Начальные этапы биологической эволюции. Первые живые организмы

Еще с детства у меня на полке стоит интересная книжка об истории нашей планеты, которую читают уже мои дети. Постараюсь кратко передать то, что мне запомнилось, и расскажу, когда появились живые организмы.

Когда появились первые живые организмы

Зарождение произошло благодаря ряду благоприятных условий не позже чем 3,5 млрд. лет назад - в архейскую эру. Первые представители живого мира имели простейшее строение, однако постепенно в результате естественного отбора сложились условия для усложнения организации организмов. Это привело к появлению совершенно новых форм.

Итак, последующие периоды развития жизни выглядят следующим образом:

• протерозой - начало существования первых примитивных многоклеточных, например, моллюсков и червей. Помимо этого в океанах развивались водоросли - предки сложноорганизованных растений;
• палеозой - это время разлива морей и значительных изменений в очертаниях суши, что привело к частичному вымиранию большей части животных и растений;
• мезозой - новый виток в развитии жизни, сопровождающийся возникновением массы видов с последующим прогрессивным видоизменением;
• кайнозой - особо важный этап - появление приматов и развитие из них человека. В это время планета приобрела привычные нам очертания суши.

Как выглядели первые организмы

Первые существа представляли собой небольшие комочки белков, совершенно не защищенные от какого-либо воздействия. Большая часть погибала, однако выжившие были вынуждены приспосабливаться, что положило начало эволюции.

Несмотря на всю простоту первых организмов, они обладали важными способностями:

• воспроизведение;
• усвоение веществ из окружающей среды.

Можно сказать, что нам повезло - в истории нашей планеты практически отсутствовали радикальные изменения климата. В противном случае даже малое изменение температуры могло уничтожить маленькую жизнь, а значит, не появился бы человек. Первые организмы не обладали ни скелетом, ни раковинами, поэтому ученым достаточно сложно проследить историю по геологическим отложениям. Единственное, что позволяет утверждать о жизни в архее - содержание пузырьков газа в древних кристаллах.

События

Ученые обнаружили старейшие признаки жизни на нашей планете. В скалах северо-западной Австралии были найдены следы микроорганизмов, которым, по мнению специалистов, 3 500 000 000 лет.

Первые живые организмы на Земле

Свидетельство о сложной микро экосистеме было найдено в осадочных породах региона Пилбар в Западной Австралии. Именно эта область известна археологам благодаря самым старым образованиям на Земле различного происхождения.

"Можно говорить о том, что найденные следы микроорганизмов, по всей вероятности, являются старейшими доказательствами жизни на нашей планете", - рассказывает один из исследователей, сделавших важное для науки открытие, Дэвид Уэйси (David Wacey), профессор австралийского Университета.

В интервью Telegraph профессор уверенно говорит о том, что подобного рода находки и открытия свидетельствуют о том, что миллиарды лет назад жизнь на Земле существовала.

Стоит добавить, что есть и другие доказательства обитания живых организмов на нашей планете миллиарды лет назад. Принято считать, что старейшие микроорганизмы были найдены в горных породах Гренландии.

Однако, эти камни настолько обезображены временем и природными условиями, что сказать что-то конкретное про них очень сложно, практически невозможно.

Микроорганизмы, найденные в Пилбаре, можно легко увидеть под микроскопом. С помощью специальных приборов, специалисты смогли без труда определить их возраст, а также наблюдать, как бактерии взаимодействуют с поверхностью пород, на которых они обитают.

Важное научное открытие

По словам профессора Уэлси, разглядеть сами клетки микроорганизмов не представляется возможным. Однако, ученым удалось увидеть следы, оставленные этими организмами. Недалеко от города Порт -Хедленд в скалистой местности исследователи обнаружили явные доказательства жизни на нашей планете миллиарды лет тому назад.

Мы не можем видеть эти организмы, так как они очень малы, однако природа предоставляет возможность увидеть масштабные структуры, построенные микроорганизмами, перед тем как они погибли.

Подобного рода находки представляют огромную ценность для науки. С помощью специальных микроскопов ученые видят то, что не видно глазу человека.

Органический материал, которым, по сути, являются микроорганизмы, разлагаясь, фактически, превращается в ячейки. В итоге мы можем видеть массу, богатую углеродным материалом.

Группа ученых из Австралии и Соединенных Штатов считает, что результаты подобных исследований помогут определить, есть ли жизнь на некоторых планетах, и если есть, то, что за организмы обитают в других цивилизациях.

Профессор Уэсли с уверенностью говорит о том, такие открытия помогают нам понимать жизнь, её зарождение на нашей планете, в какой среде она развивалась, узнать некоторые важные даты, которые повлияли на тот или иной процесс в развитии Земли.

Научные открытия 2013

1. Хромосомный скелет состоит из "вермишели"

Майк Питерс (Mike Peters) и его коллеги из научно–исследовательского Института молекулярной патологии выяснили, что хромосома состоит из молекулярного скелета, основанного на белке кохезин. Статья об открытии этого белка опубликована в журнале "Nature".

2. Сжатие железа лазером

Ученые-физики из Рочестерского исследовательского центра с помощью лазера Омега добились удивительного результата. Благодаря инновационному способу, исследователям удалось сжать железо.

В течение наносекунд на металл оказывалось давление, равное 5,6 миллиона атмосфер. Сам опыт и его результаты были опубликованы в журнале "Phisical Review Letters".

3. Синие куриные яйца

Цвет яиц – это результат генной мутации. Специалисты из Ноттингемского Университета смогли распознать генетическую мутацию, вследствие которой определенные породы кур стали нести яйца синего цвета.

К слову сказать, яйца столь необычного цвета являются последним писком моды, и они - весьма популярный продукт среди гурманов.

Специалисты утверждают, что по сравнению с обычными белыми и коричневыми, голубые яйца отличаются особой изысканностью во вкусе.

4. Остановить свет на одну минуту

Исследователи университета Дармштадт остановили свет на минуту. Благодаря подобным открытиям и экспериментам, открываются окна в неизведанные до сих пор уголки науки, и квантовая физика перестаёт быть загадкой.

5. Способ снять боль от солнечных ожогов

Американские врачи запустили сенсационный проект, аналогов которому ещё не было. По мнению специалистов, если повредить ген TRPV 4, боль от солнечного ожога проходит моментально и полностью.

Подобное открытие позволит создать средство для загара будущего или же поможет избежать солнечных ожогов.

Первые живые организмы были гетеротрофами и в качестве источника энергии (пищи) использовали органические соединения, находящиеся в растворенном виде в водах первичного океана.

Поскольку в атмосфере Земли свободного кислорода не было, они имели анаэробный (бескислородный) тип обмена, эффективность которого невелика. Появление все большего количества гетеротрофных организмов приводило к истощению вод первичного океана, в нем все меньше оставалось готовых органических веществ, которые можно было использовать в пищу.

В этих условиях в преимущественном положении оказались организмы, приобретшие способность использовать энергию света для синтеза органических веществ из неорганических, а именно из СОг и N2 атмосферы. Но СОг и N2 в атмосфере находятся в инертном окисленном состоянии, а чтобы они были способны участвовать в химических реакциях, их надо восстановить, т. е. передать им электроны от других соединений.

Функцию передачи электронов от одного соединения к другому, по-видимому, выполнял активированный светом пигментный комплекс, предшественник современного хлорофилла. Считают, что одним из первых источников (доноров) электронов был сероводород H2S. В результате образуется элементарная сера, а водород используется для восстановления диоксида углерода до углеводов.

В качестве доноров водорода могут быть использованы и другие соединения, в том числе органические. Кислород в процессе фотосинтеза такого типа не выде ляется. Фотосинтез у анаэробных организмов развился на очень раннем этапе истории жизни, они долгое время существовали в бескислородной среде. Такие анаэробные фотосинтезирующие организмы сохранились до наших дней, например серные пурпурные бактерии. Очень важно отметить, что пигментный комп леке сходен с пигментами зеленых растений - хлорофиллом

Следующим шагом эволюции было приобретение фотосинтезирующими организмами способности использовать воду в качестве источника водорода. Автотрофное усвоение СОг такими организмами сопровождалось выделением свободного кислорода. С тех пор в атмосфере Земли постепенно начал накапливаться кислород. По геологическим данным, уже 2,7 млрд. лет назад в атмосфере в небольшом количестве имелся свободный кислород.

Первыми фотосинтезирующими организмами, выделяющими в атмосферу Ог, были цианобактерии (цианеи, их называют еще синезелеными водорослями ). Цианобактерии способны также усваивать из атмосферы и азот. Около 2,1 млрд. лет назад существовали все фотосинтезирующие прокариоты, известные в настоящее время. К этому времени, по-видимому, возникли организмы, имевшие аэробный тип обмена.

Переход от первичной восстановительной атмосферы к среде, содержащей кислород,- важнейшее событие как в эволюции живых существ, так и в преобразовании минералов. Во-первых, кислород, выделяющийся в атмосферу, в верхних ее слоях под действием мощного ультрафиолетового излучения Солнца превращается в активный озон (Оз), который способен поглощать большую часть жестких - коротковолновых - ультрафиолетовых лучей, разрушительно действующих на сложные органические соединения. Во-вторых, в присутствии свободного кислорода возникает возможность энергетически более выгодного кислородного типа обмена веществ, т. е. появления аэробных бактерий. Таким образом, два фактора, обусловленных образованием на Земле свободного кислорода, вызвали к жизни многочисленные новые формы живых организмов и более широкое использование ими окружающей среды.

Как же повлияло накопление молекулярного кислорода в атмосфере на анаэробные организмы, положившие начало жизни на Земле? Они оказались в невыгодном положении. Одни из них вымерли, другие нашли среду обитания, лишенную кислорода, и продолжали там анаэробное существование. Третьи вступили в симбиоз с аэробными клетками. Так возникли эукариотические клетки.

Сущность симбиотической гипотезы возникновения эукариот состоит в следующем.

Полагают, что основой для симбиоза послужили амебоподобные крупные гетеротрофные клетки. В процессе питания вместе с органическими молекулами, находящимися в окружающей среде, они могли захватывать и мелкие бактериоподобные аэробные клетки, способные дышать кислородом. Такие бактерии могли функционировать и внутри клетки-хозяина, производя энергию.

Те амебоподобные хищники, в теле которых аэробные бактерии оставались невредимыми, оказались в более выгодном положении, чем клетки, получившие энергию анаэробным путем. В дальнейшем бактерии- симбионты превратились в митохондрии. На возможность такого пути возникновения митохондрий указывает существование в наше время амеб, у которых нет митохондрий. Их роль выполняют бактерии-симбионты. Когда к поверхности клетки-хозяина прикрепилась другая группа симбионтов - жгутикоподобные бактерии, сходные с современными спирохетами, подвижность и способность к нахождению пищи у такой клетки резко возросли. Так возникли примитивные животные клетки - предшественники ныне живущих жгутиковых простейших.

Образовавшиеся подвижные эукариоты путем симбиоза с фотосинтезирующими прокариотическими организмами (возможно, цианобактериями) дали начало водорослям, т. е. растениям. Фотосинтезирующие бактерии-симбионты стали хлоропластами.

Таким образом, возникновение жизни на Земле носит закономерный характер, и ее появление связано с длительным процессом химической эволюции, происходившей на нашей планете.

Формирование структуры, отграничивающей организм от окружающей среды,- мембраны - способствовало появлению живых организмов и ознаменовало начало биологической эволюции. Как примитивные живые организмы, возникшие около 3 млрд. лет назад, так и более сложно устроенные в основе своей организации имеют клетку. Следовательно, клетка представляет собой структурную единицу всех живых организмов вне зависимости от уровня их организации.

Таковы основные черты возникновения и начальные этапы развития жизни на Земле.

В архейской эре возникли первые живые организмы. Они были гетеротрофами и в качестве пищи использовали органические соединения «первичного «бульона». Первыми жителями нашей планеты были анаэробные бактерии . Важнейший этап эволюции жизни на Земле связан с возникновением фотосинтеза, что обуславливает разделение органического мира на растительный и животный. Первыми фотосинтезирующими организмами были прокариотические (доядерные) цианобактерии и синезеленые водоросли. Появившиеся затем эукариотические зеленые водоросли выделяли в атмосферу из океана свободный кислород, что способствовало возникновению бактерий, способных жить в кислородной среде. В это же время – на границе архейской протерозойской эры произошло еще два крупных эволюционных события – появились половой процесс и многоклеточность .

Чтобы яснее представить значение двух последних ароморфозов, остановимся на них подробнее.Гаплоидные организмы (микроорганизмы, синезеленые) имеют один набор хромосом. Каждая новая мутация сразу же проявляется у них в фенотипе. Если мутация полезна, она сохраняется отбором, если вредна, устраняется отбором. Гаплоидные организмы непрерывно приспосабливаются к среде, но принципиально новых признаков и свойств у них не возникает. Половой процесс резко повышает возможность приспособления к условиям среды, вследствие создания бесчисленных комбинаций в хромосомах. Диплоидность , возникшая одновременно с оформленным ядром, позволяет сохранить мутации в гетерозиготном состоянии и использовать их как резерв наследственной изменчивости для дальнейших эволюционных преобразований. Кроме того, в гетерозиготном состоянии многие мутации часто повышают жизнеспособность особей и, следовательно, увеличивают их шансы в борьбе за существование.

Возникновение диплоидности и генетического разнообразия одноклеточных эукариот, с одной стороны, обусловили неоднородность строения клеток и их объединение в колонии, с другой – возможность «разделения труда» между клетками колонии, т.е. образование многоклеточных организмов. Разделение функций клеток у первых колониальных многоклеточных организмов привело к образованию первичных тканей – эктодермы и энтодермы, что в дальнейшем дало возможность для возникновения сложных органов и систем органов. Совершенствование взаимодействия между клетками сначала контактного, а затем с помощью нервной и эндокринной систем обеспечило существование многоклеточного

организма как единого целого.

Пути эволюционных преобразований первых многоклеточных были различны. Некоторые перешли к сидячему образу жизни и превратились в организмы типа губок . Другие стали ползать с помощью ресничек. От них произошли плоские черви. Третьи сохранили плавающий образ жизни, приобрели рот и дали начало кишечнополостным.

3.История Земли, со времени появления на ней органической жизни и до появления на ней человека, разделяется на три больших периода - эры, резко отличающиеся одна от другой, и носящих названия: Палеозой - древняя жизнь, Мезозой - средняя, Неозой - новая жизнь.

Из них самый большой по времени - палеозой, он иногда разделяется на две части: ранний палеозой и поздний, так как астрономические, геологические, климатические и флористические условия позднего резко отличаются от раннего. В первый входят: кембрийский, силурийский и девонский периоды, во второй - каменноугольный и пермский.

До палеозоя была архейская эра, но тогда еще не было жизни. Первая жизнь на Земле - это водоросли и вообще растения. Первые водоросли зародились в воде: так представляется современной науке возникновение первой органической жизни, и только позже появляются моллюски, питающиеся водорослями.

Водоросли переходят в наземную траву, гигантские травы переходят в травовидные деревья палеозоя.

В девонский период на Земле появляется буйная растительность, а в воде -жизнь в виде ее мелких представителей: простейших, трилобитов и т.д. Теплый климат - на всем земном шаре, ибо нет еще современного неба с его солнцем, луной и звездами; все было покрыто густым, слабопроницаемым, мощным туманом из водяных паров, еще в колоссальном количестве окружающих землю, и только часть осела в водные бассейны океанов. Земля несется в холодном мировом пространстве, но тогда она была одета в теплую, непроницаемую оболочку. Вследствие парникового (оранжерейного) эффекта весь ранний палеозой, включая даже и каменноугольный период, имеет тепловодную флору и фауну по всей земле: и на Шпицбергене, и в Антарктике - всюду залежи каменного угля, являющегося продуктом тропического леса, всюду была тепловодная морская фауна. Тогда лучи солнца не проникали непосредственно на землю, но преломлялись под известным углом через пары и освещали ее тогда иначе, чем сейчас: ночь была не такой темной и не такой длинной, а день не таким ярким. Сутки были короче нынешних. Не было ни зимы, ни лета, нет еще астрономических и геофизических причин для этого. Залежи каменного угля состоят из деревьев, не имеющих годичных колец, их структура трубчатая, как у травы, а не кольцевая. Значит, времен года не было. Не было и климатических поясов, тоже из-за парникового эффекта.

Современная палеонтология уже достаточно изучила все виды живых организмов кембрийского периода: около тысячи различных видов моллюсков, но есть основания полагать, что все же первая растительность и даже первые моллюски появились в конце архейской эры.

В следующий, силурийский период, количество моллюсков увеличивается до 10000 разновидностей, а в девонский период появляются двоякодышащие рыбы, то есть рыбы, не имеющие позвоночника, но покрытые панцирем, как переходная форма от моллюсков к рыбам. Они дышали и жабрами, и легкими. Они делают попытку превратиться в обитателей суши, но не им приходится осуществить это. Переход из моря на сушу выполнят амфибии, из класса позвоночных типа земноводных ящеров.

Первый представитель ящеров - археозавр - появляется в конце палеозоя, развитие получает в начале мезозойской эры, в триасовый период.

Отличительные свойства палеозоя: свет не был отделен от тьмы, промежуточное состояние, среднее между светом и тьмой, между днем и ночью, частично продлевается до начала карбона. На небе не было видно светил. Не было времен года и климатических поясов.

Доказательства: отсутствие годичных колец на деревьях палеозоя, кроме последнего, пермского периода, когда они впервые появляются исчезновение с этого времени всех травовидных деревьев с трубчатой структурой ствола; распространение тропической растительности по всей поверхности земли, включая полюсы; такая же теплолюбивая фауна по всей земле; образование в гигантских количествах залежей каменного угля, как результат гибели травовидных лесов, не приспособленных к прямым лучам солнца и естественно обуглившихся и погибших от ультрафиолета и солнечной радиации, как обугливается трава в жаркое лето при засухе.

С пермского периода появляются климатические пояса и распределение поздних флоры и фауны, по-разному приспособившихся к климатическим поясам.

Следующему периоду в жизни Земли соответствует вся мезозойская эра, то есть периоды: триасовый, юрский и меловой. Это был самый расцвет животного царства. Самые разнообразные и причудливые формы рептилий населяли Землю. Они были как в морях, так и на суше и в воздухе. Необходимо отметить, что весь класс насекомых появился еще в конце палеозоя, причем они были во много раз крупнее, чем их современные потомки.

Первые птицы появляются в юрский период. Размножались не только количественно, но и в разнообразные виды. У одного вида птиц рождались птенцы со своими особенностями, которые давали начало новому виду птиц, у которых в свою очередь появлялись птенцы, не совсем на них похожие. Так развивался многообразный мир живых существ. В некоторые моменты были совершенно удивительные метаморфозы.

Палеонтологи знают многие экземпляры разных ступеней в развитии птиц и ни одного промежуточного вида между ними: это птеродактили, археоптериксы и совершенно развившиеся птицы.

Птеродактили - это полуптицы, полурептилии. Это ящер, у которого сильно развились пальцы лап и между ними появились пленки, как у летучей мыши. Но следующее поколение, сохранившее тот же длинный позвоночник, по обе стороны от которого выросли перья, резко отличается от предшественников. Туловище и крылья покрылись перьями, но на крыльях остались когти для цепляния за ветви.

Голова археоптерикса - морда зверя, унаследованная от птеродактиля, с острыми крупными зубами и мягкими губами. И только в следующем поколении отпадает позвоночный хвост и голова становится головой птицы с клювом.

Наступает последняя эра - неозойская. Она включает в себя третичный и ледниковый (четвертичный) периоды. Человек появляется к концу ледникового периода. Именно в неозойскую эру появились млекопитающие. Это почти современный нам мир животных. Фауну того времени можно в некоторой степени увидеть в Африке, которой не коснулся ледник.

Самым большим вопросом является для многих вопрос об обезьянах. Большинство ученых склонны считать, что обезьяна никоим образом не может быть предшественником человека; но некоторые говорят, что должен быть какой-то общий предок. Но этого общего предка пока не нашли.

Геохронологическая таблица Земли