Избранные лекции по курсу биологии

Основная идея биохимической эволюции жизни в её современной форме была высказана в 1924 г. А. И. Опариным (в 1924 г вышла в свет его книга «Происхождение жизни»), а в 1929 году англичанином Дж. Холдейном (опубликовал статью по происхождению жизни на Земле). Их гипотеза представляет собой обобщение убедительных доказательств возникновения жизни на Земле в результате закономерного процесса перехода химической формы движения материи в биологическую.

Согласно гипотезе Опарина и Холдейна можно выделить три основных этапа процесса возникновения жизни:

1. абиогенный синтез органических веществ из неорганических;

2. возникновение сложных биополимеров и фазово-обособленных открытых систем;

3. эволюция протобионтов – первых живых организмов.

Начало решающего этапа абиогенного синтеза органических веществ относят к периоду между 4,6 – 3,7 млрд. лет до нашего времени. Первичная атмосфера Земли носила не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер и в ней полностью отсутствовал свободный кислород. Она была богата инертными газами (гелием, неоном, аргоном). Древняя атмосфера была насыщена также электричеством, в ней происходили бурные химические процессы, в результате которых образовались соли аммония, формальдегид и другие соединения.

Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твердое состояние, а также образование земной коры. Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100°С, произошло сгущение водяных паров и образовалась водная оболочка Земли.

Количество свободной воды на Земле в этот период было относительно небольшим – около 10 % от современного, поэтому в древнем океане планеты в сравнительно небольшом его объёме содержалось довольно много органических веществ (“первичный бульон”). Так как свободного кислорода не было, эти органические вещества не подвергались окислительным реакциям и могли сохраняться длительное время.

Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений, в частности белковых веществ в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись и образовывались углеводы, жиры, аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты.

Для превращения восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную потребовалось не менее 1 – 1,2 млрд. лет. С накоплением в атмосфере кислорода восстановленные соединения начали окисляться. В дальнейшем эти вещества вместе с дождем выпадали в водные бассейны, где накапливались, вновь вступали в реакции, в результате чего возникали более сложные вещества (аминокислоты и соединения типа аденита).

Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ, возникновением белковых тел. На определенном этапе существования Земли воды первичного океана превратились в своеобразный «первичный бульон», содержавший наряду с неорганическими солями, разнообразные органические вещества. Насыщению такого «органического бульона» в немалой степени способствовала и деятельность подземных вулканов.

В водах первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходили их смешивание, взаимодействие и объединение в мелкие обособленные структуры раствора. Такие многомолекулярные структуры выдающийся русский ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями или коацерватами (микросферами). В них находилась нуклеиновая кислота. Сейчас примерами микросфер служат серные бактерии, которые находят в кратерах вулканов.

Стабилизация коацерватных систем была обеспечена в первую очередь возникновением вокруг них внешнего плотного слоя, сходного со слоем клеточных мембран, а также возникновением примитивного метаболизма, т.е. коацерватные капли стали открытыми системами.

Последняя стадия биогенеза – это приобретение способности к воспроизведению, благодаря чему жизнь могла продолжаться. Кроме коацерватов в «первичном бульоне» накапливались полинуклеотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых невозможно образование способности к самовоспроизведению и обмену веществ.

Возникает способность к матричному синтезу и наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению. Способность полинуклеотида к репликации обеспечила появление у них свойства наследственности и, следовательно, переход в новое качество..

Самовоспроизводящиеся системы со сложившейся стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть названы живыми. Первые обитатели нашей планеты имели микроскопические размеры, были гетеротрофами и питались за счет органических веществ, растворенных в первородном океане. Постепенно в первородном океане стали иссякать органические вещества, накопившиеся в нем абиогенным путем и обменные процессы у части живых существ переориентировались на усвоение энергии солнечного света. Так в промежутке между 3,7 – 2,9 млрд. лет возникли первые фотосинтезирующие организмы.

Появление автотрофных организмов, в первую очередь зеленых растений, обеспечило дальнейший непрерывный синтез органических веществ, а, следовательно, существование и дальнейшее развитие жизни. Около 2,3 млрд. лет назад появились организмы, у которых начало формироваться ядро (прокариоты). И лишь за 1500 млн. лет до наших дней возникли первые эукариоты, давшие начало современным группам живых существ.

Многоклеточные организмы произошли от одноклеточных. Из существующих теорий происхождения многоклеточных основными являются:

1) теория гастреи (первичного многоклеточного организма, образовавшегося путем впячивания одной из сторон шарообразной колонии простейших типа вольвокса), высказанная Э. Геккелем;

Ранние стадии онтогенеза кораллового полипа Monoxenia (по Э. Геккелю): а) бластула; б) гаструляция; в – г) гаструла (внешний вид и продольный разрез).

2) теория паренхимеллы (фагоцителлы) предложена И.И. Мечниковым, который утверждал, что в однослойных шаровидных колониях, второй – внутренний слой образовался не путем впячивания, а путем выселения клеток из наружного слоя внутрь шара иммиграция.

Гаструляция зародыша гидроидного полипа Stomateca.

3. Современные представления об антропогенезе

Проблема происхождения человека и его места в живой природе была и остается ареной борьбы между материализмом и идеализмом.

По представлению идеалистов человека сотворил Бог. Однако еще в античные времена человек признавался родственником животных (Анаксимен, Аристотель). Карл Линней поместил человека вместе с высшими и низшими обезьянами в один отряд приматов.

Первую гипотезу естественного происхождения человека выдвинул Ж. Б. Ламарк. В своем труде «Философия зоологии» он указал на происхождение человека от обезьяноподобных предков. Эти взгляды развил Ч. Дарвин в своем труде “Происхождение человека и половой отбор”. Он считал, что человек в конце третичного периода произошел от вымершей формы высокоразвитых человекообразных обезьян. Однако, несмотря на огромное значение трудов Ч. Дарвина, он не смог до конца раскрыть причины, которые вызвали очеловечивание наших обезьяноподобных предков. Это сделал Ф.Энгельс в своей работе “Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека” (1876), где убедительно доказал, что движущей силой возникновения и развития человека является труд.

Наука о происхождении человека его рас, изменчивости его как вида во времени и пространстве под воздействием различных условий вешней среды называется антропологией (от греч. antropos – человек, logos – наука). Одним из разделов антропологии является антропогенез, задачей которого является изучение проблемы происхождения и эволюции человека.

Современная наука доказывает, что человек действительно произошёл от общих предков человека и человекообразных обезьян на основании данных сравнительной анатомии, сравнительной эмбриологии, генетики и палеонтологии. Существуют прямые и косвенные доказательства сходства человека с другими представителями животного мира.

Прямыми доказательствами доказательства сходства человека с другими представителями животного мира являются палеонтологические находки, т. е. костные останки ископаемого человека, ближайших его предков и родственных форм.

Косвенные доказательства сходства человека с другими представителями животного мира очень многочисленны: сходства в строении тела человека и животных, сходство зародышевого развития человека и животных, трубчатое строение ЦНС, замкнутая кровеносная система, группы крови человека и обезьян очень близки, постоянные органы дыхания (легкие) человека и наземных позвоночных развиваются из глоточной части пищеварительной трубки, наличие рудиментов (недоразвитых органов) и атавизмов (наличие у некоторых особей признаков отдаленных предков) и т.п.

Основные этапы антропогенеза

Становление человека как биологического вида проходило в 4 основных этапа эволюции в пределах семейства гоминид: 1) предшественник человека (протоантроп); 2) древнейший человек (архантроп); 3) древний человек (палеантроп); 4) человек современного типа (неоантроп).

Считается, что приматы произошли от дриопитеков (вымерших древнейших древесных насекомоядных млекопитающих). Примерно 25 млн. лет назад от высших узконосых обезьян (гоминоидов) отделились две ветви, приведшие к образованию двух семейств: 1) понгиды, т.е. анторопоморфные обезьяны (гиббон, орангутан, горилла, шимпанзе) и 2) гоминиды, давшие начало возникновению человека умелого.

Из семейства гоминид выделилась линия, давшая начало возникновению группы австралопитековых. Считается, что в основании развития линии приматов, приведшей к возникновению рода Homo, стояли именно австралопитеки, которые считаются протоантропами в эволюции человека.

Современные человекообразные обезьяны и человек имеет как много сходных, так и отличных признаков с высшими человекообразными обезьянами. Самые характерные адаптивные признаки приматов связаны с чрезвычайно высоким развитием некоторых отделов нервной системы, в особенности тех отделов головного мозга, от которых зависит разумное поведение и способность мышц к ловким и тонким действиям.

Схема эволюции семейства гоминид

Прямохождение сыграло огромную роль в эволюции антропоидов, так как оно освободило передние конечности, что позволило использовать их для манипуляций с пищей, ухода за детенышами и выполнения различных других функций.

В настоящее время существует только четыре рода человекообразных обезьян: гиббон, орангутанг, горилла и шимпанзе. Все они живут в Старом Свете и по своему строению и поведению занимают промежуточное положение между остальными обезьянами и гоминидами (представителями семейства людей).

Поскольку нашими ближайшими ныне живущими родичами являются африканские человекообразные обезьяны, поиски предполагаемого общего предка этих обезьян и человека велись главным образом в Африке.

Древнейший из известных предков человека – рамапитек (Ramapithecus), однако неизвестно, был ли он прямоходящим. По морфологическим особенностям зубов рамапитеки были близки к австралопитековым и, возможно, являлись их предками. Однако, ряд ученых сближают рамапитеков с современными орангутангами, исключая их из эволюционной ветви, ведущей к человеку.

Первые несомненные остатки гоминид, предшественников человека, возрастом от 4 до 3,5 млн. лет, найдены в Эфиопии и отнесены к роду Australopithecus (протоантроп). Почти полный скелет австралопитека, прозванного Люси, принадлежал взрослой женщине, жившей примерно 3,5 млн. лет назад. Австралопитеки представляли собой весьма разнообразную группу, т.к. известно несколько их видов: австралопитек африканский (Дарта), парантроп, зинжантроп, австралопитек массивный и другие.

В южноафриканских отложениях в 1924 году австралопитеков обнаружил и описал Р. Дарт, а затем Р. Брум. Изучение скелетов австралопитеков показало, что они имеют гораздо большее сходство с человеком, чем современные человекообразные обезьяны. Австралопитек африканский (Australopithecus Africanus) жил среди скал в открытых местах, был прямоходячим, обладал развитым мозгом и изготавливал орудия труда. Возраст австралопитековых – приблизительно 9 млн. лет.

В 1959 г. антрополог Л. Лики, в Танзании, обнаружил череп примата, сходного с массивным южноафриканским австралопитеком и назвал его «зинжантроп Бойсов». Объем его мозга был 630 см

, рост – 120 см, а абсолютный возраст – 1,75 млн. лет.

Позднее в Восточной Африке близ озера Рудольф, Р. Лики обнаружил череп, древность которого составляла 2,8 млн. лет, а объем мозговой коробки составляла 800 см

.

Однако часть современных ученых не считает какую-либо известную разновидность австралопитека прямым предком современных людей, а полагает, что это была боковая (тупиковая) ветвь эволюции, и, следовательно, архантропы лишь имели с австралопитеками общего предка.

В 1960 г. супругам Луису и Мэри Лики удалось найти останки ещё одного существа (древнейшего человека), по строению костей которого можно было судить об ещё большей его эволюционной продвинутости к человеку. Лики назвали его человеком умелым (Homo habilis). По многим признакам он был ближе к современному человеку, чем все австралопитековые. Поэтому сейчас считается, что эволюция человека берёт начало не от австралопитековых, которые представляли собой тупиковую линию, а от человека умелого.

Наиболее известные формы древнейших людей это: питекантроп (о. Ява), синантроп (Китай), гейдельбергский человек (Средняя Европа), антлантроп (Алжир), телеантроп (Южная Африка), олдовайский питекантроп (Центральная Африка).

Первая находка костных останков архантропа, названного обезьяночеловеком прямоходячим или питекантропом (Homo erectus), была сделана на острове Ява голландцем Э.Дюбуа в 1891-93гг.