ВОЗНИКНОВЕНИЕ РАЗУМНОЙ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Введение

Вопрос о происхождении разумной жизни на Земле издавна привлекает внимание как учёных, так и широкой публики. Особенно часто он возникает у детей и подростков, стремящихся понять не только биологический процесс происхождения человека, но и общую эволюционную историю живых организмов.

На практике данная тема нередко освещается односторонне — преимущественно через призму религиозных взглядов или краткое изложение теории Ч. Дарвина, что не формирует целостного научного представления.

В подтверждение этого был проведён опрос среди учащихся 8–10 классов (100 участников), которым был задан вопрос: «Как образовалась разумная жизнь на Земле?». Полученные результаты распределились следующим образом:

1. Теория Дарвина — 38%.
2. Затруднились ответить — 17%.
3. Использовали термин «эволюция» без пояснения — 14%.
4. Упоминали эволюцию животного мира в общих чертах — 14%.
5. Придерживались креационизма — 9%.
6. Вспоминали о биохимической эволюции — 6%.
7. Давали ответы, не относящиеся к науке — 2%.

Анализ опроса показал, что большинство школьников ограничиваются поверхностным знанием эволюционных теорий, при этом лишь небольшая часть знакома с основами биохимической эволюции. Это подтверждает необходимость создания доступного и научно обоснованного источника информации, раскрывающего основные этапы возникновения и развития разумной жизни на Земле.

Глава 1. Возникновение первых живых организмов на Земле

В мире существует достаточно теорий по образованию жизни на Земле от религиозных до научно-естественных. Наиболее подробно я остановлюсь именно на теории биохимической эволюции. Данная теория имеет наибольшее количество практических доказательств.

1.1. Теория биохимической эволюции

Биохимическая эволюция или же Коацерватная теория Опарина-Холдейна. В 1924 году русский биохимик А.И. Опарин, а позднее, в 1929 году, английский ученый Дж. Холдейн, высказали предположение, что живое возникло на Земле из неживого вещества в результате химической эволюции - сложных химических преобразований молекул. Этому событию благоприятствовали сложившиеся в то время на Земле условия. Возникновение жизни на нашей планете произошло в несколько этапов эволюции.

1.1.1. Абиогенный синтез простых органических соединений

В этом абзаце я рассмотрел опору описанных ниже теорий об абиогенном синтезе органических веществ.

В 20–30-е гг. ХХ в. А.И. Опарин и Дж. Холдейн выдвинули гипотезу постепенной эволюции простых органических соединений, которые образовались на первобытной Земле из газов, составляющих атмосферу, под воздействием различных источников энергии. Теория Опарина–Холдейна стимулировала проведение большого числа экспериментов, иллюстрирующих возможные пути образования и эволюции органических соединений в условиях примитивной Земли. Уровень гипотез, теорий, экспериментов повышался по мере роста научных достижений.

В 1953 году Миллер решил провести важный в истории учений о зарождении жизни на Земле опыт. Идея эксперимента Миллера была простой: в лаборатории он воспроизвел атмосферу древнейшей Земли, какой она была по мнению ученых, и со стороны наблюдал за тем, что происходит. При поддержке Юри он собрал простой аппарат из стеклянной сферической колбы и трубок – аппарат Миллера, в котором испарявшиеся вещества циркулировали по замкнутому контуру, охлаждались и вновь поступали в колбу. Миллер заполнил колбу газами, которые, по мнению Юри и русского биохимика Александра Опарина, присутствовали в атмосфере на заре формирования Земли — водяным паром, водородом, метаном и аммиаком. Чтобы сымитировать солнечное тепло, Миллер нагревал колбу на бунзеновской горелке, а чтобы получить аналог вспышек молний — вставил в стеклянную трубку два электрода. По его замыслу, материал, испаряясь из колбы, должен был поступать в трубку и подвергаться воздействию электрического искрового разряда. После этого материал должен был охлаждаться и возвращаться в колбу, где весь цикл начинался вновь. После двух недель работы системы жидкость в колбе стала приобретать темный красно-коричневый оттенок. Миллер провел анализ этой жидкости и обнаружил в ней аминокислоты — мономеры белков. Так у ученых появилась возможность изучать происхождение жизни с точки зрения основных химических процессов.

По-видимому, тот же результат мог бы быть получен и при использовании вместо электрических разрядов других источников энергии — например, тепла и ультрафиолетового излучения.

1.1.2. Образование протобионтов

В проблеме возникновения жизни на Земле наименее разработанными остаются механизмы пространственно-временной организации живой клетки, принципиально отличающей ее от гетерогенных коллоидных макромолекулярных структур естественного или искусственного происхождения: коацерватов Опарина, протобионтов Холдейна и Бернала, микросфер из протеиноидов Фокса, маригранулы Эгами, гиперциклов Эйгена. Общим для всех этих терминов являются попытки создать представление о коллоидных структурах, обеспечивающих обмен веществ, достаточный для жизнедеятельности. Однако во всех случаях авторы не исследовали пространственно-временную организацию этих структур.

Главным звеном во возникновении и эволюции клетки у А.И. Опарина являются Коацерваты. Появившиеся органические соединения, по мнению авторов таких исследований, начали самоорганизовываться в коацерватные капли, пузырьки, микросферы, протоклетки, липосомы, люминосферы, коацерваты в коацервате, каталитические каскады и т. д. Это была смесь асимметричных мономерных или коротких полимерных органических молекул, из которых предстояло возникнуть будущей протоклетке путем самопроизвольной организации.

Когда органические соединения смешивались между собой, в растворах образовывались упорядоченные молекулярные структуры – биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты в виде как особые полужидкие, студенистые образования — коацерваты.

Коацерваты – мельчайшие коллоидные частицы – капли, обладающие осмотическими свойствами. В них концентрировались все находящиеся в растворе белковые вещества, но они не обладали важнейшим биологическим свойством воспроизведения себе подобных. Но предпосылки возникновения живого в них уже содержались, к тому же они объясняют появление биологических мембран как самого «трудного» этапа химической эволюции жизни. Кислород, как сильный окислитель мог бы разрушать процесс, если бы не бескислородная среда, которая способствовала длительному процессу синтеза биополимеров.

Коацерватные капельки обладали определенным внутренним строением. Частицы вещества в них были расположены не беспорядочно, как в растворе, а с определенной закономерностью. При образовании коацерватов возникали зачатки организации, однако, еще очень примитивной и неустойчивой. Для самой капельки эта организация имела большое значение.

Лишь определенное взаиморасположение в пространстве позволяет таким важнейшим биополимерам, как белки и нуклеиновые кислоты, взаимодействовать и образовывать системы, приводящие к появлению первых живых организмов. Это становится возможным благодаря формированию биологических мембран, которые не только сохраняют случайно возникшие ассоциаты белков и нуклеиновых кислот, но и обеспечивают образовавшиеся системы с обратной связью веществами и энергией из окружающей среды

Эволюционно закреплялись лишь такие системы, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизведению. Это и были первые живые организмы – пробионты или протобионты.

Пробионты - первичные клетки, включающие в себя ферменты – белковые катализаторы, и механизм генетической информации - нуклеиновые кислоты как носителей этой наследственной информации. Пробионты нуждались в различных химических соединениях - нуклеотидах, аминокислотах и др. Из-за низкой степени организации, пробионты обладали достаточно ограниченными возможностями: прототип мембраны еще не приобрел достаточно сложного и организованного строения, генетическая информация содержалась только в РНК, не было большого разнообразия органелл. Все это позволяло продолжить протобионтам свое существование, однако эта структура была не способна к саморегуляции и самовоспроизведению.

1.1.3. Возникновение обмена веществ и энергии

Появление первых клеток. Метаболизм представляет собой совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и распада органических веществ, обеспечивающих получение, накопление и использование энергии. Его истоки восходят к стадии коацерватных капель, способных избирательно поглощать вещества из окружающей среды. В них зародились первые процессы обмена веществ — роста и распада. Постепенно метаболизм усложнялся. Первые живые организмы, по современным представлениям, были анаэробными гетеротрофами, получавшими энергию путём брожения органических соединений «первичного бульона». Позднее появились формы, способные фиксировать углекислый газ и азот, что подготовило почву для автотрофного питания. Развитие фотосинтеза стало переломным моментом в истории жизни. Появление цианобактерий, использующих воду как источник водорода, привело к выделению кислорода и образованию озонового слоя, защитившего Землю от ультрафиолетового излучения. Так возникли условия для дальнейшей эволюции и появления аэробных организмов. Аэробное дыхание стало значительно более эффективным способом получения энергии, чем брожение, что способствовало усложнению живых систем. Развитие механизмов регуляции энергетического обмена позволило клеткам адаптироваться к изменяющейся среде и поддерживать внутреннюю устойчивость. С течением времени живые клетки выработали биоритмы и системы саморегуляции, обеспечивающие экономное использование энергии и выживание в меняющихся условиях. Таким образом, формирование метаболизма стало ключевым этапом на пути от простых коацерватных структур к полноценным живым организмам.

Глава 2. Эволюция животного мира

Появившись, первая клетка под действием естественного отбора, она начала длинный эволюционный путь, положив начало эволюции животного мира. Именно эту тему я изучил и изложил в данной главе.

Первая клетка была прокариотом, а как мы знаем, у человека имеются эукариотические клетки. Существует теория, которая объясняет появление эукариот. 

Симбиотическая теория гласит, что некоторые гетеротрофы пошли по пути, приведшему к образованию эукариотических клеток. Часть из них вступила в симбиоз с аэробными бактериями, способными к окислительному фосфорилированию. Поглотив, аэробные бактерии, первичные гетеротрофы не расщепили их на составляющие молекулы, а сохранили в качестве энергетических станций, называемых сегодня митохондриями. Такие симбионты дали начало царствам животных и грибов. Другая часть первичных гетеротрофов «заключила союз» не только с аэробными гетеротрофами, но и с первичными фотосинтетиками, сохранив последние в качестве хлоропластов. Такие симбионты дали начало царству растений. Так же можно отметить, что есть внешнее сходство митохондрий и хлоропластов со свободно живущими бактериями.

Строение современной животной клетки - результат той самой эволюции и образование жизни на Земле на клеточном уровне. Остается понять как одна эта клетка сумела дать начало многоклеточным формам жизни, в том числе и человекообразным обезьянам.

Постепенно клеточные структуры усложнялись. В результате многократных мутаций и естественного отбора появились первые многоклеточные организмы. Этот переход стал одним из важнейших ароморфозов — крупным эволюционным изменением, открывшим путь к формированию тканей, органов и целостных организмов.

Многообразие форм жизни росло. Из простейших многоклеточных, подобных гидре, возникли все более сложные животные организмы, обладающие нервной системой, органами чувств и способностью к активному движению. Эволюция постепенно привела к появлению позвоночных, млекопитающих, приматов и, наконец, человека — представителя наиболее развитой формы жизни, обладающего сознанием и разумом.

Таким образом, современный животный мир — результат миллиардов лет непрерывного развития, в основе которого лежит взаимодействие случайных мутаций, естественного отбора и симбиотических процессов. От первой клетки до человека жизнь прошла грандиозный путь, демонстрируя способность природы к самоорганизации, усложнению и адаптации.

Глава 3. Антропогенез

Изучив эволюцию животного мира, мы пришли к классу млекопитающие. Морфологически и физиологически данный класс, а именно высшие приматы, достаточно схожи с человеком, чтобы рассматривать их, как материал для эволюции вида homo sapiens sapiens. В процессе исторического развития человека, называемого антропогенезом, морфофизиологическому прогрессу наиболее была подвержена центральная нервная система. В данной главе я прослежу, как представитель данного класса дошел до наивысшей ступени антропогенеза.

Процесс антропогенеза начинался около 40 млн лет назад. Рассмотрим становление разумной составляющей человеческой личности и его социальной природы по основным этапам антропогенеза. Где на каждом этапе развития, образ жизни, род деятельности и даже морфологическое строение организма значительно изменялись, с каждым шагом приближая нас к современному состоянию вида Homo Sapiens Sapiens.

Одни из первых представителей человека были дриопитеки. Жили они 12-40 млн лет назад. Внешность практически не отличалась от внешности обезьяны. Вели дриопитеки стадный образ жизни. А орудиями труда служили подручные средства: палки, камни и кости животных, что свойственно для некоторых высокоорганизованных организмов. Единственное что отличало их от остальных обезьян это эпизодическое использование подручных материалов (камни, палки) в качестве орудий труда. Где они появились ученым неизвестно. В целом дриопитеки являлись типичными представителями обезьян.

Следующем представителем, согласно хронологии, является австралопитек - homo Habilis. На этом этапе изменяется морфологическое строение человекообразного предка. Изучение останков их скелета позволяет предполагать, что они передвигались на двух конечностях. Задние конечности были несколько длиннее, чем у современных шимпанзе бонобо, которые являются наиболее близким по морфологии и поведению к современному человеку, а передние - такие же, как у этих обезьян. Образ жизни они вели стадный, организовывали подобия стоянок для отдыха и еды. Передвижение на двух ногах способствовало освобождению верхних конечностей и, следовательно, использованию орудий труда, которые представляли собой обычные камни и палки. Важным шагом в их развитии являлось появление примитивной акустической коммуникации и попытки взаимодействия при рутинных событиях жизни, например охоте. То есть уже 2.6-3.5 млн лет назад предки человека пытались взаимодействовать между собой.

Следующий этап антропогенеза представляет собой питекантроп - homo Erectus, жившие около 1 млн лет назад. Их останки были найдены в Китае, Европе, Северной Америке и на острове Ява.

В отличии от австралопитека, homo Erectus полностью перешел к прямохождению, приобретая соответствующие изменения в своей морфологии, что сделало его более похожим на современного человека. Вели они коллективный образ жизни. Жили они в пещерах, охотились на крупных животных. Самым значимым событием стало использование огня, что позволило перейти к употреблению термически обработанной пищи. Из-за изменения питания и рациона в целом они стали получать важные аминокислот и другие полезные вещества, которые в сыром виде не усваиваются, всё это способствовало увеличению объема головного мозга и продолжительности жизни, которая составила от 30 до 32 лет. Коллективный образ жизни способствовал появлению примитивной речи (лепет) и системы знаков, что облегчало совместную деятельность и позволяло распределять ресурсы между собой. Питекантропы создавали орудия труда, используя подручные материалы.

Неандертальцы - Homo Neanderthalensis появились в Африке, Европе и Азии около 300 тыс. лет назад. Пропорции тела были приближены к пропорциям человека разумного, усовершенствовалось строение кисти. Охотились они на мамонтов, зубров и других крупных млекопитающих, занимались собирательством. Начали строить жилища из костей и шкур мамонтов, но также оставались в пещерах и в открытых местностях. Делали каменные орудия, которых насчитывается около 60 видов. Главным шагом в их развитии стали появление членораздельной речи и разделение труда. Полоролевое распределение деятельности позволило увеличить объем выполняемой работы и обеспечить лучшую выживаемость. Именно неандертальцам принадлежат первые захоронения, что также свидетельствует об их социальном развитии.

Кроманьонцы - homo sapiens появились в Сибири, Америке и Австралии, около 40 тыс. лет назад. Кроманьонцы уже вполне соответствовали антропологическому типу современного человека, отличаясь лишь незначительными особенностями.

Кроманьонцы впервые начали заниматься земледелием и скотоводством. Это привело к появлению крупных поселений, строительству относительно надежных жилищ и изменению образа жизни, все это подразумевало наличие разнообразных орудий труда. Улучшение жилищных условий и качества питания привели к увеличению продолжительности жизни. Коллективный труд, появление языка привело кроманьонцев к созданию родовой общины, где каждый человек выполняет свою посильную работу. Общение членов общины между собой приводило к обмену опытом, формированию абстрактного мышления и появлению традиций и обычаев. Люди изготавливали украшения, делали одежду, появилось искусство, религия и зарождалась наука.

Человечество уверенно двигалось к созданию социума и цивилизации, и результат всех вышеописанных процессов - вид homo sapiens sapiens.

Заключение

Моя первоначальная цель – создать единый источник информации по данной теме для обучающихся старших классов с естественно-научным уклоном, достигнута. Так как даже при обнаружении и несоответствии и «белых пятен» в последовательности научных фактов, реферат не теряет ценности. Вопросы, которые остаются без ответа, способствуют стимулированию интереса к науке.