Когда на земле появились первые прокариоты

Когда на земле появились первые прокариоты


Естествознание
10 класс

§ 79. Эволюция эукариот

Земная жизнь в безбрежном лоне вод
Среди пещер жемчужных океана
Возникла, получила свой исход,
Росла и стала развиваться рано:
Сперва в мельчайших формах все росло.
Невидимых и в толстое стекло.
Э Дарвин

Какие существуют гипотезы о происхождении жизни? Каков возможный сценарий развития жизни в рамках концепции «мира РНК»? Когда появились прокариоты и эукариоты? Каковы основные этапы становления клетки эукариот?

Урок-лекция

ГИПОТЕЗЫ О ПРОИСХОЖДЕНИИ ЖИЗНИ. В рамках естественно-научного подхода существуют две точки зрения на происхождение жизни на Земле — автогенез и панспермия. Согласно первой, жизнь зародилась на определенных этапах эволюции нашей планеты и развивалась в дальнейшем на ней же. Вторая точка зрения предполагает заселение Земли некими «спорами жизни», т. е. привнесение из космического пространства (например, вместе с метеоритами) каких-то макромолекул биологического ряда либо спор микроорганизмов. Как и где развилась жизнь, «споры» которой занесены на Землю, сторонники панспермии не обьясняют. По мнению большинства ученых, это событие вполне могло произойти и на древней Земле.

ОТ ПЕРВЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ К «МИРУ РНК» И ПЕРВЫМ ЖИВЫМ СУЩЕСТВАМ. Условия для синтеза органических соединений из неорганических сформировались на древней Земле примерно 4,5—4,4 млрд лет назад, вскоре после ее возникновения из пылевого облака. Поверхность планеты покрывали активно действующие вулканы и горячие водоемы. Атмосфера того периода состояла из вулканических газов и была насыщена парами воды. Жесткое ультрафиолетовое излучение и грозовые разряды могли стать источниками энергии для синтеза органических веществ из простых неорганических соединений, что неоднократно подтверждалось в лабораторных условиях.

Среди образовывавшихся органических молекул могли быть и полипептиды, и короткие нуклеиновые кислоты, т. е. два основных компонента современных живых систем. С какого же из этих соединений началось становление жизни?

Фундаментальное свойство живых организмов — передача потомкам информации о своей структуре и функциях — обеспечивается репликацией ДНК, где такая информация записана в виде последовательности нуклеотидных оснований (см. § 29). Способностью к репликации из всех известных биологических полимеров обладают только нуклеиновые кислоты. Однако их копирование (репликация ДНК, матричный синтез мРНК) невозможно без участия белков-ферментов. Получается замкнутый круг — белки не могут передать свои свойства потомкам без помощи нуклеиновых кислот, а нуклеиновые кислоты не способны к воспроизводству без белков-ферментов.

Проблема эта казалась неразрешимой, пока в 80-е гг.

XX в. не было установлено, что некоторые типы РНК способны к саморепликации без участия белков-ферментов. Такие РНК вполне могли появиться в водоемах древней Земли, что можно считать первым шагом на пути биопоэ-за — формирования живого из неживого. В процессе саморепликации древних РНК неизбежными были ошибки в копировании, так что вновь синтезируемая цепочка могла отличаться от материнской. В результате росло разнообразие молекул РНК, и постепенно сформировался первый самодостаточный биологический мир — «мир РНК».

Молекулы РНК функционировали в этом мире и как генетический материал (передача свойств материнской цепи дочерним), и как катализаторы при собственном воспроизведении. На каком-то этапе эволюции функция носителя генетической информации перешла от РНК к ДНК. Последняя, обладая двухцепочечной структурой, более стабильна и в меньшей степени подвержена внешним воздействиям, чем одноцепочечная РНК. Это гарантирует высокую сохранность записанной на ДНК информации.

Одним из ранних событий в эволюции живого было обособление либо самореплицирующейся РНК, либо уже сформированной белоксинтезирующей системы от внешней среды. Возможно, такие протоорганизмы, или протобионты, имели вид коацерватов. с которыми длительное время экспериментировал отечественный ученый Александр Иванович Опарин, работавший в середине XX в. Коацерваты — это капли, которые самопроизвольно образуются в смеси некоторых полимеров. От внешней среды они отделены плотным наружным слоем, который можно считать прообразом клеточной мембраны, а коацерват в целом — прообразом клеток живых организмов.

Приведенный сценарий развития событий, конечно, гипотетичен. Далеко не все описанные выше процессы объяснимы с точки зрения современной биохимии. Особенно уязвим момент перехода от РНК и ее репликации к биосинтезу белка. Необходимо учитывать и тот факт, что палеонтологическая летопись не оставила нам никаких следов начальных этапов биопоэза. Поэтому любой вариант, который ученые предлагают сейчас или предложат в будущем, всегда будет носить характер предположения, каким бы реальным он ни выглядел.

Возможность образования органических соединений на древней Земле доказана экспериментально. Последующая эволюция жизни, скорее всего, связана с появлением самореплицирующихся РНК. Эволюция «мира РНК» привела к формированию процессов матричного синтеза белка и образованию первых примитивных организмов.

ЭВОЛЮЦИЯ ЭУКАРИОТ. Примерно 3,5 млрд лет тому назад на Земле уже существовали прокариоты. Именно таков возраст самых древних пород, в которых находят их ископаемые остатки. Бактерии безраздельно господствовали на протяжении значительной части архея (4,0—2,5 млрд лет назад) и протерозоя (2,5—0,6 млрд лет назад) и сформировали первую в истории Земли биосферу — прокариотную.

Важнейшим ее компонентом были цианобактерии — одни из наиболее сложно устроенных прокариот, обладающие способностью к фотосинтезу.

В ходе длительной эволюции прокариот шло становление различных биохимических механизмов усвоения и преобразования потребляемых клеткой химических соединений. Фактически все варианты пластического и энергетического обмена, включая аэробное расщепление органических соединений и фотосинтез, эволюционировали у прокариот. С появлением фотосинтеза в группе цианобактерий связано накопление в атмосфере кислорода, что повлекло за собой цепь событий, приведших в конечном итоге к коренным преобразованиям биосферы в конце протерозоя.

У древних прокариот интенсивно шла биохимическая эволюция, которая привела к выработке основных механизмов метаболизма и фотосинтеза. С появлением фотосинтезирующих цианобактерий началось накопление кислорода в атмосфере древней Земли.

ПОЯВЛЕНИЕ ЭУКАРИОТ. Первые ископаемые эукариоты датируются возрастом примерно в 1,5 млрд лет. Легко подсчитать, что если на развитие прокариот ушло около 500 млн лет, то между первыми прокариотами и первыми эукариотами лежит неизмеримо больший отрезок времени, протяженностью примерно в 2 млрд лет.

Ископаемая летопись не оставила нам следов начальных этапов формирования эукариот. Поэтому, как и в случае прокариот, мы можем только предполагать, каким путем возник этот новый уровень организации, с которым связана вся дальнейшая эволюция биосферы.

Предками эукариот, по-видимому, были гетеротрофные прокариоты. Первым шагом на пути становления эукариотной организации должна была стать утрата жесткой клеточной стенки. Это позволило перейти к питанию посредством пино- и фагоцитоза (см. § 32), что кардинальным образом изменило способности организма по части использования источников питания. Появилась возможность заглатывать крупные частицы пищи, включая другие микроорганизмы. Этапы становления клетки эукариот представлены на рисунке 101.

Рис. 101. Реконструкция последовательных этапов становления клетки эукариот

Симбиоз с бактерией, обладающей способностью к аэробному расщеплению простых органических соединений, давал протоэукариотной клетке несомненный энергетический выигрыш, поскольку аэробный метаболизм в энергетическом плане намного выгоднее анаэробного (см. § 39). Постепенно симбионт превратился в клеточную органеллу — митохондрию. Хлоропласты формировались сходным способом, но симбионтом в этом случае были обладающие способностью к фотосинтезу цианобактерии.

Дальнейшая эволюция эукариот шла по пути формирования различных многоклеточных организмов. Возникали состоящие из одинаковых клеток слоевища, которые в дальнейшем дали начало водорослям, а на основе колониальных форм впоследствии сформировались животные (см. § 50). Именно многоклеточные организмы стали играть ведущую роль в формировании биосфер протерозоя и фанерозоя (около 0,6 млрд лет назад — до наших дней).

Клетка эукариот формировалась в середине протерозоя на основе совершенствования организации прокариот. Митохондрии и хлоропласты были приобретены в результате симбиоза древних эукариот с бактериями.
  • Каковы две основные гипотезы возникновения жизни?
  • Какие условия древней Земли способствовали появлению органических соединений?
  • Почему считают, что эволюция жизни началась с РНК?
  • Каков возможный сценарий развития живых существ?
  • Каковы основные этапы эволюции клетки эукариот?


когда на земле появились первые прокариоты:Естествознание. Учебник для 10 класса

когда на земле появились первые прокариоты

Когда на земле появились первые прокариоты 14 9 10