Историческое развитие и разнообразие органического мира - Историческое развитие органического мира

Возникновение и история Земли

Возраст Вселенной составляет примерно 13,7 миллиарда лет. Она возникла в результате так называемого Большого взрыва, следствием которого стало появление материи, пространства и времени. Возраст Земли и Солнечной системы — 4,6 миллиарда лет. Солнце и планеты образовались из облака пыли и газа в результате разрушения звезд, которые существовали ранее.

Земля образовалась из фрагментов различного размера. От их столкновений она разогревалась. Тяжелые вещества переместились к центру планеты, а легкие были вытеснены на поверхность. При этом выделилось значительное количество энергии, Земля разогрелась и приобрела структуру, похожую на современную: ядро окружено вязкой мантией, на поверхности которой плавает кора. Началось движение литосферных плит — фрагментов коры. От их столкновения поднялись горы. Следствием разрушения гор и переноса вещества водой и воздухом стало образование осадочных пород.

Земная поверхность остыла до температуры ниже 100 °С около 4 млрд лет назад; еще примерно 800 млн лет после этого океан был очень горячим — более 90 °С. Древнейшие осадочные породы имеют возраст 3,8 млрд лет. В них уже есть следы жизни: частицы углерода биологического происхождения. Древнейшие сложные организмы имеют возраст 3,5 млрд лет. Это цианобактерии, очень похожие на современные.

Для описания истории земной жизни, которую можно вести по последовательности осадочных пород, ее делят на временные промежутки. Такое распределение называют геохронологической шкалой. Взаимная последовательность пород определяется по характеру их залегания и составу ископаемых, содержащихся в них.

Многочисленные в прошлом группы организмов, которые оставили разнообразные хорошо сохранившиеся структуры (раковины, зубы, чешуи и т. д.), приобретают большое значение для определения возраста пород и называются руководящими ископаемыми. Точность определения возраста разработана благодаря радиоизотопной датировке.

Возникновение жизни

Мифы трактуют возникновение жизни как результат работы богов. В античности и Средневековье казалось, что самозарождение живых организмов - обычное дело. С развитием биологии и с опубликованием работ Ф. Реди (середина XVII в.) и Л. Пастера (середина XIX в.) было доказано, что живые организмы возникают только от себе подобных. Возникли представления, что неорганические и органические вещества разделяет пропасть, для преодоления которой необходимо действие жизненной силы. Искусственный синтез мочевины, который осуществил в 1828 г. Ф. Вёлер, положил начало опровержению таких взглядов. В ХХ в. получили развитие научные представления о возможности возникновения органических веществ из неорганических. Началось изучение возможных путей возникновения жизни. Эти взгляды развивает теория абиогенеза.

В 1924 г. советский биохимик А. И. Опарин выдвинул гипотезу абиотического происхождения жизни. В 1928 г. английский биолог Дж. Холдейн дополнил ее, в частности, добавив представление о синтезе органических веществ в космосе. Согласно взглядам Опарина и Холдейна, на молодой Земле образовался «Первичный бульон» — раствор органических соединений. Если раствор органических соединений смешивается с солевым раствором, в нем могут возникать коацерватные капли с высоким содержанием органики, ограниченные поверхностью разделения фаз. Те из капель, в которых достигалось удачное соотношение веществ, могли расти, дробиться на части, и, конкурируя за растворенные в первичном бульоне вещества, совершенствоваться благодаря естественному отбору. С современной точки зрения, коацерватные капли — один из многих возможных путей концентрации органических веществ. Возможны и другие: замораживание раствора, абсорбция (связывание) на поверхности различных минералов, воздействие природных катализаторов и т. д.

Серьезную поддержку имеет гипотеза панспермии — переноса жизни с планеты на планету, высказанная химиком С. Аррениусом. Предполагают, что бактерии способны переноситься с планеты на планету в составе метеоритов. Сейчас ведется активный поиск жизни (бактерий) на Марсе.

Для возникновения жизни достаточно двух условий. Это действие естественного отбора. который в основном воспроизводит «более живые» системы и обеспечивает возможность полного спектра переходов между неживыми и живыми системами. Насколько можно судить на основании современных научных данных, оба эти условия выполнялись на первобытной Земле.

В 1953 г. американский исследователь С. Миллер показал, что в экспериментальных условиях из простых неорганических веществ (метана, аммиака, водорода и воды) при воздействии температуры и электрических разрядов образуются аминокислоты, сахара и органические кислоты. В многочисленных подобных экспериментах доказано, что абиогенно могли возникать все основные группы органических соединений.

Температура открытого космоса на 4 °С выше абсолютного нуля, а температура внешней поверхности Солнца — 6 000 °С. Земля и другие планеты находятся в потоке энергии от центрального светила. Планеты вращаются, это приводит к колебаниям потока энергии и неравномерному нагреванию их поверхности. Если на планете есть атмосфера или гидросфера, неравномерность нагревания приводит к их циркуляции. Кроме перемещения веществ, на поверхности таких планет начинаются разнообразные химические реакции. Их предпосылка — химическая сложность планетарной поверхности. наличие на ней органических соединений. Циклическое изменение условий обеспечивает циклический характер химических реакций. Одни и те же преобразования веществ могут обеспечиваться различными конкурирующими реакциями. Те из реакций, которые оказываются наиболее эффективными и устойчивыми (например, благодаря автокаталитическому эффекту). превращают большую часть имеющихся ресурсов и вытесняют менее эффективные реакции. Так, еще на уровне химических реакций включается механизм естественного отбора. Благодаря естественному отбору на уровне автокаталитических химических реакций, происходило их совершенствование и появление механизмов запасания энергии.

В ходе возникновения жизни на Земле или на другой планете должны были существовать системы промежуточного характера между живыми и неживыми. По мере появления более эффективных механизмов превращения вещества и энергии, и, в конце концов, современной жизни, такие системы должны исчезать. Так, можно предположить, что современной биосфере предшествовал так называемый Мир РНК. Молекулы РНК в нем выполняли и каталитические функции, и функции хранения наследственной информации.

Биохимические «новшества» возникали на одном этапе геохимического круговорота, а затем передавались и на другие этапы. Так должны были распространиться способы запасания энергии, матричного синтеза биополимеров, и, наконец, клеточной организации живых систем. В результате возник биогеохимический круговорот веществ, напоминающий современный. Его основой является образование органических веществ автотрофами и их разрушение гетеротрофами. Отходы жизнедеятельности каждой из этих групп организмов являются ресурсами для другой группы.

Докембрийская жизнь

Для протерозоя (а в некоторой степени и архея) характерны осадочные породы, которые называются строматолитами (буквально: каменные ковры). Они имеют слоистую структуру и часто откладываются отдельными глыбами. Это результат жизнедеятельности цианобактериальных матов — толстых слоев с цианобактериями на поверхности, с разнообразными бактериями других групп и архебактериями внутри.

Земля в начале существования имела атмосферу восстановительного характера, в которой были устойчивы окисленные газы (СO2, Н2O, SO2) и газы-восстановители (СО, Н2, H2S, NH3, СН4,HCN, НСl и др.). В течение длительного периода истории Земли на ее поверхности могли образовываться породы, которые легко окисляются, такие как графит (С), лазурит (Na2S), пирит (FeS2)и другие.

Первые организмы Земли были анаэробами. В ходе фотосинтеза выделялся свободный кислород (O2). Около 2 млрд лет назад практически все, не связанное в осадочных породах, железо накопилось в ядре планеты.

Кислород, который производили живые организмы, окислил практически все вещества на поверхности планеты. Его избыток накопился в атмосфере. Это событие называется кислородной революцией.

Происхождение эукариот

В последние годы убедительно доказана симбиогенетическая теория происхождения эукариотических клеток. «Главные» предки эукариот — архебактерии, которые перешли к питанию путем поглощения питательных частиц. Изменения формы клеток, необходимые для этого, обеспечил цитоскелет. Наследственный аппарат таких клеток переместился вглубь от поверхности, сохранив при этом связь с мембраной. Возникла ядерная оболочка с ядереыми порами, благодаря эндоплазматической сети связанная с внешней мембраной клетки.

Бактерии поглощались такой клеткой-хозяином и могли продолжить существование внутри нее. Предками митохондрий стали фотосинтезирующие аэробные бактерии — пурпурные альфапротеобактерии. Внутри клетки-хозяина они утратили способность к фотосинтезу и приняли на себя функцию окисления органических веществ. Благодаря им эукариотические клетки стали аэробными. Симбиозы с другими фотосинтезирующими клетками стали причиной получения растительными клетками пластид.

До получения окончательных доказательств симбиогенетического происхождения эукариотических клеток существовала также эндомембранная теория их происхождения. Согласно ей, различные отсеки эукариотической клетки возникли из впячиваний наружной мембраны. Эта теория также внесла определенный вклад в современные представления. Ранее высказывались предположения, что ядро также является результатом симбиогенеза; по современным воззрениям, оно развивалось эндомембранным путем, как и одномембранные органеллы.

Фауна венда

С докембрийского времени известны две-три «фауны» (совокупности остатков достаточно больших организмов). Хорошо изучена последняя — вендская, существовавшая в конце протерозоя, в вендский (или эдиакарский) период. Ее представители были относительно крупными по размерам, зачастую не имели ртов, росли без изменений пропорций тела с необычными типами симметрии. Вероятно, вендобионты чаще впитывали органику через поверхность и использовали бактерии-симбионты.

В последнее время найдены остатки мелких вендских организмов, которые могли быть предшественниками современных типов животных.

Основные события палеозойской эры Кембрийский период

Начиная с кембрия, в осадочных породах содержится масса остатков организмов. Резкое увеличение их разнообразия получило название кембрийского взрыва. По сравнению с вендской фауной, уменьшились размеры организмов, у многих из них появились скелеты и раковины. С кембрия известны представители многих современных типов. Это губки, кишечнополостные, различные типы червей, членистоногие (представлены трилобитами и ракообразными), иглокожие, моллюски, хордовые и другие.

Основными продуцентами были цианобактерии и красные водоросли. Вместе с губками и подобными организмами они строили рифы. В толще воды жили фораминиферы и радиолярии. Суша в кембрии оставалась слабозаселенной. Процесс почвообразования начали бактерии, грибы и, возможно, лишайники. В конце периода на сушу вышли малощетинковые черви и многоножки.

Ордовикский период

Уровень океана повысился. Кроме бентосных (донных) групп животных широкое распространение получили нектонные, населявшие толщу воды. Основными продуцентами стали зеленые водоросли. Рифостроители ордовика — гидроидные и коралловые полипы. Появились крупные членистоногие — ракоскорпионы. Господствующие хищники толщи воды — наутилоиды, головоногие моллюски. Позвоночные представлены относительно малочисленными бесчелюстными.

В конце периода произошло вымирание, уничтожившее около 35% семейств и более 50% родов морских животных.

Силурийский период

Усиление горообразования привело к осушению материковых платформ. В начале периода морская фауна была заметно обеднена.

Среди позвоночных сохраняется высокое разнообразие бесчелюстных, к которым добавились несколько групп рыб, прежде всего — панцирные. На сушу вышли скорпионы.

В конце периода появляются сосудистые растения — риниофиты и плауны, которые начинают колонизацию мелководья и зоны приливов и отливов побережий.

Девонский период

Вода поднимается, по краям континентов образуются большие моря и дельты. Место головоногих наутилоидов занимают аммониты. Достигают своего расцвета и вымирают панцирные рыбы, почти исчезают бесчелюстные.

В среднем девоне распространяются хрящевые и костные рыбы. В конце периода появляются четвероногие.

Освоение суши растениями привело к уменьшению ее выветривания. На суше появились первые леса из папоротников, плаунов и хвощей. Они населен л червями и многочисленными членистоногими (многоножки, пауки, скорпионы, бескрылые насекомые).

Каменноугольный период

Большая часть суши образует в Лавразию и Гондвану, между ними расположен океан Палеотетис. В Лавразии жаркий и влажный климат, в Гондване — оледенение. В тропиках гигантские хвощи (каламиты), плауны (лепидодендроны) и папоротники образуют заболоченные леса. Там образуются будущие залежи каменного угля. В середине периода в умеренной зоне началось распространение хвойных.

Главные группы позвоночных — хрящевые и костные рыбы. Двустворчатые моллюски и ракообразные освоили пресные воды. В пресных водоемах — расцвет земноводных. В середине периода возникают мелкие насекомоядные рептилии.

Пермский период

Гондвана и Лавразия слились, образовав суперконтинент Пангею. Моря отступили, климат стал континентальным и сухим. На суше почти исчезли древовидные папоротники, хвощи и плауны. Распространились голосеменные — кордаиты, хвойные, саговники, гингковые.

В фауне большие амфибии сочетаются с разнообразными рептилиями. Самая разнообразная их группа — звероподобные. Среди них появились крупные травоядные и хищные формы.

В конце периода произошло самое большое вымирание в истории жизни. Морская фауна потеряла 40-50% семейств и около 70% родов.

Основные события мезозойской эры

Триасовый период

Суша представлена огромным континентом Пангея. Преобладающие группы растений — голосеменные, папоротники и хвощи. В морях произошла смена господствующих групп позвоночных и рыб. В середине триаса появились костистые рыбы.

Богатая нектонная фауна стала пищей для водных рептилий — ихтиозавров и плезиозавров. К середине триаса на суше большие звероподобные вытесняются настоящими рептилиями — архозаврами.

В конце триаса появляются динозавры и млекопитающие.

Юрский период

Пангея раскалывается на блоки. Большая часть периода была очень влажной. Характер флоры определяли папоротники и голосеменные.

В морях — расцвет головоногих (аммонитов и белемнитов), двустворчатых и брюхоногих, губок, морских ежей. Новый расцвет хрящевых рыб. Большие амфибии почти вымирают, зато появляются современные группы земноводных (хвостатые и бесхвостые). Возникают современные группы ящериц и змей, растет разнообразие млекопитающих, представленных мелкими насекомоядными и растительноядными видами. К концу периода появляются первые птицы.

Во всех экосистемах доминируют гигантские пресмыкающиеся.

Меловой период

Континенты в основном соответствует современным (Южная и Северная Америки, Евразия и Индостан еще расположены отдельно, а Австралия и Антарктида еще не разделились). На всей Земле, кроме приполярных областей, устойчивый теплый и влажный климат.

В середине периода произошла смена флоры. Широко распространились покрытосеменные растения. В связи с этим резко возросло разнообразие насекомых, появились социальные насекомые.

В море распространены фораминиферы, образующие залежи мела. Высокое разнообразие моллюсков, костистых рыб, плезиозавров и морских ящериц - мозазавров.

На суше преобладают динозавры. Численность птерозавров сокращается, растет разнообразие птиц. Появились беззубые птицы и плацентарные млекопитающие. В конце периода — глобальное вымирание, в результате которого исчезают многие морские беспозвоночные, динозавры, летающие и морские ящеры и древние группы птиц. Исчезло около 16% семейств и 50% родов животных.

Кризис в конце периода часто связывают с падением крупного метеорита в Мексиканский залив. Это событие обострило кризис и ускорило вымирание некоторых групп, но было не единственной причиной глобальных изменений.

Основные события кайнозойской эры

Палеогеновый период

Разделяются Австралия и Антарктида. Индостан столкнулся с Евразией, образовав Памир и Гималаи. В раннем и среднем палеогене климат оставался теплым и влажным, к концу периода стал более холодным и сухим.

Характер флоры определяют покрытосеменные. В начале периода преобладают вечнозеленые леса, в конце широко распространяются листопадные леса, а в засушливых зонах — степи.

Среди рыб господствующее положение заняли костистые. Хрящевые рыбы играют заметную роль в морях, но количество их видов невелико. На суше доминируют птицы и млекопитающие. Разнообразие рептилий ограничено чешуйчатыми, крокодилами и черепахами. В середине периода появляются основные отряды млекопитающих. Некоторые из них представлены гигантскими видами.

Изоляция материков делает фауну и флору более разнообразными. Южная Америка и Австралия становятся центрами развития сумчатых, а остальные материки — плацентарных млекопитающих.

Неогеновый период

Географический облик Земли приобретает современный вид. Северная и Южная Америка соединились; Африка приблизилась к Евразии. Антарктида сместилась в область Южного полюса. Ее поверхность покрыли ледники. Климат стал более холодным, в конце периода льды образовались в горных районах материков. Снижение уровня океана, вызванное связыванием воды в виде льда, привело к образованию Берингии — сухопутного моста между Азией и Северной Америкой. Связи между континентами привели к взаимообогащению фауны и вымиранию реликтов (например, сумчатых и копытных в Южной Америке, куда вторглись пришельцы из Северной Америки). Изолированной осталась только Австралия.

К концу периода в приполярных областях континентов распространились хвойные леса, появились тундры. В африканских саваннах возникло семейство Гоминиды и род Человек.

Четвертичный период (антропоген)

Период отличается многократными сменами ледниковых эпох и потеплений. При оледенениях высокие широты покрывались ледниками, резко снижался уровень океана. Тропический и субтропический пояса сужались. На окружающих ледники территориях устанавливался холодный и сухой климат, который формировал населенную мамонтовой фауной тундростепь.

Занятые определенным типом экосистем зоны то делились на части (в каждой независимо шла эволюция видов), то объединялись (при этом измененные виды из разных частей ареала расселялись и приобретали новые признаки). Результатом стало формирование чрезвычайного видового богатства, характерное для современного этапа эволюции биосферы.

В течение антропогена несколько видов рода Человек расселились из Африки в Евразию. Около 200 000 лет назад в Африке возник вид Человек разумный, около 70 000 лет назад он вышел в Евразию. После периода сосуществования с близкими видами ваш вид вытеснил остальные, скрестившись, как минимум, с двумя из них, и расселился по всей пригодной территории земного шара.