Основные этапы эволюции жизни на Земле

Наука пока не способна сказать, как выглядел самый первый организм, появившийся на Земле, - предок, от которого берут начало три основные ветви древа жизни. Одна - эукариоты (растения, грибы и животные), клетки которых имеют ядро с генетическим материалом и специализированные органеллы. Вторая - прокариотные (доядерные) одноклеточные организмы (бактерии), не имеющие ядра и органелл. Третья - архебактерии, клетки которых устроены так же, как и у прокариот, но совсем с другой химической структурой липидов. Археобактерии способны выживать в крайне неблагоприятных условиях. Некоторые из них обитают исключительно в горячих источниках с температурой +90°С и выше, где другие организмы погибают. При этом археобактерии потребляют железо и серу, а также ряд токсичных химических соединений.

Геологическая эра Земли от ее образования до зарождения жизни называется катархей (от греч. «ниже древнейшего») - эра, когда была безжизненная Земля, окутанная ядовитой для живых существ атмосферой, лишенной кислорода; гремели вулканические извержения, сверкали молнии, жесткое ультрафиолетовое излучение пронизывало атмосферу и верхние слои воды. Под влиянием этих явлений из окутавшей Землю смеси паров сероводорода, аммиака, угарного газа начинают синтезироваться первые органические соединения, возникают свойства, характерные для жизни.

Первые фотосинтезирующие микроорганизмы - останки цианобактерий - были обнаружены в древних отложениях Австралии, возраст которых 3,46 млрд лет. О былом господстве анаэробов и цианобактерий свидетельствуют строматолиты - рифоподобные образования, представляющие следы сообществ микроорганизмов. В результате жизнедеятельности фотосинтезирующих цианобактерий в океане, а затем и в атмосфере - появился кислород. Он взаимодействовал с растворенным в воде железом, создавая окислы железа, осаждавшиеся на дне. Так с участием микроорганизмов возникли залежи железной руды. После того как фотосинтезирующие цианобактерии создали из углекислого газа запас богатой энергией органики и обогатили атмосферу кислородом, возникли бактерии-аэробы, способные существовать только в присутствии кислорода.

В Архее - древнейшей эре (3,5-2,6 млрд. лет назад), происходит и первая биологическая революция - переход от прокариот (бактерий и сине-зеленых) - безъядерных организмов, к эукариотам (одноклеточным организмам с ядром). Два миллиарда лет назад появились сложноорганизованные эукариотные клетки, когда одноклеточные организмы усложнили свое строение за счет поглощения других прокариотных клеток и симбиоза с ними. Одни из них - аэробные бактерии - превратились в митохондрии - энергетические станции кислородного дыхания. Другие - фотосинтетические бактерии - начали осуществлять фотосинтез внутри клетки-хозяина и стали хлоропластами в клетках водорослей и растений (гипотеза Л.Маргулиса). В отложениях архея найдены также остатки нитчатых водорослей. В этот период появляются гетеротрофные организмы не только в море, но и на суше. Образуется почва. В атмосфере снижается содержание метана, аммиака, водорода, начинается накопление углекислого газа и кислорода.

Протерозой (с греч. «первичная жизнь») - огромный по продолжительности этап исторического развития Земли (2,6 млрд.-570 млн. лет назад). Более миллиарда лет назад произошел взрыв эволюции, обусловленный появлением полового размножения и ознаменовавшийся появлением высокоорганизованных форм жизни - растений и животных. Образование новых вариаций в смешанном генотипе, возникающем при половом размножении, проявилось в виде биоразнообразия новых форм жизни. Возникновение многоклеточности - важный ароморфоз в эволюции жизни. Конец протерозоя иногда называют "веком медуз" - в это время палеонтологи начинают встречать остатки первых многоклеточных существ - водорослей, простых кишечнополостных, губок, червей и ряда примитивных организмов неизвестной систематической принадлежности. Все эти студенистые существа не имеют скелета, хотя иногда достигают метровых размеров.

Появление многоклеточных - вторая биологическая революция. В течение протерозоя в результате жизнедеятельности океанического планктона в атмосфере накапливается свободный кислород и резко сокращается содержание углекислоты. Архей и протерозой в совокупности называют еще криптозоем - эрой скрытой жизни.

Последующее время назвали фанерозоем - эрой явной жизни. На рубеже протерозоя и палеозоя (эр первичной и древней жизни), 600 млн. лет назад, происходит третья биологическая революция. Живые организмы приобретают возможность строить твердый скелет. Появляются кораллы, напоминающие кубки археоциаты, моллюски и брахиоподы в раковинах, членистоногие (трилобиты) в хитиновых панцирях.

Палеозой (от греч. «древняя жизнь») - геологическая эра 570-230 млн. лет с периодами рассмотренными ниже. Для развития жизни в раннем палеозое (кембрий, ордовик, силур) характерно интенсивное развитие наземных растений и выход на сушу животных.

В кембрийский период 580-500 млн. л.н. на поверхности Земли появляются первые вневодные формы жизни - примитивные водоросли и лишайники. Несколько позже к ним присоединяются мхи, плауны и папоротникообразные. В течение ордовикского и силурийского периодов (500-410 млн. л.н.) активно развивается и водная флора и фауна беспозвоночных. По дну среди кораллов и водорослей ползают примитивные иглокожие, копошатся похожие на мокриц трилобиты, снуют головоногие ортоцерасы, достигающие 4 м в длину. Возникли и не менее крупные хищные ракоскорпионы. Если самые малые были 10-30 см, то гиганты вырастали до 3-4 м. Охотились они на покрытых панцирем древнейших позвоночных - бесчелюстных гетеростраков, отдаленно напоминающих рыб. В процессе совершенствования бесчелюстных возникли панцирные, а затем и другие рыбы. Панцири древних бесчелюстных и панцирных рыб обладали практически идеальной гидродинамикой, а их эволюцию можно сравнить с «эволюцией» современной авиации - от примитивных «этажерок» до самолетов с изменяемой стреловидностью крыла. Древнейшими костистыми рыбами, появившимися в силуре, были акантоды, обитавшие преимущественно в пресных водах. Их веретеновидное тело было покрыто мелкой плотной ромбической чешуей. Интересно, что число парных плавников у акантодов не было строго фиксировано и некоторые имели их до 7 пар - могло сложиться и так, что на сушу впервые выбралось бы не 4-х, а 6- или, к примеру, 8-ногое существо.

Веком рыб называют следующий период - девонский (410-350 млн. лет). В девонских водоемах помимо панцирных бесчелюстных рыб-акантод, обитали панцирные рыбы с настоящими челюстями - плакодермы. Голова и передняя часть туловища у них были одеты в могучие «латы» из костных пластинок кожного происхождения. Однако первыми существами, начавшими осваивать сушу была особая группа костистых рыб - кистеперые. Кистеперые рыбы обладали необычным строением парных брюшных и грудных плавников, напоминавших лапы. Это позволяло кистеперым преодолевать небольшие расстояния по побережью или на мелководье, опираясь на плавники. Умение пригодилось: наступившее в конце силура горообразование изменило климат и условия существования организмов. В результате поднятия суши и сокращения морей климат девона был более континентальный, чем в силуре. В девоне появились пустынные и полупустынные области; на суше появляются первые леса из гигантских папоротников, хвощей и плаунов. Новые группы животных начинают завоевывать сушу, но их отрыв от водной среды не был еще окончательным. Древнейшие наземные позвоночные - ихтиостеги - происходят из верхнедевонских отложений Гренландии. Размеры их достигали 1 м. Это неуклюжие земноводные со сжатым с боков несколько рыбообразным телом, слабо развитым хвостовым плавником, но уже пятипалыми конечностями. Потомками ихтиостег стали стегоцефалы - разнообразные хвостатые земноводные размером от нескольких 20 см до нескольких метров.

Каменноугольный период - карбон (350-285 млн. лет) был не столько веком стегоцефалов, сколько временем гигантских насекомых. Их существование обеспечивало повышенное содержание кислорода (по некоторым данным до 40%) в невероятно влажной атмосфере, возникшее в результате жизнедеятельности огромных лесных массивов из древовидных папоротников, хвощей и плаунов. К концу карбона относится появление первых пресмыкающихся - полностью наземных представителей позвоночных. Родоначальником пресмыкающихся (а значит и млекопитающих, а в итоге и человека) был дипловертеброн с пятью пальцами на конечностях (у большинства были четырехпалые передние лапы) - это эволюционное наследство получили и мы. А четырехпалые - вымерли.

Пресмыкающиеся достигли значительного разнообразия в пермском периоде (285-230 млн. лет) во время развития засушливого климата, похолодания и материкового оледенения. Широкое распространение получили зверообразные ящеры, внешне больше похожие на млекопитающих - крупные и мелкие хищники - двинии, титанофонеусы, иностранцевии и т.д. и травоядные дицинодонты и дейноцефалы. Наиболее прогрессивная их часть в мезозое стала предками всех млекопитающих. Нельзя не упомянуть и парарептилий - ящерицеподобных сеймурий и водоплавающих бегемотообразных парейазавров. Выйдя на сушу на рубеже палеозоя и мезозоя они дали начало черепахам.

Мезозой (с греч. «средняя жизнь») - это геологическая эра (230-67 млн. лет) с периодами: триас, юра, мел - называют эрой пресмыкающихся. Их расцвет и широчайшее распространение происходят именно в эту эру. На нижнем рубеже мезозоя (пермотриас) резко усиливается засушливость климата, жизнь вытесняется из земли в воду. У многих земноводных атрофируются конечности и легкие, появляются дельфиноподобные ихтиозавры. Уровень Океана падает, исчезает шельф и жизнь, связанная с ним. Вымирает и множество сухопутных организмов, у которых отдельные этапы жизни связаны с водой: большинство земноводных, папоротники, хвощи, плауны. В триасе (230-195 млн. лет) среди растений сильного развития достигают голосеменные, среди животных - пресмыкающиеся. Появляются растительноядные и хищные динозавры.

Ныне стоит вопрос о выделении динозавров в самостоятельный класс, лежащий, пожалуй, ближе к птицам, а не к пресмыкающимся. Они теплокровны, подвижны, часто имели голую, а вовсе не чешуйчатую кожу. Некоторые динозавры были живородящими, многим яйцекладущим была свойственна забота о потомстве. Наконец, у них, как удалось недавно установить, было совершенное четырехкамерное сердце. Кстати, первая птица - археоптерикс, предками которых были именно динозавры, появляется в следующем - юрском периоде (195-137 млн. лет) - фактически это был покрытый перьями небольшой динозавр с острыми зубами, длинным хвостом и когтями на едва сформировавшихся крыльях. Впоследствии, в меловом периоде, сформируются уже настоящие птицы, правда, еще вооруженные зубами. Гораздо раньше птиц воздушную среду стали осваивать птерозавры. Некоторые из них были планерами с идеальной аэродинамикой - легкий ветерок поднимал их в воздух без единого взмаха кожистых или покрытых шерстью крыльев. В юрских же морях широко распространяются ихтиозавры и плезиозавры, их костные остатки во множестве встречаются на территории Брянской области. На суше в юре встречаются гигантские растительноядные динозавры - зауроподы, самые крупные наземные существа в истории Земли. Их «соседями» оказались панцирные динозавры (анкилозавры), стегозавры и хищные двуногие орнитоподы. В меловом периоде (137-67 млн. лет) усилился вулканизм. Климат установился теплый и в меру влажный, на земле господствовали утконосые динозвары (гадрозавры), рогатые динозавры (цератопсы) и хищные тераподы, включая самого крупного наземного хищника тираннозавра. Возникли высшие млекопитающие: сумчатые и плацентарные. В море процветали головоногие моллюски - аммониты и белемниты, длинношеие эласмозавры и крокодилоподобные плиозавры. В воздухе господствовали птерозавры, достигавшие размеров современного реактивного истребителя. В мелу морские микроорганизмы впервые смогли накапливать карбонат кальция (в результате отложились толщи мела, мергеля, известняка) в условиях не избытка, а недостатка углекислоты в атмосфере. Благодаря этому современный Океан насыщен карбонатом кальция и активно поглощает углекислоту, спасая нас от парникового эффекта.

Массовое вымирание в конце мезозоя не было единовременным. Задолго до конца мела начались процессы вымирания ихтиозавров, анкилозавров, зауроподов. Группы животных и растений кайнозойского облика начали появляться уже за десятки миллионов лет до конца мезозоя. Так, в меловых отложениях Брянской области обнаружена окаменевшая древесина покрытосеменных: дуба, березы, клена, ясеня, ольхи. В самых верхних мезозойских слоях Северной Америки насчитывают 34 рода динозавров и 29 родов млекопитающих (из этих первозверей до наших дней дожили только утконос и ехидна). И все же именно на рубеже мезозой-кайнозой на суше вдруг полностью исчезли динозавры, в воздухе - птерозавры, в море - морские ящеры, аммониты, белемниты и вообще до 80% морской биоты. Почему? Причиной мог быть удар крупного астероида или ядра кометы. Он мог вызвать подъем пыли в атмосферу, которая соответственно уменьшала поток солнечной радиации на Землю, а это приводило к снижению продуктивности наземной растительности и фитопланктона, к перестройке биоценозов и вымиранию наиболее крупных и специализированных животных. На эту роль места приземления «убийцы динозавров» претендуют кратер Чикксулуб на п-ове Юкатан и кратеры на Русской платформе. В конце мелового периода могла иметь место и целая серия ударов, которая привела к дестабилизации и, в итоге, к краху мезозойской биоты.

Иногда ученые задаются вопросом: что было бы если бы?.. Например, если бы не случилось меловой катастрофы. Методы компьютерного моделирования показали вероятность возникновения прямоходящей двуногой разумной расы с серой безволосой кожей, тонкими трехпалыми руками и большими глазами с вертикальными зрачками, весьма напоминающих таинственных «НЛО-навтов», как их описывают очевидцы… Другой занимательный вопрос, могли ли выжить где-либо динозавры? Биология отказывает в таком шансе наземным ящерам, но морские вполне могли сохраниться в глубинах Океана, подобно кистеперому целаканту. Не отсюда ли многочисленные истории о Великом Морском змее? Впрочем, еще один претендент на эту роль - древнее китообразное зеуглодон, характерное уже для кайнозойской эры.

Геологическая эра, в которой мы живем, называется кайнозой (от греч. «новая жизнь», 67 млн. лет - наше время). Это время расцвета цветковых растений, насекомых, птиц и, конечно, млекопитающих. Кайнозой делится на два неравных периода: третичный и четвертичный.

В первой половине третичного периода (67-3 млн. лет) широко распространены леса тропического и субтропического типа. В течение третичного периода от насекомоядных млекопитающих обособляется отряд приматов. К середине этого периода широкое распространение получают и общие предковые формы человекообразных обезьян и людей. К концу третичного периода встречаются представители всех современных семейств животных и растений и подавляющее большинство родов. В это время начинается великий процесс остепнения суши, который привел к вымиранию одних древесных и лесных форм и к выходу других на открытое пространство. В результате сокращения лесных площадей одни из форм антропоидных обезьян отступали вглубь лесов, другие спустились с деревьев на землю и стали завоевывать открытые пространства. Потомками последних являются люди, возникшие в конце третичного периода.

Уже в этом периоде - времени становления нового мира млекопитающих, выделяются все основные группы современных зверей, а так же множество ныне уже вымерших. Кондилартры стали предками копытных, хоботных, сирен, хищников. В близком родстве оказались примитивные насекомоядные и оказавшиеся одной из наиболее прогрессивных эволюционных ветвей - приматы. А в морях появляются первые китообразные, их предками были крупные наземные хищники. Крупнейшими наземными млекопитающими стали растительноядные индрикотерий и белуджитерий - безрогие носороги. Бронтотерий, дальний родственник лошадей, так же был крупнее любого современного носорога. Распространение получают общие предковые формы человекообразных обезьян и людей.

Постепенно климат становится все более засушливым и холодным. Наступает время так называемой гиппарионовой фауны, основа которой - трехпалая лошадка гиппарион. Входили в состав этой биоты мастодонты, саблезубые тигры, древние жирафы и верблюды. Помимо мастодонтов существовало множество видов крупных слонов - динотерий, палеолксодон, южный слон, платибелодон и другие. Не уступал им в размерах гигантский ленивец мегатерий из Южной Америки - там, на значительных пространствах сохранялись тропические леса.

В течение четвертичного периода (3 млн. лет - наше время) вымирают мамонты, саблезубые тигры, гигантские ленивцы, большерогие торфяные олени и другие животные. Большую роль в вымирании крупных млекопитающих сыграли древние охотники.

Около 10 тысяч лет назад в умеренно теплых областях Земли наступила «неолитическая революция», связанная с переходом человека от собирательства и охоты к земледелию и скотоводству. Это определило видовой состав органического мира, который существует в настоящее время.