5.3. Основные этапы эволюции органического мира

Изучением основных этапов эволюции живого занимается

палеонтология

– наука об ископаемых организмах. Поскольку биологической эволюции предшествовала длительная предбиологическая эволюция, отдельные этапы биогенеза современная наука увязывает с геогенезом. В геологической истории Земли выделяют различные эры, в которые происходили значительные геологические преобразования, перераспределялись суша и море, менялся климат и т. п. Кроме того, после возникновения жизни каждая эра характеризовалась своеобразием растительного и животного мира.

Геологические эры:

• катархей (5 млрд – 3,5 млрд лет назад);

• архей (3,5 млрд – 2,6 млрд лет назад);

• протерозой (2,6 млрд – 570 млн лет назад);

• палеозой (570 млн – 230 млн лет назад);

• мезозой (230 млн – 67 млн лет назад);

• кайнозой (67 млн лет назад – до настоящего времени).

Возраст Земли – около 5 млрд лет. Жизнь на нашей планете возникла в

архее,

примерно 3,5 млрд лет назад. В это время появляются первые живые клетки –

прокариоты.

Прокариоты – это простые организмы, способные к быстрому размножению, легко приспосабливающиеся к изменяющимся условиям окружающей среды. Характерное свойство прокариотов – отсутствие выраженного ядра. Эти организмы были анаэробными, т. е. могли жить без кислорода (напомним, что первичная атмосфера Земли состояла из смеси гелия, неона, аргона, водорода, метана и азота). Эти организмы были

гетеротрофами,

т. е. все необходимые для жизни вещества получали в готовом виде из окружающей среды. Однако истощение первичного «органического бульона» потребовало радикального изменения способов питания. На этом этапе биогенеза преимущество имели те организмы, которые могли получить большую часть необходимой для жизни энергии за счет солнечного излучения. Световая энергия ускоряла химические реакции, в ходе которых синтезировались необходимые для жизни вещества. Процесс выработки необходимых веществ с помощью поглощения солнечной энергии называется

фотосинтезом.

Таким образом, на смену гетеротрофам пришли

автотрофы

– живые организмы которые существуют за счет солнечной энергии и вырабатывают необходимые для жизни вещества самостоятельно. Первыми автотрофами были цианеи, затем зеленые водоросли. Фотосинтез сыграл существенную роль в биогенезе, способствовал общему ускорению эволюции органической материи. На этом этапе преимущество получили аэробные организмы, которые способны к жизни только в присутствии кислорода.

Появление автотрофных организмов серьезно повлияло на состав земной атмосферы. Дело в том, что в процессе своей жизнедеятельности автотрофные организмы выделяют большое количество кислорода и благодаря этому первичная атмосфера Земли постепенно преобразовалась во вторичную, сформировался озоновый слой, защищающий живые организмы от смертоносного действия ультрафиолетовых лучей, изменился состав воды в водоемах и т. п. Таким образом, биогенез оказал существенное влияние на эволюцию нашей планеты и гармонично «встроился» в гео-генез, став его продолжением и развитием. Считается, что нынешнее содержание кислорода в атмосфере (21 %), было достигнуто в палеозое, 250 млн лет назад, однако этот процесс начался уже в архее.

В

протерозое

(1,8 млрд лет назад) появляются

эукариоты

– живые организмы, клетки которых содержат выраженное ядро. Эукариоты более соответствовали новым условиям. В отличие от прокариотов ДНК эукариотов собрана в хромосомы и способна воспроизводиться без значительных изменений. Существуют две основные гипотезы происхождения эукариотов: аутогенная и симбиотическая. Согласно аутогенной гипотезе эукариоты возникли путем усложнения слабоструктурированных клеток, подобных прокариотам. Сторонники симбиотической гипотезы считают, что эукариоты появились как результат симбиоза нескольких прокариотных клеток, геномы которых объединились в новую целостность.

Примерно 1 млрд лет назад произошло разделение эукариотов на растительные и животные клетки. Структурные различия между растительной и животной клетками невелики. Более существенными являются различия в способах получения необходимых для жизни питательных веществ. В дальнейшем растительные клетки эволюционировали в сторону использования фотосинтеза для обеспечения себя энергией, а животные клетки – в направлении совершенствования способов передвижения (именно способность к передвижению дает возможность животным организмам искать себе пищу). Известны организмы, которые занимают промежуточное положение между растениями и животными. Например, простейший одноклеточный организм эвглена зеленая питается как растение, а передвигается как животное. Эвглену зеленую рассматривают как переходное звено между растительным и животным царствами. Другой пример – растения, которые по способу питания аналогичны животным: растения-паразиты повилика и хмель или насекомоядные растения мухоловка и росянка. Кроме того, существуют совершенно неподвижные животные организмы – моллюски.

Следующим существенным шагом в биологической эволюции стало появление 900 млн лет назад полового размножения. Механизм полового размножения заключается в слиянии и последующем распределении генетического материала двух организмов. Половое размножение значительно повышает видовое разнообразие, что, с одной стороны, позволяет живым организмам лучше приспособиться к условиям окружающей среды, а с другой – значительно ускоряет эволюционный процесс.

Появление первых многоклеточных организмов произошло примерно 800 млн лет назад. Многоклеточный организм обладает развитыми органами и тканями, т. е. более дифференцирован по сравнению с одноклеточным. Первыми многоклеточными были губки, членистоногие и кишечнополостные.

В

палеозое,

500 млн – 440 млн лет назад появляются первые крупные (10–11 м) плотоядные животные и первые небольшие по размерам (около 10 см) позвоночные. Примерно 410 млн лет назад живые организмы начинают завоевывать сушу. Наземные растения получили значительные преимущества перед водными, поскольку процессы фотосинтеза на суше протекают интенсивнее, чем в воде. Первые наземные растения – псилофиты – занимали промежуточное положение между наземными сосудистыми растениями и водорослями. Вслед за растениями на сушу перебрались и животные. Первые наземные животные напоминали современных скорпионов, они были двоякодышащими, т. е. приспособленными к дыханию и в воде, и на суше. От двоякодышащих существ впоследствии произошли сначала земноводные, а затем и сухопутные позвоночные животные. Первыми полностью приспособленными для жизни на суше животными организмами стали древние рептилии, которые по виду напоминали современных ящериц. Примерно в этот же период возникли и насекомые. Около 300 млн лет назад насекомые начинают летать и затем на протяжении почти 100 млн лет господствовали в воздухе.

В

мезозое

(230 млн – 67 млн лет назад) происходит дальнейшая эволюция животного и растительного мира. Постепенно у наземных растений формируется компактное тело, происходит его дифференциация на корень, стебель, листья, совершенствуются покровные ткани, развивается проводящая система, обеспечивающая растения водой и питательными веществами, изменяются способы размножения. Для целей размножения на суше больше подходят споры и семена, поэтому эволюционное преимущество получили те растения, которые размножались именно таким способом. Дальнейшая эволюция растительного мира связана с совершенствованием семян.

Животное царство также развивается. В начале мезозоя рептилии полностью завоевали сушу, поэтому мезозойскую эру часто называют эрой пресмыкающихся. Древние рептилии постепенно осваивают все новые и новые места обитания, и все более удаляются от воды. Постепенно в ходе эволюции возникали плавающие, летающие и передвигающиеся по суше, хищные и растительноядные рептилии. 195 млн – 137 млн лет назад от древних летающих пресмыкающихся произошли первые птицы, которые сочетали в себе признаки птиц и рептилий. 230 млн – 195 млн лет назад появились первые млекопитающие.

Кайнозой

(67 млн лет назад – настоящее время) – время господства млекопитающих, птиц, насекомых и цветковых растений. В конце мезозойской эры произошло сильное похолодание, которое привело к гибели значительного числа видов растений и общему сокращению пространств, занятых растительностью. В этих условиях эволюционное преимущество получили покрытосеменные растения, у которых процесс размножения не только не зависит от наличия водной среды, но и возможен в новых климатических условиях. Покрытосеменные – цветковые – растения и сейчас составляют большую часть царства растений. Безусловно, в течение 67 млн лет кайнозойской эры не раз происходили изменения растительного царства, но цветковые растения по-прежнему сохраняют господство.

Похолодание в конце мезозойской эры и гибель многочисленных видов растений привели к вымиранию сначала растительноядных, а затем и питавшихся ими хищных динозавров. В условиях похолодания значительное эволюционное преимущество получили теплокровные животные – млекопитающие и птицы. На протяжении миллионов лет происходит появление новых видов живых существ, которые распространяются по поверхности Земли, занимая сушу, воздух и водную среду. Примерно 8 млн лет назад начали формироваться современные семейства млекопитающих. В этот же период появились разнообразные виды приматов и тем самым сложились предпосылки для начала антропогенеза. 2–3 млн лет назад началось очередное вымирание лесов. Одна из групп антропоидных обезьян постепенно стала осваивать новые огромные открытые пространства. Предположительно именно от этих обезьян произошли люди (6.3).

Сейчас жизнь на Земле представлена клеточными и до-клеточными организмами. Доклеточные живые организмы – вирусы и фаги. Клеточные организмы традиционно разделяют на четыре царства: микроорганизмы, грибы, растения и животные. Основными группами органической природы считаются растения и животные. В настоящее время царство растений представлено более чем 500 тыс. видов, царство животных – более 1,2 млн видов.