Возникновение и историческое развитие жизни на Земле

Определения и обозначения

Химическая эволюция — накопление и усложнение веществ на ранней Земле, предшествовавшее появлению жизни. Речь идёт о процессах, которые могли происходить ещё до существования организмов. Это понятие помогает отделить образование органических веществ от развития уже возникшей жизни.

Коацерват — капля из органических веществ в водной среде, которую рассматривают как возможного предшественника клетки, но не как живой организм. Такая капля может быть отделена от окружающей среды и накапливать некоторые вещества. Термин нужен, чтобы описывать возможные промежуточные системы между молекулами и клетками, не приравнивая их к живым существам.

Биологическая эволюция — историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением организмов и появлением новых групп. Она относится к живым организмам и продолжается после возникновения первых клеток. Это понятие позволяет объяснять, как постепенно менялось разнообразие жизни.

Геохронологическая шкала — последовательность крупных промежутков истории Земли, выделенных по геологическим и биологическим событиям. Её деления помогают упорядочить события, которые происходили на протяжении миллиардов лет. По шкале можно сопоставлять изменения земной коры с появлением и распространением организмов.

Как это устроено

Ранняя Земля была горячей, на ней активно происходили вулканические процессы, а свободного кислорода в атмосфере почти не было. Поэтому условия для образования веществ отличались от современных: многие органические соединения могли разрушаться кислородом, а тогда такого препятствия было меньше. Энергия молний, ультрафиолетового излучения и вулканического тепла могла запускать реакции между простыми неорганическими веществами. Так объясняют возможность накопления первых органических соединений, но сами по себе эти условия ещё не означали, что жизнь уже существовала.

Гипотеза биохимической эволюции предполагает постепенное усложнение: сначала образовывались простые органические вещества, затем из них могли складываться более крупные молекулы и обособленные системы. В водной среде органические вещества способны собираться в капли — коацерваты. Их обособленность важна, потому что внутри такой системы условия могут отличаться от окружающей среды. Однако у коацервата нет полного набора свойств клетки, поэтому его рассматривают как возможный предшественник, а не как уже живое существо.

В лабораторных опытах учёные создавали смеси веществ и воздействовали на них источниками энергии, пытаясь смоделировать некоторые условия ранней Земли. В результате удавалось получать органические соединения из неорганических компонентов. Это подтверждает, что отдельные химические реакции могли происходить без участия живых организмов. Но лабораторная модель проверяет лишь отдельные этапы и не доказывает, что первая клетка возникла именно таким способом и в такой последовательности.

Историю Земли делят на крупные интервалы, потому что за миллионы и миллиарды лет неоднократно менялись земная кора, климат и живой мир. Геологические слои сохраняют следы таких изменений, а ископаемые остатки помогают определить, какие организмы жили в разные времена. Границы интервалов связывают с заметными событиями, например с изменениями состава организмов или среды. Поэтому геохронологическая шкала — не просто календарь, а способ сопоставить свидетельства из горных пород и историю жизни.

Живой мир прошёл путь от древнейших одноклеточных организмов к более разнообразным формам. Появление фотосинтезирующих организмов изменяло среду, в частности способствовало накоплению кислорода, а многоклеточность открыла новые возможности для строения организмов. Позднее некоторые организмы освоили сушу, и число групп, обитавших в разных средах, увеличивалось. Эти события соотносят с геологическими этапами: докембрием, палеозоем, мезозоем и кайнозоем.

Крупные этапы развития жизни на Земле

Сначала прочитайте последовательность этапов, а затем сопоставьте условия среды с событиями в живом мире. Таблица показывает крупные тенденции, а не все изменения и не точные даты каждого события. Для определения этапа используйте характерные признаки, а не только сходство древних организмов с современными.

Разбор задач

Задача 1. Расположите в логической последовательности образование органических веществ, появление коацерватов и возникновение первых клеток. Нужно восстановить предполагаемый порядок этапов, а не описать доказанную историю. Сравните, что представляет собой каждый объект: молекулы, обособленная система или клетка.

1. Сначала могли образоваться простые органические вещества из неорганических компонентов, поскольку это начальный этап химической эволюции.
2. Затем органические вещества могли объединяться в более сложные системы, в том числе коацерваты. Их считают возможной промежуточной ступенью, но у них ещё нет всех признаков живого.
3. После этого в предполагаемой последовательности возникли первые клетки — системы, обладающие признаками живых организмов.

Ответ: образование органических веществ → появление коацерватов → возникновение первых клеток. Такая последовательность относится к гипотезе биохимической эволюции и не является окончательно доказанным сценарием.

Задача 2. Соотнесите освоение суши позвоночными с крупным этапом геологической истории и объясните выбор. Сначала определите, какие эры предшествовали друг другу. Затем вспомните, в какой из них происходило расширение жизни за пределы водной среды.

1. Палеозой предшествовал мезозою и кайнозою, поэтому его нельзя путать с этапами, связанными с господством пресмыкающихся или появлением человека.
2. Освоение суши позвоночными относят к палеозою: на этом этапе развивались группы организмов, способные жить вне воды.
3. Проверьте выбор по характерным событиям: для мезозоя указывают господство пресмыкающихся, а для кайнозоя — развитие млекопитающих и появление человека.

Ответ: освоение суши позвоночными связано с палеозоем. Выбор подтверждается последовательностью эр и характерными событиями каждой из них.

Задача 3. Ученик утверждает, что опыт по синтезу органических веществ доказал, как именно возникла первая клетка. Оцените его утверждение. Разделите выводы опыта на то, что непосредственно удалось наблюдать, и то, что остаётся предположением.

1. В опытах получили некоторые органические вещества при воздействии источников энергии на неорганические компоненты. Следовательно, такие реакции возможны в лабораторных условиях.
2. Получение органических соединений не означает, что экспериментально создана клетка. Между молекулами и живой клеткой предполагается ряд сложных этапов.
3. Сравните масштаб вывода с масштабом опыта: проверка отдельного процесса не доказывает полный ход событий на ранней Земле.

Ответ: утверждение неверно. Опыты подтверждают возможность отдельных этапов образования органических веществ, но не устанавливают точный сценарий возникновения первой клетки.

Типичные ошибки

Коацерват иногда называют живым организмом, потому что он обособлен от среды и может включать органические вещества. Но обособленности недостаточно: коацерват не обладает всеми признаками клетки и жизни. Чтобы проверить себя, спросите, идёт ли речь о клетке или лишь о возможном её предшественнике.

Химическую эволюцию смешивают с биологической, потому что обе связаны с постепенными изменениями. Первая описывает усложнение веществ до появления жизни, а вторая — изменения живых организмов после её возникновения. Проверьте себя по вопросу: рассматриваются молекулы или уже организмы?

Гипотезу происхождения жизни порой пересказывают как доказанный сценарий, поскольку лабораторные опыты действительно дают результаты. Однако они подтверждают возможность отдельных процессов, а не всю последовательность событий от неживого вещества до клетки. Уточните, какой именно вывод был получен в опыте и чего он не проверял.

Порядок геологических эр путают или выбирают этап по сходству древнего организма с современным. Это приводит к ошибке, если забыть последовательность и характерные события: палеозой предшествует мезозою, а затем идёт кайнозой. Для самопроверки назовите событие и сопоставьте его с признаками нужного этапа по геохронологической шкале.

Связь с другими темами

Для понимания темы пригодятся знания о клеточном строении, признаках живого, органических веществах и фотосинтезе. Позже эти знания помогут изучать эволюционное учение и происхождение человека, а также экологию и геологическую историю Земли. Естественный отбор объясняет изменения организмов после возникновения жизни, тогда как геология помогает установить последовательность событий. Вместе эти области позволяют связать развитие организмов с изменением среды.

Что запомнить

• Ранняя Земля существенно отличалась от современной по составу атмосферы и условиям среды.
• Гипотеза биохимической эволюции предполагает постепенное усложнение веществ до появления первых клеток.
• Коацерваты — возможные предшественники клеток, а не сами клетки.
• Лабораторный синтез органических веществ подтверждает возможность отдельных процессов, но не раскрывает полностью происхождение жизни.
• Историю Земли и жизни на ней изучают по геологическим слоям и ископаемым остаткам.
• Крупные этапы развития жизни связаны с появлением новых групп организмов и освоением новых сред обитания.