          . 
           Перенесемся на 4 млрд лет назад. Атмосфера не содержит свободного кислорода, он находится только в составе окислов. Почти никаких звуков, кроме свиста ветра, шипения извергающейся с лавой воды и ударов метеоритов о поверхность Земли. Ни растений, ни животных, ни бактерий. Может быть, так выглядела Земля, когда на ней появилась жизнь? Хотя эта проблема издавна волнует многих исследователей, их мнения на этот счет сильно различаются. Об условиях на Земле того времени могли бы свидетельствовать горные породы, но они давно разрушились в результате геологических процессов и перемещений земной коры. 
В этой статье мы кратко расскажем о нескольких гипотезах возникновения жизни, отражающих современные научные представления. Как считает известный специалист в области проблемы возникновения жизни Стэнли Миллер, о возникновении жизни и начале ее эволюции можно говорить с того момента, как органические молекулы самоорганизовывались в структуры, которые смогли воспроизводить самих себя. Но это порождает другие вопросы: как возникли эти молекулы; почему они могли самовоспроизводиться и собираться в те структуры, которые дали начало живым организмам; какие нужны для этого условия? 
Согласно одной из гипотез жизнь началась в кусочке льда. Хотя многие ученые полагают, что присутствующий в атмосфере углекислый газ обеспечивал поддержание тепличных условий, другие считают, что на Земле господствовала зима. При низкой температуре все химические соединения более стабильны и поэтому могут накапливаться в больших количествах, чем при высокой температуре. Занесенные из космоса осколки метеоритов, выбросы из гидротермальных источников и химические реакции, происходящие при электрических разрядах в атмосфере, были источниками аммиака и таких органических соединений, как формальдегид и цианид. Попадая в воду Мирового океана, они замерзали вместе с ней. В ледяной толще молекулы органических веществ тесно сближались и вступали во взаимодействия, которые приводили к образованию глицина и других аминокислот. Океан был покрыт льдом, который защищал вновь образовавшиеся соединения от разрушения под действием ультрафиолетового излучения. Этот ледяной мир мог растаять, например, при падении на планету огромного метеорита (рис. 1).

Чарлз Дарвин и его современники полагали, что жизнь могла возникнуть в водоеме. Этой точки зрения многие ученые придерживаются и в настоящее время. В замкнутом и сравнительно небольшом водоеме органические вещества, приносимые впадающими в него водами, могли накапливаться в необходимых количествах. Затем эти соединения еще больше концентрировались на внутренних поверхностях слоистых минералов, которые могли быть катализаторами реакций. Например, две молекулы фосфатальдегида, встретившиеся на поверхности минерала, реагировали между собой с образованием фосфорилированной углеводной молекулы – возможного предшественника рибонуклеиновой кислоты (рис. 2).

А может  быть, жизнь возникла в районах  вулканической деятельности? Непосредственно  после образования Земля представляла собой огнедышащий шар магмы. При извержениях вулканов и с  газами, высвобождавшимися из расплавленной  магмы, на земную поверхность выносились разнообразные химические вещества, необходимые для синтеза органических молекул. Так, молекулы угарного газа, оказавшись на поверхности минерала пирита, обладающего каталитическими  свойствами, могли реагировать с  соединениями, имевшими метильные группы, и образовывать уксусную кислоту, из которой затем синтезировались другие органические соединения (рис. 3).

     Впервые получить органические молекулы –  аминокислоты – в лабораторных условиях, моделирующих те, что были на первобытной  Земле, удалось американскому ученому  Стэнли Миллеру в 1952 г. Тогда эти эксперименты стали сенсацией, и их автор получил всемирную известность. В настоящее время он продолжает заниматься исследованиями в области предбиотической (до возникновения жизни) химии в Калифорнийском университете. Установка, на которой был осуществлен первый эксперимент, представляла собой систему колб, в одной из которых можно было получить мощный электрический разряд при напряжении 100 000 В. 
Миллер заполнил эту колбу природными газами – метаном, водородом и аммиаком, которые присутствовали в атмосфере первобытной Земли. В колбе, расположенной ниже, было небольшое количество воды, имитирующей океан. Электрический разряд по своей силе приближался к молнии, и Миллер ожидал, что под его действием образуются химические соединения, которые, попав затем в воду, прореагируют друг с другом и образуют более сложные молекулы.        . 
Результат превзошел все ожидания. Выключив вечером установку и вернувшись на следующее утро, Миллер обнаружил, что вода в колбе приобрела желтоватую окраску. То, что образовалось, оказалось бульоном из аминокислот – строительных блоков белков. Таким образом этот эксперимент показал, как легко могли образоваться первичные ингредиенты живого. Всего-то и нужны были – смесь газов, маленький океан и небольшая молния. 
           Другие ученые склонны считать, что древняя атмосфера Земли отличалась от той, которую моделировал Миллер, и состояла, скорее всего, из углекислого газа и азота. Используя эту газовую смесь и экспериментальную установку Миллера, химики попытались получить органические соединения. Однако их концентрация в воде была такой ничтожной, как если бы растворили каплю пищевой краски в плавательном бассейне. Естественно, трудно себе представить, как могла возникнуть жизнь в таком разбавленном растворе.       . 
Если действительно вклад земных процессов в создание запасов первичного органического вещества был столь незначителен, то откуда оно вообще взялось? Может быть, из космоса? Астероиды, кометы, метеориты и даже частицы межпланетной пыли могли нести на себе органические соединения, включая аминокислоты. Эти внеземные объекты могли обеспечить попадание в первичный океан или небольшой водоем достаточного для зарождения жизни количества органических соединений. 
Последовательность и временной интервал событий, начиная от образования первичного органического вещества и кончая появлением жизни как таковой, остается и, наверное, навсегда останется загадкой, волнующей многих исследователей, равно как и вопрос, что. собственно, считать жизнью. 
В настоящее время существует несколько научных определений жизни, но все они не точны. Одни из них настолько широки, что под них попадают такие неживые объекты, как огонь или кристаллы минералов. Другие – слишком узки, и в соответствии с ними мулы, не дающие потомства, не признаются живыми.            . 
Одно из наиболее удачных определяет жизнь как самоподдерживающуюся химическую систему, способную вести себя в соответствии с законами дарвиновской эволюции. Это значит, что, во-первых, группа живых особей должна производить подобных себе потомков, которые наследуют признаки родителей. Во-вторых, в поколениях потомков должны проявляться последствия мутаций – генетических изменений, которые наследуются последующими поколениями и обуславливают популяционную изменчивость. И в-третьих, необходимо, чтобы действовала система естественного отбора, в результате которого одни особи получают преимущество перед другими и выживают в изменившихся условиях, давая потомство. 
Какие же элементы системы были необходимы, чтобы у нее появились характеристики живого организма? Большое число биохимиков и молекулярных биологов считают, что необходимыми свойствами обладали молекулы РНК. РНК – рибонуклеиновые кислоты – это особенные молекулы. Одни из них могут реплицироваться, мутировать, таким образом передавая информацию, и, следовательно, они могли участвовать в естественном отборе. Правда, они не способны сами катализировать процесс репликации, хотя ученые надеются, что в недалеком будущем будет найден фрагмент РНК с такой функцией. Другие молекулы РНК задействованы в “считывании” генетической информации и передаче ее на рибосомы, где происходит синтез белковых молекул, в котором принимают участие молекулы РНК третьего типа.           . 
Таким образом самая примитивная живая система могла быть представлена молекулами РНК, удваивающимися, подвергающимися мутациям и подверженными естественному отбору. В ходе эволюции на основе РНК возникли специализированные молекулы ДНК – хранители генетической информации – и не менее специализированные молекулы белка, взявшие на себя функции катализаторов синтеза всех известных в настоящее время биологических молекул.           . 
В некий момент времени “живая система” из ДНК, РНК и белка нашла приют внутри мешочка, образованного липидной мембраной, и эта более защищенная от внешних воздействий структура послужила прототипом самых первых клеток, давших начало трем основным ветвям жизни, которые представлены в современном мире бактериями, археями и эукариотами. Что касается даты и последовательности появления таких первичных клеток, то это остается загадкой. Кроме того, по простым вероятностным оценкам для эволюционного перехода от органических молекул к первым организмам не хватает времени – первые простейшие организмы появились слишком внезапно. 
В течение многих лет ученые полагали, что жизнь вряд ли могла возникнуть и развиваться в тот период, когда Земля постоянно подвергалась столкновениям с большими кометами и метеоритами, а завершился этот период примерно 3,8 млрд лет тому назад. Однако недавно в самых древних на Земле осадочных породах, найденных в юго-западной части Гренландии, были обнаружены следы сложных клеточных структур, возраст которых составляет по крайней мере 3,86 млрд лет. Значит, первые формы жизни могли возникнуть за миллионы лет до того, как прекратилась бомбардировка нашей планеты крупными космическими телами. Но тогда возможен и совсем другой сценарий (рис. 4).

     Падавшие  на Землю космические объекты  могли сыграть центральную роль в возникновении жизни на нашей  планете, так как, по мнению ряда исследователей, клетки, подобные бактериям, могли возникнуть на другой планете и затем уже  попасть на Землю вместе с астероидами. Одно из свидетельств в пользу теории внеземного происхождения жизни  было обнаружено внутри метеорита, по форме напоминающего картофелину  и названного ALH84001. Первоначально  этот метеорит был частичкой марсианской  коры, которая затем была выброшена  в космос в результате взрыва при  столкновении огромного астероида  с поверхностью Марса, происшедшего около 16 млн лет назад. А 13 тыс. лет назад после длительного путешествия в пределах Солнечной системы этот осколок марсианской породы в виде метеорита приземлился в Антарктике, где и был недавно обнаружен. При детальном исследовании метеорита внутри него были обнаружены палочковидные структуры, напоминающие по форме окаменелые бактерии, что дало повод для бурных научных споров о возможности жизни в глубине марсианской коры. Разрешить эти споры удастся не ранее 2005 г., когда Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям США осуществит программу полета на Марс межпланетного корабля для отбора проб марсианской коры и доставки образцов на Землю. И если ученым удастся доказать, что микроорганизмы когда-то населяли Марс, то о внеземном возникновении жизни и о возможности занесения жизни из Космоса можно будет говорить с большей долей уверенности (рис. 5).

Наше  происхождение от микробов.

Что мы унаследовали от древних форм жизни? Приведенное ниже сравнение одноклеточных  организмов с клетками человека выявляет много  черт сходства.

Э

в

о

л

ю

ц

и

я

 

ж

и

з

н

и

 

н

а

З

е

м

л

е

:

о

т

п

р

о

с

т

о

г

о

к

 

с

л

о

ж

н

о

м

у

Самые первые и наиболее примитивные млекопитающие  появились в далекую геологическую  эпоху, известную как мезозойская  эра, по-видимому, в ее начальный  период, называемый триасовым, ок. 200 млн. лет тому назад. В течение более 100 млн. лет эти очень маленькие существа не играли сколь-либо значительной роли; преобладающими животными на громадном отрезке времени были динозавры и другие рептилии. Вероятно, ко времени завершения мелового периода (ок. 75 млн. лет тому назад) на Земле появились наши отдаленные предки - первые приматы. По-видимому, это были мелкие зверьки, питавшиеся травой и плодами и приспособившиеся к древесному образу жизни. Затем мезозойская эра подошла к концу, динозавры вымерли, и началась кайнозойская эра. На протяжении первых двух ее эпох - палеоцена и эоцена, т.е. ок. 40-60 млн. лет тому назад, к семейству Paromomyidae, паромомиид (приматов) добавилось еще два крупных семейства приматов, вероятно древних родственников полуобезьян - лемуров и долгопятов. Точнее говоря, считается, что появление лемуров и долгопятов произошло в конце эоцена. Эта ранняя стадия эволюции приматов характеризуется тремя важными изменениями: мозг стал значительно крупнее, морда сильно уменьшилась, а передние конечности становились все более приспособленными для хватательных движений, причем вместо когтей появились плоские ногти. В позднем эоцене обозначилась также линия, ведущая к обезьянам, человекообразным обезьянам и человеку; ее начало связывают с появлением семейства Omomyidae, происходящего от наиболее древних приматов - паромомиид. Формируясь, линия высших приматов, или антропоидов, приобрела некоторые особенности, в частности значительно увеличилась подвижность передних конечностей и возросла зависимость от зрения. Следующая геологическая эпоха - олигоцен, условно датируемая периодом примерно от 38 до 25 млн. лет тому назад, богата ископаемыми находками, но эти находки трудно связать с эволюцией человека. В это время линия высших приматов начинает разделяться на ветви, идущие в нескольких направлениях: к цебоидам (Ceboidea), или обезьянам Нового света; к церкопитекоидам (Cercopithecoidea), или обезьянам Старого света (мартышкообразным); и к гоминоидам (Hominoidea), т.е. к надсемейству, включающему современного человека, горилл, шимпанзе, орангутанов и гиббонов. Одна из находок эпохи олигоцена вызвала большие споры в научной среде. Это был парапитек (Parapithecus), найденный в Файюме (Египет). Многие антропологи полагают, что существо такого типа было древним предком современных гоминоидов, другие же полностью исключают саму принадлежность парапитека к приматам. Трудность проистекает из ограниченности имеющихся остатков этого существа - только нижняя челюсть - и из сложности определения его зубной системы (типа и числа зубов). По мнению некоторых антропологов, парапитек родствен амфипитеку (Amphipithecus), обнаруженному в Бирме, хотя его остатки могут датироваться эпохой эоцена. Вкратце, важность этой интерпретации состоит в следующем: если она правильна, то и человекообразные обезьяны, и человек могут восходить напрямую к первым приматам, минуя стадию церкопитекоидов (обезьян Старого света), поскольку у амфипитека и парапитека обнаруживаются антропоидные характеристики на тот момент, когда еще не произошло полного утверждения церкопитекоидов; если же нет, то скорее всего такая стадия существовала. Вовлеченной в подобного же рода дискуссии оказалась и более поздняя находка, известная как ореопитек (Oreopithecus), сделанная более полувека назад, но ставшая центром новой полемики в 1958, когда были обнаружены новые ископаемые остатки. К сожалению, эта спорная находка дошла до нас в очень плохом состоянии, спрессованной в слое лигнита. Как полагают, ореопитек существовал в нижнем плиоцене ок. 10 млн. лет тому назад. На основании этого нового свидетельства эксперты по анатомии обезьян считают, что находка не принадлежит к церкопитекоидному типу. Если данное мнение подтвердится и ореопитек будет вполне надежно связан с более поздними гоминоидами, это станет дополнительным свидетельством в пользу того, что линия гоминоидов начала обособляться, минуя стадию подобия мартышкообразных. Обращаясь вновь к эпохе олигоцена, упомянем ряд похожих находок из Европы и Африки. В их числе: проплиопитек (Propliopithecus) и прохилобат (Prohylobates) - оба из Египта, плиопитек (Pliopithecus) - из Франции, и лимнопитек (Limnopithecus) - из Кении. По мнению большинства специалистов, эти ископаемые не относятся к предкам человека, но ведут более или менее прямо к современным гиббонам. Однако, как полагают, они были схожи в важных элементах с каким-то другим современным им приматом - предположительно предком крупных человекообразных обезьян и человека. Эпоха олигоцена длилась ок. 13 млн. лет, и у нас нет возможности датировать ископаемые остатки точнее. Тем не менее очевидно, что олигоцен был периодом лучевого адаптивного расхождения антропоидов. Из следующей эпохи миоцена до нас дошла чрезвычайно интересная и, по-видимому, связанная с предыдущей группа ископаемых остатков. Это дриопитеки (Dryopithecinae) -широко распространенная группа существ, по размерам сравнимых с шимпанзе и живших в разных частях Африки, Европы и Азии. По некоторым признакам, например по жевательной поверхности моляров, дриопитеков можно расположить на линии происхождения гоминид или, точнее, вблизи той точки, от которой началось расхождение человека и обезьян. Одно из этих ископаемых существ - рамапитек (Ramapithecus), найденный в Индии, - считается некоторыми учеными самым ранним из гоминид. Его возраст оценивают в 9-12 млн. лет. Представление о рамапитеке как первом из гоминид было сильно поколеблено, когда позднее в Пакистане были обнаружены остатки сходного существа, названного Sivapithecus indicus. Фактически ряд антропологов в настоящее время использует название Sivapithecus для всех остатков Ramapithecus. Изучение остатков сивапитека показало, что он ближе к орангутану, чем к африканским видам человекообразных обезьян. (По существу, это подтверждает данные биомолекулярных исследований, также свидетельствующие о том, что орангутан - более отдаленный родственник человека, чем горилла и шимпанзе, и его отделение в ходе эволюции от группы "человек - шимпанзе - горилла" произошло в период от 10 до 11 млн. лет назад.)              . 

А

в

с

т

р

а

л

о

п

и

т

е

к.

 До недавнего времени самым  большим белым пятном в ископаемой летописи эволюции человека оставался  плиоцен - эпоха длительностью ок. 6 млн. лет, завершившаяся ок. 2 млн. лет назад. Для изучающих эволюцию человека плиоцен особенно важен, поскольку он предшествует непосредственно эпохе плейстоцена, в котором были впервые обнаружены ясные и неоспоримые ископаемые остатки гоминид, известных как австралопитековые (Australopithecinae). Эти тонкокостные существа с небольшим мозгом являются самыми ранними из известных настоящих гоминид. Первая из находок австралопитековых, состоящая из части черепа ребенка, была сделана в 1924 в известковом карьере близ Таунса в Бечуаналенде (ныне Ботсвана) южноафриканским анатомом Р.Дартом. Дарт определил находку как новую форму гоминид и назвал ее Australopithecus africanus. Другие формы, названные парантропом (Paranthopus) и плезиантропом (Plesianthropus), были найдены позже и также в Африке. В 1959 в ущелье Олдовай в нынешней Танзании Луис Лики обнаружил одного из самых древних представителей этой группы - зинджантропа (Zinjanthropus). К настоящему времени найдены остатки или значительные фрагменты скелета более ста особей австралопитековых. Они особенно интересны тем, что раскрывают относительные темпы эволюции различных частей тела гоминид. Австралопитековые имели рост в среднем 122-152 см и были прямоходящими, что следует из формы их длинных костей ног и рук и подтверждается формой таза и характером сочленения черепа с позвоночником. Но объем их черепной коробки был не больше, чем у современных шимпанзе и горилл, - ок. 500 куб. см. По современным представлениям, увеличение размеров черепной коробки и мозга произошло несколько позже начала прямохождения, увеличения подвижности рук, гибкости кисти и развития зубов. Находки последних десятилетий проливают свет на происхождение австралопитековых. В 1974 в Эфиопии, в районе Афар, Д.Джохансон обнаружил при раскопках примитивный вид этих человекообезьян, первая представительница которого (обнаружены были кости женской особи) получила уменьшительное имя Люси. Научное название этого вида - A.afarensis, его возраст оценивается в 3-4 млн. лет, и большинство специалистов считает, что он был общим предком двух линий, разошедшихся в ходе эволюции: австралопитековых и гоминид. Линия австралопитековых, включавшая такие виды, как A.africanus, A.ethiopicus, A.boisei и A.robustus, угасла немногим более миллиона лет назад. Линия гоминид, к которой принадлежали исчезнувшие виды Homo habilis и H.erectus, привела к современному человеку - H.sapiens. Хотя A.afarensis находится в точке разветвления двух названных линий, он недостаточно похож на человекообразных обезьян, чтобы быть единственным связующим звеном между австралопитековыми и той древней "человекообразной обезьяной", от которой он произошел в ходе эволюции. "Обезьяна-прародитель" в действительности являлась не совсем человекообразной обезьяной, а скорее общим предком как человекообразных обезьян, так и человека, и жила (что следует из результатов биомолекулярных исследований) 4-6 млн. лет тому назад. Следовательно, должны были существовать одна или несколько форм, которые еще более примитивны, чем A.afarensis. В декабре 1992 такая примитивная форма была обнаружена в Эфиопии, неподалеку от места находки Люси, т.е. A.afarensis. Исследование этого примитивного вида, названного A.ramidus (в публикации 1994), показало, что его возраст 4,4 млн. лет; он имел по всем признакам значительное сходство с шимпанзе, но обладал и некоторым человекоподобием, например относительно коротким основанием черепа и клыками той же формы, что и у гоминид. Неожиданным оказалось то, что A.ramidus был лесным жителем. Это удивительно, поскольку считается, что предок человека жил в районах открытой саванны, и именно условия открытой саванны стали важным, если не ключевым, фактором развития в ходе эволюции вертикального положения тела, т.е. хождения на двух ногах. Был ли A.ramidus существом двуногим, остается неизвестным.