СЕГМЕНТ 32. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ И СОВРЕМЕННОЕ БИОРАЗНООБРАЗИЕ

⇐ ПредыдущаяСтр 19 из 21Следующая ⇒

Как уже было отмечено выше, первые следы жизни на Земле датируются возрастом примерно 3, 6 млрд, или 3600 млн, лет. Таким образом, жизнь возникла вскоре после образования земной коры.

Историю развития жизни изучают по данным геологии и палеонтологии, поскольку в структуре земной поверхности сохранилось много ископаемых остатков, произведенных живыми организмами. Это - так называемые осадочные породы, содержащие огромные пласты мела, песчаников и других пород, представляющих донные осадки известковых раковин одноклеточных фораминифер, кораллов, моллюсков, кремниевые скелеты и другие твердые остатки древних организмов. Например, на современной территории Евразии был когда-то океан, Уральские годы были его срединным хребтом. Поэтому любой естественный разлом, горная осыпь, крутой берег реки или обрыв карьера могут служить источником информации о прошлых жителях Земли. Ценные сведения дают также результаты бурения; например, сверхглубокая скважина на Кольском полуострове прошла уже более 12 км вглубь Земли и в ней также обнаружены окаменевшие остатки организмов. Имеются и надежные методы определения возраста земных пород, в частности радиоуглеродный метод, основанный на измерении содержания радиоактивных изотопов в составе углерода, которое закономерно изменяется во времени. Так что любую находку окаменелых остатков жизни можно датировать по времени ее происхождения.

Сразу отметим, что изменение форм жизни на Земле шло параллельно с геологической перестройкой структуры и рельефа земной коры, состава атмосферы, границ мирового океана и другими геологическими процессами. Эти изменения и обусловливали в решающей степени направление и динамику биологической эволюции.

В соответствии с наиболее значительными событиями гео-биологической эволюции в истории Земли выделяют крупные интервалы времени - эры, внутри них - периоды, в пределах периодов - эпохи и т. д. Проследим и мы наиболее важные события, менявшие шаг за шагом биосферу нашей планеты. Для большей наглядности изобразим календарь жизни в виде условного годового цикла, в котором 1 месяц соответствует 300 млн лет реального времени (рис. 29). Тогда весь период развития жизни на Земле как раз и составит один условный год нашего календаря - от 1 января (3600 млн лет тому назад), когда образовались первые протоклетки, до 31 декабря (0 лет), когда живем мы с вами. Как видим, отсчет геологического времени принято вести в обратном порядке.

Рис. 29 Условный календарь развития жизни

Архейская эра (эра древнейшей жизни) - от 3600 млн лет до 2600 млн лет, протяженность 1 млрд лет - примерно четверть всей истории жизни (на нашем условном календаре это - январь, февраль, март и несколько дней апреля).

3600 - 3500 млн лет - отведем это время на те события предбиологической эволюции, которые были описаны в предыдущем сегменте. На самом деле они могли начаться гораздо раньше, как только сформировалась земная кора.

3500-3300 млн лет - возникновение в водах мирового океана анаэробных гетеротрофных бактерий и сине-зеленых водорослей, формирование сообществ прокариотных (доядерных) одноклеточных организмов. В атмосфере Земли еще не было кислорода, но в воде были свободные органические вещества, поэтому первые организмы - бактерии были анаэробами, а питались гетеротрофно - поглощали готовую органику и за счет брожения получали энергию (см. сегмент 13). В гидротермальных источниках, богатых выделениями сероводорода (H ₂ S), при температурах до 120 градусов могли жить аутотрофные хемосинтетические бактерии. По мере истощения первичных запасов органического вещества возникли аутотрофные фотосинтетические клетки - сине-зеленые водоросли. Аутотрофы, в отличие от гетеротрофов сами создают органические вещества из неорганических с использованием энергии солнца или химических реакций.

3300 млн лет - выход бактерий и сине-зеленых водорослей на сушу и начало образования почвы. Почва представляет так называемое биокосное тело - продукт взаимодействия живых организмов с неорганическими соединениями верхнего слоя коры.

3300 - 3000 млн лет - появление в воде и атмосфере свободного кислорода от фотосинтетических водорослей и цианобактерий. Идет также накопление углекислого газа при снижении концентрации других газов - аммиака, метана, водорода. Все это создает возможность для развития аэробных гетеротрофных бактерий, с гораздо более продуктивным энергетическим обменом, чем у анаэробов.

3000-2700 млн лет - появление первых эукариотных клеток, имеющих сложную структуру с настоящим ядром и органоидами (о различиях про- и эукариотных клеток см. сегмент 8 и рис. 3). Эти клетки могли появиться в результате симбиотического объединения различных прокариотных клеток или путем постепенного усложнения последних. Во всяком случае это были значительно более крупные клетки с комбинированным энергетическим обменом, из которых в последствие и развивались основные стволы эволюции - растения, грибы и животные.

2700-2600 млн лет - в конце Архея, вероятно, появились уже и примитивные многоклеточные организмы наподобие нитчатых водорослей и гидроидных полипов, которым предшествовали колониальные объединения одноклеточных.

Таким образом, в Архейскую эру возникли про- и эукариотные клетки с разным типом питания и энергетического обеспечения и наметился переход к многоклеточным организмам.

Протерозойская эра (эра ранней жизни) - от 2600 до 570 млн лет - самая протяженная эра, охватывающая около 2 млрд лет, то есть более половины всей истории жизни (на нашем условном календаре это период от апреля до начала ноября - см. рис. 29). Геологическим маркером начала новой эры стали интенсивные процессы горообразования, изменившие соотношение океана и суши, изменившие в целом лик планеты. Многие пионерские группы организмов, сделав свое дело, вымирали, на их смену приходили новые. Но в целом биологические преобразования совершались очень медленно и постепенно.

Хотя уже в Архее появились клетки высшего - эукариотного - типа, тем не менее первая половина Протерозоя проходила при полном расцвете прокариот - бактерий и сине-зеленых водорослей. В это время железобактерии мирового океана, осаждаясь поколение за поколением на дно, формируют огромные залежи осадочных железных руд. Крупнейшие из них до сих пор разрабатываются под Курском и Кривым Рогом. Эукариоты были представлены в основном водорослями - зелеными, красными, бурыми - преимущественно одноклеточными, наподобие современных эвглены или хлореллы. Многоклеточные организмы были малочисленны и весьма примитивны.

1500 млн лет - к середине протерозоя наблюдается расцвет зеленых водорослей. Их фотосинтетическая активность заметно увеличивает содержания кислорода в воде и атмосфере. Примерно через 200 млн лет появляются низшие грибы. Подобно животным они являются гетеротрофами - питаются органической пищей и используют кислород для ее окисления и получения энергии.

1000 млн лет - водоросли господствуют на Земле, темп накопления кислорода быстро возрастает. Этому способствует также завершение окисления железа земной коры, которое до сих пор поглощало основную массу кислорода. В результате начинается бурное и независимое развитие аэробных простейших (одноклеточных) и многоклеточных животных. Последняя четверть Протерозоя известна как «век медуз», так как эти и им подобные кишечнополостные животные составляют доминирующую и наиболее прогрессивную на то время форму жизни.

700 млн лет - прогрессивное развитие животных приобретает взрывной характер. Особенно бурные события происходили на протяжении 40 млн лет в так называемый Вендский период (690-650 млн лет). В результате быстрых эволюционных изменений закладываются все основные типы животных. Появляются разные типы червей. От кольчатых червей (современные представители - морской пескожил, дождевой червь) ответвляются моллюски и членистоногие, похожие на мокриц, многоножек, ракообразных. К концу протерозоя закладываются морские иглокожие и примитивные хордовые. Жизнь сконцентрирована в морях, донные растения и животные образуют сложные сообщества - биоценозы. В них преобладают многоклеточные: густые заросли придонных водорослей, а среди животных - губки, медузы, актинии, черви. Моллюски, членистоногие и другие типы высших животных только начинают свою эволюцию, но общий план будущего биоразнообразия уже заложен.

Конец Протерозоя ознаменовался и очень важным геологическим событием, которое сильно повлияло на дальнейшую биологическую эволюцию. Около 620 млн лет тому назад часть накопленного в атмосфере кислорода преобразуется из двухатомного состояния О2 в трехатомное О3. Это озон, хорошо поглощающий ультрафиолетовые лучи солнечного света. Таким образом, сформировался озоновый экран, уровень солнечной радиации резко упал, снизилась и мутагенность солнечного излучения. Этот фактор обусловил иной характер эволюции на следующие эры. Дальнейшие новообразования будут многочисленны и разнообразны, но они будут носить все менее радикальный характер - в пределах уже сформированных биологических царств (бактерии, растения, грибы, животные) и типов.

Итак, в течение Протерозойской эры господство прокариот сменилось господством эукариот, произошел радикальный переход от одноклеточности к многоклеточности, сформировались все основные типы животного царства. Но эти сложные формы жизни существовали исключительно в морях. Земная суша медленно покрывалась почвой, в ее сырых низинах селились бактерии, низшие водоросли, простейшие одноклеточные животные, которые по-прежнему прекрасно существовали в своих экологических нишах. Суша еще ждала своих завоевателей. А на нашем историческом календаре уже было начало ноября. До «Нового года» - до наших с вами дней - оставалось меньше двух месяцев, всего 570 млн лет.

Палеозойская эра (эра древней жизни) - от 570 до 230 млн лет - общая протяженность 340 млн лет. Очередной период интенсивного горообразования, по которому и проводят разделение Протерозоя и Палеозоя, привел к изменению рельефа земной поверхности. Посреди бывшего океана встали материки, бывшие участки суши оказались под водой. В этих условиях судьба большинства групп организмов решалась радикально - быть или не быть. Некоторые группы вымерли, но другие приспосабливались и осваивали новые среды обитания вслед за изменениями земной поверхности и климата.

Палеозойская эра делится на 6 периодов. Об этом времени имеются богатые палеонтологические данные, так как многие животные в процессе эволюции приобрели наружный или внутренний скелет, а растения - плотные клеточные оболочки, что и позволило им сохраниться в виде ископаемых остатков. Мы сможем дать лишь самую общую характеристику событий этого времени, отметив наиболее значимые новообретения жизни. Общий ход эволюции, начиная с этого времени, отражен на рис. 30. Обратите внимание на то, что большинство групп организмов, зародившихся в прежние эпохи, продолжают сосуществовать с вновь появляющимися молодыми группами, хотя многие сокращают свой объем. Природа расстается с теми, кто не соответствует меняющимся условиям, но максимально сохраняет удачные варианты, отбирает и развивает из них наиболее приспособленные и, кроме того, создает новые формы.

Рис. 30 Эволюционное развитие живого мира

Кембрий - 570 - 500 млн лет. Жизнь по-прежнему связана в основном с морским дном. Процветают различные водоросли - зеленые, бурые, красные. Но появляются высшие растения - завоеватели суши. Их тело разделено на корень и стебель, что позволяет хорошо закрепляться на почве и доставать из нее влагу и минеральные вещества. Внутри стебля возникают сосуды для транспорта веществ. Это первые сосудистые растения - хвощи и плауны. Среди морских животных идут процессы видообразования в пределах ранее возникших групп. Заметным событием становится образование коралловых рифов - нагромождения сидячих форм мелких кишечнополостных животных, родственников обыкновенных гидр и медуз, имеющих твердый известковый скелет. Но существуют и подвижные формы - двустворчатые, брюхоногие (улитковые) и головоногие моллюски, черви, примитивные ракообразные.

Ордовик - 500 - 440 млн лет. Сохраняется умеренный теплый климат, но значительно увеличивается площадь морей. Морская фауна и флора бурно эволюционирует в сторону увеличения разнообразия видов внутри сформированных типов и классов. Заметное место начинают занимать иглокожие (морские лилии, голотурии) и хордовые (круглоротые) животные.

Силур - 440 - 410 млн лет - новый период поднятия суши и горообразования. Теплые мелководные моря отступают, климат в целом становится более сухим. В растительном царстве прежнее обилие водорослей, на земле доминируют псилофиты - растения без листьев, внешне похожие на своих морских предшественников. В морях богатая фауна трилобитов (примитивных ракообразных), головоногих моллюсков, кораллов. Появляются панцирные «рыбы» - бесчелюстные хрящевые позвоночные, впрочем, вымершие уже в следующие периоды. На сушу выходят первые членистоногие животные - многоножки, пауки, ракоскорпионы, бескрылые насекомые. В конце силура происходит очередной процесс горообразования.

Девон - 410 - 350 млн лет. Идет новое поднятие суши и сокращение морей. Климат становится более контрастным. На земле появляются мхи, папоротники, грибы. Формируются первые леса, состоящие из гигантских папоротников, хвощей и плаунов. В морях наблюдается расцвет рыб, особенно хрящевых (акулообразные). Появляются двоякодышащие (с жабрами и легкими), кистеперые и лучеперые рыбы - непосредственные предшественники наземных позвоночных. На суше в леса продвигаются членистоногие с воздушным дыханием - многоножки, насекомые. Наконец, появляются первые земноводные позвоночные, или амфибии, среди их ископаемых форм наиболее известны стегоцефалы. Заметим, что первые покорители суши - как растительные, так и животные - занимали прибрежные области, так как вода оставалась средой их размножения.

Карбон - 350 - 280 млн лет. Наступает потепление и увлажнение климата. Кругом распространены болотистые леса из громадных (до 40 м) древовидных папоротников, хвощей и плаунов. К ним добавляются семенные папоротники - первые голосеменные растения. Именно эти леса оставили нам огромные залежи каменного угля («каменноугольные леса»). Среди наземных животных кроме разнообразных стегоцефалов появляются крылатые насекомые - тараканы, стрекозы. В конце карбона идет поднятие суши и похолодание, исчезают псилофиты и появляются первые пресмыкающиеся животные, окончательно освободившиеся от водной зависимости.

Пермь - 280 - 230 млн лет. Очередное поднятие суши сопровождалось уменьшением влажности воздуха и похолоданием. Сужается к экватору зона пышных лесов. Вслед за псилофитами вымирают древовидные хвощи, плауны, папоротники. Наступает расцвет семенных и травянистых папоротников, появляются древние голосеменные растения - предшественники наших хвойных. Из-за сухости климата вымирают и крупные земноводные - стегоцефалы. Зато быстро прогрессируют пресмыкающиеся и насекомые - их яйца защищены от высыхания плотными оболочками, кожа покрыта чешуей или хитином, усложняются легкие или трахеи. В двух совершенно не родственных группах происходит параллельная эволюция на сходные признаки.

Общий итог Палеозоя - заселение суши растениями, грибами и животными. При этом и те, и другие, и третьи в процессе своей эволюции усложняются анатомически, приобретают новые структурные и функциональные приспособления для размножения, дыхания, питания, способствующие освоению новой среды обитания. Эволюция идет по пути морфофизиологического прогресса. Завершается Палеозой, когда на нашем календаре 7 декабря. Природа торопится, темп эволюции в группах высок, сжимаются сроки преобразований, но на сцену только выходят первые пресмыкающиеся, а время птиц и млекопитающих еще далеко впереди.

Мезозойская эра (эра средней жизни) - от 230 до 67 млн лет - общая протяженность 163 млн лет. Поднятие суши, начавшееся в предыдущем периоде, продолжается. Существует единый материк. Его общая площадь очень велика - значительно больше, чем в настоящее время. Континент покрыт горами, сформированы Урал, Алтай и другие горные массивы. Климат становится все более засушливым.

Триас - 230 -195 млн лет. Закрепляются тенденции, заложенные в пермском периоде. Вымирает большинство первобытных земноводных, почти исчезают хвощи, плауны, папоротники. Преобладают голосеменные древесные растения, так как их размножение не связано с водной средой. Среди животных на суше начинают свое триумфальное шествие травоядные и хищные пресмыкающиеся - динозавры. Среди них есть уже и современные виды: черепахи, крокодилы, гаттерия. В морях по-прежнему живут земноводные, разнообразные головоногие моллюски, появляются костистые рыбы вполне современного вида. Это обилие пищи привлекает в море хищных пресмыкающихся, отделяется их специализированная ветвь - ихтиозавры. В конце триасового периода от каких-то ранних пресмыкающихся обособилась небольшая группа, давшая начало млекопитающим животным. Они еще размножаются с помощью яиц, как современные ехидна и утконос, но уже имеют важную особенность, которая даст им преимущества в дальнейшей борьбе за существование. Млекопитающие, как и птицы, ведущие свое начало также от пресмыкающихся, являются теплокровными животными - они впервые приобретают механизм температурной саморегуляции. Но их время еще впереди, а пока земные пространства продолжают осваивать динозавры.

Юра - 195 - 137 млн лет. В лесах преобладают голосеменные, среди них живет уже секвойя, дошедшая и до наших дней. Появились первые покрытосеменные (цветковые) растения. Господствуют гигантские пресмыкающиеся, освоившие все среды обитания. На суше это - травоядные и хищные динозавры, в море - ихтиозавры и плезиозавры, в воздухе - летающие ящеры, охотящиеся на многочисленных насекомых и своих же более мелких собратьев. От каких-то из них обособились первоптицы - археоптериксы. Они имели скелет ящеров, хотя и сильно облегченный, но уже были покрыты перьями - видоизмененными кожными чешуями. В теплых морях Юрского периода, кроме морских пресмыкающихся, процветают костистые рыбы и разнообразные головоногие моллюски - аммониты и белемниты, похожие на современных наутилуса и кальмаров.

В Юрском периоде происходит раскол единого материка и начинается расхождение материковых плит к их современному состоянию. Это привело к изоляции и относительно независимому развитию фауны и флоры на разных материках и островных системах. Особенно быстро и радикально обособилась Австралия, где животный и растительный состав в итоге сильно отличался от обитателей других материков.

Мел - 137 - 67 млн лет. Руководящей формой в палеонтологических пробах выступают фораминиферы - раковинные простейшие животные, подвергшиеся массовому вымиранию в этот период и оставившие огромные осадочные пласты мела. Среди растительности быстро распространяются и доминируют покрытосеменные, многие из них вполне современного вида и уже имеют настоящий цветок. Гигантские пресмыкающиеся вытесняются новыми динозаврами, передвигающимися на задних ногах. Вполне обычны первоптицы, но появляются и настоящие теплокровные птицы с характерным клювом, без длинного хвоста. Встречаются и мелкие млекопитающие; кроме сумчатых появились и плацентарные, длительно вынашивающие детенышей в материнской утробе в контакте с кровью через плаценту. Насекомые осваивают цветок, что принесло выгоду и насекомым и цветковым растениям.

Конец мелового периода был ознаменован значительным общим похолоданием. Сложная пищевая цепь пресмыкающихся, построенная на ограниченном круге продуцентов, рухнула «в одночасье» (по меркам нашего условного календаря). За какие-то несколько миллионов лет основные группы динозавров вымерли. Есть разные версии причин происшедшего в конце мелового периода, но, по-видимому, дело прежде всего в изменении климата и разрушении пищевых цепей. В похолодевших морях исчезли крупные головоногие моллюски - основная пища морских ящеров. Естественно, это привело к вымиранию последних. На суше происходило сокращение зоны произрастания и биомассы мягкой сочной растительности, что привело к вымиранию растительноядных, а за ними и хищных динозавров. Сократилась кормовая база и для крупных насекомых, а за ними стали исчезать летающие ящеры - как насекомоядные, так и их хищные собратья. Надо иметь в виду и то обстоятельство, что пресмыкающиеся были холоднокровными животными и оказались не приспособленными к существованию в новом, значительно более суровом климате. В этой всемирной биологической катастрофе выжили и получили дальнейшее развитие мелкие пресмыкающиеся - ящерицы, змеи; а крупные - такие как крокодилы, черепахи, гаттерия - сохранились лишь в тропиках, где остались необходимая кормовая база и относительно теплый климат.

Таким образом, мезозойская эра полноправно называется эрой пресмыкающихся. За 160 млн лет они пережили свой расцвет, широчайшую дивергенцию по всем средам обитания и вымерли в борьбе с неизбежной стихией. На фоне этих событий огромные преимущества получили теплокровные организмы - млекопитающие и птицы, перешедшие к освоению освобожденных экологических сфер. Но это уже была новая эра. До «Нового года» оставалось 7 дней.

Кайнозойская эра (эра новой жизни) - от 67 млн лет до настоящего времени. Это эра цветковых растений, насекомых, птиц и млекопитающих. В эту эру появился и человек.

Третичный период делится на палеоген (67 - 25 млн лет) и неоген (25 - 1, 5 млн лет). Отмечается широкое распространение цветковых растений, особенно травянистых. Формируются обширные степи - результат отступления тропических лесов из-за похолодания. Среди животных доминируют млекопитающие, птицы, насекомые. Продолжают исчезать отдельные группы пресмыкающихся и головоногих моллюсков. Около 35 млн лет назад в классе млекопитающих появляется отряд приматов (лемуры, долгопяты), давший в последствие обезьян и человека. Первые люди появились около 3 млн лет тому назад (за 7 часов до «Нового года») в восточном средиземноморье.

Четвертичный период, или антропоген включает последние 1, 5 млн лет развития жизни. Сформирован современный растительный и животный мир. Идет бурная эволюция и господство человека. Происходит четыре периодических оледенения северного полушария Земли. За это время вымерли мамонты, многие крупные звери, копытные животные. Большую роль в этом сыграли люди, которые активно занимались охотой и земледелием. Периодические замерзания и таяния воды изменяли уровень морей, то наводя, то разрушая мосты между Азией и Северной Америкой, Европой и Британией, Индокитаем и Островами. Эти обстоятельства позволяли мигрировать животным и растениям, поддерживая их эволюционные изменения по мелким адаптивным признакам. Австралия имеет полную изолированность от других материков, что создало там особые направления и темпы эволюции. Отсутствие хищников позволило сохраниться древним сумчатым и яйцекладущим млекопитающим, давно вымершим на других континентах. Происходили изменения и в семействе людей, но о них мы расскажем в отдельной теме. Здесь же отметим, что человек современного типа сформировался всего лишь 50 тысяч лет назад (в 23 часа 53 минуты 31 декабря нашего условного года развития жизни на Земле; мы существуем в этом году всего-то его последние 7 минут! ).

Как итоговое отражение эволюции - с взлетами одних групп и крушениями других - выступает современная картина биоразнообразия , представленная на рис. 31.

Рис. 31 Схема современного биоразнообразия на Земле

Еще раз обратим внимание на то, что древние группы организмов - дробянки (бактерии и сине-зеленые водоросли), водоросли, одноклеточные (простейшие) животные не исчезли с биологического поля. Конечно, многие их представители, и даже целые большие группы, вымерли и уступили место другим. Но в целом эволюция не теряла заложенные когда-то планы строения животных и растений. В каждой крупной группе (ранга царства или типа), как правило, возникали новые вариации, которые занимали свои экологические ниши. Поэтому мы и имеем на сегодня столь широкий спектр биоразнообразия - от бактерий и вирусов до цветковых растений, насекомых и млекопитающих.

Несколько слов о царстве вирусов. Никто не знает, каково их настоящее происхождение. По уровню организации они отличаются от всех прочих организмов тем, что не имеют клеточного строения. По этому признаку и выделены две империи, одна из них за вирусами. Есть мнение, что вирусы - «осколки жизни», блуждающие генетические элементы, мигрирующие между разными организмами. Но кто и когда породил эти осколки - науке не известно.

И последнее замечание - о движущих силах биологической эволюции. Их надо видеть в двух взаимосвязанных плоскостях - геологической и собственно биологической. Каждая очередная крупномасштабная перестройка земной поверхности влекла за собой неизбежные эволюционные преобразования в живом мире. Каждое новое похолодание приводило к вымиранию неприспособленных. Дрейф материков определил различие темпов и направлений эволюции в изолятах. С другой стороны, прогрессивное развитие и размножение групп растений и животных сказывалось и на самой геологической эволюции. Вспомним, как накопление кислорода в конце Протерозоя привело к образованию озонового экрана, что оградило живые организмы от солнечной радиации и изменило уровень эволюционных преобразований. Многие продукты жизнедеятельности организмов оставались навсегда в земных недрах, преобразуя их необратимо. Это и органогенные железные руды, и залежи серы, мела, каменного угля и многое другое. Живое, порожденное из неживой материи, эволюционирует вместе с ней, в едином биогеохимическом потоке вещества и энергии. Что же касается внутренней сущности и непосредственных факторов биологической эволюции, мы рассмотрим их в следующем сегменте.

⇐ Предыдущая 12 13 14 15 16 17 181920 21 Следующая ⇒