Данное исследование посвящено вопросам зарождения жизни на Земле. Предпосылкам появления первой жизни, истории и особенностях появления различных типов организмов. В статье проведен анализ и адаптация лекции миколога Михаила Вишневского.
Ключевые слова: происхождение жизни, прокариоты, эукариоты, железобактерии, хлорофилл, метанобактери, гетеротрофы, акритархи, цианобактерии, фотосинтез, хемоавтотрофы, аденозинмонофосфата, цианобактериальные маты
Введение
Цель исследования: выявить хронологические рамки, закономерности и особенности развития жизни на Земле.
Методы исследования: теоретическая — анализ информационных источников, сравнения.
Задачи:
1) проанализировать имеющийся учебный и научный материал,
2) подобрать и сформировать наглядный материал,
3) провести анализ развития жизни.
Гипотеза исследования: первые живые клетки эволюционировали из циклических углеводородов.
Объектом нашего исследования является эволюция жизни на Земле.
Предметом исследования выступают факторы развития жизни в результате эволюции циклических углеводородов на Земле.
История всего живого на Земле началась 4,6 млрд лет назад. По принятой на текущий момент в научном мире теории, именно в это время планета Солнечной системы Тейя, набрав массу 10 % от земной, в результате своего движения столкнулась с Землей. Удар был настолько сильным, что Тейя пробила горячую земную кору и погрузилась полностью в магму. Большая часть обломков и часть магмы, образовавшиеся в результате этой катастрофы осели на орбите Земли и за период от полугода до 100 лет сформировалась Луна. Оказавшись на орбите Земли, Луна не только стабилизировала вращение планеты, но и вызвала наклон оси (что способствовало появлению времен года). До столкновения скорость вращения Земли (земные сутки) составляла 6 часов. Удар Тейи привел к тому, что в течение 2,5 млрд лет скорость стала замедляться пока не снизилась до 12 часов. Такая скорость вращения вызывала приливные-отливные волны около 300 метров. Несколько сот миллионов лет после этого памятного события земная кора остывала.
Около 4,3 млрд лет назад появилась вода (соединения водорода и кислорода).
Рис. 1. Строение циклического углеводорода Бензола (C 6 H 6 )
Атмосфера была безкислородная и состояла из метана и паров серы. Это способствовало появлению и выпадению в воду циклических ароматических углеводородов.
Застывание молодой земной коры привело к появлению большого количества сульфата железа. Все три составляющие — вода, циклические углеводороды, сульфаты железа начали спонтанно образовывать молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты).
Рис. 2. Молекула РНК
В агрессивной внешней среде, которая была на поверхности Земли молекулы РНК были нестабильны. И лишь в оболочке из жирных кислот РНК могли существовать длительное время. Жирные кислоты — это удивительные вещества; у них одна часть гидрофобная (отталкивается от воды), другая гидрофильная (притягивается к воде). Поэтому жирные кислоты сворачиваются в шарик водолюбимыми концами наружу. РНК проникает внутрь, присоединив к себе ион кальция.
Дальше начинается несложная эволюция, которая приводит к появлению 3,5 млрд назад первых живых организмов. Это были бактерии-гетеротрофы — железобактерии и метанобактери.
Рис. 3. Липосома — первая оболочка для РНК
Гетеротрофы — не умеют создавать пищу и пользуются готовой органикой. В то время первые гетеротрофные бактерии встраивались в геохимические процессы. Железобактерия берет 2-валетное железо, переводит его в трехвалентное. Полученный электрон прогоняется через свою белковую цепь и встраивает атом углерода в будущее белковое вещество. Метаногены берут водород и углекислый газ и синтезируют из них метан. Метан непрерывно накапливается в атмосфере. В то время температура Земли составляла в среднем 50–60 о С. Луна вызывала трехсотметровые волны. Зарождение жизни в таких условиях в океане невозможно. Поскольку любые сложные процессы требуют стабильной среды и невозможны в нестабильных условиях. Жизнь ютится в пузырьках воздуха, захваченных лавой (полости, пузырьки, трещины).
В течение сотен миллионов лет деятельности железобактерий и метанобактерий происходит накопление железа и метана. В какой-то момент появляются первые живые организмы — бактерии, способные вырабатывать пигмент — хлорофилл. Он нужен бактерии, чтобы поймать квант света — защитить ДНК от жесткого солнечного излучения (озонового слоя тогда не было). До сих пор многие животные пользуются пигментами, чтобы защитить себя от солнечного излучения (например меланин у человека).
Рис. 4. Формула Хлорофилла
Так появились автотрофные организмы, т. е. способные использовать химические реакции, а позже квант света для извлечения энергии. Зарождение этих микроорганизмов происходило на поверхностных слоях Земли.
Рис. 5. Акритархи
Чтобы вся жизнь стабилизировалась требуется возникновение всех типов микроорганизмов одновременно. 3,5 млрд лет назад прошло разделение жизни на бактерии и археи. Спустя 300 млн лет найдены отпечатки странных существ (типа пробчатых водорослей) — их назвали акритархами. Это планктонные организмы, они уже способны плавать.
Рис. 6. Взаимодействие бактерий до появления свободного кислорода на Земле
До появления способных к фотосинтезу цианобактерий, сосуществовало сообщество автотрофов и гетеротрофов. Данное сообщество, как показано на схеме за счет света, не умея фотосинтезировать осуществляло безкислородный фотосинтез, из углекислого газа и сероводорода строило себе органику. Сероводород поставляли хемоавтотрофы. Они за счет водорода восстанавливали серу. Большой красный слой бактерий составлял целый сплошной бактериальный мат и состоял из фотосинтетиков.
Нижний слой содержал бактерии, которые использовали химические реакции и утилизировали органику. Органика утилизируется не за счет кислорода (дыхания), а за счет брожения.
2,7 млрд лет назад бактерии с хлорофиллом-пигментом научились фотосинтезировать в современном понимании этого процесса; они освоили фотосинтез, где побочным продуктом стал кислород, который и начал с этого момента активно накапливаться в атмосфере Земли. До фотосинтеза все бактерии, использовавшие свет, опирались не на воду и углекислый газ, а на углекислый газ и сероводород (довольно редкий, дорогой и дефицитный ресурс для бактерий). Побочным продуктом были сульфаты или чистая сера. Использование химического синтеза позволяло бактерии получать 2 молекулы АТФ (Аденозинмонофосфат — это универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах).
Рис. 7. Формула АТФ (Аденозинмонофосфата)
А использование кислорода позволяет за 1 реакцию получить сразу 38 молекул АТФ от кислорода. Т. е. эффективность вырастает в 19 раз.
Накопление кислорода в атмосфере привело к первой экологической катастрофе на Земле. До этого свободного кислорода не существовало в принципе. Возникают цианобактерии и цианобактериальный мат.
При появлении цианобактерий картина обмена веществ меняется:
Рис. 8. Взаимодействие бактерий после появления свободного кислорода на Земле
В среднем слое живут бактерии, которые работают на длинноволновом спектре (поглощают инфракрасное излучение). Получается очень устойчивое к внешней среде сообщество, которое просуществовало миллиарды лет и живет до сих пор.
В пределах бактериальных матов начинает накапливаться кислород. Жизнь в это время теплится в «кислородных карманах» в бескислородной пустыне. Проходит 300 млн лет и цианобактериальные маты выделяют столько кислорода, что происходит новая экологическая катастрофа — дышащие и не дышащие кислородом бактерии поменялись местами, произошло «выворачивание биосферы». Теперь бактерии анаэробы (не дышащие кислородом) загнаны в карманы. Происходит колоссальное вымирание анаэробной биоты. За счет активного выделения кислорода начинает охлаждаться Земля. И примерно 2,3 млрд лет назад наступает первое оледенение. Выделившийся кислород связывает метан, бактерии продолжают активно потреблять углекислый газ, парниковый эффект исчезает, и Земля замерзает, полностью покрывается снегом (слой льда по всей поверхности превышает 5 км).
Это продолжается на протяжении примерно 300 млн лет. Это самое длительное оледенение за всю эпоху существования планеты (гуронское оледенение). Однако, поскольку сохраняется вулканическая деятельность то в атмосферу постепенно выделяются метан и углекислый газ, что приводит к новому парниковому эффекту, который растапливает небольшое количество ледников на экваторе, а дальше запускается самораскручивающийся процесс, и Земля освобождается от оледенения меньше чем за 1000 лет. Примерно 2 млрд лет назад содержание кислорода в атмосфере Земли составило примерно 1 % от текущего (в биологии это называется точка Пастера). Такого содержания кислорода уже достаточно, чтобы 1,7 млрд лет назад возникло явление дыхания. Первые бактерии осваивают дыхание. Тогда же на фоне прокориотических организмов возникают организмы с ядром и внутренней структурой клетки — эукориотические.
Способность дышать привела к появлению живых клеток с ядром внутри. Появление ядра для клетки — это потеря бессмертия. Прокориотические клетки бессмертны. Поделившись, они остаются идентичными. У них нет полового размножения. Наличие ядра предполагает не идентичность (изменчивость и возможность приспосабливаться).
Ученые полагают, что появление эукариотов связано с тем, что отдельные клетки, поглотив какой-то элемент, не переварили его, а встроили в свой организм (взяли симбионтом).
Рис. 9. Эволюция прокориотической клетки
Прокариоты (клетки без ядра) не могли наследовать новым клеткам все функции симбионтного сообщества. А эукариот (клетка с ядром) получает все признаки всего живого, что смогло поглотить и встроить в себя.
Если такая клетка теряет жгутик — получаем классическую растительную клетку с ядром, хлоропластом и митохондрией.
Если теряет хлоропласт — то получается классическая животная клетка. С ядром, митохондрией, жгутиком (или без).
Если убираем хлоропласт и отламываем жгутик — получаем грибную клетку.
Если такая клетка укрепит клеточную оболочку — получится животная клетка. А если размягчит клеточную оболочку, что позволит выходить наружу ферментам для растворения органики и последующего всасывания, то получится гриб. На протяжении миллиарда лет эукориоты существуют в виде одноклеточного плавающего планктона.
Примерно 100 млн лет назад на антарктическом полюсе образуется материк Родиния, которую окружает мировой океан Мировия. Над новым материком кислорода много, облаков нет и покрыт он слоем льда толщиной 2 км. Жизнь отступает к экватору. Остывают воды мирового океана и остыв, начинают опускаться, обогащенные кислородом. И в этот момент 800 млн лет назад океан получает возможность стать колыбелью жизни.
Эукариоты получают насыщенную кислородом воду. И сразу предпринимают попытку выйти в крупноразмерный класс, что позволит есть все вокруг и не быть съеденным кем-то. Данное увеличение недоступно безъядерным прокариотам. Такого можно достигнуть благодаря многоклеточности. У безъядерных бактерий есть ряд ограничений не позволяющих создать многоклеточный организм. Прокориоты не могут плотно прилегать и обмениваться импульсами с другими клетками. Не могут при делении соблюдать структуру. Прокориоты могут только создавать многослойные бактериальные маты.
580 млн лет назад появляется вендская (эдиакарская) фауна. Представители этой фауны, по-видимому, обитали в море. Большинство из них резко отличаются ото всех других ныне известных живых существ и представляют собой загадочные, мягкотелые, в основном сидячие организмы, имеющие трубчатую (и обычно ветвящуюся) структуру. Это попытки эукариотов стать многоклеточными.
Примерно 1,2 млрд лет назад как одна из форм многоклеточности появляются грибы. И уже через 200 млн лет появляются все существующие на текущий момент формы грибов.
Когда заканчивается второй ледниковый период, суша была без растительности, слой почвы крайне тонкий от цианобактериального мата, сильные ветры, мелководье, влажность, туман, песок. Четко выраженной и постоянной береговой линии океана нет. Приливы и изменения берегов постоянные. В этих условиях из самых сложных водорослей начинают возникать растения (на тот момент все водоросли уже имеют грибов симбионтов). Вновь появившиеся водоросли-растения цепляются за субстрат ризоидами (нитевидными образованиями на краях листа). Все вещества от воды до органики в первые полуназемные растения поставляют морские грибы. Так грибы в качестве симбионтов оказываются на суше рядом с цианобактериальными матами, из которых также приняли к себе в симбионты грибы. Наступил каменоугольный период. Пошло активное почвообразование, закрепление береговой линии, появление лесов. Конец этого периода ознаменовался переменой климата в сторону холодного и сухого. К этому времени все формы жизни достигли значительного разнообразия.
Вывод
Таким образом можно сделать вывод, что первая жизнь в форме прокаритов зародилась около 3,5 млрд лет назад и было это следствием определенных химических реакций. 2,7 млрд лет назад бактерии с хлорофиллом-пигментом освоили фотосинтез, где побочным продуктом стал кислород, который и начал с этого момента активно накапливаться в атмосфере Земли. Уже 1,7 млрд лет назад кислорода накопилось столько, что возникло явление дыхания. Способность дышать привела к появлению живых клеток с ядром внутри. Появление ядра для клетки — это потеря бессмертия. Прокориотические клетки бессмертны. Поделившись, они остаются идентичными. У них нет полового размножения. Наличие ядра предполагает не идентичность (изменчивость и возможность приспосабливаться). Появление эукариотов связано с тем, что отдельные клетки, поглотив какой-то элемент, не переварили его, а встроили в свой организм (взяли симбионтом).
Прокариоты (клетки без ядра) не могли наследовать новым клеткам все функции симбионтного сообщества. А эукариот (клетка с ядром) получает все признаки всего живого, что смогло поглотить и встроить в себя. При потере такой клеткой жгутика получается классическая растительная клетка с ядром, хлоропластом и митохондрией. При потере хлоропласта получается классическая животная клетка. С ядром, митохондрией, жгутиком (или без). При потере хлоропласта жгутика получается грибная клетка.
Литература:
- Происхождение грибов — Лекция миколога Михаила Вишневского. Если не грибы — то и нас бы не было! [Электронный ресурс] // режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=GJ6xg97R_Ig
- derivative work: Batterytime (talk)ATP_structure.svg: User:Mysid — ATP_structure.svg, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5041461
