Учебник для 9 класса

Биология

§48. Возникновение биосферы и начало ее эволюции

Вспомните, какими признаками живые тела природы — организмы, отличаются от неживых тел. Из каких химических элементов состоят организмы?

Рис. 236. Франческо Реди (1626—1698) и его опыт

Вопрос о возникновение биосферы неразрывно связан с другим вопросом — как появилась на Земле жизнь? Этот вопрос — самый сложный в науке. Жизнь — явление планетарное, поэтому поиском ответа на него заняты ученые разных специальностей — биологи, физики, химики, философы. Существует несколько теорий возникновения жизни на Земле, а следовательно и биосферы. Рассмотрим некоторые из них.

Теории возникновения жизни на Земле. Согласно упомянутой выше теории креационизма, жизнь на Земле была сотворена Богом как единожды свершившийся акт (рис. 235). Убеждения сторонников этой теории основываются на вере. Креационизм не выдвигает никаких научных доказательств и ничего общего с наукой не имеет.

Теория самопроизвольного зарождения жизни утверждает, что живое способно зарождаться из неживого при определенных условиях. Опровержения этому были получены в опытах итальянского врача Франческо Реди (рис. 236).

В 1668 г. он поставил опыт, взяв несколько банок с широким горлом, в которые поместил мертвых змей. Часть банок он накрыл плотной материей, другие оставил открытыми. Вскоре налетели мухи и отложили яйца на мертвых змей в открытых банках, из которых потом вышли личинки. В накрытых материей банках личинок не оказалось, так как мухи не могли в них проникнуть и отложить яйца (рис. 236). Следовательно, сделал вывод Ф. Реди, личинки появились из яиц, отложенных мухами, а не самопроизвольно зародились из мертвых змей, как было принято считать в то время.

Рис. 235. Микеланджело Буонарротн. Сотворение мира. Бог создает планеты. Фрагмент росписи Сикстинской капеллы в Ватикане

Согласно теории панспермии (от греч. пан — всё и сперма — семена) жизнь на Земле имеет внеземное, т. е. космическое происхождение. Активными сторонниками и разработчиками этой теории возникновения жизни были шведский химик Сванте Август Аррениус (рис. 237) и В.И. Вернадский.

Рис. 237. Сванте Август Аррениус (1859-1927)

Зародыши простых организмов, например бактерий, так называемые «семена жизни», согласно теории панспермии, попадают на Землю вместе с метеоритами и космической пылью (рис. 238). И затем они дают начало жизни. Это предположение основывается на устойчивости спор некоторых бактерий к солнечной радиации, космическому вакууму и низким температурам. Основываясь на теории панспермии, можно допустить существование организмов и на других планетах, обладающими подходящими для этого условиями.

Рис. 238. 1 — метеорит с Марса; 2 — похожие на бактерии органические формы, обнаруженные в трещинах метеорита

Теория биопоэза (от греч. биос — жизнь и поезис — становление) рассматривает возникновения живого на Земле как результат химической эволюции неорганических соединений углерода. Эта теория является общепринятой в современной науке. Согласно ей, возникновение жизни на любой планете неизбежно, если создаются и существуют достаточно длительное время два необходимых для этого условия — определенные неорганические соединения и источники энергии. В возникновении жизни эта теория выделяет три этапа: 1) синтез органических соединений из неорганических; 2) образование из органических мономеров биологических полимеров; 3) формирование из биологических полимеров мембранных структур и первых клеток.

Химическая эволюция и появление пробионтов. Земля и другие планеты Солнечной системы образовались около 5 млрд лет назад из газопылевого облака, состоявшего из атомов водорода, гелия, углерода, кислорода, азота и фосфора (рис. 239). При вращении облако уплощалось и разогревалось, в результате чего сформировались Солнце и планеты. Последующее охлаждение Солнца и планет привело к формированию их структур. Так, у Земли образовались кора, мантия, ядро и первичная атмосфера, состоявшая из метана, аммиака, углекислого газа, угарного газа, водорода и паров воды. Кислорода в первичной атмосфере Земли не было. Благодаря конденсации паров воды сформировался первичный океан.

Рис. 239. Газопылевое облако первичного космического вещества

Вследствие электрической энергии в бескислородных условиях на Земле затем мог начаться синтез органических соединений — белков из неорганических. Эту гипотезу выдвинул в 1924 г. русский ученый Александр Иванович Опарин (рис. 240). Его предположение впоследствии получило экспериментальное подтверждение.

Рис. 240. Александр Иванович Опарин (1894 — 1980)

В 1953 г. американские ученые Стенли Миллер и Гарольд Юри сконструировали установку, в которой были воспроизведены условия древней Земли, ее первичные атмосфера и океан (рис. 241). В реакционной колбе через смесь газов (метана, аммиака, водорода) и паров воды при температуре 80°С пропускали электрический разряд мощностью в 60000 вольт, эквивалентный количеству энергии, полученной Землей за 50 млн лет. Через неделю в конденсате, образовавшемся при охлаждении, были обнаружены простые органические соединения — молочная кислота, мочевина и аминокислоты.

Рис. 241. Установка для абиогенного синтеза органических веществ С. Миллера и Г. Юри

Итак, первым шагом на пути химической эволюции мог стать абиогенный (вне живых систем) синтез простых органических веществ из неорганических в бескислородных условиях древней Земли.

Рис. 242. Коацерватные капли белковой природы

Второй шаг на пути химической эволюции — формирование из простых органических соединений более сложных. Так, из мономеров, например аминокислот, должны были образоваться полимеры — белки (рис. 242). О механизмах подобного рода процессов ученые до сих пор спорят и не могут прийти к единому мнению. По мнению Опарина, этот процесс мог происходить путем коацервации (от лат. коацерватус — накопленный, собранный) — самопроизвольного разделения водного раствора аминокислот на обособленные от воды белковые капли (рис. 243).

Рис. 243. Коацервация

Третьим, завершающим шагом на пути химической эволюции было формирование из биологических полимеров мембранных структур и первых клеток. Толчком к этому могло послужить волнение пленки, состоящей из молекул абиогенно синтезированных белков и липи-дов, вызванное ветром. Пленка прогибалась и образовывала мембранные пузырьки. Пузырьки выдувались ветром и падая обратно на поверхность пленки, покрывались второй мембраной (рис. 244). Так, по всей видимости, могли сформироваться мембранные структуры, сходные с плазматической мембраной клетки.

Рис. 244. Образование мембранных структур из биологических полимеров

В течение миллионов лет мембраны совершенствовались, что привело к возникновению пробионтов (от лат. про — впереди и греч. биос — жизнь). Их, по мнению Опарина, можно считать предшественниками настоящих клеток, так как в них еще не происходили сложные процессы обмена веществ и точная передача генетической информации. Переход около 3,8—3,5 млрд лет назад от пробионтов к настоящим клеткам, обладавших этими важнейшими признаками живого, означал появление жизни и начало биологической эволюции.

Начало эволюции биосферы. Все существующие в настоящее время на Земле организмы неразрывно связаны друг с другом и с окружающей их неживой природой тесными взаимосвязями. Представить появление в прошлом на нашей планете каких-либо изолированных от окружающей среды одиночных первых организмов просто невозможно. По всей видимости, жизнь на Земле сразу возникла в форме какого-то первичного биоценоза, уже включенного в биогеохимический круговорот. Этот биоценоз объединял какие-то примитивные одноклеточные организмы, различавшихся по способам питания. Среди них обязательно должны были быть и автотрофные и гетеротрофные организмы — производители, потребители и разрушители органических веществ. Первичный биоценоз был связан с неживой природой древней Земли в единый биогеоценоз. Дальнейшая эволюция биосферы шла в направлении выделения из этого первичного биоценоза отдельных организмов, которые затем объединялись уже в другие сообщества.

Таким образом, только уже включенные в биогеохимический круговорот и поток энергии в биосфере организмы могли устойчиво существовать и эволюционировать на нашей планете.

Упражнения по пройденному материалу

1. Как объясняют возникновение жизни на нашей планете различные теории? Сравните их между собой. Каковы слабые и сильные стороны различных теории возникновения жизни на Земле.
2. Перечислите основные этапы химической эволюции.
3. Какие условия и химические соединения были необходимы для абиогенного синтеза на древней Земле органических соединений из неорганических?
4. С какого момента на нашей планете началась биологическая эволюция?
5. Объясните, почему ученые считают, что жизнь на Земле возникла сразу в форме первичного биоценоза.