Как возникла жизнь?

Эволюция жизни на Земле имеет долгую историю. Все началось, приблизительно, 4 млрд. лет назад. У атмосферы Земли еще нет озонового слоя, концентрация кислорода в воздухе очень низкая и ничего на поверхности планеты не слышно, кроме извергающихся вулканов и шума ветра. Ученые считают, что именно так выглядела наша планета тогда, когда на неё начала появляться жизнь. Подтвердить или опровергнуть это весьма трудно. Горные породы, которые могли бы дать больше информации людям, разрушились очень давно, благодаря геологическим процессам планеты. Итак, основные этапы эволюции жизни на Земле.

Эволюция жизни на Земле. Одноклеточные организмы.

Жизнь получила свое начало с появлением простейших форм жизни – одноклеточных организмов. Первыми одноклеточными организмами были прокариоты. Эти организмы появились первыми после того, как Земля стала пригодной для начала жизни. Древняя Земля не позволила бы появиться даже простейшим формам жизни на своей поверхности и в атмосфере. Этим организмом был не обязателен кислород для своего существования. Концентрация кислорода в атмосфере повышалась, что привело к появлению эукариот. Для этих организмов главным для жизни становился кислород, в среде где концентрация кислорода была маленькой, они не выживали.

Прокариоты

Эукариоты

Первые организмы, способные к фотосинтезу появились через 1 млрд. лет после появления жизни. Этими фотосинтезирующими организмами были анаэробные бактерии. Жизнь постепенно начала развиваться и после того, как содержание азотистых органических соединений упало появились новые живые организмы, способные использовать азот из атмосферы Земли. Такими существами были сине-зеленые водоросли. Эволюция одноклеточных организмов происходила после ужасных событий в жизни планеты и все стадии эволюции была защищена под магнитным полем земли.

Со временем простейшие организмы стали развиваться и улучшать свой генетический аппарат и развивать способы своего размножения. Затем в жизни одноклеточных организмов произошел переход к разделению их генеративных клеток на мужские и женские.

Эволюция жизни на Земле. Многоклеточные организмы.

После возникновения одноклеточных организмов появились более сложные формы жизни – многоклеточные организмы. Эволюция жизни на планете Земля приобрела более сложные организмы, отличающиеся более сложной структурой и сложных переходных стадий жизни.

Первая стадия жизни – Колониальная одноклеточная стадия. Переход от одноклеточных организмов к многоклеточным, усложняется структура организмов и генетический аппарат. Эта стадия считается самой простой в жизни многоклеточных организмов.

Вторая стадия жизни – Первично-дифференцированная стадия. Более сложная стадия и характеризуется началом принципа “разделения труда” между организмами одной колонии. В этой стадии происходила специализация функций организма на тканевом, органном и системноорганном уровнях. Благодаря этому у простых многоклеточных организмов начала образовываться нервная система. Нервного центра у системы еще не было, но центр координации имеется.

Третья стадия жизни – Централизованно-дифференцированная стадия. За время этой стадии у организмов усложняется морфофизиологическая структура. Улучшение этой структуры происходит через усиление тканевой специализации.Усложняется пищевая, выделительная, генеративная и другие системы многоклеточных организмов. У нервных систем появляется хорошо выраженный нервный центр. Улучшается способы размножения – из наружного оплодотворения во внутреннее.

Заключением третей стадии жизни многоклеточных организмов является появление человека.

Растительный мир.

Эволюционное дерево простейших эукариот разделилось на несколько ветвей. Появились многоклеточные растения и грибы. Некоторые из таких растений могли свободно плавать по поверхности воды, а другие прикреплялись ко дну.

Псилофиты – растения, которые впервые освоили сушу. Затем возникли и другие группы наземных растений: папоротники, плауны и другие. Эти растения размножались спорами, но предпочитали водную среду обитания.

Большого разнообразия достигли растения в каменноугольный период. Растения развивались и могли достигать в высоту до 30 метров. В этом периоде появились первые голосемянные растения. Наибольшим распространением могли похвастаться плаунообразные и кордаиты. Кордаиты напоминали формой ствола хвойные растения и имели длинные листья. После этого периода поверхность Земли была разнообразна различными растениям, которые достигали 30 метров в высоту. Спустя большое количество времени наша планета стала похожа на ту, которую мы знаем сейчас. Сейчас на планете существует огромное многообразие животных и растений, появился человек. Человек, как существо разумное, после того как встал “на ноги” посвятил свою жизнь изучению нашей прекрасной планеты. Загадки и тайны планеты Земля стали интересовать человека, а так же самое главное – откуда появился человек и для чего он существует. Как вы знаете, ответов на эти вопросы до сих пор не существует, есть только теории, которые противоречат друг другу.

LiveInternetLiveInternet

Забытая мелодия из детства планеты

Минералоги находят множество структур, схожих с биологическими. Это очень увлекательное занятие — находить схожие мотивы в древнейших горных породах и в органических структурах. Будто припоминаешь забытую песню, чуть слышно доносящуюся из раннего детства Земли.


А это керит. Его структура очень близка к конституции живых организмов. Её так и называют — биоморфная структура.

Строение самой простой глины на самом деле весьма непростое. В зависимости от физических и геологических условий межслоевые пространства в кристаллической решётке глинистых минералов — монтмориллонита и палыгорскита — меняются в 10 раз, от 9 до 120 ангстрем. И между слоями могут уместиться различные проторганические молекулы, от углеводородов до аминокислот. В кристаллографии даже используется метод диагностики минерала по его способности вмещать в межслоевые пространства этиленгликольные молекулы. А если мы начнём исследовать природные слоистые минералы, то обязательно найдём в них аминокислоты, пусть и в малых концентрациях.

Возникает вопрос — они зародились там или накопились в процессе геохимической эволюции Земли? Аминокислоты структурно подобны минералам, в которых находят органические молекулы. Вполне вероятно, что синтез аминокислот шёл внутри структуры и на поверхности глинистых минералов. Есть и экспериментальные подтверждения такого синтеза. Таким образом, „глиняный“ ген мог стать основой происхождения жизни. Однако структурное соответствие и совместимость некоторых минералов и макромолекулярных биосистем не может однозначно свидетельствовать в пользу биостартовой роли минералов. Это скорее является критерием отбора минералов, органически совместимых с живыми тканями и способных встраиваться в живые системы, образуя органоминеральные конструкции.

Во всяком случае, современная наука самым серьёзным образом проверяет гипотезу зарождения жизни в глинистых минералах. В процессе эволюции структурное сродство минералов и биомолекул могло привести к формированию защитных образований типа раковин и хитиновых покровов, внутренних опорных структур типа скелетов. И всё это разнообразие — из первичной глины. Так, может быть, древние мифы — это способ передачи нам знания о процессах, проходивших миллиарды лет назад? Тем или иным способом, но процессы формирования структуры первых биомолекул должны определять всю нашу жизнь, и отголоски этих процессов могут проглядывать всюду — от геологических пород до структуры генома человека.

Радиация руководит сборкой РНК

Ещё одна версия зарождения жизни из неорганики базируется на существовании целого мира углеводородов. Причём твёрдых углеводородов неорганического происхождения, обладающих структурой ионных кристаллов. Этот класс древнейших веществ мало изучен в качестве биогенных структур. Исследования природных углеводородов неорганического происхождения подсказывают, что предбиологические информационные структуры следует искать в семействе конденсированных углеводородных молекулярных систем — твёрдых битумов, неорганический синтез которых осуществляется в условиях как Земли, так и Космоса.


Спиралевидные кристаллы фиброкерита — наиболее подходящие предбиологические системы. Всё остальное развилось именно на этой базе.

Среди них встречаются довольно разнообразные структурированные и текстурированные образования, в том числе молекулярные и надмолекулярные структуры. В качестве примеров можно назвать шунгит из Карелии с упорядоченно распределёнными фуллеренами, глобулами и коническими и сферическими формами, сложными волокнами, шунгит из бассейна Лены с конусами и сферами, керит из пегматитов Волыни с волокнами, сферами и спиралями(см.раздел ШУНГИТ в моём дневнике). Структурная иерархичность, как известно, типична для белков и в целом для всех органических структур. И вот что необыкновенно интересно — структура и свойства фиброкерита очень близки к конституции живых организмов. Химический состав, например, почти точно соответствует составу белка. Способность многих минералов играть роль мембран, обильное выделение углеводородных газов при нагревании, сложная морфология, наличие внутренних активных поверхностей — список подобия структурных мотивов кристаллов и белков можно ещё продолжить. Несравнимо более сложная по сравнению с ионными неорганическими кристаллами „жизнь“ волокнистых кристаллов керита стимулирует развитие разнообразных обменных процессов. В процессе кристаллизации легко осуществляется необходимый для функционирования биосистем хиральный отбор — деление на левые и правые спирали.

С появлением точных методов исследования структуры битумов обнаружилось, что в них существует структурная упорядоченность, причём упорядоченность на высоком, надмолекулярном уровне! Чем сложнее молекулы, тем сложнее надмолекулярная структура. У керита она очень похожа на структуру простейших биологических систем. Некоторые исследователи даже считают, что подобные структуры являются остатками древних организмов. Но это весьма спорно, ведь учёные до сих пор не сошлись в вопросе о времени зарождения жизни — разброс во мнениях идёт на миллиард лет.


Рост содержания белковых аминокислот в ряду структурной упорядоченности природных битумов.

Сейчас мы изучаем неорганические структуры, которые могли стать стартовыми для биогенеза. Это углеводороды, близкие по своему составу к белкам, это структурно родственные аминокислотам минералы. Нет пока ясности в том, что было толчком, давшим импульс эволюции. На эту роль вполне годится радиация. Углеводородные молекулярные кристаллы, подобные фиброкериту, — наиболее подходящие предбиологические системы. На базе фиброкеритового спирального кристалла с внутренними каналами можно смоделировать автономную ячейку, где происходит сборка РНК (или ДНК) и синтез белка. Это первичная частичка жизни, протоорганизм — структурно-генетический предок всех форм жизни. Энергетическое обеспечение абиогенного синтеза органики осуществляется распадом радиоактивных элементов. „Запуск“ в жизнь предбиологических систем, их оживление обеспечивается не постоянно действующими факторами, а периодическими явлениями, шоковыми воздействиями, экстремальными условиями. Теми же всплесками радиационного фона и резким колебанием температуры.

Началом является структура!

Исследования битумов показали, что аминокислоты в них присутствуют всегда. Но — вот замечательное совпадение! — чем выше порядок структуры углеводородов, тем выше содержание в них аминокислот. При радиационном облучении битумов содержание аминокислот в них увеличивается — то есть идёт радиосинтез аминокислот.



А это волокнистые кристаллы керита с Волыни. Где-то в этой точке, похоже, и стартовал биогенез.

Причём наиболее интенсивно синтезируются те аминокислоты, которые считаются первыми „кирпичиками“ протожизни. Неорганический синтез аминокислот, жирных кислот и других „биомолекул“, таким образом, является одним из функциональных элементов существования фиброкристаллов керита и ещё более сближает его с простейшими живыми организмами. Другими словами, наиболее вероятен не „захват“ минерального структурного „протогена“ органическим геном, а самостоятельная кристаллизация углеводородного протоорганизма со своей генной системой, со своим фенотипом. Предложенная модель протоорганизма, базирующаяся на кристаллизации и дальнейшем развитии реальных высокоорганизованных структур, несравнимо более рациональна, чем широко известная модель Опарина-Холдейна.

Конечно, создать условия, перепробованные за миллиарды лет геохимической эволюции, мы в лабораторных условиях не можем. Мы пока лишь приближаемся к пониманию того, какими были эти условия. Скорее всего, единым базисом для образования неорганических биогенных и затем биологических систем служила кристаллизация, образование всё более сложной структуры вещества. Некоторые исследователи полагают, что и РНК, и ДНК являются предбиологическими структурами.

Но тут самое главное — началом является структура! И возможно, первые протоорганизмы возникли из углеводородных кристаллов, сочетавших структуру, подобную гену, и компоненты белка. А углеводородов на Земле во времена зарождения жизни было много, о чём свидетельствуют геологические данные. Вполне возможно, что развитие биосистем шло сразу по нескольким направлениям, дополнявшим друг друга. Вероятно, по такой схеме биологические системы образуются всегда, непрерывно.Но мы — в силу своего врождённого биоцентризма — не видим этого процесса за мощной волной современной биологической жизни, хотя вотэти-то базовые предбиологические процессы наверняка и образуют основу биосферы.


Это тоже волынский фиброкерит. Не правда ли, очень оригинальная конструкция для колыбели? Но именно такая структура могла стать в незапамятные времена колыбелью для жизни.

Как известно, в естествознании существуют два концептуальных течения в разработке проблемы абиогенеза (неорганического происхождения жизни): генобиоз, постулирующий первичность молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода, и голобиоз, или целлбиоз, настаивающий на первичности структур типа клеточных, наделённых способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

На основе исследования биоморфных углеводородных структур мы считаем наиболее реалистичным организмобиоз, т. е. структурно-функциональное развитие упорядоченных молекулярных углеводородных систем (протоорганизмов)в биологические организмы. Предложенная кристаллизационная концепция происхождения жизни заставляет усомниться в абсолютности монофилии, то есть одноактного зарождения жизни на Земле. Единая эволюционная тенденция, скорее всего, складывается из нескольких, если не множества, генетических линий. В процессе развития жизни в этих линиях происходила, а может быть, и сейчас происходит, интервенция новых генетических форм. Они или поглощались уже существующими формами жизни, или отторгались, уничтожались. Вероятно, такими интервентами были некоторые вирусы.

Суммируя сказанное, повторим нашу основную мысль — многие биогенные и биологические процессы определяются базовыми для всей природы процессами кристаллизации, образования упорядоченной структуры. Образование биологических структур явилось переходом вещества на качественно новый уровень порядка. И этот переход только начинает изучаться. В настоящее время исследователи в России и во всём мире тщательно изучают и анализируют аналогии минералов и биосистем, сходство структур живых существ и их кристаллических предков. Концепция углеводородной кристаллизации жизни может стать одним из перспективных междисциплинарных направлений.

Живое из неживого

Но всё-таки — где же неуловимая грань между живым и неживым? Вот растущий углеводородный кристалл, это минеральная жизнь. Это процесс извлечения вещества и энергии системой из окружающей среды. А что необходимо, чтобы началась „живая“, биологическая жизнь? Система должна становиться всё более автономной, для чего она и создаёт подходящую структуру. Принципиальной разницы между процессами кристаллизации и полимеризации, лежащей в основе функционирования живых существ, практически нет. Мы рассмотрели интереснейшие структуры, которые могли бы дать пищу для размышления и геологам, и систематикам, и биохимикам. Интуиция подсказывает, что формообразование как процесс даже в самых сложных системах управляется общими для геологии и биологии законами. Есть общие факторы формообразования, структурные факторы, и для всех наук это верно. Существуют только два мира, образованные относительно автономными системами. Это мир биологических организмов и мир кристаллов-индивидов. Все остальные системы зависят от внешних форм — и Земля, и планеты, и звёзды.

И если зарождение жизни из глины, с её недостаточно упорядоченной структурой, всё же маловероятно, то минералы могли послужить катализаторами для возникновения всё более сложных углеводородов, передать первым биомолекулам часть своей структуры. Передать в смысле информационном, генетическом. Ген, прежде всего, является носителем информации. Мы можем проследить передачу информации о структуре в ходе эволюции вещества от простых кристаллических систем к биологическим.

В отечественной науке это направление биогенеза представлено ещё работами А.И. Опарина и В.И. Вернадского. Обязательно вспомним и талантливого кристаллографа А.Н. Карножицкого. На заседании Минералогического общества в 1894 году он сказал: „Жизнь есть совокупность химических и физических реакций и могла получить зарождение в момент выделения кристаллического слоя из раствора под действием условий, определяющих органическую жизнь, — подвижности химического состава, определённых температуры и давления“. Сейчас, находясь на ином уровне научного знания, мы снова возвращаемся к этой мысли, но придаём ей качественно новую огранку.

Об авторе:
Юшкин Николай Павлович — академик РАН, директор Института геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН (г. Сыктывкар). Заслуженный деятель науки РСФСР, лауреат премии Совета Министров СССР, премии имени А.Е. Ферсмана и Демидовской премии. Именем академика („юшкинит“) назван новый минерал из класса сульфидов.

„Наука из первых рук“

До Кучи:))

Ученые смогли объяснить, как зарождалась жизнь на Земле

Жизнь появилась на нашей планете спустя примерно полмиллиарда лет после возникновения Земли, то есть около 4 млрд лет назад: именно тогда зародился первый общий предок всех живых существ. Он представлял собой одну-единственную клетку, генетический код которой включал в себя несколько сотен генов. У этой клетки было все необходимое для жизни и дальнейшего развития: механизмы, отвечающие за синтез белков, воспроизводство наследственной информации и выработку рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая также ответственна за кодирование генетических данных.

Ученые понимали, что первый общий предок всех живых существ зародился из так называемого первичного бульона — аминокислот, возникших из соединений воды с химическими элементами, которыми были наполнены водоемы молодой Земли.

Реклама

Возможность формирования аминокислот из смеси химических элементов была доказана в результате эксперимента Миллера — Юри, о котором «Газета.Ru» рассказывала несколько лет назад. В ходе опыта Стэнли Миллер смоделировал в пробирках атмосферные условия Земли около 4 млрд лет назад, заполнив их смесью газов — метана, аммиака, углерода и монооксида углерода, — добавив туда воды и пропуская через пробирки электрический ток, который должен был производить эффект разрядов молний.

В результате взаимодействия химических веществ Миллер получил в пробирках пять аминокислот — основных строительных блоков всех белков.

Спустя полвека, в 2008 году, исследователи провели повторный анализ содержимого пробирок, которые Миллер сохранил в неприкосновенности, и выяснили, что на самом деле смесь продуктов содержала вовсе не 5 аминокислот, а 22, просто автор эксперимента не смог идентифицировать их несколько десятилетий назад.

После этого перед учеными встал вопрос о том, какие из трех основных молекул, содержащихся во всех живых организмах (ДНК, РНК или белки), стали следующей ступенью формирования жизни. Сложность этого вопроса заключается в том, что процесс образования каждой из трех молекул зависит от двух других и не может быть осуществлен в ее отсутствие.

Таким образом, ученые должны были либо признать возможность формирования сразу двух классов молекул в результате случайной удачной комбинации аминокислот, либо согласиться с тем, что структура их сложных взаимосвязей образовалась спонтанно, уже после возникновения всех трех классов.

Проблема была разрешена в 1980-х годах, когда Томас Чек и Сидней Олтмен открыли способность РНК существовать полностью автономно, выступая ускорителем химических реакций и синтезируя новые, аналогичные себе РНК. Это открытие привело к появлению «гипотезы мира РНК», впервые высказанной микробиологом Карлом Везе в 1968 году и окончательно сформулированной биохимиком, лауреатом Нобелевской премии по химии Уолтером Гилбертом в 1986 году. Суть этой теории заключается в том, что основой жизни признаются молекулы рибонуклеиновой кислоты, которые в процессе самовоспроизведения могли накапливать мутации. Эти мутации в конечном итоге привели к способности рибонуклеиновой кислоты создавать белки. Белковые соединения являются более эффективным катализатором, чем РНК, и именно поэтому создавшие их мутации закрепились в процессе естественного отбора.

Одновременно с этим сформировались и «хранилища» генетической информации — ДНК. Рибонуклеиновые кислоты сохранились как посредник между ДНК и белками, выполняя множество различных функций:

они хранят информацию о последовательности аминокислот в белках, переносят аминокислоты в места синтеза пептидных связей, принимают участие в регулировании степени активности тех или иных генов.

На данный момент у ученых нет однозначных доказательств того, что подобный синтез РНК в результате случайных соединений аминокислот возможен, хотя определенные подтверждения этой теории есть: так, в 1975 году ученые Манфред Сампер и Рудигер Льюс продемонстрировали, что при определенных условиях РНК может спонтанно возникнуть в смеси, содержащей только нуклеотиды и репликазу, а в 2009 году исследователи из Университета Манчестера доказали, что уридин и цитидин — составляющие части рибонуклеиновой кислоты — могли синтезироваться в условиях ранней Земли. Тем не менее некоторые исследователи продолжают критиковать «гипотезу мира РНК» из-за чрезвычайно низкой вероятности спонтанного возникновения рибонуклеиновой кислоты, обладающей каталитическими свойствами.

Ученые Ричард Вульфенден и Чарльз Картер из Университета Северной Каролины предложили свою версию формирования жизни из первичного «строительного материала». Они полагают, что аминокислоты, сформировавшиеся из набора существовавших на Земле химических элементов, стали базой для образования не рибонуклеиновых кислот, а других, более простых веществ — белковых ферментов, которые сделали возможным появление РНК. Исследователи опубликовали результаты своей работы в журнале PNAS.

Ричард Вульфенден проанализировал физические свойства 20 аминокислот и пришел к выводу, что аминокислоты могли самостоятельно обеспечивать процесс формирования структуры полноценного белка. Эти белки, в свою очередь, являлись ферментами — молекулами, ускоряющими химические реакции в организме. Чарльз Картер продолжил работу своего коллеги, показав на примере фермента под названием аминоацил-тРНК-синтетаза то огромное значение, которое ферменты могли играть для дальнейшего развития основ жизни: эти

белковые молекулы способны распознавать транспортные рибонуклеиновые кислоты, обеспечивать их соответствие участкам генетического кода и тем самым организовывать верную передачу генетической информации последующим поколениям.

По мнению авторов исследования, им удалось найти то самое «недостающее звено», которое было промежуточным этапом между образованием аминокислот из первичных химических элементов и складыванием из них сложных рибонуклеиновых кислот. Процесс образования белковых молекул достаточно прост по сравнению с образованием РНК, а его реалистичность была доказана Вульфенденом на примере изучения 20 аминокислот.

Выводы ученых дают ответ и еще на один вопрос, в течение долгого времени волновавший исследователей, а именно: когда произошло «разделение труда» между белками и нуклеиновыми кислотами, к которым относятся ДНК и РНК. Если теория Вульфендена и Картера верна, то можно смело утверждать: белки и нуклеиновые кислоты «поделили» между собой основные функции на заре возникновения жизни, а именно около 4 млрд лет назад.

Когда на Земле появились 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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *