Природничі науки. 2 частина. 10 клас. Гільберг

Розділ 4. Біорізноманіття

Продовжуємо досліджувати нашу домівку — Землю. У цьому розділі ми наблизимося до розгадки найважливішого питання в історії людства — як саме зародилося життя на Землі. Що таке життя? Чим зумовлене різноманіття форм життя?

За підрахунками вчених, на Землі нараховується 8,7 млн видів, з них 6,5 млн є наземними, а 2,2 млн — морськими видами. Ці цифри і справді вражають, важко навіть уявити собі таке різноманіття. Може здаватися, що втрата кількох десятків або сотень видів серед кількох мільйонів не буде відчутною для планети, але насправді все не зовсім так. Вивчаючи цей розділ, ми переконаємося, що стійкість екосистем планети Земля і нашого з вами життя залежить саме від кількості видів.

Милуватися всім різноманіттям форм життя нам допоможе не лише спостереження за природою, а й картини британської художниці у стилі фентезі Жозефіни Волл (нар. 1947), що використані в оформленні цього розділу

Тож досліджуємо красу, принадність та вразливість живої природи!

Г. 1. Життя як воно є

Науці поки що відома лише одна точна адреса Життя в неосяжному Всесвіті: планета Земля. Таємниця появи перших організмів — одне з найважливіших питань людства, адже за ним ховається не лише наше минуле, а й можливе майбутнє. Тому питання зародження життя до цього часу займає розуми багатьох учених по всьому світу.

ПРИГАДАЙТЕ

Про зародження життя Б.1, Б.11, В.1, В.2, В.11

ВИ НАВЧИТЕСЯ

Називати: основні гіпотези походження життя, визначення життя з різних поглядів; основні ознаки живого; рівні організації живого.

Наводити приклади біосистем.

Описувати суть хімічної, передбіологічної й біологічної еволюції.

Пояснювати суть різних гіпотез походження життя; особливості наукового, художнього, міфологічного, релігійного розуміння життя; властивості біосистем.

Порівнювати етапи розвитку життя з розвитком оболонок планети (атмо-, гідро- і літосфери).

Усвідомлювати, чому поява життя на Землі має закономірний характер; чому є різні підходи до визначення життя

Виявляти вплив на розвиток поглядів на походження життя досягнень природничих та інших наук.

Характеризувати життя як ієрархію біосистем, сутність основних ознак живого.

Висловлювати та обґрунтовувати судження щодо впливу астрономічних і геологічних чинників на виникнення та розвиток життя на Землі; гіпотез походження життя з погляду їхньої науковості

Як виникло життя

Ми вже неодноразово згадували про зародження життя. Пригадаймо, де й чому про це йшлося (Б.1, с. 46; Б.11, с. 228; В.1, с. 18; В.2, с. 29; В.11, с. 232). Яких висновків можемо дійти? Людина завжди замислювалася над глобальними, чи то пак фундаментальними, питаннями існування світу, а особливо — над загадкою виникнення організмів. І цю таємницю й дотепер до кінця не розгадано. Щодо походження життя є кілька гіпотез і теорій. Деякі з них не становлять наукового інтересу, а цікаві тим, що свідчать про уявлення людей певного часу. Деякі підживлюють новими даними й науково обґрунтовують. Спробуймо розібратися.

«Життя існувало й існуватиме вічно». Прихильники теорії стаціонарного стану вважають, що Земля й життя на ній, як і все у Всесвіті, ніколи не виникали: вони просто були завжди, завжди й зостануться (мал. 1.1). Ця теорія припускає вимирання видів, але вважає, що нові види не утворюються. Як не дивно, однак прихильники цієї теорії є й дотепер. Та щоб усерйоз прийняти таку «теорію», доведеться забути про незліченні знахідки палеонтології, геології та астрономії. А по суті — відмовитися від усього надбання природничих наук, включно з комп’ютерами й безболісним лікуванням зубів.

Мал. 1.1. Вічне життя

«Життя створено вищою силою». Теорія креаціонізму (від лат. creationis — творіння), згідно з якою життя на Землі було створене надприродною силою — Творцем, лежить в основі всіх релігій (мал. 1.2). І хоча механізми творіння та характеристики вищих сил різняться в релігіях і міфологіях, усі ці вчення пояснюють виникнення життя діяльністю якоїсь потойбічної сили. Креаціоністські погляди є ненауковими, оскільки не можуть бути підтверджені або спростовані фактами чи експериментами. У них можна лише вірити або не вірити.

Мал. 1.2. Життя створене Творцем: а — І створив Бог риби великі, і всяку душу живу плазуючу, що її вода вироїла за їхнім родом, і всяку пташину крилату за родом її (Буття 1:21). Створення тварин¹; б — І Бог на Свій образ людину створив, на образ Божий її Він створив, як чоловіка та жінку створив їх (Буття 1:27). Створення Єви²

¹ Тінторетто (Якопо Комін (1518-1594), Італія).

² Мікеланджело ді Франческо ді Нері ді Мініато дель Сеера і Лодовіко ді Леонардо ді Буонарроті Сімоні (1475-1564, Італія)

«Життя занесено зі Всесвіту». Панспермія (від грец. πας/παν — «увесь», «усякий» і грец. σπέρμα — «насіння») — це гіпотеза, згідно з якою «насінини» живого занесено з космосу разом з метеоритами й космічним пилом (мал. 1.3). Тобто життя має позаземне походження.

Деякі прихильники гіпотези панспермії вважають, що істотами нашу планету заселили інопланетяни задля експерименту. І зараз вони спостерігають за життям і розвитком людства.

На початку XX ст. панспермія перестала бути лише філософським міркуванням і обзавелася різними науковими обґрунтуваннями та моделями. Є принаймні два наукові висновки, які допомагають підтвердити панспермію. «Матеріал життя» набагато поширеніший у Всесвіті, ніж здається. Прикладами цього є виявлені в космосі етанол, метаналь і деякі амінокислоти. Потрапляння їх на Землю з космічним пилом, метеоритами є ймовірним. Інший факт: є певні типи бактерій, які можуть протистояти несприятливим умовам космосу, щоб витримати гіпотетичну подорож на Землю. Проте ця теорія не дає відповіді на саму суть питання: як зародилося життя у Всесвіті, якщо воно й було перенесене.

Мал. 1.3. Панспермія та її прихильники: Юстус фон Лібіх (1803-1873, Німеччина), Сванте Август Арреніус (1859-1927, Швеція), Володимир Вернадський (1863-1945, Україна)

«Життя самовільно виникає». Гіпотеза постійного самозародження життя з неживої речовини (мал. 1.4, 1.5) проголошена ще в античні часи й проіснувала аж до середини XIX ст. Прихильниками цієї гіпотези було багато вчених Стародавнього Китаю, Єгипту, Греції. Зокрема, Аристотель, якого часто називають засновником біології, писав, що жаби й комахи зароджуються в сирому ґрунті. Прихильники цієї ідеї переконували, що деякі частинки речовини містять «активний зародок», з якого може розвиватися організм.

Мал. 1.4. а — Давні уявлення про самозародження комах, овець, гусей; б — Прихильники гіпотези самозародження життя: де Бюффон Жорж-Луї Леклерк (1707-1788, Франція), Лінней Карл (1707-1788, Швеція), Гарвей Вільям (1578-1657, Велика Британія)

Мал. 1.5. «Для зародження мишей досить купки брудних речей і жменьки зерна». Ван Гельмонт Ян Баптист (1580-1644, Бельгія)

Щоб довести неможливість самозародження життя, у XVII та XVIII ст. ученими проведено низку дослідів (мал. 1.6). Зокрема, італійським лікарем Франческо Реді.

Мал. 1.6. а — Руйнівник теорії самозародження життя Реді Франческо (1626-1697, Італія); б — Його дослід з доведення неможливості самозародження життя

За малюнком 1.6 опишіть проведений Ф. Реді дослід. Якого висновку за його результатами він, на вашу думку, мав дійти?

Попри проведені Ф. Реді досліди самозародження повністю спростувати не вдалося, адже і в закритих, і у відкритих посудинах було виявлено мікроорганізми. На початку XIX ст. ідея самозародження трансформувалася у віталізм — учення про «життєву силу», що ширяє Всесвітом і в процесі взаємодії з неживою речовиною перетворює її на живу. Остаточного удару теорії віталізму завдав 1862 р. мікробіолог Луї Пастер (мал. 1.7). Завдяки дослідам із бульйоном у колбах із «лебединими шиями» наочно підтверджено, що й мікроорганізми розвиваються з інших мікроорганізмів. Тобто остаточно доведено постулат «Усе живе розвивається із живого».

Мал. 1.7. а — Руйнівник теорії самозародження життя — Пастер Луї (1822-1895, Франція); б — Його дослід з доведення неможливості самозародження життя

1. За малюнком 1.7 опишіть проведений Л. Пастером дослід. Якого висновку за його результатами він, на вашу думку, мав дійти? 2. Прокоментуйте уривок лекції, прочитаної Л. Пастером 7 квітня 1864 р. в Сорбонні: «Отже, панове, я можу сказати, під час показу вам цієї рідини: ось я взяв цю краплю води, повну елементів, необхідних для розвитку нижчих істот. Я чекаю, я спостерігаю, я питаю, вимагаю від неї, щоб вона почала свою основну творчу роботу. Але вона мовчить! Вона мовчить вже протягом декількох років, що минули з моменту початку цього досліду. І це тому, що я видалив з неї й видаляю досі єдине, що не може створити людина; я видаляю з неї зародки, що носяться в повітрі, я видаляю з неї життя, оскільки життя — це зародок, і зародок — це життя! Ніколи теорія самовільного зародження не підведеться після того смертельного удару, який завдав їй цей простий дослід».

Водночас наукове обґрунтування походження живих істот на Землі з неживого втілено в гіпотезі біохімічної еволюції (або теорії абіогенезу). Ця гіпотеза розглядала життя як результат тривалих хімічних перетворень сполук Карбону й пояснювала ці процеси законами фізики та хімії. Першою з них була теорія Опаріна — Холдейна (мал. 1.8). У цій теорії основну увагу приділено утворенню білків з органічних сполук простої будови. І дуже важливу роль відігравали коацервати (коацерватні краплі) — пухирці з ліпідів, які утворюються у воді (про роль нуклеїнових кислот тоді ще не знали).

Визнанню й значному поширенню теорії Опаріна — Холдейна багато в чому сприяло те, що процеси абіогенного синтезу органічних молекул легко відтворювані в модельних експериментах. Можливість синтезу органічних речовин з неорганічних була відома з початку XIX ст. Уже в 1828 р. видатний хімік Фридрих Велер (1800-1882, Німеччина) синтезував органічну речовину — сечовину з неорганічної — амоній ізоціанату:

Можливість абіогенного синтезу органічних речовин в умовах, близьких до умов ранньої Землі (мал. 1.8, в), уперше доведено в 1953 р. студентом Чиказького університету Стенлі Міллером (1930-2007, США) під керівництвом професора Гарольда Юрі (1893-1981, США).

Сьогодні вчені продовжують вивчати питання походження життя, пропонують нові моделі та механізми. Однак центр інтересу змістився з питання про синтез перших біомолекул до питань їхнього впорядкування в «протоклітини» та виникнення метаболізму.

Мал. 1.8. а — Автори теорії біохімічної еволюції: Опарін Олександр Іванович (1894-1980, Росія) та б — Холдейн Джон Бердон Сандерсон (1892-1964, Велика Британія); схема установки в досліді Міллера (в) — Юрі (г)

Як ви пам’ятаєте з курсу біології основної школи, центральна догма молекулярної біології (мал. 1.9) установлює взаємний зв’язок між ДНК, РНК і білком. Ця система доволі складна: ДНК реплікує сама себе за допомогою білків, також за допомогою білків утворює РНК. А РНК за допомогою білків та інших РНК забезпечує біосинтез білка.

Мал. 1.9. Центральна догма молекулярної біології

Тепер відомо, що інколи РНК може слугувати матрицею для синтезу інших молекул РНК чи навіть ДНК, але всі ці процеси також здійснюються за безпосередньою участю білків. Тому важко припустити, що в цій схемі виникло раніше: ДНК і РНК можуть самовідтворюватися та функціонувати лише за наявності білків, а білки не можуть утворюватися без нуклеїнових кислот. Створюється враження, що така схема мала виникнути відразу, цілком, з усіма компонентами: ДНК, РНК і білками.

Ситуація суттєво змінилася після відкриття американськими вченими Томасом Чеком (нар. 1947, США) та Сідні Альтманом (нар. 1939, США) каталітичних молекул РНК — рибозимів. Виявилося, що РНК може бути не тільки носієм генетичної інформації, а і — завдяки хімічному каталізу — її реалізатором.

Мал. 1.10. а — До гіпотези «світу РНК»; б — мікробіолог Карл Воуз (1928-2012, США); в — фізик Волтер Гілберт (нар. 1932, США)

Припускають, що рибозими, які існували на давній Землі, могли забезпечувати власну реплікацію без допомоги білків. Такі рибозими могли конкурувати між собою за нуклеотиди, тобто вони брали участь у природному доборі. Із часом відбулося розділення функцій: зберігання генетичної інформації дісталося ДНК, а каталіз — білку. Ця гіпотеза має назву «світу РНК» і вперше її запропонував Карл Воуз у 1968 р., а остаточно сформулював Волтер Гілберт у 1986 р. (мал. 1.10).

Не обходиться сучасна теорія абіогенезу і без коацерватів, — саме вони стали основою для формування клітинних мембран.

Отже, узагальнено про зародження життя можна стверджувати таке: згідно із сучасними теоріями абіогенезу життя найвірогідніше зародилося від 4,1 млрд до 3,7 млрд років тому. Щодо можливого місця, де зародилося життя, є різні припущення (мал. 1.11).

Мал. 1.11. Можливо життя зароджувалося в таких місцях: а — гарячі прісні водойми; б — гідротермальні джерела на дні океану («чорні курці»); в — поверхня й порожнини кристалів піриту; г — глини

Головне, що в цих місцях органічні речовини абіогенного походження могли накопичуватися й утворювати розчин високих концентрацій.

Сучасні уточнення щодо етапів розвитку життя (мал. 1.12) в теорії Опаріна — Холдейна такі: виникнення вуглеводних сполук та їхніх похідних → виникнення білків → формування білкових тіл усередині коацерватів.

Мал. 1.12. Етапи розвитку життя за теорією Опаріна - Холдейна (а) та за теорією «світу РНК» (б)

У сучасних теоріях вже беруть до уваги формування нуклеїнових кислот, тому виокремлюють більшу кількість етапів, хоча деякі з них могли відбуватися паралельно: виникнення вуглеводних сполук та їхніх похідних → утворення поліароматичних вуглеводнів → формування циклів реакцій, які здатні тривати досить довго та ґрунтуються на перетвореннях сполук, утворених нуклеотидами або залишками амінокислот → формування «світу РНК» → використання білків як ефективніших каталізаторів реакцій у процесах відтворення РНК → поява ДНК як форми надійнішого збереження інформації з РНК → об’єднання на базі коацерватів біохімічних циклів за участі РНК і білків → формування клітинних форм життя.

З розвитком палеонтології та еволюційної біології вдалося глибоко осягнути та зрозуміти процеси виникнення нових життєвих форм на Землі. Для зручності й ліпшого розуміння цих процесів уведено систему періодизації історичного розвитку органічного світу, яка умовно ділить час існування життя на проміжки, пов’язані з певними ключовими подіями. Так, існує поділ на 5 ер, які поділяють на 12 періодів, у які виникали нові таксони життєвих форм. З таблиці 1.1 ви зможете дізнатися про час виникнення певної групи організмів.

Таблиця 1.1

Процеси виникнення нових життєвих форм на Землі

Ера	Період, відділ		Тривалість періоду (млн років)	Основні події навколишнього світу
Кайнозойська	Четвертинний		0,7-1,8	Кінець Льодовикового періоду. Виникнення цивілізацій
	Неогеновий	Пліоцен	25	Рослинний і тваринний світ став подібним до сучасного
		Міоцен
	Палеогеновий	Еоцен-олігоцен	41	Поява перших людиноподібних мавп та «сучасних» ссавців
		Палеоцен
Мезозойська	Крейдовий		70	Поява перших плацентарних ссавців. Вимирання динозаврів
	Юрський		55-60	Поява птахів і сумчастих ссавців. Розквіт динозаврів
	Тріасовий		40-45	Поява перших динозаврів та яйцекладних ссавців
Палеозойська	Пермський		50-60	Вимирання 95 % видів, що існували тоді (масове пермське вимирання)
	Кам’яновугільний		65-75	Поява дерев і плазунів
	Девонський		60	Поява спорових рослин і земноводних
	Силурійський		25-30	Вихід життя на суходіл: скорпіони й пізніше - перші рослини
	Ордовицький		60-70	Багата морська фауна: ракоскорпіони, кальмари
	Кембрійський		70	Поява великої кількості нових організмів («Кембрійський вибух»)
Протерозойська ера			2100 ± 100	Перші багатоклітинні тварини. Одне з наймасштабніших зледенінь Землі
Архейська ера			Понад 1800	Поява примітивних одноклітинних організмів

Етапи еволюції живого наведено у схемах (мал. 1.13).

Мал. 1.13. Етапи еволюції живого

Наприкінці XX ст. вчені дійшли висновку про можливість існування одного спільного предка всіх клітинних організмів, що є нині. Його запропонували називати останнім універсальним спільним предком — англ. Last Universal Common Ancestor, скорочено LUCA (мал. 1.14).

Мал. 1.14. Хто такий LUCA?

Припускають, що жив він близько 3 млрд років тому. Це був величезний мегаорганізм, що займав якщо не всю, то більшу частину біосфери планети. Його багатоклітинне «тіло» було занурене в океан, причому різні клітини не конкурували одна з одною, а допомагали одна одній. У якийсь момент загальний предок розділився на трьох «нащадків» — бактерій, архей та еукаріотів (мають клітинне ядро). Останні потім розділилися на рослини, тварини та гриби. Така гіпотеза виникла через те, що всі теперішні домени організмів (бактерії, архебактерії та еукаріоти) мають низку спільних властивостей: зберігання спадкової інформації в молекулах ДНК, клітинну мембрану, синтез білка на рибосомах, процеси транскрипції (перенесення інформації), трансляції (синтез білка) та реплікації (відтворення), подібність основних біохімічних процесів тощо.

Ідея «океану життя» не така вже й нова, і вчені дещо «забарилися» з науковим обґрунтуванням того, що вже описано в науковій фантастиці, зокрема в романі «Соляріс» Станіслава Лема, присвяченому пошуку контакту з Океаном, що мислить, екзопланети Соляріс (мал. 1.15).

Мал. 1.15. Океан життя — фантастика чи реальність?

Це ми розглянули «земні» передумови виникнення життя — тобто ті, що склалися на нашій планеті. А які причини того, що поміж планет Сонячної системи тільки на Землі сформувалися всі умови, необхідні для існування життя? Ідеться про воду, повітря, достатню кількість світла й тепла. Виникнення таких сприятливих умов можливе в тих випадках, коли планета розташована відразу в двох сприятливих для життя зонах: у навколозоряній і галактичній. Навколозоряна зона, яку в літературі часто називають «екосфера» — це уявна сферична оболонка навколо зорі, у межах якої температура на поверхні планет допускає наявність води. Галактична «сприятлива для життя зона» є безпечною для життя ділянкою міжзоряного простору, розташованою досить близько до центру Галактики. Ця ділянка містить значну кількість важких хімічних елементів, необхідних для формування планет з кам’яною поверхнею та гарячим ядром. Водночас ця ділянка має бути досить віддаленою від центра Галактики, щоб уникнути шкідливих радіаційних спалахів, які виникають під час вибухів наднових зір і зіткнень з численними масивними кометами й астероїдами, що можуть бути викликані гравітаційним упливом зір, які блукають поблизу галактичного центра. У нашій Галактиці «сприятлива для життя зона» (мал. 1.16) на відстані приблизно 25 000 св. р. від свого центра. Саме тут розташована наша Сонячна система (окрім Сонця до цієї зони входить лише близько 5 % усіх зір нашої Галактики).

Мал. 1.16. Зона, придатна для життя, у планетних системах Сонця та Глізе 581 (Глізе 581 — це червоний карлик у сузір’ї Терезів, який розташований за 20,4 св. р. від Землі й має планетну систему)