Возникновение и развитие жизни на Земле - Георгий Войткевич

В химическом отношении основу живого вещества составляет углерод, обладающий уникальной способностью создавать бесконечное множество разнообразных химических соединений. Любая форма живого организма состоит из сочетаний немногих химических элементов. Например, 96% массы человеческого тела составляют такие весьма распространенные в биосфере элементы, как Н, С, N, О. Остальные элементы входят в состав живых организмов в относительно небольших количествах, несмотря на исключительно важную роль некоторых из них в физиологических функциях. Можно считать, что все элементы таблицы Менделеева входят в состав живого вещества планеты, но в различных количествах. Общий характер распространенности химических элементов в живом веществе по степени их содержания показан в табл. 2.

Живые организмы обладают избирательной способностью использовать химические элементы из внешней среды в соответствии со своими физиологическими потребностями. Многие элементы входят в состав как органических, так и минеральных соединений живых существ, Их можно подразделить на главные структурные элементы (С, Н, N, О, Р, S, Na, К, F, Mg, Si, Ca) и элементы-биокатализаторы (Fe, Си, В, Mn, J). Наиболее важные химические элементы живых организмов называют биофильными. Комбинация их атомов дает многообразие молекул органических веществ.

Однако различные формы жизни состоят из довольно небольшого числа простых молекул, относящихся к мономерам. Наиболее важные мономеры — аминокислоты, образующие белки. Живое вещество биосферы состоит преимущественно из длинных молекул, имеющих вид цепочек. Цепочки связываются друг с другом и образуют полимеры, в которых определенные структуры повторяются с небольшими вариациями. В полимерах бывают кольцевые структуры и боковые ответвления, а сами цепочки иногда сворачиваются в специфические сложные структуры. Эти структуры позволяют некоторым белковым полимерам проявлять себя в качестве катализаторов, ускоряющих протекание химических реакций. Такого рода органические катализаторы называются ферментами. Многообразие органических химических соединений обусловлено образованием различных полимеров из мономеров и сочетанием полимеров друг с другом различными способами. Основу живого вещества составляют углеводы, жиры, вода и нуклеиновые кислоты (рис. 1).

Углеводы — весьма распространенные органические соединения. Они представляют собой наиболее простые соединения углерода, состоящие из С, О, Н в разных отношениях, обычно выражаемых общей формулой СnН2nОn. К ним относятся моносахариды, например глюкоза и фруктоза (C6H12O6). В тканях животных встречается наиболее сложный сахарид — гликоген. Одна его молекула состоит из 1 тыс. молекул моносахаридов. В составе растений очень важной является клетчатка (целлюлоза), из которой построены стенки растительных клеток.

Жиры — сложные органические соединения, состоящие из сочетаний различных жирных кислот. В молекулах жиров атомы углерода образуют цепи, соединенные с атомами водорода. Кислорода очень мало. Структурная формула одной из жирных кислот приведена на рис. 1.

Белки — исключительно сложные органические природные соединения. Кроме С, О, Н, они содержат N, иногда S. Молекула обычного белка состоит из нескольких сот мономеров — аминокислот. Каждый тип белка отличается от другого типа набором аминокислот и порядком расположения их молекул в пространстве. Из большого числа возможных аминокислот только 20 относительно широко распространены в живых организмах. Их состав представлен в табл. 3. Средняя молекула белка, Состоящая из 100 молекул аминокислот, может дать 20100 комбинаций структур, что намного превышает число атомов в нашей Галактике. Однако большинство живых организмов синтезируют и используют менее 100 тыс. типов белковых молекул.

Организованные скопления органического вещества, способные к самовоспроизведению и представляющие собой единицы наследственности, называются генами. Они в общем построены из пуринов, пиримидинов, сахара и фосфатных ионов. Структурные формулы пурина и пиримидина даны на рис. 1.

Основное условие существования живых организмов — это способность к самовоспроизведению. Установлено, что во всех живых организмах процессом воспроизведения управляет один и тот же полимер — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Молекулы ДНК совместно с близкими им молекулами рибонуклеиновой кислоты (РНК) снабжают организм информацией о том, как ему функционировать.

Молекулы ДНК хранят генетический код, сообщающий следующему поколению организмов, как поддерживать обмен веществ, расти и размножаться. Вся генетическая информация содержится в последовательности химических групп, которые располагаются внутри молекулы ДНК по всей ее длине. ДНК состоит из двух цепей молекулярных построек, которые обвивают друг друга, образуя замкнутую двойную спираль.

По данным генетики и молекулярной биологии, все живое на нашей планете (рыбы, птицы, растения и другие организмы) построено как бы по единому плану — из — сходных строительных блоков, сложенных из белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов. Набор химических элементов, образующих структуру клеток, в общем довольно ограничен и определяется главными биофильными элементами.

Поскольку большую часть геологического времени эволюция растений и животных протекала в морской воде, растворенные в ней химические элементы неизбежно вошли в состав этих организмов и повлияли на общий ход некоторых жизненных процессов. И в современную эпоху соотношение ряда элементов в составе некоторых животных как бы повторяет соотношение их в морской воде. Сравнение соответствующих отношений для ряда элементов с составом крови или мягкой части тела различных животных представлено в табл. 4.

Население биосферы Земли в морфологическом отношении чрезвычайно разнообразно. Размеры отдельных индивидуумов колеблются в чрезвычайно широких пределах. Среди растений мы встречаем бактерии, измеряемые микрометрами, гигантские водоросли (Macrocystts), достигающие 300 м длины, и эвкалипты высотой до 150 м. Среди животных известны мельчайшие инфузории (десятки микрометров) и гигантские синие киты длиной до 33 м.

Весь живой мир нашей планеты издавна подразделялся на животных и растения. Однако в настоящее время углубленное изучение структур клеточных организаций позволяет произвести более основательную и новую систематизацию.

Самыми низкоорганизованными живыми существами являются бактерии и синезеленые водоросли. Они отличаются от всех Других организмов отсутствием истинного ядра в клетке и особым положением ДНК, которая располагается в клетке свободно, не отделяясь от цитоплазмы ядерной мембраной. Эти организмы получили название прокариотов (Procaryota — доядерные). У всех остальных одноклеточных и многоклеточных организмов имеется настоящее ядро, окруженное мембраной и резко отграниченное от цитоплазмы. Такие организмы названы эукариотами (Eucaryota — ядерные). Кроме дифференцированного ядра и цитоплазмы, у части их представителей имеются митохондрии, а у многих — пластиды и сложные жгутики.

На рис. 2 показано строение одноклеточных представителей прокариот и эукариот. В табл. 5 отмечены главные особенности их организации. Оказывается, что различия между прокариотами и эукариотами гораздо более глубокие и существенные, чем, например, между высшими растениями и высшими животными (и те и другие эукариоты). Именно эукариоты подразделяются на два царства — растений и животных. Однако в настоящее время из царства растений исключают бактерии и сине-зеленые водоросли. В то же время наметилась четкая тенденция выделять грибы в качестве отдельного царства живых организмов. Большинство специалистов-микологов считают, что происхождение грибов от какой-то группы растений маловероятно. Значительно более вероятно происхождение грибов от гетеротрофных амебоидных двужгутиковых простейших. Близость грибов к животным подтверждается данными современной биохимии.

Учитывая вышеизложенное, можно считать, что органический мир биосферы состоит из четырех царств: доядерных (прокариот), животных, грибов и растений. Древнейшими в геологической истории были прокариоты, следы жизнедеятельности которых выявлены морфологически и биохимически в формациях докембрия. Главные черты генетических взаимоотношений между прокариотами, растениями, грибами и животными представлены на рис. 3.

Эукариоты представлены главным образом растениями и животными. Растения являются неподвижными организмами (у них нет собственных средств передвижения). Клетки их покрыты жесткой целлюлозой в виде оболочки, которая их защищает и не дает возможности свободно двигаться. Поэтому для накопления питательных веществ растительные клетки используют главным образом процесс фотосинтеза. Напротив, клетки животных имеют эластичную оболочку. Животные сами активно передвигаются в поисках лучших мест обитания и пищи, Следует, однако, отметить, что существуют морские формы животных (губки, кораллы, морские лилии), ведущие прикрепленный образ жизни и потребляющие пищу в виде микроорганизмов.