История жизни на Земле

В палеонтологии четко различаются эпохи постепенного изменения организмов и точки бифуркации, известные как ароморфозы.

Г

Ароморфоз — это приспособление обшего характера, поднима­ющее уровень биологической организации на принципиально но­вую ступень.

Примеры ароморфозов — возникновение многоклеточных или те­плокровных организмов. Крупнейшие ароморфозы являются своего рода верстовыми столбами в истории жизни на Земле.

5.6.1. Первые клеточные организмы

Первый ароморфоз, следы которого доступны для наблюдения, — об­разование клеточной мембраны, отделившей «внутренности» орга­низма от окружающей среды. С момента возникновения химических различий между внутренней и внешней Средой можно определенно употреблять сам термин «организм».

Древнейшие достоверные окаменелости имеют возраст около 3,5 млрд лет. Они представляют собой остатки микроорганизмов с клеточной оболочкой. Известны и осадочные породы возрастом бо­лее 3 млрд лет, которые явно представляют собой продукт жизнедея­тельности. Таким образом, уже через один миллиард лет после фор­мирования планеты Земля на ней существовали первые клеточные организмы. Проследить' историю предшествовавших событий очень

Компьютерра. 1996. № 31(158). С. 8.

¹ А мне летать охота // Компьютерра. 2002. № 33(458). С. 12; КозаД, Кип М., Стри-тер М. Эволюция в мире изобретений // В мире науки. 2003. № 6. С. 46-53.

234 Глава 5. Естественная история природы и человека

трудно, поскольку само формирование сплошной твердой земной ко-1 ры к этому времени едва успело завершиться и более древние следъ были переплавлены в недрах молодой планеты.

Уже самые первые организмы — одноклеточные сине-зеленые во¹! доросли и бактерии — не представляют собой однородной группы^ До сих пор точно не установлено, независимо ли они возникли бактерии произошли от сине-зеленых. Обе группы дожили до наши> дней и играют большую роль в современной биосфере.

Бактерии научились использовать энергию, выделяющуюся при! окислении неорганических соединений в бескислородных условиях, ха­рактерных для молодой Земли. Другими словами, первые обитатели.! Земли не ели и не дышали. Азот, составляющий 78% современной ат-| мосферы, залежи самородной серы, курские и криворожские железо-1 рудные месторождения — все это результаты жизнедеятельности бак-' терий. Однако более эффективной и перспективной оказалась другая! биоэнергетика, основанная на использовании свободного кислорода.,

5.6.2. Возникновение фотосинтеза

Довольно неопределенной остается датировка следующего крупней-^; шего ароморфоза — появления фотосинтеза. С его помощью стало ■ возможным получать ресурсы (углекислый газ) для синтеза органи­ческих веществ прямо из воздуха, отдавая взамен молекулярный ки-'| слород. Все дальнейшее развитие земной жизни было определено¹; этим великим изобретением природы.

Поначалу накопление кислорода в атмосфере шло медленно из-за; низкой скорости обмена веществ у примитивных микроорганизмов. > Потребовалось около полутора миллиардов лет, чтобы содержание,! кислорода в воздухе достигло 1% от современного значения. Но этот' рубеж — точка Пастера — был наконец достигнут, что привело к це- ' лому ряду важнейших последствий.

Во-первых, начиная с точки Пастера, дыхание становится эффек-, тивным способом обеспечения организма энергией. Многократно ус-; коряется обмен веществ, а с ним и темпы эволюции.

Во-вторых, из кислорода О₂ в верхних слоях атмосферы образует- j ся озон О₃, защищающий от ультрафиолетового излучения Солнца.^г Это дало организмам возможность подняться в приповерхностный | слой океана, наиболее богатый питательными веществами и солнеч-' ной энергией, а затем и выйти на сушу, не боясь «обжечься».

В-третьих, накопление свободного кислорода увеличило давле-' ние отбора на первые организмы. Дело в том, что для них химически \

5.6. История жизни на Земле 235

активный кислород атмосферы был токсичен! Можно сказать, что около двух миллиардов лет назад разразился первый в истории Земли глобальный экологический кризис — загрязнение окружающей среды ядовитыми отходами жизнедеятельности в виде свободного кисло­рода. Борьба за существование в таких жестких условиях оказалась еще одним фактором, подстегнувшим эволюцию.

Примитивные одноклеточные — прокариоты — были хозяевами Земли более 2 млрд лет. Как часто бывает, они сами создали себе про­блемы и подготовили путь для их разрешения, но пошли по этому пу­ти уже другие.

5.6.3. Эукариоты и половое размножение

Следующим крупным эволюционным шагом, совершенным пример­но 1,3 млрд лет назад, было возникновение эукариот — организмов, клетка которых имеет ядро. В ядре сосредоточена наследственная ин­формация и аппарат для ее передачи. Это, в свою очередь, чуть менее 1 млрд лет назад сделало возможным половое размножение.

Половой способ размножения, перемешивая гены разных особей, обеспечивает мгновенный переход любого «индивидуального» изо­бретения в генофонд популяции. При этом повышается гибкость реа­гирования популяции и вида в целом на изменение условий жизни, возрастает скорость эволюционного процесса.

Особенностью эукариот является «разделение труда» между ядром и органеллами клетки. Митохондрии обеспечивают клетку энергией, хлоропласты с помощью фотосинтеза производят сахара, на рибосо­мах синтезируются белки... В 1910 г. К. С. Мережковский высказал предположение, что органеллы происходят от бактерий, когда-то проникших в клетку в качестве паразитов. Паразитизм постепенно превратился в симбиоз, который перерос в единый эукариотическии организм. С развитием молекулярной биологии были найдены био­химические свидетельства в пользу этой теории. Более того, обнару­жилось, что митохондрии и другие органеллы обладают своей собст­венной «молекулой наследственности» — ДНК, независимой от ДНК клеточного ядра и очень похожей на ДНК прокариот.

5.6.4. Первые многоклеточные

Следующий после возникновения эукариот крупный ароморфоз — многоклеточность. Первые попытки прорыва на этот уровень орга­низации предприняли еще сине-зеленые водоросли. Известны ока-

236 Глава 5. Естественная ис

\ь\ и человека

5.6. История жизни на Земле 237

„ „_озраст которых оценивается от

э

меневшие отпечатки их колоний, в использовали преимущест до 3 млрд лет. Однако в полной м ^ _{специализация разнщ} многоклеточности (крупные разм ^ _{функций)} групп клеток на выполнении раз _{назад в} Произошло это от 1 млрд до /UU м-'*

го отрезка истории Земли. _а3вание геологического времен

Докембрии - собирательное» ^^ _{KgJ(|tf йского д}

от возникновения нашей плане**' ^нь не отличалась богатство (570 млн лет назад). Докембриис*^_{peo6pa3OBaiffl}fi. _{Однако изученш} форм и быстротой эволюционных 1^_{что он занимает 88}„_{/о Bce}i _ист докембрия важно не только потому. _{происходили события фу} рии Земли, но и потому, что в это н _ВОЗНикновение жизни. " даментального значения - напр^^ _{многоклеточных} организмо

мы не знаем. В геологической л позВоляют с нностью гогю лов. Палеонтологические наход«* ад докем6рийские моря уже бы рить лишь о том, что 650 млн лет ^осКИМИ и КОльчатыми червями населены кораллами, медузами, г" по остаткам которых тр дио CV некоторыми другими организмам^ ^ относятся общей ^ дить, к какому классу или хотя &* БИе твердых элементов (панци докембрииских существ было отсУ По-видимому, природа ещ| ря, скелета, каких-либо зубов или ш ские ^ по.прежнем| не создала тогда хищников. Д°*е^.очньми ВОдорослями. Отсутсг" представлены в основном одно** ь протекшего с тех пор врем J вие скелетных форм плюс длите** ' Jb палеонтологии докембрия! ни и обусловило сравнительную оед ^ е

источником

у р Долгое время практически е

ически еД чНЫХ организмов была так н рийских окаменелостеи много- Австралия). Самая богата формация Эдиакара ^а была обнаружена в 80-х гг. XX i т»

Деталей возникновения настоя ^^ _{слишком много} мы не знаем. В геологической лето _{позВоляют с нностью гогю}

зываемая формац др ^_{а была обнаружена в} 80-х гг. XX i ископаемая фауна эдиакарского т» ^ ^ _{Отжскош полуострс} в России, на Зимнем берегу Бедог _{палеонт(Ш)ГИЧеского м}. ве. Большое количество наидейН ^ _{д(Жембрии появились сущес1} ала позволило установить, что У^ж _{й из высших групп} беспозве ва, очень близкие к моллюскам -~

ночных.

.r ЭВОЛЮЦИИ ЖИВОТНЫХ

5.6.5. Кембрийский взрыв ■*

_и 5КИЗНИ на Земле произошло крут

Около 600 млн лет назад в истори ^_{боЛЫЦИМ взр}ы_Вом эволюции жг нейшее событие, которое назвал»

вотных»¹. После трех миллиардов лет неспешного развития природа, словно спохватившись, в течение кембрийского периода (от 570 до 500 млн лет назад) создает все известные планы строения тела, почти все из 35 ныне живущих и вымерших типов животных. В течение по­следующих 100 млн лет эволюция шла в основном по пути усовер­шенствования и специализации форм, возникших в кембрии.

Ни один из других геологических периодов не может сравниться с кембрийским по масштабам эволюционного творчества. Основные ароморфозы, возникшие в это время, трудно даже перечислить. По­жалуй, наиболее характерным из них был жесткий скелет (поначалу в виде внешнего панциря, в который были закованы широко распро­страненные в кембрийских морях трилобиты, составлявшие около 60% кембрийской фауны). Возникновение защитных приспособле­ний свидетельствует о появлении хищников и ужесточении борьбы за существование, что придало эволюции дополнительное ускорение. В растительном мире распространились многоклеточные водоросли, которые перешли к прикрепленному образу жизни, т. е. укрепились на твердом дне.

5.6.6. Покорение океана и выход на сушу

К концу ордовикского периода (500-440 млн лет назад) относится вы­ход на сушу псилофитов — близких родственников зеленых водорос­лей, без листьев и настоящих корней. Чтобы уцелеть вне воды, им пришлось развить расчленение тела на специализированные органы: жесткий несущий стебель, сосудистую систему, покровную ткань. Вместе с бактериями они начали формировать почву.

Следующий, силурийский период (440-410 млн лет назад) знаме­нуется появлением первых позвоночных — панцирных рыб — и вы­ходом на сушу животных. Первые животные, приспособившиеся к воздушному дыханию, относились к типу членистоногих и напоми­нали современных скорпионов. Они заняли почетное место в палеон­тологических коллекциях, но эволюционного успеха не имели.

Девонский период (410-360 млн лет назад) — период рыб и первых лесов. В девонских лесах преобладали примитивные споровые расте­ния, предки нынешних папоротников, высота которых достигала 12 м. Благодаря им содержание кислорода в воздухе к концу девона до­стигло современного значения — 21%.

¹ Левинтон Дж. С. Большой взрыв эволюции животных // В мире науки. 1993. № 1.
С. 42-50..,

238 Глава 5. Естественная история природы и человека

5.6. История жизни на Земле 239

Интересен вопрос, почему доля кислорода в атмосфере не стали увеличиваться далее. Среди механизмов стабилизации имеется отри-* цательная обратная связь, основанная на том обстоятельстве, что при! содержании кислорода выше 25% горит и мокрая древесина. Тогда| лесной пожар, однажды начавшись, не погаснет даже под тропи­ческим ливнем и не закончится, пока не выгорит весь лес. В столь пг- ] рессивной атмосфере с течением времени пожары значительно со-] кратили бы площадь лесов, что, в свою очередь, уменьшило бы| концентрацию кислорода в воздухе. Такой механизм стабилизации содержания кислорода может рассматриваться как проявление само-i организованной критичности, свойственной развивающимся систе-' мам (п. 4.8.3.6).

Цервые представители позвоночных — рыбы достигают в дево-" не расцвета. Все позднейшие позвоночные, в том числе и человек, пользуются такими великими «изобретениями» рыб, как череп, по-, звоночник — несущая конструкция легкого, но сильного тела, — пар­ные конечности (развившиеся из рыбьих плавников), челюсти и со- i ответствующая мускулатура, позволившие совместить возможность < открывания и закрывания рта с его использованием в качестве эф­фективного твердого орудия.

О степени совершенства и приспособленности, достигнутой ры-' бами, говорит тот факт, что некоторые из них (например, акула) мало ^: изменились за последние сотни миллионов лет. Однако дальнейшая эволюция оказалась связанной с малочисленной, менее приспособ-! ленной и ныне почти вымершей группой кистеперых рыб. Их корот- '■ кие и мясистые плавники были не очень эффективны при плавании,' зато позволяли хорошо ползать по дну, что особенно помогало вы­жить в пересыхающих водоемах. Новый способ передвижения позво-, лял удаляться от воды в поисках пищи — наземных растений и насе-1 комых, потомков первого десанта на сушу. В результате уже в конце] девонского периода появились первые представители нового класса,? земноводных. От рыб они отличаются удлиненными и подвижными! конечностями с шарнирными суставами, дыханием через нос с помо- \ щью легких, увеличенным размером головного мозга.

5.6.7. Семена и яйца на смену спорам и икринкам

Ароморфозы каменноугольного периода, или карбона (от 360 до I 285 млн лет назад), словно решают изобретательскую задачу: как еде- \ лать процесс размножения независимым от водной среды? Первые!

наземные растения размножались, разбрасывая споры, а земновод­ные — откладывая икру. Оплодотворение и спор и икры происходит только в воде. В результате жизнь оказывалась привязанной к узкой прибрежной полосе. В начале и середине карбона эта проблема ощу­щалась не слишком остро ввиду высокой влажности и широкого рас­пространения болот. Однако постепенно климат становился прохлад­нее и суше, и независимость от водоемов приобретала все большую ценность в борьбе за жизнь.

Растения решили проблему с помощью семян, снабженных за­щитной оболочкой и оплодотворяемых до отделения от родительско­го организма. Так возникли голосеменные (в частности, хвойные). Животные пошли схожим путем. Во-первых, появилось внутреннее оплодотворение внутри женского организма; во-вторых, возникло амниотическое яйцо — миниатюрный индивидуальный водоем для эмбриона, защищенный прочной скорлупой. Эти два ароморфоза стали главными признаками нового класса позвоночных — пресмы­кающихся.

5.6.8. Царство рептилий

Уровень общей организации, достигнутый пресмыкающимися, ока­зался настолько высок и открывал столь широкие возможности для формирования частных приспособлений, что рептилии оставались полновластными хозяевами Земли на протяжении четырех геологи­ческих периодов: пермского (285-235 млн лет назад), триасового (235-195 млн лет), юрского (195-137 млн лет) и мелового (137-67 млн лет назад). Сравните с продолжительностью каменноугольно­го периода — временем расцвета земноводных!

Пресмыкающиеся дали огромное число самых разнообразных и удивительных форм. Они не только полностью освоили сушу, но за­ставили потесниться исконных обитателей других сред. В юрских и меловых морях плавали ихтиозавры и плезиозавры. В воздух подня­лись рамфоринхи, птеродактили и птеранодоны. К земноводному об­разу жизни приспособились крокодилы и черепахи. Ничто, казалось, не требовало каких-то принципиально новых черт строения организ­ма, за исключеньем пустяка: пресмыкающиеся холоднокровны. Ин­тенсивность их жизненных процессов сильно зависит от темпера­туры среды, а холод ввергает в оцепенение. Пока на Земле было достаточно тепло, холоднокровность была действительно пустяком. Об этом свидетельствует то, что первые теплокровные животные,

240 Глава 5. Естественная история природы и человека

5.7. Физиологические основы психики: нейронные сети 241

мелкие примитивные млекопитающие, появились одновременно щ динозаврами, еще в триасе, однако в течение 150 млн лет оставались [ незаметной малочисленной группой.

5.6.9. Птииы, млекопитающие, цветковые растения

Постепенно теплокровность становилась все более важным преиму-' ществом. В юрском периоде, приобретя оперение, от пресмыкающих- \ ся отделились птицы. Все современные птицы теплокровные, при-', чем эту особенность они приобрели независимо от млекопитающих.,

На рубеже мелового и третичного (67-1,5 млн лет назад) перно-j дов подавляющее большинство видов пресмыкающихся вымирает.; На опустевшую главную арену битвы за жизнь врываются млекопи-,1 тающие.

Столь быстрое падение царства пресмыкающихся дало основание | для многочисленных эмоциональных высказываний. Один из созда- J телей синтетической теории эволюции (п. 4.3.2) Дж. Симпсон при-^: вел такое сравнение: «Впечатление как на спектакле, в котором ^ главные роли исполняли рептилии, и особенно толпы самых разно-.л образных динозавров; занавес падает на миг и вновь поднимается, ■; открывая ту же декорацию, но совершенно новых актеров: ни одно-.'; го динозавра, а остальные рептилии на заднем плане, как статисты»| (цит. по: Николов Т. Долгий путь жизни. М.: Мир, 1986. С. 129).

Помимо особенностей, связанных с регулированием температу-'З ры тела (теплокровность, шерстный покров), млекопитающие от-Г личаются приспособлениями, способствующими нервно-психическоЩ деятельности: развитый мозг, длительный период воспитания и обуА чения детенышей. Приобретенное млекопитающими живорождение обеспечивает более высокую выживаемость потомства.

У растений аналогичное достижение датируется началом мелово-» го периода, когда возникают цветковые, или покрытосеменные, обес печивающие семя запасом питательных веществ и защищающие eroj околоплодником. В отличие от млекопитающих цветковые очень бы-¹] стро стали преобладать в растительном мире (к середине мелового периода уже 90% видов наземных растений относились к цветков! вым). Особенно важную роль в эволюции биосферы сыграла группа^ злаковых покрытосеменных растений. Злаки возникли в конце мелей вого периода, во время заката пресмыкающихся. Их отличительные черты — приспособленность к существованию в сухом климате и вы| сокие питательные свойства — помогли формированию степных мле-1

копитающих и сыграли большую роль в биологической, а затем и со­циальной эволюции человека.

Млекопитающие были последним возникшим в ходе эволюции классом животных (новых типов животных, как говорилось ранее, не появлялось практически с кембрийского периода).