"Биология. Углублённый уровень (для медицинских классов)", Пасечник В.В., Каменский А.А., Рубцов А.М. и др. / под ред. Пасечника В.В.
Биосфера — оболочка Земли, где существует жизнь и где организмы постоянно изменяют окружающую среду. Её история связана не только с развитием видов: появление первых клеток, фотосинтеза и кислорода меняло атмосферу, океаны и условия обитания. Путь к жизни, вероятно, включал образование органических веществ, возникновение предклеточных систем и появление клеток. Опыт Миллера—Юри подтвердил возможность одного из этих этапов, но не показал, как в лаборатории возникает живая клетка.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Биосфера — оболочка Земли, в которой живут организмы и которую они преобразуют своей деятельностью. К ней относят населённые жизнью части атмосферы, гидросферы и верхней части земной коры. Это понятие помогает рассматривать жизнь не отдельно от планеты, а как часть единой системы.
Эволюция биосферы — историческое развитие жизни на Земле вместе с изменением среды под воздействием организмов. Эволюция вида описывает изменения конкретной группы живых существ, а эволюция биосферы охватывает связи между всеми организмами и планетарными условиями. Такое различие позволяет увидеть, что живое не только приспосабливается к среде, но и само её меняет.
Биогенез — возникновение организмов от других живых организмов. Его следует отличать от абиогенеза — гипотезы о возникновении жизни из неживого вещества на ранней Земле. Различие нужно, чтобы не смешивать привычное размножение существующей жизни с вопросом о её первоначальном появлении.
Коацерватные капли — возникающие в растворе скопления молекул, которые отделяются от окружающей жидкости и могут поглощать из неё вещества. Их рассматривают как модель предклеточных образований, но не как живые клетки. Эта модель помогает представить, как могла появиться обособленная внутренняя среда до возникновения клеточного устройства.
Ранняя Земля отличалась от современной: её поверхность была горячей, а атмосфера почти не содержала свободного кислорода. По мере остывания планеты образовались океаны, где могли взаимодействовать вещества, поступавшие из атмосферы и земной коры. Поэтому океан рассматривают как возможную среду для химических реакций, приведших к появлению органических соединений.
Предполагаемая химическая эволюция шла последовательно: сначала могли возникнуть простые органические вещества из неорганических компонентов. Затем из таких соединений формировались более сложные молекулы, способные участвовать в реакциях и взаимодействовать друг с другом. Обособление молекулярных скоплений в предклеточные системы стало возможным, когда появились структуры, отделявшие их от окружающей среды и поглощавшие доступные вещества.
Опыт Миллера—Юри проверял, может ли органика образовываться без участия организмов. Исследователи поместили в установку газы, которые тогда считали вероятными компонентами первичной атмосферы, воду и источник энергии — электрические разряды, имитировавшие молнии. В результате получили некоторые органические вещества, в том числе аминокислоты. Это показало возможность абиогенного синтеза отдельных соединений, но не воспроизвело все этапы появления жизни и не создало клетку.
Первые организмы, вероятно, имели простое строение и жили в среде, почти лишённой кислорода. Их обмен веществ был анаэробным: он не требовал свободного кислорода. Поскольку сложившихся пищевых цепей ещё не было, такие организмы могли использовать органические вещества, уже присутствовавшие в окружающей среде. Этот вариант объясняет, как ранние клетки могли получать вещество и энергию до распространения фотосинтеза.
Позднее возникли организмы, способные использовать энергию света для синтеза органических веществ. Фотосинтез сопровождался выделением кислорода, который сначала связывался в воде и породах, а затем стал накапливаться в атмосфере. Кислород позволил распространиться аэробному дыханию — способу получения энергии с его участием. В верхних слоях атмосферы из кислорода сформировался озоновый экран, ослабивший ультрафиолетовое излучение; это создало условия для выхода организмов на сушу.
Таблица показывает предполагаемую последовательность событий, а не точный календарь: многие детали ранней истории Земли остаются предметом исследований. Читайте строки сверху вниз, прослеживая, как условия одного этапа создавали предпосылки для следующего. Особое внимание уделите переходу от химических процессов к клеточной жизни и влиянию фотосинтеза на среду.
| Этап | Условия или предпосылки | Ключевые процессы | Результат |
|---|---|---|---|
| Формирование Земли и первичной среды | Остывание планеты, образование атмосферы и водоёмов | Формирование земной поверхности и океанов | Возникновение среды для химических реакций |
| Абиогенное образование органических веществ | Простые вещества и источники энергии | Синтез органических соединений без участия организмов | Появление исходных компонентов для более сложной химии |
| Возникновение предклеточных систем | Накопление и взаимодействие органических молекул | Обособление скоплений веществ, поглощение компонентов среды | Появление моделей предклеточной организации |
| Появление первых клеток | Предклеточные системы и доступные вещества | Формирование клеточного устройства и обмена веществ | Начало клеточной жизни |
| Распространение фотосинтеза и кислородная перестройка биосферы | Появление фотосинтезирующих организмов | Выделение и накопление кислорода | Условия для аэробного дыхания и формирования озонового экрана |
| Освоение организмами суши | Наличие кислорода и защита от части ультрафиолета | Распространение жизни за пределы водной среды | Заселение организмами суши |
Задача 1. Расположите в правильной последовательности образование органических веществ, появление предклеточных систем и возникновение первых клеток. Здесь нужно определить, что должно было появиться раньше: вещества для построения систем или сами клетки. Затем проверьте, на каком этапе возникает клеточная организация.
Ответ: образование органических веществ → появление предклеточных систем → возникновение первых клеток. Последовательность отражает переход от химической эволюции к биологической.
Задача 2. Объясните, почему появление фотосинтезирующих организмов изменило условия жизни и в океане, и на суше. Недостаточно назвать выделение кислорода: нужно связать изменение состава среды с последствиями для организмов. Разберите цепочку от фотосинтеза до защиты поверхности планеты.
Ответ: фотосинтез изменил состав океанической и воздушной среды; накопление кислорода поддержало аэробное дыхание, а озоновый экран помог защитить организмы на суше.
Задача 3. Оцените утверждение: «Опыт Миллера—Юри доказал, что жизнь возникла в первичном океане именно так, как в лабораторной установке». Для ответа разделите то, что исследователи наблюдали непосредственно, и то, что остаётся предположением о ранней Земле. Затем оцените, соответствует ли вывод доказанному результату.
Ответ: утверждение неверно. Опыт подтвердил возможность абиогенного образования некоторых органических веществ, но не доказал ни полного механизма возникновения жизни, ни того, что он происходил именно так в первичном океане.
Считать, что опыт Миллера—Юри создал живые организмы, — ошибка: в установке получили некоторые органические соединения, а не клетки. Её допускают, потому что результат опыта связывают с происхождением жизни в целом. Проверьте себя: называйте только то, что действительно получили, и отделяйте результат от гипотезы.
Путать абиогенез с биогенезом — значит смешивать гипотезу о возникновении жизни из неживого вещества с появлением организмов от других организмов. Похожее звучание терминов может сбивать с толку. Для проверки спросите себя, идёт ли речь о происхождении жизни или о её последующем воспроизведении.
Представлять эволюцию биосферы только как влияние среды на организмы — неполно: сами организмы тоже меняют атмосферу, воду и поверхность Земли. Такая ошибка возникает, если рассматривать живое лишь как объект приспособления. Проверьте объяснение, найдя в нём обратное влияние жизни на среду, например выделение кислорода при фотосинтезе.
Утверждать, что свободный кислород присутствовал в атмосфере Земли с самого начала, — неверно: его значительное накопление связывают с развитием фотосинтеза. Иногда современный состав воздуха ошибочно переносят на древнюю планету. Проверьте себя, установив, какие организмы выделяют кислород и когда он стал важным фактором среды.
Чтобы понять происхождение и изменения биосферы, нужны знания о строении клетки и обмене веществ: они помогают представить, чем предклеточная система отличается от организма. Фотосинтез и аэробное дыхание показывают, как клетки преобразуют вещества и энергию и как кислород влияет на этот процесс. Тема связывает эволюцию организмов с историей атмосферы Земли. Она также помогает объяснять, почему условия среды влияют на распространение жизни.
Чем эволюция биосферы отличается от эволюции организмов?
Эволюция организмов — изменения живых существ и их групп на протяжении поколений. Эволюция биосферы охватывает также изменения среды под влиянием жизни: например, накопление кислорода благодаря фотосинтезу. Поэтому биосфера развивается во взаимодействии организмов и окружающей среды.
Какие этапы выделяют в химической эволюции?
Сначала из простых неорганических веществ могли образоваться простые органические соединения. Затем возникали более сложные молекулы и предклеточные системы, способные отделять внутреннюю среду от внешней и поглощать вещества. Позднее появились первые клетки.
Что такое коацерватные капли и почему их не считают клетками?
Коацерватные капли — обособленные скопления молекул, возникающие в растворе и способные поглощать вещества из среды. Их используют как модель возможных предклеточных систем. У них нет полноценного клеточного устройства и наследственного аппарата, поэтому считать их живыми клетками нельзя.
Что именно доказал опыт Миллера—Юри?
В установке с газами, предположительно отражавшими состав древней атмосферы, и электрическими разрядами удалось получить некоторые органические вещества, в том числе аминокислоты. Это подтвердило возможность их абиогенного синтеза при определённых условиях. Опыт не создал клетку и не доказал, что жизнь возникла именно таким путём.
Как фотосинтез изменил условия жизни на Земле?
Фотосинтезирующие организмы выделяли кислород, который постепенно накапливался в воде и атмосфере. Это создало условия для аэробного дыхания, дающего клеткам больше энергии, и способствовало образованию озонового экрана. Озон уменьшил воздействие опасного ультрафиолетового излучения и облегчил освоение суши.
§ 32. Эволюция биосферы. Зарождение жизни
