Основные этапы развития биосферы на Земле

Николай Казимирович Янковский

В курсе общей биологии мы уделим особое внимание молекулярно-биологическим процессам и человеку, тем аспектам молекулярной биологии, которые связаны со здоровьем человека. Сегодня мы рассмотрим основные этапы развития биосферы.

Земля появилась около 4,5 миллиардов лет назад, жизнь на ней возникла около 3,8 млрдов лет назад. Австралийскими учеными в древних породах были обнаружены минералы, изотопный возраст которых превышает 4 млрд лет. Следовательно, возраст Земли - более 4 млрд лет. В породах возрастом около 3,5 млрд лет были обнаружены отпечатки организмов, похожих на современных бактерий. Бактерии не имеют ядра в отличие от эукариотических (ядерных) клеток.

Первые эукариоты появились около 2 миллиардов лет назад. По этому поводу существует несколько гипотез, которые будут рассмотрены ниже. Многоклеточных появились, видимо, более 600 миллионов лет назад, данные об этом появились тоже благодаря ископаемым породам. Что же касается млекопитающих, то они появились в эволюционных масштабах недавно, всего 200 млн лет назад.

Ближайшим родственником человека, имеющий общего с нами предка, считается шимпанзе. Шимпанзе и человек имели общего предка 5,4 миллиона лет назад, примерно в это время ветви, ведущие к человеку и шимпанзе, разделились. Около 2 миллионов лет назад у человека появились первые примитивные орудия труда. Предком человека соврменного типа был вид Homo erectus (человек прямоходящий). Человек соверменного анатомического типа появился примерно 100-150 тысяч лет назад. Представления о происходжении человека, его родстве с представителями живого мира были получены при сравнении строения тела человека и других животных, данных сравнительной эмбриологии, исследования костных останков вымерших видов – данных археологии и палеонтологии, а за последние десятилетия также и при сравнении ДНК разных организмов. На основе этих данных восстановлен общих ход развития жизни на Земле, но ответить на вопрос, почему жизнь появилась; почему она усложнялась; что способствовало ее усложнению; каким образом из аминокислот, нуклеотидов и другого материала получилась такая сложная функционирующая система, почему очень просто устроенные организмы в ходе эволюции все более и более усложняли свою структуру. Эти вопросы обсуждаются в теории эволюции. Дарвин был не первый, кто выдвинул идею эволюции, но он сумел обобщить и преподнести те идеи, которые существовали до него, так, чтобы они были восприняты обществом, и сумел развить их в своей теории. Причем его работа попала в круг всеобщего внимания не только среди ученых, но и среди широкой публики. В то время, когда основной темой для диспутов в ученых кругах была теория естественного отбора (то есть эволюционируют ли виды под действием естественного отбора или по другой причине), общественность обсуждала вопрос о том, от кого все- произошел человек: от Бога или от обезьяны.

Со времен теории Дарвина было проведено много новых исследований, возникли новые теории эволюции. Основатель учения, называемого антропософией, Штайнер, считал, что эволюция идет не от простого к сложному, а наоборот. Объединение идей генетики и теории эвоюции привели к появлению так называемой синтетическоц теории эволюции, которая ответила на многие вопросы. Но тем не менее есть вопросы, на которые и эта теория не может ответить. Есть направление, называемое креационизмом, последователи которого утверждают, что все виды созданы Богом. Они неизменны, не могут совершенствоваться. Существование палеотологической летописи, то есть появление и исчезновение видов в истории Земли, с точки зрения креационистов следует объяснить тем, что Бог поместил эти виды на Землю, а потом изъял их. Креационисты проводят достаточно интересные расчеты, связанные, например, с тем, какие и сколько видов животных имел возможность Ной собрать в своем ковчеге, каких размеров должен быть этот ковчег. Рыб и растений, по их теории не надо было брать, так как они могли выжить в воде сами. С их точки зрения, Ной мог взять молодых животных, которые были более жизнеспособны и занимали меньше места, таким образом, они высчитали определенный минимум видов животных, который обеспечил разнообразие жизни на Земле сегодня. Креационисты находят слабые места в дарвиновской теории эволюции, задают вопросы, ответы на которые эволюционистам приходится искать.

В нашем курсе мы рассмотрим все уровни жизни, от молекулярных структур до экологических систем, от биохимических процессов в клетке до процессов, происходящих на биосферном уровне

Метаболические циклы включают в себя процессы анаболизма (расщепление более сложных веществ на простые) и катаболизма (объединение простых веществ в более сложные). У нас с растениями и бактериями есть некоторые общие процессы, поэтому, в частности, растения и лечат. Некоторые отдельные циклы мы будем рассматривать на следующих лекциях. Все процессы идут согласовано друг с другом, так как продукты одних реакций являются субстратами следующих, и таким образом, скорость всех реакций сопряжена.

Ниже представлен цикл Кребса – основной энергетический цикл клеток. Этот цикл обеспечивает клетку энергией, в его ходе синтезируется АТФ.

Как могла возникнуть такая сложная система? Есть некоторые ученые, считающие, что жизнь на Землю была занесена из Космоса. Эта концепция называется теорией панспермии. Они ситают, что на Земле было слишком мало времени, чтобы возникла такая сложная система, как живая клетка. И в качестве иллюстрации абсурдности подобных предположений проводят следующее сравнение. Дескать, у обезьяны, усаженной за пишущую машинку, больше шансов отпечатать сонет Шекспира, чем у жизни возникнуть на Земле из аминокислот, нуклеотидов и других веществ, из которых состоит клетка. Но у данного сравнения есть слабое место. Рассуждая по аналогии, приведем следующий пример. Шекспир, в отличие от обезьяны, складывал свои сонеты не из отдельных букв. В его распоряжении были готовые сюжеты, которые он заимствовал из других произведений, он пользовался английской грамматикой, знал правила драматургии. То есть он творил не из отдельных элементов, а из готовых блоков.

Концепция блочной эволюции как раз и утверждает, что эволюция происходит не из отдельных молекул, каждый раз создавая что-то новое практически с нуля, а из уже готовых блоков. Как же могла возникнуть жизнь? На самом деле, метаболические циклы возникли тоже не сразу. Можно выделить несколько уровней реакций. И вот самые простые циклы сопрягались с другими, и получались системы биохимических реакций, циклов. Существует интересная теория, описывающая возможный процесс возникновения самого первого такого цикла, ставящая под сомнение необходимость занесения готовых процессов из Космоса. Когда Земля еще только остывала и не было еще никаких бактерий, но Земля вращалась вокруг своей оси, и на нее светило Солнце. Существовали уже ночь и день (возможно, также зима и лето). И «ночью» происходили процессы конденсации, а «днем» - возгонки и конвекции. Возможно, эти процессы, были не чисто физическими, но также и химическими. То есть происходили следующие процессы: на свету, «днем», синтезировались вещества, которые в тени, «ночью», распадались на более простые. И такие циклические реакции могли происходить в масштабах всей планеты. Если процесс днем "успевал" запасти столько энергии, что за ночь не "умирал", то есть преобразуемые в нем вещества не распадались за ночь, на следующий день этот же процесс мог восстановиться. Такие процессы могли представлять собой первые метаболические циклы. Согласно этой концепции жизнь (самовоспроизводящиеся процессы) возникла до появления живых организмов. Это только гипотеза, она не является общепринятым мнением. Существует журнал «Молекулярная эволюция», который в том числе рассматривает вопросы происхождения жизни. Наибольшее внимание в нем уделено происходению объектов, вопросам о том, какая молекула из какой возникла. Вопросам возникновения процессов посвящена лишь маленькая толика всех исследований. Однако эволюция процессов не менее, а может, и более интересна, чем эволюция объектов. Возможно, не всегда нужно рассматривать какую-то конкретную молекулу, а более полезно разобраться в каких процессах она участвует. Это напоминают историю про курицу и яйцо (что было раньше: курица или яйцо?) : понятно, что это процесс, а в отдельности курица и отдельно яйцо – это два разных состояния этого процесса, как бы две промежуточные стадии бесконечного процесса. Мы с вами будем говорить о таких процессах, о процессах эволюции, о процессах функционирования отдельных организмов, о жизненных циклах.

Например, жизненный цикл человека вы знаете из школьного курса биологии. У человека диплоидный набор хромосом (23 пары), в гаплоидной стадии образуются половые клетки (сперматозоиды и яйцеклетки), в которых только 23 хромосомы, эта стадия проходит недолго, после оплодотворения получается опять диплоидный организм.

А вот многие водоросли, папоротники и мхи большую часть своей жизни проводят в гаплоидной стадии, и лишь ненадолго переходят в диплоидную.

Есть организмы, проводящие часть своей жизни как однклеточные, а часть – как многоклеточные. Примером может послужить почвенная амеба диктиостелиум.

В процессе эволюции меняется не только строение организмов, но и их жизненные циклы, и мы будем изучать, как это происходит.

Мы познакомимся также с многообразием форм живых существ – от бактерий и вирусов до человека.

Рассмотрим представителя прокариот - кишечную палочку.

У каждого из нас в кишечнике живет миллиарды кишечных палочек. Мечников утверждал, что микрофлора человека – такой же орган, как печень и сердце. Кишечная палочка – наш симбионт. Существует множество бактерий, наших симбионтов. В их отсутствие нарушаются функции кишечника. Размер кишечной палочки: 2 микрона в длину и полмикрона в ширину. Кроме того, естественно, в нашем организме могут оказаться и болезнетворные бактерии. У самих бактерий тоже могут быть паразиты – вирусы бактерий, они называются бактериофагами (то есть "пожирателями бактерий").

Ниже представлена фотография «нападение бактериофагов на кишечную палочку». Бактериофаг впрыскивает внутрь кишечной палочки свою ДНК, вследствие чего в бактерии синтезируются белки бактериофага и проиходит сборка фаговых частиц. Сама бактерия при этом погибает.

В последнее время идет много дискуссий о том, являются ли вирусы живыми, поскольку они проявляют свойства живых организмов только внутри клетки, в свободном же виде вирусы могут быть кристаллизованы и при этом могут выглядеть как кристаллик соли. В качестве примера вируса человека можно привести вирус герпеса, который вызывает "лихорадку" на губах.

Мы будем изучать жизнь на уровне ДНК, строение организма, структуру клеток. В качестве примера разнообразия живого мира приведен вольвокс (колониальная водоросль) и амеба (см. рис.).

Мы будем говорить о процессе антропогенеза. Мы по большому счету будем заниматься тем же самым, что показано на рисунке с обезьяной.

Как показано на фотографии, обезьяна учит своего детеныша искусству разбивания орехов. У шимпанзе хорошо развита система обучения. Если раньше проводили четкую грань между человеком и животными в том, что у человека есть культура, а у обезьян нет, то на данном примере можно увидеть, что эта система обучения является как бы пракультурой.

Мы будем говорить о происхождении человека. Человек отделился от шимпанзе 5,4 миллиона лет назад, эти цифры установлены на основе данных палеонтологии и молекулярной генетики на основе сходства ДНК обезьяны и человека. Шимпанзе есть два вида: обыкновенный и бонобо, он же карликовый шимпанзе (карликовый не потому что маленького роста, а потому что он живет среди пигмеев). Последний, по поведению, очень похож на человека.

Меньше на человека похожа горилла; она отделилась от ветви общих предков 7,3 миллиона лет назад. Еще раньше отделился орангутан. С появлением человека пошло развитие культуры. На протяжении десятков тысяч лет человек жил в кочующей общине. Наиболее древние останки были найдены в Юго-Восточной Африке.

Более 100 000 лет назад человек современного типа появился на территории Африки, а затем расселился по всей Земле, позже всего он проник в Америку – около 15 тыс. лет назад. Родственные виды (неандерталец и другие виды), которые проживали в Африке, Европе и Азии, исчезли, видимо, не без участия человека.

4 тысяч лет назад в Месопотамии появились первые исторические записи, говорившие о представлениях живших в то время людей; 2-3 тысячи лет назад письменная культура распространилась в Древнем Китае и Египте, в Греко-романском мире.

Интересно заметить, что уникальность человеческого вида заключается в том, что ни один вид животных кроме человека (и сопровождающих его крыс и тараканов) не смог расселиться от экватора и до северных широт. Причем это произошло в основном не из-за биологической гибкости, а из-за того, что человек смог использовать свою культуру и был способен к созданию социальных структур, таким образом, адаптируясь к изменениям внешней среды. Удавалось это человеку непросто. Если посмотреть на рисунок, то видно, что население Земли неуклонно росло. На данный момент население Земли составляет около 7млрд. человек.

Но на самом деле все было не так гладко. На примере Китая можно это проследить.

Дело в том, что за 200 лет до нашей эры в Китае перепись населения в связи с налого-обложением. Поэтому довольно точно можно реконструировать колебания численности населения. Увеличение численности чередовалось с резким уменьшением. Обычно это было связано с неурожаями, что влекло за собой войну или эпидемию. Эти три фактора могли действовать в разном порядке, но почти всегда голод, война и эпидемии шли вместе. При этом вымирало до 80% населения. Средняя продолжительность жизни ранних земледельцев составляла около 20-30 лет, уровень детской смертности составлял 60%; и во все времена знать жила в среднем на 10 лет дольше, чем простые люди. По мере улучшения условий продожительность жизни возрастала. И сегодня, благодаря возможностям современной медицины, в развитых странах люди живут до 70-80 лет.

На здоровье влияет очень многие факторы. Мы будем говорить о многих факторах влияющих на здоровье человека, о том, как современная наука старается это здоровье поддерживать.

В развитиии биологии как науки можно выделить несколько этапов. Наиболее ранним и очень важным этапом было описание самого предмета изучения - многообразия живых существ, установление родства разных видов организмов, выявление их сходства и отличий. Этим занимаются такие разделы биологии как систематика (греч. "система" - целое, составленное из частей) и таксономия (от греч. слов "таксис" - порядок и "номос" - закон). Систематика занимается изучением взаимоотношений и родства различных групп живых организмов. Таксономия, которая раньше обозначала то же, что и систематика, сейчас считается ее разделом, классифицирующим на основе определенных признаков соподчиненные группы объектов - таксоны. То, по каким признакам следует объединять организмы в группы, также является предметом научного исследования в таксономии. Легко отличить человека от кактуса, но, например, два вида жучков или грызунов отличить бывает не так-то просто. В истории биологии есть множество примеров, когда одно животное или растение описывали под разными названиями, или разные стадии жизненного цикла одного животного, или самца и самку одного вида считали разными видами. Именование видов живых организмов также составляет предмет науки. Есть тривиальные названия (например, ромашка - этим именем неспециалисты называют несколько совершенно разных цветковых растений) и научные названия, например, ромашка аптечная (Matricaria chamomilla) и ромашка пахучая (Matricaria matricarioides).

Другой примеры: Betula alba – береза (название рода) белая (название вида); Viola tricolor - фиалка трехцветная; Homo sapiens - человек разумный; Homo erectus - человек прямоходящий.

Тривиальные названия на всех языках разные, и они не составляют особой системы. Для унификации научных названий 300 лет наза использовали латынь, и сейчас в научных работах обязательно даются латинские названия видов (для ромашек они указаны в скобках). Современная номенклатура, называемая биноминальной номенклатурой, была введена шведским врачом и естествоиспытателем Карлом Линнеем (1707-1778). До Линнея названия живых организмов были многословными, представляли длинные описания. Линней ввел названия, состоявшие из имени рода и вида.

Первым указывают родовое название, вторым - видовое. Родовое название всегда пишется с большой буквы, видовое - всегда с маленькой. Кроме того, латинское название дается курсивом. Соблюдение этих правил указывает на грамотность автора.

В научных статья при первом упоминании организма в тексте обязательно указывают полное латинское название организма, при повторном упоминании родовое название указывают сокращенно, в виде первой буквы с точкой, например, M. matricarioides или H . sapiens.

Научные латинские названия время от времени могут меняться из-за пересмотра классификации (например, введения нового рода или разделении ранее имевшегося рода на два отдельных) или по другим причинам.

Часто после латинского названия указывают фамилию исследователя, описавшего и назвавшего данный вид. Чаще всего встречается имя Линнея, которое - из за его всемирной известности и потому, что он описал около десяти тысяч видов - сокращено до начальной буквы фамилии (Matricaria chamomilla L.)

Все живые организмы подразделяются на три больших группы, называемые доменами: археи, бактерии и эукариоты. Домены подразделяются на царства. Раньше, весь живой мир делился на растения и животные, потом были добавлены протисты (простейшие, или одноклеточные) Геккелем в девятнадцатом веке. Потом были выделены в отдельное царство бактерии. Это царство впоследствии было разделено, как мы уже говорили, на эубактерий (собственно бактекрий) и архебактерий (архей). Грибы ранее относили к растениям, но сейчас их считают отдельным царством.

Всего живых организмов существует несколько миллионов видов. Для того, чтобы как-то упорядоченно их описать, их классифицируют либо по степени родства, либо по каким-либо морфологическим признакам, и объединяют в группы – таксоны (от греч. «таксис»-расположение). Раздел биологии, занимающийся описанием многообразия живых существ, как ныне живущих, так и вымерших, называется таксономией, или, систематикой (от греч. «систематикос»-упорядоченный). Систематика – это не система живых организмов, а научная работа, исследование по созданию такой упорядоченной системы. Таких систем предложено несколько.

Итак, группа организмов, сходных по происхождению либо по каким-то другим признакам, называется таксоном. Таксон высшего порядка – это домен. Затем идет таксон, называемый царством, затем для животных идет тип, класс, отряд, семейство, род и вид. При классификации растений выделяют такие же таксоны, что и у животных, но с небольшими отличиями. Таксон того же ранга, что тип у животных, называется отделом, а отряду соответствует таксон, называемый порядком. Названия отличаются исключительно по историческим причинам, а не из-за наличия какого-либо глубокого смысла. Разные исследователи выделяют от 4 до 26 различных царств, типов - от 33 до 132, классов – от 100 до 200.

Ниже представлено полное таксономическое описание вида Homo sapiens (Человек разумный).

Для каждого таксономического уровня указан перечень основных таксонов. Человек относится к типу хордовые, подтипу позвоночные, классу млекопитающие, подклассу плацентарные, отряду приматы, подотряду высшие обезьяны, семейству человекообразные, роду люди.