для мутаций и эволюции образующихся макромолекул. Обсуждается также возможная

роль кремнезема, слюды, кварца.

Совершенно особая ситуация возникла вокруг минерала апатита. Его

большие залежи имеются в горах Хибинах, что на Кольском полуострове. Апатит

добывают ради производства фосфатных удобрений, так как в его кристаллической

решетке содержится много фосфора. Кроме того, кристаллический апатит

присутствует в живых системах - например, в составе зубов и костей. Кристалл

имеет форму бесконечно длинной колонки очень малого диаметра. Самое

парадоксальное оказалось то, что периодичность повторяющихся элементарных ячеек

в кристалле апатита в 3,4 ангстрема (1 ангстрем = 0,0001 мм) точно совпадает с

расстоянием между последовательными парами мономеров (нуклеотидов) в молекуле

ДНК, а один шаг двойной спирали ДНК соответствует циклу в 6 ячеек апатита.

Атомарная структура кристаллической решетки апатита также имела сходство со

структурой ДНК. На этих основаниях российским биохимиком Э. Я. Костецким в 1981

г. выдвинута гипотеза абиогенного синтеза нуклеопротеидов, то есть комплекса

ДНК и белка, на матрице апатита (рис. 28).

Рис. 28

Было проведено сопоставление данных рентгеноструктурного анализа апатита, с

одной стороны, и цепей ДНК и простых белков - с другой. В результате построена

пространственная модель апатита с включенными фрагментами ДНК и белков. Как

видно на рис. 28, в структуре кристалла апатита легко вписываются ДНК и

несколько белковых цепей. При этом источником неорганического фосфата для ДНК

выступал фосфат апатита без изменения его положения в структуре кристалла, а

азот включался из синильной кислоты HCN и аммиака NH3.

Согласно модели, апатит земной коры, находясь в безводной среде, подвергался

постоянному и длительному воздействию глубинных газов NH3, CH

4, HCN, CO и др. при высоких значениях давления и температуры. В таких

условиях ослабляется кристаллическая решетка апатита, облегчается диффузия

газовых компонентов вдоль оси кристалла при сохранении его структуры. Ионы -PO

4, присутствующие в кристалле, остаются на своих местах и определяют

диаметр будущей молекулы ДНК, а другие, в частности избыточный кальций,

замещаются на новые атомы из состава газовой смеси. Таким образом, при участии

элементов газовой фазы и апатита внутри кристалла, а не на его поверхности, мог

осуществляться одновременный синтез ДНК и белка с постепенной заменой части

минеральной матрицы органической основой. На смешанных кристаллах, имеющих с

апатитом совпадающие пропорции, (кальцит, арагонит, кристобалит), видимо,

происходил синтез РНК, а также скелетных белков будущих клеток. Источником

энергии для проведения синтезов служили силовое поле апатита, тепло глубинных

процессов, энергия фосфатных связей апатита и элементов газовой фазы.

Принципиально важным и революционным в апатитовой модели является то, что в

комплементарности (пространственной взаимной дополнительности). Отсюда

легко выводится и РНК как посредник между ДНК и белком. Объясняется и

возникновение генетического кода - через естественные множественные нарушения

микроструктуры кристалла, которые закреплялись как неоднородности нуклеотидного

состава ДНК. Модель предусматривает и образование липидных мембран, а также

целых протоклеток про- и эукариотического типа.

Как видно, в решении проблемы происхождения жизни имеются весьма надежные

среди которых наиболее продуктивна модель апатитовой матрицы.

СЕГМЕНТ 32. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ И СОВРЕМЕННОЕ БИОРАЗНООБРАЗИЕ

Как уже было отмечено выше, первые следы жизни на Земле датируются возрастом

примерно 3,6 млрд, или 3600 млн, лет. Таким образом, жизнь возникла вскоре

после образования земной коры.

Историю развития жизни изучают по данным геологии и палеонтологии

, поскольку в структуре земной поверхности сохранилось много ископаемых

остатков, произведенных живыми организмами. Это - так называемые осадочные

породы, содержащие огромные пласты мела, песчаников и других пород,

представляющих донные осадки известковых раковин одноклеточных фораминифер,

кораллов, моллюсков, кремниевые скелеты и другие твердые остатки древних

организмов. Например, на современной территории Евразии был когда-то океан,

Уральские годы были его срединным хребтом. Поэтому любой естественный разлом,

горная осыпь, крутой берег реки или обрыв карьера могут служить источником

информации о прошлых жителях Земли. Ценные сведения дают также результаты

бурения; например, сверхглубокая скважина на Кольском полуострове прошла уже

более 12 км вглубь Земли и в ней также обнаружены окаменевшие остатки

организмов. Имеются и надежные методы определения возраста земных пород, в

частности радиоуглеродный метод, основанный на измерении содержания

радиоактивных изотопов в составе углерода, которое закономерно изменяется во

времени. Так что любую находку окаменелых остатков жизни можно датировать по

времени ее происхождения.

Сразу отметим, что изменение форм жизни на Земле шло параллельно с

обусловливали в решающей степени направление и динамику биологической эволюции

.

В соответствии с наиболее значительными событиями гео-биологической эволюции

в истории Земли выделяют крупные интервалы времени - эры, внутри них -

периоды, в пределах периодов - эпохи и т. д. Проследим и мы наиболее важные

события, менявшие шаг за шагом биосферу нашей планеты. Для большей

наглядности изобразим календарь жизни в виде условного годового цикла, в

котором 1 месяц соответствует 300 млн лет реального времени (рис. 29). Тогда

весь период развития жизни на Земле как раз и составит один условный год

нашего календаря - от 1 января (3600 млн лет тому назад), когда образовались

первые протоклетки, до 31 декабря (0 лет), когда живем мы с вами. Как видим,

отсчет геологического времени принято вести в обратном порядке.

Рис. 29 Условный календарь развития жизни

Архейская эра (эра древнейшей жизни) - от 3600 млн лет до 2600

млн лет, протяженность 1 млрд лет - примерно четверть всей истории жизни (на

нашем условном календаре это - январь, февраль, март и несколько дней апреля).

3600 - 3500 млн лет - отведем это время на те события предбиологической

эволюции, которые были описаны в предыдущем сегменте. На самом деле они

могли начаться гораздо раньше, как только сформировалась земная кора.

3500-3300 млн лет - возникновение в водах мирового океана анаэробных

прокариотных (доядерных) одноклеточных организмов. В атмосфере Земли еще не

было кислорода, но в воде были свободные органические вещества, поэтому первые

организмы - бактерии были анаэробами, а питались гетеротрофно - поглощали

готовую органику и за счет брожения получали энергию (см. сегмент 13). В

гидротермальных источниках, богатых выделениями сероводорода (H2

S), при температурах до 120 градусов могли жить аутотрофные хемосинтетические

бактерии. По мере истощения первичных запасов органического вещества возникли

аутотрофные фотосинтетические клетки - сине-зеленые водоросли. Аутотрофы, в

отличие от гетеротрофов сами создают органические вещества из неорганических с

использованием энергии солнца или химических реакций.

3300 млн лет - выход бактерий и сине-зеленых водорослей на сушу и начало

образования почвы. Почва представляет так называемое биокосное тело -

продукт взаимодействия живых организмов с неорганическими соединениями верхнего

слоя коры.

3300 - 3000 млн лет - появление в воде и атмосфере свободного кислорода

от фотосинтетических водорослей и цианобактерий. Идет также накопление

углекислого газа при снижении концентрации других газов - аммиака, метана,

водорода. Все это создает возможность для развития аэробных гетеротрофных

бактерий, с гораздо более продуктивным энергетическим обменом, чем у

анаэробов.

3000-2700 млн лет - появление первых эукариотных клеток, имеющих сложную

структуру с настоящим ядром и органоидами (о различиях про- и эукариотных

клеток см. сегмент 8 и рис. 3) . Эти клетки могли появиться в результате

симбиотического объединения различных прокариотных клеток или путем

постепенного усложнения последних. Во всяком случае это были значительно более

крупные клетки с комбинированным энергетическим обменом, из которых в

последствие и развивались основные стволы эволюции - растения, грибы и

животные.

2700-2600 млн лет - в конце Архея, вероятно, появились уже и примитивные

многоклеточные организмы наподобие нитчатых водорослей и гидроидных

полипов, которым предшествовали колониальные объединения одноклеточных.

Таким образом, в Архейскую эру возникли про- и эукариотные клетки с разным

многоклеточным организмам.

Протерозойская эра (эра ранней жизни) - от 2600 до 570 млн лет - самая

протяженная эра, охватывающая около 2 млрд лет, то есть более половины всей

истории жизни (на нашем условном календаре это период от апреля до начала

ноября - см. рис. 29). Геологическим маркером начала новой эры стали

интенсивные процессы горообразования, изменившие соотношение океана и суши,

изменившие в целом лик планеты. Многие пионерские группы организмов, сделав

свое дело, вымирали, на их смену приходили новые. Но в целом биологические

преобразования совершались очень медленно и постепенно.

Хотя уже в Архее появились клетки высшего - эукариотного - типа, тем не менее

сине-зеленых водорослей. В это время железобактерии мирового океана,

осаждаясь поколение за поколением на дно, формируют огромные залежи осадочных

железных руд. Крупнейшие из них до сих пор разрабатываются под Курском и Кривым

Рогом. Эукариоты были представлены в основном водорослями - зелеными, красными,

бурыми - преимущественно одноклеточными, наподобие современных эвглены или

хлореллы. Многоклеточные организмы были малочисленны и весьма примитивны.

1500 млн лет - к середине протерозоя наблюдается расцвет зеленых водорослей

. Их фотосинтетическая активность заметно увеличивает содержания кислорода в

воде и атмосфере. Примерно через 200 млн лет появляются низшие грибы.

Подобно животным они являются гетеротрофами - питаются органической пищей и

используют кислород для ее окисления и получения энергии.

1000 млн лет - водоросли господствуют на Земле, темп накопления кислорода

быстро возрастает. Этому способствует также завершение окисления железа

земной коры, которое до сих пор поглощало основную массу кислорода. В

результате начинается бурное и независимое развитие аэробных простейших

(одноклеточных) и многоклеточных животных. Последняя четверть Протерозоя

известна как «век медуз», так как эти и им подобные кишечнополостные животные

составляют доминирующую и наиболее прогрессивную на то время форму жизни.

700 млн лет - прогрессивное развитие животных приобретает взрывной характер

. Особенно бурные события происходили на протяжении 40 млн лет в так называемый

Вендский период (690-650 млн лет). В результате быстрых эволюционных изменений

закладываются все основные типы животных. Появляются разные типы червей. От

кольчатых червей (современные представители - морской пескожил, дождевой червь)

ответвляются моллюски и членистоногие, похожие на мокриц, многоножек,

ракообразных. К концу протерозоя закладываются морские иглокожие и примитивные

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23