Первые организмы на Земле

Одним из условий возникновения жизни на ранней Земле являлось существование первичной атмосферы, обладавшей восстановительными свойствами. В раннем архее первичная атмосфера Земли состояла из углекислого газа, азота, паров воды, аргона и абиогенного метана. Для зарождения жизни на Земле совершенно необходима вода в жидкой фазе. В архее светимость Солнца была на 25% ниже современной, поэтому положительные температуры могли существовать только на экваторе.

Из газов первичной атмосферы в присутствии катализаторов образовались абиогенным путем первые простейшие органические соединения: метан СН4, формальдегид НСОН, цианистый водород НСN, аммиакNH3. Из этих соединений образуются разновидности рибонуклеиновых кислот (РНК).

В последующем образовалась рибоза как продукт полимеризации формальдегида, а также синтезировался аденин как продукт полимеризации синильной кислоты. Исходные продукты аденин и рибоза послужили материалом для синтеза нуклеотидов (рис. 4.1) и аденозинтрифосфата (АТФ).

Рис. 4.1. Образование нуклеотида – звена молекулы ДНК
из трех компонентов

В позднем архее (3 млрд лет назад) на дне теплых водоемов из образовавшихся органических соединений возникли коллоидные ассоциаты, отделенные от остальной массы воды липидной оболочкой (мембраной). В дальнейшем благодаря биосимбиозу аминокислот и полупроницаемых мембран эти ассоциаты оформились в мельчайшие примитивные одноклеточные существа – протобионты (прокариоты) – безъядерные клеточные формы бактерий. Источниками энергии этих примитивных форм жизни служили анаэробные хемогенные реакции, которые энергию для дыхания получали путем брожения (хемосинтеза). Брожение – это неэффективный способ энергообеспечения, поэтому эволюция протобионтов не могла пойти дальше одноклеточной формы организации жизни.Например, в настоящее время хемосинтез используются термофильными бактериями в «черных курильщиках» срединно-океанических хребтов.

В позднем архее и раннем протерозое обнаружены формации строматолитов, питательной базой которых служил абиогенный метан. В Якутии обнаружено самое богатое в мире месторождение графита Чебер (1,5 млн т), содержание которого в горных породах превышает 27%. Особенность этого факта в том, что скопления графита обнаружены в кристаллических сланцах архейского комплекса с возрастом около 4 млрд лет.

Рис. 4.2.Схема распределения микрофоссилий в архее и раннем протерозое: 1 – 4 – нано- и цианобактерии; 5 – 10 – разнообразные микрофоссилии; 11 – 20 – отпечатки крупных морфологически
сложных форм

Выявлено и описано более 2 тыс. микроорганизмов в породах с возрастом до 4 млрд лет (рис. 4.2). Микроорганизмы в древних породах находят в прозрачных тонких шлифах 0,03 мм.В результате потери воды планктонные животные претерпели мумификацию с сохранением прижизненной окраски. Кроме того микроорганизмы претерпевали графитизацию, когда органика превращалась в графит. Высокая концентрация в графитовых гнейсах и рудах микроорганизмов доказывает первичное органогенное происхождение углерода графитовых месторождений, что согласуется с результатами изотопного анализа. Можно сказать, что месторождения графита – это кладбища древнейших микроорганизмов – своеобразной репетиции жизни на Земле.

В древних породах с возрастом до 3,8 млрд лет найдены редкие одноклеточные и многоклеточные организмы. Массовыми находками были карбонатные породы, образованные бактериями и сине-зелеными водорослями, накапливавшими карбонат кальция. Их возраст около 1,5 млрд лет.

Позже в воде появились более сложные органические вещества, способные осуществлять фотосинтез. Включение фотосинтезирующих веществ в состав клеток протобионтов сделало их автотрофными. Количество кислорода в воде стало расти. Вследствие выделения кислорода в атмосферу она из восстановительной превращалась в окислительную.

Рис. 4.3. Эволюция содержания кислорода в атмосфере
и различных форм жизни

Эукариоты возникли благодаря биосимбиозупрокариотных бактерий. Так в условиях восстановительной атмосферы возникла примитивная жизнь, создавшая в дальнейшем благоприятные условия для развития высокоорганизованной жизни на Земле.

В начале раннего протерозоя произошел резкий рост обилия фотосинтезирующих микроорганизмов – сине-зелёных водорослей. Несколько позже появились фотосинтезирующие одноклеточные организмы типа цианобактерий, способные окислять железо. Возможно, первые фотохимические организмы использовали радиацию ультрафиолетовой части спектра. После появления свободного кислорода (рис. 4.3) и озонового слоя автотрофные фотосинтезирующие организмы начали использовать излучение видимой части солнечного спектра. В то время существовало множество видов водорослей, как свободно плавающих в воде, так и прикрепленных ко дну.

Эволюция биосферы

Эволюцию применительно к живым организмам можно определить так: развитие с течением времени сложных организмов из более простых организмов.

В естествознании существует понятие «точки Пастера» – такой концентрации свободного кислорода, при которой кислородное дыхание становится более эффективным способом использования энергии Солнца, чем анаэробное брожение. Этот критический уровень равен 1% от современного уровня содержания кислорода в атмосфере. Когда концентрация кислорода приблизилась к точке Пастера, победа аэробов над анаэробами стала окончательной. Атмосфера Земли перешла этот рубеж примерно 2,5 млрд лет назад. С этого времени развитие жизни происходило под влиянием оксигенизации атмосферы и множества других условий внешней среды (рис. 4.4).

Дыхание – это процесс, обратный фотосинтезу, который высвобождает энергии в десятки раз больше, чем брожение (ферментация). Эта энергия может использоваться для роста и перемещения организмов. Животные с пользой употребили избыток этой энергии: они научились свободно перемещаться в поисках пищи. Движение требовало координации частей тела и способности принимать сложные решения. Для этого нужен был мозг, отличающий животных от растений. Таким образом, возникновение биосферы начинается с химических процессов, которые позднее приобретают характер биохимических.

Рис. 4.4. Схема эволюции состава атмосферы и биосферы

Эти события обеспечили быстрое распространение жизни в водной среде и развитие эукариотических клеток. Считается, что первые ядерные клетки появились после того, как содержание кислорода в атмосфере достигло 4% от современного уровня. Случилось это примерно 1 млрд лет назад. Примерно 700 млн лет назад появились многоклеточные организмы.

Переход от протерозоя к фанерозою явился резким геолого-биологическим рубежом, радикально изменившим экологическую обстановку на Земле. С этого момента атмосфера превратилась в окислительную, что позволило биоте перейти на обмен веществ, построенный на реакциях окисления органики, синтезируемой растениями.

Помимо увеличения парциального давления кислорода в атмосфере важными факторами влияния на эволюцию биосферы стали дрейфы континентов, климатические изменения, трансгрессии и регрессии океана. Эти факторы меняли экологические ниши биологических сообществ, усиливали их борьбу за выживание. Например, в силуре и девоне уровень океана поднялся на 250 м, в меловой период глобальная трансгрессия достигала 400 м. В периоды оледенений вода консервировалась в материковых ледниках, что понижало уровень океана на 130 м. Эти процессы существенно изменяли климат Земли. Существенное увеличение поверхности океана и уменьшение площади суши смягчало сезонные и широтные изменения климата. По мере отступления океана возрастала континентальность климата Земли и увеличивались сезонные контрасты температуры.

Сильными процессами, влиявшими на климат и его широтную зональность, являлось бактериальное удаление азота из атмосферы и колебания угла прецессии Земли в зависимости от дрейфа континентов и высокоширотных оледенений. Кроме того, изменение взаимного расположения континентов изменяло биологическую продуктивность океанов и циркуляцию океанических течений. Например, после того как к северу от Антарктиды отошла Австралия, возникло южное циркумполярное течение, отрезавшее Антарктиду от теплых омывающих её трёх океанов. Эта система климатической изоляции Антарктиды действует и в настоящее время.

Коренная перестройка метаболизма океанических организмов произошла около 400 млн лет назад, когда в царстве животных появились формы, обладающие лёгкими. Появление этого органа, приспособленного к газообмену в воздушной среде, позволило высокоорганизованной жизни выйти на сушу.

В раннем мелу (около 100 млн лет назад) началась тектоническая активность Земли, приведшая к раздвижке материков и наступлении моря на сушу. Результатом стало увеличение разнообразия животного мира по мере обособления шельфовых провинций материков. Меловая трансгрессия привела к расцвету карбонатпотребляющей фауны и микрофлоры на шельфах, в результате чего сформировались толщи писчего мела. Однако эта трансгрессия вызвала кризисные явления в жизни биоценозов коралловых атоллов океана.

Все главные рубежи геологической истории и соответствующее деление геохронологической шкалы на эры, периоды и эпохи в значительной степени обусловлены такими событиями, как столкновения и расколы материков, возникновение и закрытие экологических ниш, образование, вымирание и консервация отдельных форм жизни. Все эти процессы, в конечном счете, вызваны тектонической активностью Земли. Ярким тому примером могут служить эндемичные формы жизни Австралии и Южной Америки.

В последней фазе Валдайского оледенения (10–12 тыс. лет назад) вымерла большая часть «мамонтовой» фауны: мамонты, гигантские олени, пещерные медведи, саблезубые тигры. Это отчасти произошло по вине человека, а отчасти от того что значительно выросла влажность атмосферы, зимы стали многоснежными, что затруднило травоядным доступ к подножному корму. В результате травоядные погибали от голода, а хищники – от отсутствия травоядных.

Весьма вероятно, что неандертальцы вымерли около 30 тыс лет назад не только из-за конкуренции с кроманьонцами, но и потому, что не выдержали похолодания ледникового периода. Резкие колебания климата определяли миграцию народов и формирование расового состава людей.

Таким образом, эволюция биосферы на протяжении 3,5 мпрд лет развивалась в тесной взаимосвязи с геологической эволюцией планеты. При этом существует и обратная связь – влияние жизни на протекание геологических процессов. В.И. Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы, более могущественной по своим последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».Большая роль органической жизни отводится в седиментогенезе карбонатов и фосфоритов, угленосных и нефтегазоносных отложений, в процессах выветривания и круговорота земного вещества.

После возрастания в атмосфере концентрации кислорода до уровня 10% от современного озоновый слой стал эффективно защищать живое вещество от жесткого излучения, после чего жизнь стала постепенно выходить на сушу.Сначала на сушу проникли растения, создав там почву, потом проникли представители разных таксонов беспозвоночных и позвоночных животных. Проходили эры и периоды, когда один состав флоры и фауны сменялся другим, более прогрессивным составоми появлением всех существующих форм(рис. 4.5).

Рис. 4.5. Взрывообразный характер развития жизни на рубеже протерозоя и фанерозоя

После возрастания в атмосфере концентрации кислорода до уровня 10% от современного (2-я точка Пастера) озоновый слой стал эффективно защищать живое вещество от жесткого излучения.

В кембрии произошел эволюционный взрыв новых форм жизни: губки, кораллы, моллюски, морские водоросли и предки семенных растений и позвоночных. В течение последующих периодов палеозойской эры жизнь заполнила Мировой океан и стала выходить на сушу.

Дальнейшее формирование наземных экосистем пошло автономно от эволюции водных экосистем. Зеленая растительность обеспечила большое количество кислорода и пищи для последующей эволюции крупных животных. Одновременно океанический планктон пополнился формами с известковыми и кремниевыми оболочками.

В конце палеозоя на Земле изменился климат. В этот период произошло усилениебиопродуктивности и были созданы огромные запасы ископаемого топлива. Позже (200–150 млн лет назад) содержание кислорода и диоксида углерода стабилизировалось на уровне наших дней.В отдельные периоды происходили изменения климата, что вызывало изменение уровня Мирового океана. Периоды общего похолодания на планете чередовались с периодами потепления с цикличностью около 100 тыс. лет.В среднем плейстоцене (45–60 тыс. лет назад) мощный ледник спустился до 48ос.ш. в Европе и до 37ос.ш. в Северной Америке. Таяли ледники относительно быстро – за 1 тыс. лет.

Существует непреложный закон жизни: любая группа не примитивных живых организмов рано или поздно вымирает.Неоднократно происходили массовые вымирания целых видов животных. Так, 65 млн лет назад исчезли многие рептилии (рис. 4.6). Их последние представители исчезли на границе кайнозоя. Эти вымирания были неодновременными, растянутыми на много лет и не связанными с деятельностью человека. По подсчетам палеонтологов, основная часть (до 98%) когда-либо существовавших на Земле (до 500 млн видов) видов вымерла.

Рис. 4.6. Расцвет и вымирание рептилий

Эволюционный прогресс не был случаен. Жизнь занимала новые пространства, условия существования на Земле непрерывно менялись, и всему живому приходилось к этому приспосабливаться. Сообщества и экосистемы сменяли друг друга. Возникали более прогрессивные, более подвижные формы, лучше приспособленные к новым условиям жизни.

Биосфера развивается при тесной совместной эволюции организмов. В.И. Вернадский, продолжая опыт предшествующих естествоиспытателей, сформулировал следующий принцип: «Живое происходит только от живого, между живым и неживым существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие».

Такое тесное экологическое взаимодействие больших групп организмов (например, растения и травоядные) называют коэволюцией.Коэволюция шла на Земле миллиарды лет. Антропогенные факторы возникли за очень короткое время, однако по мощности воздействия на биосферу они стали сопоставимы с природными. Природа и биосфера в современном естествознании представляются динамичными системами, проходящими через кризисные состояния, катастрофы и точки бифуркации.

Эволюция биосферы подчиняется следующим трём законам:

— закон постоянства эволюционного процесса в биосфере: эволюция живых организмов происходит постоянно, пока существует Земля;

— закон необратимости эволюции: при вымирании вида он никогда не возникнет вновь;

— закон дивергенции: из предковой формы последовательно образуются новые популяции более высоких систематических категорий.

Около 400 млн лет назад жизнь начала осваивать сушу. Сначала на сушу проникли растения, создав там почву, потом проникли представители разных таксонов беспозвоночных и позвоночные животные. К концу девона вся суша была покрыта растительностью. К концу карбона появляются голосеменные растения, летающие насекомые и первые плотоядные и растительноядные наземные позвоночные. В конце перми происходит великое вымирание (кораллы, аммониты, древние рыбы и др.).

Рис. 4.7. Фрагмент истории развития форм жизни на Земле
в мезозое и кайнозое

Первые наземные позвоночные дали начало амфибиям, а те – рептилиям. Рептилии получили расцвет в мезозое (рис. 4.7) и дали начало птицам и млекопитающим. В середине юрского периода жили гигантские четвероногие растительноядные динозавры длиной до 30 м и весом от 30 до 80 т. Появились акулы современного типа. Первые звери – предки современных млекопитающих – появились около 200 млн лет назад.

В меловом периоде Южная Америка и Африка удалялись друг от друга. В этот период произошло очередное великое вымирание: исчезают динозавры.После глобального вымирания крупных ящеров млекопитающие заняли ведущие позиции и доминируют в настоящее время. В настоящее время на Земле обитает до 3 млн видов животных.

Шло образование новых видов и вымирание тех форм, которые не выдерживали конкуренции или не приспособились к изменению природной среды. До появления человека вымирание отдельных видов происходило медленно за многие миллионы лет. Установлено, что продолжительность жизни вида птиц в среднем равна 2 млн лет, а млекопитающих 600 тыс. лет.Природная среда менялась многократно. На смену фауны оказывали влияние абиотические факторы. Происходило формирование складчатости и горообразование, менялся климат. Происходило чередование потеплений и оледенений, поднятий и понижений уровня океана, засушливый климат сменялся влажным.

Можно выделить следующие основные этапы эволюции биосферы.

1. Этап прокариотной биосферы, завершившийся 2,5 млрд лет назад, который характеризуется: восстановительной (бескислородной) водной средой обитания и хемосинтезом;появлением первых фотосинтезирующих организмов типа цианобактерий;жизнедеятельностью фотосинтезирующих прокариот до 1-ой точки Пастера.

2. Этап прокариотной биосферы с окислительной водной средой обитания, который завершился около 1,5 млрд лет назад. Этот этап, наступивший после достижения 1-ой точки Пастера характеризуется:появлением у простейших организмов дыхания, которое в 14 раз энергетически более эффективное, чем процессы брожения; возникновением первых эукариотных (имеющих ядро) одноклеточных организмов.

3. Этап одноклеточных и нетканевых организмов продолжительностью до 700 млн лет. Этап закончился около 800 млн лет назад и характеризуется: появлением биоразнообразия простейших организмов, обусловленным симбиогенезом;переходным периодом к возникновению многоклеточности организмов.

4. Этап многоклеточных тканевых организмов. На этом этапе: в девоне (около 350 млн лет назад) появилась наземная растительность;появились млекопитающие около 200 млн лет назад;господствует развитие биоразнообразия растений, грибов и животных.

5. Этап антропогенный – появление в биосфере человека разумного.

Зарождение жизни на Земле произошло около 3,8 млрд. лет назад, когда закончилось образование земной коры. Ученые выяснили, что первые живые организмы появились в водной среде, и только через миллиард лет произошел выход на поверхность суши первых существ.

Формированию наземной флоры способствовало образование у растений органов и тканей, возможность размножаться спорами. Животные также значительно эволюционировали и приспособились к жизни на суше: появилось внутреннее оплодотворение, способность откладывать яйца, легочное дыхание. Важным этапом развития стало формирование головного мозга, условных и безусловных рефлексов, инстинктов выживания. Дальнейшая эволюция животных дала основу для формирования человечества.

Эры и периоды в жизни на Земле

Деление истории Земли на эры и периоды, дает представление об особенностях развития жизни на планете в разные временные промежутки. Ученые выделяют особо значимые события в формировании жизни на Земле в отдельные отрезки времени – эры, которые делятся на периоды.

Существует пять эр:

• Архейская;
• протерозойская;
• палеозойская;
• мезозойская;
• кайнозойская.

Архейская эра

Архейская эра

Архейская эра началась около 4,6 млрд. лет назад, когда планета Земля только стала формироваться и признаков живого на ней не было. Воздух содержал хлор, аммиак, водород, температура доходила до 80°, уровень радиации превышал допустимые границы, при таких условиях зарождение жизни было невозможным.

Считают, что около 4 млрд. лет назад наша планета столкнулась с небесным телом, и следствием было формирование спутника Земли – Луны. Это событие стало значимым в развитии жизни, стабилизировало ось вращения планеты, поспособствовало очищению водных структур. Как следствие, на глубине океанов и морей зародилась первая жизнь: простейшие, бактерии и цианобактерии.

Протерозойская эра

Протерозойская эра

Протерозойская эра длилась примерно с 2,5 млрд. лет до 540 млн. лет назад. Обнаружены остатки одноклеточных водорослей, моллюсков, кольчатых червей. Начинает формироваться почва.

Воздух в начале эры еще не был насыщен кислородом, но в процессе жизнедеятельности бактерии, населяющие моря, стали все больше выделять O2 в атмосферу. Когда количество кислорода находилось на стабильном уровне, многие существа сделали шаг в эволюции и перешли на аэробное дыхание.

Палеозойская эра

Палеозойская эра

Палеозойская эра включает шесть периодов.

Кембрийский период (530 – 490 млн. лет назад) характеризуется возникновением представителей всех видов растений и животных. Океаны населяли водоросли, членистоногие, моллюски, появились первые хордовые (хайкоуихтис). Суша оставалась незаселенной. Температура сохранялась высокой.

Ордовикский период (490 – 442 млн. лет назад). На суше появились первые поселения лишайников, а мегалограпт (представитель членистоногих) стал выходить на берег для откладывания икры. В толще океана продолжают развиваться позвоночные, коралловые, губки.

Силурийский период (442 – 418 млн. лет назад). На сушу выходят растения, у членистоногих формируются зачатки легочной ткани. Завершается образование костного скелета у позвоночных, появляются сенсорные органы. Идет горообразование, формируются разные климатические зоны.

Девонский период (418 – 353 млн. лет назад). Характерно образование первых лесов, преимущественно папоротниковых. В водоемах появляются костные и хрящевые, амфибии стали выходить на сушу, формируются новые организмы – насекомые.

Каменноугольный период (353 – 290 млн. лет назад). Появление земноводных, происходит опускание материков, в конце периода было значительное похолодание, что привело к вымиранию многих видов.

Пермский период (290 – 248 млн. лет назад). Землю населяют пресмыкающиеся, появились терапсиды – предки млекопитающих. Жаркий климат привел к образованию пустынь, где смогли выжить только стойкие папоротники и некоторые хвойные.

Мезозойская эра

Мезозойская эра

Мезозойская эра делится на 3 периода:

Триасовый период (248 – 200 млн. лет назад). Развитие голосеменных растений, появление первых млекопитающих. Раскол суши на континенты.

Юрский период (200 – 140 млн. лет назад). Возникновение покрытосеменных растений. Появление предков птиц.

Меловой период (140 – 65 млн. лет назад). Покрытосеменные (цветковые) стали господствующей группой растений. Развитие высших млекопитающих, настоящих птиц.

Кайнозойская эра

Кайнозойская эра

Кайнозойская эра состоит из трех периодов:

Нижнетретичный период или палеоген (65 – 24 млн. лет назад). Исчезновение большинства головоногих моллюсков, появляются лемуры и приматы, позднее парапитеки и дриопитеки. Развитие предков современных видов млекопитающих – носорогов, свиней, кроликов и др.

Верхнетретичный период или неоген (24 – 2,6 млн. лет назад). Млекопитающие населяют сушу, водные просторы, воздух. Появление австралопитеков – первых предков людей. В этот период сформировались Альпы, Гималаи, Анды.

Четвертичный период или антропоген (2,6 млн. лет назад – наши дни). Знаменательное событие периода – появление человека, сначала неандертальцев, а вскоре Homo sapiens. Растительный и животный мир обрел современные черты.

Оцените, пожалуйста, статью. Мы старались:)