Возникновение и развитие жизни на Земле

Определения и обозначения

Абиогенез — возникновение живого из неживого в ходе длительных природных процессов. Речь идёт о событиях в особых условиях ранней Земли, а не о появлении организмов из неживого вещества в наши дни. Это различие помогает отделить научную гипотезу о происхождении жизни от идеи самозарождения.

Биохимическая эволюция — предполагаемое постепенное усложнение веществ и систем, предшествовавших первым организмам. Простые органические молекулы могли объединяться и приобретать новые свойства. Это понятие описывает возможный переход от химических процессов к появлению систем, обладающих признаками живого.

Коацерваты — капли органических веществ, возникающие в воде и способные собирать внутри себя разные молекулы. Такая концентрация могла облегчать взаимодействие веществ. Коацерваты рассматривают как возможных предшественников клеток, но не считают самими клетками.

Биологическая эволюция — историческое развитие живой природы после возникновения первых организмов. В ходе неё менялись группы организмов, появлялись новые формы и возрастало разнообразие жизни. Понятие помогает отличать эволюцию организмов от предшествовавшей ей химической эволюции.

Как это устроено

Ранняя Земля отличалась от современной температурой, составом атмосферы и отсутствием большого количества свободного кислорода. Молнии, вулканическая активность и ультрафиолетовое излучение могли служить источниками энергии для химических реакций. Поэтому некоторые неорганические вещества могли превращаться в простые органические молекулы. Это не означает, что такие условия сами по себе гарантированно создавали жизнь: они лишь могли запускать необходимые реакции.

Предполагаемая химическая эволюция шла поэтапно. Сначала образовывались простые органические вещества, затем они могли соединяться в более сложные молекулы. В водной среде вещества вступали в новые реакции и взаимодействовали друг с другом. Последовательное усложнение важно потому, что отдельные молекулы ещё не образуют организм, но могут стать частями более организованной системы.

Молекулы могли объединяться в обособленные капли — коацерваты. Их граница отделяла внутреннее содержимое от окружающей воды, а сами капли могли концентрировать вещества и создавать условия для взаимодействий. Это помогает представить один из возможных промежуточных этапов между раствором и клеточной организацией. Однако у коацерватов не было всех свойств живого, поэтому называть их клетками нельзя.

Первые клеточные организмы, согласно научным представлениям, были одноклеточными и существовали в водной среде. Ранние формы могли жить без свободного кислорода, которого в атмосфере тогда было мало. Позднее возникли организмы, способные к фотосинтезу: используя энергию света, они образовывали органические вещества и выделяли кислород. Его постепенное накопление изменило условия на планете и позволило распространяться организмам, использующим кислородное дыхание.

В дальнейшем появились эукариоты — клетки с оформленным ядром, а затем многоклеточные организмы. Разделение функций между клетками позволяло таким организмам выполнять более сложные задачи. Растения и животные постепенно освоили сушу, где условия отличались от водных: приходилось справляться с высыханием и опорой тела. На протяжении геологической истории одни группы организмов распространялись, другие сокращались или исчезали, а биосфера менялась вместе с ними.

Основные этапы развития жизни на Земле

Таблица показывает общий порядок событий, а не точные границы каждого этапа: даты древнейших событий уточняются по мере появления новых данных. Чтобы определить место события, сначала соотнесите его признаки с этапом, а затем проверьте, что оно не нарушает последовательность. Например, накопление кислорода связано с развитием фотосинтеза и произошло после появления первых организмов.

Разбор задач

Задача 1

Расположите в правильной последовательности образование простых органических веществ, появление коацерватных систем и возникновение первых клеток. Нужно определить, какой процесс относится к химической, а какой — к биологической эволюции. Сравним, какая стадия требует уже готовых органических молекул, а какая предполагает существование клеточной организации.

1. Сначала должны появиться простые органические вещества: без них не из чего формировать более сложные системы.
2. Затем могли возникнуть коацерватные капли, концентрирующие молекулы и создающие обособленную среду.
3. Позднее сформировались первые клеточные организмы; именно с их появлением начинается биологическая эволюция.

Ответ: образование простых органических веществ → коацерватные системы → первые клетки. Первые два пункта относят к предполагаемым этапам химической эволюции. Появление клеток обозначает переход к развитию живых организмов.

Задача 2

Объясните, почему появление фотосинтезирующих организмов могло изменить условия жизни на Земле. Недостаточно сказать, что они производили органические вещества: нужно проследить, что происходило с выделяемым продуктом фотосинтеза. Затем свяжите изменение среды с возможностями других организмов.

1. При фотосинтезе организмы используют свет для образования органических веществ и выделяют кислород.
2. Кислород постепенно накапливался в окружающей среде, поэтому её состав менялся.
3. При наличии кислорода стали развиваться организмы, использующие кислородное дыхание, а условия для жизни изменились.

Ответ: фотосинтез повлиял на состав атмосферы и водной среды благодаря выделению кислорода. Его накопление создало новые возможности для развития организмов. Изменения происходили постепенно, а не одновременно с появлением первых живых существ.

Задача 3

По описанию ископаемых остатков и среды обитания определите, относится ли событие к освоению суши или к развитию жизни в водной среде. Например, найдены остатки организма в древних отложениях, а по строению он был приспособлен к жизни на суше. Для решения важно учесть и признаки организма, и место, где он обитал.

1. Определите по описанию, связана ли жизнь организма с водой или с наземной средой; само место находки не всегда совпадает со средой обитания.
2. Сопоставьте признаки с известной последовательностью: древнейшие организмы жили в воде, а освоение суши произошло позднее.
3. Проверьте вывод по датировке пород и другим данным об остатках, если они указаны в условии.

Ответ: если признаки показывают приспособленность к наземной жизни, событие относится к освоению суши. Если организм обитал в воде и не демонстрирует таких приспособлений, это этап развития водной жизни. Одного факта обнаружения ископаемого недостаточно — нужно учитывать описание его среды обитания.

Типичные ошибки

Считать коацерваты живыми клетками. Такая ошибка возникает потому, что капля с обособленной границей внешне напоминает клетку. Но сходство формы не означает наличия всех свойств живого и клеточного устройства. Проверьте себя: если система не обладает полным набором признаков клетки, корректнее называть её возможным предшественником.

Путать биохимическую эволюцию с биологической. Обе связаны с изменениями, поэтому их названия легко смешать. Биохимическая эволюция описывает предполагаемый путь к системам — предшественникам жизни, а биологическая — развитие уже возникших организмов. Для проверки спросите себя, появились ли к описываемому этапу первые клетки.

Представлять гипотезы о происхождении жизни как доказанные факты. Учёные исследуют далёкие события по косвенным данным и моделям, поэтому отдельные детали могут уточняться. Ошибку допускают, когда возможный сценарий пересказывают как точно установленную последовательность. Используйте слова «гипотеза», «могло» и «предполагается», если речь идёт о реконструкции происхождения жизни.

Считать, что кислород накопился одновременно с появлением первых организмов. Это происходит из-за смешения двух разных этапов истории жизни. Ранние организмы могли существовать без свободного кислорода, а его заметное накопление связано с более поздним распространением фотосинтеза. Проверьте последовательность: первые клетки появились раньше, чем кислород стал существенно менять среду.

Связь с другими темами

Для понимания происхождения жизни нужны знания о клетке, органических и неорганических веществах и фотосинтезе. Они помогают различать молекулы, клетки и целые организмы, а также объяснять, как фотосинтез меняет среду. Представления о геологических этапах истории Земли позволяют расположить события в правильной последовательности.

Тема подготавливает к изучению клеточной теории, эволюции организмов и разнообразия живых систем. Она также помогает рассматривать историю биосферы как результат взаимодействия организмов и условий среды. Знание последовательности этапов облегчает понимание того, почему современные группы жизни возникли не одновременно.

Что запомнить

• Земля и условия на ней менялись на протяжении геологической истории.
• Гипотеза биохимической эволюции описывает возможные этапы возникновения предшественников жизни.
• Коацерваты не являются живыми клетками.
• Первые организмы были одноклеточными.
• Фотосинтез способствовал накоплению кислорода в атмосфере.
• Развитие жизни шло от простых форм к более сложным и разнообразным.