Тіршілік нысандарының эволюциясы
4.1. Тіршілік эволюциясы
Тіршілік қалай дамыды? Тірі затты құрайтын элементтер бір-бірімен қалай бірікті? Бүгінде осы сұрақтарға дәйекті жорамал жасауға мүмкіндік беретін мәліметтер жеткілікті.
Тіршіліктің пайда болуы туралы теорияны Пфлюгер, Дж. Холдейн және Р. Бейтнер ұсынғанымен, оны толық әрі жүйелі түрде биохимик, академик А.И. Опарин 1924 жылы жазған «Тіршіліктің пайда болуы» еңбегінде негіздеді. Бұл теория бойынша тіршіліктің пайда болуы — Жердегі ұзақ эволюцияның нәтижесі: алдымен атмогидросферадағы химиялық эволюция, кейін биологиялық эволюция жүзеге асты. Бұл тұжырым қазіргі ғылымда ең кең таралған және ғалымдардың басым бөлігі тарапынан мойындалған.
Тіршілік формаларының ауқымы
Жер бетіндегі тіршілік жоғары саналы жануарлардан бастап, қарапайым бір клеткалы организмдерге, тіпті тек белоктық молекулалардан тұратын вирустарға дейін созылады. Вирустар инертті кристалл күйде де, белсенді күйде де бола алады.
Негізгі «құрылыс блоктары»
Белоктық молекулалар одан да қарапайым бөліктерден — аминқышқылдарын түзетін көміртегі, сутегі, азот және оттегі қосылыстарынан құралады. Органикалық заттардың шамамен 99%-ын дәл осы төрт элемент береді.
Аз ғана мономер, орасан әртүрлілік
Бізді қоршаған тіршіліктің барлық түрлері аз ғана мономерлер жиынтығынан құралады: 20 аминқышқылы, 5 азотты негіз, энергия көзі ретінде глюкоза, сондай-ақ мембрана мен энергия қорын түзетін майлар. Тірі жүйелердің биохимиялық «әліпбиін» шамамен 29 мономер сипаттайды.
Миллер—Юри тәжірибесі және аминқышқылдарының синтезі
1953 жылы америкалық ғалымдар С.Л. Миллер мен Г.К. Юри Опарин теориясына сүйене отырып, жасанды атмосферада тәжірибе жүргізді. Олар алғашқы атмогидросфера құрамына ұқсас сутегі (H2), метан (CH4), аммиак (NH3) және су буы (H2O) қоспасына күшті электр разрядтарын беріп, кейін конденсациялады.
Нәтижесінде алынған сұйықтан аминқышқылдары, түрлі көмірсутектер және тірі материяға тән компоненттер табылды. Бұл тәжірибелердің табысты өтуіне екі жағдай ықпал етті: бос оттегінің болмауы (тотығу-қалпына келу үрдістері еркін жүруі үшін) және энергияның жеткілікті болуы.
Осындай тәжірибелерді КСРО мен Жапония ғалымдары да қайталап, алғашқы атмосферада аминқышқылдарының синтезі мүмкін болғанын дәлелдеді. Түрлі газдық құрамдар мен энергия көздерін қолданғанда түзілген өнімдердің арасында көптеген табиғи аминқышқылдары (лейцин, изолейцин, серин, треонин, аспарагин, лизин, фенилаланин, тирозин және т.б.) анықталды. Сонымен бірге қазіргі тірі организмдер құрамына кірмейтін аминқышқылдары да алынған.
Энергия көздері: найзағай және ультракүлгін
Жоғары молекулалы қосылыстардың мономерлерін түзу үшін электр разрядтары қуатты энергия көзі болуы мүмкін. Қазіргі Жерде әр секунд сайын мыңнан аса найзағай жарқылы байқалады, ал алғашқы, әлі толық суынып үлгермеген гидроатмосфера жағдайында олардың саны бұдан да көп болуы ықтимал. Мұндай энергия мұхиттың үстінде бөлініп, синтез өнімдерінің суда еруіне жағдай жасайды.
«Бастапқы сорпа», коацерваттар және алғашқы ұйымдасу
Көміртекті қосылыстар «бастапқы сорпа» түзгеннен кейін, өздігінен көбейе алатын қасиеттерге жақын биополимерлердің — белоктар мен нуклеин қышқылдарының — түзілу ықтималдығы артты. Мұндай биополимерлер үшін қажет концентрация минералдық бөлшектер бетінде (мысалы, сазда немесе темір гидрооксидтерінде) жиналған органикалық заттар есебінен пайда болуы мүмкін. Сонымен қатар органикалық заттар мұхит бетінде жұқа пленка түзеп, жел мен толқын арқылы жағалауға шоғырлануы ықтимал.
Заттардың осылайша концентрациялануы коацерваттық құрылымдарды — қоршаған ортамен диффузия арқылы зат алмасатын тамшыларды — түзуі мүмкін. Коацерваттық тамшыларды лабораторияда да алуға болады: Опарин әртүрлі полимерлерден осындай тамшылар алған. Олар белгілі бір массаға жеткенге дейін ғана «тіршілік етеді», кейін өздігінен ұқсас қосылыстарға бөлінуі мүмкін.
Массаның артуы және қарапайым реакцияларды катализдеуге қабілеттілік шекараның (мембранаға ұқсас қабаттың) нығаюына ықпал етеді. Осылайша, кейінгі биологиялық ұйымдасуға бастайтын алғашқы «шекара» қалыптасуы мүмкін.
Органикалық заттар қандай элементтерден тұрады?
- Негізгі төрттік: көміртегі, оттегі, сутегі, азот — органикалық заттардың ~99%.
- Қосымша: күкірт, фосфор және аз мөлшерде тағы жиырмаға жуық элемент.
- Тірі ағзада тек «тіршілікке ғана тән» ерекше элемент жоқ; биотадағы элементтер табиғатта кең таралған.
«Тіршілік» қай жерден басталады?
«Тіршілік қашан басталады?» деген сұраққа жауап беру үшін алдымен «тіршілік деген не?» дегенді нақтылау қажет. Тіршілікті ұрпақ қалдыру, өзгеру және өзгерістерді қайта өндіру қасиеттерімен сипаттауға болады. Бұл қасиеттер энергия мен ақпарат алмасуын қамтамасыз етеді.
Органикалық молекулалар бейорганикалық заттарға қарағанда ірі әрі күрделі болғандықтан, түрлі өзгерістерге тез ұшырай алады. Үздіксіз өзгеріс және сол өзгерістің сақталып, жаңарып отыруы — Жердегі тіршіліктің ерекше белгісі. Ал бейорганикалық заттар өздігінен өзін қайта жасай алмайды.
Уақыт шкаласы: алғашқы тіршілікке дейінгі «үзіліс»
Геологиялық жыныстардан табылған қазба қалдықтар 3,3 млрд жыл бұрын теңіздерде қарапайым көк-жасыл балдырлардың болғанын көрсетеді. Ал базальтты литосфераның жасы шамамен 4,5 млрд жыл деп саналады. Демек, ядросыз бір клеткалы организмдер (прокариоттар) пайда болғанға дейін шамамен 1 млрд жылға жуық уақыт өткен болуы ықтимал.
Кездейсоқтық пен ықтималдық: ұзақ уақыттың әсері
Ғалымдардың көпшілігі белок молекулаларының түзілуін алғашқы мұхиттағы аминқышқылдарының «кездейсоқ» соқтығысулары арқылы түсіндіреді. Мұндағы «кездейсоқ» ұғымын «мүмкін емес» деп қабылдауға болмайды: ықтималдық төмен болғанмен, әрекеттер саны көбейген сайын нәтиженің орын алу мүмкіндігі артады.
Мысалы, белгілі бір құбылыстың орын алу ықтималдығы бір тәжірибеде 1000-ның 1-і болса, тәжірибелер саны өте көп болған жағдайда жалпы ықтималдық күрт өседі. Сондықтан аминқышқылдарына бай «алғашқы сорпа» және миллиардтаған жыл уақыт факторын ескерсек, белоктардың түзілуін кездейсоқтықтан гөрі статистикалық заңдылық ретінде қарастыруға болады.
Энергетикалық «саты»: ферментация → фотосинтез → тыныс алу
Белок молекулалары оттегісіз ортада күрделеніп, алғашқы ядросыз бір клеткалы организмдер — прокариоттарды — түзуі мүмкін. Алайда ең маңызды бетбұрыс — ферментация процесінің пайда болуы. Қазіргі кезде бұл үрдіс оттегісіз ортада өмір сүретін қарапайым ағзаларда байқалады: көмірсутектер қайта құрылып, аз мөлшерде энергия бөлінеді, ал өнімдердің бірі — көмірқышқыл газы (CO2).
Мұхиттағы көмірқышқыл газының артуы фотосинтездің мүмкіндігін кеңейтуі ықтимал. Фотосинтез барысында су, көмірқышқыл газы және күн энергиясы есебінен органикалық қосылыстар түзіліп, қоршаған ортаға бос оттегі бөлінеді. Ал бос оттегінің жиналуы тыныс алудың — жоғары тиімді энергия алудың — жолын ашты.
Процестердің теориялық реттілігі (қысқаша)
аминқышқылдары → белок молекулалары → күрделі көмірсулар → ферментация → фотосинтез → тыныс алу
Тыныс алу фотосинтезге кері үрдіс: көмірқышқыл газын бөліп қана қоймай, көп мөлшерде энергия береді.
4.2. Тіршілік нысандарының эволюциясы
Химиялық эволюция ерте кезеңдердің өзінде-ақ өзгерістерге ұшырап, алдымен биохимиялық, кейін биологиялық эволюцияға айналды. Жердегі қазіргі тіршілік оттекті атмосфера жағдайында бастапқыдан-ақ пайда бола алмас еді; керісінше, оттекті атмосфераның өзі тіршіліктің ұзақ дамуы нәтижесінде қалыптасты.
Биологиялық эволюция ең алғашқы организмдер өздерін өздері қайта өндіре алған сәттен басталды. Тіршіліктің бастауын белоктарды жасай алатын әрі тұқымқуалаушылық ақпаратты сақтайтын нуклеин қышқылдарының қалыптасуымен байланыстыруға болады.
Клетканың қалыптасуына апаратын ықтимал қадамдар
- 1 Коацерваттар мен органикалық түйіртпектер шекарасында күрделі көмірсутектер молекулаларының жиналуы.
- 2 Тұрақтылық беретін қарапайым клеткалық мембранаға ұқсас қабаттың пайда болуы.
- 3 Коацерватқа өздігінен көбейе алатын молекуланың енуі нәтижесінде өсе алатын қарапайым клетканың қалыптасуы.
Ядросыз клеткалардың (прокариоттардың) эволюциясы 1 млрд жылдан астам уақытқа созылды. Алғашқы бір клеткалы ядросыз, бірақ ДНҚ жіпшелері бар организмдер қазіргі бактериялар мен көк-жасыл балдырларға ұқсас болған. Олардың жасы 3,3 млрд жылдан асады.
Келесі кезеңде, шамамен 2 млрд жыл бұрын, клеткада ядро қалыптасты да, эукариоттар пайда болды. Қазіргі кезде олардың 25–30 мыңдай түрі бар деп көрсетіледі. Шамамен 1–2 млрд жыл аралығында жыныстық көбеюдің пайда болуы эволюция қарқынын күрт артты: өзгергіштік көбейіп, бейімделу мүмкіндіктері кеңейді.
Шамамен 1 млрд жыл бұрын алғашқы көп клеткалы организмдер пайда болып, тірі дүниені екі ірі патшалыққа бөлу қалыптасты: өсімдіктер және жануарлар. Бұл жіктеу бір ғана белгімен емес, бірнеше ерекшеліктермен (клетка құрылысы, өсу қабілеті, қоректену типі, қозғалғыштық және т.б.) айқындалды. Сондықтан аралық типтер де кездеседі: мысалы, жасыл эвглена қоректенуі бойынша өсімдікке, қозғалуы бойынша жануарға ұқсайды.
Оттегі, озон және тіршіліктің күрделенуі
Көп клеткалы өсімдіктердің пайда болуы фотосинтезді күшейтіп, мұхиттағы балдырлар қоршаған ортаға орасан мөлшерде оттегі бөле бастады. Бұл Жер атмосферасында озон қабатының қалыптасуына ықпал етіп, құрлық пен су ортасын тіршіліктің күрделірек формаларының эволюциясына дайындады. Бұл кезең шамамен 400 млн жылға созылып, 580 млн жыл бұрын мұхит биотасының қарқынды дамуына алып келді.
Органикалық дүние эволюциясының белгілі кезеңінде атмосферада фотосинтез үшін қажет көмірқышқыл газы көп, ал оттегі салыстырмалы түрде аз болды. Палеозойда CO2 концентрациясы 0,1–0,4% шамасында болғаны айтылады. Мұндай жағдайда автотрофты өсімдіктердің өнімділігі жоғары болып, түзілген биомассаның мол мөлшері кейіннен жанғыш пайдалы қазбалардың ірі қорына айналуы мүмкін.
Палеозойдың басынан оттегінің массасы біртіндеп арта бастады. Мезозойдың соңында CO2 азая түсті; бұл үрдіс олигоценде күшейіп, плиоцен соңында ең төмен деңгейіне жетті. Осы өзгерістермен қатар автотрофты өсімдіктердің массасы және жалпы биомасса да азайған.
Жануарлар эволюциясы барысында мүшелер олардың қызметіне қарай маманданып, қаңқа, қозғалыс, ас қорыту, тыныс алу, қанайналым, жүйке жүйесі және сезім мүшелері қалыптасты. Тыныс алудан алынған энергия қозғалу мен өсуге жұмсалды, ал артық энергия қорек табу үшін қозғалыс белсенділігін арттырды. Бұл организмнен денені тұрақты ұстауды, ортаға жылдам жауап беруді талап етіп, ақырында ми қызметінің күрделенуіне алғышарт болды.
65 млн жыл бұрын диаметрі шамамен 9 км алып аспан денесінің Жерге құлауы экологиялық жағдайды күрт өзгертті. Нәтижесінде динозаврлар жойылып, кейін сүтқоректілердің эволюциясы қарқынды дамыды.
XVIII–XIX ғасырларда өсімдіктер мен жануарларды жүйелеу бағытында көп зерттеу жүргізіліп, биологияда систематика қалыптасты. Организмдер құрылымдық ерекшеліктеріне қарай жіктелді: негізгі бірлік ретінде түр алынып, одан жоғары деңгейлер туыс, отряд, класс түрінде ұйымдастырылды. Қазіргі мәліметтер бойынша Жер бетінде өсімдіктердің шамамен 500 мың, жануарлардың 1,5 млн түрі бар; омыртқалылар шамамен 70 мың, оның ішінде құстар — 16 мың, сүтқоректілер — шамамен 12 540 түр.
Негізгі оқиғалардың қысқаша геологиялық шкаласы
| Уақыт | Негізгі оқиғалар |
|---|---|
| 4700 млн жыл | Жердің түзілуі; заттардың агрегаттық күйлер бойынша дифференциациялануы. |
| 4500 млн жыл | Тіршіліктің пайда болуына апаратын алғышарттар: аминқышқылдары, белок молекулалары, коацерваттар, прокариоттарға дейінгі кезең. |
| 3300 млн жыл | Прокариоттар: ядросыз бір клеткалы организмдер (бактериялар, көк-жасыл «балдырлар»). |
| 2000 млн жыл | Эукариоттар: ядролы бір клеткалы организмдер. |
| 1000 млн жыл | Организмдердің өсімдіктер мен жануарларға бөлінуі; қарапайым теңіз жануарлары мен жасыл балдырлар. |
| 580–520 млн жыл | Кембрий: теңіз омыртқасыздарының әртүрлілігі. |
| 520–465 млн жыл | Ордовик: алғашқы балықтар; хордалыларда қаңқаның қалыптасуы. |
| 465–415 млн жыл | Силур: өсімдіктердің құрлыққа шығуы; теңіз жануарлары белсенділігі. |
| 415–360 млн жыл | Девон: жануарлардың құрлыққа шығуы; алғашқы амфибиялар. |
| 360–280 млн жыл | Таскөмір: ормандар, насекомдар, амфибиялар; бауырымен жорғалаушылардың дамуы. |
| 255–65 млн жыл | Мезозой: динозаврлар; алғашқы құстар мен сүтқоректілер; гүлді өсімдіктер. 65 млн жыл бұрын динозаврлардың жойылуы. |
| 65 млн жыл – қазір | Кайнозой: сүтқоректілердің өрлеуі; гоминидтер эволюциясы; төрттікте Homo sapiens. |
4.3. Адам эволюциясы
Антропология және негізгі табылымдар
Адам эволюциясын антропология ғылымы зерттейді. Бұл сала XIX ғасырдың екінші жартысында Дарвиннің эволюциялық теориясы кең таралғаннан кейін қарқынды дами бастады.
Археологиялық қазбалардан табылған Ramapithecus қалдықтары миоцен–плиоцен дәуірінде тіршілік еткен адам тәрізді маймылға жатады деп қарастырылып, ұзақ уақыт гоминидтер тармағының бастапқы өкілі ретінде бағаланды. Қалдықтар Үндістан мен Пәкістаннан, Таяу Шығыстан, Балқаннан және Африкаға дейінгі аймақтардан табылған. «Рамапитек» атауы алғаш табылған жерімен байланысты үнді мифологиясындағы Рама құдайының құрметіне берілген.
1960 жылы ағылшын археологы Л. Лики Шығыс Африкадан ми көлемі шамамен 670 см³ болатын, 1,8–2,5 млн жыл бұрын өмір сүрген «шебер адамның» (еңбек құралдарын жасаумен байланыстырылатын) қалдықтарын тапты. Сол қабаттардан өзен тастарынан жасалған, ұшы үшкір еңбек құралдары да анықталды.
Қазіргі ғылыми көзқарастардың бірі бойынша, шамамен 2,5 млн жыл бұрын Шығыс Африкада адам мен адам тәрізді маймылдар эволюциялық тармақтары ажыраған; яғни адам мен шимпанзенің эволюциялық линиялары екіге бөлінген. Мұндай тұжырымдар «молекулалық сағат» деп аталатын әдістер арқылы да негізделеді: нүктелік мутациялар салдарынан гендердің өзгеру жылдамдығы ұзақ уақыт тұрақты болып, тармақтардың бөліну уақытын шамалауға мүмкіндік береді.
Кейбір авторлар Шығыс Африкадағы уран кен орындарынан шығатын радиацияның жоғары дозалары мутациялық үрдістерді күшейтіп, эволюциялық өзгерістерге ықпал етуі мүмкін деген пікір айтады.
«Шебер адамды» жиі австралопитектерге (латынша — «оңтүстік маймыл») жатқызады. Австралопитек қалдықтары 1924 жылы Африкадан табылған.
Адам эволюциясының жиі атылатын кезеңдері
Оқу әдебиеттерінде адам эволюциясы контексінде мына атаулар жиі кездеседі: рамапитек, австралопитек, питекантроп, неандерталь, кроманьон және Homo sapiens. Бұл атаулар әртүрлі дәуірлердегі табылымдар мен жіктеулерге байланысты қолданылады.