Сущность и уровни организации жизни: свойства живых организмов, уровни организации жизни.

Сущность и уровни организации жизни: свойства живых организмов, уровни организации жизни.

Существенные черты живых систем

 

Число видов ныне существующих растений достигает более 500 тыс., из них цветковых примерно 300 000. Царство животных не менее разнообразно, чем царство растений, а по числу видов животные превосходят растения. Описано около 1 200 000 видов животных (из них около 900 000 видов — членистоногих, 110 000 — моллюсков, 42 000 — хордовых животных).

Но мир живого имеет еще и структурно-инвариантный аспект: живое обладает молекулярной, клеточной, тканевой и иной структур­ностью. Подавляющее большинство ныне живущих организмов (кроме вирусов и фагов) состоит из клеток. По признаку клеточного строения все живые организмы делятся на доклеточные и клеточ­ные. Доклеточные формы жизни — вирусы (открытые в 1892 г. русским микробиологом Д.И. Ивановским) и фаги. Вирусы занимают промежуточное место между живым и неживым. Они состоят из бел­ковых молекул и нуклеиновых кислот; не имеют собственного обмена веществ; вне организма или клетки они не проявляют признаков жизни. Все клеточные подразделяются на четыре царства: безъядер­ные (бактерии, цианеи), растения (багрянки, настоящие водоросли, высшие растения), грибы (низшие и высшие) и, наконец, животные (простейшие и многоклеточные). Безъядерные, видимо, относятся к самым древним формам жизни на Земле. Кроме того, существует множество сообществ разной сложности, включающих как особей одного вида, так и особей, принадлежащих к разным видам.

Биология XX в. углубила понимание существенных черт живого, раскрыв молекулярные основы жизни. В основе современной биоло­гической картины мира лежит представление о том, что мир живого — это грандиозная СИСТЕМА высокорганизованных систем. Любая система (и в неорганической, и в органической природе) состоит из совокупности элементов (компонентов) и связей между ними (структуры), которые объединяют данную совокупность элементов в единое целое. Биоло­гическим системам свойственны свои специфические элементы и особенные типы связей между ними.

Сначала об элементах и компонентах биологических систем. В них выражена дискретная составляющая живого. Живые объекты, системы в природе относительно обособлены друг от друга (особи, популяции, виды). Любая особь многоклеточного животного состо­ит из клеток, а любая клетка и одноклеточные существа — из опреде­ленных органелл. Органеллы образуются дискретными, обычно вы­сокомолекулярными, органическими веществами. Среди живых сис­тем нет двух одинаковых особей, популяций и видов.

Вместе с тем сложная организация немыслима без целостности. Целостность порождается структурой системы, типом связей между ее элементами. Биологические системы отличаются высоким уров­нем целостности и самоорганизацией. Живые системы — открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом и энергией со сре­дой. Для них характерны отрицательная энтропия (увеличение упо­рядоченности), возрастающая в процессе органической эволюции, способность к самоорганизации материи.

Всем живым системам свойственны следующие существенные черты: обмен веществ, подвижность, раздражимость, рост, размно­жение, приспособляемость. Каждое из этих свойств порознь может встречаться и в неживой природе и поэтому само по себе не может рассматриваться как специфическое для живого. Однако все вместе они никогда не характеризуют объекты неживой природы и свойст­венны только миру живого, и в своем единстве являются критериями, отличающими живое от неживого.

Живой организм — это множественная система химических про­цессов, в ходе которых происходит постоянное разрушение молеку­лярных органических структур и их воспроизводство. Современная молекулярная биология показала поразительное единство живой ма­терии на всех уровнях ее развития — от простейшего микроорганиз­ма до высшего млекопитающего. Выяснилось, что существует только два основных класса молекул, взаимодействие которых определяет то, что мы называем жизнью. Это — нуклеиновые кислоты и белки. Взятые вместе, они и образуют основу живого.

Основой воспроизводства является синтез белков, который про­исходит в клетках организма при помощи нуклеиновых кислот — ДНК и РНК (рибонуклеиновая кислота). Белки — это очень сложные макромолекулы, структурными элементами которых являются ами­нокислоты. Структура белка задается последовательностью образую­щих его аминокислот. Причем характерно то, что из 100 известных в органической химии аминокислот в образовании белков всех орга­низмов используется только 20. Почему именно эта двадцатка амино­кислот, а не какие-либо другие синтезирует белки нашего органичес­кого мира, до сих пор так и не ясно.

Нуклеиновые кислоты обладают более простой структурой. Они образуют длинные полимерные цепи, звеньями которых выступают нуклеотиды — соединения азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. В ДНК основаниями служат аденин, гуанин, цитозин и тимин. Эти азотистые основания присоединяются к сахару по одному в разной последовательности. Аденин и гуанин являются пуринами, а цитозин, тимин и урацил — пирамидинами. В РНК тимин заменен урацилом, а сахар дезоксирибоза в ДНК — рибозой в РНК.

Сущность живого наиболее концентрированно выражена в заме­чательном явлении конвариантной редупликации. Конвариантная редупликация — «самовоспроизведение с изменениями», осуществляемое на основе матричного принципа синтеза макромолекул. В его основе — уникальная способность к самовоспроизведению основ­ных управляющих систем (ДНК, хромосом и генов), которые облада­ют относительно высокой степенью стабильности. Такая стабиль­ность и обеспечивает возможность идентичного самовоспроизведе­ния (явление наследственности). Все основные свойства живого не­мыслимы без наследственной передачи свойств в ряду поколений.

С другой стороны, при самовоспроизведении управляющих сис­тем в живых организмах происходит не абсолютное повторение, а воспроизведение с внесением изменений, что также определяется свойствами молекул ДНК. Абсолютной стабильности в природе не бывает. Любая достаточно сложная молекулярная структура, претер­певает структурные изменения в результате движения атомов и молекул. Если эти изменения не ведут к летальному исходу, они будут передаваться по наследству в результате самовоспроизведения по матричному принципу. Конвариантная редупликация означает воз­можность передачи по наследству мутаций, т.е. дискретных отклоне­ний от исходного состояния.

 

Концепция возникновения жизни: подходы к решению проблемы возникновения жизни, условия и факторы зарождения жизни, начальные этапы эволюции.

 

Возникновение жизни

С позиций современной науки жизнь возникла из неживого вещества в результате эволюции материи, является результатом естественных процессов, происходивших во Вселенной. Жизнь — это свойство ма­терии, которое ранее не существовало и появилось в особый момент истории нашей планеты Земля. Возникновение жизни явилось ре­зультатом процессов, протекавших сначала миллиарды лет во Все­ленной, а затем многие миллионы лет на Земле. От неорганических соединений к органическим, от органических к биологическим —таковы последовательные стадии, по которым осуществлялся про­цесс зарождения жизни.

Возраст Земли исчисляется примерно 5 млрд лет. Жизнь сущест­вует на Земле, видимо, более 3, 5 млрд лет. Признаки деятельности живых организмов обнаружены в докембрийских породах, рассеянных по всему земному шару.

В сложном процессе возникновения жизни на Земле можно выде­лить несколько основных этапов. Первый из них связан с образова­нием простейших органических соединений из неорганических.

Образование простых органических соединений. Происхожде­ние жизни связано с протеканием определенных химических реак­ций на поверхности первичной планеты. Каковы же основные этапы химической эволюции жизни?

На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном сниже­нии температуры атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях концентрировались атомы легких элемен­тов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, циа­нистый водород, а также молекулярный водород, кислород, азот. Физические и химические свойства воды (высокий дипольный мо­мент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образова­ния окислов, способность к восстановлению и образованию линей­ных соединений) определили то, что именно они оказались у колы­бели жизни.

На этих начальных этапах сложилась первичная атмосфера Земли, которая носила не окислительный, как сейчас, а восстанови­тельный характер. Кроме того, она была богата инертными газами (гелием, неоном, аргоном). Эта первичная атмосфера уже утрачена. На ее месте образовалась вторая атмосфера Земли, состоящая на 20% из кислорода — одного из наиболее химически активных газов. Эта вторая атмосфера — продукт развития жизни на Земле, одно из его глобальных следствий.

Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда га­зообразных соединений в жидкое и твердое состояние, а также обра­зование земной коры. Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100°С произошло сгущение водяных паров. Длительные ливни с частыми грозами привели к образованию больших водоемов. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилось много раскаленной массы, в том числе карбидов — соединений металлов с углеродом. При взаи­модействии карбидов с водой выделялись углеводородные соедине­ния. Горячая дождевая вода как хороший растворитель имела в своем составе растворенные углеводороды, а также газы (аммиак, углекис­лый газ, цианистый водород), соли и другие соединения, которые могли вступать в химические реакции. С особым успехом, видимо, протекали процессы роста молекул при наличии группы – N = С = N -. У этой группы большие химические возможности к росту за счет как присоединения к атому углерода атома кислорода, так и реагирова­ния с азотистым основанием. Так постепенно на поверхности моло­дой планеты Земля накапливались простейшие органические соеди­нения. Причем накапливались в больших количествах. Подсчеты по­казывают, что только посредством вулканической деятельности на поверхности Земли могло образоваться около 10¹⁶ кг органических молекул. Это всего на 2—3 порядка меньше массы современной био­сферы!

Вместе с тем астрономическими исследованиями установлено, что и на других планетах, и в космической газопылевой материи имеются углеродные соединения, в том числе углеводороды.

Возникновение сложных органических соединений. Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений, в частности белковых веществ в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым раз­рядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись и образовывались углеводы, жиры, аминокослоты, белки и нуклеиновые кислоты.

Возможность такого синтеза была доказана опытами А.М. Бутле­рова, который еще в середине прошлого столетия получил из фор­мальдегида углеводы (сахар). В 1953—1957 гг. химиками различных стран (США, СССР, Германии) в целом ряде экспериментов из смеси газов (аммиака, метана, водяного пара, водорода) при 70—80°С и давлении несколько атмосфер под воздействием электрических раз­рядов напряжением 60 000 В и ультрафиолетовых лучей были синтезированы органические кислоты, в том числе аминокислоты (гли­цин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), которые явля­ются материалом для образования белковой молекулы. Таким обра­зом, были смоделированы условия первичной атмосферы Земли, при которых могли образовываться аминокислоты, а при их полимериза­ции — и первичные белки.

Эксперименты в этом направлении оказались перспективными. В дальнейшем (при использовании других соотношений исходных газов и видов энергии) путем реакции полимеризации из простых молекул получали более сложные молекулы: белки, липиды, нуклеи­новые кислоты и их производные, а позже была доказана возмож­ность синтеза в условиях лаборатории и других сложных биохимических соединений, в том числе белковых молекул (инсулина), азо­тистых оснований нуклеотидов. Особенно важно то, что лаборатор­ные эксперименты совершенно определенно показали возможность образования белковых молекул в условиях отсутствия жизни.

С определенного этапа в процессе химической эволюции на Земле активное участие стал принимать кислород. Он мог накапливаться в атмосфере Земли в результате разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. (Для превраще­ния восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную потребовалось не менее 1—1, 2 млрд лет.) С накоплением в атмосфере кислорода восстановленные соединения начали окисляться. Так, при окислении метана образовались метиловый спирт, формальде­гид, муравьиная кислота и т.д., которые вместе с дождевой водой попадали в первичный океан. Эти вещества, вступая в реакции с аммиаком и цианистым водородом, дали начало аминокислотам и соединениям типа аденина. Важно и то, что более сложные органи­ческие соединения являются более стойкими перед разрушающим действием ультрафиолетового излучения, чем простые соединения.

Анализ возможных оценок количества органического вещества, которое накопилось неорганическим путем на ранней Земле, впечат­ляет: по некоторым расчетам за 1 млрд лет над каждым квадратным сантиметром земной поверхности образовалось несколько кило­граммов органических соединений. Если их все растворить в миро­вом океане, то концентриация раствора была бы приблизительно 1%. Это довольно концентрированный «органический бульон». В таком «бульоне» мог вполне успешно развиваться процесс образо­вания более сложных органических молекул. Таким образом, воды первичного океана постепенно насыщались разнообразными орга­ническими веществами, образуя «первичный бульон». Насыщению такого «органического бульона» в немалой степени способствовала еще и деятельность подземных вулканов.

«Первичный бульон» и образование коацерватов. Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ, воз­никновением белковых тел.

В водах первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходили их смешивание, взаимодействие и объ­единение в мелкие обособленные структуры раствора. Такие структу­ры можно легко получить искусственно, смешивая растворы разных белков, например желатина и альбумина. Эти обособленные в раство­ре органические многомолекулярные структуры выдающийся рус­ский ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями или коацерватами *. Коацерваты — мельчайшие коллоидальные частицы — капли, обладающие осмотическими свойствами. Коацерваты образу­ются в слабых растворах. Вследствие взаимодействия противоположных электрических зарядов происходит агрегация молекул. Мелкие сферические частицы возникают потому, что молекулы воды созда­ют вокруг образовавшегося агрегата поверхность раздела.

Исследования показали, что коацерваты имеют достаточно слож­ную организацию и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами. Например, они способны погло­щать из окружающей среды разные вещества, которые вступают во взаимодействие с соединениями самой капли, и увеличиваться в раз­мере. Эти процессы в какой-то мере напоминают первичную форму ассимиляции. Вместе с тем в коацерватах могут происходить процес­сы распада и выделения продуктов распада. Соотношение между этими процессами у разных коацерватов неодинаково. Выделяются отдельные динамически более стойкие структуры с преобладанием синтетической деятельности. Однако все это еще не дает основания для отнесения коацерватов к живым системам, потому что они лише­ны способости к самовоспроизведению и саморегуляции синтеза ор­ганических веществ. Но предпосылки возникновения живого в них уже содержались.

Коацерваты объясняют, как появились биологические мембраны. Образование мембранной структуры считается самым «трудным» этапом химической эволюции жизни. Истинное живое существо (в виде клетки, пусть даже самой примитивной) не могло оформиться до возникновения мембранной структуры и ферментов. Биологичес­кие мембраны — это агрегаты белков и липидов, способные отграни­чить вещества от среды и придать упаковке молекул прочность. Мем­браны могли возникнуть в ходе формирования коацерватов.

Повышенная концентрация органических веществ в коацерватах увеличивала возможность взаимодействия между молекулами и усложнения органических соединений. Коацерваты образовывались в воде при соприкосновении двух слабо взаимодействующих полиме­ров.

Кроме коацерватов в «первичном бульоне» накапливались полинуклеотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых невозможно образование способности к самовоспроизведению и об­мену веществ. Катализаторами могли быть и неорганические вещест­ва. Так, Дж. Берналом в свое время была выдвинута гипотеза о том, что наиболее удачные условия для возникновения жизни складыва­лись в небольших спокойных теплых лагунах с большим количеством ила, глинистой мути. В такой среде очень быстро протекает полиме­ризация аминокислот; здесь процесс полимеризации не нуждается в нагревании, так как частицы ила выступают в качестве своеобразных катализаторов.

Возникновение простейших форм живого. Главная проблема в учении о происхождении жизни состоит в объяснении возникнове­ния матричного синтеза белков. Жизнь возникла не тогда, когда образовались пусть даже очень сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК и др., а тогда, когда начал действовать механизм конвариантной редупликации. Именно поэтому заверше­ние процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. В ходе предбиологического отбора наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению.

Переход к матричному синтезу белков был величайшим качест­венным скачком в эволюции материи. Однако механизм такого пере­хода пока не ясен. Основная трудность здесь состоит в том, что для удвоения нуклеиновых кислот нужны ферментные белки, а для созда­ния белков — нуклеиновые кислоты. Как разорвать эту «замкнутую цепь»? Иначе говоря, нужно объяснить, как в ходе предбиологичес­кого отбора объединились способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов в ус­ловиях пространственно-временного разобщения начальных и ко­нечных продуктов реакции.

Существуют разные гипотезы на сей счет, но все они так или иначе не полны. Однако в настоящее время наиболее перспективными здесь являются гипотезы, которые опираются на принципы теории самоорганизации, синергетики *, на представления о гиперциклах, т.е. системах, связывающих самовоспроизводящиеся (автокаталити­ческие) единицы друг с другом посредством циклической связи. В таких системах продукт реакции одновременно является и ее катали­затором или исходным реагентом. Потому и возникает явление само­воспроизведения, которое на первых этапах вовсе могло и не быть точной копией исходного органического образования. О трудностях становления самовоспроизведения свидетельствует само существо­вание вирусов и фагов, которые представляют собой, по-видимому, осколки форм предбиологической эволюции.

В последующем предбиологический отбор коацерватов, по-види­мому, шел по нескольким направлениям. Во-первых, в направле­нии выработки способности накопления специальных белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реак­ций. В результате строение нуклеиновых кислот изменялось в на­правлении преимущественного «размножения» систем, в которых удвоение нуклеиновых кислот осуществлялось с участием фермен­тов. На этом пути и возникает характерный для живых существ цик­лический обмен веществ:

 

Во-вторых, в системе коацерватов присходил и отбор самих нуклеиновых кислот по наиболее удачному сочетанию последова­тельности нуклеотидов. На этом пути формировались гены. Самовоспроизводящиеся системы со сложившейся стабильной последова­тельностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть на­званы живыми.

В проблеме возникновения жизни еще много неопределенного, она еще далека от своего окончательного разрешения. Так, напри­мер, не ясно, почему все белковые соединения, входящие в состав живого вещества, имеют только «левую симметрию». Какие механиз­мы предбиологической эволюции могли к этому привести?

Знание условий, которые способствовали возникновению жизни на Земле, позволяют понять, почему в наше время невозможно появ­ление живых существ из неорганических систем. В нашу эпоху отсутствуют условия для синтеза и усложнения органических веществ: простые соединения, которые могли бы где-то образоваться, сразу же были бы использованы гетеротрофами. Теперь живые существа по­являются только вследствие размножения.

Возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами (ускоре­ние эволюции во времени). Так, развитие от первичных протобионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн лет, приматы выделились за 12— 15 млн лет, для становления человека потребовалось около 3 млн лет.

 

Докембрий (Криптозой)

Докембрий длился почти 4 млрд лет. В этот отрезок времени на Земле произошли значительные изменения: Кора остыла, появились океаны и, что самое важное, появилась примитивная жизнь. Однако следы этой жизни в палеонтологической летописи редки, поскольку первые организмы были мелкими и не имели твёрдых оболочек.

На докембрий приходится большая часть геологической истории Земли — около 3, 8 млрд лет. При этом его хронология разработана гораздо хуже, чем последовавшего за ним фанерозоя. Причина этого в том, что органические остатки в докембрийских отложениях встречаются крайне редко, что является одной из отличительных особенностей этих древнейших геологических образований. Поэтому палеонтологический метод изучения не применим для докембрийских толщ.

1. Архейский эон (4, 6 — 2, 5 млрд лет назад)

Исследования метеоритов, горных пород и других материалов того времени показывают, что наша планета сформировалась примерно 4, 6 млрд лет назад. До этого времени вокруг Солнца был только размытый диск, состоящий из газа и космической пыли. Затем, под действием силы притяжения пыль стала собираться в небольшие тела, которые в итоге превратились в планеты.

На протяжении многих миллионов лет на Земле не существовало никаких форм жизни. После архейского эпизода расплавления верхней мантии и её перегрева с возникновением в этой геосфере магматического океана вся первозданная поверхность Земли вместе с её первичной и изначально плотной литосферой очень быстро погрузилась в расплавы верхней мантии. Атмосфера в то время не была плотной и состояла из ядовитых газов, таких как аммиак (NH3), метан (CH4), водород (H2), хлор (Cl2), сера. Температура её достигала 80°С. Естественная радиоактивность была во много раз выше нынешней. Жизнь в таких условиях была невозможна.

4 млрд лет назад Земля предположительно столкнулась с небесным телом размером с Марс (с планетой Тейя). Столкновение было таким сильным, что образовавшиеся при столкновении обломки были выброшены в космос и образовали Луну. Образование Луны способствовало появлению жизни: она вызывала приливы, способствовавшие очищению и аэрации морей, и стабилизировала ось вращения Земли.

Первые химические следы жизни возрастом примерно 3, 5 млрд лет были обнаружены в горных породах Австралии (Пилбара. Позднее органический углерод был обнаружен в породах, датируемых 4, 1 млрд лет. Возможно, жизнь зародилась именно в горячих источниках, где было много питательных веществ, в том числе и нуклеотидов.

Жизнь в архее развилась до бактерий и цианобактерий. Они вели придонный образ жизни: устилали дно моря тонким слоем слизи.

Катархей

Вновь образованная в катархее Земля имела очень высокую температуру из-за экстремального вулканизма и частых столкновений с другими небесными телами, но в конце концов начала остывать.

Катархейский эон (др.-греч. κ α τ ἀ ρ χ α ῖ ο ς — «ниже древнейшего»), 4, 6—3, 8 миллиардов лет назад, известен как протопланетный этап развития Земли. Охватывает первую половину архея. Земля в то время была холодным телом с разреженной атмосферой и без гидросферы. В таких условиях никакой жизни появиться не могло.

Во время катархея атмосфера не была плотной. Она состояла из газов и паров воды, появлявшихся при столкновении Земли с астероидами.

В связи с тем, что Луна тогда была слишком приближена (всего на 17 тысяч км) к Земле, сутки длились недолго — всего 6 часов. Но, по мере отдаления Луны, сутки стали увеличиваться.

Эоархей

Длился 4—3, 6 млрд лет назад. Возможно, прокариоты появились уже в конце эоархея. Кроме того, к эоархею относятся древнейшие геологические породы — формация Исуа в Гренландии.

Палеоархей

Палеоархей (от др.-греч. π α λ α ι ό ς — «старый» и ἀ ρ χ α ῖ ο ς — «древний») продолжался с 3, 6 по 3, 2 млрд лет назад. В Австралии найдена самая древняя форма жизни, относящаяся к этой эре — хорошо сохранившиеся остатки бактерий возрастом 3, 46 млрд лет.

Мезоархей

Мезоархей (от др.-греч. μ έ σ ο ς — «средний» и ἀ ρ χ α ῖ ο ς — «древний») длился 3, 2—2, 8 млрд лет назад. В мезоархее уже встречаются строматолиты.

Неоархей

Неоархей длился 2, 8-2, 5 млрд лет назад. В этом периоде появился кислородный фотосинтез, который стал причиной кислородной катастрофы, случившейся в палеопротерозое. В этом периоде активно развиваются бактерии и водоросли.

2. Протерозойский эон (2, 5 млрд — 543 млн лет назад)

Протерозой (греч. π ρ ό τ ε ρ ο ς — первый, старший, греч. ζ ω ή — жизнь) — ознаменован возникновением сложно устроенных растений, грибов и животных (например, губки). Жизнь в начале протерозоя по прежнему была сосредоточена в морях, так как условия на суше были не совсем благоприятными: атмосфера состояла преимущественно из сероводорода, CO2, N2, CH4, и совсем малого количества O2.

Однако, бактерии, жившие в то время в морях, стали вырабатывать O2 в качестве побочного продукта, и 2 млрд лет назад количество кислорода уже достигло устойчивого уровня. Но резкое увеличение кислорода в атмосфере привело к кислородной катастрофе, которая привела к изменению органов дыхания у организмов, населявших в то время океаны (анаэробные сменились аэробными) и изменению состава атмосферы (образования озонового слоя). Вследствие уменьшения парникового эффекта на Земле наступило длительное Гуронское оледенение: температура опускалась до − 40°С.

Дальнейшие ископаемые останки первых многоклеточных встречаются уже после оледенения. В то время океаны населяли такие животные как сприггина (Spriggina) — червеобразные животные, имевшие головной и задний концы. Такие животные, возможно, стали предками современных животных.

Палеопротерозой

Палеопротерозо́ й — геологическая эра, часть протерозоя, начавшаяся 2, 5 миллиарда лет назад и окончившаяся 1, 6 миллиарда лет назад. В это время наступает первая стабилизация континентов. В это время также эволюционировали цианобактерии — тип бактерий, использующих биохимический процесс фотосинтеза для производства энергии и кислорода.

 

Важнейшее событие раннего палеопротерозоя — кислородная катастрофа. До значительного повышения содержания кислорода в атмосфере почти все существующие формы жизни были анаэробами, то есть обмен веществ в живых формах зависел от форм клеточного дыхания, которые не требовали кислорода. Доступ кислорода в больших количествах губителен для большинства анаэробных бактерий, поэтому в это время большая часть живых организмов на Земле исчезла. Оставшиеся формы жизни были либо невосприимчивы к окислению и губительному воздействию кислорода, либо проводили свой жизненный цикл в среде, лишенной кислорода.

Мезопротерозой

Мезопротерозо́ й — геологическая эра, часть протерозоя, начавшаяся 1, 6 миллиарда лет назад и окончившаяся 1 миллиард лет назад.

Неопротерозой

Неопротерозой, англ. Neoproterozoic Era — геохронологическая эра (последняя эра протерозоя), начавшаяся 1000 млн лет назад и завершившаяся 542 млн лет назад.

С геологической точки зрения характеризуется распадом древнего суперконтинента Родиния как минимум на 8 фрагментов, в связи с чем прекращает существование древний суперокеан Мировия. Во время криогения наступило самое масштабное оледенение Земли — льды достигали экватора (Земля-снежок).

К позднему неопротерозою (Эдиакарий) относятся древнейшие ископаемые останки живых организмов, так как именно в это время у живых организмов начинает вырабатываться некое подобие твёрдой оболочки или скелета.

34. Развитие жизни на земле. Фанерозойский эон (палеозойская, мезозойская, кайнозойская эра).

Фанерозой

Фанерозойский эон (др.-греч. φ α ν ε ρ ό ς ζ ω ή — «явная жизнь») начался примерно 543 млн лет назад и продолжается в наше время. В фанерозое появлялись и вымирали самые причудливые создания, в том числе гигантские насекомые и динозавры.

Палеозойская эра

В начале палеозоя (греч. π ᾰ λ α ι ό ς — древний, греч. ζ ω ή — жизнь) появились животные с твёрдым наружным скелетом. В образованиях этой эры встречается множество окаменевших останков таких животных.

1.1.Кембрийский период (543—490 млн лет назад)

В кембрийском периоде внезапно появляется огромное разнообразие живых организмов — предков нынешних представителей многих подразделений животного царства (в отложениях предшествующих кембрию останки таких организмов отсутствуют). Это внезапное в геологическом масштабе событие, но в реальности длившееся миллионы лет, известно в науке как кембрийский взрыв.

Ископаемые останки животных кембрийского периода находят довольно часто и по всему миру. В начале кембрийского периода (примерно 540 млн лет назад) у некоторых групп животных появляется сложно устроенный глаз. Появление этого органа было огромным эволюционным шагом — теперь животные могли видеть окружающий их мир. Так, жертвы теперь могли видеть охотников, а охотники — своих жертв.

В кембрийском периоде на суше жизнь не существовала. Но океаны были густо населены беспозвоночными, например, губками, трилобитами[29], аномалокарами[30]. Время от времени огромные подводные оползни погребали сообщества морских существ под тоннами ила. Благодаря этим оползням мы можем наглядно представить себе, каким причудливым был животный мир кембрийского периода, ведь в иле прекрасно сохранились в виде окаменелостей даже нежные мягкотелые животные.

В морях позднего кембрийского периода основными группами животных были членистоногие, иглокожие и моллюски. Но самым важным обитателем морей того времени было бесчелюстное существо хайкоуихтис — у него кроме глаз развилась хорда.

1.2.Ордовикский период (490—443 млн лет назад)

Во время ордовика суша оставалась не обжитой, за исключением лишайников, которые первыми из растений стали жить на суше. Но основная жизнь развивалась довольно активно в морях.

Основными обитателями ордовикских морей были членистоногие, такие как мегалограпт. Они могли ненадолго выходить на сушу, чтобы отложить икру. Но были и другие обитатели, например, представитель класса головоногих ортокон камерацер.

Позвоночные животные в ордовике сформировались ещё не до конца. В морях плавали потомки хайкоуихтиса, у которых имелось образование, напоминающее позвоночник.

Также в морях ордовикского периода жили представители кишечнополостных, иглокожих, кораллов, губок и других беспозвоночных.

1.3.Силурийский период (443—417 млн лет назад)

В силуре на сушу выходят некоторые растения, к примеру, куксонии (Coocsonia), которые достигали в высоту не более 10 см, и некоторые виды лишайников. У некоторых членистоногих развились примитивные лёгкие, позволявшие им дышать атмосферным воздухом, например, скорпион бронтоскорпио мог находиться на суше в течение четырёх часов.

В морях спустя миллионы лет формируются огромные коралловые рифы, где находили себе убежище мелкие ракообразные и плеченогие. В этом периоде членистоногие становятся ещё больше, например, ракоскорпион птеригот мог достигать 2, 5 метров в длину, однако, он был слишком крупным, чтобы выползать на сушу.

В силурийских морях появляются окончательно сформировавшиеся позвоночные животные. В отличие от членистоногих, у позвоночных имелся костный хребет, позволявший им лучше маневрировать под водой. У позвоночного цефаласписа, например, также развились сенсорные органы, которые генерировали особое магнитное поле, позволявшее ему ощущать окружающую среду. Также у цефаласписа развился примитивный мозг, позволявший животному запоминать некоторые события.

1.4.Девонский период (417—354 млн лет назад)

В девоне жизнь продолжает активно развиваться на суше и в море. Появляются первые примитивные леса, состоящие в основном из древнейших примитивных древовидных папоротников археоптерисов (Archaeopteris), которые произрастали в основном по берегам рек и озёр.

Основная жизнь в раннем девоне была представлена в основном членистобрюхими[35] и многоножками, которые дышали всей поверхностью тела и жили в очень влажных местах. Однако, к концу девона у древних артроподов появляется хитиновый панцирь, сокращается число сегментов тела, четвёртая пара лап превращается в усики и челюсти, у некоторых также развились крылья. Так появилась новая эволюционная ветвь — насекомые, которая смогла освоить самые разнообразные уголки планеты.

В середине девона на сушу ступили первые амфибии (например, гинерпетон, ихтиостега). Они не могли жить вдали от воды, так как их кожа была ещё очень тонка и незащищена от пересыхания. К тому же, амфибии могли размножаться только при помощи воды — икринками. Вне воды потомство амфибии погибло бы: икру иссушило бы солнце, ведь она не защищена никакой оболочкой, кроме тонкой плёнки.

У рыб развились челюсти, позволявшие им ловить быстро плавающих жертв. Они стали стремительно увеличиваться в размерах. Уже к концу девона в морях появились первые костные рыбы, такие как гигантская хищная гинерия. Однако самыми грозными обитателями девонских морей были представители группы плакодерм, такие как дунклеостей и динихтис, достигавшие в длину 8-10 метров.

1.5.Каменноугольный период (354—290 млн лет назад)

В каменноугольном периоде почти на всей планете климат был жаркий и влажный. В болотистых лесах того времени росли преимущественно хвощи, древовидные папоротники и гигантские лепидодендроны, достигавшие в высоту от 10 до 35 метров, и в диаметре ствола — до одного метра.

123Следующая ⇒

Поделиться: