Виникнення життя на Землі

Виникнення життя на Землі – не лише природознавча, а й світоглядна проблема. На шляху її розв’язання протягом століть багато поколінь вчених висували різноманітні пояснення та здогади. До середини XVII ст. Вчені не сумнівалися в тому, що життя самозароджується з неживої матерії (абіогенез).

Виникнення життя на Землі – не лише природознавча, а й світоглядна проблема. На шляху її розв’язання протягом століть багато поколінь вчених висували різноманітні пояснення та здогади. До середини XVII ст. Вчені не сумнівалися в тому, що життя самозароджується з неживої матерії (абіогенез). Перший суттєвий прорив у цій проблемі здійснив італієць Ф. Реді, який у своїх дослідах показав неможливість самозародження. Він помістив шматки м’яса у дві посудини: відкриту і закриту. У відкритій за деякий час зіпсоване м’ясо кишіло личинками мух, а в закритій цього не було. У XVІІІ ст. Ідея самозародження знову повернулася після того, як було відкрито і описано мікроорганізми. У 1862 р. Видатний французький вчений Л. Пастер отримав премію Академії наук за експеримент з колбою, в якої горло витягували і вигинали S-подібно. Коли таку колбу наповнити живильним середовищем, на ньому тривалий час не утворюється колоній мікроорганізмів, бо спори бактерій не можуть подолати самотужки вигин горла. Цей експеримент підтримав теорію біогенезу, за якою живе може походити тільки від живого.

Як вважають вчені, початком еволюції органічного світу нашої планети була атомна еволюція, коли формувалися атоми окремих хімічних елементів зі своїми властивостями. Згодом почалася хімічна еволюція, під час якої атоми утворювали різноманітні комбінації, доки не виникла певна відносно стабільна сукупність речовин. Близько 4500 млн.р. тому наша планета була сферичним тілом і являла собою конгломерат газів, оксидів, карбідів та карбонатів металів. Під дією гравітації виникла земна кора, що зібрала більш щільні компоненти. Водночас постійно відбувався розпад радіоактивних елементів та екзотермічні реакції. Оскільки атмосфери не було, а температура була неймовірно високою, вода у вигляді пару конденсувалася на певній висоті над поверхнею і випадала на поверхню. Поступово поверхня планети охолоджувалася, а постійне сонячне опромінення і електричні явища могли сприяти синтезу органічних сполук. Експериментально вченим вдалося досягти синтезу органічних сполук з метану, водню і аміаку в середині ХХ ст. у спеціальній камері, що відтворила умови, які існували на нашій планеті в той час. Вільного молекулярного кисню тоді не могло бути, він з’явився тільки після появи фотосинтезу.

Протягом ХХ ст. Вчені сформулювали сучасну концепцію виникнення життя. О.І. Опарін та Дж. Холдейн сформулювали ряд гіпотез, які пояснюють можливість абіогенного походження живих систем. О.І. Опарін назвав гіпотетичні ізольовані самовідтворювані системи коацерватами. Згідно його теорії процес, що привів до виникнення життя на Землі можно розділити на 3 етапи : 1) виникнення органічних речовин; 2) виникнення білків; 3) виникнення білкових тіл.

Відповідно до теорії Опаріна, подальшим кроком по шляху до виникнення білкових тіл могло з'явитися освіта коацерватних крапель. За певних умов водна оболонка органічних молекулнабувала чіткі межі і відділяла молекулу віднавколишнього розчину. Молекули, оточені водною оболонкою, об'єднувалися, утворюючи багатомолекулярних комплекси - коацервати. Коацерватні краплі також могли виникатипри простому змішуванні різноманітних полімерів. При цьому відбувалася самосборкаполімерних молекул у багатомолекулярних утворень - видимі під оптичним мікроскопом краплі.

Краплі були здатні поглинатиззовні речовини затипом відкритих систем. При включенні вкоацерватние краплі різних каталізаторів (утому числі і ферментів) у них відбувалися різні реакції, зокрема полімеризація надходять із зовнішнього середовища мономерів. За рахунок цьогокраплі могли збільшуватися в обсязі і вазі, а потім дробитися на дочірніутворення. Таким чином, коацервати могли зростати, розмножуватися, здійснюватиобмін речовин.

Перші живі системи були виключно гегеротрофними прокаріотами. Поява фотоавтотрофного способу живлення стала першим великим ароморфозом на планеті, який розділив організми на автотрофів та гетеротрофів (приблизно 3 млрд. років тому). Ймовірно, найпершими автотрофами стали азотфіксуючі бактерії, що не виділяли молекулярного кисню. Пізніше зявилися ціанобактерії, побічним продуктом життєдіяльності яких стало виділення кисню. Ще одним важливим етапом стало виникнення окисного фосфорилювання.

Поява еукаріотів (1,5 – 2 млрд. років тому) пояснюється вченими через симбіоз гетеротрофів з аеробними прокаріотами, здатними до окисного фосфорилювання. Це другий великий ароморфоз на планеті. Останні ймовірно перетворилися на мітохондрі та хлоропласти. Одним з доказів цього є існування амеб, які взагалі не мають мітохондрій, але містять всередині симбіотичні бактерії, що постачають амеб енергією. Таким чином, після появи життя на планеті і виникнення клітин організми розподілилися на три категорії: архебактерії, бактерії та еукаріоти. Архебактерії та еукаріоти мають у своїх ДНК інтрони та екзони, бактерії їх не мають. Еукаріоти протягом сотень мільйонів років представлені були виключно одноклітинними організмами, і за цей час вони сформували мітотичний поділ. Ускладнення будови клітин супроводилося появою статевого процесу і мейозу. Спершу клітини почали зливатися (ізогамія), і це, ймовірно, стало запорукою диплоїдності, а згодом мейоз забезпечив збереження постійності спадкового матеріалу через гаплоїдність гамет. Надалі виникли такі явища, як домінантність і рецесивність, кросиинговер, гетерогамія та овогамія.

Найбільші історичні етапи розвитку органічного світу поєднують у два еони: докембрійський (4500 – 543 млрд. р., коли зародилося життя, виникли одноклітинні та багатоклітинні організми без скелетів) та фанерозойський (543 млрд.р. до нашого часу, протягом якого виникли і еволюціонували організми з твердим скелетом). Еони поділяють на ери, ери – періоди, періоди – на епохи, епохи – на віки. Назви багатьох етапів еволюції органічного світу називають за даними палеореконструкцій рослинного, тваринного світу, геологічними дослідженнями, тому в біології, геології, історії вони можуть не співпадати, також відрізняються хронологічні періоди, співвіднесені до цих етапів. За деякими класифікаціями докембрій поділяють на три ери: гадейську (4500 – 3800 млн. р.), архейську (3800 – 2500 млн) і протерозойську (2500 – 543 млн. р.). Фанерозой поділяють на палеозойську, мезозойську і кайнозойську ери. В більш поширеному варіанті класифікації не виділяють еонів, а поділяють весь період еволюції органічного світу на ери: архейську, протерозойську, палеозойську, мезозойську і кайнозойську.

Архейська ера почалася 4,5 млрд. років тому і тривала 2 млрд. років. 3,5 млд років тому виникли прокаріоти (архебактерії, бактерії, ціанобактерії). 3 млрд років тому з’явилися одноклітинні морські організми і виник фотосинтез. Діє добір серед молекулярному рівні. Під кінець ери в атмосфері планети накопичився кисень в такій кількості, що спричинила масову загибель анаеробних організмів. Виник гліколіз.

Протерозойська ера тривала 1,9 млрд років і включала два періоди: 1) рифейський період (тривав 1,8 млрд років): в ньому фіксують появу скелетизованих найпростіших, багатоклітинних організмів – попередників плоских і круглих червів; вчені вважають появу в цьому періоді джгутикових найпростіших запорукою виникнення багатоклітинних тварин і рослин, адже донині деякі з них (евглена) займають проміжне положення між царствами рослин і тварин; 2) венд (тривав 80 млн років) означений появою губок, кишковопорожнинних, сегментованих червів, багатоклітинних водоростей.

Палеозойська ера почалася 600 млн років тому і включає шість періодів. Палеозойська ера: 1) кембрій (тривав 80 млн.р.) Масова поява тварин з твердим мінералізованим скелетом. Згідно з гіпотезой Хатчінсона, скелет виник як механізм захисту від хижаків. На початку періоду море наступало на сушу, всередині періоду відбувся відступ моря від суші, але життя панувало тільки в морях. У південній півкулі існував материк Гондвана. До кінця періоду з’явилися майже всі типи тварин, що дихають киснем. Початок панування трилобітів (членистоногі). Почали утворюватися коралові рифи. Серед рослин – виключно морські водорості. 2) ордовик (тривав 50 млн.р.). На початку періоду спостерігалося найбільше покриття суші водою. Панують безхребетні тварини, продовжують розвиватися кишковопорожнинні (медузи, губки). З хребетних з’явилися панцирні риби. Рослини представлені водоростями. 3) силур (тривав 35 млн.р.). Море поступово відступає, формуються гірські системи. Панують кишковопорожнинні, молюски, моховатки. З’явилися перші наземні тварини, що дихають киснем – скорпіони. Виникли псилофіти – перші наземні рослини. 4) девон (тривав 55 млн.р.). Різкі зміни у видовому складі тварин. Вимирають численні групи примітивних тварин. З’явилися різноманітні групи риб (вік риб), зокрема, кистепері (латимерія) та хрящові (акули). Інтенсивно оволодівають сушею тварини і рослини. У рослин формуються корінь і пагін. Виникають перші вищі павукоподібні, в яких спостерігається злиття сегментів. В кінці періоду – поява перших земноводних (стегоцефали). Виникають перші спорові рослини, плауноподібні, папоротеподібні. Виник грунт. Поява перших голонасінних. Найдревніше вугілля (Шотландія) має девонське походження. 5) карбон (тривав 65 млн.р.). В морі, як і раніше, панують безхребетні, а серед хребетних переважають риби. На суші установився теплий вологий клімат, виникли ліси зі спорових рослин (лепідодендрон, сигілярія, каламіти, кордаїти), рештки яких створили поклади кам’яного вугілля. Поява гігантських крилатих комах. Стрімко еволюціонують земноводні і з’являються перші плазуни. 6) перм (тривав 50 млн.р.). На планеті формується зональний клімат. Утворюються гірські масиви. Повністю вимирають трилобіти. На суші рептилії поступово витісняють земноводних, виникають перші жуки, сітчастокрилі (бджоли, мурашки). Вологолюбних спорових витісняють голонасінні, переважно хвойні та гінкгові. Наприкінці періоду утворився єдиний континент Пангея через зближення континентів Лавразія та Гондвана. Так пояснюється існування схожих життєвих форм на усіх сучасних континентах.

Мезозойська ера тривала 230 млн років і нараховує три періоди.1) тріас (тривав 40 млн.р.). Триває еволюція риб, комах. З рептилій виникають крокодили і динозаври. Формується сезонна зміна температур. Поява перших яйцекладних ссавців (дроматеріум). 2) юра (тривав 55 млн.р.). Розквіт головоногих молюсків у морі та рептилій на суші. З’являються в морях іхтіозаври, гігантські наземні ящери та літаючі ящери – птеродактилі, виникають перші черепахи. Еволюція амфібій завершується утворенням сучасних рядів. Фіксується поява перших птахів (археоптерикс), а серед ссавців – перших хижаків. 3) крейда (тривав 65 млн.р.). В морях відмічається розквіт форамініфер (панцирні одноклітинні), кісткових риб. На суші змінюється клімат: формуються холодні та помірні кліматичні пояси. Виникають перші квіткові рослини. Вимирають деякі голонасінні, головоногі молюски і динозаври. Екологічні ніш, що були зайняті динозаврами, поступово заповнюють ссавці. Поширюються птахи.

Кайнозойська ера (почалася біля 60 млн.р. тому і триває досі). В ній виділяють три періоди палеоген, неоген і антропоген, але іноді поділяють на два: третинний (палеоген і неоген) та четвертинний (антропоген). 1) палеоген (тривав 40 млн.р.) і розподіляється на три епохи: Палеоцен – епоха появи бурих водоростей, розквіту хижих ссавців та гризунів. Еоцен – епоха появи копитних, хоботних, китоподібних. Олігоцен – епоха еволюції рядів птахів, появи ластоногих і мавп. 2) неоген (тривав 23 млн.р.) і розподіляється на дві епохи: Міоцен – епоха появи людиноподібних мавп (австралопітеків). Пліоцен – епоха формування сучасної флори і фауни. 3) Антропоген (почався близько 2 млн.р. тому) і розподіляється на дві епохи: Плейстоцен – епоха льодовиків. Бурхлива еволюція сумчастих, панування мамонтів; на зміну австралопітекам приходить людина прямоходяча, потім людина розумна. Голоцен – сучасна епоха. В цю епоху зникли неандертальці, спостерігається бурхливий розвиток інтелекту людини розумної.