Окислительный этап в эволюции биосферы

⇐ ПредыдущаяСтр 30 из 47Следующая ⇒

Третий этап эволюции биосферы связан с развитием фотоавто-трофной биосферы Земли. С этого момента количество кислорода в атмосфере начало резко повышаться. Еще в протерозое (2, 6 млрд. — 570 млн. лет назад) эукариоты разделились на растительные и животные клетки. Большей частей растительных клеток использовался фотосинтез. Благодаря этому концентрация кислорода в атмосфере возрастала, и его уже стало хватать для процессов дыхания. Тогда же в океане появились первые многоклеточные организмы.

Около 400 млн. лет назад (конец ордовика — начало силура), когда концентрация свободного кислорода в атмосфере достигла 10%, возник озоновый экран, предохраняющий живое вещество от жесткого излучения, и жизнь вышла из моря на сушу. Как только это случилось, резко возросла интенсивность реакций фотосинтеза, а следовательно, и поступление кислорода в атмосферу. Всего за 100 млн. лет концентрация кислорода достигла современного значения в 21%. После этого состав атмосферы практически не менялся до наших дней.

Выход жизни на сушу обусловил резкое увеличение массы живого вещества. (Масса живого вещества суши в 800 раз больше биомассы океана.) Одновременно жизнь проникала все глубже в океан, осваивая все большие глубины. Наземные растения, отмирая, положили начало образованию угля, нефти, газа, горючих сланцев. Стал меняться биогеохимический круговорот элементов. При этом снижалась роль основных пород, и в земной коре вместо магния, кальция, железа большую роль стали играть кремний, натрий, алюминий, калий. Также благодаря деятельности живых организмов резко возрос круговорот кислорода и углекислого газа. Эти процессы, а также постепенное снижение уровня радиации стимулировали и ускоряли усложнение живого вещества, вели к появлению новых, более высокоорганизованных видов.

Так, на суше появились папоротники, хвощи, семенные папоротники. Развитие наземной растительности и образование почв создали предпосылки для выхода на поверхность континента животных. В результате эволюции растительного мира в мезозойской эре (около 200 млн. лет назад) возникли леса хвойных и цветковых растений.

Формирование и развитие биосферы предстает как чередование этапов эволюции, прерываемых скачкообразными переходами в качественно новые состояния, в результате чего образовывались все

более сложные и упорядоченные формы живого вещества. В истории биосферы бывали временные остановки прогрессивного развития, но они никогда не переходили в стадию деградации, поворота развития вспять. Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть на основные вехи в истории развития биосферы:

• появление простейших клеток-прокариотов;

• появление значительно более организованных клеток-эукариотов;

• объединение клеток-эукариотов с образованием многоклеточных организмов, функциональная дифференциация клеток в организме;

• появление организмов с твердыми скелетами и формирование высших животных;

• возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование мозга как органа сбора, систематизации, хранения информации и управления на ее основе поведением организмов;

• формирование разума как высшей формы деятельности мозга;

• образование социальной общности людей — носителей разума.
Вершиной направленного развития биосферы стало появление в

ней человека. В ходе эволюции Земли на смену геолого-биологической эволюции пришел период социальной эволюции, который принес самые крупные изменения в биосфере Земли, во всем облике нашей планеты.

Появление царств растений и животных

В процессе формирования биосферы эукариоты еще в протерозое разделились на растительные и животные клетки. Как считает большинство биологов, их следует различать: 1) по структуре клеток и их способности к росту, 2) способу питания, 3) способности к движению. При этом отнесение живого существа к тому или иному царству следует проводить не по каждому отдельному основанию, а по совокупности всех трех признаков, поскольку между растениями и животными существуют переходные типы, обладающие свойствами как растений, так и животных. Так, например, кораллы, моллюски, речные губки всю жизнь остаются неподвижными, как растения, но по двум другим признакам их относят к животным. Существуют насекомоядные растения, которые по способу питания относятся к животным. Есть также живые организмы, которые питаются, как растения, а двигаются — как животные. В настоящее время на Земле существует 500 тыс. видов растений и 1, 5 млн. видов животных, в том числе позвоночных — 70 тыс., птиц — 16 тыс., млекопитающих — 12 540 видов.

Образование и развитие растений

Растительные клетки покрыты жесткой целлюлозной оболочкой, которая, с одной стороны, защищает их от неблагоприятных воздействий окружающей среды, но с другой стороны, не дает им свободно перемещаться в поисках пищи. Эволюция растительных клеток была связана с совершенствованием процесса фотосинтеза, дававшего им все необходимые питательные вещества. Тем не менее, среди растений существовали не только автотрофы, но и гете-ротрофы, взаимно дополнявшие друг друга.

Самыми первыми растениями на планете были одноклеточные водоросли разных типов. Они пришли на смену безраздельно господствовавшим прокариотам: сине-зеленым водорослям и бактериям. На водорослях природа впервые опробовала половое размножение, т.е. слияние ДНК двух индивидов с последующим перераспределением генетического материала, вследствие чего потомство получается похожим на своих родителей, но не идентичным им. Это событие произошло около 900 млн. лет назад.

Затем, 700—800 млн. лет назад, появились первые многоклеточные организмы, также относящиеся к водорослям — обширной группе низших водных растений, содержащих хлорофилл и вырабатывающих органические вещества путем фотосинтеза. Именно на эти водоросли приходится наиболее длительный этап в развитии зеленых растений. Они же сыграли роль гигантского генератора свободного кислорода в атмосферу Земли.

Событием огромной важности стал выход растений на сушу, совершившийся в силуре, около 400 млн. лет назад. Этот факт стал, в свою очередь, предпосылкой для выхода на сушу животных. Считается, что еще до массового выхода растений на сушу в отдельных местах появлялись локальные участки жизни. Такими «островками» жизни могли стать побережья мелководных заливов и лагун, места, где вода периодически отступала, оставляя растения. Именно так появились растения, нижняя часть которых находилась в воде, а верхняя — в воздухе, под прямыми лучами Солнца. Затем растения смогли развить корневую систему, которая позволяла им использовать грунтовые воды.

В новых условиях фотосинтез становился более совершенным, так как солнечная энергия не поглощалась водой. Чтобы защититься от высыхания, растениям пришлось сформировать восковидную водонепроницаемую оболочку. Кроме того, произошла перестройка организмов, в них появились новые органы и ткани, изменились способы размножения, распространения и т.д. Таким образом, в растительных организмах появились корень, стебель, лист, проводящие системы, покровные ткани.

Первыми на сушу вышли псилофиты — споровые растения, похожие на плауны. У них еще не было корней и почти не было листьев. Псилофиты состояли из длинных ветвящихся зеленых стеблей и покрывали влажную почву суши настоящими зелеными коврами.

С появлением мхов и папоротников количество кислорода в атмосфере значительно увеличилось. Кроме того, в период своего расцвета мхи и папоротники создали большое количество пищевых веществ, необходимых для возникновения и развития сухопутных позвоночных животных. В это же время (девон, карбон и пермский периоды — 400—230 млн. лет назад) накапливается огромное количество каменного угля, появляются голосеменные растения. С этого момента поверхность материков стала приобретать современный облик.

В мезозое (около 200 млн. лет назад) широко распространяются хвойные, цикадовые, а в меловой период (около 100 млн. лет назад) появляются цветковые растения. Появление цветковых растений стимулировало расцвет насекомых, играющих значительную роль в их опылении.

После этого лиственные леса стали сосуществовать с появившимися ранее хвойными лесами, давшими, в свою очередь, приют папоротникам, боящимся открытого солнца. Таким образом, в современном растительном мире наряду с высокоорганизованными растениями сохранились представители более ранних эпох, которых можно назвать «живыми ископаемыми».

Образование и развитие животных

Животная клетка в отличие от растительной имеет эластичную оболочку и поэтому не теряет способности к передвижению. Таким образом, животные клетки имеют возможность активно искать себе пищу. Эволюция животных клеток шла в направлении совершенствования способов их передвижения и способов поглощения и выделения крупных частиц через оболочку. Сначала пищей служили крупные органические фрагменты, затем куски мертвой ткани и, наконец, поглощение и переваривание целых организмов, свойственное хищникам. Их появление резко интенсифицировало естественный отбор.

Первые примитивные представители животного царства ведут свое начало от одноклеточных простейших организмов, отделившихся от общего ствола с растениями. К сожалению, мы почти ничего не можем сказать о них, так как их ископаемые остатки практически не сохранились. Судя по всему, первые представители животного мира имели общие признаки с одноклеточными зелеными водорослями. Подобные организмы (радиолярии) и сегодня составляют значительную часть планктона морей и океанов.

Возникновение животной клетки было связано с переходом к гетеротрофному способу питания. Но он шел постепенно, поэтому существовали и продолжают существовать переходные формы между растениями и животными. Среди них — жгутиконосцы, которые, как животные, обладают жгутиками — органами передвижения, а как растения — автотрофным или смешанным способом питания. Так, например, и в наши дни существует эвглена зеленая, которая при хорошем освещении и наличии минеральных веществ в воде ведет себя как типичное растение. Но в темноте или при неблагоприятных условиях она теряет хлорофилл и подобно животному начинает усваивать из раствора органические вещества.

Как и у растений, важнейшим этапом в эволюции животных стало появление многоклеточных организмов. Скорее всего, переход к многоклеточности был осуществлен через колонии, в которые объединялись некоторые одноклеточные организмы. Вначале все клетки в таких колониях были одинаковыми, но затем началась их дифференциация в соответствии с выполняемыми функциями. Массовое появление многоклеточных животных произошло в позднем кембрии. Судя по всему, это были многочисленные морские беспозвоночные организмы — медузоподобные плавающие формы, кишечнополостные, морские черви.

Дальнейшая эволюция многоклеточных организмов шла в направлении совершенствования способов их передвижения, дыхания, лучшей координации деятельности клеток и т.д.

На следующую ступень в своем развитии животное царство поднялось с появлением твердых частей тела — раковин и внутреннего скелета. В кембрийских морях были ракообразные, губки, кораллы, иглокожие, моллюски, трилобиты. Твердый скелет служил опорой этим организмам, способствовал увеличению их размеров, делал их более прочными, защищал от физических повреждений. Кроме того, твердый скелет мог служить защитой от хищников, которые появились около 450 млн. лет назад.

Около 500 млн. лет появились первые позвоночные животные. Это наиболее высокоорганизованная, обширная и разнообразная группа животных, включающая рыб, земноводных, пресмыкающихся и млекопитающих. Первые позвоночные появились в воде — ими были рыбы. Современные рыбы делятся на два больших класса — хрящевых и костистых. К хрящевым относятся акулы и скаты. Некоторые виды акул появились еще в девоне, около 400 млн. лет назад, и с тех пор не менялись. Костистых рыб сегодня большинство, они преобладают в современных водоемах. Для костистых рыб характерно наличие плавательного пузыря, регулирующего глубину их погружения.

Следующий шаг в эволюции животных связан с появлением двоякодышащих рыб, живших в периодически высыхавших водоемах.

Легкие помогали им выжить в периоды засухи. В наши дни сохранилось лишь три вида таких рыб. Некоторые пресноводные двоякодышащие рыбы дали начало земноводным, которые могут далеко уходить от природных водоемов, но для размножения должны возвращаться в воду. Это произошло в девоне.

Тогда же, очевидно, появились первые насекомые. У них роль каркаса играл не внутренний скелет, а наружная хитиновая оболочка. Кроме того, насекомые обладают сложной нервной системой, с большим количеством относительно самостоятельных нервных центров. В их жизни большую роль играют врожденные реакции (у позвоночных — идет развитие головного мозга, что дает возможность преобладания условных рефлексов над безусловными). Предки насекомых, пауков и скорпионов вышли на сушу сразу вслед за растениями.

Выход животных на сушу был связан с серьезнейшими изменениями их форм. Ведь на суше вес тел больше, чем в воде, в воздухе не содержится питательных веществ, которые есть в воде в растворенном виде. Кроме того, воздух обладает иной свето- и звукопроводностью, а концентрация кислорода в нем выше, чем в воде. Таким образом, жизнь должна была адаптироваться к новым условиям, выработав соответствующие приспособления. Первыми, полностью приспособившимися к условиям суши позвоночными, стали рептилии. Их яйца были покрыты твердой скорлупой, предотвращающей высыхание, и снабжены необходимыми запасами пищи и кислорода для развития эмбриона. Первые рептилии были похожи на небольших ящериц. Они начали активное завоевание суши в карбоне (350—285 млн. лет назад). В пермском периоде (285—230 млн. лет назад) они полностью преобладали на суше.

Мезозойская эра (230—67 млн. лет назад) также проходит под властью рептилий, среди которых были как хищники, так и травоядные. В триасовом периоде (230—195 млн. лет назад) появились динозавры, размеры которых сильно варьировались — от мелких животных, величиной с кошку, до 30-метровых гигантов, весящих 40—50 т. Динозавры жили на суше (тиранозавры, игуанодоны, стегозавры, трицератопсы и др.), в воде (бронтозавры, диплодоки, ихтиозавры, плезиозавры), в воздухе (птерозавры, птеродактили).

В юрском периоде (195—137 млн. лет назад) от одной из ветвей рептилий появились птицы, которых Т. Гексли, в силу их родства с рептилиями, назвал «взлетевшими рептилиями». Птицы, как и рептилии, несут яйца, но в меньших количествах, они заботятся о своем потомстве и имеют постоянную высокую температуру тела. Переходной формой между рептилиями и птицами стал археоптерикс.

В конце мелового периода (67 млн. лет назад) произошло массовое вымирание мезозойских рептилий. Причина этого до сих пор

не ясна, хотя существуют многочисленные версии, среди которых — возможное падение гигантского метеорита, вызвавшее глобальное похолодание и изменение климата. В новых условиях преимущество в естественном отборе получили птицы, а также млекопитающие, возникшие в триасовом периоде. Но в те времена они были небольшими, преимущественно насекомоядными животными. Лишь в кайнозойскую эру начался период их господства на Земле. Это было связано с тем, что в условиях похолодания важнейшим условием выживания стала теплокровность, обеспечившая постоянную высокую температуру тела и постоянство внутренней среды организма. Поскольку млекопитающие являются живородящими животными и вскармливают своих детенышей молоком, это обеспечивает лучшую сохранность молодняка и дает возможность размножения в разнообразных условиях. Кроме того, у них развитая нервная система, способная обеспечить разнообразные формы активного приспособления к окружающей среде.

Первые насекомоядные млекопитающие дали начало плацентарным и сумчатым млекопитающим, которые развивались одновременно. В первой половине кайнозоя господствовали сумчатые. Но позже, в неогеновом периоде (27—3 млн. лет назад), они были вытеснены более высокоорганизованными плацентарными млекопитающими. Поэтому в наши дни сумчатые сохранились лишь в Австралии, Новой Гвинее и Южной Америке. Среди плацентарных млекопитающих были китообразные и грызуны, летучие мыши, приматы и т.д. Существовавшие в то время хищнокопытные разделились, дав начало хищникам и копытным животным. Во второй половине кайнозоя плацентарные млекопитающие стали господствующей группой животных.

Эволюция млекопитающих проходила в течение всей кайнозойской эры. Большую роль в этом сыграло разделение континентов, что привело к обособлению животных и формированию частично изолированных зоогеографических областей, в которых до сих пор сохранились некоторые реликтовые животные. Так, в эпоху господства сумчатых отделилась Австралия, сохранившая представителей этих животных до наших дней. Отделившаяся позже Южная Америка сохранила реликты начала кайнозойской эры, среди которых опоссумы, броненосцы и ленивцы.

Важнейшим этапом в эволюции жизни на Земле стало появление отряда приматов, предки которых были известны с мелового периода. Они походили на современных лемуров. Около 80 млн. лет назад появились приматы, обитавшие на деревьях. В палеогене (67—27 млн. лет назад) приматы разделились на низших и человекообразных обезьян. Те, в свою очередь, дали начало непосредственным предкам человека.

Таким образом, постепенно в кайнозое сформировались предпосылки, необходимые для появления человека, в частности, такой предпосылкой явился стадный образ жизни, который вели некоторые млекопитающие. Стадный образ жизни сформировал привычку будущего социального общения, проходившего без потери индивидуальности его членов. Это был значительный шаг вперед по сравнению с насекомыми, которые тоже жили большими коллективами, но при этом полностью теряли свою индивидуальность. Следующий шаг Жизнь на Земле сделала уже с появлением человека разумного — существа, обладающего способностью к целенаправленному изменению окружающего мира, созданию собственного искусственного мира культуры.

Литература для самостоятельного изучения

1. Афанасьев В. Г. Мир живого: системность, эволюция и управление. М., 1986.

2. Барг О.А. Живое в едином мировом процессе. Пермь, 1993.

3. Вернадский В.И. Начало и вечность жизни. М., 1989.

4. Войткевич Г. В. Возникновение и развитие жизни на Земле. М., 1988.

5. Войткевич Г.В. Рождение Земли. Ростов-на-Дону, 1996.

6. Ганты Т. Жизнь и ее происхождение. М., 1984.

7. История биологии с начала XX века до наших дней. М., 1975.

8. Колчинский Э.И. Эволюция биосферы. Л., 1990.

9. Опарин А.И. Возникновение жизни на Земле. М., 1957.

10. Проблемы возникновения и сущности жизни. М., 1973.

11. Фолсом К.Э. Происхождение жизни. М., 1982.

12. Шредингер Э. Что такое жизнь? М., 1972.

13. Югай Г.А. Общая теория жизни. М., 1985.

Глава 11

⇐ Предыдущая 25 26 27 28 293031 32 33 34 Следующая ⇒