Этапы эволюции жизни на Земле
Биологическая эволюция, или просто эволюция (от лат. evolutio — «развертывание»), — это необратимый процесс прогрессивного развития живого мира, совершающийся на Земле. В ходе эволюции происходит усложнение свойств живого, обеспечивающее более устойчивое его существование в биосфере. Крупные и мелкие преобразования свойств, строения и функций организмов, появляющиеся в процессе эволюции, обеспечивали качественно новые возможности для освоения ресурсов внешней среды. Особенно значимыми в историческом развитии живой материи оказались крупные преобразования, имеющие значение для организмов в целом и ведущие к общему биологическому прогрессу.
В историческом развитии органического мира четко прослеживается наличие целого ряда этапов, свидетельствующих об усложнении и совершенствовании свойств организмов. Они наблюдаются уже на самых ранних этапах существования живого. Важнейшим из них является появление многообразия прокариот и эукариот.
Роль прокариот в эволюции биосферы
Первые организмы появились в водной среде. Это были примитивные одноклеточные организмы — прокариоты (от греч. pro — «раньше», «перед» и karyon — «ядро»), но они обладали белоксинтезирующим и генетическим аппаратами, обеспечивающими им обмен вещество и передачу наследственных свойств при размножении. По типу питания первые прокариотные организмы были в основном гетеротрофами, то есть питались готовыми органическими веществами. Однако есть данные, что уже на самых ранних этапах существования живых существ среди прокариотов появились и автотрофы.
Появление автотрофов среди прокариот — крупное событие в эволюции живого мира.
Среди автотрофов — организмов, самостоятельно образующих органическое вещество из неорганических соединений, различают фототрофов, создающих органические соединения за счет энергии Солнца, и хемотрофов, живущих за счет энергии, высвобождающейся при химических реакциях окисления неорганических соединений (молекулярного водорода, окиси углерода, соединений серы или азота и др.).
Ученые полагают, что процесс появления хемосинтезирующих и фотосинтезирующих автотрофов начался еще на этапе коацерватных капель, когда их содержимое все более усложнялось. Происходившие при этом случайные мутации нуклеиновых кислот могли дать некоторые молекулы, по строению близкие к хлорофиллу, способные использовать энергию света.
Пока питательные вещества в окружающей водной среде были в избытке, это свойство не давало преимуществ в существовании организмам, имеющим активные пигменты. Но по мере увеличения численности организмов и сокращения питательных веществ в окружающей среде способность усваивать CO2 при участии энергии света оказалась полезной для автотрофов и их потомства, обеспечивая их выживание в конкурентной борьбе за существование.
Особенно важным для развития живой природы оказалось появление хлорофилла — зеленого пигмента, способного улавливать энергию солнечного света и осуществлять фотосинтез. Появление фотосинтеза произошло примерно 3,9 млрд лет назад. Оно стало крупнейшим прогрессивным событием в эволюции живого мира.
Совместное существование автотрофов и гетеротрофов уже на самых ранних этапах развития жизни создавало возможность одним организмам питаться органикой, создаваемой другими организмами. При этом сформировались разные типы питания: хищничество, паразитизм, симбиотрофизм и сапрофагия (от греч. sapros — «гнилой» и phagos — «пожирающий»). Организмы образовывали некоторые комплексы, совместно существовали во взаимоблагоприятных условиях. Поэтому можно считать, что уже в первобытные времена жизнь на Земле развивалась в природных сообществах (экосистемах).
Роль эукариот в эволюции биосферы
Очень крупным событием, также имеющим исключительно важное значение в эволюции живого мира, было появление эукариот (от греч. eu — «хорошо», «полностью» и karyon — «ядро»). Это произошло около 1,5 млрд лет назад. До этого времени все существовавшие тогда представители живого мира были прокариотами (бактерии, архебактерии, цианобактерии). Эукариоты, в отличие от них, имеют в клетках хорошо оформленное ядро, в котором находятся хромосомы с заключенными в них нитями ДНК, и содержат различные органоиды, отграниченные от цитоплазмы мембраной (митохондрии, хлоропласты и др.).
С появлением эукариот началось становление и развитие новых крупных групп организмов — царств растений, животных и грибов. Пышный расцвет эукариотных форм жизни привел к возникновению в органическом мире таких крупных ароморфозов, как многоклеточность и половое размножение, обеспечивающее развитие организмов из зиготы.
Отпечатки червей на выветренной поверхности известняка (1200-600 млн лет назад, протерозой)
Развитие организма из зиготы, которая образуется при слиянии половых клеток двух родительских организмов, послужило началом регулярного появления и закрепления новых качеств у дочерних организмов, что позволяло последующим поколениям лучше приспосабливаться к жизни в изменяющихся условиях среды. После этого события, произошедшего около 1,9 млрд лет назад, заметно ускорились процессы прогрессивного развития живого.
Благодаря происходящим физико-химическим изменениям в биосфере формировалась атмосфера, в которой начал накапливаться свободный кислород. Вскоре произошла так называемая кислородная революция: установилась достаточно устойчивая концентрация свободного кислорода — 1% от нынешнего, современного, количества. Накопление свободного кислорода привело к возникновению первичного озонового экрана в верхних слоях биосферы, что обусловило ускорение развития жизни. Формирование озонового слоя началось в конце протерозоя (1200-600 млн лет назад).
Живая природа «откликнулась» на это событие появлением организмов с аэробным обменом веществ. У организмов-аэробов появилось кислородное дыхание, обеспечивающее клетку большим количеством энергии.
Появление фотосинтезирующих организмов, особенно эукариот — водорослей, ускорило накопление свободного кислорода в атмосфере. Уже на границе силура и девона содержание свободного кислорода в атмосфере достигло 10% от современного уровня, а к концу палеозоя (около 250 млн лет назад), в пермском периоде, — приблизительно той же концентрации, которая наблюдается и в наше время.
Формы наземной жизни
Важным событием в эволюции органического мира был выход живых организмов на сушу. Первыми это сделали бактерии и цианобактерии. Ученые полагают, что это произошло около 3,5-3,2 млрд лет назад, то есть задолго до появления эукариот. Выйдя на обмелевшие участки суши, прокариоты начали процесс образования почвы. Спустя большой период времени на сушу вышли и эукариоты — растения, животные и грибы. Это произошло около 500-450 млн лет назад. С этих пор биологическая эволюция шла не только в водной, но и в наземно-воздушной среде.
Первые растения, вышедшие на сушу, поселились на влажных прибрежных участках вдоль пресных водоемов. Это были теперь уже давно вымершие многоклеточные растения — риниофиты, произошедшие от зеленых многоклеточных водорослей. Почти одновременно с растениями на сушу вышли и первые животные — ракоскорпионы из паукообразных.
Первые наземные растительные организмы: 1 — риния; 2 — куксония
Выход живых организмов на сушу обусловил появление у них в процессе эволюции разных приспособительных свойств. У растений сформировались система почвенного (минерального) питания — корни и система воздушного (углеродного) питания — побеги.
В условиях сухости наземной среды у организмов возникли плотные покровы, сохраняющие влагу. Для газообмена стали использоваться внутренние поверхности, возникли специальные ткани и органы, осуществляющие дыхание, а также ограничивающие потерю воды. В связи с низкой плотностью воздушной среды у животных возникли панцири и скелеты, а у растений — особые механические ткани во всех органах тела. Для передвижения по поверхности в поисках пищи или для укрытия у животных сформировались конечности, помогающие бегать, плавать, копать, прыгать, летать и т. д. У растений, ведущих прикрепленный образ жизни, выработалась способность к ветвлению и нарастанию побегов и корней. В результате увеличивалась площадь соприкосновения растений с внешней средой, откуда они добывали неорганические вещества для воздушного и почвенного питания.
Растение и четвероногое животное
На суше организмы столкнулись с обилием света, его суточным и сезонным ритмом яркости и продолжительности. Это обусловило появление организмов, ведущих ночной или дневной образ жизни. При этом у многих видов наблюдалась выработка совместных, сопряженных друг с другом ритмов развития. Для лучшего улавливания света у растений развились листья. Эти и многие другие черты приспособленности появились у организмов в процессе эволюции в связи с тем, что они вышли из водной среды в новые разнообразные условия наземно-воздушной среды.
Выход растений и животных на сушу произошел сравнительно недавно в истории Земли. Но к этому времени в водах Мирового океана и пресных водоемах жизнь уже достигла достаточно высокого уровня развития. За многие миллионы лет путем длительной биологической эволюции здесь появились разнообразные бактерии, цианобактерии, простейшие, многоклеточные животные, растения и грибы. Значительная часть их вымерла, но многие группы древних организмов или производные от них существуют и в наше время.
Как в водной среде, так и на суше жизнь различных организмов протекала совместно — в сообществах (биогеоценозах). Распространяясь по земной поверхности, сообщества живых организмов все более и более меняли ее облик и создавали особые условия жизни на этих территориях. С появлением высокорослых растений и разнообразных животных образовывались такие природные сообщества, которые не только по горизонтали, но и по вертикали многометровым слоем жизни охватывали поверхность суши. При этом различные виды, обитая в сообществах рядом друг с другом, в процессе эволюции вырабатывали разные приспособительные свойства к совместной жизни.
Совместная жизнь различных видов в природных сообществах, появившаяся в биосфере еще на заре развития живого мира, является чрезвычайно важным фактором биологической эволюции, совершающейся на Земле.