Las etapas iniciales de la evolución biológica
Según datos paleontológicos basados en el estudio de las rocas más antiguas de la Tierra, los primeros organismos vivientes aparecieron en la Tierra hace unos 3.500 millones de años.
Esencialmente, la primera célula viva, así como su prototipo inanimado, la gota coacervada, era una gota del océano primario rodeada por una envoltura repelente al agua, sin embargo, las proteínas y ácidos nucleicos en ella no eran un conjunto accidental de sustancias orgánicas. Ellos ya han aprendido a "entenderse", han aprendido a interactuar.
Las primeras células vivas ya poseían la propiedad más importante de todos los organismos vivos: la capacidad de autorreproducción precisa y autocopia.
Se alimentaban de sustancias orgánicas listas, que se formaron en las primeras etapas de la formación de la Tierra de manera abiógena. Según la mayoría de los científicos, durante la aparición de los primeros organismos vivos todavía no había oxígeno libre en la atmósfera de la Tierra antigua, por lo que tenían un tipo de respiración anaeróbica (sin oxígeno). Por lo tanto, los primeros organismos vivos en la Tierra eran, aparentemente, bacterias anaerobias heterótrofas (que se alimentan de sustancias orgánicas preparadas) (Figura 1).
A pesar de que las bacterias anaeróbicas se originaron en la antigüedad, están muy extendidas en la Tierra y en la actualidad. Se pueden encontrar en un tarro de yogur y en un barril con pepinos encurtidos o repollo. Las bacterias del ácido láctico son anaerobios facultativos (pueden crecer y desarrollarse en presencia de oxígeno, pero el oxígeno no se utiliza en el proceso de respiración).
Fig. 1. Hipótesis simbiótica del origen de eucariotas
Muchas bacterias del suelo, como el tétanos, la gangrena gaseosa, el botulismo, también son anaeróbicas. Todos ellos son anaerobios obligados. A diferencia de los anaerobios facultativos, los anaerobios obligados no toleran la presencia de oxígeno en el ambiente, el oxígeno para ellos es veneno. Es por eso que el riesgo de infección con tétanos es mucho mayor si la herida se corta y la infección se desarrolla sin acceso al oxígeno. Significativamente menos peligrosas son las heridas abiertas y las abrasiones. La gangrena gaseosa también suele comenzar a desarrollarse después de la imposición de un vendaje de yeso que impide el acceso al oxígeno de la extremidad lesionada. El peligro de intoxicación alimentaria severa - botulismo - ocurre con el enlatado casero, cuando se elimina el aire por pre ebullición, y el capuchón hermético evita la entrada de oxígeno desde el exterior. En el caso de encurtir pepinos o setas en una maceta abierta, no se desarrollará el agente causal del botulismo, ya que es un anaeróbico obligado. Con el enlatado doméstico, el agente causal del botulismo es extremadamente difícil de destruir, ya que sus esporas sobreviven de 5 a 6 horas de ebullición continua. Por lo tanto, el enlatado industrial se lleva a cabo mediante vapor sobrecalentado bajo presión a una temperatura de 100 y 130 ° C durante 1-2 horas.
Las bacterias-anaerobios de la antigua Tierra se alimentaron con sustancias orgánicas listas, formadas en grandes cantidades en las primeras etapas de la formación de la Tierra. La alta temperatura de la atmósfera y la actividad volcánica turbulenta contribuyeron a la síntesis abiógena de sustancias orgánicas. Para cuando aparecieron los primeros organismos vivos, la Tierra se había enfriado y la intensidad de la síntesis abiógena de sustancias orgánicas había disminuido significativamente. El desarrollo de anaerobios debe agotar inevitablemente las reservas de sustancias orgánicas, lo que a su vez conduciría a la muerte de todos los organismos vivos. Tal vez la historia del desarrollo de la vida en la Tierra habría terminado en esto, si una nueva generación de organismos vivos no hubiera aparecido después de solo 100 millones de años (hace 3.400 millones de años) bajo la influencia de una feroz competencia por sustancias orgánicas - bacterias que sintetizan fotos (cm Figura 1).
La característica única de estos seres vivos era la capacidad de llevar a cabo la fotosíntesis , es decir Sintetiza la materia orgánica del inorgánico usando energía de la luz del sol. La primera bacteria fotosintética tuvo un tipo anormal de fotosíntesis de anoxígeno (procede sin la liberación de oxígeno).
Como se sabe, el dióxido de carbono y el hidrógeno son elementos de construcción, de los cuales los organismos foto sintetizadores crean sustancias orgánicas. Las primeras bacterias fotosintéticas extrajeron hidrógeno del agua, como ocurre en la mayoría de los organismos fotosintéticos modernos, pero a partir del sulfuro de hidrógeno (H 2 S), ya que la energía utilizada para separar átomos de hidrógeno de la molécula de sulfuro de hidrógeno es 7 veces menor que al separarla de la molécula de agua.
La fotosíntesis con la liberación de oxígeno apareció más tarde en las cianobacterias (algas verdeazuladas). Son las cianobacterias las que, por primera vez, llevan a cabo la fotólisis del agua, en la que el hidrógeno, necesario para la biosíntesis de sustancias orgánicas, se separa de la molécula de agua con la energía de la luz solar y se forma oxígeno libre como subproducto.
La acumulación de oxígeno libre en la atmósfera condujo a una transformación radical de las condiciones de vida en la Tierra. En el momento de la aparición de los primeros organismos vivos, la Tierra se está enfriando, la cantidad de descargas de rayos en la atmósfera está disminuyendo, la actividad volcánica está desapareciendo. Prácticamente la única fuente de energía para la síntesis abiógena de sustancias orgánicas es la radiación ultravioleta del sol.
Con la aparición de oxígeno en las capas superiores de la atmósfera, a una altitud de 15-30 km, se formó una pantalla de ozono que protegía a los organismos vivos de los efectos nocivos de la radiación ultravioleta, que era el requisito previo para la aparición de vida no solo en el agua sino también en la tierra. Simultáneamente, la pantalla de ozono, reduciendo la intensidad de la radiación ultravioleta incidente en la Tierra, virtualmente detuvo la síntesis abiógena de sustancias orgánicas, como resultado de lo cual la mayor existencia de vida en la Tierra se volvió completamente dependiente de la actividad de los organismos fotosintéticos.
Las bacterias fotosintéticas, principalmente cianobacterias, y ahora un amplio y próspero grupo de organismos vivos. La "floración" del agua al final del verano se debe principalmente al rápido desarrollo de cianobacterias. Son capaces no solo de nutrición autótrofa a través de la fotosíntesis, sino también de la nutrición heterotrófica con sustancias orgánicas listas. Por lo tanto, la contaminación de reservorios con sustancias orgánicas bajo la influencia de la actividad económica humana crea condiciones favorables para el desarrollo de cianobacterias (algas verdeazuladas), que se multiplican rápidamente, desplazando algas eucarióticas, lo que reduce la productividad de cuerpos de agua y provoca la muerte de organismos de plancton y peces.
Como se señaló anteriormente, el producto principal (objetivo) de la fotosíntesis son las sustancias orgánicas ricas en energía que utilizan los organismos vivos para construir sus propias cejas y para obtener la energía necesaria para su actividad vital, el oxígeno es un subproducto de la fotosíntesis. Por lo tanto, para el más antiguo, pero el origen de los organismos vivos, bacterias-anaerobios y las primeras bacterias fotosintéticas, el oxígeno es un veneno. Sin embargo, después de las bacterias fotosintéticas, aparecieron organismos vivos en la Tierra, que aprendieron no solo a protegerse del oxígeno, sino también a usarlo: aprendieron a respirar oxígeno. Eran bacterias aerobias (o bacterias oxidantes).
Las ventajas biológicas de la respiración con oxígeno son obvias: con la oxidación de oxígeno de sustancias orgánicas de una unidad (por ejemplo, de 1 g) de sustancias orgánicas, es posible extraer 19 veces más energía que en la respiración anóxica. Como resultado, las bacterias aeróbicas pudieron consumir sustancias orgánicas de forma mucho más económica que los anaerobios, lo que a su vez les permitió existir en condiciones de concentraciones relativamente bajas de sustancias orgánicas.
Hipótesis simbiótica del origen de eucariotas
En las primeras etapas de la evolución biológica en la Tierra, coexisten secuencialmente 3 generaciones de procariotas: bacterias anaeróbicas, bacterias fotosintéticas y bacterias aeróbicas (véase la Fig. 1).
Las bacterias fotosintéticas podrían crear sustancias orgánicas a partir de sustancias inorgánicas, y las bacterias aerobias podrían usarlas de manera muy económica. Privados de estos beneficios, las bacterias anaeróbicas se vieron obligadas a explotar las propiedades beneficiosas de otros organismos vivos. Una de las formas de uso unilateral de un organismo por parte de otro es la depredación. En una determinada etapa de desarrollo de bacterias anaeróbicas, se produjeron organismos ameboides depredadores, capaces de capturar bacterias fotosintéticas y bacterias aeróbicas con la ayuda de seudópodos.
Sin embargo, no todos los depredadores similares a las amebas digieren las bacterias capturadas, en algunos casos, las bacterias pueden vivir y multiplicarse dentro del citoplasma del depredador. La comunidad de organismos vivos así formada poseía muchas propiedades valiosas: la capacidad de fotosíntesis debido a la actividad de las bacterias fotosintéticas, la capacidad de utilizar de forma económica y eficiente sustancias orgánicas debido al tipo de oxígeno de la respiración característico de las bacterias aeróbicas y, finalmente, la capacidad de mover activamente y capturar a la presa , característico de una jaula depredadora carnívora. Con el tiempo, las relaciones simbióticas mutuamente beneficiosas de estos tres grupos de organismos se consolidaron, se estabilizaron: las bacterias fotosintéticas se convirtieron en cloroplastos y las bacterias aerobias oxidantes en las estaciones de energía de la célula y las mitocondrias. Tanto las mitocondrias como los cloroplastos ahora retienen su propio aparato hereditario, se reproducen independientemente de la división celular y se heredan a través del citoplasma, pero la línea materna.
Para administrar una comunidad compleja de organismos vivos y proteger su propio material genético (después de todo, otros organismos que forman la comunidad tenían su propio programa genético), un orgánulo celular especial, el núcleo, emerge de la célula transportadora .
Los organismos vivos, cuyas células tienen un núcleo formado, se llaman eucariotas (del griego eu - bien, completamente y karyon - el núcleo). Todas las plantas, animales y hongos son eucariotas. La información hereditaria en los núcleos de células eucarióticas se almacena en forma de estructuras especiales, los cromosomas, claramente visibles bajo un microscopio óptico en el momento de la división celular. Las primeras células eucariotas aparecieron en la Tierra hace unos 2 mil millones de años.
Las bacterias más antiguas no tienen un núcleo formado.
Los organismos vivos, cuyas células no tienen un núcleo formado, se llaman procariotas (del latín pro - antes, y antes, del griego karyon - el núcleo). Todas las bacterias, incluida la fotosíntesis, son procariotas. La información hereditaria está representada en ellos por una única molécula circular de ADN que se encuentra directamente en el citoplasma y no se puede distinguir en un microscopio óptico convencional.
Dado que para los conceptos científicos modernos, el peso de las células eucariotas son comunidades simbióticas de dos o tres organismos vivos, la hipótesis del origen de los eucariotas antes mencionada se denomina simbiótica.
Las primeras células eucariotas, al parecer, eran criaturas ameboides, muchas de las cuales contenían tanto mitocondrias como cloroplastos.
Hace aproximadamente 1.5 billones de años. de ellos hay organismos eucarióticos más perfectos, capaces de un movimiento activo rápido: flagelados antiguos (ver Figura 1). En general, se acepta que los flagelos, al igual que las mitocondrias y los cloroplastos en su época, se originaron a partir de algunos antiguos procariotas de vida libre.
Los flagelados antiguos, aparentemente, combinaban las propiedades de las plantas y los animales. Con el tiempo, aquellos de ellos que se encontraron en un ambiente con un alto contenido de sustancias orgánicas, perdieron cloroplastos y se convirtieron en animales unicelulares, los protozoos, y los cloroplastos supervivientes dieron origen a las plantas. Naturalmente, las plantas más antiguas son unicelulares, móviles y tienen flagelos.
El progreso evolutivo adicional de los animales se asocia con un aumento en el papel del movimiento activo, que es causado por la necesidad de buscar comida y capturar presas. El sistema de control de tráfico también está mejorando, lo que finalmente conduce a la aparición de un sistema nervioso altamente organizado y, finalmente, a la inteligencia.
Al mismo tiempo, las plantas que se abastecen de alimentos debido a la fotosíntesis pierden su capacidad de moverse en el proceso de la evolución y adquieren una variedad de adaptaciones que aumentan la eficiencia de la fotosíntesis.
Por lo tanto, hace aproximadamente 1.5 billones de años, de un antepasado único - el antiguo flagelado dos reinos importantes de organismos vivos - el reino de la planta y el reino animal.