Когда появились первые организмы на земле. Как появилась жизнь на Земле? Климатические изменения: архейская эра

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.

В осадочных породах архейской эры встречается не так много следов органической жизни. В то же время наличие продуктов органического происхождения (известняка, мрамора и углистых веществ) свидетельствует о существовании в этот период истории Земли бактерий и сине-зеленых водорослей. В настоящее время большинство ученых придерживаются мнения, что вскоре после возникновения жизни на нашей планете сформировалось три так называемых надцарства – архебактерии, эубактерии и эукариоты.«Эукариоты – организмы, клетки которых имеют окруженное мембраной ядро и хромосомы, содержащие ДНК. К эукариотам относятся все животные, растения, грибы и простейшие. Их клетки имеют цитоплазму сложного состава, с эндоплазматической сетью, большинство из них имеет также митохондрии.
Архебактерии обитали в бескислородной среде, в концентрированных солевых растворах или горячих вулканических источниках. Эубактерии и сегодня достаточно широко представлены в биосфере. Бактерии не дали образоваться каким-либо новым группам живых существ и остались вплоть до нашего времени обособленными.У первых живых организмов, населявших нашу планету в архейскую эру, не было раковин, панциря или твердого скелета. В тот период, возможно, возникли первые эукариоты из царства грибов, морфологически сходные с дрожжевыми грибами. Сообщества живых организмов располагались на дне водоемов или в их прибрежной зоне.

Но оазисами жизни могли служить и некоторые вулканические области, где на поверхность Земли из глубины поступали водород, сера и сероводород.Изучение древних пород архея и протерозоя помогло кое-что прояснить в облике самых первых организмов на Земле. В частности, в архейских породах западной Австралии были обнаружены строматолиты – особые формы структур, появившиеся в процессе деятельности сине-зеленых водорослей.
Строматолиты – плотные слоистые образования в толщах известняков и доломитов, возникающие в результате жизнедеятельности колоний сине-зеленых и других водорослей. Сине-зеленые водоросли и бактерии, по всей видимости, достаточно быстро распространились и к концу архея (2,7 млрд лет назад) стали полноправными хозяевами планеты. Экспериментальные исследования показали, что эти организмы развиваются даже в бескислородной среде и существуют в условиях, совершенно противопоказанных каким-либо другим растениям или животным.
На существование в архее растений также указывает тот факт, что среди древнейших окаменелостей встречаются молекулы щелочного изопренового ряда, которые могут представлять собой фрагменты молекул хлорофилла.Общая схема фотосинтеза у современных высших растений та же, что и у древних организмов: углекислый газ и вода с помощью энергии Солнца превращаются в глюкозу, в качестве отхода производства выступает кислород. В конце архейской эры произошли поистине знаменательные события в истории эволюции живых организмов – появление полового процесса, фотосинтеза и многоклеточности.
Половой процесс, скорее всего, возник в форме слияния двух одинаковых клеток у жгутиковых, которые считаются наиболее древними из одноклеточных. Именно появление полового процесса резко повысило возможность живых организмов приспосабливаться к условиям окружающей среды благодаря созданию бесчисленных комбинаций в хромосомах. Возникновение фотосинтеза способствовало разделению всего органического мира на растительный и животный. Первыми фотосинтезирующими организмами были прокариотические циа-нобактерии и все те же сине-зеленые водоросли.
Появившиеся затем более сложные эукариотические зеленые водоросли стали выделять в атмосферу из океана свободный кислород, что привело к возникновению бактерий, способных жить уже в кислородной среде.Что касается многоклеточности, то она обеспечила дальнейшее усложнение организации живых организмов, включая дифференциацию тканей, органов, систем и их функций.Таким образом, в архейскую эру не только зародились первые простейшие живые организмы из «первичного бульона», но и произошли крупные эволюционные события, имевшие огромное значение для развития жизни на нашей планете.

Одним из условий возникновения жизни на ранней Земле являлось существование первичной атмосферы, обладавшей восстановительными свойствами. В раннем архее первичная атмосфера Земли состояла из углекислого газа, азота, паров воды, аргона и абиогенного метана. Для зарождения жизни на Земле совершенно необходима вода в жидкой фазе. В архее светимость Солнца была на 25% ниже современной, поэтому положительные температуры могли существовать только на экваторе.

Из газов первичной атмосферы в присутствии катализаторов образовались абиогенным путем первые простейшие органические соединения: метан СН 4 , формальдегид НСОН, цианистый водород НСN, аммиакNH 3 . Из этих соединений образуются разновидности рибонуклеиновых кислот (РНК).

В последующем образовалась рибоза как продукт полимеризации формальдегида, а также синтезировался аденин как продукт полимеризации синильной кислоты. Исходные продукты аденин и рибоза послужили материалом для синтеза нуклеотидов (рис. 4.1) и аденозинтрифосфата (АТФ).

Рис. 4.1. Образование нуклеотида – звена молекулы ДНК
из трех компонентов

В позднем архее (3 млрд лет назад) на дне теплых водоемов из образовавшихся органических соединений возникли коллоидные ассоциаты, отделенные от остальной массы воды липидной оболочкой (мембраной). В дальнейшем благодаря биосимбиозу аминокислот и полупроницаемых мембран эти ассоциаты оформились в мельчайшие примитивные одноклеточные существа – протобионты (прокариоты) – безъядерные клеточные формы бактерий. Источниками энергии этих примитивных форм жизни служили анаэробные хемогенные реакции, которые энергию для дыхания получали путем брожения (хемосинтеза). Брожение – это неэффективный способ энергообеспечения, поэтому эволюция протобионтов не могла пойти дальше одноклеточной формы организации жизни.Например, в настоящее время хемосинтез используются термофильными бактериями в «черных курильщиках» срединно-океанических хребтов.

В позднем архее и раннем протерозое обнаружены формации строматолитов, питательной базой которых служил абиогенный метан. В Якутии обнаружено самое богатое в мире месторождение графита Чебер (1,5 млн т), содержание которого в горных породах превышает 27%. Особенность этого факта в том, что скопления графита обнаружены в кристаллических сланцах архейского комплекса с возрастом около 4 млрд лет.

Рис. 4.2.Схема распределения микрофоссилий в архее и раннем протерозое: 1 – 4 – нано- и цианобактерии; 5 – 10 – разнообразные микрофоссилии; 11 – 20 – отпечатки крупных морфологически
сложных форм

Выявлено и описано более 2 тыс. микроорганизмов в породах с возрастом до 4 млрд лет (рис. 4.2). Микроорганизмы в древних породах находят в прозрачных тонких шлифах 0,03 мм.В результате потери воды планктонные животные претерпели мумификацию с сохранением прижизненной окраски. Кроме того микроорганизмы претерпевали графитизацию, когда органика превращалась в графит. Высокая концентрация в графитовых гнейсах и рудах микроорганизмов доказывает первичное органогенное происхождение углерода графитовых месторождений, что согласуется с результатами изотопного анализа. Можно сказать, что месторождения графита – это кладбища древнейших микроорганизмов – своеобразной репетиции жизни на Земле.

В древних породах с возрастом до 3,8 млрд лет найдены редкие одноклеточные и многоклеточные организмы. Массовыми находками были карбонатные породы, образованные бактериями и сине-зелеными водорослями, накапливавшими карбонат кальция. Их возраст около 1,5 млрд лет.

Позже в воде появились более сложные органические вещества, способные осуществлять фотосинтез. Включение фотосинтезирующих веществ в состав клеток протобионтов сделало их автотрофными. Количество кислорода в воде стало расти. Вследствие выделения кислорода в атмосферу она из восстановительной превращалась в окислительную.

Рис. 4.3. Эволюция содержания кислорода в атмосфере
и различных форм жизни

Эукариоты возникли благодаря биосимбиозупрокариотных бактерий. Так в условиях восстановительной атмосферы возникла примитивная жизнь, создавшая в дальнейшем благоприятные условия для развития высокоорганизованной жизни на Земле.

В начале раннего протерозоя произошел резкий рост обилия фотосинтезирующих микроорганизмов – сине-зелёных водорослей. Несколько позже появились фотосинтезирующие одноклеточные организмы типа цианобактерий, способные окислять железо. Возможно, первые фотохимические организмы использовали радиацию ультрафиолетовой части спектра. После появления свободного кислорода (рис. 4.3) и озонового слоя автотрофные фотосинтезирующие организмы начали использовать излучение видимой части солнечного спектра. В то время существовало множество видов водорослей, как свободно плавающих в воде, так и прикрепленных ко дну.

Эволюция биосферы

Эволюцию применительно к живым организмам можно определить так: развитие с течением времени сложных организмов из более простых организмов.

В естествознании существует понятие «точки Пастера» – такой концентрации свободного кислорода, при которой кислородное дыхание становится более эффективным способом использования энергии Солнца, чем анаэробное брожение. Этот критический уровень равен 1% от современного уровня содержания кислорода в атмосфере. Когда концентрация кислорода приблизилась к точке Пастера, победа аэробов над анаэробами стала окончательной. Атмосфера Земли перешла этот рубеж примерно 2,5 млрд лет назад. С этого времени развитие жизни происходило под влиянием оксигенизации атмосферы и множества других условий внешней среды (рис. 4.4).

Дыхание – это процесс, обратный фотосинтезу, который высвобождает энергии в десятки раз больше, чем брожение (ферментация). Эта энергия может использоваться для роста и перемещения организмов. Животные с пользой употребили избыток этой энергии: они научились свободно перемещаться в поисках пищи. Движение требовало координации частей тела и способности принимать сложные решения. Для этого нужен был мозг, отличающий животных от растений. Таким образом, возникновение биосферы начинается с химических процессов, которые позднее приобретают характер биохимических.

Рис. 4.4. Схема эволюции состава атмосферы и биосферы

Эти события обеспечили быстрое распространение жизни в водной среде и развитие эукариотических клеток. Считается, что первые ядерные клетки появились после того, как содержание кислорода в атмосфере достигло 4% от современного уровня. Случилось это примерно 1 млрд лет назад. Примерно 700 млн лет назад появились многоклеточные организмы.

Переход от протерозоя к фанерозою явился резким геолого-биологическим рубежом, радикально изменившим экологическую обстановку на Земле. С этого момента атмосфера превратилась в окислительную, что позволило биоте перейти на обмен веществ, построенный на реакциях окисления органики, синтезируемой растениями.

Помимо увеличения парциального давления кислорода в атмосфере важными факторами влияния на эволюцию биосферы стали дрейфы континентов, климатические изменения, трансгрессии и регрессии океана. Эти факторы меняли экологические ниши биологических сообществ, усиливали их борьбу за выживание. Например, в силуре и девоне уровень океана поднялся на 250 м, в меловой период глобальная трансгрессия достигала 400 м. В периоды оледенений вода консервировалась в материковых ледниках, что понижало уровень океана на 130 м. Эти процессы существенно изменяли климат Земли. Существенное увеличение поверхности океана и уменьшение площади суши смягчало сезонные и широтные изменения климата. По мере отступления океана возрастала континентальность климата Земли и увеличивались сезонные контрасты температуры.

Сильными процессами, влиявшими на климат и его широтную зональность, являлось бактериальное удаление азота из атмосферы и колебания угла прецессии Земли в зависимости от дрейфа континентов и высокоширотных оледенений. Кроме того, изменение взаимного расположения континентов изменяло биологическую продуктивность океанов и циркуляцию океанических течений. Например, после того как к северу от Антарктиды отошла Австралия, возникло южное циркумполярное течение, отрезавшее Антарктиду от теплых омывающих её трёх океанов. Эта система климатической изоляции Антарктиды действует и в настоящее время.

Коренная перестройка метаболизма океанических организмов произошла около 400 млн лет назад, когда в царстве животных появились формы, обладающие лёгкими. Появление этого органа, приспособленного к газообмену в воздушной среде, позволило высокоорганизованной жизни выйти на сушу.

В раннем мелу (около 100 млн лет назад) началась тектоническая активность Земли, приведшая к раздвижке материков и наступлении моря на сушу. Результатом стало увеличение разнообразия животного мира по мере обособления шельфовых провинций материков. Меловая трансгрессия привела к расцвету карбонатпотребляющей фауны и микрофлоры на шельфах, в результате чего сформировались толщи писчего мела. Однако эта трансгрессия вызвала кризисные явления в жизни биоценозов коралловых атоллов океана.

Все главные рубежи геологической истории и соответствующее деление геохронологической шкалы на эры, периоды и эпохи в значительной степени обусловлены такими событиями, как столкновения и расколы материков, возникновение и закрытие экологических ниш, образование, вымирание и консервация отдельных форм жизни. Все эти процессы, в конечном счете, вызваны тектонической активностью Земли. Ярким тому примером могут служить эндемичные формы жизни Австралии и Южной Америки.

В последней фазе Валдайского оледенения (10–12 тыс. лет назад) вымерла большая часть «мамонтовой» фауны: мамонты, гигантские олени, пещерные медведи, саблезубые тигры. Это отчасти произошло по вине человека, а отчасти от того что значительно выросла влажность атмосферы, зимы стали многоснежными, что затруднило травоядным доступ к подножному корму. В результате травоядные погибали от голода, а хищники – от отсутствия травоядных.

Весьма вероятно, что неандертальцы вымерли около 30 тыс лет назад не только из-за конкуренции с кроманьонцами, но и потому, что не выдержали похолодания ледникового периода. Резкие колебания климата определяли миграцию народов и формирование расового состава людей.

Таким образом, эволюция биосферы на протяжении 3,5 мпрд лет развивалась в тесной взаимосвязи с геологической эволюцией планеты. При этом существует и обратная связь – влияние жизни на протекание геологических процессов. В.И. Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы, более могущественной по своим последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».Большая роль органической жизни отводится в седиментогенезе карбонатов и фосфоритов, угленосных и нефтегазоносных отложений, в процессах выветривания и круговорота земного вещества.

После возрастания в атмосфере концентрации кислорода до уровня 10% от современного озоновый слой стал эффективно защищать живое вещество от жесткого излучения, после чего жизнь стала постепенно выходить на сушу.Сначала на сушу проникли растения, создав там почву, потом проникли представители разных таксонов беспозвоночных и позвоночных животных. Проходили эры и периоды, когда один состав флоры и фауны сменялся другим, более прогрессивным составоми появлением всех существующих форм(рис. 4.5).

Рис. 4.5. Взрывообразный характер развития жизни на рубеже протерозоя и фанерозоя

После возрастания в атмосфере концентрации кислорода до уровня 10% от современного (2-я точка Пастера ) озоновый слой стал эффективно защищать живое вещество от жесткого излучения.

В кембрии произошел эволюционный взрыв новых форм жизни: губки, кораллы, моллюски, морские водоросли и предки семенных растений и позвоночных. В течение последующих периодов палеозойской эры жизнь заполнила Мировой океан и стала выходить на сушу.

Дальнейшее формирование наземных экосистем пошло автономно от эволюции водных экосистем. Зеленая растительность обеспечила большое количество кислорода и пищи для последующей эволюции крупных животных. Одновременно океанический планктон пополнился формами с известковыми и кремниевыми оболочками.

В конце палеозоя на Земле изменился климат. В этот период произошло усилениебиопродуктивности и были созданы огромные запасы ископаемого топлива. Позже (200–150 млн лет назад) содержание кислорода и диоксида углерода стабилизировалось на уровне наших дней.В отдельные периоды происходили изменения климата, что вызывало изменение уровня Мирового океана. Периоды общего похолодания на планете чередовались с периодами потепления с цикличностью около 100 тыс. лет.В среднем плейстоцене (45–60 тыс. лет назад) мощный ледник спустился до 48 о с.ш. в Европе и до 37 о с.ш. в Северной Америке. Таяли ледники относительно быстро – за 1 тыс. лет.

Существует непреложный закон жизни: любая группа не примитивных живых организмов рано или поздно вымирает.Неоднократно происходили массовые вымирания целых видов животных. Так, 65 млн лет назад исчезли многие рептилии (рис. 4.6). Их последние представители исчезли на границе кайнозоя. Эти вымирания были неодновременными, растянутыми на много лет и не связанными с деятельностью человека. По подсчетам палеонтологов, основная часть (до 98%) когда-либо существовавших на Земле (до 500 млн видов) видов вымерла.

Рис. 4.6. Расцвет и вымирание рептилий

Эволюционный прогресс не был случаен. Жизнь занимала новые пространства, условия существования на Земле непрерывно менялись, и всему живому приходилось к этому приспосабливаться. Сообщества и экосистемы сменяли друг друга. Возникали более прогрессивные, более подвижные формы, лучше приспособленные к новым условиям жизни.

Биосфера развивается при тесной совместной эволюции организмов. В.И. Вернадский, продолжая опыт предшествующих естествоиспытателей, сформулировал следующий принцип: «Живое происходит только от живого, между живым и неживым существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие».

Такое тесное экологическое взаимодействие больших групп организмов (например, растения и травоядные) называют коэволюцией. Коэволюция шла на Земле миллиарды лет. Антропогенные факторы возникли за очень короткое время, однако по мощности воздействия на биосферу они стали сопоставимы с природными. Природа и биосфера в современном естествознании представляются динамичными системами, проходящими через кризисные состояния, катастрофы и точки бифуркации.

Эволюция биосферы подчиняется следующим трём законам:

- закон постоянства эволюционного процесса в биосфере: эволюция живых организмов происходит постоянно, пока существует Земля;

- закон необратимости эволюции: при вымирании вида он никогда не возникнет вновь;

- закон дивергенции : из предковой формы последовательно образуются новые популяции более высоких систематических категорий.

Около 400 млн лет назад жизнь начала осваивать сушу. Сначала на сушу проникли растения, создав там почву, потом проникли представители разных таксонов беспозвоночных и позвоночные животные. К концу девона вся суша была покрыта растительностью. К концу карбона появляются голосеменные растения, летающие насекомые и первые плотоядные и растительноядные наземные позвоночные. В конце перми происходит великое вымирание (кораллы, аммониты, древние рыбы и др.).

Рис. 4.7. Фрагмент истории развития форм жизни на Земле
в мезозое и кайнозое

Первые наземные позвоночные дали начало амфибиям, а те – рептилиям. Рептилии получили расцвет в мезозое (рис. 4.7) и дали начало птицам и млекопитающим. В середине юрского периода жили гигантские четвероногие растительноядные динозавры длиной до 30 м и весом от 30 до 80 т. Появились акулы современного типа. Первые звери – предки современных млекопитающих – появились около 200 млн лет назад.

В меловом периоде Южная Америка и Африка удалялись друг от друга. В этот период произошло очередное великое вымирание: исчезают динозавры.После глобального вымирания крупных ящеров млекопитающие заняли ведущие позиции и доминируют в настоящее время. В настоящее время на Земле обитает до 3 млн видов животных.

Шло образование новых видов и вымирание тех форм, которые не выдерживали конкуренции или не приспособились к изменению природной среды. До появления человека вымирание отдельных видов происходило медленно за многие миллионы лет. Установлено, что продолжительность жизни вида птиц в среднем равна 2 млн лет, а млекопитающих 600 тыс. лет.Природная среда менялась многократно. На смену фауны оказывали влияние абиотические факторы. Происходило формирование складчатости и горообразование, менялся климат. Происходило чередование потеплений и оледенений, поднятий и понижений уровня океана, засушливый климат сменялся влажным.

Можно выделить следующие основные этапы эволюции биосферы.

1. Этап прокариотной биосферы, завершившийся 2,5 млрд лет назад, который характеризуется: восстановительной (бескислородной) водной средой обитания и хемосинтезом;появлением первых фотосинтезирующих организмов типа цианобактерий;жизнедеятельностью фотосинтезирующих прокариот до 1-ой точки Пастера.

2. Этап прокариотной биосферы с окислительной водной средой обитания, который завершился около 1,5 млрд лет назад. Этот этап, наступивший после достижения 1-ой точки Пастера характеризуется:появлением у простейших организмов дыхания, которое в 14 раз энергетически более эффективное, чем процессы брожения; возникновением первых эукариотных (имеющих ядро) одноклеточных организмов.

3. Этап одноклеточных и нетканевых организмов продолжительностью до 700 млн лет. Этап закончился около 800 млн лет назад и характеризуется: появлением биоразнообразия простейших организмов, обусловленным симбиогенезом;переходным периодом к возникновению многоклеточности организмов.

4. Этап многоклеточных тканевых организмов. На этом этапе: в девоне (около 350 млн лет назад) появилась наземная растительность;появились млекопитающие около 200 млн лет назад;господствует развитие биоразнообразия растений, грибов и животных.

5. Этап антропогенный – появление в биосфере человека разумного.

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!

Из архивов «Континента»

Хорошо известно, что наша Вселенная образовалась около 14 миллиардов лет тому назад в результате гигантского взрыва, известного в науке как Big Bang. Возникновение Вселенной “из ничего” не противоречит известным законам физики: положительная энергия вещества, образовавшегося после взрыва, в точности равна отрицательной энергии гравитации, так что полная энергия такого процесса равна нулю. В последнее время ученые обсуждают также возможность образования и других вселенных – “пузырей”. Мир, согласно этим теориям, состоит из бесконечного числа вселенных, о которых мы пока еще ничего не знаем. Интересно, что в момент взрыва образовалось не только трехмерное пространство, но, и что очень важно, и время, связанное с пространством. Время – причина всех тех изменений, которые произошли во Вселенной после Big Bang. Эти изменения происходили последовательно, шаг за шагом по мере возрастания стрелы времени, и включают в себя образование огромного числа галактик (порядка 100 млрд.), звезд (число галактик умноженное на 100 млрд.), планетных систем и в конечном счете самой жизни, включая разумную жизнь. Чтобы представить себе, как много звезд во Вселенной, астрономы приводят такое любопытное сравнение: число звезд в нашей Вселенной сравнимо с числом песчинок на всех пляжах Земли, включая моря, реки и океаны. Вселенная, замороженная во времени, была бы неизменной и мало интересной и в ней не было бы никакого развития, т.е. всех тех изменений, которые произошли потом и в конечном счете привели к существующей картине мира.

Возраст нашей Галактики 12.4 миллиардов лет, а нашей солнечной системы 4.6 млрд. лет. Возраст метеоритов и самых старых камней на Земле немного меньше 3.8-4.4 млрд. лет. Первые одноклеточные организмы, лишенные ядер прокариоты и зелено-голубые бактерии, появились 3.0-3.5 млрд. лет тому назад. Это простейшие биологические системы, способные образовывать протеины, цепи аминокислот, состоящие из основных элементов жизни С, Н, О, N, S, и ведущие независимый образ жизни. Простые зелено-голубые “аlgае”, т.е. водяные растения без сосудистых тканей и “archaebacteria” или старые бактерии (используемые для приготовления лекарственных препаратов) и сегодня важная часть нашей биосферы. Эти бактерии – первое успешное приспособление жизни на Земле. Интересно, что зелено-голубые бактерии и другие прокариоты почти не изменились в течение млрд. лет, в то же время исчезнувшие динозавры и другие виды уже никогда не могут возродиться снова, т.к. условия на Земле сильно изменились, и они уже не могут пройти через все те этапы развития, которые они прошли в те далекие годы. Если по тем или иным причинам жизнь на Земле прекратится (из-за столкновения с гигантским метеоритом, в результате взрыва соседней к солнечной системе суперновой или нашего собственного самоуничтожения), она не может начаться вновь в том же виде, ибо теперешние условия в корне отличаются от тех, которые были около четырех млрд. лет тому назад (например, наличие свободного кислорода в атмосфере, а также изменение фауны Земли). Эволюция, уникальная по своей сути, уже не может повториться в том же виде и пройти все те этапы, через которые она прошла за минувшие миллиарды лет. Доктор Пайсон из Лос-Аламосской Национальной Лаборатории США высказал весьма любопытную мысль о роли эволюции в организации системы живых структур: “Жизнь – это последовательность молекулярных взаимодействий. Если мы откроем в биологии принцип иной, чем эволюция, мы научимся создавать живые системы лабораторным путем и таким образом понять механизм образования жизни”. Причина, почему мы не можем лабораторным путем осуществить превращение видов (например, мухи дрозофилы в какой-нибудь другой вид), состоит в том, что в естественных условиях на это понадобились миллионы лет, и мы сегодня не знаем другого принципа, как вызвать такое превращение.

По мере увеличения количества прокариотов они “изобрели” явление фотосинтеза, т.е. сложную цепь химических реакций, в которых энергия солнечного света вместе с углекислым газом и водой преобразуется в кислород и глюкозу. В растениях фотосинтез осуществляется в хлоропластах, которые содержатся в их листьях, приводя к атмосферному кислороду. Атмосфера, насыщенная кислородом, появилась 2-2.5 млрд. тому назад. Эукариоты, многоклеточные клетки, содержащие ядро с генетической информацией, а также органеллы, образовались 1-2 млрд. лет тому назад. Органеллы содержатся в клетках прокариотов, а также в клетках животных и растений. ДНК – это генетический материал любой живой клетки, в которой содержится наследственная информация. Наследственные гены расположены в хромосомах, которые содержат протеины, связанные с ДНК. Все организмы – бактерии, растительный и животный миры – несмотря на гигантское разнообразие видов, имеют общее происхождение, т.е. имеют общего предка (common ancestor). Дерево жизни состоит из трех основных ветвей – Bacteria, Archaea, Eukaria. В последнюю группу входит весь растительный и животный мир. Все известные живые организмы образуют протеины, используя лишь 20 основных аминокислот (хотя общее количество аминокислот в природе равно 70), а также используют одну и то же молекулу энергии АТФ для запаса энергии в клетках. Они также используют молекулы ДНК для передачи генов из одного поколения другому. Ген – это фундаментальная единица наследственности, часть ДНК, который содержит информацию, необходимую для синтеза протеина. Различные организмы имеют сходные гены, которые могут подвергаться мутации или улучшаться в течение длительной эволюции. От бактерий до амеб и от амеб до человека) гены ответственны за характеристики организмов и улучшение видов, тогда как протеины поддерживают жизнь. Все живые организмы используют ДНК, чтобы передать свои гены другому поколению. Генетическая информация передается от ДНК протеину путем сложной цепочки превращений посредством РНК, которая подобна ДНК, но отличается от нее своей структурой. В цепочке превращений химия®биология®жизнь синтезируется органическая молекула. Биологам хорошо известны все эти превращения. Самое удивительное из них – расшифровка генетического кода (The Human Genome Project), которая поражает воображение как сложностью, так и совершенством. Генетический код универсален для всех трех ветвей дерева жизни.

Самый интересный вопрос, некоторый человечество ищет ответ в течение всей своей истории, это как возникла первая жизнь и, в частности, зародилась ли она на Земле или же была привнесена из межзвездной среды с помощью метеоритов. Все основные молекулы жизни, включая аминокислоты и ДНК, найдены и в метеоритах. Теория направленной пансмермии (panspermia) предполагает, что жизнь возникла в межзвездном пространстве (интересно, откуда?), мигрирует через огромное пространство, однако эта теория не может объяснить, как жизнь может сохраниться в суровых условиях космоса (опасная радиация, низкие температуры, отсутствие атмосферы и т.д.). Ученые придерживаются теории, согласно которой естественные, хотя и примитивные условия на Земле привели к образованию простых органических молекул, а также к развитию форм различной химической активности, которые, в конечном счете, запустили дерево жизни. В очень интересном эксперименте Miller and Urey, выполненном в 1953 году, они доказали образование сложных органических молекул (альдегидов, карбоксилов и аминокислот) путем пропускания мощного электрического разряда – аналога молнии в естественных условиях – через смесь газов CН4, NH3, H2O, H2, которые имелись в первичной атмосфере Земли. Этот эксперимент продемонстрировал, что основные химические компоненты жизни, т.е. биологические молекулы, могут быть естественным путем сформированы путем симуляции примитивных условий на Земле. Однако, никакие формы жизни, включая полимеризацию молекул ДНК, не были обнаружены которые, по-видимому, могли возникнуть только в результате длительной эволюции.

Тем временем стали появляться более сложные структуры, огромные клетки – органы и большие живые образования, состоящие из млн. и млрд. клеток (например, человек состоит из десяти триллионов клеток). Сложность системы зависела от прошедшего времени и глубины естественного отбора, который сохранял виды, наиболее приспособленные к новым условиям жизни. Хотя все простые эукариоты воспроизводились путем деления, более сложные системы образовывались половым путем. В последнем случае каждая новая клетка берет половину генов от одного родителя и вторую половину от другого.

Жизнь в течение очень длительного периода ее истории (почти 90%) существовала в микроскопических и невидимых формах. Примерно 540 млн. лет тому назад начался совершенно новый революционный период, известный в науке как Cambrian era. Это период бурного возникновения огромного количества многоклеточных видов с твердой оболочкой, скелетом и мощным панцирем. Появились первые рыбы и позвоночные, растения из океанов начали мигрировать по всей Земле. Первые насекомые и их потомки способствовали распространению по Земле и животного мира. Последовательно стали появляться насекомые с крыльями, амфибии, первые деревья, пресмыкающиеся, динозавры и мамонты, первые птицы и первые цветы (динозавры исчезли 65 млн. лет тому назад, по-видимому, вследствие гигантского столкновения Земли с массивным метеоритом). Затем наступил период дельфинов, китов, акул и приматов, прародителей обезьян. Примерно 3 млн. лет тому назад появились существа с необычайно большим и сильно развитым мозгом, hominids (первые предки людей). Появление первого человека (homo sapiens) датируется 200,000 лет тому назад. Согласно некоторым теориям, появление первого человека, который качественно отличается от всех других видов животного мира, возможно, является результатом сильной мутации hominids, которое явилось источником образования новой аллели (allele) – измененной формы одного из генов. Появление современного человека датируется примерно 100,000 лет – тому назад, исторические и культурные свидетельства нашей истории не превышают 3000-7 4000 лет, однако технологически – развитой цивилизацией мы стали совсем недавно, всего лишь 200 лет назад!

Жизнь на Земле – это продукт биологической эволюции, насчитывающей примерно 3.5 млрд. лет. Появление жизни на Земле – это результат большого числа благоприятных условий – астрономических, геологических, химических и биологических. Все живые организмы от бактерий до человека имеют общего предка и состоят из нескольких основных молекул, присущих всем объектам нашей Вселенной. Главные свойства живых организмов – они имеют реакцию, растут, размножаются и передают информацию от одного поколения другому. Мы, земная цивилизация, несмотря на свой юношеский возраст, многого достигли: освоили атомную энергию, расшифровали генетический код человека, создали сложные технологии, стали экспериментировать в области генной инженерии (синтетической жизни), занимаемся клонированием, работаем над увеличением продолжительности нашей жизни (уже сегодня ученые обсуждают возможность увеличения продолжительности жизни до 800 и более лет), начали летать в космос, изобрели компьютеры и даже пытаемся вступить в контакт с внеземной цивилизацией (программа SETI, Search for Extraterrestrial Intelligence). Т.к. другая цивилизация пройдет совершенно другой путь развития, она полностью будет отличаться от нашей. В этом смысле каждая цивилизация по-своему уникальна – возможно, – это одна из причин, почему программа SETI оказалась безуспешной. Мы стали вмешиваться в святая святых, т.е. в процессы, которые в естественной среде занимали бы миллионы и миллионы лет.

Чтобы лучше понять, как мы молоды, предположим, что полная история Земли равна одному году и что наша история началась 1 января. В этой шкале уже 1 июня появились прокариоты и зелено-голубые бактерии, которые вскоре привели к насыщенной кислородом атмосфере. Cambrion эра началась 13 ноября. Динозавры жили на Земле с 13 по 26 декабря, а первые hominids появились днем 31 декабря. К Новому году мы, уже современные люди, послали первое послание в космос – в другую часть нашей Галактики. Только примерно через 100,000 лет (или по нашей шкале через 15 минут) наше послание (не прочитанное еще никем) покинет нашу Галактику и устремится к другим галактикам. Будет ли оно прочитано когда-нибудь? Мы этого не узнаем. Вероятнее всего нет.

Для возникновения в другой части Вселенной цивилизации, подобной нашей, не только потребуются миллиарды лет. Важно, чтобы такая цивилизация имела достаточно времени для своего развития и превращения в технологическую, а главное не уничтожила себя (это другая причина, почему мы не можем найти другую цивилизацию, хотя мы ее ищем более 50 лет: она, возможно, погибает раньше, чем успевает стать технологической). Наша технология может оказать пагубное влияние на атмосферу. Уже сегодня мы озабочены появлением озоновых дыр в нашей атмосфере, которые сильно увеличились за последние 50 лет (озон – трехатомная молекула кислорода, которая, в общем, является ядом). Это – результат нашей технологической активности. Озоновая оболочка предохраняет нас от опасного ультрафиолетового излучения Солнца. Такое излучение, при наличии озоновых дыр, приведет к повышению земной температуры и как результат – к глобальному потеплению (global warming). Поверхность Марса сегодня стерильна из-за отсутствия озонового слоя. За последние 20 лет озоновая дыра в атмосфере Земли возросла до размеров большого континента. Увеличение температуры даже на 2 градуса приведет к таянию льдов, возрастанию уровня океанов, а также к их испарению и опасному увеличению углекислого газа в атмосфере. Затем произойдет новое потепление атмосферы, и этот процесс будет продолжаться, пока не испаряться все моря и океаны (ученые называют это явление runaway greenhouse effect). После испарения океанов количество углекислого газа в атмосфере увеличится примерно в 100,000 раз и составит около 100%, что приведет к полному и необратимому уничтожению не только озонового слоя земной атмосферы, но и всего живого на Земле. Такое развитие событий уже имело место в истории нашей солнечной системы на Венере. 4 млрд. лет тому назад условия на Венере были близки к земным и, возможно, даже там была жизнь, т.к. Солнце в те далекие времена светило не так ярко (известно, что интенсивность излучения Солнца постепенно увеличивается). Возможно, что жизнь с Венеры мигрировала на Землю, а с Земли, по мере возрастания солнечного излучения, мигрирует на Марс, хотя, по-видимому, такое развитие событий маловероятно из-за проблем миграции живой клетки через космос. Количество углекислого газа в атмосфере Венеры сегодня равно 98%, а атмосферное давление почти в сто раз превышает земное. Возможно, это результат глобального потепления и испарения венерианских океанов. Венера и Марс преподают нам важный урок, т.е. мы знаем сегодня, что может произойти и с нашей планетой, если не предпринимать никаких мер. Другая проблема связана с возрастанием излучения Солнца, которое, в конечном счете, обусловит runaway greenhouse effect на Земле с известным результатом.

Наше развитие идет по экспоненте, с ускорением. Население Земли удваивается каждые 40 лет и возросло примерно с 200 тысяч до 6 млрд. за последние 2000 лет. Однако, не содержатся ли в таком бурном развитии семена опасности нашему существованию? Не погубим ли мы свою цивилизацию? Успеем ли мы стать высокоразвитой цивилизацией и понять нашу историю? Сумеем ли мы летать глубоко в космос и найти другую цивилизацию, подобную нашей? Согласно Эйнштейну, самое удивительное в мире состоит в том, что мир познаваем. Пожалуй, эта одна из самых интригующих особенностей человеческой цивилизации – умение раскрывать тайны мира. Мы можем понять мир, в котором живем, и понять законы, управляющие им. Однако, почему эти законы существуют? Почему скорость света, например, равна 300,000 км/сек или почему хорошо известное в математике число я (отношение длины окружности к его диаметру) равно именно 3.14159…? Американский физик А. Майкельсон получил Нобелевскую премию за измерения скорости света с невиданной точностью (напомню, что это гигантская величина: двигаясь с такой скоростью мы бы оказались на Луне через примерно одну секунду, на Солнце через 8 минут, а в центре Галактики через 28,000 лет). Другой пример – расшифровка генетического кода, состоящего из 30 млн. кусочков, каждый длиной в 500-600 букв, потребовала 15 лет работы с использованием сложных программ и компьютеров. Оказалось, что длина всего кода равна длине 100 млн. писем. Это открытие было сделано на рубеже двух тысячелетий и показало, что, возможно, мы научимся лечить болезни любой сложности путем исправления ошибок соответствующего участка поврежденного гена. Математики с помощью быстрых компьютеров рассчитали число я с немыслимой точностью до триллиона знаков после запятой, чтобы знать точное его значение и описать это число с помощью какой-нибудь простой формулы. Кто придумал эти числа и почему они именно такие? Как генетический код мог оказаться столь совершенным? Как физические постоянные связаны с нашим мирозданием? Разумеется, они отражают геометрическую структуру нашей Вселенной и, по-видимому, имеют разное значение для разных вселенных. Мы не знаем этого сегодня, как, впрочем, много другого. Но мы стремимся найти общие законы нашего мира или даже единый закон, из которого могли бы получить все другие законы в частном случае, а также, что очень важно, понять смысл мировых постоянных. Мы также не знаем, связано ли наше существование с выполнением какой-то миссии.

Но вернемся к нашей истории и нашей эволюции. Закончилась ли она и в чем ее смысл? Что произойдет с нами через миллионы лет, если, конечно, мы сумеем решить намят технологические проблемы и не уничтожим себя? В чем смысл появления в нашей истории таких гениальных личностей, как Эйнштейн, Шекспир или Моцарт? Возможна ли новая мутация и создание другого более совершенного вида, чем человек? Может ли этот новый вид решить проблемы мироздания и понять смысл нашей истории? Мы открыли законы и измерили с захватывающей дух точностью мировые постоянные, но мы не понимаем, почему они такие и какова их роль во Вселенной. Если совсем немного изменить те постоянные, то вся наша история выглядела бы по-другому. Несмотря на всю сложность и загадочность генетического кода, загадки самой Вселенной выглядят бесконечными. В чем суть этих загадок и удастся ли нам расшифровать их? Безусловно, мы изменимся. Но как? Являемся ли мы высшим и последним звеном в длительной истории нашего развития? Является ли наша история результатом какого-то остроумного плана или же оно просто результат сотен и тысяч благоприятных условий, которые стали возможными благодаря времени и длительной эволюции? Вне сомнения, что нашему развитию нет предела и оно также бесконечно, как бесконечен мир, состоящий из миллионов и миллионов вселенных, которые постоянно и разрушаются и образуются вновь.

Илья Гулькаров, Профессор, доктор физико-математических наук, Чикаго
June 18, 2005