Как появилась жизнь: кто был самым первым на нашей планете

Мезозойская эра

В это время жизнь на земле восстановилась, после катаклизмов. Планета была во власти огромных животных, хищных и травоядных динозавров. Спустя миллион лет появились и первые млекопитающие, праотцы грызунов. Земля снова стала обителью для живых существ, но мирное существование нарушил огромный метеорит, который упал на поверхность более 66 миллионов лет назад. Этот геологический период называют эрой динозавров, особенно известен Юрский.

Хронология геологических периодов Мезозойской эры:

Погибшие животные оседали на дно океана, и оказались погребенными под большим пластом осадочных пород. Из-за отсутствия доступа кислорода, высокого давления, они разлагались, превращаясь в нефть и газ.

РАЗВИТИЕ МНОГОКЛЕТОЧНЫХ. БИЛАТЕРИИ

«Многие люди все больше укреплялись во мнении, что крупная ошибка была сделана прежде всего тогда, когда все спустились с деревьев. А некоторые говорили, будто даже влезание на деревья было ошибкой, и никому не следовало покидать океаны»

Дуглас Адамс. Автостопом по галактике

Около 1,2 миллиарда лет тому назад появились первые многоклеточные. Спустя время они разделились на группы:

• Губки и пластинчатые. Эти существа дожили до наших дней практически в первозданном виде. У них нет отдельных органов и тканей. Эти организмы отфильтровывают питательные вещества из воды.
• Кишечнополостные. Эти организмы обеспечены всего одной полостью и примитивной нервной системой.
• Билатерии. К этой группе можно отнести всех остальных более развитых животных от червей до млекопитающих. Их отличительный признак — двусторонняя симметрия тела. Появление первых билатерий, вероятно, происходило около 620-545 миллионов лет назад.
• Первичноротые и вторичноротые. Вскоре, после возникновения, билатерии разделяются на первичноротых и вторичноротых. От первых произошли почти все беспозвоночные: черви, моллюски, членистоногие. Вторичные стали прародителями иглокожих (морские ежи и звезды), полухордовых и хордовых, к которым относится в том числе и человек.

Другие виды организмов

Микроорганизм

Основная статья: Микроорганизмы

Микрооргани́змы, (микро́бы) — собирательное название группы живых организмов, которые слишком малы для того, чтобы быть видимыми невооружённым глазом (их характерный размер — менее 0,1 мм). В состав микроорганизмов входят как безъядерные (прокариоты: бактерии, археи), так и эукариоты: некоторые грибы, протисты, но не вирусы, которые обычно выделяют в отдельную группу. Большинство микроорганизмов состоят из одной клетки, но есть и многоклеточные микроорганизмы, точно также как и есть некоторые одноклеточные макроорганизмы, видимые невооружённым взглядом, например Thiomargarita namibiensis, представители рода Caulerpa (являются гигантскими поликарионами). Изучением этих организмов занимается наука микробиология.

Борьба с микробами. Французская карточка 1900 года

Колониальный организм

Основная статья: Колониальный организм

Колониа́льный органи́зм — термин, который объединяет две группы организмов:

1. Организмы, состоящие из множества клеток, слабо дифференцированных и не разделённых на ткани; во многих случаях каждая такая клетка сохраняет способность к размножению (вольвоксовые зелёные водоросли Pandorina, Eudorine и др., многие виды сувоек и другие группы протистов).
2. Многоклеточные организмы, образующие колонии из нескольких особей, более или менее тесно связанных между собой, обычно имеющих одинаковый генотип и общий обмен веществ и системы регуляции. Среди животных к таким организмам относятся многие виды коралловых полипов, мшанок, губок и др. В ботанике для обозначения таких организмов принят термин «модулярные» (в противоположность унитарным) — это, например, корневищные злаки, ландыш и др.

От истинно многоклеточных организмов колониальные отличаются прежде всего более низким уровнем целостности (например, на отдельные раздражители часто реагируют отдельные особи, а не вся колония как целое), а колониальные протисты — также более низким уровнем дифференциации клеток. У многих высокоинтегрированных подвижных колоний (морские перья, сифонофоры и др.) уровень целостности достигает уровня единого организма, а отдельные особи выполняют роль органов колонии. У таких (и многих других) колоний имеется общая часть (стебель, ствол), которая не принадлежит ни одной из особей.

Трансгенный организм

Основная статья: Трансгенный организм

Трансге́нный органи́зм — живой организм, в геном которого искусственно введён ген другого организма. Ген вводится в гено́м хозяина в форме так называемой «генетической конструкции» — последовательности ДНК, несущей участок, кодирующий белок, и регуляторные элементы (промотор, энхансер и пр.), а также в некоторых случаях элементы, обеспечивающие специфическое встраивание в геном (например, т. н. «липкие концы»). Генетическая конструкция может нести несколько генов, часто она представляет собой бактериальную плазмиду или её фрагмент.

Целью создания трансгенных организмов является получение организма с новыми свойствами. Клетки трансгенного организма производят белок, ген которого был внедрён в геном. Новый белок могут производить все клетки организма (неспецифическая экспрессия нового гена), либо определённые клеточные типы (специфическая экспрессия нового гена).

Создание трансгенных организмов используют:

• в научном эксперименте для развития технологии создания трансгенных организмов, для изучения роли определённых генов и белков, для изучения многих биологических процессов; огромное значение в научном эксперименте получили трансгенные организмы с маркерными генами (продукты этих генов с лёгкостью определяются приборами, например зелёный флуоресцентный белок, визуализируют с помощью микроскопа, так легко можно определить происхождение клеток, их судьбу в организме и т. д.);
• в сельском хозяйстве для получения новых сортов растений и пород животных;
• в биотехнологическом производстве плазмид и белков.

Вирусы как живые организмы

Основная статья: Вирусы

Дополнительные сведения: Прионы

Вопрос отнесения вирусов к живым организмам носит дискуссионный характер, так как они не способны к самостоятельному размножению вне живых клеток.

Невыносимая атмосфера

Формирование нашей планеты можно уподобить выплавке чугуна в мартеновской печи. В печи кокс, руда, флюсы — все это плавится, и в конце концов тяжелый жидкий металл стекает вниз, а наверху остается затвердевшая пена шлака.

Кроме того выделяются газы и вода. Точно так же образовалось металлическое ядро земли, «стекшее» к центру планеты. В результате этой «плавки» начался процесс, известный как дегазация мантии. Землю 4 млрд лет назад, когда, как считают, зародилась жизнь отличал активный вулканизм, не идущий ни в какое сравнение с нынешним. Поток радиации из недр был раз в 10 мощнее, чем в наше время. В результате тектонических процессов и интенсивной метеоритной бомбардировки тонкая земная кора постоянно перерабатывалась. Свой вклад, очевидно, вносила и находившаяся на значительно более близкой орбите Луна, которая своим гравитационным полем массировала и разогревала нашу планету.

Самое удивительное, что интенсивность свечения солнца в те далекие времена была ниже примерно на 30%. Если бы солнце стало в нашу эпоху стало светить хотя бы на 10% слабее, Земля моментально покрылась бы льдом. Но тогда у нашей планеты было намного больше собственного тепла, и ничего даже близко напоминавшего ледников на ее поверхности не встречалось.

Зато существовала плотная атмосфера, хорошо удерживавшая тепло. По своему составу она имела восстановительный характер, то есть, в ней практически отсутствовал несвязанный кислород, зато она включала в себя значительное количество водорода, а также парниковые газы — водяной пар, метан и углекислый газ.

Запасливые уранофилы

Возможно, самая ранняя жизнь не имела того состава, который имеет нынешняя, где в качестве базовых элементов преобладают углерод, водород, азот, кислород, фосфор, сера. Дело в том, что жизнь предпочитает более легкие элементы, с которыми проще «играть». Но эти легкие элементы имеют маленький ионный радиус и создают слишком прочные соединения. А жизни этого-то и не надо. Ей надо уметь эти соединения легко расщеплять. Сейчас у нас для этого есть множество ферментов, но на заре жизни их еще не существовало.

Несколько лет назад мы высказали предположение, что у некоторых из этих шести основных элементов живого (макроэлементы C, H, N, O, P, S) были более тяжелые, но и более «удобные» предшественники. Вместо серы в качестве одного из макроэлементов, скорее всего, работал селен, который легко соединяется и легко диссоциирует. Место фосфора по той же причине, возможно, занимал мышьяк. Недавнее открытие бактерий, которые используют мышьяк вместо фосфора в своих ДНК и РНК, усиливает наши позиции. Причем все это справедливо не только для неметаллов, но и для металлов. Вместе с железом и никелем в процессе становления жизни значительную роль играл вольфрам. Корни жизни, таким образом, надо, вероятно, уводить в низ таблицы Менделеева.

Открытие одноклеточных

Микроскоп Левенгука

Еще 3 тысячи лет назад великий древнегреческий целитель Гиппократ выдвинул гипотезу, что инфекционные заболевания вызываются живыми микроорганизмами.  Но изучение простейших началось значительно позже, чем изучение большинства других групп животного мира. Оно стало возможным лишь после изобретения микроскопа, что произошло в начале XVII века. Голландец Антони Левенгук, владелец магазина оптики, увлёкся изучением образцов через микроскоп при ярком дневном свете, и в 1675 г., рассматривая каплю воды, впервые открыл в ней множество микроскопических, ранее неведомых организмов, среди которых были и простейшие. Это было первое документальное свидетельство наблюдения микромира, недоступного для обнаружения невооружённым глазом.

Наблюдения Левенгука вызвали большой интерес к изучению этого нового мира живых существ. В конце XVII и первой половине XVIII в. появляется большое число работ, посвященных изучению микроскопических организмов. Однако исследований, соответствующих современному представлению о простейших как одноклеточных организмах тогда не существовало, так как само определение клетки было сформулировано позднее.

Открытие живой клетки связано еще с одним исследователем — Робертом Гуком, автором знаменитого закона, известным изобретателем и эрудитом. С помощью усовершенствованного им микроскопа Гук изучал структуру растений и сделал точные зарисовки, впервые показавшие клеточное строение обычной пробки. Ученый обнаружил, что пробка состоит из множества очень маленьких ячеек, напоминавших ему монашеские кельи в монастырях. Эти ячейки он в своей работе «Микрография» назвал клетками. Гук подробно зарисовал и описал клетки моркови, бузины, укропа, привел изображения весьма мелких объектов, таких как глаз мухи, комара и его личинки, детально описал клеточное строение пробки, крыла пчелы, плесени, мха.

Растения в условиях нового климата

От псилофитов произошли
папоротники. Сами псилофиты 300
миллионов лет назад прекратили свое существование.

Влажный климат
и большое количество воды привели к быстрому распространению разных растений –
папоротников, хвощей, плаунов. Конец каменноугольного периода ознаменовался
сменой климата: он стал более сухим и холодным.
Огромные папоротники начали вымирать. Остатки мертвых растений гнили и
превращались в каменный уголь, которым затем люди обогревали свои жилища.

У папоротников
на листьях лежали семена, которые получили название голосеменных растений. От
гигантских папоротников произошли современные сосны, ели, пихты, которые
называют голосеменными растениями.

С изменением
климата исчезли древние папоротники. Холодный климат губил их нежные ростки. Их
заменили семенные папоротники, которые называют первыми голосеменными
растениями. Эти растения отлично приспособились к новым условиям сухого и холодного климата. У этого вида
растений процесс размножения не зависел от воды, которая находится во внешней
среде.

130 миллионов
лет назад на Земле возникли различные кустарники и травы, семена которых
находились в поверхности плодов. Их назвали покрытосеменными растениями. На
протяжении 60 миллионов лет покрытосеменные растения живут на нашей планете.
Эти растения практически не изменились с
тех пор и до наших дней.

Палеозойская эра

Геологическая история палеозойской эры начинается с Кембрия, когда вся планета была во власти бактерий и водорослей. В течение миллионов лет ничего не менялось, никакого скачка в эволюции. Она застыла на месте, но атмосфера насыщалась кислородом, благодаря зеленым бактериям.

Последовательность геологических периодов в хронологическом порядке:

Кислород, который был в воде, окислял железо, и оно оседало на дно, соединяясь в большие глыбы. Спустя колоссальное количество времени, это оно станет одним из основных полезных ископаемых, что так необходимы в нашей жизни.

4 миллиарда лет назад, из-за сильнейшей тектонической активности, возник суперконтинент – Родиния. На Земле начинают взрываться вулканы, выбрасывая в атмосферу углекислый газ, которой смешивается с паром и выпадает на землю в виде кислотных дождей. Из-за большого скопления пыли и углекислого газа в атмосфере, тепло Солнца не задерживается, и температура начинает стремительно снижаться. Начинается первый, но самый жестокий ледниковый период, за всю историю существования нашей планеты. Если эпохи, перечисленные ранее, были во власти огня, то сейчас Земля погребенная под трехкилометровым слоем льда.

Тектоническая активность снова начинает возрастать, вулканы, окруженные льдом, разрываются, снова наполняя планету углекислым газом. 15 миллионов лет потребовалось, чтобы полностью растопить мерзлоту. Несмотря на это, жизнь на планете существовала и в холодное время. Бактерии мутировали, приобретали стойкость и даже без тепла и света им удалось жить и развиваться.

Теперь планета наполняется кислородом, она готова принять жизнь и стать ее обителью. Температура поверхности 22 градуса – это идеальные условия для эволюции. Именно в кембрийский геологический период формирования Земли, появились первые растения, черви, моллюски и другие простейшие организмы.

Пока жизнь есть только в воде, но она захватывающая. Многоклеточные организмы еще не имеют позвоночника, эволюция наградила их нервной системой, острыми зубами и глазами. Теперь они могут существовать и даже охотиться. Прогресс не стоял на месте, мир наполнялся живыми существами, и они готовы были выйти на поверхность.

460 миллионов лет произошел новый сдвиг плит, образовался континент Гондвана, который потом разделился на 6 материков. Первые, кто осмелился выйти на поверхность – растения. Солнце все еще подвергало планету радиации, до формирования озонового слоя. Для нормального существования на суше должно пройти еще 150 миллионов лет.

Землю начали заселять растения, а в последующем, и животные вышли на поверхность в поисках еды. Около 360 миллионов лет назад эти животные были больше похоже на рептилий. Но природа была неумолима. Вулканы снова начали извергаться, атмосфера стала токсичной, и большинство животных, которым удалось выйти на поверхность погибли. Выжили только те, кто смог зарыться под землю, в поисках защиты от токсинов и пищи. В геологической истории Земли этот период назвали Пермским вымиранием.

Первый микроскоп Роберта Гука

Изучение клеточного строения стало возможным лишь после изобретения в XVII столетии микроскопа. Одним из первых изобретателей микроскопа был английский естествоиспытатель и изобретатель Роберт Гук. Когда оригинальная модель микроскопа была им сконструирована, перед изумлённым взором учёного открылся новый, доселе невиданный мир. С помощью своего микроскопа Гук исследовал всё, что попадалось под руку.

Первый микроскоп Гука

Микроскоп Гука был очень несовершенным инструментом. Он давал расплывчатое, неясное изображение. Несовершенны были также увеличительные приборы XVIII столетия. Вот почему до середины XIX века строение открытых Гуком мельчайших частиц продолжало оставаться для учёных неясным.

Эволюционная роль одноклеточных

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, около 3,5 млрд. лет назад. Возможно, они представляли собой одноклеточные существа, сходные с современными бактериями, например клостридиями, живущими на основе брожения и использования богатых энергией органических соединений, возникающих абиогенно под действием электрических разрядов и ультрафиолетовых лучей. Этим организмам был не обязателен кислород для своего существования, но они могли вырабатывать его в процессе жизнедеятельности.

Гигантский шаг на пути эволюции жизни был связан с повышением концентрации кислорода в атмосфере и возникновением основных биохимических процессов обмена — фотосинтеза и дыхания и с образованием клеточной организации, содержащей ядерный аппарат (эукариоты).

По сравнению с архейским временем в протерозое толщина биосферы увеличилась. В растительном царстве господствовали сине-зеленые водоросли, а животное царство было менее обильным. Наиболее многочисленной группой были бактерии, которые принимали активное участие в процессах разложения, окисления и аккумуляции неорганических соединений.

Происхождение многоклеточных организмов

Появление первых многоклеточных организмов было связано с постепенным увеличением в атмосфере и гидросфере кислорода. Переход от брожения к кислородному дыханию сопровождался огромным выигрышем энергии и усилением обменных реакций.

Дальнейшая эволюция биосферы приводила к усложнению ее структуры в результате появления многоклеточных организмов и прогрессивного развития различных групп растений и животных. При этом в процессе эволюции соотношение различных групп организмов отражало их взаимозависимость. Например, с расцветом покрытосеменных растений связан взрыв видообразования насекомых. Крупнейшим событием в истории биосферы было появление наземных позвоночных животных, и особенно теплокровных, резко изменивших уровень трансформации энергии. Каждый шаг в эволюции жизни определял и развитие биосферы.

Водород как валюта

К древнейшему типу ферментов относятся гидрогеназы, которые катализируют простейшую из химических реакций — обратимое восстановление водорода из протонов и электронов. А активаторами этой реакции являются железо и никель, которые в изобилии присутствовали на ранней Земле. Немало было и водорода — он выделялся при дегазации мантии. Именно водород, похоже, был главным источником энергии для самых ранних метаболических систем. Ведь и в нашу эпоху подавляющее большинство реакций, осуществляемых бактериями, включают в себя действия с водородом. Как первичный источник электронов и протонов водород составляет основу энергетики микробов, являясь для них чем-то вроде энергетической валюты.

Жизнь зарождалась в бескислородной среде. Переход к дыханию кислородом требовал радикальных преобразований метаболических систем клетки, чтобы минимизировать активность этого агрессивного окислителя. Адаптация к кислороду возникала прежде всего в ходе эволюции фотосинтеза. До этого же основой энергетики живого был водород и его простые соединения — сероводород, метан, аммиак. Но это, вероятно, не единственное химическое отличие современной жизни от ранней.