Этапы развития жизни и их роль в эволюции земли

Реферат

На тему: «Принципы биологической эволюции».

КазНУ им. аль-Фараби.

Факультет химии и химических технологий

ХО-101

Кенжебаева Салика.

Принципы биологической эволюции.

Введение

Термин «эволюция» широко применяется в различных областях науки. Говорят об эволюции атомов, галактик, Земли, машин, общества, методов познания и т.д., подразумевая под этим последовательные изменения исходного состояния во времени, ведущие к возникновению чего-то нового.

Биологическая эволюция существенно отличается от других «эволюций». В ее основе лежат уникальные процессы самовоспроизведения макромолекул и живых организмов, таящие в себе (как показывает история развития жизни на Земле) почти неограниченные возможности преобразования живых систем в ряду поколений.

Биологическая эволюция многообразна по процессам и результатам. Биологическая эволюция – необратимое и в известной степени направленное историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава популяций, формированием адаптации, образованием и вымиранием видов, преобразованиями биогеоценозов и биосферы в целом. Результатом биологической эволюции всегда является соответствие развивающейся живой системы условиям ее существования. Достижение этого соответствия сопряжено с преимущественным распространением одних и гибелью других дискретных биологических систем.

Появление живых организмов

От античных времен до средних веков многие философы и ученые считали, что живые организмы могут возникать из неживой материи. Но эта принципиально важная мысль не получала доказательств.

Выдающийся французский микробиолог Луи Пастер поставил точку в спорах о самозарождении жизни, доказав, что даже микробы - мельчайшие свободноживущие клетки - не могут возникать из мертвой, прокипяченной питательной среды. Он придумал знаменитую колбу с длинным S-образным горлышком, в которой после кипячения бульона, несмотря на то, что горлышко оставалось открытым и доступным для «жизненной силы», микробы, тем не менее, не заводились.

Восторжествовал закон: все живое - от живого. Но значило ли это, что жизнь не могла зародиться на Земле из неживого субстрата в доисторические времена, когда еще не было никаких организмов, да и состав земной поверхности, вероятно, был другим, нежели в современную эпоху.

Существует интересная гипотеза вечности жизни, которая в представлениях шведского физико-химика конца XIX века Аррениуса известна как теория панспермии. Согласно этой гипотезе жизнь всегда присутствует в космосе в виде мельчайших спор микроорганизмов, которые мигрируют между планетами, галактиками в составе комет, метеоритов и других космических тел, пересекающих большие пространства.

Существует еще теория направленной панспермии, согласно которой жизнь в виде простейших организмов на Землю занесли инопланетяне, опередившие нас по уровню развития на миллиарды лет.

В современной биологии сложилось два подхода к объяснению этих механизмов и соответственно две модели абиогенного происхождения жизни: бульонно-коацерватная и твердоматричная модели.

Бульонно-коацерватная модель исходит из того, что сложные органические вещества возникли в растворах (в «бульоне»), из которых формировались коацерваты - прямые предшественники протоклеток. Уже Ламарк в 1802 г. высказал идею о самопроизвольном зарождении живого под действием «флюидов» - теплоты и электричества. Позднее Чарльз Дарвин в одном из частных писем высказывал мысль о самозарождении жизни на Земле в каком-нибудь «маленьком теплом водоеме». Он допускал, что жизнь возникла из молекул химических веществ, которые под действием света, тепла и электричества взаимодействовали, давая сложные соединения. При этом Дарвин замечал, что такое было возможно только в эпоху первобытной Земли, так как в современных условиях всякий новый организм становился бы жертвой конкуренции или хищничества со стороны уже существующих организмов.

В 20-е годы XX века гипотеза возникновения жизни на основе химической эволюции была детально разработана российским академиком А. О. Опариным и, независимо от него, американцем Дж. Холденом, а позднее получила некоторые экспериментальные подтверждения. В современном толковании, согласно этой гипотезе, жизнь возникла из неорганических веществ в несколько этапов, причем химическая эволюция перешла в биологическую эволюцию.

Возраст Земли определяют в 5-7 млрд лет. В этот ранний период наша планета представляла раскаленное газо-пылевое облако. Около 4 млрд лет назад образовалась кора. Примерно 3,6 млрд лет назад уже возникла жизнь. По геологическим данным первые организмы - бактерии и сине-зеленые водоросли - населяли воды мирового океана: моря, лагуны, ванны, гидротермы (места выхода горячих газов). Но появлению микроорганизмов предшествовала длительная химическая эволюция, в ходе которой на первом этапе из неорганических веществ синтезировались органические биополимеры.

По Опарину 4 млрд лет назад атмосфера земли состояла из аммиака (NH₃), метана (CH₄), углекислого газа (CO₂) и паров воды (H₂O). По современным данным аммиак и метан, возможно, отсутствовали, но не исключается наличие водорода (Н₂), хлора (Cl₂), азота (N₂), сероводорода (H₂S). Газы вырывались из остывающего центра земного «облака». Кислород не доходил до атмосферы, окисляя по пути различные вещества. Когда температура поверхности упала ниже 100 градусов, начался период горячих дождей, сформировался мировой океан, многочисленные моря и мелкие водоемы.

В 1953 г. молодой американский аспирант С. Миллер сумел воспроизвести в колбе искусственный абиогенный синтез органических веществ. Из метана, аммиака, водорода и воды при температуре 80 градусов Цельсия, при высоком давлении и при пропускании электрических разрядов напряженностью 60 тысяч вольт он получил жирные кислоты, мочевину, уксусную кислоту и, самое главное, прямые предшественники белка – аминокислоты. Позднее американец С. Фокс при нагревании смеси аминокислот синтезировал и сам белок - в виде простейшего полипептида. Были получены также и нуклеотиды - предшественники ДНК и РНК.

Таким образом, теория Опарина-Холдена совершала триумфальное шествие в лабораториях биохимиков середины XX века. Однако появилась и альтернативная версия о том, что органические вещества могли приноситься на Землю в составе комет и метеоритов. Но как бы там ни было, от органических веществ до простейшей клетки - дистанция большого размера. Как представлял себе Опарин, на втором этапе химической эволюции происходило концентрирование органических веществ в плотных капельках - коацерватах.

Твердоматричная модель происхождения жизни исходит из того, что органические вещества образовались не в растворе, а на твердых фазах минералов. Минеральная поверхность может служить катализатором, то есть резко ускорять реакции синтеза, и одновременно образцом (матрицей) для той химической структуры, которая на ней синтезируется.

Современная наука уже располагает знаниями, достаточными, чтобы утверждать: жизнь возникла на первобытной Земле вполне естественным путем как процесс самоорганизации, на основе преобразования неорганических субстратов в органические макромолекулярные комплексы и, далее, в протоклетки. Что касается конкретных механизмов образования органических комплексов, то, как показывает последний материал, будущее, очевидно, за твердоматричными моделями, среди которых наиболее продуктивна модель апатитовой матрицы.

Этапы развития жизни и их роль в эволюции земли

Как уже было отмечено выше, первые следы жизни на Земле датируются возрастом примерно 3,6 млрд, или 3600 млн, лет. Таким образом, жизнь возникла вскоре после образования земной коры. Историю развития жизни изучают по данным геологии и палеонтологии, поскольку в структуре земной поверхности сохранилось много ископаемых остатков, произведенных живыми организмами. Это - так называемые осадочные породы, содержащие огромные пласты мела, песчаников и других пород, представляющих донные осадки известковых раковин одноклеточных фораминифер, кораллов, моллюсков, кремниевые скелеты и другие твердые остатки древних организмов.

Изменение форм жизни на Земле шло параллельно с геологической перестройкой структуры и рельефа земной коры, состава атмосферы, границ мирового океана и другими геологическими процессами. Эти изменения и обусловливали в решающей степени направление и динамику биологической эволюции. В соответствии с наиболее значительными событиями гео-биологической эволюции в истории Земли выделяют крупные интервалы времени - эры, внутри них - периоды, в пределах периодов - эпохи и т. д. Проследим и мы наиболее важные события, менявшие шаг за шагом биосферу нашей планеты

Тогда весь период развития жизни на Земле как раз и составит один условный год нашего календаря - от 1 января (3600 млн. лет тому назад), когда образовались первые протоклетки, до 31 декабря (0 лет), когда живем мы с вами. Как видим, отсчет геологического времени принято вести в обратном порядке.

Архейская эра (эра древнейшей жизни) - от 3600 млн лет до 2600 млн лет, протяженность 1 млрд лет - примерно четверть всей истории жизни (на нашем условном календаре это - январь, февраль, март и несколько дней апреля). В Архейскую эру возникли про- и эукариотные клетки с разным типом питания и энергетического обеспечения и наметился переход к многоклеточным организмам.

Протерозойская эра (эра ранней жизни) - от 2600 до 570 млн лет - самая протяженная эра, охватывающая около 2 млрд лет, то есть более половины всей истории жизни (на нашем условном календаре это период от апреля до начала ноября). Конец Протерозоя ознаменовался и очень важным геологическим событием, которое сильно повлияло на дальнейшую биологическую эволюцию. В течение Протерозойской эры господство прокариот сменилось господством эукариот, произошел радикальный переход от одноклеточности к многоклеточности, сформировались все основные типы животного царства.

Палеозойская эра (эра древней жизни) - от 570 до 230 млн лет - общая протяженность 340 млн лет. Очередной период интенсивного горообразования, по которому и проводят разделение Протерозоя и Палеозоя, привел к изменению рельефа земной поверхности. Посреди бывшего океана встали материки, бывшие участки суши оказались под водой. В этих условиях судьба большинства групп организмов решалась радикально - быть или не быть. Некоторые группы вымерли, но другие приспосабливались и осваивали новые среды обитания вслед за изменениями земной поверхности и климата. Следует обратить внимание на то, что большинство групп организмов, зародившихся в прежние эпохи, продолжают сосуществовать с вновь появляющимися молодыми группами, хотя многие сокращают свой объем. Природа расстается с теми, кто не соответствует меняющимся условиям, но максимально сохраняет удачные варианты, отбирает и развивает из них наиболее приспособленные и, кроме того, создает новые формы.

Общий итог Палеозоя - заселение суши растениями, грибами и животными. При этом и те, и другие, и третьи в процессе своей эволюции усложняются анатомически, приобретают новые структурные и функциональные приспособления для размножения, дыхания, питания, способствующие освоению новой среды обитания. Эволюция идет по пути морфофизиологического прогресса. Завершается Палеозой, когда на нашем календаре 7 декабря. Природа торопится, темп эволюции в группах высок, сжимаются сроки преобразований, но на сцену только выходят первые пресмыкающиеся, а время птиц и млекопитающих еще далеко впереди.

Мезозойская эра (эра средней жизни) - от 230 до 67 млн лет - общая протяженность 163 млн лет. Поднятие суши, начавшееся в предыдущем периоде, продолжается. Существует единый материк. Его общая площадь очень велика - значительно больше, чем в настоящее время. Континент покрыт горами, сформированы Урал, Алтай и другие горные массивы. Климат становится все более засушливым. Мезозойская эра полноправно называется эрой пресмыкающихся. За 160 млн лет они пережили свой расцвет, широчайшую дивергенцию по всем средам обитания и вымерли в борьбе с неизбежной стихией. На фоне этих событий огромные преимущества получили теплокровные организмы - млекопитающие и птицы, перешедшие к освоению освобожденных экологических сфер. Но это уже была новая эра. До «Нового года» оставалось 7 дней.

Кайнозойская эра (эра новой жизни) - от 67 млн лет до настоящего времени. Это эра цветковых растений, насекомых, птиц и млекопитающих. В эту эру появился и человек.

Таким образом, каждая очередная крупномасштабная перестройка земной поверхности влекла за собой неизбежные эволюционные преобразования в живом мире. Каждое новое похолодание приводило к вымиранию неприспособленных. Дрейф материков определил различие темпов и направлений эволюции в изолятах.

С другой стороны, прогрессивное развитие и размножение групп растений и животных сказывалось и на самой геологической эволюции.