Эволюция и происхождение жизни на Земле

 

Чтобы облегчить поиск внеземной жизни, продолжим обзор жизни на нашей планете. Поговорим о том, как она возникла и как происходило её дальнейшее развитие вплоть до появления того колоссального разнообразия видов, которое мы наблюдаем в настоящее время. Все современные живые организмы, как показано на рис. 2.13 и в несколько модифицированной форме на рис. 3.1, произошли от последнего общего предка. А каким был этот наш последний общий предок? Учёные пока ещё не уверены во всех деталях, но это, безусловно, была довольно примитивная прокариотическая клетка, у которой генетическая информация содержалась в ДНК, а весь спектр разнообразных функций, как и сегодня, выполнялся белками. Таким образом, это была белковая жизнь с участием ДНК и РНК. Живой организм столь сложной организации не мог возникнуть непосредственно из неживой материи, а следовательно, ещё до появления нашего последнего общего предка должна была происходить существенная эволюция.

Это отражено на рис. 3.1, где древо жизни продолжено назад в прошлое вплоть до возникновения самой жизни. Боковыми ветвями, которые предшествуют появлению нашего общего предка и в конце концов отмирают, показаны формы жизни, коренным образом от него отличающиеся. Прекращение этих ветвей означает их исчезновение. Мы не располагаем никакими следами таких живых организмов, тем не менее вполне вероятно, что они могли существовать.

Многие потомки последнего общего предка также вымерли, что опять-таки показано ограниченной длиной ветвей древа на рис. 3.1. В пределах ветвей, дошедших до нашего времени, тоже есть исчезнувшие участки. Это более ранние виды, из которых возникли современные формы. В целом, огромное большинство видов живых организмов исчезло с лица Земли. Именно эту часть истории жизни на нашей планете – эволюцию жизни от последнего общего предка до настоящего времени – мы рассмотрим в первую очередь. А затем вернёмся к общему предку и отправимся назад во времени, двигаясь по направлению к истинному моменту зарождения.

 

3.1. Процесс эволюции

 

Представление о том, что все разнообразные формы жизни, существующие на Земле, развились от единого общего предка, имеет долгую историю и подтверждается палеонтологическими данными. Сложнее обстоит дело с механизмом, посредством которого происходит эволюция. Этим механизмом является естественный отбор. Идею естественного отбора, весьма революционную для своего времени, выдвинули два человека. Уэльский натуралист Алфред Рассел Уоллес собрал множество данных в полевых условиях. В 1858 г. он послал свою статью по вопросам эволюции английскому естествоиспытателю Чарлзу Роберту Дарвину. В ней Уоллес, по существу, описал неопубликованную теорию эволюции путём естественного отбора, принадлежавшую самому Дарвину и также основанную на огромном объёме наблюдательных фактов. В результате написанные Уоллесом и Дарвином статьи были зачитаны в июле того же года на заседании Линнеевского общества в Лондоне. А уже в 1859 г. Дарвин опубликовал свой труд «Происхождение видов путём естественного отбора», и эта идея стала известна в мире.

Рис 3.1

 

Эволюция путём естественного отбора происходит за счёт случайных отклонений, возникающих между родителями и их потомством. Многие из таких изменений не имеют особых последствий, тогда как другие несут с собой какие-либо повреждения, приводящие к сокращению продолжительности жизни, или бесплодию, или ещё каким-нибудь биологическим дефектам. Некоторые отклонения (мутации) могут оказаться полезны для организма. Предположим, что у одного из потомков возникает какая-то мутация, благодаря которой он может произвести больше отпрысков, чем в среднем. Часть этих отпрысков или даже все они унаследуют это отклонение, а значит каждый из них также произведёт на свет большее потомство. Так данное изменение закрепляется в популяции. Следовательно, эволюция путём естественного отбора происходит через серию крошечных шажков благодаря какому-то отклонению, результатом которого является большее число потомков. Таким путём от одного общего предка может развиться огромное множество видов. Примером естественного отбора служит изменение цвета моли, которой питается хищник, скажем птица. Если мутация влечёт за собой изменение цвета, обеспечивающее лучшую маскировку, тогда данное отклонение, по всей вероятности, окажется эволюционно закреплённым.

Можно проследить действие естественного отбора на протяжении нескольких поколений; у вида с коротким периодом воспроизведения это можно сделать в течение человеческой жизни. Таковы организмы в категориях Bacteria и Archaea, у которых период воспроизведения составляет часы или дни. Что касается более длинных периодов времени, то о механизме эволюции можно делать теоретические заключения, хотя свидетельства о том, что эволюция происходила, зафиксированы в палеонтологической летописи. Например, можно представить себе, как по прошествии многих поколений мало-помалу в результате естественного отбора из чувствительного к свету пятна на коже образовался глаз.

Чтобы открыть естественный отбор, не нужно было знать, как именно возникают отклонения в потомстве. Теперь мы знаем, что это происходит по-разному, о чём говорилось в разд. 2.4.4. Сюда относятся мутации в ДНК, вызываемые различными причинами, а также изменение ДНК при половом размножении.

Можно было бы подумать, что эволюция неизменно приводит к возрастанию числа видов. Однако это не так: одни виды появляются, другие исчезают. Согласно оценкам, в ходе истории Земли вымерло около 99% видов живых организмов, и они уже никогда больше не появятся. Заметим, что вымирание – это конец данной линии, и ни один представитель этого вида не дожил до сегодняшнего дня. Одна из причин исчезновения – появление другого вида, лучше приспособленного к экологической нише, чем существующий вид, который поэтому начнет испытывать нехватку пищи или будет уничтожен каким-либо иным путём. Другой причиной является изменение условий окружающей среды (например, глобальное потепление). В этом случае вид как целое не может ни продолжать своё существование в новых условиях, ни мигрировать туда, где климат ещё близок к тому, к которому он хорошо приспособлен. Ещё одной, менее катастрофичной причиной может быть эволюция вида с переходом его в другие формы при исчезновении первоначальной.

Наряду с относительно стабильной скоростью вымирания, в истории Земли отмечено несколько эпизодов, когда менее чем за миллион лет исчезала большая доля всех видов. Эти случаи называют массовыми вымираниями. В каждом из них формировалось «экологическое пространство», которое могли заселить новые виды, а стало быть, каждое массовое вымирание характеризуется не только колоссальной потерей видов, но и возникновением огромного количества новых видов. Для описания таких событий существует термин «пунктирная эволюция». Несмотря на то, что при каждом массовом вымирании эволюция отбрасывалась назад, на протяжении большей части истории Земли разнообразие и сложность форм жизни в целом возрастали. Впрочем, это было, вероятно, не более чем следствие относительной простоты биосферы во время обитания последнего общего предка, а вовсе не проявлением какого-то принципа «прогресса» в эволюции.

Эволюция – пунктирная или какая-то другая – происходила, начиная со времени существования нашего последнего общего предка, и определила структуру древа жизни. Но к какому времени можно отнести все эти крупные события? Нам нужно иметь какую-либо временную ось для описания биологической истории Земли, и мы поговорим о ней в следующем разделе.

 

3.2. Жизнь на Земле со времени последнего общего предка

 

3.2.1. Основные события и их хронометраж

Рис 3.2

На рис. 3.2 изображена временная ось для жизни на Земле, где возраст событий

Рис 3.3

установлен изотопным методом, который мы рассмотрим в разд. 3.2.4. Начало временной оси совпадает с образованием Земли 4,6 млрд. лет назад, когда сформировались также Солнце и остальные тела Солнечной системы (разд. 1.2). Вспомним, что планеты земной группы, и Земля в том числе, подверглись интенсивной бомбардировке приходящими из космического пространства каменными и ледяными планетезималями, изувечившими всю поверхность нашей планеты (рис. 3.3). Бомбардировка продолжалась приблизительно до 3,9 млрд. лет назад, после чего стала довольно быстро ослабевать, по-видимому, из-за уменьшения количества планетезималей. Вероятно, на своём последнем этапе бомбардировка была достаточно сильной, поэтому даже если некоторые формы жизни возникали в какую-либо предшествующую эпоху более слабой бомбардировки, они вряд ли смогли бы уцелеть. Однако живые организмы могли появиться вскоре после 3,9 млрд. лет назад. Имеются ли у нас прямые доказательства существования жизни в ту эпоху?