Возникновение и развитие жизни на Земле

Жизнь – это способ существования белковых тел (по Ф. Энгельсу). Жизнь, существующая на Земле, представляет собой открытую самовоспроизводящуюся систему, построенную из биополимеров (современное определение, предложенное М.В. Волькенштейном). Существуют следующие гипотезы возникновения жизни на Земле:
1) Метафизические – жизнь на Земле создана Творцом (Богом). Эти утверждения присутствуют в каждой религии мира.
2) Панспермия (гипотеза вечности жизни) – рассеянные в мировом пространстве зародыши жизни (например, споры микроорганизмов) переносятся с одного небесного тела на другое с метеоритами или другими способами.
3) Гипотезы самозарождения жизни – живые организмы самозарождаются из неживой материи. В 17 в. Ф. Реди провел следующий опыт: он поместил кусочки мяса в несколько сосудов, часть из них он закрыл марлей, а часть — нет. Через несколько дней в незакрытых сосудах появилось огромное число личинок мух, а в закрытых сосудах их не было. Реди сделал вывод, что личинки появились из яиц, отложенных мухами, и никакого самозарождения не было.
С открытием микроорганизмов эта гипотеза вновь обрела сторонников: в плотно закрытой колбе с питательным бульоном через некоторое время обнаруживаются микроорганизмы. Гипотезу о самозарождении окончательно опроверг Луи Пастер. Он прокипятил питательный раствор в колбе с S-образным горлышком, которое не запаивалось. Раствор в колбе долгое время оставался стерильным.
4) Научные гипотезы. Среди них рассматривается гипотеза А. И. Опарина. Он считал, что жизнь на Земле возникла абиогенным путем.

Этапы возникновения жизни на Земле (по А. И. Опарину)
Абиогенный синтез органических веществ из неорганических. Во время этого этапа (несколько миллиардов лет назад) в атмосфере древней Земли существовали вода (в виде пара), оксиды углерода II и IV, метан, водород, азот, сероводород, аммиак (как результат реакции между водородом и азотом). Из земной коры выделялось большое количество тепла. На поверхность постоянно выпадали осадки, в результате чего образовывались неглубокие водоемы. Осадки сопровождались грозами. Атмосфера была слабо сформирована, поэтому сильнейшее влияние оказывало УФ-излучение. В таких условиях из неорганических веществ синтезировались сначала промежуточные соединения (цианистый водород, формальдегид, мочевина), а затем и простейшие органические: аминокислоты, карбоновые кислоты, сахара, жирные кислоты. Позднее этот этап был экспериментально доказан (опыт С. Миллера).

Образование коацерватов — самопроизвольно концентрирующегося раствора органических веществ в виде капель. Часть образовавшихся органических веществ разрушалась, часть вступала в реакции друг с другом: жирные кислоты с глицерином образовывали липиды в виде пленок на поверхности водоемов; из аминокислот образовывались пептиды. Из растворов органических веществ формировались коацерваты или коацерватные капли. Коацерваты способны адсорбировать различные вещества.

Возникновение молекул, способных к самовоспроизведению. Вероятно, первыми возникли молекулы РНК. Они возникли спонтанно, синтезируясь из нуклеотидов. Эти реакции могут протекать без участия ферментов. Пока непонятно, как древнейшие РНК стали кодировать аминокислотные последовательности. В дальнейшем на РНК возникли молекулы ДНК.

Возникновение первичных гетеротрофных организмов. Образование организмов невозможно без формирования биологических мембран. Скорее всего, липидная пленка, лежащая на поверхности водоемов, адсорбировала белковые молекулы и становилась двухслойной. Под внешним воздействием (например, ветер) она могла изгибаться и от нее могли отрываться пузырьки. Пузырьки поднимались ветром в воздух, а когда падали в водоем, то покрывались вторым липидно-белковым слоем. Такая 4-слойная оболочка и явилась прообразом современной мембраны. В какие-то из них могли попасть белково-нуклеиновые системы. Системы, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизведению, и были первыми живыми организмами планеты Земля – пробионтами.

Геологическая история Земли
Геологическая история Земли подразделяется на крупные промежутки времени – эры, которые делятся на периоды. Это разделение связано с крупными геологическими процессами, изменявшими очертания нашей планеты.

Эон Эра Период Длительность
Криптозой (скрытая жизнь) Архейская Начало — 3,5 млрд лет назад,
окончание — 2,5 млрд лет назад,
длительность — 1 млрд лет
Протерозойская Начало — 2,5 млрд лет назад,
окончание — 0,5 млрд лет назад,
длительность — 2 млрд лет
Фанерозой (явная жизнь) Палеозойская Кембрий Начало — 0,5 млрд лет назад,
окончание — 160 млн лет назад,
длительность — 340 млн лет
Ордовик
Силур
Девон
Карбон
Пермь
Мезозойская Триас Начало — 160 млн лет назад,
окончание — 60 млн лет назад,
длительность — 100 млн лет
Юра
Мел
Кайнозойская Палеоген Начало — 60 млн лет назад,
длительность — по настоящее время
Неоген
Антропоген

Криптозой
Выделяют две эры: архейскую и протерозойскую. Сведения о палеонтологическом материале этого времени весьма скудны. Основная причина — плохая сохранность организмов в геологических пластах.

Архейская эра
Первыми на Земле возникли первичные живые организмы – пробионты. Это были системы, способные к саморегуляции и самовоспроизведению; снаружи они были покрыты первичной мембраной, под которой находились различные органические вещества. От пробионтов образовались три группы организмов: архебактерии (наиболее близки к пробионтам), эубактерии и одноклеточные эукариоты.
Исходные организмы Земли – анаэробные гетеротрофы: в атмосфере отсутствовал кислород, они питались органическими и неорганическими веществами абиогенного происхождения, имеющимися в окружающей среде. Следующий, наиболее важный этап – возникновение фотосинтеза у прокариот. Сначала бактерии получали водород расщеплением сероводорода или органики, затем цианобактерии освоили фотолиз воды. С этого момента началось накопление кислорода в атмосфере, которое способствовало возникновению аэробного метаболизма.
В архейскую эру на Земле существовали только прокариоты.

Протерозойская эра
В протерозойскую эру возникают эукариоты. Согласно современным гипотезам, они появились в результате симбиоза анаэробных и аэробных клеток. Одноклеточные эукариоты дали начало многоклеточным организмам. Из растений это были водоросли (бурые, красные и зеленые); некоторые грибы; из животных — кишечнополостные и черви. Преимущества многоклеточности заключаются в возможности специализации клеток, что привело к возникновению органов и тканей и более длительному индивидуальному существованию.
Крупнейшими ароморфозами протерозойской эры считаются: возникновение эукариот, появление многоклеточности, возникновение митоза (поддерживается постоянство числа хромосом в клеточных поколениях и осуществляется передача генетической информации) и полового процесса (возникает наследственная изменчивость).
В протерозойскую эру сформировались основные царства живой природы. Также появились первые наземные организмы (бактерии и грибы).

Фанерозой
Палеозойская эра

Период Что происходило
Кембрий Климат умеренный. Животные и растения населяют водную среду, на суше обитают бактерии, в т.ч. цианобактерии. Быстрое распространение беспозвоночных с известковым или фосфатным скелетом: фораминиферы, губки. Интенсивно развиваются моллюски, кольчатые черви. Появляются первые членистоногие (трилобиты).
Ордовик Значительно увеличивается площадь морей. В морях обитают многочисленные водоросли. Интенсивно образуются коралловые рифы; очень разнообразны головоногие и брюхоногие моллюски; уменьшается разнообразие губок. Появляются первые хордовые.
Силур Происходят интенсивные горообразовательные процессы, увеличивается площадь суши и уменьшается — морей; характерно повышение засушливости климата. Происходит развитие ракоскорпионов; расцвет головоногих. Появляются иглокожие. В морях распространяются первые настоящие позвоночные — панцирные бесчелюстные; появляются рыбы. Первые растения (псилофиты) и животные (паукообразные) осваивают сушу.
Девон Многие участки земной коры поднимаются, поэтому площадь морей сокращается; климат становится более континентальным; появляются пустыни и полупустыни. В морях доминируют настоящие рыбы (костные и хрящевые), в мелких водоемах — двоякодышащие рыбы, возникают кистеперые рыбы. Появляются многоножки и насекомые. В конце периода появляются первые земноводные (стегоцефалы). На суше образуются леса из папоротникообразных. Появляются голосеменные
Карбон Заметное потепление и увлажнение климата. Влажные болотистые леса состоят из папоротникообразных. Распространяются голосеменные. Расцвет и разнообразие земноводных. Появляются первые крылатые насекомые — тараканы и стрекозы. В конце периода появляются первые рептилии
Пермь Происходит поднятие суши, как следствие этого — похолодание и развитие засушливого климата. Постепенно вымирают папоротникообразные, их сменяют голосеменные. Вымирают амфибии, развиваются рептилии

Мезозойская эра

Период Что происходило
Триас Сильно сокращаются площади внутриконтинентальных водоемов, развиваются пустыни. Вымирают земноводные, древовидные папоротникообразные. Сильного развития достигают голосеменные и рептилии. Появляются первые динозавры, крокодилы и черепахи. В морях развиваются костистые рыбы. Появляются первые млекопитающие (яйцекладущие) и птицы
Юра Несколько увеличивается площадь теплых морей. В морях многочисленны аммониты и белемниты. Среди позвоночных господствуют пресмыкающиеся (в воде, воздухе и на земле). Разнообразны насекомые, в том числе летающие формы. Возникают сумчатые и плацентарные млекопитающие. Среди растений господствуют голосеменные
Мел Чрезвычайно быстро распространяются покрытосеменные, вытесняя голосеменные. Очень разнообразны динозавры. Увеличивается разнообразие птиц
и зверей. Со второй половины мела климат резко меняется: становится более континентальным и холодным. К концу периода вымирают аммониты и белемниты, морские ящеры и динозавры

Кайнозойская эра

Период Что происходило
Палеоген Господствуют млекопитающие и птицы. Формируется большинство современных групп млекопитающих. Появляются первые приматы: лемуры и обезьяны.
Неоген Климат более холодный и сухой. Тропические леса отступают к экватору, на их месте возникают степи, где широко распространяются злаки. Сформировались все современные отряды зверей, появились первые человекообразные обезьяны.
Антропоген Появление человека.