Эволюция форм жизни

 

В процессе изменений химическая эволюция ранних этапов вначале стала биохимической, а затем и биологической. В настоящее время жизнь на Земле не могла бы возникнуть из-за кислородной атмосферы и противодействия других организмов. Но раз зародившись, жизнь находилась и находится в процессе постоянной эволюции. Биологическая эволюция началась с того момента, когда первые организмы начали воспроизводить себя. Начало жизни на Земле ─ появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков.

Теория биохимической эволюции предлагает следующую схему. На границе между коацерватами ─ сгустками органических веществ ─ могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту.

Эволюция безъядерной клетки шла более миллиарда лет. Первые одноклеточные организмы без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают нынешние бактерии и сине-зеленые водоросли. Возраст этих самых древних организмов свыше 3.3 млрд. лет.

На следующем этапе в клетке появляется ядро (приблизительно 2 млрд. лет тому назад). То есть эволюция ядра шла также более 1 миллиарда лет. Одноклеточные организмы с ядром называются эукариотами. В настоящее время их насчитывается 25-30 тыс. видов.

Возникновение фотосинтеза около 2 миллиардов лет тому назад привело к постепенному увеличению в воде количества кислорода за счет жизнедеятельности организмов и его диффузии в атмосферу. Это вызвало громадные изменения в химии Земли и сделали возможным быстрое распространение жизни и развитие эукариотических (обладающих оформленным ядром) клеток. Все это привело, в свою очередь, к эволюции более крупных и более сложных живых систем. Многие минералы, такие, как железо, выпали из воды в осадок и образовали характерные геологические формации. По мере увеличения содержания кислорода в атмосфере слой озона в ее верхней части становился все более мощным и мог экранировать разрушающее ДНК ультрафиолетовое излучение. Жизнь теперь могла свободно распространиться к поверхности моря. Затем последовало то, что Клауд (Cloud, 1978) назвал «позеленением суши». Аэробное дыхание сделало возможным развитие сложных многоклеточных организмов. Считается, что первые ядерные клетки появились после того, как содержание кислорода в атмосфере достигло 3-4% (или около 0,6% атмосферы) его современного уровня (21%). Сейчас полагают, что это произошло примерно 1 млрд. лет назад. Маргулис (Margulis, 1981, 1982) приводит достаточно убедительные доводы в пользу теории, предполагающей, что эукариотические клетки возникли как мутуалистическое объединение независимых прежде микробов, аналогично современной эволюции лишайников.

Когда содержание кислорода около 700 млн. лет назад достигло примерно 8%, появились первые многоклеточные организмы (Metazoa).. Термин «докембрий» используется для обозначения того огромного периода времени, когда существовали только мелкие, прокариотические одноклеточные формы жизни. В кембрии произошел эволюционный взрыв новых форм жизни, таких, как губки, кораллы, черви, моллюски, морские водоросли и предки семенных растений и позвоночных. Так, благодаря способности мельчайших зеленых растений моря продуцировать такое количество кислорода, которое превышало потребности в нем всех организмов, оказалось возможным заселение живыми существами за сравнительно короткое время всей Земли. В течение последующих периодов палеозойской эры жизнь не только заполнила все моря, но и вышла на сушу. Развитие зеленой наземной растительности обеспечило большие количества кислорода и пищи, которые были необходимы для последующей эволюции таких крупных животных, как динозавры, млекопитающие и, наконец, человек. В это же самое время к океаническому планктону, ранее состоявшему из форм с клеточными оболочками из органических веществ, прибавились формы с известковыми, а позднее и с кремневыми оболочками.

Когда примерно в середине палеозоя, около 400 млн. лет назад, продукция кислорода сравнялась с его потреблением, содержание кислорода в атмосфере достигло современного уровня, т. е. 20%. Следовательно, с экологической точки зрения эволюцию биосферы можно сравнить с гетеротрофной сукцессией, на смену которой пришел автотрофный режим.

В конце палеозоя произошло снижение содержания О₂ и повышение содержания СО₂, сопровождавшееся изменениями климата и, по-видимому, послужившее толчком к обширному «автотрофному цветению», создавшему запасы ископаемого топлива, на которых основана современная промышленная цивилизация. Затем последовало постепенное возвращение к атмосфере с высоким уровнем О₂ и низким уровнем СО₂, после чего отношение О₂/СО₂ остается в состоянии, которое можно назвать стационарным состоянием. Антропогенное загрязнение атмосферы пылью и СО₂ может сделать это ненадежное равновесие еще более «нестационарным».

На протяжении всей органической эволюции на развитие форм жизни значительное влияние оказывал «дрейф континентов».

Предположительно между одним и двумя миллиардами лет назад биологическая эволюция получила сильное ускорение благодаря возникновению полового размножения. В связи с этим, резко возросли возможности приспособления организмов к окружающей среде. Примерно 1 млрд. лет назад появились первые многоклеточные организмы и происходит разделение живых существ на два царства ─; растений и животных. Различия между ними можно разделить на три группы: 1) по структуре клеток иих способности к росту; 2) по способу питания; 3) по способности к движению.

Отнесение к одному из царств, проводится не по каждому признаку, а по совокупности различий. Так, кораллы, моллюски, речная губка ─ бодяга всю жизнь остаются неподвижными, и, тем не менее, имея в виду другие свойства,их относят к животным. Существуют насекомоядные растения, которые по способу питания относятся к животным. Выделяют и переходные типы, как, скажем, эвглена зеленая, которая питается как растение, а двигается как животное. И все же три отмеченные группы различий помогают в подавляющем большинстве случаев.

 

 

Таблица 6

Геологическая шкала, основные датировки и события в развитии форм жизни

Стратиграфические и хронологические подразделения, радиометрические даты, млн.лет назад	Основные события в эволюции живых организмов
Эры	Периоды	Эпохи
КАЙНОЗОЙ 65 млн лет	Четвертичный 2.5 млн лет	Голоцен Плейстоцен	(Homo sapiens) Человек разумный
Третичный 65 - 2.5 млн лет	Плиоцен 6 - 2. 5 млн лет	Поздние гоминиды
Миоцен 22 – 6 млн лет	14 млн лет назад примитивные гоминиды = рамапитек Злаки; травоядные млекопитающие
Олигоцен 36 – 22 млн лет
Эоцен 58 – 36 млн лет	Примитивные лошади
Палеоцен 65 - 58 млн лет	Бурная эволюция млекопитающих из мышеподобного животного Cynognathus.
МЕЗОЗОЙ 255 - 65 млн лет	Меловой 145 - 65 млн лет	Отделы и эпохи многочисленны	Цветковые растения; 65 млн лет назад - гибель динозавров = освобождение ниши для эволюции млекопитающих
Юрский 210 - 145 млн лет	Расцвет динозавров. 167млн лет назад = первые летающие ящеры (птерозавры, археоптериксы); 150 млн лнт назад = первые примитивные млекопитающие
Триасовый 255 - 210 млн лет	Хвойные, цикадовые, динозавры
ПАЛЕОЗОЙ	Пермский 280 -255 млн лет	Динозавры; пресмыкающиеся, подобные млекопитающим
Каменноугольный 360 -280 млн лет	Леса, насекомые, амфибии, 290 млн лет назад = динозавры, пресмыкающиеся
Девонский 415 - 360 млн лет	Выход животных на сушу (первые амфибии - ихтиостегии - животные с рыбьим хвостом и четырьмя конечностями напоминающих плавники).
Силурийский 465 - 415 млн лет	Выход растений на сушу и активное развитие морских животных
Ордовикский 520 - 465	Появление скелета у животных (хордовые): примитивные рыбы
Кембрийский 580 - 520 млн лет	Многочисленные морские беспозвоночные животные
ДОКЕМБРИЙ главным образом магматические и метаморфические породы; общепринятых подразделений отделов и эпох нет	1000 млн лет	Разделение организмов на животных и растений: примитивные морские животные, зеленые водоросли
2000 млн лет	Эукариоты - одноклеточные организмы с ядром
3300 млн лет	Прокариоты - одноклеточные безядерные организмы: бактерии; сине-зеленые водоросли
4500 млн лет	Зарождение жизни: аминокислоты, белковые молекулы, коацерваты, протоклетка
4700 млн лет	Зарождение Земли, дифференциация вешества по тяжести на аггрегатные состояния

 

Появление многоклеточных растений 1 млрд лет назад привел к тому, что резко усилился процес фотосинтеза и океанические водоросли начали выбрасывать в окружающую среду миллионы тонн кислорода, формируя озоновый слой атмосферы Земли и подготавливая среду, как водную, так и воздушную, для эволюции более совершенных форм жизни.

Этот период длился почти четыреста миллионов лет, и 580 млн лет тому назад привел к буйному развитию океанической биоты.

На этом этапе эволюции органического мира атмосфера была насыщена основным компонентом фотосинтеза ─ углекислым газом, но относительно бедна кислородом. На протяжении основной части палеозоя концентрация СО₂ в атмосфере составляла 0.1-0.4%. При таких концентрациях СО₂ продуктивность большинства автотрофных растений должна была приближаться к максимальному значению и огромное количество биомассы, претерпев ряд превращений, образовало колоссальные запасы горючих органических ископаемых. Масса кислорода с начала палеозоя увеличивалась. В конце мезозоя концентрация СО₂ начала уменьшаться. Этот процесс ускорился в олигоцене и особенно в плиоцене, в конце которого масса СО₂ достигла наименьшего значения за весь фанерозой. Одновременно уменьшилась масса автотрофных растений, и, следовательно, вся масса живых организмов на Земле.

В ходе развития животного мира происходила дифференциация органов по функциям, которые они выполняют, и возник скелет, двигательная, пищеварительная, дыхательная, кровеносная, нервная системы и органы чувств. Энергия дыхания имеет такую форму, которая может использоваться для роста и движения организмов. Избыток энергии позволял животным свободно перемещаться в поисках пищи. Движение требовало координации частей тела, точного контроля и способности быстро принимать сложные решения. То есть процесс биологической эволюции привел к возникновению мозга.

Падение на Землю около 65 млн. лет назад гигантского небесного тела около 9 км в диаметре привело к резкому изменению экологической ситуации ─ экологической катастрофе по сценарию ядерной зимы. В результате вымерли динозавры, преобладающие среди животных на Земле. Освобождение экологической ниши и отсутствие конкурентного давления дало возможность эволюционировать млекопитающим, впоследствии ставшими доминирующим животными на Земле. Ученые палеонтологи считают, что эволюция всех ныне живущих млекопитающих произошла от одной предковой особи (пургаториус) напоминающих нынешнюю мышь.

В XVIII-XIX веках ученые потратили много усилий для систематизации всего многообразия растительного и животного мира. Появилось направление в биологии, получившее название систематики. Были созданы классификации растений и животных в соответствии с их отличительными признаками. Основной структурной единицей был признан вид, а более высокие уровни составили последовательно род, отряд, класс.

На Земле существует около 500 тыс. видов растений и свыше 1,5 млн. видов животных, из них позвоночных ─ 70 тыс., в том числе птиц ─ 16 тыс., млекопитающих ─ 12540 видов.