Лекція 6. ВИНИКНЕННЯ ЖИТТЯ НА ЗЕМЛІ



План

1. Передумови виникнення життя на Землі.

2. Поява живої речовини.

3. Формування біосфери Землі.

Передумови виникнення життя на Землі

Для появи життя на Землі перш за все були необхідні наступні матеріальні основи – хімічні елементи-органогени і найважливіший з них - вуглець, здатний створювати різноманітні (декілька десятків мільйонів), рухомі, низькоелектропровідні, насичені водою, довгі скручені ланцюгоподібні структури. Сполуки вуглецю з воднем, киснем, азотом, фосфором, сіркою, залізом володіють хорошими каталітичними, будівельними, енергетичними, інформаційними й іншими властивостями. Кисень, водень і азот разом із вуглецем можна віднести до «цеглин» живого. Клітина складається на 70% із кисню, 17% -вуглецю, 10% - водню, 3% - азоту. Усі ці елементи живого належать до найбільш стійких і поширених у Всесвіті хімічних елементів. Вони легко з'єднуються між собою, вступають у реакції і мають малу питому вагу. Їх сполуки легко розчиняються у воді. Для появи життя необхідні також певні фізичні й хімічні умови (температура, тиск, радіація, вода, солі і т.д.). Ці показники не повинні виходити за межі певного діапазону значень, поза якими життя стає неможливим. Сучасне природознавство має у своєму розпорядженні точні знання про різні процеси і явища нашого світу. Проте цих знань виявляється недостатньо для достовірного опису появи життя на Землі. Сьогодні ми можемо упевнено стверджувати тільки те, що розвиток природи носить направлений характер, що виражається в наростанні складності й упорядкованості речовини і її структур у Всесвіті. Життя - одна з найвищих відомих людині форм упорядкованості речовини, яка може виникнути тільки після досягнення Всесвітом певної стадії еволюції, що розвивається, і лише в таких її локальних системах, де попередній розвиток підготувавнеобхідні умови для такого високого рівня впорядкованостіречовини. У принципі такі умовиможуть виникнути в багатьох локальних системах, на багатьох планетах, що утворилисябіля зірок певного типа. Але поки ми знаємо тільки одне місце у Всесвіті, де є життя - це нашапланета Земля.

Наша планета – знаходиться у зоні життя у Сонячній системі, тому вона найкращим чином підходить для зародження життя. Вік Землі вважається рівним 4,6 мільярдам років, а перші осадові породи, що свідчать про появу крупних водоймищ, заповнених рідкою водою, датуються віком 3,8 мільярдів років, хоча деякі учені відносять його ще далі, вважаючи рівним 4 мільярдам років.

На Землі поступово виникли атмосфера і гідросфера - моря, океани і т. ін. Виникли вони за рахунок дегазації лав, що виплавлялися з верхньої мантії при інтенсивному вулканізмі.

Не дивлячись на те, що об'єми океанів і атмосфери весь час росли, вони і сьогодні складають малу частину маси планети. Океани разом із льодовиками складають одну чотирьохтисячну, а атмосфера - одну мільйонну частину маси Землі. При дегазації вулканічних лав на поверхню Землі поступали перш за все пари води і газоподібні сполуки вуглецю, сірки, азоту.

Спочатку атмосфера була такою тонкою, що парниковий ефект був малим. При цьому середня температура поверхні Землі була близька до 150С. А при такій температурі всі пари води повинні були конденсуватися, за рахунок цього й утворилися океани.

Первинна атмосфера не містила вільного кисню, оскільки його не містили ті гази, які викидалися при виверженні вулканів. Це міркування підтверджує і аналіз бульбашок газу, виявлених у протоархейських породах. 60% цих газів складала вуглекислота, інше – сполуки сірки, аміаку, інші оксиди вуглецю. Що стосується води первинного океану, то дослідники сходяться на тому, що його склад був близький до сучасного. Цьому є немало доказів. Але так само, як і в первинній атмосфері, в первинному океані вільного кисню не було.

Таким чином, вільний кисень, а значить, і хімічний склад сучасної атмосфери і вільний кисень океану не були присутні при народженні Землі як небесного тіла, а є результатом життєдіяльності первинної живої речовини.

 

Поява живої речовини

Для побудови будь-якої складної органічної сполуки, що входить до складу живих тіл, потрібен невеликий набір блоків-мономерів (низькомолекулярних з'єднань): 29 мономерів описують біохімічну будову будь-якого живого організму. Ця будова складається з амінокислот (із них побудовані всі білки), азотних сполук (складові частини нуклеїнових кислот), глюкози – джерела енергії, жирів - структурного матеріалу, що йде на побудову в клітині мембран і що запасає енергію.

Після того як вуглецеві сполуки утворили «первинний бульйон», могли організовуватися біополімери - білки і нуклеїнові кислоти, що мають властивості самовідтворення. Необхідна концентрація речовин для утворення біополімерів могла виникнути в результаті осідання органічних сполук на мінеральних частинках, наприклад, на глині або гідроокисі заліза, які утворювали мул водоймищ. Крім того, органічні речовини могли утворити на поверхні океану тонку плівку, яку вітер і хвилі гнали до берега, де вона збиралася в товсті шари. У хімії відомий також процес об'єднання споріднених молекул у розбавлених розчинах.

У початковий період формування нашої планети води, що просочують земний грунт, безперервно переміщали розчинені в них речовини з місць їх утворення в місця накопичення. Там формувалися протобіонти - системи органічних речовин, що здатні взаємодіяти з навколишнім середовищем, тобто рости і розвиватися за рахунок поглинання з навколишнього середовища різноманітних багатих енергією речовин. Далі утворюються мікросфери - кулясті тіла, що виникають при розчиненні і конденсації абіогенно-одержаних білковоподібних речовин.

На підтвердження можливості абіогенного синтезу були проведені наступні досліди. Впливаючи на суміш газів електричними розрядами, що імітують блискавку, і ультрафіолетовим випромінюванням, учені одержували складні органічні речовини, що входять до складу живих білків. Органічні сполуки, що грають велику роль в обміні речовин, були штучно одержані при опромінюванні водних розчинів вуглекислоти. Були штучно синтезовані амінокислоти і прості нуклеїнові кислоти. Цими експериментами було доведено, що абіогенне утворення органічних сполук у Всесвіті могло відбуватися в результаті взаємодії теплової енергії, іонізуючого і ультрафіолетового випромінювань і електричних розрядів.

Початком життя на Землі прийнято рахувати появу нуклеїнових кислот, здатних до відтворення білків. Перехід від складних органічних речовин до простих живих організмів наукою поки не встановлений. Теорія біохімічної еволюції пропонує лише загальну схему. Відповідно до неї між коацерватами (згустками органічних речовин) могли шикуватися молекули складних вуглеводнів, що приводило до утворення примітивної клітинної мембрани, що забезпечує коацерватам стабільність. В результаті включення в коацерват молекули, здатної до самовідтворення, могла виникнути примітивна клітина, здатна до росту.

Наступним кроком в організації живого повинно було бути утворення мембран, які відмежовували суміші органічних речовин від навколишнього середовища. З їх появою і виходить клітина - «одиниця життя», головна структурна відмінність живого від неживого. Всі основні процеси, що визначають поведінку живого організму, протікають в клітинах. Тисячі хімічних реакцій відбуваються одночасно для того, щоб клітина могла одержати необхідні поживні речовини, синтезувати спеціальні біомолекули і видалити відходи.

Синтез білка здійснюється в цитоплазмі клітини. Майже в кожній з клітин людини синтезується понад 10000 різних білків. Величина клітин - від мікрометра до одного метра (у нервових клітин, що мають відростки). Клітини мають різне призначення (нервові, м'язові і т. ін.). Більшість з них мають здатність відновлюватися, але деякі - не відновлюються.

Сьогодні вже не викликає сумнівів гіпотеза В.І. Вернадського, який припустив, що життя відразу виникло у вигляді примітивної біосфери. Він був правий у тому, що тільки різноманітність видів живих організмів могла забезпечити виконання всіх функцій живої речовини в біосфері. Жива речовина - це вся сукупність живих організмів нашої планети. Біосфера зовнішня геологічна оболонка Землі, що утворює у її поверхні плівковий шар. Це - системне утворення, що включає живу речовину планети і місце її існування, перетворене нею. Саме таке розуміння біосфери було запропоноване В.І. Вернадським. Він же вперше намалював панораму історичного розвитку біосфери і показав роль живої речовини в процесі еволюції Землі, невіддільність еволюції біосфери від геологічної історії планети.

Вернадський довів, що життя є найпотужнішою геологічною силою, яку цілком можна порівняти як за енергетичними витратами, так і по зовнішнім ефектам з такими геологічними процесами, як горотворення, виверження вулканів, землетруси і таке ін. Життя не просто існує в навколишньому середовищі, але активно формує це середовище, перетворюючи його «під себе». Вернадський виділив біогеохімічні функції життя, що відповідають за це. До них відносяться: газова - поглинання і виділення кисню, вуглекислого газу і ін.; окислювальна - утворення карбонатів, сульфідів, з'єднань з азотом, сіркою, фосфором, залізом, марганцем і ін.; відновна - десульфінування, денітрифікація і т.ін.; концентрація і виділення солей кальцію; концентрація фосфору, калію, бору, азоту, сірки, кальцію, натрію, цинку в ґрунтах і осадових породах; синтез і руйнування органічної речовини. І сьогодні ми можемо сміливо говорити, що все обличчя сучасної Землі, всі її ландшафти, всі осадові породи, метаморфічні породи (граніти, гнейси, що утворюються з осадових порід), запаси корисних копалини, сучасна атмосфера є результатом діяльності живої речовини.

Сліди найдавніших організмів виявлені в крем'янистих пластах Західної Австралії, вік яких, а отже, і вік останків життя оцінений 3,2 - 3,5 мільярдів років. Це нитчасті і округлі мікроорганізми, що мінералізувалися, приблизно десятка різних видів, що нагадують, найпростіші бактерії і мікроводорості. Організми, мабуть, мали внутрішні структури, в них були присутні хімічні елементи, з'єднання яких були здатні здійснити фотосинтез. Виявлені найдавніші організми нескінченно складні в порівнянні з найскладнішим з відомих органічних сполук не живого (абіогенного) походження. Немає сумнівів, що це не найбільш ранні форми життя і що існували їх стародавні попередники. Витоки життя йдуть в той «темний» перший мільярд років існування Землі як планети, який не залишив слідів в її геологічній історії. Так, є дані, що відомий біогеохімічний цикл вуглецю, пов'язаний з фотосинтезом в біосфері, істотно стабілізувався більше 3,8 мільярдів років тому. А це дозволяє вважати, що фотоавтотрофна біосфера існувала на нашій планеті не менше 4 мільярдів років тому. Але за всіма даними цитології і молекулярної біології, фотоавтотрофні організми були вторинними в процесі еволюції живої речовини. Автотрофному способу живлення живих організмів повинен був передувати гетеротрофний (споживання як їжу інших організмів), як більш простій. Автотрофні організми, що будують своє тіло за рахунок неорганічних мінеральних речовин, мають пізніше походження.

Найдавніше життя, ймовірно, існувало як гетеротрофні бактерії, що одержували їжу і енергію від органічного матеріалу абіогенного походження, що утворилося ще раніше, на космічній стадії еволюції Землі. Виходячи з цього неважко собі уявити, що початок життя як такий відсовується ще далі, за межі кам'яного літопису земної кори, тобто більш ніж на 4 мільярди років тому.

Враховуючи вищесказане, неважко дійти загального висновку про те, що життя на Землі існує приблизно стільки ж часу, скільки існує сама планета. Саме це мав на увазі Вернадський, коли говорив про вічність життя на Землі.

 

Формування біосфери Землі

Існування всіх живих організмів нерозривно пов'язане з навколишнім світом. В процесі своєї життєдіяльності живі організми не тільки споживають продукти навколишнього середовища, але і корінним чином перетворюють природу. У природознавстві вивчення життя як цілісного феномена в його тісному зв'язку з навколишньою природою одержало назву вчення про біосферу.

Термін «біосфера» був введений в науковий обіг австрійським геологом Едуардом Зюссом, який мав на увазі під ним сукупність живих організмів, що мешкають на нашій планеті. У цьому його значенні поняття «біосфера» не брало до уваги зворотної дії біосфери на навколишнє середовище.

Поступово, на основі спостережень, експериментів і дослідів, учені приходять до переконання, що живі організми також впливають на фізичні, хімічні і геологічні чинники навколишнього світу. Результати їх досліджень негайно позначилися при вивченні загальних проблем дії біотичних (живих) чинників на абіотичні (фізичні) умови. Так виявилось, наприклад, що склад морської води багато в чому визначається активністю морських організмів. Рослини, що живуть на піщаному ґрунті, значно міняють його структуру. Живі організми контролюють навіть склад нашої атмосфери. Всі ці приклади свідчать про наявність зворотного зв'язку між живою і неживою природою, в результаті якої жива речовина значною мірою міняє обличчя нашої планети. Таким чином, біосферу не можна розглядати у відриві від неживої природи, від якої вона, з одного боку, залежить, а з іншою сама впливає на неї. Тому в сучасній науці під біосферою розуміється сукупність всіх живих організмів разом з місцем існування, в яке входять: вода, нижня частина атмосфери і верхня частина земної кори, населена мікроорганізмами. Два головні компоненти біосфери - живі організми і їх їжа - безперервно взаємодіють між собою і знаходяться в тісній, органічній єдності, утворюючи цілісну динамічну систему.

Розвиток біосфери Землі можна розглядати як послідовну зміну трьох етапів. Перший етап - відновний - почався ще в космічних умовах і завершився появою на Землі гетеротрофної біосфери. Можна припустити, що рання Земля спочатку була холодним тілом, оточеним розрідженою відновною атмосферою - сумішшю метану, аміаку, пари води, при загальному тиску не більше 1 – 10 мм рт. ст. Температура поверхні досягала приблизно -50 - 60°С, так що вода крижаним покривом оточувала літосферу. Під дією сонячних і космічних частинок, що проникали через розріджену атмосферу, відбувалася її іонізація: атмосфера знаходилася в стані холодної плазми. Атмосфера ранньої Землі була насичена електрикою, в ній спалахували часті розряди. У таких умовах йшов швидкий і одночасний синтез різноманітних органічних сполук, у тому числі і вельми складного складу. Ці сполуки (як і ті, що потрапили на Землю у вже готовому вигляді з космосу) були відповідною сировиною, з якої на наступній стадії еволюції могли утворитися білки і нуклеотиди.

Низька температура і холодна атмосфера плазми створювали умови для успішного протікання процесів полімеризації. Біополімери, що виникли, стали попередниками, тих, з яких потім будувалося життя. Їх утворення протікало в атмосфері, звідки вони випадали на крижаний покрив Землі, накопичуючись в ньому. В умовах гігантського природного холодильника вони добре зберігалися до кращих часів. Радіоактивне розігрівання надр Землі збудило тектонічну діяльність, запрацювали вулкани. Виділення газів ущільнило атмосферу, відсунувши межу іонізації в її верхні шари. Розтанув крижаний покрив, утворивши первинні водоймища. Розморожування активізувало хімічну діяльність накопичених біополімерів, вуглеводів, жирів. Вони зазнавали самозбірки, утворюючи стабільні мікросфери (коацерватні краплі), відбувся стрибок, характерний для самоорганізації речовини, утворився протобіонт - молекула РНК, що відповідала відразу за дві основні функції живої системи: обмін речовин і відтворення матеріальних основ цієї системи.

На першому етапі розвитку біосфери з'явилися малі одноклітинні анаероби (організми, що живуть за відсутності кисню) і прокаріоти (організми, позбавлені оформленого ядра), фізіологічні процеси яких ґрунтувалися не на кисневому окисленні, а на бродінні. Вони починають виробництво вільного кисню, що приводить до окислювальних процесів на земній поверхні і в океані. Це були гетеротрофні організми, їжею для яких служили раніше накопичені органічні сполуки, розчинені у водах первинного океану. Таким чином, очевидно, первинна біосфера обмежувалася водним середовищем. Тривалість її існування була в геологічних масштабах невелика, оскільки первинні гетеротрофні організми, володіючи властивостями живої речовини, швидко розмножилися і, природно, швидко вичерпали свою живильну базу. Тому, досягнувши максимальної біомаси, вони повинні були вимерти або перейти до автотрофного фотосинтетичного способу живлення. Цей новий спосіб живлення сприяв швидкому розселенню організмів у поверхні первинних водоймищ. Але первинна поверхня Землі, позбавлена вільного кисню, піддавалася ультрафіолетовому випромінюванню Сонця. Тому, можливо, первинні фотохімічні організми використовували радіацію ультрафіолетової області спектру. Тільки після виникнення озонового екрану у зв'язку з появою вільного кисню як побічного продукту того ж фотосинтезу автотрофний фотосинтетичний процес почав використовувати випромінювання у видимій частині сонячного спектру. Первинні гетеротрофні мікроорганізми мешкали в стародавніх водоймищах лише деякий час. Потім їх відтіснили фотоавтотрофні організми, що створили вільний кисень, який став смертельною отрутою для гетеротрофів. Можна припускати, що в ранньому океані відбувалася боротьба між первинними і вторинними організмами, яка завершилася перемогою автотрофів. Це склало зміст другого етапу еволюції біосфери - слабоокислювального, головним результатом якого стала поява фотосинтезу.

Але процес насичення атмосфери киснем йшов украй повільно. Так, вміст кисню в одну тисячну частку сучасної концентрації був досягнутий лише близько 1,2 мільярдів років тому. Але вже цього виявилося достатньо, щоб у складі біосфери(поки тільки в океані) з'явилися перші еукаріоти, життєдіяльність яких була основана на кисневому диханні. Починається окислювальний етап еволюції біосфери.

У природознавстві існує поняття «точка Пастера» - така концентрація вільного кисню, при якій кисневе дихання стає ефективнішим (приблизно у 50 разів) способом використання зовнішньої енергії Сонця, чим анаеробне бродіння. Після переходу через точку Пастера перевагу одержують організми, здатні до кисневого дихання. Цей критичний рівень рівний приблизно 0,01 від сучасного значення. Цей рубіж Земля переступила, за різними даними, 2,5 - 0,6 мільярдів років тому. Потім, за яких-небудь пару сотень мільйонів років, насиченість атмосфери Землі киснем досягла сучасного рівня і відбувся справжній біологічний вибух - в океані з'явилися не тільки нові багатоклітинні еукаріоти, але і практично всі типи тварин.

Близько 400 мільйонів років тому, коли концентрація вільного кисню досягла 10 відсотків від сучасної, виник озоновий екран, що оберігає живу речовину від жорсткого випромінювання, і життя вийшло на сушу. Як тільки це трапилося, різко зросла інтенсивність реакцій фотосинтезу, а отже, і надходження кисню в атмосферу. Завдяки цьому вже за 100 мільйонів років був досягнутий сучасний рівень концентрації кисню в 21 відсоток. Після цього ситуація з киснем стала близькою до рівноваги. За цей час з'явилися папороті, хвощі, насінні папороті. Розвиток наземної рослинності і утворення ґрунтів створили передумови для виходу на поверхню континенту тварин. В результаті еволюції рослинного світу в мезозойській ері виникли ліси хвойних і квіткових рослин, повні життя.

В процесі формування біосфери, приблизно 1 млрд. років тому відбулося розділення живих істот на два царства рослин і тварин. Як вважають більшість біологів, їх потрібно робити на основі трьох ознак: 1) по структурі клітин і їх здатності до росту; 2) за способом живлення; 3)по здатності до руху.

При цьому відносити живу істоту до однієї з цих частин слід не по кожній окремій ознак, а по сукупності всіх трьох. Це пов'язано з тим, що між рослинами і тваринами існують перехідні типи, які володіють властивостями тієї і іншої групи. Так, наприклад, корали, молюски, річкова губка все життя залишаються нерухомими, як рослини, але за іншими ознаками їх відносять до тварин. Існують комахоїдні рослини, які за способом живлення відносяться до тварин. У біології відомі також перехідні типи живих організмів, які харчуються як рослини, а рухаються як тварини. В даний час на Землі існує 500 тис. видів рослин і 1,5 млн. видів тварин, зокрема хребетних – 70 тис., птахів – 16 тис., ссавців – 12540 видів.

Формування і розвиток біосфери постає як чергування етапів еволюції, що перериваються стрибкоподібними переходами в якісно нові стани. В результаті при цьому утворювалися все більш складні і впорядковані форми живої речовини. У історії біосфери бували тимчасові зупинки прогресивного розвитку, але вони ніколи не переходили в стадію деградації, повороту розвитку назад. Щоб переконатися в цьому, досить подивитися на основні віхи в історії розвитку біосфери:

- поява простих клітин-прокаріотів (клітини без ядра);

- поява значно більш організованих клітин-еукаріотів (клітини з ядром);

- об'єднання клітин-еукаріотів з утворенням багатоклітинних організмів, функціональна диференціація клітин в організмах;

- поява організмів з твердими скелетами і формування вищих тварин;

- від виникнення у вищих тварин розвиненої нервової системи до формування мозку як органу збору, систематизації, зберігання інформації і управління на її основі поведінкою організмів;

- формування розуму як вищої форми діяльності мозку;

- утворення соціальної спільності людей - носіїв розуму.

Вершиною направленого розвитку біосфери стала поява в ній людини. В ході еволюції Землі на зміну періоду геологічної еволюції прийшов період геолого-біологічний, який з появою людини поступився своїм місцем періоду соціальної еволюції. Найкрупніші зміни в біосфері Землі наступили саме в цей період. Поява і розвиток людини ознаменувала перехід біосфери в ноосферу - нову оболонку Землі, область свідомої діяльності людства.


Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 530; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!