Возникновение жизни на Земле
С позиций современного научного мировоззрения жизнь возникла из неживого вещества, т. е. произошла в результате эволюции материи, есть результат естественных процессов, происходивших во Вселенной.
Жизнь — это свойство материи, которое ранее не существовало и появилось в особый момент истории нашей планеты Земля. Возникновение жизни явилось результатом последовательных процессов, протекавших сначала миллиарды лет во Вселенной, а затем на Земле многие миллионы лет.
От неорганических соединений к органическим, от органических — к биологическим — таковы последовательные стадии, по которым осуществлялся процесс зарождения жизни.
Возраст Земли исчисляется примерно в 5 млрд. лет. Жизнь существует на Земле, видимо, более 3,5 млрд. лет.
Признаки деятельности живых организмов обнаружены многократно в докембрийских породах, рассеянных по всему земному шару.
Начальные этапы эволюции жизни
В позднем архее (более 3,5 млрд. лет назад) на дне небольших водоемов или мелководных, теплых и богатых питательными веществами морей возникла жизнь в виде мельчайших примитивных существ — протобионтов, которые питались готовыми органическими веществами, синтезированными в ходе химической эволюции, т. е. были гетеротрофами.
Первый период развития органического мира на Земле характеризуется тем, что первичные живые организмы были анаэробными (жили без кислорода), питались и воспроизводились за счет «органического бульона».
Но это не могло длиться долго, ведь такой резерв органического вещества быстро убывал. Первый великий качественный переход в эволюции живой материи был связан с «энергетическим кризисом»: «органический бульон» был исчерпан и необходимо было выработать способы формирования крупных молекул биохимическим путем, внутри клеток, с помощью ферментов.
В этой ситуации получили преимущество те клетки, которые могли получать большую часть необходимой им энергии непосредственно из солнечного излучения.
Такой переход вполне возможен, так как некоторые простые соединения обладают способностью поглощать свет, если они включают в свой состав атом магния (как в хлорофилле).
На этом пути и шел процесс образования хлорофилла и фотосинтеза. Фотосинтез обеспечивает организму получение необходимой энергии от Солнца и вместе с тем независимость от внешних питательных веществ. Такие организмы называются автотрофными. Это значит, что их питание осуществляется внутренним путем благодаря световой энергии.
Первыми фотосинтетиками на нашей планете были, видимо, цианеи, а затем зеленые водоросли. В протерозое в морях обитало много разных представителей зеленых и золотистых водорослей.
В результате фотосинтеза кислород в значительных количествах стал выделяться в атмосферу. Первичная атмосфера Земли не содержала свободного кислорода и для анаэробных организмов он был ядом.
И потому многие одноклеточные анаэробные организмы погибли в «кислородной катастрофе»; другие укрылись от кислорода в болотах, где не было свободного кислорода, выделяя не кислород, а метан. Третьи приспособились к кислороду, получив огромное преимущество в способности запасать энергию.
Переход к фотосинтезу потребовал много времени.
Он завершился примерно 1,8 млрд. лет назад. И привел к важным преобразованиям на Земле: атмосфера земли стала кислородной; возник озоновый слой; изменился состав морской воды, он стал менее кислотным.
Таким образом, современные условия на Земле в значительной мере были созданы жизнедеятельностью организмов.
С «кислородной революцией» связан и переход от прокариотов к эукариотам. Первые организмы были прокариотами. Это были такие клетки, у которых не было ядра, деление клетки не включало в себя точной дупликации генетического материала, через оболочку клетки поступали только отдельные молекулы.
Но новая кислородная среда потребовала организмы, которые лучше приспособлены к новым условиям. Нужна была не генетическая гибкость, а генетическая стабильность. Ответом на эту потребность и было формирование эукариотов примерно 1,8 млрд. лет назад. У эукариотов ДНК уже собрана в хромосомы, а хромосомы сосредоточены в ядре клетки.
Такая клетка уже воспроизводится без каких-либо существенных изменений.
Образование царства растений и царства животных
Дальнейшая эволюция эукариотов была связана с разделением на растительные и животные клетки. Это разделение произошло еще в протерозое, когда мир был заселен одноклеточными организмами.
Растительные клетки покрыты жесткой целлюлозной оболочной, которая их защищает.
Но одновременно такая оболочка не дает им возможности свободно перемещаться и получать пищу в процессе передвижения. Вместо этого растительные клетки совершенствуются в направлении использования фотосинтеза для накопления питательных веществ.
Животные клетки имеют эластичные оболочки и потому не теряют способности к передвижению; это дает им возможность самим искать пищу — растительные клетки или другие животные клетки.
Животные клетки эволюционировали в направлении совершенствования, во-первых, способов передвижения, и, во-вторых, способов поглощать и выделять крупные частицы через оболочку — сначала крупные органические фрагменты, затем куски мертвой ткани и разлагающиеся остатки живого, и наконец — поедание и переваривание целых клеток.
Следующим важным этапом развития жизни и усложнения ее форм было возникновение примерно 900 млн. лет назад полового размножения. Половое размножение состоит в механизме слияния ДНК двух индивидов и последующего перераспределения генетического материала, при котором потомство похоже, но не идентично родителям.
Значительным шагом в дальнейшем усложнении организации живых существ было появление примерно 700-800 млн. лет назад многоклеточных организмов с развитыми тканями, органами, которые выполняли определенные функции.
Первые многоклеточные животные представлены несколькими типами: губки, кишечнополостные, членистоногие. Многоклеточные происходят от колониальных форм одноклеточных жгутиковых.
Эволюция способов передвижения, лучшей координации деятельности клеток, образования вторичной полости, совершенствования способов дыхания и др.
Первые позвоночные — мелкие (около 10 см длиной) существа, бесчелюстные рыбообразные, покрытые чешуей, которая помогала защищаться от крупных хищников.
Дальнейшая эволюция позвоночных шла в направлении образования челюстных рыбообразных.
Некоторые пресноводные двоякодышащие рыбы девонского периода, очевидно, и дали жизнь сначала первичным земноводным, а затем и сухопутным позвоночным.
В девоне возникает и другая чрезвычайно прогрессивная группа животных — насекомые. У насекомых чрезвычайно сложная нервная система, с относительно самостоятельными нервными центрами, преобладание врожденных реакций над приобретенными.
У позвоночных — развитие огромного головного мозга. Различие этих двух разных способов решения важнейших эволюционных задач в полной мере проявилось после перехода к жизни на суше.
Завоевание суши
Важнейшим событием в эволюции форм живого являлся выход растений и живых существ из воды и последующее образование большого многообразия наземных растений и животных.
Из них в дальнейшем и происходят высокоорганизованные формы жизни.
Переход к жизни в воздушной среде требовал многих изменений. Во-первых, вес тел здесь больше, чем в воде. Во-вторых, в воздухе не содержится питательных веществ. В-третьих, воздух сухой, он иначе, чем вода, пропускает через себя свет и звук. Кроме того, содержание кислорода в воздухе выше, чем в воде. Выход на сушу предполагал решение всех этих вопросов; выработку соответствующих приспособлений.
По-видимому, еще в протерозое на поверхности суши в результате взаимодействия минералов и бактерий возникает почва.
Почвообразовательные процессы в протерозое подготовили условия для выхода на сушу растений, а затем и животных.
Выход растений на сушу начался, очевидно, в конце силура. Главное преимущество растений на суше — то, что солнечной энергии здесь больше, чем в воде, а значит и фотосинтез становится более совершенным.
Перестройка системы питания из почвы требовала развития корневой системы и системы транспортировки питательных веществ и воды по организму. По мере роста размеров растений формировалась и поддерживающая ткань — древесина. Жизнь на суше требовала и изменения репродуктивной системы.
Вслед за растениями из воды на сушу и воздух последовали различные виды членистоногих — предки насекомых и предки пауков и скорпионов.
Активное завоевание суши позвоночными началось в карбоне. Первые позвоночные, которые полностью приспособились к жизни на суше, были рептилии. Яйца рептилий были покрыты твердой скорлупой, не боялись высыхания, снабжены и пищей и кислородом для эмбриона. Также появляются летающие насекомые.
Происхождение человека
Долгое время отсутствовали эмпирические данные о предках человека.
Дарвин знал только дриопитеков (найденных в 1856 г. во Франции) и писал о них как о далеких предках человека. В XX веке раскопки позволили обнаружить останки ископаемых обезьян, живших примерно от 20 до 12 млн. лет назад. К ним относятся проконсулы (обнаруженные в Восточной Африке), рамапитек (30‑е годы XX века в Индии), сивапитеки и др., которые уже по многим признакам обнаруживают сходство с человеком.
В настоящее время большинство специалистов считает, что ближайшим предшественником человека являются австралопитеки – прямоходящие млекопитающие.
Их костные остатки, возраст которых составляет от 5 до 2,5 млн. лет, впервые были обнаружены в 1924 г. в Южной Африке. К настоящему времени обнаружены костные остатки около 400 особей австралопитековых. Австралопитеки были связующим звеном между животным миром и первыми людьми.
В современной антропологии наиболее распространенной является точка зрения, по которой «эволюция человеческой линии заняла не свыше 10 млн. лет, а обезьяний предок гоминид имел черты сходства с шимпанзе, был по существу «шимпанзеподобен“. В качестве «модельного предка“ человеческой и шимпанзоидной линии некоторые антропологи рассматривают карликового шимпанзе – бонобо – из джунглей Экваториальной Африки».
В 1891 г. голландский исследователь Эжен Дюбуа на о. Ява впервые нашел окаменелости древнейшего человека – первого питекантропа, или человека прямоходящего. Уже в нашем веке на Яве найдены еще несколько питекантропов, в Китае – близкие к ним синантропы и т.д.
Все они представляют собой различные географические варианты человека прямоходящего, существовавшего приблизительно 0,5 – 2 млн. лет назад. Наряду с добыванием растительной пищи у питекантропов большую роль играла охота. Они умели пользоваться огнем, сохраняли его от поколения к поколению.
В 60–70‑е годы нашего века в Африке были обнаружены останки древнейших людей и самые примитивные орудия труда из гальки. Этот древнейший предок человека получил название человека умелого.
Человек умелый, судя по найденным останкам, датирующимся 2,6 – 3,5 млн. лет назад, существовал более полумиллиона лет, медленно эволюционировал, пока не приобрел значительное сходство с человеком прямоходящим.
Древнейших людей – питекантропов – сменили древние люди, которых называют неандертальцами (Германия). Их скелетные останки открыты в Европе, Азии и Африке. Время существования – 200–35 тысяч лет назад. Они могли не только поддерживать, но и добывать огонь. Шло развитие речи.
С помощью изготовленных орудий древние люди охотились на животных, сдирали с них шкуры, разделывали туши, строили жилища. У неандертальцев впервые встречаются захоронения.
В гроте Кроманьон во Франции было обнаружено сразу несколько ископаемых людей современного типа. По месту находки их называют кроманьонцами. Самые ранние их костные остатки датируются в 40 тысяч лет. Разнообразие типов орудий из камня и кости говорит о сложной трудовой деятельности. Человек уже умел сшивать шкуры животных и изготавливать из них одежду, жилье.
На стенах пещер обнаружены мастерские рисунки.
Самые первые организмы
Породы архея и раннего протерозоя дошли до нас в сильно измененном состоянии. Высокие давления и температуры преобразовали первоначальный облик породы, уничтожив всякие следы древней жизни. Поэтому изучение древнейшего животного и растительного мира связано с огромными трудностями. Однако за последнее столетие с помощью приборов удалось кое-что прояснить и в облике самых первых организмов на Земле.
Изучая с помощью электронного микроскопа, химических и изотопных анализов сланцы свиты Онвервахт (Родезия), возраст которых превышает 3,2 миллиарда лет, ученые Аризонского университета (США) обнаружили в них тысячи мельчайших образований сферической, нитеобразной и скорлуповидной формы.
Размеры частиц не превышали 0,01 мм. Исследования проводились в специально оборудованной лаборатории, исключавшей возможность загрязнения образцов посторонними организмами. Ученые полагают, что найденные образования представляют собой окаменевшие остатки одноклеточных морских водорослей. Однако другие исследователи критически относятся к их выводам, полагая, что эти образования могут иметь небиологическое происхождение.
Похожие остатки водорослей и бактерий в породах с абсолютным возрастом 2,7—3,1 миллиарда лет обнаружены в кремнистых и железистых сланцах Северной Америки, Центральной Африки и Австралии.
Эти находки дают основание полагать, что к началу архейской эры закончилась химическая и началась биологическая эволюция.
На основании сделанных находок можно предполагать, что уже в океанах архейского и раннепротерозойского возрастов господствовали простейшие одноклеточные организмы: бактерии, водоросли, грибы, простейшие животные.
В архее происходит приспособление первых организмов к различным формам питания. Одни организмы усваивали в процессе фотосинтеза питательные вещества из воды, углекислоты и неорганических солей (автотрофные); другие — жили либо за счет автотрофов (гетеротрофные), либо питались разлагающимися органическими остатками (сапрофаги).
Происходило деление органического мира на царство растений и царство животных.
В раннем протерозое, по-видимому, появились первые многоклеточные организмы. Это наиболее примитивные формы без четко дифференцированных тканей. К ним относятся, в частности, представителя типа губок — водные организмы, ведущие придонный прикрепленный образ жизни.
Форма губок разнообразна, она может напоминать цилиндр, кубок, бокал, шар. В мягкой ткани животного имеется органический или минеральный скелет, состоящий из спикул. Представители губок до сих пор населяют моря и океаны нашей планеты, однако первые примитивные губки давно вымерли и до нас дошли лишь в ископаемом состоянии.
Несколько позднее появляются представители типа кишечнополостных.
У них уже намечается дифференциация тканей и органов. Представители кишечнополостных, так же как и губок, дожили до наших дней и широко расселились в морях, океанах и даже в пресных водоемах, Среди них хорошо известные нам кораллы, медузы, гидры.
Из растений в архее и раннем протерозое активно развиваются сине-зеленые водоросли.
Остатки этих водорослей в виде шаровидных, грибовидных и столбообразных известковых тел, характеризующихся тонкой концентрической слоистостью, часто находят в породах протерозоя. Считают, что первыми представителями органической жизни на Земле были именно сине-зеленые водоросли.
Опыты, поставленные в МГУ еще в прошлом веке, показали, что они могут существовать в таких условиях, какие «противопоказаны» другим растениям и животным. В герметически запаянном стеклянном шаре эти водоросли жили более 16 лет! Все другие обитатели подобных стеклянных шаров быстро погибли, некоторые бактерии «держались» 12 лет, выжили лишь сине-зеленые. Это доказывает, что они могут развиваться даже в бескислородной среде.
Поразительная приспособляемость этих водорослей видна из того, что сейчас они встречаются в ледяной Арктике, в горячих гейзерах, на дне Мертвого моря, в нефтяных источниках, в горах на высоте более 5000 метров.
Это единственные живые организмы, выдержавшие взрывы атомных и водородных бомб. Они обнаружены даже внутри атомных реакторов. Такая удивительная жизнестойкость позволила некоторым ученым высказать предположение о неземном происхождении сине-зеленых водорослей. Как бы то ни было, но это первые организмы, появившиеся не только в древнейших океанах, но и на суше.
Исследование американского профессора Э. Баргхорна показали, что сине-зеленые водоросли первыми стали заимствовать из воды газообразный кислород.
В океанах около их колоний создавалась своеобразная «водяная» атмосфера, насыщенная кислородом. Этим кислородом дышали первые морские организмы (кишечнополостные, губки).
Постепенно кислород стал выделяться в атмосферу, заполнять ее. Благодаря жизнедеятельности сине-зеленых водорослей на нашей планете начала формироваться кислородная атмосфера.
Эволюция и происхождение жизни на Земле
Чтобы облегчить поиск внеземной жизни, продолжим обзор жизни на нашей планете.
Поговорим о том, как она возникла и как происходило её дальнейшее развитие вплоть до появления того колоссального разнообразия видов, которое мы наблюдаем в настоящее время. Все современные живые организмы, в несколько модифицированной форме, произошли от последнего общего предка.
А каким был этот наш последний общий предок? Учёные пока ещё не уверены во всех деталях, но это, безусловно, была довольно примитивная прокариотическая клетка, у которой генетическая информация содержалась в ДНК, а весь спектр разнообразных функций, как и сегодня, выполнялся белками.
Таким образом, это была белковая жизнь с участием ДНК и РНК. Живой организм столь сложной организации не мог возникнуть непосредственно из неживой материи, а следовательно, ещё до появления нашего последнего общего предка должна была происходить существенная эволюция.
Боковыми ветвями, которые предшествуют появлению нашего общего предка и в конце концов отмирают, показаны формы жизни, коренным образом от него отличающиеся. Прекращение этих ветвей означает их исчезновение. Мы не располагаем никакими следами таких живых организмов, тем не менее вполне вероятно, что они могли существовать.
Многие потомки последнего общего предка также вымерлию
В пределах ветвей, дошедших до нашего времени, тоже есть исчезнувшие участки. Это более ранние виды, из которых возникли современные формы. В целом, огромное большинство видов живых организмов исчезло с лица Земли. Именно эту часть истории жизни на нашей планете – эволюцию жизни от последнего общего предка до настоящего времени – мы рассмотрим в первую очередь.
А затем вернёмся к общему предку и отправимся назад во времени, двигаясь по направлению к истинному моменту зарождения.
Процесс эволюции
Представление о том, что все разнообразные формы жизни, существующие на Земле, развились от единого общего предка, имеет долгую историю и подтверждается палеонтологическими данными. Сложнее обстоит дело с механизмом, посредством которого происходит эволюция. Этим механизмом является естественный отбор.
Идею естественного отбора, весьма революционную для своего времени, выдвинули два человека.
Уэльский натуралист Алфред Рассел Уоллес собрал множество данных в полевых условиях. В 1858 г. он послал свою статью по вопросам эволюции английскому естествоиспытателю Чарлзу Роберту Дарвину. В ней Уоллес, по существу, описал неопубликованную теорию эволюции путём естественного отбора, принадлежавшую самому Дарвину и также основанную на огромном объёме наблюдательных фактов.
В результате написанные Уоллесом и Дарвином статьи были зачитаны в июле того же года на заседании Линнеевского общества в Лондоне. А уже в 1859 г. Дарвин опубликовал свой труд «Происхождение видов путём естественного отбора», и эта идея стала известна в мире.
Эволюция путём естественного отбора происходит за счёт случайных отклонений, возникающих между родителями и их потомством.
Многие из таких изменений не имеют особых последствий, тогда как другие несут с собой какие-либо повреждения, приводящие к сокращению продолжительности жизни, или бесплодию, или ещё каким-нибудь биологическим дефектам. Некоторые отклонения (мутации) могут оказаться полезны для организма.
Предположим, что у одного из потомков возникает какая-то мутация, благодаря которой он может произвести больше отпрысков, чем в среднем. Часть этих отпрысков или даже все они унаследуют это отклонение, а значит каждый из них также произведёт на свет большее потомство.
Так данное изменение закрепляется в популяции. Следовательно, эволюция путём естественного отбора происходит через серию крошечных шажков благодаря какому-то отклонению, результатом которого является большее число потомков. Таким путём от одного общего предка может развиться огромное множество видов. Примером естественного отбора служит изменение цвета моли, которой питается хищник, скажем птица.
Если мутация влечёт за собой изменение цвета, обеспечивающее лучшую маскировку, тогда данное отклонение, по всей вероятности, окажется эволюционно закреплённым.
Можно проследить действие естественного отбора на протяжении нескольких поколений; у вида с коротким периодом воспроизведения это можно сделать в течение человеческой жизни.
Таковы организмы в категориях Bacteria и Archaea, у которых период воспроизведения составляет часы или дни. Что касается более длинных периодов времени, то о механизме эволюции можно делать теоретические заключения, хотя свидетельства о том, что эволюция происходила, зафиксированы в палеонтологической летописи. Например, можно представить себе, как по прошествии многих поколений мало-помалу в результате естественного отбора из чувствительного к свету пятна на коже образовался глаз.
Чтобы открыть естественный отбор, не нужно было знать, как именно возникают отклонения в потомстве.
Теперь мы знаем, что это происходит по-разному. Сюда относятся мутации в ДНК, вызываемые различными причинами, а также изменение ДНК при половом размножении.
Можно было бы подумать, что эволюция неизменно приводит к возрастанию числа видов. Однако это не так: одни виды появляются, другие исчезают. Согласно оценкам, в ходе истории Земли вымерло около 99% видов живых организмов, и они уже никогда больше не появятся.
Заметим, что вымирание – это конец данной линии, и ни один представитель этого вида не дожил до сегодняшнего дня. Одна из причин исчезновения – появление другого вида, лучше приспособленного к экологической нише, чем существующий вид, который поэтому начнет испытывать нехватку пищи или будет уничтожен каким-либо иным путём. Другой причиной является изменение условий окружающей среды (например, глобальное потепление).
В этом случае вид как целое не может ни продолжать своё существование в новых условиях, ни мигрировать туда, где климат ещё близок к тому, к которому он хорошо приспособлен. Ещё одной, менее катастрофичной причиной может быть эволюция вида с переходом его в другие формы при исчезновении первоначальной.
Наряду с относительно стабильной скоростью вымирания, в истории Земли отмечено несколько эпизодов, когда менее чем за миллион лет исчезала большая доля всех видов.
Эти случаи называют массовыми вымираниями. В каждом из них формировалось «экологическое пространство», которое могли заселить новые виды, а стало быть, каждое массовое вымирание характеризуется не только колоссальной потерей видов, но и возникновением огромного количества новых видов.
Для описания таких событий существует термин «пунктирная эволюция». Несмотря на то, что при каждом массовом вымирании эволюция отбрасывалась назад, на протяжении большей части истории Земли разнообразие и сложность форм жизни в целом возрастали.
Впрочем, это было, вероятно, не более чем следствие относительной простоты биосферы во время обитания последнего общего предка, а вовсе не проявлением какого-то принципа «прогресса» в эволюции.
Эволюция – пунктирная или какая-то другая – происходила, начиная со времени существования нашего последнего общего предка, и определила структуру древа жизни. Но к какому времени можно отнести все эти крупные события? Нам нужно иметь какую-либо временную ось для описания биологической истории Земли, и мы поговорим о ней в следующем разделе.
Жизнь на Земле со времени последнего общего предка
Начало временной оси совпадает с образованием Земли 4,6 млрд. лет назад, когда сформировались также Солнце и остальные тела Солнечной системы.
Вспомним, что планеты земной группы, и Земля в том числе, подверглись интенсивной бомбардировке приходящими из космического пространства каменными и ледяными планетезималями, изувечившими всю поверхность нашей планеты.
Бомбардировка продолжалась приблизительно до 3,9 млрд. лет назад, после чего стала довольно быстро ослабевать, по-видимому, из-за уменьшения количества планетезималей.
Вероятно, на своём последнем этапе бомбардировка была достаточно сильной, поэтому даже если некоторые формы жизни возникали в какую-либо предшествующую эпоху более слабой бомбардировки, они вряд ли смогли бы уцелеть.
Однако живые организмы могли появиться вскоре после 3,9 млрд. лет назад.