Біологія. 11 клас. Балан

Тема 2. Історичний розвиток і різноманітність органічного світу

Під час вивчення цієї теми ви дізнаєтесь про систему органічного світу як відображення його історичного розвитку, гіпотези виникнення життя на Землі, періодизацію еволюційних явищ, формування екосистем.

§ 41. Гіпотези виникнення та початкові етапи розвитку життя на Землі

Аби краще засвоїти матеріал цього параграфа, слід пригадати: у чому полягає внесок Карла Ліннея в розвиток біологічних наук? Які таксономічні категорії вам відомі? Що таке гіпотеза, аксіома, теорія? Які організми належать до продуцентів, консументів та редуцентів?

Як система органічного світу відображає його історичний розвиток?

Свою систему органічного світу К. Лінней характеризував як «штучну», тобто таку, що ґрунтується на ознаках, обраних дослідником. Він вважав, що вона є лише кроком до «природної» системи, і зазначав: «Штучна система слугує лише доти, доки не знайдено природну. Перша вчить лише розпізнавати рослини. Друга навчить нас пізнати природу самої рослини». Довгий час еволюціоністи вважали системи, що ґрунтуються на подібності будови організмів, штучними, а на єдності походження - природними.

Більшість сучасних дослідників будує системи живих організмів, виходячи з таких припущень:

  • 1. Усі живі організми виникають від батьківських форм, а самозародження життя в наш час неможливе.
  • 2. Викопні види є або «сліпими гілками еволюції» (тобто такими, які не дали нащадків), або предками сучасних видів.
  • 3. Різноманіття видів є наслідком їхніх пристосувань до умов довкілля.

Чим характеризується різноманітність органічного світу?

У сучасній біосфері налічують близько 3 млн видів живих істот, з них тварин - понад 2 млн, рослин - близько 600 тис., решта - це гриби, прокаріоти та віруси. Життя на Землі з’явилось 3,8 млрд років тому. На сьогодні описано кілька сотень тисяч вимерлих видів. Учені вважають, що у викопному стані зберігається не більш ніж 0,1-1 % дійсного числа видів, що існували в різні відрізки часу історії Землі. Сумарна кількість сучасних і вимерлих видів може становити від 100 млн до 1 млрд. Це величезне біорізноманіття зумовлене існуванням різних рівнів організації живої матерії та пристосуваннями організмів до різних умов довкілля.

Які відомі найпоширеніші погляди на проблему виникнення життя на Землі?

Проблема виникнення життя та пізнання його суті здавна хвилювала не лише вчених, а й інші верстви освіченого населення, у тому числі служителів релігійних культів. Однією з основних догм (догма - положення, яке потребує віри без будь-яких доказів) усіх релігій є створення Всесвіту, а згодом і життя божественною нематеріальною силою. Ці погляди, наприклад, детально викладені в Біблії та Корані.

Більшість учених визнає виникнення та подальші зміни Всесвіту, і живої матерії зокрема, у часі та просторі. Ці погляди належать до двох напрямів: гіпотези абіогенезу (живі істоти виникли з неживої матерії) та біогенезу (організми можуть виникати лише від живих істот). Кожен із цих поглядів має свої корені ще в поглядах стародавнього світу і розвивається донині.

Абіогенні гіпотези (гіпотези самочинного, або спонтанного, зародження) висували ще вчені прадавніх цивілізацій Китаю, Вавилону та Греції 3-4 тис. років тому. Зокрема, Арістотель (384-322 до н. е.) (мал. 41.1), якого часто називають засновником біології, вважав, що живі істоти постійно виникають з мулу, гною тощо, частинки яких містять «активний зародок», що за відповідних умов може дати початок живому організму. Подібних поглядів дотримувались видатні вчені епохи Відродження - Ф. Парацельс, Р. Декарт, Ф. Бекон. Знаменитий дослідник свого часу голландець ван Гельмонт (1577-1644) описав дослід з виникнення («мимовільного зародження») мишей з пропотілої сорочки в темній шафі зі жменею пшениці.

Мал. 41.1. Прихильники ідей абіогенного походження життя на нашій планеті: 1 - Арістотель; 2 - Парацельс (справжнє ім’я Філіпп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм); 3 - Френсіс Бекон; 4 - Ян Баптиста ван Гельмонт

Протягом XVII-XVIII сторіч ці погляди були спростовані. Так, Лінней в основу біологічної систематики поклав принцип «всякий подібний організм походить від собі подібного». Остаточно вчені відмовилися від абіотичних гіпотез у другій половині XIX ст. після встановлення Робертом Вірховим факту, що будь-яка клітина утворюється лише внаслідок поділу материнської клітини. У 1860 р. знаменитий французький біолог Луї Пастер експериментами з дріжджами та бактеріями довів неможливість самозародження мікроорганізмів.

З розвитком знань про історичний розвиток земної поверхні та молекулярної біології гіпотеза абіогенезу отримала нове життя в XX сторіччі. Особливість її трактування полягає в тому, що, виключаючи можливість самозародження життя в наш час, учені припускають його виникнення з хімічних сполук у минулому. Уперше цю думку висловив Ж.-Б. Ламарк у 1820 р.; згодом її розвинули Е. Геккель та К. А. Тимірязєв. Вони вважали, що в первісному океані в результаті певних хімічних процесів виникли спочатку органічні речовини, а з них - доклітинні форми життя, які поступово перетворилися в клітинні організми. Ця гіпотеза є наслідком поглядів Ж.-Б. Ламарка на еволюцію як процес поступового переходу від нижчого щабля організації до вищого.

У 20-х роках минулого сторіччя російський учений О.І. Опарін та англійський Д. Холдейн сформували біохімічну гіпотезу виникнення життя, яка, по суті, є розвитком ідей Ж.-Б. Ламарка. На думку цих учених, біологічній еволюції передувала хімічна еволюція органічних речовин, яка тривала кілька сотень мільйонів років аж до часу виникнення перших живих істот (мал. 41.2).

Як свідчать геологічні дані, первинна атмосфера Землі складалася з вуглекислого газу, метану, аміаку, оксидів Сульфуру, сірководню та водяної пари. Вільний атмосферний кисень та озоновий екран були відсутні, і на поверхню суходолу та Світового океану падав потік космічного та сонячного випромінювань, включаючи ультрафіолетові промені. Унаслідок високої вулканічної активності до океану та атмосфери з надр Землі постійно надходили різноманітні хімічні сполуки. Подібні умови вчені неодноразово відтворювали в лабораторіях. Під час дослідів виявилось, що у водному розчині, близькому за складом до сучасної океанічної води, в умовах опромінення та пропускання через нього електричних розрядів (аналогія блискавки) утворились деякі низькомолекулярні органічні сполуки: нуклеотиди, амінокислоти та невеликі ланцюжки амінокислот, моносахариди тощо. Вони збирались у скупчення, відокремлені від води поверхнею розділу, - коацерватні краплини, які існували досить довгий час. Нічого, що нагадувало б живих істот, ученим більш ніж за 70 років експериментів здобути таким чином не вдалось. Незважаючи на це, гіпотеза Опаріна-Холдейна стверджує, що коацерватні краплини якимось чином перетворились на гіпотетичні «доклітинні» біологічні системи, від яких виникли прокаріоти. Отже, виникнення життя з неживої матерії в минулому та сучасному Землі довести не вдалось.

Мал. 41.2. I. Гіпотетичні умови для створення життя на Землі. II. Дослід Опаріна-Холдейна: 1 - електроди; 2 - суміш газів (СН4, NH3, Н2, Н2О); 3 - конденсор; 4 - підігрів води; 5 - дрібні органічні молекули

Біогенні гіпотези ґрунтуються на поглядах на життя як на особливу форму існування матерії, що існує стільки ж часу, як і Всесвіт. Ці гіпотези не містять ніяких ідей щодо пояснення виникнення життя, а говорять лише про його неземне походження.

Сучасні біогенні погляди мають назву гіпотези панспермії (від грец. пан - усе та сперматос - насіння). Уперше висловив думку про можливість занесення життя з космосу ще давньогрецький філософ Анаксагор у п’ятому сторіччі до нашої ери. Гіпотезу панспермії сформував шведський фізик С.А. Арреніус на початку XX сторіччя, а розвинув український учений В.І. Вернадський. До її прихильників належать видатні російські вчені: зоолог Л.С. Берг, географ О.Ю. Шмідт, астроном Й.С. Шкловський, один з відкривачів молекулярної структури молекули ДНК англійський біохімік Ф. Крік та багато інших (мал. 41.3).

Суть гіпотези панспермії полягає в такому: спори прокаріотів можуть, не втрачаючи здатності до життєдіяльності, витримувати перебування у вакуумі при температурах, близьких до абсолютного нуля (-273,15 °С), жорстке радіаційне та ультрафіолетове опромінення, тобто умови космічного простору. Вони легко потрапляють у верхні шари атмосфери планет і завдяки мізерній власній масі можуть звідти потрапляти у відкритий космос.

С.А. Арреніус підрахував, що тиск світла спричинює помітну механічну дію на частки діаметром близько 0,015 мм, переміщуючи їх. Саме такий діаметр мають спори більшості бактерій. Спора, розганяючись під дією тиску сонячних променів, за 20 діб може подолати відстань між орбітами Землі та Марса, а за 80 - досягти орбіти Юпітера. Нещодавно в метеоритах знайдено спороподібні утвори. Отже, у космосі присутні спори прокаріотів, які неначе дощем безперервно потрапляють на планети. За сприятливих умов з них виходять активні форми прокаріотів різних видів, які утворюють первинні біогеоценози. У подальшому еволюція таких «первинних» видів відбувається в різних напрямах відповідно до змін умов довкілля на певних небесних тілах.

Мал. 41.3. Прихильники біогенних гіпотез походження життя на Землі: 1 - Лев Семенович Берг (1876-1950); 2 - Френсіс Крік (1916-2004)

Яка періодизація еволюційних явищ?

Сучасні вчені вважають, що планета Земля виникла зі скупчень газів та пилу. Ці частинки були притягнені з космосу силою тяжіння Сонця та обертались навколо нього по близьких орбітах. Із часом вони об’єднались в єдину масу. Цей гіпотетичний період розвитку земної кулі вчені визначили як «догеологічний час», що тривав приблизно мільярд років. Жодних матеріальних доказів існування цього періоду не відомо. Після формування земної кори розпочався «геологічний час». Вік гірських порід, утворених протягом цього часу, визначають радіометричними методами, основаними на тривалості розпаду нестійких радіоактивних елементів до стійких нерадіоактивних. Перші прадавні породи виникли близько 4,5 млрд років тому. Геологічний час поділяють на п’ять ер - архейську, протерозойську (вони дістали загальну назву - докембрій), палеозойську, мезозойську та кайнозойську. Кожну еру поділяють на періоди, а періоди - на епохи (мал. 41.4). Кожен період та епоха мали більш-менш стабільні клімато-географічні параметри, характеризуються сталими екосистемами із специфічним видовим складом продуцентів, консументів та редуцентів. У проміжках між стабільними періодами існування відбувались локальні чи глобальні катастрофічні зміни рельєфу та клімату, які назвали «екологічні кризи». Вони спричинюють заміни старих екосистем новими та оновлення біосфери в цілому.

Як відбувався розвиток життя в архейську еру?

Перші залишки живих організмів відносяться до архейської ери (почалась приблизно 4,5, а закінчилась - 2,5 млрд років тому). Їх знайдено в осадових породах віком приблизно в 3,5 млрд років. Це були прокаріоти, у викопному стані представлені залишками оболонок колоній ціанобактерій з вуглекислого кальцію (строматолітів) та клітинних стінок бактерій.

На відміну від еукаріотів, еволюція яких відбувалась у більш-менш стабільних геохімічних умовах, первинні бактеріальні екосистеми докорінно змінили ці умови протягом архейської ери та самі пристосувались до них, у свою чергу, змінившись. Перші осадові породи значною мірою є наслідком життєдіяльності залізобактерій (поклади залізної руди), зелених і пурпурових бактерій (поклади сірки), можливо, нафти та природного газу тощо.

Мал. 41.4. Періодизація геологічної історії Землі

Унаслідок фотосинтезуючої діяльності ціанобактерій у кінці архейської ери в атмосфері накопичилась значна кількість кисню та утворився озоновий шар. Це спричинило появу більш енергетично вигідного аеробного розщеплення поживних речовин живими організмами та захист поверхні Землі за допомогою озонового екрана від космічного та сонячного ультрафіолетового опромінень.

Які основні події протерозойської ери?

За першу половину протерозойської ери (почалась 2,5 млрд, закінчилась - близько 0,6 млрд років тому) прокаріотні екосистеми опанували весь Світовий океан. Близько 2 млрд років тому з’явилися первісні одноклітинні еукаріоти, які швидко дивергували (пригадайте, яке явище називають дивергенцією) на рослини, здатні здійснювати фотосинтез (водорості), та тварини і гриби, що належать до гетеротрофів. Як спосіб досягнення біологічного прогресу для еукаріотів характерне ускладнення організації в процесі історичного розвитку. Навіть в одноклітинних еукаріотів (багато видів водоростей, інфузорії, споровики) клітини побудовані дуже складно. Більшість учених вважає, що багатоклітинні організми походять від колоній одноклітинних унаслідок диференціації їхніх клітин.

У чому полягає симбіотична гіпотеза походження еукаріотів?

Є кілька гіпотез походження еукаріотів, з яких у наш час найпопулярніша симбіотична. Її послідовники вважають, що двомембранні органели, що мають свій геном і здатні до розмноження поділом (пластиди та мітохондрії), - нащадки симбіотичних прокаріотів, які втратили здатність до існування поза клітиною хазяїна. Співжиття кількох видів прокаріотів сприяло зрештою появі еукаріотичних клітин. Такі органели, як ядро, апарат Гольджі та багато інших, могли виникнути шляхом вгинів плазматичної мембрани всередину клітини.

Як відбувався розвиток життя у вендському періоді протерозойської ери?

Цей останній період протерозойської ери тривав близько 80 млн років (мал. 41.5). За нього на мілководдях морів сформувались біогеоценози, основними продуцентами в яких були ціанобактерії та зелені водорості. Найпоширенішими тваринами були різноманітні кишковопорожнинні: поліпи та медузи. Деякі з них досягали метра в діаметрі. У середині періоду з’явилися повзаючі та плаваючі двобічносиметричні тварини. Серед них були несегментовані та сегментовані організми, у деяких із них на кожному сегменті тіла розташовувалась пара кінцівок. Наприкінці періоду внаслідок біосферної кризи, спричиненої зледенінням, вендські екосистеми зруйнувались і більшість їхніх видів вимерло.

Мал. 41.5. Карта Землі вендського періоду

Нові терміни та поняття. Гіпотези абіогенезу та біогенезу, панспермії, архейська та протерозойська ери, симбіотична гіпотеза походження еукаріотів

Запитання для повторення: 1. У чому полягає суть абіогенних гіпотез виникнення життя? 2. У чому суть біохімічної гіпотези виникнення життя? 3. Які основні положення гіпотези панспермії? 4. Які екосистеми характерні для архейської ери? 5. Які основні етапи розвитку життя в протерозойську еру?

Проблемне завдання. Відтворіть ланки ланцюгів живлення, характерні для первісних прокаріотних екосистем.