In welcher Zeit erschienen Eukaryoten? Evolution zellulärer Strukturen. Die Entstehung der Eukaryoten. Die Entstehung von Aerobiern. Symbiogenese – die Haupthypothese zur Entstehung von Eukaryoten

Der Aufstieg der Eukaryoten auf der Erde begann vor etwa einer Milliarde Jahren, obwohl die ersten von ihnen viel früher auftauchten (vielleicht vor 2,5 Milliarden Jahren). Der Ursprung der Eukaryoten könnte mit der erzwungenen Evolution prokaryotischer Organismen in einer Atmosphäre in Verbindung gebracht werden, die begann, Sauerstoff zu enthalten.

Symbiogenese – die Haupthypothese zur Entstehung von Eukaryoten

Über den Ursprung eukaryontischer Zellen gibt es mehrere Hypothesen. Die beliebtesten - symbiotische Hypothese (Symbiogenese). Demnach entstanden Eukaryoten durch die Vereinigung verschiedener Prokaryoten in einer Zelle, die zunächst eine Symbiose eingingen und dann, zunehmend spezialisiert, zu Organellen einer einzigen Organismuszelle wurden. Zumindest haben Mitochondrien und Chloroplasten (Plastiden im Allgemeinen) einen symbiotischen Ursprung. Sie entstanden aus bakteriellen Symbionten.

Die Wirtszelle könnte ein relativ großer anaerober heterotropher Prokaryont sein, ähnlich einer Amöbe. Im Gegensatz zu anderen konnte es die Fähigkeit erwerben, sich durch Phagozytose und Pinozytose zu ernähren, was es ihm ermöglichte, andere Prokaryoten zu fangen. Sie wurden nicht alle verdaut, sondern versorgten den Besitzer mit den Produkten ihrer lebenswichtigen Tätigkeit. Im Gegenzug erhielten sie daraus Nährstoffe.

Mitochondrien stammen aus aeroben Bakterien und ermöglichten der Wirtszelle die Umstellung auf aerobe Atmung, was nicht nur wesentlich effizienter ist, sondern auch das Leben in einer Atmosphäre mit relativ viel Sauerstoff erleichtert. In einer solchen Umgebung sind aerobe Organismen gegenüber anaeroben im Vorteil.

Später siedelten sich in einigen Zellen uralte Prokaryoten an, die lebenden Blaualgen (Cyanobakterien) ähnelten. Sie wurden zu Chloroplasten und begründeten den Evolutionszweig der Pflanzen.

Neben Mitochondrien und Plastiden können auch Flagellen von Eukaryoten einen symbiotischen Ursprung haben. Sie wurden zu symbionten Bakterien, wie moderne Spirochäten mit einer Geißel. Es wird angenommen, dass Zentriolen, solche wichtigen Strukturen für den Mechanismus der Zellteilung bei Eukaryoten, später aus den Basalkörpern von Flagellen hervorgingen.

Das endoplasmatische Retikulum, der Golgi-Komplex, die Vesikel und Vakuolen könnten aus der äußeren Membran der Kernhülle stammen. Aus einer anderen Sicht könnten einige der aufgeführten Organellen durch Vereinfachung von Mitochondrien oder Plastiden entstanden sein.

Die Frage nach der Herkunft des Kerns bleibt weitgehend unklar. Könnte es auch aus einem prokaryotischen Symbionten entstanden sein? Die DNA-Menge im Kern moderner Eukaryoten ist um ein Vielfaches größer als die in Mitochondrien und Chloroplasten. Möglicherweise wanderte ein Teil der genetischen Information der letzteren im Laufe der Zeit in den Zellkern. Außerdem kam es im Laufe der Evolution zu einer weiteren Vergrößerung des Kerngenoms.

Darüber hinaus ist in der symbiotischen Hypothese der Entstehung von Eukaryoten mit der Wirtszelle nicht alles so einfach. Sie sind möglicherweise nicht nur eine Art von Prokaryoten. Mithilfe von Genomvergleichsmethoden kommen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die Wirtszelle den Archaeen ähnelt und gleichzeitig die Eigenschaften von Archaeen und einer Reihe nicht verwandter Bakteriengruppen vereint. Daraus können wir schließen, dass die Entstehung der Eukaryoten in einer komplexen Gemeinschaft von Prokaryoten erfolgte. In diesem Fall begann der Prozess höchstwahrscheinlich mit methanogenen Archaeen, die eine Symbiose mit anderen Prokaryoten eingingen, was durch die Notwendigkeit, in einer Sauerstoffumgebung zu leben, verursacht wurde. Das Auftreten einer Phagozytose förderte den Einstrom fremder Gene und der Zellkern wurde zum Schutz des genetischen Materials gebildet.

Molekulare Analysen haben gezeigt, dass verschiedene eukaryotische Proteine ​​aus verschiedenen Gruppen von Prokaryoten stammen.

Hinweise auf Symbiogenese

Der symbiotische Ursprung von Eukaryoten wird durch die Tatsache gestützt, dass Mitochondrien und Chloroplasten über eine eigene DNA verfügen, die zirkulär und nicht mit Proteinen verbunden ist (dies ist auch bei Prokaryoten der Fall). Mitochondriale und plastidäre Gene verfügen jedoch über Introns, was bei Prokaryoten nicht der Fall ist.

Plastiden und Mitochondrien werden von der Zelle nicht von Grund auf reproduziert. Sie entstehen durch Teilung und anschließendes Wachstum aus bereits vorhandenen ähnlichen Organellen.

Derzeit gibt es Amöben, die keine Mitochondrien, dafür aber Symbiontenbakterien besitzen. Es gibt auch Protozoen, die mit einzelligen Algen zusammenleben, die in der Wirtszelle als Chloroplasten fungieren.

Invaginationshypothese zur Entstehung der Eukaryoten

Neben der Symbiogenese gibt es noch andere Ansichten zur Entstehung von Eukaryoten. Zum Beispiel, Invaginationshypothese. Demnach war der Vorfahre der eukaryotischen Zelle kein anaerober, sondern ein aerober Prokaryote. Andere Prokaryoten könnten sich an eine solche Zelle anlagern. Dann wurden ihre Genome kombiniert.

Der Zellkern, die Mitochondrien und die Plastiden entstanden durch Einstülpung und Ablösung von Abschnitten der Zellmembran. In diese Strukturen gelangte fremde DNA.

Die Komplexität des Genoms entstand im Laufe der weiteren Evolution.

Die Invaginationshypothese des Ursprungs der Eukaryoten erklärt gut das Vorhandensein einer Doppelmembran in Organellen. Es erklärt jedoch nicht, warum das Proteinbiosynthesesystem in Chloroplasten und Mitochondrien dem prokaryotischen ähnelt, während das im Kern-Zytoplasma-Komplex wesentliche Unterschiede aufweist.

Gründe für die Evolution der Eukaryoten

Die gesamte Vielfalt des Lebens auf der Erde (von Protozoen über Angiospermen bis hin zu Säugetieren) führte zur Entstehung eukaryotischer, nicht prokaryotischer Zellen. Es stellt sich die Frage, warum? Offensichtlich haben eine Reihe von Merkmalen, die bei Eukaryoten auftraten, ihre evolutionären Fähigkeiten erheblich erhöht.

Erstens haben Eukaryoten ein Kerngenom, das um ein Vielfaches größer ist als das von Prokaryoten. Gleichzeitig sind eukaryontische Zellen diploid; außerdem werden in jedem haploiden Satz bestimmte Gene viele Male wiederholt. All dies sorgt einerseits für eine große Mutationsvariabilität und verringert andererseits die Gefahr eines starken Rückgangs der Lebensfähigkeit infolge einer schädlichen Mutation. Somit verfügen Eukaryoten im Gegensatz zu Prokaryoten über eine Reserve an erblicher Variabilität.

Eukaryontische Zellen verfügen über einen komplexeren Mechanismus zur Regulierung der Lebensaktivität; sie verfügen über deutlich mehr unterschiedliche regulatorische Gene. Darüber hinaus bildeten DNA-Moleküle Komplexe mit Proteinen, die das Ein- und Auspacken von Erbmaterial ermöglichten. Insgesamt war es dadurch möglich, Informationen in Teilen, in unterschiedlichen Kombinationen und Mengen zu unterschiedlichen Zeiten zu lesen. (Wenn in prokaryotischen Zellen fast die gesamte Genominformation transkribiert wird, ist es in eukaryotischen Zellen normalerweise weniger als die Hälfte.) Dadurch konnten sich Eukaryoten besser spezialisieren und anpassen.

Eukaryoten entwickelten eine Mitose und dann eine Meiose. Mitose ermöglicht die Reproduktion genetisch ähnlicher Zellen, und Meiose erhöht die kombinatorische Variation erheblich, was die Evolution beschleunigt.

Die von ihren Vorfahren erworbene aerobe Atmung spielte eine wichtige Rolle für den Wohlstand der Eukaryoten (obwohl viele Prokaryoten sie auch besitzen).

Zu Beginn ihrer Evolution erwarben Eukaryoten eine elastische Membran, die die Möglichkeit zur Phagozytose bot, und Flagellen, die ihnen die Fortbewegung ermöglichten. Dies ermöglichte eine effizientere Ernährung.

Entwicklung des Lebens im Proterozoikum. In der ersten Hälfte des Proterozoikums (es begann vor 2,5 Milliarden Jahren und endete vor etwa 0,6 Milliarden Jahren) besiedelten prokaryotische Ökosysteme den gesamten Weltozean. Zu dieser Zeit (vor etwa 2 Milliarden Jahren) entstanden primitive einzellige Eukaryoten (Flagellaten), die sich schnell in Pflanzen (Algen), Tiere (Protozoen) und Pilze zerfielen.

Um biologischen Fortschritt zu erreichen, zeichnen sich Eukaryoten durch eine zunehmende Komplexität der Organisation aus, was zu einer effizienteren Aufnahme lebenswichtiger Ressourcen führt.

Die Entstehung mehrzelliger Organismen- ein weiterer Ausdruck der Fähigkeit von Eukaryoten, ihre Struktur zu komplizieren. Die meisten Forscher glauben, dass sich mehrzellige Organismen aufgrund der Differenzierung ihrer Zellen aus kolonialen einzelligen Organismen entwickelt haben. Die Mehrzelligkeit verschiedener Gruppen von Algen und Pilzen entstand unabhängig voneinander in verschiedenen systematischen Gruppen: Beispielsweise entwickelten sich mehrzellige Grün-, Braun- und Rotalgen aus verschiedenen kolonialen (filamentösen) Formen. Unter den Tieren sind alle vielzelligen Organismen, die in der Embryonalentwicklung zwei (Ekto- und Endoderm) oder drei (auch Mesoderm) Keimschichten (Blätter) von Zellen besitzen, monophyletischen Ursprungs (d. h. Abstammung von gemeinsamen Vorfahren).

Basic Hypothesen über die Entstehung mehrzelliger Tiere aus kolonialen Flagellaten wurde in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts vom deutschen Biologen E. Haeckel und dem ukrainischen Wissenschaftler I. I. Mechnikov vorgeschlagen.

E. Haeckel glaubte, gestützt auf das von ihm entdeckte biogenetische Gesetz, dass jedes Stadium der Ontogenese einer bestimmten Art von Vorfahrenorganismen entspricht. Er untersuchte die Embryogenese einiger Hohlräume, die seiner Ansicht nach den ursprünglichen mehrzelligen Organismen nahe kamen, und stellte fest, dass die Gastrulation bei ihnen durch die Einstülpung des Blastoderms am hinteren Ende des Körpers (Intussuszeption) mit der Bildung des primären Mundes und Sacks erfolgt -ähnlicher Darm. Haeckel nannte dieses hypothetische Tier „Gastrea“. Seiner Meinung nach nahm sie Nahrung in ihrem Mund auf und verdaut sie in ihrem Darm.

Laut I. I. Mechnikov war die primäre Methode zum Ätzen mehrzelliger Tiere die Phagozytose, d. h. intrazelluläre Verdauung, die noch immer für viele Gruppen mit geringem Organisationsgrad charakteristisch ist (Schwämme, einige Flimmerwürmer, einige Darmwürmer usw.). Er fand auch heraus, dass in einigen Darmhöhlen die Gastrulation durch die Migration einiger Blastodermzellen in die Blastula erfolgt. Ihm zufolge handelte es sich bei den ursprünglichen mehrzelligen Tieren um hypoggetische „Phagozyten“, die mit einer Schicht aus Flimmerzellen bedeckt waren und in der Lage waren, mittels Phagozytose kleine Nährstoffpartikel einzufangen. Zellen mit Verdauungsvakuolen wanderten in die Phagozyten und verloren ihre Flimmerhärchen, wo sie die Nahrung verdauten. Organismen vom Typ Gastrea sind in späteren Evolutionsstadien aus Fresszellen entstanden, als sie aufgrund von Unterschieden in der äußeren Zellschicht die Fähigkeit erlangten, größere Beutetiere mit der Mundöffnung zu fangen.

Es ist zu beachten, dass Paläontologen keine Überreste solcher Organismen gefunden haben, sodass die tatsächlichen Herkunftswege verschiedener Arten vielzelliger Tiere noch nicht geklärt sind.

Ursprüngliche Eukaryoten(gegeißelte Einzeller) entwickelten sich in der ersten Hälfte des Proterozoikums aus Prokaryoten und spalteten sich bald darauf in einzellige Pflanzen (Algen), Tiere (Protozoen) und Pilze auf. Die Bildung eines komplexen Genoms, einer Kernhülle, die Dominanz der sexuellen Fortpflanzungsmethode und die Fähigkeit, die Organisation der Eukaryoten zu erschweren, bestimmten ihre weitreichenden Anpassungsfähigkeiten und eine weitere schnelle Entwicklung.

Den meisten Wissenschaftlern zufolge haben sich mehrzellige Organismen aus kolonialen Vorfahren entwickelt. Die wahrscheinlichen Herkunftswege mehrzelliger Tiere werden durch die Hypothesen der Phagozyten von I.I. Mechnikov und der Gastrea von E. erklärt.

Nach modernen Konzepten ist Leben der Prozess der Existenz komplexer Systeme, die aus großen organischen Molekülen und anorganischen Substanzen bestehen und durch den Austausch von Energie und Materie mit der Umwelt zur Selbstreproduktion, Selbstentwicklung und Aufrechterhaltung ihrer Existenz fähig sind .

Mit der Anhäufung menschlichen Wissens über die Welt um uns herum und der Entwicklung der Naturwissenschaften veränderten sich die Ansichten über den Ursprung des Lebens und es wurden neue Hypothesen aufgestellt. Allerdings ist die Frage nach dem Ursprung des Lebens bis heute noch nicht endgültig geklärt. Über den Ursprung des Lebens gibt es viele Hypothesen. Die wichtigsten davon sind die folgenden:

Ø Kreationismus (das Leben wurde vom Schöpfer geschaffen);

Ø Hypothesen der spontanen Zeugung (spontane Zeugung; Leben entstand wiederholt aus unbelebter Materie);

Ø Steady-State-Hypothese (Leben hat schon immer existiert);

Ø Panspermie-Hypothese (Leben wurde von anderen Planeten auf die Erde gebracht);

Ø Biochemische Hypothesen (Leben entstand unter den Bedingungen der Erde als Ergebnis von Prozessen, die physikalischen und chemischen Gesetzen gehorchen, d. h. als Ergebnis der biochemischen Evolution).

Kreationismus. Nach dieser religiösen Hypothese, die uralte Wurzeln hat, wurde alles, was im Universum existiert, einschließlich des Lebens, von einer einzigen Macht erschaffen – dem Schöpfer als Ergebnis mehrerer übernatürlicher Schöpfungsakte in der Vergangenheit. Die Organismen, die heute auf der Erde leben, stammen von den individuell geschaffenen Grundtypen der Lebewesen ab. Die geschaffenen Arten waren von Anfang an hervorragend organisiert und mit der Fähigkeit zu einer gewissen Variabilität innerhalb bestimmter Grenzen ausgestattet (Mikroevolution). Diese Hypothese wird von Anhängern fast aller am weitesten verbreiteten religiösen Lehren vertreten.

Die traditionelle jüdisch-christliche Sicht der Schöpfung, wie sie im Buch Genesis dargelegt ist, war und ist weiterhin umstritten. Bestehende Widersprüche widerlegen jedoch nicht den Schöpfungsgedanken. Religion sucht angesichts der Frage nach dem Ursprung des Lebens vor allem nach Antworten auf die Fragen „Warum?“ und „Wofür?“ und nicht auf die Frage „Wie?“. Wenn die Wissenschaft bei ihrer Suche nach der Wahrheit in großem Umfang Beobachtungen und Experimente nutzt, dann begreift die Theologie die Wahrheit durch göttliche Offenbarung und Glauben.

Der Vorgang der göttlichen Erschaffung der Welt wird als einmalig dargestellt und sei daher der Beobachtung unzugänglich. In dieser Hinsicht kann die Schöpfungshypothese weder bewiesen noch widerlegt werden und wird immer zusammen mit wissenschaftlichen Hypothesen über die Entstehung des Lebens bestehen.

Hypothesen zur spontanen Generation. Jahrtausende lang glaubten die Menschen an die spontane Entstehung von Leben und hielten dies für die übliche Art und Weise, wie Lebewesen aus unbelebter Materie hervorgehen. Es wurde angenommen, dass die Quelle der spontanen Entstehung entweder anorganische Verbindungen oder verfallende organische Überreste waren (das Konzept der Abiogenese). Diese Hypothese war im alten China, Babylon und Ägypten als Alternative zum Kreationismus verbreitet, mit dem sie koexistierte. Die Idee der spontanen Zeugung wurde auch von den Philosophen des antiken Griechenlands und noch früheren Denkern geäußert, d.h. es ist offenbar so alt wie die Menschheit selbst. Im Laufe einer so langen Geschichte wurde diese Hypothese modifiziert, bleibt aber immer noch falsch. Aristoteles, der oft als Begründer der Biologie gefeiert wird, schrieb, dass Frösche und Insekten in feuchtem Boden gedeihen. Im Mittelalter gelang es vielen, die Geburt verschiedener Lebewesen wie Insekten, Würmer, Aale und Mäuse in den verwesenden oder verrottenden Überresten von Organismen zu beobachten. Diese „Fakten“ galten als sehr überzeugend, bis der italienische Arzt Francesco Redi (1626-1697) das Problem der Entstehung des Lebens strenger anging und die Theorie der spontanen Zeugung in Frage stellte. Im Jahr 1668 führte Redi das folgende Experiment durch. Er legte die toten Schlangen in verschiedene Gefäße, wobei er einige Gefäße mit Musselin bedeckte und andere offen ließ. Die Fliegen, die in offene Gefäße stürzten und Eier auf tote Schlangen legten; Aus den Eiern schlüpften bald die Larven. In den abgedeckten Gefäßen befanden sich keine Larven (Abb. 5.1). So bewies Redi, dass die weißen Würmer, die im Fleisch von Schlangen vorkommen, die Larven der Florentiner Fliege sind und dass, wenn das Fleisch abgedeckt und daran gehindert wird, an die Fliegen zu gelangen, keine Würmer „produzieren“. Redi widerlegte das Konzept der spontanen Zeugung und schlug vor, dass Leben nur aus vorherigem Leben entstehen kann (das Konzept der Biogenese).

Ähnliche Ansichten vertrat der niederländische Wissenschaftler Anthony van Leeuwen Hoek (1632-1723), der mithilfe eines Mikroskops winzige Organismen entdeckte, die für das bloße Auge unsichtbar waren. Dies waren Bakterien und Protisten. Leeuwenhoek vermutete, dass diese winzigen Organismen oder „Animalcules“, wie er sie nannte, von ihrer eigenen Art abstammen.

Leeuwenhoeks Meinung wurde vom italienischen Wissenschaftler Lazzaro Spallanzani (1729-1799) geteilt, der beschloss, experimentell zu beweisen, dass in Fleischbrühe häufig vorkommende Mikroorganismen darin nicht spontan entstehen. Zu diesem Zweck füllte er eine an organischen Substanzen reiche Flüssigkeit (Fleischbrühe) in Gefäße, kochte diese Flüssigkeit über einem Feuer und verschloss die Gefäße anschließend hermetisch. Dadurch blieb die Brühe in den Gefäßen sauber und frei von Mikroorganismen. Spallanzani bewies mit seinen Experimenten die Unmöglichkeit der spontanen Entstehung von Mikroorganismen.

Gegner dieser Sichtweise argumentierten, dass Leben in Kolben nicht deshalb entstanden sei, weil sich die Luft in ihnen beim Kochen verschlechterte, und akzeptierten daher weiterhin die Hypothese der spontanen Entstehung.

Dieser Hypothese wurde im 19. Jahrhundert ein vernichtender Schlag versetzt. Der französische Mikrobiologe Louis Pasteur (1822–1895) und der englische Biologe John Tyndall (1820–1893). Sie zeigten, dass sich Bakterien über die Luft ausbreiten und dass, wenn keine Bakterien in der Luft vorhanden sind, die in Flaschen mit sterilisierter Brühe gelangen, diese auch nicht in der Brühe selbst auftauchen. Dazu verwendete Pasteur Kolben mit einem gebogenen S-förmigen Hals, der als Falle für Bakterien diente, während Luft ungehindert in den Kolben hinein und aus ihm heraus eindrang (Abb. 5.3).

Tyndall sterilisierte die in die Flaschen eintretende Luft, indem er sie durch eine Flamme oder durch Watte leitete. Ende der 70er Jahre. 19. Jahrhundert Fast alle Wissenschaftler erkannten, dass lebende Organismen nur von anderen lebenden Organismen abstammen, was eine Rückkehr zur ursprünglichen Frage bedeutete: Wo kamen die ersten Organismen her?

Steady-State-Hypothese. Nach dieser Hypothese ist die Erde nie entstanden, sondern hat für immer existiert; es war immer in der Lage, das Leben zu unterstützen, und wenn es sich veränderte, war es sehr wenig; Arten gab es auch schon immer. Diese Hypothese wird manchmal als Hypothese des Eternismus bezeichnet (vom lateinischen eternus – ewig).

Die Hypothese des Eternismus wurde 1880 vom deutschen Wissenschaftler W. Preyer aufgestellt. Preyers Ansichten wurden vom Akademiker V. I. unterstützt. Wernadskij, Autor der Biosphärenlehre.

Panspermie-Hypothese. Die Hypothese über die Entstehung von Leben auf der Erde als Folge der Übertragung bestimmter Lebensembryonen von anderen Planeten wurde Panspermie genannt (aus dem Griechischen „pan“ – alles, jeder und „sperma“ – Samen). Diese Hypothese grenzt an die Hypothese des stationären Zustands. Seine Anhänger unterstützen die Idee der ewigen Existenz des Lebens und vertreten die Idee seines außerirdischen Ursprungs. Einer der ersten, der die Idee des kosmischen (außerirdischen) Ursprungs des Lebens zum Ausdruck brachte, war 1865 der deutsche Wissenschaftler G. Richter. Laut Richter entstand das Leben auf der Erde nicht aus anorganischen Substanzen, sondern wurde von anderen Planeten gebracht. In diesem Zusammenhang stellte sich die Frage, wie möglich ein solcher Transfer von einem Planeten auf einen anderen sei und wie er bewerkstelligt werden könne. Antworten wurden vor allem in der Physik gesucht, und es ist nicht verwunderlich, dass die ersten Verteidiger dieser Ansichten Vertreter dieser Wissenschaft waren, herausragende Wissenschaftler G. Helmholtz, S. Arrhenius, J. Thomson, P.P. Lazarev et al.

Nach den Vorstellungen von Thomson und Helmholtz könnten Sporen von Bakterien und anderen Organismen mit Meteoriten auf die Erde gebracht werden. Laborstudien bestätigen die hohe Widerstandsfähigkeit lebender Organismen gegenüber schädlichen Einflüssen, insbesondere gegenüber niedrigen Temperaturen. Beispielsweise starben Pflanzensporen und Samen auch nach längerer Einwirkung von flüssigem Sauerstoff oder Stickstoff nicht ab.

Andere Wissenschaftler haben die Idee geäußert, „Sporen des Lebens“ mit Licht auf die Erde zu übertragen.

Moderne Anhänger des Konzepts der Panspermie (darunter der Nobelpreisträger des englischen Biophysikers F. Crick) glauben, dass Leben entweder versehentlich oder absichtlich von Außerirdischen auf die Erde gebracht wurde.

Die Panspermie-Hypothese wird durch den Standpunkt der Astronomen C. Wickramasinghe (Sri Lanka) und F. Hoyle gestützt

(Großbritannien). Sie glauben, dass Mikroorganismen in großer Zahl im Weltraum vorkommen, vor allem in Gas- und Staubwolken, wo sie laut Wissenschaftlern entstehen. Anschließend werden diese Mikroorganismen von Kometen eingefangen, die dann, wenn sie an den Planeten vorbeiziehen, „die Keime des Lebens säen“.

Das Leben begann in der archaischen Ära. Da die ersten lebenden Organismen noch keine Skelettformationen besaßen, blieben von ihnen fast keine Spuren übrig. Das Vorhandensein von Gesteinen organischen Ursprungs in den archäischen Ablagerungen – Kalkstein, Marmor, Graphit und andere – weist jedoch auf die Existenz primitiver lebender Organismen in dieser Zeit hin. Es handelte sich um einzellige pränukleäre Organismen (Prokaryoten): Bakterien und Blaualgen.

Leben im Wasser war möglich, weil Wasser Organismen vor den schädlichen Auswirkungen ultravioletter Strahlen schützte. Deshalb könnte das Meer zur Wiege des Lebens werden.

4 große Ereignisse der archäischen Ära

Im archäischen Zeitalter ereigneten sich vier große Ereignisse (Aromorphose) in der Evolution der organischen Welt und der Entwicklung des Lebens:

• Eukaryoten erschienen;
• Photosynthese;
• sexueller Prozess;
• Mehrzelligkeit.

Das Auftreten von Eukaryoten ist mit der Bildung von Zellen mit einem echten Kern (der Chromosomen enthält) und Mitochondrien verbunden. Nur solche Zellen sind in der Lage, sich mitotisch zu teilen, was eine gute Erhaltung und Weitergabe des genetischen Materials gewährleistet. Dies war eine Voraussetzung für die Entstehung des sexuellen Prozesses.

Die ersten Bewohner unseres Planeten waren heterotroph und ernährten sich von im Urmeer gelösten organischen Substanzen abiogenen Ursprungs. Die fortschreitende Entwicklung primärer lebender Organismen sorgte anschließend für einen großen Sprung (Aromorphose) in der Entwicklung des Lebens: die Entstehung von Autotrophen, die Sonnenenergie nutzen, um organische Verbindungen aus den einfachsten anorganischen zu synthetisieren.

Natürlich entstand eine so komplexe Verbindung wie Chlorophyll nicht sofort. Zunächst erschienen einfachere Pigmente, die die Aufnahme organischer Substanzen erleichterten. Aus diesen Pigmenten entwickelte sich offenbar Chlorophyll.

Im Laufe der Zeit begann der Urozean die darin angesammelten organischen Substanzen auszutrocknen. Das Aufkommen autotropher Organismen, vor allem grüner Pflanzen, die zur Photosynthese fähig sind, sorgte dank der Nutzung der Sonnenenergie (der kosmischen Rolle der Pflanzen) für eine weitere kontinuierliche Synthese organischer Substanzen und damit für die Existenz und Weiterentwicklung des Lebens.

Mit dem Aufkommen der Photosynthese zerfiel die organische Welt in zwei Stämme, die sich in der Art der Nahrungsaufnahme unterschieden. Dank der Entstehung autotropher photosynthetischer Pflanzen begannen Wasser und Atmosphäre mit freiem Sauerstoff anzureichern. Dies prägte die Möglichkeit der Entstehung aerober Organismen, die Energie im Lebensprozess effizienter nutzen können.

Die Ansammlung von Sauerstoff in der Atmosphäre führte zur Bildung eines Ozonschirms in den oberen Schichten, der keine lebenszerstörenden ultravioletten Strahlen durchließ. Dies ebnete dem Leben den Weg ans Land. Das Aufkommen photosynthetischer Pflanzen ermöglichte die Existenz und fortschreitende Entwicklung heterotropher Organismen.

Das Auftreten des sexuellen Prozesses führte zur Entstehung einer durch Selektion unterstützten kombinativen Variabilität. Schließlich entwickelten sich in dieser Zeit offenbar mehrzellige Organismen aus kolonialen Flagellaten. Die Entstehung des Sexualprozesses und der Mehrzelligkeit bereitete den Weg für eine weitere fortschreitende Evolution.

Nach modernen Vorstellungen waren die ersten Lebewesen der Erde einzellige prokaryotische Organismen, denen unter den modernen Lebewesen die Archaebakterien am nächsten stehen. Es wird angenommen, dass es anfangs keinen freien Sauerstoff in der Atmosphäre und im Weltmeer gab und unter diesen Bedingungen nur anaerobe heterotrophe Mikroorganismen lebten und sich entwickelten, die fertige organische Stoffe abiogenen Ursprungs konsumierten. Allmählich war der Vorrat an organischer Substanz erschöpft, und unter diesen Bedingungen war ein wichtiger Schritt in der Evolution des Lebens die Entstehung chemo- und photosynthetischer Bakterien, die mithilfe der Energie von Licht und anorganischen Verbindungen Kohlendioxid in Kohlenhydratverbindungen umwandelten die als Nahrung für andere Mikroorganismen dienten. Die ersten Autotrophen waren wahrscheinlich auch Anaerobier. Eine Revolution in der historischen Entwicklung der Biosphäre kam mit dem Aufkommen der Zyanide, die unter Freisetzung von Sauerstoff mit der Photosynthese begannen. Die Ansammlung von freiem Sauerstoff führte einerseits zum massiven Tod primitiver anaerober Prokaryoten, andererseits schuf sie aber auch Bedingungen für die weitere fortschreitende Entwicklung des Lebens, da aerobe Organismen im Vergleich zu anaeroben zu einem viel intensiveren Stoffwechsel fähig sind Einsen.

Das Erscheinen einer eukaryotischen Zelle ist (nach der Entstehung des Lebens selbst) das zweitwichtigste Ereignis in der biologischen Evolution. Dank eines fortschrittlicheren Systems zur Genomregulierung eukaryotischer Organismen hat sich die Anpassungsfähigkeit einzelliger Organismen, ihre Fähigkeit, sich an veränderte Bedingungen anzupassen, ohne erbliche Veränderungen im Genom herbeizuführen, stark erhöht. Dank der Fähigkeit, sich anzupassen, also sich je nach äußeren Bedingungen zu verändern, konnten Eukaryoten vielzelliger werden: Denn in einem vielzelligen Organismus bilden Zellen mit demselben Genom je nach Bedingungen Gewebe, die vollständig sind unterscheiden sich sowohl in der Morphologie als auch in der Funktion.

Die Evolution der Eukaryoten führte zur Entstehung der Vielzelligkeit und der sexuellen Fortpflanzung, was wiederum das Tempo der Evolution beschleunigte.

Das Problem der Verbreitung des Lebens im Universum

Die Frage nach der Verbreitung des Lebens im Universum wurde von der modernen Wissenschaft nicht gelöst. Unter der Annahme, dass die Entwicklung von Leben unter ähnlichen Bedingungen wie auf der jungen Erde durchaus wahrscheinlich ist, können wir zu dem Schluss kommen, dass es im unendlichen Universum Lebensformen geben sollte, die denen auf der Erde ähneln. Viele Wissenschaftler vertreten diese grundsätzliche Position. Damit wird Giordano Brunos Idee der Pluralität bewohnter Welten aufgegriffen.

Erstens gibt es in der Metagalaxie eine große Anzahl sonnenähnlicher Sterne, daher können Planetensysteme nicht nur in der Nähe der Sonne existieren. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass einige Sterne bestimmter Spektralklassen langsam um ihre Achse rotieren, was möglicherweise auf die Anwesenheit von Planetensystemen um diese Sterne zurückzuführen ist. Zweitens sind die molekularen Verbindungen, die für die Anfangsphase der Entwicklung der unbelebten Natur notwendig sind, im Universum weit verbreitet und wurden sogar im interstellaren Medium entdeckt. Unter geeigneten Bedingungen könnte Leben auf Planeten anderer Sterne entstehen, ähnlich der evolutionären Entwicklung des Lebens auf der Erde. Drittens können wir die Möglichkeit der Existenz von Nicht-Protein-Lebensformen, die sich grundlegend von denen auf der Erde unterscheiden, nicht ausschließen.

Andererseits glauben viele Wissenschaftler, dass selbst primitives Leben ein strukturell und funktionell so komplexes System ist, dass die Wahrscheinlichkeit seiner spontanen Entstehung äußerst gering ist, selbst wenn alle für seine Entstehung notwendigen Bedingungen auf irgendeinem Planeten gegeben sind. Wenn diese Überlegungen zutreffen, sollte Leben ein äußerst seltenes und möglicherweise im beobachtbaren Universum einzigartiges Phänomen sein.

Basierend auf astronomischen Daten können wir eindeutig den Schluss ziehen, dass im Sonnensystem und anderen uns am nächsten liegenden Sternensystemen keine Bedingungen für die Bildung von Zivilisationen bestehen. Die Existenz primitiver Lebensformen kann jedoch nicht ausgeschlossen werden. So glaubt eine Gruppe amerikanischer Wissenschaftler, basierend auf einer Analyse der Struktur des sogenannten „Mars-Meteoriten“, Beweise für primitives einzelliges Leben entdeckt zu haben, das in der fernen Vergangenheit auf dem Mars existierte. Aufgrund der Knappheit dieses Materials ist es derzeit nicht möglich, eindeutige Schlussfolgerungen zu dieser Frage zu ziehen. Vielleicht helfen zukünftige Marsexpeditionen dabei.

Russische Paläontologen legten eine Bombe im Rahmen traditioneller Ansichten über den Ursprung des Lebens auf dem Planeten. Die Geschichte der Erde muss neu geschrieben werden.

Es wird angenommen, dass das Leben auf unserem Planeten vor etwa 4 Milliarden Jahren begann. Und die ersten Bewohner der Erde waren Bakterien. Milliarden von Individuen bildeten Kolonien, die die riesigen Flächen des Meeresbodens mit einem lebenden Film bedeckten. Antike Organismen waren in der Lage, sich an die harten Realitäten der Realität anzupassen. Hohe Temperaturen und eine sauerstofffreie Umgebung sind Bedingungen, unter denen die Wahrscheinlichkeit, dass Sie sterben, höher ist als die Wahrscheinlichkeit, dass Sie überleben. Aber die Bakterien überlebten. Die einzellige Welt war aufgrund ihrer Einfachheit in der Lage, sich an eine aggressive Umgebung anzupassen. Ein Bakterium ist eine Zelle, die keinen Zellkern enthält. Solche Organismen werden Prokaryoten genannt. Die nächste Evolutionsrunde ist mit Eukaryoten verbunden – Zellen mit einem Kern. Der Übergang des Lebens in die nächste Entwicklungsstufe erfolgte, wie Wissenschaftler bis vor Kurzem glaubten, vor etwa 1,5 Milliarden Jahren. Doch heute sind die Meinungen der Experten zu diesem Datum geteilt. Grund dafür war eine aufsehenerregende Aussage von Forschern des Paläontologischen Instituts der Russischen Akademie der Wissenschaften.

Gib mir etwas Luft!

Prokaryoten spielten eine wichtige Rolle in der Evolutionsgeschichte der Biosphäre. Ohne sie gäbe es kein Leben auf der Erde. Doch der Welt der atomwaffenfreien Lebewesen wurde die Möglichkeit genommen, sich schrittweise weiterzuentwickeln. Wie Prokaryoten vor 3,5 bis 4 Milliarden Jahren aussahen, ist bis heute nahezu gleich geblieben. Eine prokaryotische Zelle ist nicht in der Lage, einen komplexen Organismus zu erschaffen. Damit die Evolution weiter voranschreiten und komplexere Lebensformen hervorbringen konnte, war ein anderer, fortschrittlicherer Zelltyp erforderlich – eine Zelle mit einem Zellkern.

Der Entstehung der Eukaryoten ging ein sehr wichtiges Ereignis voraus: Sauerstoff erschien in der Erdatmosphäre. Zellen ohne Kern könnten in einer sauerstofffreien Umgebung leben, Eukaryoten jedoch nicht mehr. Die ersten Sauerstoffproduzenten waren höchstwahrscheinlich Cyanobakterien, die eine effiziente Methode der Photosynthese fanden. Was könnte er sein? Wenn Bakterien früher Schwefelwasserstoff als Elektronendonor verwendeten, dann lernten sie irgendwann, aus Wasser ein Elektron zu gewinnen.

„Der Übergang zur Nutzung einer so nahezu unbegrenzten Ressource wie Wasser hat den Cyanobakterien evolutionäre Möglichkeiten eröffnet“, glaubt Alexander Markov, Forscher am Paläontologischen Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften. Anstelle des üblichen Schwefels und Sulfaten wurde bei der Photosynthese Sauerstoff freigesetzt. Und dann, wie man so schön sagt, begann der Spaß. Das Erscheinen des ersten Organismus mit Zellkern eröffnete enorme Möglichkeiten für die Entwicklung allen Lebens auf der Erde. Die Entwicklung der Eukaryoten führte zur Entstehung so komplexer Formen wie Pflanzen, Pilze, Tiere und natürlich Menschen. Sie haben alle den gleichen Zelltyp mit einem Zellkern in der Mitte. Diese Komponente ist für die Speicherung und Übertragung genetischer Informationen verantwortlich. Er beeinflusste auch die Tatsache, dass eukaryontische Organismen begannen, sich durch sexuelle Fortpflanzung zu vermehren.

Biologen und Paläontologen haben die eukaryontische Zelle so detailliert wie möglich untersucht. Sie gingen davon aus, dass sie auch die Entstehungszeit der ersten Eukaryoten kannten. Experten gaben Zahlen von vor 1 bis 1,5 Milliarden Jahren an. Doch plötzlich stellte sich heraus, dass dieses Ereignis viel früher stattgefunden hatte.

Ein unerwarteter Fund

Bereits 1982 führte der Paläontologe Boris Timofeev eine interessante Studie durch und veröffentlichte ihre Ergebnisse. In Gesteinen des Archäikums und des unteren Proterozoikums (2,9 bis 3 Milliarden Jahre alt) in Karelien entdeckte er ungewöhnliche versteinerte Mikroorganismen mit einer Größe von etwa 10 Mikrometern (0,01 Millimeter). Die meisten Funde hatten eine kugelförmige Form, deren Oberfläche mit Falten und Mustern bedeckt war. Timofeev ging davon aus, dass er Acritarchen entdeckt hatte – Organismen, die zu den Vertretern der Eukaryoten zählen. Bisher fanden Paläontologen ähnliche Proben organischer Substanz nur in jüngeren Sedimenten – etwa 1,5 Milliarden Jahre alt. Über diese Entdeckung schrieb der Wissenschaftler in seinem Buch. „Die Qualität des Drucks dieser Ausgabe war einfach schrecklich. Es war im Allgemeinen unmöglich, etwas aus den Abbildungen zu verstehen. Die Bilder waren verschwommene graue Flecken“, sagt Alexander Markov Arbeit, warf sie beiseite und war sicher, ihn zu vergessen. Die Sensation lag, wie so oft in der Wissenschaft, viele Jahre im Bücherregal.

Der Direktor des Paläontologischen Instituts der Russischen Akademie der Wissenschaften, Doktor der geologischen und mineralogischen Wissenschaften und korrespondierendes Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften Alexey Rozanov erinnerte sich ganz zufällig an Timofeevs Arbeit. Er beschloss erneut, mit modernen Geräten die Sammlung karelischer Proben zu erkunden. Und er kam sehr schnell zu der Überzeugung, dass es sich tatsächlich um eukaryontische Organismen handelte. Rozanov ist zuversichtlich, dass die Entdeckung seines Vorgängers eine wichtige Entdeckung ist, die ein zwingender Grund dafür ist, bestehende Ansichten über die Zeit des ersten Auftretens von Eukaryoten zu revidieren. Sehr schnell gewann die Hypothese Anhänger und Gegner. Aber selbst diejenigen, die Rozanovs Ansichten teilen, äußern sich zurückhaltend zu diesem Thema: „Grundsätzlich ist das Auftreten von Eukaryoten vor 3 Milliarden Jahren möglich“, sagt Alexander Markov Nanometer bis 1 Mikrometer, Eukaryoten – von 2-3 bis 50 Mikrometer. In Wirklichkeit finden Forscher häufig Proben von riesigen Prokaryoten und winzigen Eukaryoten. Eine Hypothese zu testen ist wirklich nicht einfach. Es gibt weltweit keine weiteren Exemplare eukaryotischer Organismen, die aus archaischen Ablagerungen stammen. Es ist auch nicht möglich, antike Artefakte mit ihren modernen Gegenstücken zu vergleichen, da die Nachkommen der Acritarchen bis heute nicht überlebt haben.

Revolution in der Wissenschaft

Dennoch gab es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft große Aufregung um Rozanovs Idee. Manche Menschen akzeptieren Timofeevs Fund kategorisch nicht, weil sie sicher sind, dass es vor 3 Milliarden Jahren keinen Sauerstoff auf der Erde gab. Andere sind durch den Temperaturfaktor verwirrt. Forscher glauben, dass eukaryotische Organismen, wenn sie während der Archaikum-Ära auftauchten, grob gesagt sofort kochen würden. Alexey Rozanov sagt Folgendes: „Normalerweise werden Parameter wie Temperatur, Sauerstoffgehalt in der Luft und Salzgehalt des Wassers auf der Grundlage geologischer und geochemischer Daten bestimmt. Ich schlage einen anderen Ansatz vor, um den biologischen Wert abzuschätzen Bestimmen Sie dann anhand dieser Daten, wie viel Sauerstoff in der Erdatmosphäre enthalten sein sollte, damit sich die eine oder andere Lebensform normal anfühlen könnte. Wenn Eukaryoten auftauchen, bedeutet dies, dass bereits Sauerstoff in der Atmosphäre vorhanden sein sollte. Im Bereich von mehreren Prozent des modernen Niveaus sollte der Sauerstoffgehalt bereits bei mehreren zehn Prozent liegen. Somit ist es möglich, ein Diagramm zu erstellen, das das Auftreten von Organismen unterschiedlicher Organisationsebenen widerspiegelt die Zunahme des Sauerstoffs und die Abnahme der Temperatur.“ Alexey Rozanov neigt dazu, den Zeitpunkt des Auftretens von Sauerstoff so weit wie möglich hinauszuzögern und die Temperatur der alten Erde extrem zu senken.

Wenn nachgewiesen werden kann, dass Timofeev versteinerte eukaryontenähnliche Mikroorganismen gefunden hat, bedeutet dies, dass die Menschheit bald ihr gewohntes Verständnis vom Ablauf der Evolution ändern muss. Diese Tatsache lässt uns sagen, dass das Leben auf der Erde viel früher als erwartet erschien. Darüber hinaus stellt sich heraus, dass es notwendig ist, die Evolutionschronologie des Lebens auf der Erde zu überarbeiten, die, wie sich herausstellt, fast 2 Milliarden Jahre älter ist. Doch in diesem Fall bleibt unklar, wann, wo, in welchem ​​Entwicklungsstadium die Evolutionskette abbrach oder warum ihr Fortschritt sich verlangsamte. Mit anderen Worten, es ist völlig unklar, was 2 Milliarden Jahre lang auf der Erde passiert ist, wo sich Eukaryoten die ganze Zeit versteckt haben: In der Geschichte unseres Planeten bildet sich ein zu großer weißer Fleck. Eine weitere Revision der Vergangenheit ist erforderlich, und dies ist eine kolossale Arbeit, die möglicherweise nie enden wird.

MEINUNGEN

Lebenslang

Vladimir Sergeev, Doktor der Geologie und Mineralogischen Wissenschaften, leitender Forscher am Geologischen Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften:

Meiner Meinung nach müssen wir mit solchen Schlussfolgerungen vorsichtiger sein. Die Daten von Timofeev basieren auf Material, das sekundäre Veränderungen aufweist. Und das ist das Hauptproblem. Die Zellen eukaryontischer Organismen wurden chemisch zersetzt und konnten auch durch Bakterien zerstört werden. Ich halte es für notwendig, die Ergebnisse von Timofeev erneut zu analysieren. Was den Zeitpunkt des Auftretens von Eukaryoten angeht, gehen die meisten Experten davon aus, dass sie vor 1,8 bis 2 Milliarden Jahren erschienen. Es gibt einige Funde, deren Biomarker auf die Entstehung dieser Organismen vor 2,8 Milliarden Jahren hinweisen. Im Prinzip ist dieses Problem mit dem Auftreten von Sauerstoff in der Erdatmosphäre verbunden. Nach allgemeiner Meinung entstand es vor 2,8 Milliarden Jahren. Und Alexey Rozanov verschiebt diese Zeit auf 3,5 Milliarden Jahre zurück. Aus meiner Sicht stimmt das nicht.

Alexander Belov, Paläoanthropologe:

Alles, was die Wissenschaft heute findet, ist nur ein Teilchen der Materie, die möglicherweise noch auf dem Planeten existiert. Erhaltene Formen sind sehr selten. Tatsache ist, dass die Erhaltung von Organismen besondere Bedingungen erfordert: eine feuchte Umgebung, Sauerstoffmangel, Mineralisierung. Mikroorganismen, die an Land lebten, haben die Forscher möglicherweise überhaupt nicht erreicht. Wissenschaftler beurteilen anhand mineralisierter oder versteinerter Strukturen, welche Art von Leben es auf dem Planeten gab. Das Material, das den Wissenschaftlern in die Hände fällt, ist eine Mischung aus Fragmenten aus verschiedenen Epochen. Klassische Schlussfolgerungen über den Ursprung des Lebens auf der Erde sind möglicherweise nicht wahr. Meiner Meinung nach entwickelte es sich nicht vom Einfachen zum Komplexen, sondern erschien sofort.

Maya Prygunova, Itogi-Magazin Nr. 45 (595)