Академия: Big History - From the Big Bang until Today Конспект 1/2 второй недели курса

Добрый день, дорогие друзья!

Продолжая участие в проекте Академия, хочу предложить вашему вниманию  конспект 1/2 второй недели курса Big History - From the Big Bang until Today от Амстердамского университета.

Сегодня в выпуске:

• Чем похожи человек и банан;
• Всегда ли вредны мутации;
• Как появляются новые виды животных;
• О чем свидетельствуют строматолиты.

Статьи первой недели:
Big History - From the Big Bang until Today Конспект 1/2 первой недели курса

Big History - From the Big Bang until Today Конспект 2/2 первой недели курса

Вторая неделя курса продолжает интриговать новыми вопросами, проникая все глубже в таинства сотворения мира и появления жизни. На себе ощущаешь величие Вселенной и масштаб проделанной природой работы. Вторая неделя позволяет по новому взглянуть на привычные вещи, она разжигает неутолимый аппетит к новым знаниям. 

Закончив, данную часть лекций, я не мог отделаться от желания перерыть весь интернет и найти подтверждения описанных гипотез. Надеюсь вам также будет интересно и вы узнаете что-то новое.

Приятного чтения!

Жизнь и эволюция  

Как на Земле появилась жизнь  

Один из важнейших вопросов Большой истории – «Как на Земле зародилась жизнь?». Только подумайте, в организме человека происходят тысячи биохимических реакций, каждая из которых уникальна. Как же можно ожидать, что столь сложные соединения образовались спонтанно и начали сами собой взаимодействовать?   

Существует ряд современных гипотез зарождения жизни. Самая популярная - самозарождение, то есть предположение о том, что жизнь на нашей планете зародилась сама по себе. Однако есть и ряд других версий. Например, теологическая, подразумевающая вмешательство высших сил. С точки зрения науки данная гипотеза ничем не подкреплена, поэтому не будем заострять не ней внимание.  Еще одна версия предполагает, что жизнь зародилась не на Земле, а где-то еще, возможно на другом конце Вселенной. К нам же она попала с одним из многочисленных метеоритов. 

За неимением ста процентных доказательств нельзя отбрасывать ни одного из предположений. Тем не менее, стоит сфокусироваться на самом распространённом – самозарождении.  

Чтобы понять, как это возможно, стоит обратиться к научным исследованиям. В 1970-х годах в Университете Лейдена ученые изучали поведение бактерии Agrobacterium tumefaciens. Данный вид заражает растение и провоцирует его определенный рост. На растении появляется огромный шар, производящий пищу для данной бактерии. Таким образом, добавив в дерево или кустарник совсем небольшую часть генетического материала можно полностью изменить путь его развития. 

Описанный пример указывает на то, что у бактерии и кустарника должен быть один предок, в противном случае биохимические реакции организмов не затронули бы друг друга и не смогли бы сформировать единый механизм роста. 

Если проводить аналогии и дальше, можно прийти к выводу, что у всех форм жизни должен быть общий предок. Так, человек может съесть и переварить банан. Значит строительные блоки банана похожи на наши строительные блоки. Если же попробовать съесть камень, биохимические реакции не запустятся, соответственно и предок у нас разный.  Чтобы проследить общего предка, достаточно сравнить все генетические материалы и все формы ДНК, предполагая, что с течением времени они эволюционировали. Проведя соответствующие исследования, можно построить генеалогическое древо, узнав, что наш первый «прародитель» жил 3,5 миллиарда лет назад. 

Изучив окаменелости, ученые смогли обнаружить бактерии, существующие уже 3 миллиарда лет назад. Такие формы жизни должны быть достаточно близки к тому, что можно считать источником жизни, однако даже они слишком сложны для исходной формы.  

Возможно, химические строительные блоки прилетели извне, возможно они попали на Землю с кометами или метеоритами, поскольку во Вселенной огромное количество простых химических элементов. Однако также они могли образоваться и на нашей планете, в водных и вулканических средах. Вполне вероятно, что основа жизни - это комбинация двух описанных выше случаев. 

Основные требования возникновения жизни – это самовоспроизведение и метаболизм, то есть осуществление биохимических процессов внутри тела. Для таких задач требуются определённые молекулы. Мы называем их РНК. Такие молекулы служат для программирования синтеза белков. Ученые полагают, что первые молекулы живых организмов были в той или иной степени похожи на РНК и эволюционировали из нее.  

Зарождение жизни возможно только при определенных климатических условиях. Например, в водянистой среде океанов возле подводных вулканов, насыщенной большим количеством энергии и микроэлементов, способных подтолкнуть организмы к формированию более сложных форм. Стоит отметить, что на ранней Земле происходило большое количество вулканических реакций, а планета была намного горячее, что также способствовало зарождению жизни.   

Каким образом эволюция способствует разнообразию видов?  

Самое крупное животное на Земле – Синий Кит. Он может достигать более 30 метров и весит до 100 тонн. Срок жизни млекопитающего составляет сто лет. Мельчайшее живое существо – вирус. Его размер составляет около 100 нано метров, что в 1000 раз меньше толщины человеческого волоса. В отличие от животных, вирусы довольно простая форма жизни. Например, вирус гриппа имеет всего десять генов.  

Киты и вирусы демонстрируют ошеломляющие различия, они настолько не похожи друг на друга, что их общее происхождение сложно даже представить. Однако это так. Вирусы, киты и все остальные формы жизни являются продуктом эволюции.  

Эволюция— естественный процесс развития живой природы, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов. Эволюция не объясняет, как зародилась жизнь, она помогает нам понять, как жизнь изменялась, как появилось разнообразие видов и форм. Она объясняет, как от уже существующих форм жизни возникают новые, как адаптируются и изменяются организмы.  

В науке, теория - это хорошо сформулированное обоснование, задокументированные факты. Поэтому, заявления о том, что эволюции - всего лишь теория, а не доказанный факт, является ошибочным использованием термина. Таким образом, в биологии, эволюция определяется любым изменением наследственных или генетических признаков. Это могут быть физические черты, такие как цвет шерсти кроликов и пятна на крыльях бабочек или инстинкты поведения, например приветственное обнюхивание у собак. Такие признаки являются наследственными изменениями популяций, переходящими от одного поколения к другому.

Мы знаем, что все организмы имеют способность к размножению. Путем дублирования и передачи ДНК следующему поколению, они делают копии самих себя. Однако природа не идеальна и иногда процесс дублирования происходит с ошибками, ДНК меняется. Такие ошибки называются мутациями. Мутации могут возникнуть в любом месте молекулы ДНК, результатом чего будет появление изменений наследственных признаков во всех известных нам популяциях.  

Тем не менее, мутация не единственная причина генетических вариаций. Генетические исследования показывают, что гены могут самостоятельно  включаться и выключаться. Такое явление носит название - генетическое ингибирование. Активация генов может наследоваться, соответственно у последующих поколений могут проявляться некоторые особенности.  

Еще один интересный факт, так как физические и поведенческие черты видов наследуются следующими поколениями, можно добиться усиления некоторых особенностей путем скрещивания особей с ярко выраженными проявлениями необходимых черт. Если бы мы могли вернуться назад на несколько тысяч лет, то смогли бы обнаружить, что все собаки изначально произошли от волков. Эволюция собак из поколения в поколение происходила под руководством людей. Люди выбирали наиболее привлекательных щенков, подходящих строго для определенных целей.   

Сегодня, потомки волков имеют сотни пород, очень немногие из которых ведут себя как предки. Таким образом, лишь небольшая разница в генах, вызванная мутациями, вносит кардинальные изменения в форму видов, если скрещивание происходит в течение длительного времени.  

В середине 1800-х годов, двое мужчин, Чарльз Дарвин и Альфред Рассел Уоллес, независимо друг от друга обнаружили, что для проведения селекции не требуется помощь человека. Есть еще одна сила, способная направлять эволюцию для создания сложных форм жизни. Она называется – Естественный отбор. 

В дикой природе только самые сильные животные способны опередить хищника и выжить. Только самые быстрые и умные хищники могут поймать жертву и не умереть с голоду. Таким образом, только лучшие представители видов вносят свои ДНК в генофонд для следующего поколения. 

Естественный отбор - это механизм, позволяющий в определенной среде выживать и размножаться только лучшим особям.  

Как связаны виды и почему они имеют такой облик?  

Итак, мы выяснили, что в результате естественного отбора представители видов адаптируются к среде обитания. Однако остается большое количество нейтральных генетических мутаций, не влияющих на выживаемость или размножение. Это объясняется тем, что генетический код избыточен, то есть не все изменения на уровне ДНК могут привести к изменениям в аминокислотах белков. Нейтральные или почти нейтральные мутации естественным образом накапливаются в течение последующих поколений. Такой механизм называется генетическим дрейфом.  

Дрейф генов - это случайный процесс, состоящий из нескольких аспектов. Первый аспект генетического дрейфа связан с числом размножающихся особей и количеством потомства, то есть, если родители произведут небольшое количество отпрысков, будут переданы не все их различия.  Представьте, что гаметы родителей цветные. Если родители произведут на свет одного отпрыска,  то он унаследует цвет гаметы только одного родителя. Второй цвет будет потерян. Чем больше детей, тем больше шанс передать все разнообразие генов.  

Второй аспект генетического дрейфа связан с непредсказуемостью окружающей среды. Независимо от того насколько вид хорошо адаптирован к нормальной условиям, всегда могут произойти стихийные бедствия (наводнения, извержения вулканов, снежные бури и т.д.). Вследствие таких происшествий происходит резкое сокращающие популяции, что, в свою очередь, может вызвать серьезные сдвиги в генетических мутациях. 

Таким образом, оба аспекта генетического дрейфа могут противодействовать действию естественного отбора, особенно если  естественный отбор слабый, а популяция мала. 

Процесс видообразования может быть очень простым. Если члены одного вида становятся географически изолированы, то есть находятся каждый в своем ореоле обитания, со своими хищниками и способами добывания пищи, дрейф генов и естественный отбор могут привести к существенным различиям популяций. Через некоторое время виды будут уже не достаточно связаны, чтобы скрещиваться. Па факту они станут разными видами. 

Совместная эволюция Земли и жизни на ней 

Как развивалась жизнь в ранний период существования Земли?   

История Земли началась 4 млрд. лет назад. В самом начале формирования Солнечной системы происходило уравнивание планет. Некоторые объекты, астероиды и планеты встречались в центрах притяжения масс в определенных областях Солнечной системы, сталкиваясь друг с другом. Каждый день происходили бомбардировки крупных объектов более мелкими. Доказательства можно обнаружить на Луне, сохранившей шрамы тех времен.  

Около 4 миллиардов лет назад все успокоилось. Стабильность способствовала образованию континентов и появлению жизни. Начался следующий этап, появился первый минерал, циркон. Он очень устойчив к процессу сорбции земной коры, поэтому и сохранился до сих пор.  

Через  400 миллионов лет после формирования земной коры появились первые окаменелости, строматолиты. Строматолиты - глыбовые накопления, свидетельствующие о присутствии бактерий. Они производят карбонат кальция, используя в качестве топлива углекислый газ, извлекая его из воздуха. В процессе такого производства высвобождается кислород, необходимый для появления атмосферы. 

Большое количество кислорода запустило процесс окисления железа, которое медленно растворялось в океане, оседая на морском дне. Чем меньше оставалось железа, тем больше кислорода попадало в атмосферу, порождая новые возможности для появления сложных многоклеточных организмов. Однако переход от примитивных прокариотов в эукариоты занял еще полтора миллиарда лет.  

Ближе к концу Кембрийского периода планета полностью замерзла. После первого таяния льда на планете появились первые многоклеточные организмы, Эдиакарские биоты, похожие на медузы. У таких организмов встречались почти все формы симметрии, однако они не обладали защитой и не имели сердца. 

Лишь 15 миллионов лет назад появились первые животные со скелетами, постепенно замещающие старые организмы. Очевидно, что твердые части обладали преимуществом, защищая своих обладателей от врагов. С тех пор началась конкуренция и гонка за выживание, которую подстегнула эволюция.

To be continued…     

Ссылка на источник изображений.