Основні етапи розвитку біосфери на Землі
Микола Казимирович Янковський
В
курсі загальної біології ми надамо особливу увагу молекулярно-біологічним
процесів і людині, тим аспектам молекулярної біології, які пов'язані з
здоров'ям людини. Сьогодні ми розглянемо основні етапи розвитку біосфери.
Земля
з'явилася близько 4,5 мільярдів років тому, життя на ній виникла близько 3,8
млрдов років тому. Австралійськими вченими в древніх породах були виявлені
мінерали, ізотопний вік яких перевищує 4 мільярди років. Отже,
вік Землі - більше 4 млрд років. У породах віком близько 3,5 млрд років були
виявлені відбитки організмів, схожих на сучасних бактерій. Бактерії не
мають ядра на відміну від еукаріотичних (ядерних) клітин.
Перші
еукаріоти з'явилися близько 2 мільярдів років тому. З цього приводу існує
кілька гіпотез, які будуть розглянуті нижче. Багатоклітинних з'явилися,
мабуть, більше 600 мільйонів років тому, дані про це з'явилися теж завдяки
викопних порід. Що ж до ссавців, то вони з'явилися в
еволюційних масштабах недавно, лише 200 мільйонів років тому.
Найближчим
родичем людини, що має спільного з нами предка, вважається шимпанзе.
Шимпанзе і людина мали спільного предка 5,4 мільйона років тому, приблизно в цей
час гілки, що ведуть до людини і шимпанзе, розділилися. Близько 2 мільйонів років
тому у людини з'явилися перші примітивні знаряддя праці. Предком людини
соврменного типу був вид Homo erectus (людина прямоходяча). Людина
соверменного анатомічного типу з'явився приблизно 100-150 тисяч років тому.
Уявлення про Походження людини, її спорідненості з представниками живого
світу були отримані при порівнянні будови тіла людини та інших тварин,
даних порівняльної ембріології, дослідження кісткових останків вимерлих видів
- Даних археології та палеонтології, а за останні десятиліття також і при
порівнянні ДНК різних організмів. На основі цих даних відновлений загальних хід
розвитку життя на Землі, але відповісти на питання, чому життя з'явилася; чому
вона ускладнювалася; що сприяло її ускладнення; яким чином із
амінокислот, нуклеотидів та іншого матеріалу вийшла така складна
функціонуюча система, чому дуже просто влаштовані організми в ході
еволюції все більш і більш ускладнювали свою структуру. Ці питання обговорюються в
теорії еволюції. Дарвін був не першим, хто висунув ідею еволюції, але він зумів
узагальнити і піднести ті ідеї, які існували до нього, так, щоб вони
були сприйняті суспільством, і зумів розвинути їх у своїй теорії. Причому його робота
потрапила у коло загальної уваги не тільки серед науковців, а й серед широкої
публіки. У той час, коли основною темою для диспутів у вчених колах була
теорія природного відбору (тобто еволюціонують чи види під дією природного
відбору або з інших причин), громадськість обговорювала питання про те, від кого
все-стався осіб: від Бога або від мавпи.
З
часів теорії Дарвіна було проведено багато нових досліджень, виникли нові
теорії еволюції. Засновник вчення, званого антропософії, Штайнер, вважав,
що еволюція йде не від простого до складного, а навпаки. Об'єднання ідей
генетики і теорії евоюціі призвели до появи так званої сінтетіческоц
теорії еволюції, яка відповіла на багато питань. Але тим не менш є
питання, на які і ця теорія не може відповісти. Є напрямок,
зване креаціонізму, послідовники якої стверджують, що всі види
створені Богом. Вони незмінні, не можуть удосконалюватися. Існування
палеотологіческой літопису, тобто поява і зникнення видів в історії
Землі, з точки зору креаціоністів слід пояснити тим, що Бог помістив ці
види на Землю, а потім вилучив їх. Креаціоністи проводять досить цікаві
розрахунки, пов'язані, наприклад, з тим, які і скільки видів тварин мав
можливість Ной зібрати в своєму ковчегу, яких розмірів має бути цей
ковчег. Риб і рослин, на їх теорії не треба було брати, тому що вони могли
вижити у воді самі. З їхньої точки зору, Ной міг взяти молодих тварин, які
були більш життєздатні і займали менше місця, таким чином, вони вирахували
певний мінімум видів тварин, який забезпечив різноманітність життя на
Землі сьогодні. Креаціоністи знаходять слабкі місця в дарвінівської теорії
еволюції, задають питання, відповіді на які еволюціоніста доводиться шукати.
В
нашому курсі ми розглянемо всі рівні життя, від молекулярних структур до
екологічних систем, від біохімічних процесів в клітині до процесів,
що відбуваються на біосферному рівні
Метаболічні
цикли включають в себе процеси анаболізму (розщеплення більш складних речовин на
прості) і катаболізму (об'єднання простих речовин у більш складні). У нас з
рослинами і бактеріями є деякі загальні процеси, тому, зокрема,
рослини і лікують. Деякі окремі цикли ми будемо розглядати на наступних
лекціях. Всі процеси йдуть погоджено один з одним, так як продукти одних
реакцій є субстратами наступних, і таким чином, швидкість всіх реакцій
сполучена.
Нижче
представлений цикл Кребса - основний енергетичний цикл клітин. Цей цикл
забезпечує клітину енергією, в його ході синтезується АТФ.
Як
могла виникнути така складна система? Є деякі вчені, які вважають, що
життя на Землю було занесено з Космосу. Ця концепція називається теорією
панспермії. Вони сита, що на Землі було занадто мало часу, щоб виникла
така складна система, як жива клітина. І в якості ілюстрації абсурдності
подібних припущень проводять наступне порівняння. Мовляв, у мавпи,
обсаджений за друкарську машинку, більше шансів віддрукувати сонет Шекспіра, ніж у
виникнути життя на Землі з амінокислот, нуклеотидів та інших речовин, з
яких складається клітина. Але у цього порівняння є слабке місце. Розмірковуючи по
аналогії, наведемо наступний приклад. Шекспір, на відміну від мавпи, складав
свої сонети не з окремих букв. У його розпорядженні були готові сюжети,
які він запозичив з інших творів, він користувався англійської
граматикою, знав правила драматургії. Тобто він творив не з окремих
елементів, а з готових блоків.
Концепція
блокової еволюції якраз і стверджує, що еволюція відбувається не з окремих
молекул, кожного разу створюючи щось нове практично з нуля, а з вже готових
блоків. Як же могло виникнути життя? Насправді, метаболічні цикли
виникли теж не відразу. Можна виділити кілька рівнів реакцій. І ось самі
прості цикли сполучається з іншими, і виходили системи біохімічних
реакцій, циклів. Існує цікава теорія, що описує можливий процес
виникнення самого першого такого циклу, що ставить під сумнів необхідність
занесення готових процесів з Космосу. Коли Земля ще тільки остигала і не
було ще ніяких бактерій, але Земля оберталася навколо своєї осі, і на неї
світило Сонце. Існували вже ніч і день (можливо, також зима і літо). І
«Вночі» відбувалися процеси конденсації, а «днем» - сублімації і конвекції.
Можливо, ці процеси, були не чисто фізичними, але також і хімічними. Те
є відбувалися такі процеси: на світлі, «днем», синтезувалися
речовини, які в тіні, «вночі», розпадалися на більш прості. І такі
циклічні реакції могли відбуватися в масштабах всієї планети. Якщо процес
днем "встигав" запасти стільки енергії, що за ніч не
"помирав", тобто перетворені в ньому речовини не розпадалися за
ніч, наступного дня цей же процес міг відновитися. Такі процеси
могли представляти собою перший метаболічні цикли. Згідно з цією концепцією
життя (самовідтворюються процеси) виникла до появи живих організмів.
Це лише гіпотеза, вона не є загальноприйнятою думкою. Існує журнал
«Молекулярна еволюція», який в тому числі розглядає питання
походження життя. Найбільшу увагу в ньому приділено проісходенію об'єктів,
питань про те, яка молекула з якої виникла. Питанням виникнення
процесів присвячена лише маленька дещиця всіх досліджень. Однак еволюція
процесів не менш, а може, й більш цікава, ніж еволюція об'єктів.
Можливо, не завжди треба розглядати якусь конкретну молекулу, а більше
корисно розібратися в яких процесах вона бере участь. Це нагадують історію про
курку і яйце (що було раніше: курка чи яйце?): зрозуміло, що це процес, а
окремо курка і окремо яйце - це два різних стану цього процесу,
як би дві проміжні стадії нескінченного процесу. Ми з вами будемо говорити
про таких процесах, про процеси еволюції, про процеси функціонування окремих
організмів, про життєві цикли.
Наприклад,
життєвий цикл людини ви знаєте зі шкільного курсу біології. У людини
диплоїдний набір хромосом (23 пари), в гаплоїдної стадії утворюються статеві
клітини (сперматозоїди і яйцеклітини), в яких тільки 23 хромосоми, ця стадія
проходить недовго, після запліднення виходить знову диплоїдний організм.
А
ось багато водорості, папороті й мохи більшу частину свого життя проводять у
гаплоїдної стадії, і лише ненадовго переходять в диплоїдні.
Є
організми, які проводять частину свого життя як однклеточние, а частина - як
багатоклітинні. Прикладом може послужити грунтова амеба діктіостеліум.
В
процесі еволюції змінюється не тільки будову організмів, а й їхні життєві
цикли, і ми будемо вивчати, як це відбувається.
Ми
познайомимося також з різноманіттям форм живих істот - від бактерій і вірусів до
людини.
Розглянемо
представника прокаріотів - кишкову паличку.
У
кожного з нас в кишечнику живе мільярди кишкових паличок. Мечников
стверджував, що мікрофлора людини - такий же орган, як печінка і серце.
Кишкова паличка - наш симбіонти. Існує безліч бактерій, наших
симбіонтів. В їх відсутність порушуються функції кишечнику. Розмір кишкової палички:
2 мікрона в довжину і полмікрона завширшки. Крім того, природно, в нашому
організмі можуть виявитися і хвороботворні бактерії. У самих бактерій теж
можуть бути паразити - віруси бактерій, вони називаються бактеріофагами (тобто
"пожирачами бактерій ").
Нижче
представлена фотографія «напад бактеріофагів на кишкову паличку».
Бактеріофаг уприскує всередину кишкової палички свою ДНК, внаслідок чого в
бактерії синтезуються білки бактеріофага і проиходит збірка фагів частинок.
Сама бактерія при цьому гине.
В
Останнім часом йде багато дискусій про те, чи є віруси живими,
оскільки вони виявляють властивості живих організмів тільки всередині клітини, в
вільному ж вигляді віруси можуть бути кристалізувати і при цьому можуть виглядати
як кристалик солі. Як приклад вірусу людини можна навести вірус
герпесу, який викликає "лихоманку" на губах.
Ми
будемо вивчати життя на рівні ДНК, будова організму, структуру клітин. У
Як приклад різноманітності живого світу наведено вольвокс (колоніальна
водорість) і амеба (див. рис .).
Ми
будемо говорити про процес антропогенезу. Ми, за великим рахунком будемо займатися
тим же самим, що показано на малюнку з мавпою.
Як
показано на фотографії, мавпа навчає свою дитину мистецтва розбивання
горіхів. У шимпанзе добре розвинена система навчання. Якщо раніше проводили
чітку межу між людиною і тваринами в тому, що у людини є культура, а
у мавп немає, то на цьому прикладі можна побачити, що ця система навчання
є як би пракультурой.
Ми
будемо говорити про походження людини. Людина відокремився від шимпанзе 5,4
мільйони років тому, ці цифри встановлені на основі даних палеонтології і
молекулярної генетики на основі подібності ДНК мавпи і людини. Шимпанзе є
два види: звичайний і бонобо, він же карликовий шимпанзе (карликовий НЕ
тому що маленького зросту, а тому що він живе серед пігмеїв). Останній,
з поведінки, дуже схожий на людину.
Менше
на людину схожа горила; вона відокремилася від гілки спільних предків 7,3 мільйона
років тому. Ще раніше відокремився орангутан. З появою людини пішов розвиток
культури. Протягом десятків тисяч років людина жила в кочує громаді.
Найбільш древні останки були знайдені в Південно-Східній Африці.
Більше
100 000 років тому людина сучасного типу з'явився на території Африки, а
потім розселився по всій Землі, найпізніше він проник до Америки - близько 15 тис.
років тому. Споріднені види (неандерталець і інші види), які проживали в
Африці, Європі та Азії, зникли, мабуть, не без участі людини.
4
тисяч років тому в Месопотамії з'явилися перші історичні записи, що говорили
про подання жили в той час людей; 2-3 тисячі років тому письмова
культура поширилася в Давньому Китаї та Єгипті, в Греко-романському світі.
Цікаво
зауважити, що унікальність людського виду полягає в тому, що жоден
вид тварин окрім людини (і супроводжуючих його щурів і тарганів) не зміг
розміститися від екватора і до північних широт. Причому це відбулося в основному не
з-за біологічною гнучкості, а через те, що людина змогла використовувати свою
культуру і був здатний до створення соціальних структур, таким чином,
адаптуючись до змін зовнішнього середовища. Вдавалося це людині непросто. Якщо
подивитися на малюнок, то видно, що населення Землі неухильно зростала. На даний
момент населення Землі становить близько 7млрд. чоловік.
Але
насправді все було не так гладко. На прикладі Китаю це можна простежити.
Справа
в тому, що за 200 років до нашої ери в Китаї перепис населення у зв'язку з податко-оподаткуванням.
Тому досить точно можна реконструювати коливання чисельності населення.
Збільшення чисельності чергувалося з різким зменшенням. Звичайно це було
пов'язане з неврожаями, що тягло за собою війну чи епідемію. Ці три чинники
могли діяти в різному порядку, але майже завжди голод, війна і епідемії йшли
разом. При цьому вимирало до 80% населення. Середня тривалість життя
ранніх землеробів становила близько 20-30 років, рівень дитячої смертності
становив 60%, і за всіх часів знати жила в середньому на 10 років довше, ніж
прості люди. У міру поліпшення умов продожітельность життя зростала. І
сьогодні, завдяки можливостям сучасної медицини, у розвинених країнах люди
живуть до 70-80 років.
На
здоров'я впливає дуже багато факторів. Ми будемо говорити про багатьох факторах
впливають на здоров'я людини, про те, як сучасна наука намагається це
здоров'я підтримувати.
В
розвитку біології як науки можна виділити кілька етапів. Найбільш раннім і
дуже важливим етапом був опис самого предмету вивчення - різноманіття живих
істот, встановлення спорідненості різних видів організмів, виявлення їх подібності та
відмінностей. Цим займаються такі розділи біології як систематика (грец.
"система" - ціле, складене з частин) і таксономія (від грец.
слів "Таксис" - порядок і "номос" - закон). Систематика
занімаетс?? вивченням взаємин і спорідненості різних груп живих
організмів. Таксономія, яка раніше означала те саме, що і систематика,
зараз вважається її розділом, класифікуються на основі певних ознак
супідрядні групи об'єктів - таксони. Те, за якими ознаками слід
об'єднувати організми в групи, також є предметом наукового дослідження в
таксономії. Легко відрізнити людину від кактуса, але, наприклад, два види жучків
або гризунів відрізнити буває не так-то просто. В історії біології є
безліч прикладів, коли одна тварина або рослина описували під різними
назвами, або різні стадії життєвого циклу однієї тварини, або самця і
самку одного виду вважали різними видами. Іменування видів живих організмів
також становить предмет науки. Є тривіальні назви (наприклад, ромашка --
цим ім'ям неспеціалісти називають кілька абсолютно різних квіткових
рослин) і наукові назви, наприклад, ромашка аптечна (Matricaria chamomilla)
і ромашка пахуча (Matricaria matricarioides).
Інший
приклади: Betula alba - береза (назва роду) біла (назва виду); Viola
tricolor - фіалка триколірна; Homo sapiens - людина розумна; Homo erectus --
людина прямоходяча.
тривіальні
назви на всіх мовах різні, і вони не становлять особливої системи. Для
уніфікації наукових назв 300 років Наза використовували латину, і зараз в
наукових роботах обов'язково даються латинські назви видів (для ромашок вони
вказані в дужках). Сучасна номенклатура, яка називається біномного
номенклатурою, була введена шведським лікарем і природодослідником Карлом
Ліннеєм (1707-1778). До Ліннея назви живих організмів були багатослівними,
представляли довгі описи. Лінней ввів назви, що складалися з імені роду і
виду.
Першим
вказують родову назву, друге - видове. Родове назва завжди пишеться з
великої літери, видове - завжди з маленької. Крім того, латинська назва
дається курсивом. Дотримання цих правил вказує на грамотність автора.
В
наукових стаття при першій згадці організму в тексті обов'язково вказують
повне латинська назва організму, при повторному згадуванні родову назву
вказують скорочено, в вигляді першої літери з крапкою, наприклад, M. matricarioides
або H. sapiens.
Наукові
латинські назви час від часу можуть змінюватися через перегляд
класифікації (наприклад, введення нового роду або поділі раніше наявного
роду на два окремих) або з інших причин.
Часто
після латинської назви вказують прізвище дослідника, який описав і
який назвав даний вид. Найчастіше зустрічається ім'я Ліннея, яке - з за його
всесвітньої популярності й тому, що він описав близько десяти тисяч видів --
скорочено до початкової літери прізвища (Matricaria chamomilla L.)
Всі
живі організми підрозділяються на три великі групи, які називаються доменами:
археї, бактерії і еукаріоти. Домени поділяються на царства. Раніше, весь
живий світ ділився на рослини і тварини, потім були додані Найпростіші
(найпростіші, або одноклітинні) Геккелем в дев'ятнадцятому столітті. Потім були
виділені в окреме царство бактерії. Це царство згодом було поділене,
як ми вже говорили, на еубактерій (власне бактекрій) і архей
(архей). Гриби раніше відносили до рослин, але зараз їх вважають окремим
царством.
Всього
живих організмів існує декілька мільйонів видів. Для того, щоб якось
упорядковано їх описати, їх класифікують або по ступеня споріднення, або за
яких-небудь морфологічними ознаками, та об'єднують у групи - таксони (від грец.
«Таксис»-розташування). Розділ біології, що займається описом різноманіття
живих істот, як живих, так і вимерлих, називається таксономії, або,
систематикою (від грец. «сістематікос»-упорядкований). Систематика - це не
система живих організмів, а наукова робота, дослідження по створенню такої
упорядкованої системи. Таких систем запропоновано декілька.
Отже,
група організмів, подібних за походженням або за якимось іншими ознаками,
називається таксоном. Таксон вищого порядку - це домен. Потім іде таксон,
званий царством, потім для тварин йде тип, клас, загін, сімейство, рід
і вид. При класифікації рослин виділяють такі ж таксони, що й у тварин,
але з невеликими відмінностями. Таксон того ж рангу, що тип у тварин, називається
відділом, а загону відповідає таксон, що називається порядком. Назви
відрізняються виключно з історичних причин, а не через наявність
будь-якого глибокого сенсу. Різні дослідники виділяють від 4 до 26 різних
царств, типів - від 33 до 132, класів - від 100 до 200.
Нижче
представлено повне таксономічні опис виду Homo sapiens (Людина
розумний).
Для
кожного таксономічного рівня зазначено перелік основних таксонів. Людина
відноситься до типу хордові, підтипу хребетних, класу ссавці, підкласу
плацентарні, загону примати, підряду вищі мавпи, сімейства
людиноподібні, роду люди.
Царство
Тварини
Типи:
Кишковопорожнинні, Плоскі черв'яки, Круглі черв'яки, Кільчасті
черви, Молюски, Членистоногі, голкошкірі, Хордові
Підтипи:
Покривники, безчерепних, Круглороті, Хребетні
(асцидій) (Ланцетник) (міноги)
Класи:
Кісткові риби, Хрящеві риби, земноводних, плазунів,
Птахи, Ссавці
Підкласи:
Однопрохідні (яйцеклад), Сумчасті, Планцентарние
Загони:
Комахоїдні, Кажани, Гризуни, Зайцеообразние, Хижі,
Ластоногі, Китоподібні, Парнокопитні, Непарнокопитні, Примати
підряди:
Нижчі мавпи, Вищі мавпи
Родини:
Гіббонообразние, Понгіди, Людиноподібні
Рід:
Горила, Шимпанзе, Люди (Homo)
Вид:
Homo sapiens
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://bio.fizteh.ru
