Особенности биологии XX в

В последующем предбиологический отбор коацерватов, по-види­мому, шел по нескольким направлениям. Во-первых, в направле­нии выработки способности накопления специальных белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реак­ций. В результате строение нуклеиновых кислот изменялось в на­правлении преимущественного «размножения» систем, в которых удвоение нуклеиновых кислот осуществлялось с участием фермен­тов. На этом пути и возникает характерный для живых существ цик­лический обмен веществ:

Энергетический метаболизм

Специфические ферменты                        Полимерный синтез

                                                                  (образование мономолекулярных систем)

                              Редупликация нуклеиновых кислот

Во-вторых, в системе коацерватов присходил и отбор самих  нуклеиновых кислот по наиболее удачному сочетанию последовательности нуклеотидов. На этом пути формировались гены. Самовос­производящиеся системы со сложившейся стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть названы живыми.

Знание условий, которые способствовали возникновению жизни на Земле, позволяют понять, почему в паше время невозможно появ­ление живых существ из неорганических систем. В нашу эпоху отсутствуют условия для синтеза и усложнения органических веществ-простые соединения, которые могли бы где-то образоваться, сразу же были бы использованы гетеротрофами. Теперь живые существа по­являются только вследствие размножения.

Возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами (ускорение эволюции во времени). Так, развитие от первичных протобионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн лет, приматы выделились за 12-15 млн лет, для становления человека потребовалось около 3 млн лет.

3. Развитие органического мира

3.1. Основные этапы геологической истории Земли

Прежде чем перейти к рассмотрению развития органического мира, ознакомимся с основными этапами геологической истории Земли.

Геологическая история Земли подразделяется на крупные про­межутки — эры; эры — на периоды, периоды — на века. Разделение на эры, периоды и века, конечно же, относительное, потому что резких разграничений между этими подразделениями не было. Но все же именно на рубеже соседних эр, периодов преимущественно происхо­дили существенные геологические преобразования: горообразова­тельные процессы, перераспределение суши и моря, смена климата и проч. Кроме того, каждое подразделение характеризовалось каче­ственным своеобразием флоры и фауны.

Геологические эры Земли:

катархей (от образования Земли 5 млрд лет назад до зарождения жизни);

архей, древнейшая эра (3,5 млрд — 2,6 млрд лет);

протерозой (2,6 млрд — 570 млн лет);

палеозой (570 млн — 230 млн лет) со следующими периодами:

кембрий (570 млн — 500 млн лет);

ордовик (500 млн — 440 млн лет);

силур (440 млн — 410 млн лет);

девон (410 млн — 350 млн лет);

карбон (350 млн — 285 млн лет);

пермь (285 млн — 230 млн лет);

мезозой (230 млн — 67 млн лет) со следующими периодами:

триас (230 млн — 195 млн лет);

юра (195 млн — 137 млн лет);

мел (137 млн — 67 млн лет);

кайнозой (67 млн — до нашего времени) со следующими периодами и веками:

палеоген (67 млн — 27 млн лет):

палеоцен (67—54 млн лет)

эоцен (54—38 млн лет)

олигоцен (38—27 млн лет) неоген (27 млн — 3 млн лет):

миоцен (27—8 млн лет)

плиоцен (8—3 млн лет) четвертичный (3 млн — наше время):

плейстоцен (3 млн — 20 тыс. лет)

голоцен (20 тыс. лет—наше время)

3.2. Начальные этапы эволюции жизни

Более 3,5 млрд лет назад на дне мелководных, теплых и богатых питательными веществами морей, водоемов возникла жизнь в виде мельчайших примитивных существ. Первый период развития орга­нического мира на Земле характеризуется тем, что первичные живые организмы были анаэробными (жили без кислорода), питались и воспроизводились за счет «органического бульона», возникшего из неорганических систем; иначе говоря, они питались готовыми орга­ническими веществами, синтезированными в ходе химической эво­люции, т.е. были гетеротрофами. Но это не могло длиться долго, ведь такой резерв органического вещества быстро убывал.

Первый великий качественный переход в эволюции живой мате­рии был связан с «энергетическим кризисом»: «органический бульон» был исчерпан и следовало выработать способы формирования крупных молекул биохимическим путем, внутри клеток, с помощью ферментов. В этой ситуации преимущество было у тех клеток, кото­рые могли получать большую часть необходимой им энергии непо­средственно из солнечного излучения.

Такой переход вполне возможен, так как некоторые простые со­единения обладают способностью поглощать свет, если они включа­ют в свой состав атом магния (как в хлорофилле). Уловленная таким образом световая энергия может быть использована для усиления реакций обмена, в частности, для образования органических соеди­нений, которые могут сначала накапливаться, а затем расщепляться с высвобождением энергии. На этом пути и шел процесс образования хлорофилла и фотосинтеза. Фотосинтез обеспечивает организму по­лучение необходимой энергии от Солнца и вместе с тем независи­мость от внешних питательных веществ. Такие организмы называют­ся автотрофными. Это значит, что их питание осуществляется внут­ренним путем благодаря световой энергии. При этом, разумеется, поглощаются из внешней среды и некоторые вещества - вода, угле­кислый газ, минеральные соединения. Первыми фотосинтетиками на нашей планете были, видимо, цианеи, а затем зеленые водоросли. Остатки их находят в породах архейского возраста (около 3 млрд лет назад). В протерозое в морях обитало много разных представителей зеленых и золотистых водорослей. В это же время, видимо, появи­лись первые прикрепленные ко дну водоросли.

Переход к фотосинтезу и автотрофному питанию был великим революционным переворотом в эволюции живого. Значительно уве­личилась биомасса Земли. В результате фотосинтеза кислород уже в значительных количествах стал выделяться в атмосферу. Первичная атмосфера Земли не содержала свободного кислорода, и для анаэроб­ных организмов он был ядом. Потому многие одноклеточные анаэ­робные организмы погибли в «кислородной катастрофе»; другие ук­рылись в болотах, где не было свободного кислорода, и, питаясь, выделяли не кислород, а метан. Третьи приспособились к кислороду, получив огромное преимущество в способности запасать энергию (аэробные клетки выделяют энергии в 10 раз больше, чем анаэроб­ные). Благодаря фотосинтезу в органическом веществе Земли накап­ливалось все больше и больше энергии солнечного света, что способ­ствовало ускорению биологического круговорота веществ и ускоре­нию эволюции в целом.

Переход к фотосинтезу потребовал много времени. Он завершил­ся примерно 1,8 млрд лет назад и привел к важным преобразованиям на Земле: первичная атмосфера земли сменилась вторичной, кисло­родной; возник озоновый слой, который сократил воздействие ульт­рафиолетовых лучей, а значит, и прекратил производство нового «органического бульона»; изменился состав морской воды, он стал менее кислотным. Таким образом, современные условия на Земле в значительной мере были созданы жизнедеятельностью организмов.

С «кислородной революцией» связан и переход от прокариотов к эукариотам. Первые организмы были прокариотами. Это были такие клетки, у которых не было ядра, деление клетки не включало в себя точной дупликации генетического материала (ДНК), через оболочку клетки поступали только отдельные молекулы. Прокариоты — это простые, выносливые организмы, обладавшие высокой вариабель­ностью, способностью к быстрому размножению, легко приспосаб­ливающиеся к изменяющимся условиям природной среды. Но новая кислородная среда стабилизировалась; первичная атмосфера была заменена новой. Понадобились организмы, которые пусть были бы и не вариабельны, но зато лучше приспособлены к новым условиям. Нужна была не генетическая гибкость, а генетическая стабильность. Ответом на эту потребность и явилось формирование эукариотов примерно 1,8 млрд лет назад.

У эукариотов ДНК уже собрана в хромосомы, а хромосомы сосре­доточены в ядре клетки. Такая клетка воспроизводится без каких-либо существенных изменений. Это значит, что в неизменной при­родной среде «дочерние» клетки имеют столько же шансов на выжи­вание, сколько их имела клетка «материнская».

3.3.Образование царства растений и царства животных

Дальнейшая эволюция эукариотов была связана с разделением на растительные и животные клетки. Это разделение произошло еще в протерозое, когда мир был заселен одноклеточными организмами.

Растительные клетки покрыты жесткой целлюлозной оболочкой, которая их защищает. Но одновременно такая оболочка не дает им возможности свободно перемещаться и получать пищу в процессе передвижения. Вместо этого растительные клетки совершенствуют­ся в направлении использования фотосинтеза для накопления пита­тельных веществ.

С самого начала своей эволюции растения развивались двояким образом — в них параллельно существовали группы с автотрофным и гетеротрофным питанием. Это способствовало усилению целостнос­ти растительного мира, его относительной автономности; ведь две эти группы взаимодополняли друг друга в круговороте веществ.

Животные клетки имеют эластичные оболочки и потому не те­ряют способности к передвижению; это дает им возможность самим искать пищу — растительные клетки или другие животные клетки. Животные клетки эволюционировали в направлении совершенст­вования способов передвижения и способов поглощать и выделять крупные частицы (а не отдельные органические молекулы) через оболочку. Сначала крупные органические фрагменты, затем куски мертвой ткани и разлагающиеся остатки живого, и наконец, поеда­ние и переваривание целых клеток (формирование первых хищн­иков). С появлением хищников естественный отбор резко уско­ряется.

Следующим важным этапом развития жизни и усложнения ее форм было возникновение примерно 900 млн лет назад полового размножения. Половое размножение состоит в механизме слияния ДНК двух индивидов и последующего перераспределения генетичес­кого материала, при котором потомство похоже на родителей, но не идентично им. Достоинство полового размножения в том, что оно значительно повышает видовое разнообразие и резко ускоряет эво­люцию, позволяя быстрее и эффективнее приспосабливаться к изме­нениям окружающей среды.

Значительным шагом в дальнейшем усложнении организации живых существ было появление примерно 700—800 млн лет назад многоклеточных организмов с дифференцированным телом, разви­тыми тканями, органами, которые выполняли определенные функ­ции. Первые многоклеточные животные представлены сразу не­сколькими типами: губки, кишечнополостные, плеченогие, членис­тоногие. Многоклеточные происходят от колониальных форм одно­клеточных жгутиковых. Эволюция многоклеточных шла в направлении совершенствования способов передвижения, лучшей координации деятельности клеток, совершенствования форм отра­жения с учетом предыдущего опыта, образования вторичной полос­ти, совершенствования способов дыхания и др.

В протерозое и в начале палеозоя растения населяют в основном моря. Среди прикрепленных ко дну встречаются зеленые и бурые водоросли, а в толще воды — золотистые, красные и другие водо­росли.

В кембрийских морях уже существовали почти все основные типы животных, которые впоследствии лишь специализировались и со­вершенствовались. Облик морской фауны определяли многочислен­ные ракообразные, губки, кораллы, иглокожие, разнообразные мол­люски, плеченогие, трилобиты. В теплых и мелководных морях ор-довика обитали многочисленные кораллы, значительного развития достигли головоногие моллюски — существа, похожие на современ­ных кальмаров, длиной несколько метров. В конце ордовика в море появляются крупные плотоядные, достигавшие 10—11 м в длину. В ордовике, примерно 500 млн лет назад появляются и первые живот­ные, имеющие скелеты, позвоночные. Это было значительной вехой в истории жизни на Земле.

Первые позвоночные, по-видимому, возникли в мелководных пресных водоемах, и уже затем эти пресноводные формы завоевыва­ют моря и океаны. Первые позвоночные — мелкие (около 10 см дли­ной) существа, бесчелюстные рыбообразные, покрытые чешуей, ко­торая помогала защищаться от крупных хищников (осьминогов, каль­маров). Дальнейшая эволюция позвоночных шла в направлении об­разования челюстных рыбообразных, которые быстро вытеснили большинство бесчелюстных. В девоне возникают и двоякодышащие

рыбы, которые были приспособлены к дыханию в воде, но обладали и легкими.

Как известно, современные рыбы подразделяются на два больших класса: хрящевые и костистые. К хрящевым относятся акулы и скаты'. Костистые рыбы представляют собой наиболее многочислен­ную группу рыб, в настоящее время преобладающую в морях, океа­нах, реках, озерах. Некоторые пресноводные двоякодышащие рыбы девонского периода, очевидно, и дали жизнь сначала первичным земноводным (стегоцефалам), а затем и сухопутным позвоночным. Таким образом, первые амфибии появляются в девоне. В девоне возникает и другая чрезвычайно прогрессивная группа животных — насекомые.

Образование насекомых свидетельствовало о том, что в ходе эво­люции сложилось два разных способа решения задач укрепления каркаса тела (основных несущих органов и всего тела в целом) и совершенствования форм отражения. У позвоночных роль каркаса играет внутренний скелет, у высших форм беспозвоночных — насеко­мых — наружный. Что касается форм отражения, то у насекомых чрезвычайно сложная нервная система, с разбросанными по всему телу огромными и относительно самостоятельными нервными цент­рами, преобладание врожденных реакций над приобретенными. У позвоночных — развитие головного мозга и преобладание условных рефлексов над безусловными. Различие этих двух разных способов решения важнейших эволюционных задач в полной мере проявилось после перехода к жизни на суше.