Концепции происхождения жизни.

Для понимания эволюционных процессов большую роль играют концепции происхождения жизни. Таких концепций известно несколько:

• креационизм — божественное сотворение живого;

• концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества;

• концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

• концепция панспермии — внеземного происхождения жизни;

• концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

К началу XX века в науке получили широкое распространение последние две концепции. Концепция эволюционного происхождения жизни на Земле формулируется в двух вариантах: происхождение жизни — результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого (Ж. Моно); жизнь — результат закономерной эволюции материи. Этой проблемой занимались многие отечественные (В. Комаров, В. Омелянский, Л. Берг, Н. Холодный и др.) и зарубежные (Дж.С. Холдейн, Д. Бернал и др.) исследователи. Широкую известность получила концепция А. Опарина, которая предстала как итог обобщения доказательств возникновения жизни на Земле в результате закономерного процесса перехода химической формы организации материи в биологическую:

• образование из неорганических веществ, в отсутствии живых организмов, т.е. абиогенно, простейших органических соединений (углеводородов) и их накопление;

• дальнейшие превращения органических веществ и образование абиогенным путем более сложных и разнообразных органических соединений;

• выделение в первичном «питательном бульоне» особых коацерватных капель — предбиологических систем, представляющих собой группы полимерных соединений;

• возникновение упорядоченности, определенной последовательности реакций; образование мембраны, появление линейных нитчатых структур, способных к самовоспроизведению, репликации, изменчивости.

Современные гипотезы происхождения жизни исходят из представления об образовании в определенных условиях сложно организованных органических молекул-коагулянтов, гелей и коацерватов. У этих коллоидных образований на поверхности могут происходить процессы, напоминающие метаболизм живых организмов (гипотеза Опарина—Холдейна). Сопоставление вероятности определенного сочетания 6000 нуклеотидов и времени, необходимого для этого, с временем существования Вселенной, указывало на важность поиска более быстрых, скачкообразных механизмов образования нужных структур. Открытие генетического кода в середине 50-х годов стимулировало интенсивные биохимические исследования. М. Эйген для объяснения ускорения эволюционного процесса выдвинул идею конкуренции гиперциклов химических реакций, которые ведут к образованию белковых молекул.

Упомянутые выше определенные условия, обусловившие происхождение жизни, возникли в процессе эволюции биосферы, когда возникли благоприятные условия для зарождения жизни, ее развития и, наконец, для появления человека. Жизнь стала наиболее характерной особенностью природной среды на Земле. Причин такой уникальности Земли много, важно и их определенное сочетание, но одна из главных причин - это сильная обводненность нашей планеты.

Эволюция химических соединений, приведшая к зарождению жизни, началась тоже с появления на Земле масс жидкой воды, т. е. с ранней геологической истории. Эта начальная фаза датируется разными исследователями неодинаково, расхождения составляют сотни миллионов лет. Точно так же по-разному оценивается продолжительность действия направленного процесса образования организмов. Время образования предбиологических систем (коацерватов) продолжалось около 1 млрд. лет. Самые ранние остатки живых организмов возрастом 3,1 млрд. лет обнаружены в сланцах Трансвааля в Южной Африке. Это бактериоподобные образования размером 0,56·0,24 мкм. В более поздних отложениях (1,9 млрд. лет) в районе озера Онтарио, где залегают черные сланцы, были найдены остатки многих видов ископаемых растений: от разнообразных одноклеточных до нитчатых форм. Многие из них напоминали современные сине-зеленые водоросли. Обнаруженные в Южной Австралии ископаемые остатки, датируемые 0,9-1,0 млрд. лет назад, т. е. - приблизительно конец среднего протерозоя, - относятся к весьма разнообразным организмам. Среди них отпечатки 13 видов медузообразных кишечнополостных, несколько видов организмов, близких восьмилучевым кораллам, некоторые виды червей и животных, не похожих на формы более позднего времени. Из выше изложенного видно, что еще задолго до кембрия жизнь на Земле была весьма многообразной. Уже существовал биотический круговорот вещества и энергии. В результате активного синтеза образовалось много кислорода, за счет которого в верхней атмосфере появился озон - защитный экран от проникновения на земную поверхность волн ультрафиолетовой радиации.

Палеозойская эра - это время древней жизни. Суша в начале палеозоя представляла собой голую пустыню, лишенную как растительных, так и животных организмов. Лишь на прибрежных камнях встречались пленки водорослей и подушки растений, похожих на мох. В море же обильно развивались сине-зеленые и красные водоросли, а также представители почти всех типов животных. Среди них господствующее положение занимали первые членистоногие - трилобиты. В силуре наряду с обогащением моря организмами происходит массовое заселение суши растениями. В развитии биосферы выход растений на сушу. В девоне продолжалось распространение растений на суше; население моря в общем сохранило свои особенности от прежнего времени. Карбон известен как период необычайного развития наземной растительности в условиях жаркого влажного климата. Такие условия способствовали произрастанию огромных древовидных плаунов, хвощей, папоротников и отложению их в прибрежных осадках.

Мезозойская эра, время "средней" жизни, характеризуется дальнейшим развитием растительного и животного мира, как на суше, так и на море. В триасе произошло взрывное развитие пресмыкающихся и началось массовое распространение рептилий - динозавров, черепах, древних крокодилов, ихтиозавров. В конце периода появились первые млекопитающие.

Начиная с древнейших времен и до современной эпохи, происходит непрерывное развитие биосферы - увеличение разнообразия живых форм и усложнение их организации. Жизнь, зародившись в море, захватила и сушу. В результате жизнедеятельности организмов происходило существенное преобразование и среды, что в свою очередь влияло на развитие живого вещества. Извлекая из окружения средства существования, жизнь изменяет среду своего существования, а, следовательно, должна изменяться и сама.

Первые представления о биосфере и ее роли в истории Земли дал в своей работе «Гидрология» Ж.-Б. Ламарк, хотя само понятие «биосфера» им не употреблялось. Развивая эти идеи, А. Гумбольдт ввел понятие «жизненная среда», под которой мыслил атмосферные, морские и континентальные явления и процессы, а также весь органический мир. Ф. Ратцель назвал поверхность нашей планеты «пространством жизни», а Э. Зюсс — биосферой. Однако целостное учение о биосфере (греч. bios — жизнь, sphaira — шар, оболочка) было создано В.И. Вернадским.

Биосфера — это часть оболочек земного шара (атмосферы, гидросферы, литосферы), которая заселена живыми существами. Вернадский определил биосферу как термодинамическую оболочку с температурой от + 50°С до -50°С и давлением около 1 атм. Эти условия определяют границы жизни для большинства организмов. Биосфера ограничивается воздействием солнечного излучения. Ее верхняя граница свыше 22 км над уровнем моря. В океанах нижняя граница жизни простирается до глубин свыше 10 км. В твердую земную оболочку (литосферу) организмы проникают до глубины 4 - 5 км. Все живые организмы в совокупности образуют биомассу планеты (0,01% массы земной коры).

Роль живых организмов в процессах, имеющих место в биосфере, огромна. Их деятельность обусловливает химический состав атмосферы, концентрацию солей в гидросфере, образование и разрушение горных пород в литосфере, формирование почвенного покрова и т.д.

Так, сухой воздух приземного слоя атмосферы состоит из азота (78,084 об. %), кислорода (20,946 об. %), аргона (0,934 об. %), углекислого газа (0,033 об. %), т.е. из четырех основных газов, составляющих атмосферу. При этом только аргон не связан с жизнедеятельностью организмов, поступление же и расход кислорода, азота и углекислого газа регулируется организмами. В верхних слоях тропосферы из кислорода образуется озон, молекулы которого поглощают ультрафиолетовые лучи. Благодаря озонному экрану возможно существование жизни на Земле.

Химический состав природных вод формируется под воздействием организмов, которые способствуют разрушению горных пород и вымыванию из них ряда веществ. Затем эти вещества речным стоком поступают в мировой океан.

Органогенное происхождение имеют известняки (образующиеся в морях из скелетов организмов), диатомит, угли, горючие сланцы, нефть.

Организмы способствуют и образованию почв. Исходным материалом для почвообразования выступают поверхностные слои горных пород. Из них под воздействием микроорганизмов, растений и животных формируется почвенный покров. Организмы концентрируют в своем составе биогенные элементы. После отмирания организмов эти элементы переходят в состав почвы. В почве находится огромное количество микроорганизмов.

Итак, большая роль живых организмов в биосфере связана с их способностью:

• аккумулировать и трансформировать солнечную энергию;

• размножаться и тем самым обеспечивать непрерывность своей деятельности;

• совершать с огромной скоростью химические реакции.

Учение о биосфере Вернадского исходит из ряда принципов. К ним относятся:

• принцип целостности биосферы, определяемый условиями существования жизни: гравитационной постоянной, константой сильного взаимодействия, постоянной электромагнитного взаимодействия;

• принцип гармонии биосферы и ее организованности;

• роль живого в эволюции Земли;

• космическая роль биосферы в трансформации энергии;

• живое вещество растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции, а скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества;

• живое вещество на планете рассеяно неравномерно. Однородные участки территории (акватории), заселенные живыми организмами, называются биотопами, а исторически сложившееся сообщество организмов, населяющих биотоп, получило название биоценоза. Биоценоз вместе с окружающей его неживой природой — элементарная структура активной части биосферы; функция биогеоценоза — круговорот материи на занимаемой им территории.

Зеленые растения, используя солнечную энергию и потребляя необходимые питательные вещества, создают биомассу, в процессе фотосинтеза и дыхания поддерживают баланс кислорода и углекислого газа в воздухе, а благодаря транспирации участвуют в круговороте воды. За счет биомассы, синтезированной автотрофными организмами, существуют гетеротрофы — потребители. Отмершие организмы и их части служат пищей животным — сапрофитам и микроорганизмам (грибы, бактерии), минерализирующим их. С их деятельностью связана биогенная миграция азота, фосфора, калия, кальция и других элементов, попадающих в почву и используемых из нее растениями.

Между всеми компонентами биоценоза устанавливается динамическое равновесие — экологический гомеостаз. Возрастание численности какого-либо вида организмов приводит к массовому появлению его потребителей.

Развитие биосферы выступает как чередование этапов эволюции, когда скачкообразные переходы приводят к новому качественному ее состоянию. Выше, при обсуждении условий возникновения жизни, мы уже рассмотрели основные этапы начального периода эволюции биосферы. Перечислим теперь важнейшие вехи в ее истории:

• появление простейших клеток — прокариотов;

• появление более организованных клеток — эукариотов;

• объединение клеток-эукариотов с образованием многоклеточных организмов (функциональная дифференциация клеток в организмах);

• появление организмов с твердыми скелетами, открывшее путь к образованию высших животных;

• возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование мозга;

• формирование разума как высшей формы деятельности мозга;

• образование социальной общности людей — носителей разума.