В эпоху Возрождения, когда биологическая наука еще очень робко пыталась точными экспериментами опровергнуть библейскую легенду о сотворении мира по велению творца, основной задачей было показать, что живые существа могут зарождаться из земли, из почвы прямо в банке. Но на сегодняшний день, как известно, «жизнь в пробирке» сама по себе возникнуть не может.
Никто не может сказать точно, как образовалась Земля, но многие ученые придерживаются общего мнения. Солнечная система первоначально была облаком газа и пыли, летящим в космосе (астрономам известно много других подобных облаков в галактике). Некая причина, возможно, серия ударных волн от взрыва звезды, привела к тому, что облако под действием своей собственной силы тяготения стало уплотняться. Так был приведен в движение огромный вращающийся шар газа и пыли. Материя устремлялась к центру, делаясь горячей и плотней, чем по краям. Это ядро мощной энергии было зачатком нашего Солнца.
Тем временем фрагменты пыли, вращающиеся вокруг ядра, начали уплотняться, превращаясь в небольшие камни. Затем, разрастаясь, как снежные комья, они образовывали большие валуны, которые со временем выросли в глыбы диаметром в несколько километров. Эти глыбы называются планетезималями. Последние, сталкиваясь, в конечном итоге образовали четыре внутренние каменные планеты – Меркурий, Венеру, Землю и Марс, а также каменные ядра «газовых гигантов» - Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна. Энергия, выделяемая Солнцем (солнечный ветер), сорвала с внутренних планет окружающую их газовую оболочку. Гигантские же планеты находились вне пределов мощного потока солнечного ветра и поэтому сумели сохранить свои плотные атмосферы до наших дней.
|
|
На ранней стадии своего существования Земля была такой же бесплодной планетой, какой в наши дни является Луна. Не защищенная атмосферой, она постоянно подвергалась бомбардировкам метеоритами – миллионами каменных обломков, носившихся по молодой Солнечной системе. Они врезались в Землю, «выбивая» на ее поверхности огромные кратеры. Постоянные бомбардировки Земли метеоритами, возможно, стали причиной того, что ее каменная поверхность расплавилась: планета превратилась в один сплошной океан раскаленных, расплавленных горных пород. Со временем бомбардировки ослабли, и поверхность Земли охладилась. Под затвердевшей поверхностью остались пузыри сжатых газов.
Под действием все возрастающего давления водород, углекислый газ, водяной пар и азот прорывались через земную кору на поверхность в виде вулканов. Тысячи извержений бушевали по всему земному шару. Накопленные газы сформировали вокруг Земли новую атмосферу. Из поднимавшегося вверх водяного пара образовались облака, окутавшие планету.
Сначала никакой жизни на Земле не было вовсе, были одни минеральные, газообразные и жидкие вещества, подвергавшиеся разнообразным геохимическим процессам*. Вслед за этим в самых своих простейших формах появилась жизнь со своими уже биохимическими процессами, протекающими в клетках. Некоторые полагают, правда, что какие-то «споры жизни» могли быть занесены на нашу планету из космоса – но там то они откуда взялись? Но как геохимические процессы «превратились» в биохимические, то есть как на основе круговорота минеральных веществ возник круговорот веществ органических? Это и будет ответом на самый важный вопрос: как неживое стало живым.
|
|
Обстановка была на Земле сравнима с сущим адом: скалистые горы серо-черного цвета с острейшими вершинами, еще не затронутыми эрозией*, вздымаются над волнующейся морской пучиной. Небо покрыто сплошной пеленой вулканического пепла и тяжелыми черными тучами, между которыми то и дело с треском проскакивают молнии. Из космоса изливаются потоки ультрафиолетовых лучей, убивающих все живое, только вода задерживает их своей толщей.
Именно в таких странных и совершенно не пригодных для жизни (с точки зрения современного наблюдателя) условиях на Земле начали образовываться простейшие органические соединения – небольшие молекулы сахаров, аминокислоты и некоторые другие. Вся обстановка этому способствовала: и высокое содержание особых газообразных веществ, между которыми прямо в атмосфере протекали химические реакции; и отсутствие кислорода – этот химический элемент попросту разрушал бы, окисляя, все получающиеся вещества. И это не просто домыслы: когда подобные условия воспроизвели в лаборатории, были действительно получены многие молекулы, входящие в состав живых организмов.
Потихоньку таких веществ становилось все больше и больше, они из атмосферы попадали в воду. Так в морях образовывался своеобразный «первичный бульон» из простых органических веществ, особенно «густой» у мелких берегов, хорошо подогреваемых солнцем. Многие из молекул содержали определенные количества энергии, «запасенной» в форме химических связей между их атомами. И это было очень важно: ведь появились «неосвоенные» запасы вещества и энергии, которые нужно было как-то «концентрировать», собирать в какие-то более сложные комплексы. Таким способом, образно говоря, природа «приводила в порядок» протекающие через «бульон» энергетические «потоки» - таков один из законов синергетики*. Вследствие этого происходило нарастание сложности круговорота веществ – пока еще геохимического, но уже содержащего в «зачатке» некоторую толику и живого вещества.
|
|
Как же это достигалось? Сначала небольшие молекулы собирались в виде так называемых макромолекул, то есть состоящих из очень большого числа атомов, - тех же сахаров, белково-подобных соединений, липидов и так далее. Мало-помалу из них стали формироваться крошечные, в несколько десятков микрон, капельки – коацерваты, которые во множестве стали плавать в том самом «бульоне». Одни из них состояли из одинаковых молекул, другие из разных, в том числе белковых и нуклеиновых; те кому «повезло», оказывались окруженными чем-то вроде мембраны из липидов, что придавало всей капле дополнительную устойчивость. Коацерваты образовывались и распадались, росли и делились; при этом они «питались» другими молекулами, поглощая их через свою поверхность и расщепляя на мелкие составные части – это был прообраз будущего брожения, освоенного позже в полной мере бактериями. И все подобные процессы ученые, среди них наш соотечественник А.И. Опарин, тоже наблюдали в своих лабораториях.
И вот среди коацерватов, этих прообразов будущих живых клеток, началась… биохимическая эволюция. Те капельки «преджизни», которые могли с помощью катализаторов* (из которых потом получились ферменты) более эффективно «питаться» и накапливать больше энергии, получали преимущество. А среди них в особом выигрыше оказывались, несомненно, те, которые были способны передавать свои свойства «потомкам», то есть другим капелькам, на которые распадалась родительская. Такими оказывались коацерватные капли, включавшие в себя молекулы белков и нуклеиновых кислот: белки обеспечивали все процессы «питания», а нуклеиновые кислоты – процессы сохранения и передачи информации от родительских капелек дочерним. То есть у них возникли уже какие-то зачатки наследственности.
Это напоминает примитивнейшие живые организмы, которые нельзя получить, но можно наблюдать в пробирке, - бактерии.
Разумеется, многое из «предбиологической» эволюции пока еще остается непонятным. Например, разных аминокислот в лабораторных условиях получены сотни, а в построении белков у нынешних живых организмов их участвует только 20 – почему? Эти аминокислоты существуют в двух конфигурациях, химики их называют «левыми» и «правыми»: в химических реакциях они получаются в разных соотношениях, а в белках обнаруживаются только «правые» - почему? Роль «записывающего устройства» для генетической информации была закреплена за одной из многих возможных нуклеиновых кислот, знаменитой ДНК (то есть дезоксирибонуклеиновой кислотой) – каким образом и почему? А сложнейший механизм синтеза белков, в который вовлечены молекулы еще одной нуклеиновой кислоты, не менее знаменитой РНК (то есть рибонуклеиновой кислоты) – как он сложился? Вопросы, вопросы, вопросы…
И все-таки ответ на главный из них получен: именно таким образом и при таких условиях на Земле, скорее всего, образовались самые первые простейшие организмы. С них то и началась биологическая эволюция.
Образование живого организма стало действительно ключевым событием в развитие земной биоты. Именно на него выпала функция упорядочения тех потомков энергии, запасенных в органическом веществе, которые вовлечены во всеобщий круговорот на Земле.
Самыми первыми были одноклеточные организмы, очень похожие на бактерий. Эти микроскопические существа сохранились с тех древнейших времен до наших дней, так что мы можем воочию наблюдать, какова была жизнь на самых первых этапах ее становления. От коацервата бактерию отличает более сложное строение: есть цитоплазма, в которой протекают все процессы метаболизма; есть окружающие цитоплазму клеточные стенки; в цитоплазме есть особые тельца рибосомы – своеобразные внутриклеточные «фабрики белка»; наконец, есть свернутая в кольцо тоненькая ниточка ДНК, в которой записана вся генетическая информация об этом организме – так называемый генотип. Не менее важно было «изобретение» ферментов: эти органические молекулы, вне живой клетки неизвестные, служат катализаторами внутриклеточного метаболизма*. С их участием биохимические реакции протекают в доли секунды, а без ферментов они длились бы годами.
Эти первые организмы овладели и настоящим бесполым размножением: они не просто стали «распадаться» на части (у одних – вдоль, у других – поперек), но благодаря ниточке ДНК родительская клетка все свои свойства теперь передавала потомкам без потерь. Наконец, благодаря способности запасать энергию микроорганизмы научились двигаться не по воле стихий, а по своему усмотрению, у некоторых даже образовались для этого специальные «органы движения» - жгутики.
Самые примитивные из этих одноклеточных существ (оказывается, и среди первых есть примитивные), подобно коацерватным каплям, просто поглощали из «первичного бульона» сложные органические соединения и расщепляли их до более простых. Эти организмы были неспособны обходиться без веществ, созданных не ими самими, их называют гетеротрофами. Все они жили в среде без кислорода; напротив, как это не трудно себе представить, для таких организмов свободный кислород был бы настоящим «ядом», поскольку разрушал бы их ферменты.
По мере того как организмы плодились и захватывали жизненное пространство, пищи для них становилось все меньше и меньше: скорости геохимического круговорота было недостаточно, чтобы производить нужные им сложные вещества в достаточном количестве. Тогда-то, наверное, впервые и возникла «борьба за существование» - та самая борьба за пищевой ресурс, которая во многом определила пути всей последующей биологической эволюции.
Естественно, начались поиски новых источников энергии – и оказалось, что «питаться» можно не только органическими, но и простейшими минеральными веществами, самостоятельно строя из них потребную для жизни «органику». Так микроорганизмы первыми освоили биологический синтез углеводов и превратились в автотрофов. Понятно, что они получили значительные преимущества перед первичными гетеротрофами, поэтому к настоящему времени их сохранилось гораздо больше.
Первые «опыты» включения бактерий-автотрофов в общий круговорот веществ в природе были достаточно разнообразны. Основным «строительным материалом» для микроорганизмов стали углекислый газ и водород, а энергию для их «сшивания» в макромолекулы поставляли сера, метан, иногда даже соединения железа, то есть то, что более организованные существа использовать совершенно не способны. В эволюции часто так бывает: она начинает с широкого поиска возможных путей развития, а потом останавливается на тех, которые оказались оптимальными, и вся дальнейшая специализация идет уже по этим «избранным» путям.
Именно такой путь нащупали цианофиты: они освоили фотосинтез, при котором для получения углеводов молекула углекислого газа соединяется с молекулой воды, а энергия черпается из… солнечного света. Для этого они «изобрели» молекулы хлорофилла, которые способны «отнимать» у падающего на них света кванты энергии и передавать их на внутриклеточный биохимический «конвейер», где собираются молекулы углеводов.
Что же это им дало? Во-первых, цианофиты стали использовать огромные запасы одного из самых распространенных веществ на Земле – воды. Во-вторых, они получили доступ к беспредельному количеству световой энергии, поступающей из Космоса. В-третьих, биохимические реакции, происходящие в клетке при фотосинтезе, дают значительно больше энергии, чем любые другие, обеспечивая более высокий уровень жизнедеятельности. Это все дало цианофитам огромное преимущество перед другими видами бактерий. Но не только им, потому что, в-четвертых, - и это крайне важно – в результате метаболизма цианофитов стал выделятся свободный кислород.
…С этаким «неравновесными» системами всегда так: маленькая причина приводит к огромным по своим масштабам последствиям. Ну что, казалось бы, особенного: какие-то микроорганизмы научились извлекать энергию из солнечного света и запасать ее в несколько раз больше, а побочным продуктом их метаболизма стал кислород. Но все дело в том, что этот химический элемент сыграл в развитии жизни на Земле поистине выдающуюся роль. Именно появление кислорода создало предпосылки для развития высших форм жизни, без него вся планетарная биота так и оставалась бы по сей день «бактериальной.
Одной из таких предпосылок стало новшество, которое появилось в метаболизме живых организмов, - дыхание. Дело в том, что дыхание сопровождается выделением большого количества энергии в сравнении с брожением. И это стало своего рода «энергетическим трамплином» для эволюции более сложных организмов: ведь они просто не могли возникнуть на основе метаболизма, ограниченного брожением, не способного обеспечить их полноценное существование!
Появление фотосинтезирующих организмов, умеющих строить свое тело чуть ли не из воздуха, стало предпосылкой для развития «вторичных гетеротрофов», то есть живых существ, питающихся другими же живыми существами. С точки зрения все той же энергетики это оказалось чрезвычайно выгодным и, следовательно, было тут же подхвачено эволюцией: появились самые разные одноклеточные, а затем и многоклеточные хищники. Действительно, много ли толку от поедания отдельных молекул? А тут сразу целый «винегрет» из самых разных необходимых для жизни органических веществ, которые кто-то заботливо собрал как будто специально для тебя…
Еще одной предпосылкой стало развитие озонового слоя вокруг земной атмосферы. Получился он в результате «бомбардировки» космическими лучами атомов кислорода, появившихся в атмосфере, и стал непробиваемой броней для этих самых же лучей. Живые существа оказались под надежной защитой от ультрафиолетового облучения. Благодаря этому жизнь в конечном итоге смогла покинуть свою «колыбель» - водную среду и освоить сушу.
Но вот парадокс: став предпосылкой для развития высших форм жизни, кислород уничтожил условия для возникновения ее низших форм. Ведь в результате был наложен «запрет» на протекание тех химических реакций, благодаря которым образовался «первичный бульон». Вот почему все опыты по зарождению жизни в пробирках были с самого начала обречены на неудачу: в них присутствовала кислородная атмосфера и не было исходных химических соединений. И этим мы также обязаны все тем же цианофитам: воистину, «мышь родила гору»!
Всякому развитию присуща инерция: проще развивать уже приобретенные свойства, нежели заниматься поисками каких-то новых. Это, конечно, ограничивает эволюционные возможности развивающихся систем, но зато служит определенной гарантией успеха по крайней мере на некоторое не слишком отдаленное будущее – ведь используется продукт, уже прошедший испытания. Поэтому дальнейший ход эволюции живого организма представить себе достаточно легко: как бактерии «усовершенствовали» особенности строения и функционирования коацерватных капель, точно также более высокоразвитые организмы сначала закрепили и преумножили те достижения, которые оказались посильны бактериальной клетке.
Прежде всего, вся «после-бактериальная» жизнь стала целиком и полностью «дышащей» и, следовательно, зависящей от кислорода. Но не только зависящей, но и производящей кислород. Ведь именно многоклеточные растения внесли наибольший вклад в накопление атмосферой того количества кислорода, который необходим для существования высших форм жизни – теплокровных животных.
Конечно же, важнейшей задачей эволюции стало дальнейшее совершенствование клетки – в первую очередь, ее усложнения на основе дифференциации* частей, каждая из которых отвечала бы за определенный «участок работы» одноклеточного организма. Здесь эволюция шла одновременно по нескольким основным направлениям, решая разные задачи.
Для начала, потребовалось повысить эффективность производства и накопления энергии в клетке. Это было достигнуто за счет формирования особых органелл: в хлоропластах сконцентрировался весь хлорофилл, а в митохондриях – рибосомы. Их появление долгое время было загадкой: уж очень необычно они вели себя при размножении, делясь вместе с клеткой, словно жили какой-то самостоятельной жизнью.
Совершенно неожиданный ключ к отгадке дало обнаружение в каждой из этих органелл молекулы ДНК, в митохондриях к тому же свернутой в кольцо. Такая молекула есть у бактерий. И теперь считается, что эти важнейшие для жизнедеятельности клетки органеллы некогда были самостоятельными бактериальными клетками. А потом несколько разных «микроклеток» объединились в одну «суперклетку» и каждая из них взяла на себя определенную функцию. Очевидно, эволюция не тратит зря времени на поиски каких-то новшеств, если есть возможность использовать «подручный материал», полученный на каком-то из предшествующих ее этапов.
Важнейшим событием стало обособление ядра, содержащего почти весь генетический материал клетки. При этом отдельные нити ДНК «обросли» защитной белковой оболочкой, в результате чего образовались хромосомы. Благодаря этому была повышена надежность как хранения генетической информации, так и передачи ее от родительской клетки к дочерним. Может ядро является «потомком» еще одной бактериальной клетки, вошедшей в состав формируемой «суперклетки», взявшей на себя роль «хранительницы» генотипа?
Формирование ядра оказало столь сильное влияние на всю жизнедеятельность организмов, что провело своего рода «демакрационную линию» между бактериальной прокариотной клеткой и эукариотной клеткой с ядром. В частности, из-за того что генетическая информация оказалась записанной в разных хромосомах, эукариотные организмы выработали особые, довольно сложные механизмы клеточного деления – митоз и мейоз, в которых особая роль отведена именно «воспроизведению» хромосом. Митоз надежно гарантирует, что все потомство родительской клетки получает один и тот же хромосомный набор и тем самым унаследует полностью всю ее генетическую информацию. А мейоз стал составной частью полового деления, присущего всем высокоорганизованным существам.
Так постепенно в ходе долгой эволюции возник эукариотный организм. Впрочем, «одноклеточным» его можно считать лишь с определенной натяжкой: ведь фактически это «суперклетка», «собранная» из нескольких наиболее просто устроенных прокариотных клеток.
На этом этапе развития живого одним из величайших достижений биологической эволюции стало «изобретение» пола и полового размножения. Самые первые организмы унаследовали от коацерватных капель простое клеточное деление – бесполое размножение. От них оно перешло и к более высокоразвитым животным: даже для некоторых червей способность делиться составляет важную часть их жизненного цикла. А уж про растения и говорить не приходится – те с легкостью могут плодить потомство черенкованием и из корневых отпрысков. Но среди животных именно половое размножение по мере повышения уровня их организации становилось ключевым: у высших беспозвоночных и позвоночных животных оно – единственный способ воспроизводства.
Все это было потом. А пока совершенствование «кирпичиков» живого пошло по уже построенному пути: усложнение за счет сначала объединения, а потм дифференциации отдельных клеток. В результате получился истинный многоклеточный организм, состоящий из множества клеток – от нескольких тысяч до нескольких миллионов, каждая со своим набором органелл.
Поскольку в эволюции никогда не бывает «все сразу», становления многоклеточного организма из одноклеточного тоже происходило постепенно. И оказывается, до настоящего времени в природе в полном здравии существуют «переходные» формы, их легко отыскать и понаблюдать за ними.
В небольших озерцах и прудах летом, если зачерпнуть воды в стакан, можно набрать всякой мелкой живности. Среди прочих там наверняка окажутся подвижные зеленоватые шарики с булавочную головку – вольвоксы. Хотя в естественной системе живой природы их место среди одноклеточных жгутиковых, на самом деле они состоят из многих клеток, связанных между собой тонкими цитоплазматическими мостиками: по сути это не что иное, как колония одноклеточных организмов. Наружный слой шарика составляют клетки со жгутиками: в их обязанности входит передвигать всю колонию. На одном из «полюсов» шара у многих клеток есть особые светочувствительные «глазки» -стигмы: этот «полюс» обозначает переднюю часть колонии. На противоположном «полюсе» находится несколько крупных клеток, назначение которых – размножаться: они дают начало новым колониям вольвокса.
Как видно, это уже некоторое подобие организма, состоящего из многих клеток, к тому же с зачатками «разделения обязанностей» между различными его членами. Налицо объединение клеток в единое целое, их начальная дифференциация в соответствии с выполняемыми функциями, да и все «тело» вольвокса приобретает зачатки деления на передний и задний отделы. Теперь нужно было просто закрепить эти эволюционные новации: сделать эту дифференциацию более глубокой и постоянной.
Следующей ступенью развития настоящего многоклеточного организма стало образование двух отделов его тела – переднего и заднего у животных и нижнего и верхнего у растений. Клетки, выполняющие определенные функции, объединялись в ткани, а весь организм оказался подразделенным на органы, которые «единолично» или объединившись в системы органов (например, проводящая, дыхательная и т.п.), взяли на себя полное обеспечение этих функций.
Но ведь ясно, что сами по себе эти органы, существовать не могут. В результате живой организм, как это и полагается сложной системе, постепенно стал не только более дифференцированным, но и более интегрированным: одно без другого невозможно.
Начиная с этого этапа, пути развития многоклеточных растений и животных окончательно разошлись. Причиной стало то, что растения предпочли оставаться неподвижными, закрепленными в субстрате*, тогда как животные совершенствовались во всем, что связано с подвижным образом жизни. Соответственно этому характер и глубина перестройки растительных и животных организмов оказались разными.
Палеозойская эра
Палеозойская эра началась 570 млн. лет назад. От нее сохранились явные и многочисленные остатки и следы живых существ в земной коре.
Каменная летопись Земли дает нам возможность восстановить довольно полную картину жизни Земли такого далекого от нас времени.
Небо в тяжелых тучах. Часто слышатся раскаты грома, ослепительно сверкают молнии и чудовищной силы ливни проносятся над Землей. Когда золотистые лучи солнца пробиваются сквозь мощную толщу облаков, они окрашивают бескрайние моря в синий, а полосу безжизненной суши в кирпичный цвет. На суше нигде нет даже зеленого пятнышка.
Но в пронизанных и согретых лучами солнца водах моря кипит жизнь. Здесь многоцветный мир разнообразных животных и растений. Яркие губки и кораллы образуют подводные леса. Мшанки слоистыми шапками и ветвями покрывают скалы, тут же родственники губок – археоциаты, или «древние бокалы», и великое множество различных водорослей. На дне копошатся и медленно плавают трилобиты. Трилобиты – наиболее характерные представители фауны кембрийского периода. Это вымерший класс членистоногих, с телом, расчлененным в продольном направлении на три части. Трилобиты жили в морях, как правило, на мелководье, и имели размер от 1см до 75см. По внешнему виду они напоминали живущих в настоящее время мокриц. Трилобиты появились в результате эволюции многощетинковых морских червей. Они зарывались в ил и перемещались по морскому дну или же низко плавали над ним. Трилобиты жили от кембрийского до пермского периода. Во времена кембрийского периода они составляли до 60% всей фауны. Наивысшей ступени развития они достигли в ордовикский период. Науке известно более 1500 видов трилобитов. Трилобиты питались мелкими донными животными и их останками. При малейшей опасности трилобиты проворно зарывались в ил или сворачивались колечком, подставляя врагу твердый хитиновый панцирь. А опасностей вокруг много! Даже самым крупным трилобитам приходилось остерегаться первобытных головоногих – предков теперешних спрутов. Головоногие скрывались в раковинах, то вытянутых в трубку конусом, то свернутых спиралью, подобно всем известным моллюскам-прудовикам. К скалистым выступам морского дна прикрепились известковыми стебельками крохотные и гигантские морские лилии. Морские ежи, звезды и офиуры, или змеехвостики, и другие иглокожие, населяющие палеозойские моря, возникли от предков, о которых мы можем лишь догадываться.
Вода и суша – две основные среды, в которых совершалось историческое развитие жизни от низших организмов к высшим. В истории растительного и животного мира можно проследить постепенный переход от водной среды к наземной путем приобретения организмами соответствующих приспособлений.
Широкое освоение суши растениями и животными произошло в середине палеозойской эры (силурский, девонский периоды). Это развитие шло сложными и запутанными путями. Вероятно, в это время в пресных водах суши обитали многочисленные организмы: из растений зеленые и сине-зеленые водоросли, бактерии, низшие грибы, из животных – одноклеточные корненожки, жгутиковые, реснитчатые инфузории, различные беспозвоночные – кишечнополостные и черви.
Жителей пресных вод можно по праву назвать пионерами жизни на суше. Тогда на Земле существовало три больших материка. Очертания их были не похожи на современные. Огромный материк простирался в северной половине земного шара от середины территории современной Северной Америки до Урала. Далее к востоку находился другой, менее крупный материк. Он занимал территорию Восточной Сибири, Дальнего Востока, части Китая и Монголии. На юге – в районе Африки – простирался третий материк (Гондвана). Климат был теплый. В силурском периоде произошли горообразовательные процессы, в результате которых появились горы Скандинавии, Средней Азии (Тянь-Шань), Сибири (Саяны). Это привело к поднятию материков и обмелению морей, появлению заливов, лагун. Некоторые из них опреснялись впадающими в них реками, другие становились солеными или совсем усыхали.
Именно в исчезающих, опресненных участках морей и других водоемов сама природа вынуждала некоторые виды водяных растений приспосабливаться к жизни вне воды. В периоды мелководий и засух водные растения, у которых лучше были развиты корни, выживали. Проходили тысячелетия, и растения постепенно рассеялись в прибрежной полосе суши, дав начало наземному растительному миру.
Тело наземных растений расчленено на части – стебель, листья и корни. Корень нужен для прикрепления и добывания из почвы воды и солей (водоросли в корнях не нуждаются – они впитывают соли прямо из воды). Лист нужен наземному растению, так как в нем концентрируется много хлорофилла и без него невозможен фотосинтез, стебель – для поддержки листьев и для связи их с корнями. Первые наземные растения росли по берегам водоемов. По своему строению эти растения похожи на мхи, плауны и отчасти на водоросли. Их назвали псилофитами, т. е. «голыми» или «лысыми» растениями, так как листьев они не имели. Их тело, подобно водорослям, не расчленялось еще на основные органы. Вместо корней у них имелись своеобразные подземные одноклеточные выросты – ризоиды. Размножались псилофиты при помощи спор, помещавшихся на концах ветви в спорангиях. Некоторые псилофиты стали настоящими сухопутными жителями, достигая подчас значительных размеров – 3м высоты. Псилофиты существовали недолго. От них произошли более сложно устроенные хвощевые, плауновые и папоротникообразные растения.
Приблизительно в одно время с псилофитами на суше возникли мхи и грибы, организмы, близкие к водорослям.
Вслед за растениями на сушу стали выбираться и животные – сначала беспозвоночные, а уже потом и позвоночные.
По-видимому, первыми из воды выбирались кольчатые черви (предки современных дождевых червей), моллюски, а также предки пауков, многоножек и насекомых – животных, которые во взрослом состоянии дышат трахеями – сложной системой трубок, пронизывающих все тело. Некоторые беспозвоночные того времени, например, ракоскорпионы, были самыми крупными наземными животными. Они достигали в длину 3м.
В гуще обитателей мелкого моря появились в ордовикском периоде первые позвоночные – панцирные рыбы с хрящевым внутренним скелетом.
Происхождение рыб – одна из главных загадок истории животного мира. Самые древние рыбы найдены в морских отложениях, а потом в континентальных: озерных и речных. Может быть, большая подвижность и приспособляемость рыб позволили им, вскоре после того как они возникли в море, переселиться в пресные воды суши.
Тело древнейших панцирных рыб имело вместо костного скелета хрящевой, а снаружи оно было покрыто неподвижным костяным панцирем, который состоял из пластин, особенно крупных в передней части. В таком тяжелом костяном мешке рыбы были неповоротливы, а отсутствие настоящих челюстей заставило их питаться в основном мелкими донными животными. От близкой к панцирным рыбам ветви произошли рыбы с костным скелетом. От них позже возникли костистые, двоякодышащие и кистеперые рыбы. К концу девонского периода костные рыбы были самыми высокоорганизованными животными. Появление рыб – большое событие в истории Земли. Ведь именно от них в дальнейшем, путем последовательного и длительного развития, произошли земноводные, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие и, наконец, человек.
В водоемах девонского периода, который начался 400 млн. лет назад, вода была теплая и их обитателям жилось привольно, если, конечно, не считать опасностей, подстерегающих повсюду. Моря девонского периода – это подлинный рай для рыб. Их было очень много, и некоторые рыбы достигали огромных размеров. Вот, например, гигант до 10м в длину – динихтис. Даже не имея зубов, этот могучий хищник своими режущими челюстями без труда мог расправиться с крупным животным. Появились панцирные рыбы со свободным от брони хвостом и задней половиной туловища. Таким рыбам легче удавалось нападать и защищаться. Но девонские моря не только пополнялись новыми организмами. Начали вымирать разнообразные трилобиты, ракоскорпионы и иглокожие. Среди беспозвоночных появились четырехжаберные головоногие моллюски со спирально свернутой многокамерной раковиной – аммониты.
Раковины аммонитов состояли из отдельных камер, разделенных стенками, которые ученые называют перегородками. Сами животные жили лишь в последней из них, тогда как другие камеры были заполнены особым газом или жидкостью. Аммониты могли контролировать свое перемещение в воде путем регулирования количества этих веществ. Аммониты многих видов были обнаружены по всему миру, включая Европу, США, Гималаи, Гренландию, Африку, Японию, Индонезию, Южную Америку, Россию и Новую Зеландию. Раковины аммонита представляют собой несколько витков, или плоскую спираль, именно это и предает аммонитам их необычную форму. Иногда на раковинах также имелись шипы и другие небольшие выросты, служившие для дополнительной защиты от самых разнообразных хищников, иначе те могли бы запросто разгрызть аммонита. Некоторые аммониты даже найдены с отметинами – следами от зубов. Сами аммониты, вероятно, питались мелким планктоном и морской растительностью.
В девоне уже существовали первые древние акуловые, первые лучеперые рыбы, двоякодышащие и самые «многообещающие» в смысле прогресса – кистеперые рыбы.
На суше к этому времени произошли большие перемены: материки стали подниматься, и площадь их намного увеличилась. Образовались многочисленные озера и реки, началось бурное развитие наземной растительности и сухопутных животных. Плоские побережья материков, полузатопленные водами и заболоченные, покрылись обильной растительностью.
В конце девона на земле уже росли леса из папоротников, хвощей плаунов. Одни из растений напоминали кустарники, другие – крупные деревья. В этих первобытных лесах уже жили насекомые и древние предки пауков.
В это же время произошло знаменательное событие в истории развития животного мира: девонские кистеперые рыбы стали превращаться в первых четвероногих, дышащих легкими животных – стегоцефалов. Они относятся к земноводным, или амфибиям, - самым примитивным наземным животных. Колыбелью кистеперых рыб были пересыхающие реки и озера. В них могли возникнуть рыбы, которые стали передвигаться на упругих плавниках и «заглатывать» воздух. У кистеперых были не только настоящие «рыбьи» жабры, но и некое подобие легких. Добавочный способ добывать кислород прямо из воздуха очень помогал им, когда вода из бассейнов испарялась. Такие рыбы дышали то жабрами, то выростами передней части кишечника (похожими на плавательный пузырь), стенки которых обильно пронизаны кровеносными сосудами.
Кистеперые рыбы считались вымершими в меловом периоде, около 70 млн. лет назад. Но в 1938 году у берегов Южной Африки в Индийском океане рыбаки поймали необычную рыбу с плавниками в виде весел. Ее назвали латимерией. В 1952 году у берегов архипелага Коморо в Индийском океане поймали еще одну латимерию. Эти рыбы оказались близкими по строению к древним кистеперым рыбам – целакантам, населявшим моря 60 млн. лет назад. Кистеперые рыбы имеют веслообразные грудные плавники – основные органы передвижения, в отличие от других рыб, плавающих при помощи гибкой хвостовой части туловища. Расцвет этих рыб относится к девонскому и каменноугольному периодам. Но их особое значение для эволюции наземного мира проявилось уже в девоне, когда от этих рыб произошли амфибии.
Развитые конечности позволяли кистеперым рыбам переползать из пересыхающих водоемов в места, где они находили воду. Способность дышать воздухом спасала их от гибели в «наземных» путешествиях. Под влиянием неблагоприятных для обычных рыб условий у кистеперых рыб постепенно развивались из грудных и брюшных плавников четыре ноги, очень несовершенные и слабые, похожие на ласты с пятью костными лучами. Вот почему у всех наземных позвоночных животных четыре пятипалые конечность. А дальше все пошло ускоренным темпом. Животные стали утрачивать типичный рыбий хвост и превратились в стегоцефалов, или панцирноголовых амфибий, способных жить в воде и на суше. Слизистая кожа животных была не защищена от высыхания. Размножение и первые стадии жизни у стегоцефалов проходили в воде, в виде личинок, которые дышали жабрами (как и у обыкновенных головастиков).