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.
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 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 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 O 2 в атмосферу. Когда количество кислорода находилось на стабильном уровне, многие существа сделали шаг в эволюции и перешли на аэробное дыхание.
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 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 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.
Скелеты динозавров находили на протяжении всей истории человечества, но наши предки принимали их за кости драконов, грифонов и других мифических существ. Когда ученые впервые столкнулись с останками динозавров в 1677 году, директор одного из британских музеев, Роберт Плот, определил кусочки костей как фрагмент бедренной кости человека-гиганта. Мифы о допотопных великанах развивались еще несколько сотен лет, пока ученые не научились точно восстанавливать ископаемые останки и определять их возраст. Наука об ископаемых животных совершенствуется и сегодня, применяя новейшие методы исследований. Благодаря ним ученые могут точно восстановить облик удивительных существ, ходивших по земле миллионы лет назад.
Исключительно богатый материал для развития эволюционных представлений дала наука палеонтология, изучающая историю жизни по останкам организмов, которые сохранились в горных породах и отложениях (см. Рис. 1). Палеонтология воссоздала основную хронологию событий, произошедших, главным образом, за последние 700 млн лет, когда эволюция жизни на нашей планете шла особенно интенсивно.
Эту часть истории развитии Земли обычно делят на большие промежутки, которые называются эры. Эры в свою очередь делятся на более мелкие промежутки - периоды. Периоды - на эпохи и века. Названия эр имеют греческое происхождение. Например, мезозой - «средняя жизнь», кайнозой - «новая жизнь». Для каждой эры, а иногда даже для периода, характерны свои особенности в развитии животного и растительного мира ().
Первые 1,5 млрд лет после образования нашей планеты живых организмов на ней не существовало. Этот период носит название катархей (греч. «ниже древнейшего»). В катархее происходило образование земной поверхности, шли активные вулканические и горообразовательные процессы. Жизнь возникла на границе катархея и архейской эры. Об этом свидетельствуют находки следов жизнедеятельности микроорганизмов в горных породах возрастом 3,5-3,8 млрд лет.
Архейская эра длилась 900 млн лет и почти не оставила следов органической жизни. Наличие пород органического происхождения: известняка, мрамора, углекислых веществ указывает на существование в архейскую эру бактерий и цианобактерий, то есть прокариотических организмов (см. Рис. 2). Они обитали в морях, но, возможно, выходили и на сушу. В архей вода насыщается кислородом, а на суше происходят почвообразовательные процессы.
Рис. 1
Рис. 2
Именно в архейскую эру произошло три крупных изменения в развитии живых организмов: возникновение полового процесса, возникновение фотосинтеза и появление многоклеточности ().
Половой процесс возник в результате слияния двух одинаковых клеток у жгутиковых, которые считаются наиболее древними одноклеточными. С появлением фотосинтеза единый ствол жизни разделился на два - растения и животные. А могоклеточность привела к дальнейшему осложнению жизни: дифференциации тканей, возникновении органов и систем органов (см. Рис. 3).
Рис. 3
В протерозойскую эру длительностью 2 млрд лет развиваются водоросли - зеленые, бурые, красные (см. Рис. 4), а также возникают грибы.
Рис. 4
Предками многоклеточных организмов, возможно, были колониальные организмы наподобие современных колониальных жгутиковых (см. Рис. 5). А первые многоклеточные организмы походили на современных губок и кораллов (см. Рис. 6).
Рис. 5
Рис. 6
Животный мир того периода был представлен всеми типами беспозвоночных животных (см. Рис. 7).
Рис. 7
Полагают, что в конце протерозойской эры появились первичные хордовые, подтип бесчерепных, единственным представителем которых в современной фауне является ланцетник (см. Рис. 8).
Рис. 8
Появляются двусторонние симметричные животные, развиваются органы чувств, нервные узлы, усложняется поведение животных (см. Рис. 9).
|
|
Рис. 9
Палеозойская эра началась 570 млн лет назад и характеризовалась важнейшими эволюционными событиями в истории развития органической жизни на Земле (). В начале этой эры произошло формирование значительной части суши Земли, закончилось образование озонового экрана, что дало возможность около 400 млн лет назад выйти на землю первым растениям - риниофитам (см. Рис. 10, 11). Они, в отличие от водорослей, обладали уже проводящими, покровными и механическими тканями; позволяющими существовать в условиях наземно-воздушной среды. От риниофитов затем произошли основные группы высших споровых растений: плауновидные, хвощевидные и папоротниковидные, из которых формировались первичные леса () (см. Рис. 12).
В каменноугольный период произошел крупный эволюционный подъем в развитии наземной растительности.
Рис. 10
Рис. 11
Рис. 12
Этот период отличался теплым, влажным климатом. На Земле образовывались огромные наземные леса, состоящие из гигантских папоротников, древовидных хвощей и плаунов высотой от 15 до 20 м.
Они имели хорошую проводящую систему, корни, листья, но их размножение было еще связано с водой. В этот период произрастали семенные папоротники, у которых вместо спор развивались семена (см. Рис. 13). Появление семенных растений было крупнейшим ароморфозом в истории развития Земли, поскольку размножение семенных растений уже не зависело от воды. Зародыш находится в семени и обеспечен запасом питательных веществ.
Рис. 13
С конца каменноугольного периода в связи с активным горообразовательным процессом влажный климат повсеместно становится сухим. Древовидные папоротники вымирают, остаются только их мелкие формы во влажных местах. Вымирают также и семенные папоротники. Леса каменноугольного периода привели к образованию залежей каменного угля.
Рис. 14
В развитии животного мира в палеозой (см. Рис. 14) тоже происходили важнейшие эволюционные события. В начале эры появились первые позвоночные животные - панцирные рыбы. Они обладали внутренним скелетом, давшим им преимущество в движении по сравнению с беспозвоночными животными. От панцирных рыб затем произошли хрящевые и костные рыбы (см. Рис. 15). Среди костных рыб выделились кистеперые, от которых около 300 млн. лет назад произошли первые наземные позвоночные животные.
Рис. 15
Самыми примитивными наземными позвоночными считаются древние земноводные - стегоцефалы, которые обитали в болотистых местах (см. Рис. 16, 17). Стегоцефалы соединили в себе признаки рыб и земноводных ().
Рис. 16
Рис. 17
Животные этого периода, как и растения, обитали во влажных местах, поэтому не могли распространяться вглубь суши и занимать места, удаленные от водоемов. При наступлении засушливых условий в конце каменноугольного периода крупные земноводные исчезают, сохраняются лишь мелкие формы в сырых местах.
На смену земноводным пришли пресмыкающиеся (см. Рис. 18). Более защищенные и приспособленные к существованиям в условиях сухого климата на суше, все пресмыкающиеся, в отличие от земноводных, имеют кожу, защищенную от высыхания с роговыми чешуями. Их размножение теперь не связано с водой, а яйца защищены плотными оболочками.
Рис. 18
Мезозойская эра началась около 230 млн лет назад. Климатические условия были благоприятны для дальнейшего развития жизни на нашей Земле. На суше в этот момент господствовали голосеменные растения, но около 140 млн лет назад уже возникли первые покрытосеменные, или цветковые растения ().
В морях преобладали головоногие моллюски и костные рыбы (см. Рис. 19). На суше обитали гигантские ящеры - динозавры, а также живородящие ихтиозавры, крокодилы, летающие ящеры (см. Рис. 20, 21).
Рис. 19
Рис. 20
Рис. 21
Но гигантские пресмыкающиеся относительно быстро вымерли. В начале мезозоя около 200 млн. лет назад от группы птицетазовых пресмыкающихся произошли первые птицы (см. Рис. 22), а от группы звероподобных рептилий - первые млекопитающие (см. Рис. 23).
Рис. 22
Рис. 23
Высокий уровень обмена веществ, теплокровность, развитый головной мозг позволили птицам и млекопитающим занять господствующее положение на нашей планете.
Кайнозойская эра началась 67 млн лет назад и продолжается до наших дней. После плеогена и неогена начался третий период эры - антропоген, в котором сейчас и живем мы с вами.
В течение этой эры моря и континенты сформировались в их современном виде. В плеогене покрытосеменные растения распространились по всей суше и в пресноводных водоемах, произошли активные горообразовательные процессы, в результате чего климат стал более холодным. Это привело к смене вечнозеленых лесов лиственными лесами. В антропогене окончательно сформировалась современная флора и фауна, возник человек ().
Палеонтология
Палеонтология - это наука изучающая историю развития жизни на Земле по сохранившимся в осадочных породах останкам, отпечаткам и следам жизнедеятельности древних живых организмов. Научная палеонтология возникла в конце XVIII века. Ее основоположником считают Жоржа Леопольда Кювье (Рис. 24).
Рис. 24
Более чем за 200 лет своего существования палеонтология накопила огромный материал о древних растениях и животных, многие из которых совершенно не похожи на современные формы жизни.
Палеонтологи исследуют не только останки древних растений и животных, но и окаменелости, то есть тела или фрагменты тел древних живых организмов, в которых органические вещества с течением времени заменились минеральными солями. В палеонтологии также используют методы палеоэкологии и палеоклиматологии для того, чтобы воссоздать условия жизни, в которых существовали древние организмы. В последнее время палеонтология получила новое развитие благодаря тому, что ей стали доступны методы компьютерной томографии, цифровой микроскопии, молекулярной биологии. С помощью этих открытий удалось доказать, что жизнь на нашей планете намного древнее, чем это казалось ранее.
Геохронология
Для удобства изучения и описания вся история Земли разделена на определенные промежутки времени. Эти промежутки различаются длительностью, горообразовательными процессами, климатом, флорой и фауной. В геохронологической летописи эти периоды характеризуются различными слоями осадочных пород с сохранившимися в них ископаемыми останками. Чем глубже залегает осадочный слой, тем древнее ископаемое в нем. Самые крупные подразделения геологической летописи - это эоны. Выделяют два эона: криптозой, что в переводе с греческого означает «тайная жизнь», и фанерозой - «явная жизнь». Эоны делятся на эры. В криптозое выделяют две эры: архей и протерозой. А в фанерозое - три эры: палеозой, мезозой и кайнозой. Эры в свою очередь делятся на периоды, которые могут иметь более мелкие подразделения.
Значение фотосинтеза в развитии жизни на Земле
Появление автотрофных организмов на Земле привело к гигантским изменениям в её развитии. Во-первых, появление и жизнедеятельность растений привели к образованию в атмосфере нашей Земли свободного кислорода. Наличие свободного кислорода изменило биохимические процессы, что привело к гибели многих живых организмов, для которых свободный кислород был губительно токсичным. Но, с другой стороны, наличие свободного кислорода в атмосфере позволило живым организмам освоить процесс дыхания, в результате которого в виде молекулы АТФ аккумулируется намного больше энергии. Такой энергетически более выгодный способ дыхания позволил живым организмам впоследствии освоить сушу. Кроме того, под действием ультрафиолета кислород превращался в озон. Благодаря этому процессу образовался защитный озоновый экран, не пропускающий жесткий ультрафиолет на Землю. Это стало еще одной причиной, по которой живые организмы смогли выйти на сушу. Кроме того, сами автотрофы стали более высокоэнергетической пищей для гетеротрофов. Взаимодействие автотрофов и гетеротрофов, их рождение и гибель привели к важнейшему процессу возникновению биологического круговорота веществ. Благодаря этому некогда безжизненная оболочка превратилась в населенную живыми организмами биосферу.
Список литературы
Домашнее задание
Скелеты динозавров находили на протяжении всей истории человечества, но наши предки принимали их за кости драконов, грифонов и других мифических существ. Когда ученые впервые столкнулись с останками динозавров в 1677 году, директор одного из британских музеев, Роберт Плот, определил кусочки костей как фрагмент бедренной кости человека-гиганта. Мифы о допотопных великанах развивались еще несколько сотен лет, пока ученые не научились точно восстанавливать ископаемые останки и определять их возраст. Наука об ископаемых животных совершенствуется и сегодня, применяя новейшие методы исследований. Благодаря ним ученые могут точно восстановить облик удивительных существ, ходивших по земле миллионы лет назад.
Исключительно богатый материал для развития эволюционных представлений дала наука палеонтология, изучающая историю жизни по останкам организмов, которые сохранились в горных породах и отложениях (см. Рис. 1). Палеонтология воссоздала основную хронологию событий, произошедших, главным образом, за последние 700 млн лет, когда эволюция жизни на нашей планете шла особенно интенсивно.
Эту часть истории развитии Земли обычно делят на большие промежутки, которые называются эры. Эры в свою очередь делятся на более мелкие промежутки - периоды. Периоды - на эпохи и века. Названия эр имеют греческое происхождение. Например, мезозой - «средняя жизнь», кайнозой - «новая жизнь». Для каждой эры, а иногда даже для периода, характерны свои особенности в развитии животного и растительного мира ().
Первые 1,5 млрд лет после образования нашей планеты живых организмов на ней не существовало. Этот период носит название катархей (греч. «ниже древнейшего»). В катархее происходило образование земной поверхности, шли активные вулканические и горообразовательные процессы. Жизнь возникла на границе катархея и архейской эры. Об этом свидетельствуют находки следов жизнедеятельности микроорганизмов в горных породах возрастом 3,5-3,8 млрд лет.
Архейская эра длилась 900 млн лет и почти не оставила следов органической жизни. Наличие пород органического происхождения: известняка, мрамора, углекислых веществ указывает на существование в архейскую эру бактерий и цианобактерий, то есть прокариотических организмов (см. Рис. 2). Они обитали в морях, но, возможно, выходили и на сушу. В архей вода насыщается кислородом, а на суше происходят почвообразовательные процессы.
Рис. 1
Рис. 2
Именно в архейскую эру произошло три крупных изменения в развитии живых организмов: возникновение полового процесса, возникновение фотосинтеза и появление многоклеточности ().
Половой процесс возник в результате слияния двух одинаковых клеток у жгутиковых, которые считаются наиболее древними одноклеточными. С появлением фотосинтеза единый ствол жизни разделился на два - растения и животные. А могоклеточность привела к дальнейшему осложнению жизни: дифференциации тканей, возникновении органов и систем органов (см. Рис. 3).
Рис. 3
В протерозойскую эру длительностью 2 млрд лет развиваются водоросли - зеленые, бурые, красные (см. Рис. 4), а также возникают грибы.
Рис. 4
Предками многоклеточных организмов, возможно, были колониальные организмы наподобие современных колониальных жгутиковых (см. Рис. 5). А первые многоклеточные организмы походили на современных губок и кораллов (см. Рис. 6).
Рис. 5
Рис. 6
Животный мир того периода был представлен всеми типами беспозвоночных животных (см. Рис. 7).
Рис. 7
Полагают, что в конце протерозойской эры появились первичные хордовые, подтип бесчерепных, единственным представителем которых в современной фауне является ланцетник (см. Рис. 8).
Рис. 8
Появляются двусторонние симметричные животные, развиваются органы чувств, нервные узлы, усложняется поведение животных (см. Рис. 9).
|
|
Рис. 9
Палеозойская эра началась 570 млн лет назад и характеризовалась важнейшими эволюционными событиями в истории развития органической жизни на Земле (). В начале этой эры произошло формирование значительной части суши Земли, закончилось образование озонового экрана, что дало возможность около 400 млн лет назад выйти на землю первым растениям - риниофитам (см. Рис. 10, 11). Они, в отличие от водорослей, обладали уже проводящими, покровными и механическими тканями; позволяющими существовать в условиях наземно-воздушной среды. От риниофитов затем произошли основные группы высших споровых растений: плауновидные, хвощевидные и папоротниковидные, из которых формировались первичные леса () (см. Рис. 12).
В каменноугольный период произошел крупный эволюционный подъем в развитии наземной растительности.
Рис. 10
Рис. 11
Рис. 12
Этот период отличался теплым, влажным климатом. На Земле образовывались огромные наземные леса, состоящие из гигантских папоротников, древовидных хвощей и плаунов высотой от 15 до 20 м.
Они имели хорошую проводящую систему, корни, листья, но их размножение было еще связано с водой. В этот период произрастали семенные папоротники, у которых вместо спор развивались семена (см. Рис. 13). Появление семенных растений было крупнейшим ароморфозом в истории развития Земли, поскольку размножение семенных растений уже не зависело от воды. Зародыш находится в семени и обеспечен запасом питательных веществ.
Рис. 13
С конца каменноугольного периода в связи с активным горообразовательным процессом влажный климат повсеместно становится сухим. Древовидные папоротники вымирают, остаются только их мелкие формы во влажных местах. Вымирают также и семенные папоротники. Леса каменноугольного периода привели к образованию залежей каменного угля.
Рис. 14
В развитии животного мира в палеозой (см. Рис. 14) тоже происходили важнейшие эволюционные события. В начале эры появились первые позвоночные животные - панцирные рыбы. Они обладали внутренним скелетом, давшим им преимущество в движении по сравнению с беспозвоночными животными. От панцирных рыб затем произошли хрящевые и костные рыбы (см. Рис. 15). Среди костных рыб выделились кистеперые, от которых около 300 млн. лет назад произошли первые наземные позвоночные животные.
Рис. 15
Самыми примитивными наземными позвоночными считаются древние земноводные - стегоцефалы, которые обитали в болотистых местах (см. Рис. 16, 17). Стегоцефалы соединили в себе признаки рыб и земноводных ().
Рис. 16
Рис. 17
Животные этого периода, как и растения, обитали во влажных местах, поэтому не могли распространяться вглубь суши и занимать места, удаленные от водоемов. При наступлении засушливых условий в конце каменноугольного периода крупные земноводные исчезают, сохраняются лишь мелкие формы в сырых местах.
На смену земноводным пришли пресмыкающиеся (см. Рис. 18). Более защищенные и приспособленные к существованиям в условиях сухого климата на суше, все пресмыкающиеся, в отличие от земноводных, имеют кожу, защищенную от высыхания с роговыми чешуями. Их размножение теперь не связано с водой, а яйца защищены плотными оболочками.
Рис. 18
Мезозойская эра началась около 230 млн лет назад. Климатические условия были благоприятны для дальнейшего развития жизни на нашей Земле. На суше в этот момент господствовали голосеменные растения, но около 140 млн лет назад уже возникли первые покрытосеменные, или цветковые растения ().
В морях преобладали головоногие моллюски и костные рыбы (см. Рис. 19). На суше обитали гигантские ящеры - динозавры, а также живородящие ихтиозавры, крокодилы, летающие ящеры (см. Рис. 20, 21).
Рис. 19
Рис. 20
Рис. 21
Но гигантские пресмыкающиеся относительно быстро вымерли. В начале мезозоя около 200 млн. лет назад от группы птицетазовых пресмыкающихся произошли первые птицы (см. Рис. 22), а от группы звероподобных рептилий - первые млекопитающие (см. Рис. 23).
Рис. 22
Рис. 23
Высокий уровень обмена веществ, теплокровность, развитый головной мозг позволили птицам и млекопитающим занять господствующее положение на нашей планете.
Кайнозойская эра началась 67 млн лет назад и продолжается до наших дней. После плеогена и неогена начался третий период эры - антропоген, в котором сейчас и живем мы с вами.
В течение этой эры моря и континенты сформировались в их современном виде. В плеогене покрытосеменные растения распространились по всей суше и в пресноводных водоемах, произошли активные горообразовательные процессы, в результате чего климат стал более холодным. Это привело к смене вечнозеленых лесов лиственными лесами. В антропогене окончательно сформировалась современная флора и фауна, возник человек ().
Палеонтология
Палеонтология - это наука изучающая историю развития жизни на Земле по сохранившимся в осадочных породах останкам, отпечаткам и следам жизнедеятельности древних живых организмов. Научная палеонтология возникла в конце XVIII века. Ее основоположником считают Жоржа Леопольда Кювье (Рис. 24).
Рис. 24
Более чем за 200 лет своего существования палеонтология накопила огромный материал о древних растениях и животных, многие из которых совершенно не похожи на современные формы жизни.
Палеонтологи исследуют не только останки древних растений и животных, но и окаменелости, то есть тела или фрагменты тел древних живых организмов, в которых органические вещества с течением времени заменились минеральными солями. В палеонтологии также используют методы палеоэкологии и палеоклиматологии для того, чтобы воссоздать условия жизни, в которых существовали древние организмы. В последнее время палеонтология получила новое развитие благодаря тому, что ей стали доступны методы компьютерной томографии, цифровой микроскопии, молекулярной биологии. С помощью этих открытий удалось доказать, что жизнь на нашей планете намного древнее, чем это казалось ранее.
Геохронология
Для удобства изучения и описания вся история Земли разделена на определенные промежутки времени. Эти промежутки различаются длительностью, горообразовательными процессами, климатом, флорой и фауной. В геохронологической летописи эти периоды характеризуются различными слоями осадочных пород с сохранившимися в них ископаемыми останками. Чем глубже залегает осадочный слой, тем древнее ископаемое в нем. Самые крупные подразделения геологической летописи - это эоны. Выделяют два эона: криптозой, что в переводе с греческого означает «тайная жизнь», и фанерозой - «явная жизнь». Эоны делятся на эры. В криптозое выделяют две эры: архей и протерозой. А в фанерозое - три эры: палеозой, мезозой и кайнозой. Эры в свою очередь делятся на периоды, которые могут иметь более мелкие подразделения.
Значение фотосинтеза в развитии жизни на Земле
Появление автотрофных организмов на Земле привело к гигантским изменениям в её развитии. Во-первых, появление и жизнедеятельность растений привели к образованию в атмосфере нашей Земли свободного кислорода. Наличие свободного кислорода изменило биохимические процессы, что привело к гибели многих живых организмов, для которых свободный кислород был губительно токсичным. Но, с другой стороны, наличие свободного кислорода в атмосфере позволило живым организмам освоить процесс дыхания, в результате которого в виде молекулы АТФ аккумулируется намного больше энергии. Такой энергетически более выгодный способ дыхания позволил живым организмам впоследствии освоить сушу. Кроме того, под действием ультрафиолета кислород превращался в озон. Благодаря этому процессу образовался защитный озоновый экран, не пропускающий жесткий ультрафиолет на Землю. Это стало еще одной причиной, по которой живые организмы смогли выйти на сушу. Кроме того, сами автотрофы стали более высокоэнергетической пищей для гетеротрофов. Взаимодействие автотрофов и гетеротрофов, их рождение и гибель привели к важнейшему процессу возникновению биологического круговорота веществ. Благодаря этому некогда безжизненная оболочка превратилась в населенную живыми организмами биосферу.
Список литературы
Домашнее задание
В течении длительного исторического развития жизни на Земле возникло великое разнообразие биологических видов и систем.
1) В какой среде возникли первые живые существа на Земле? Охарактеризуйте их.
Ответ: Формирование и развитие происходило в водной среде, котора по насыщенности органическими и неорганическими веществами была подобна бульону.
2) На основании каких данных историю Земле делят на крупные этапы. На какие еще этапы их подразделяют?
Ответ: Историю Земле и развития жизни на планете подразделяют на этапы - эры. В эрах выделяются периоды, а в периодых - эпохи.
3) Заполните таблицу "Развитие жизни на Земле".
| Название эры | Продолжительность млн лет | Животный и растительный мир |
| Катархей | начался около 4500 млн лет назад | синтез первых органических соединений |
| Архей | начался примерно 3500 млн лет назад | фотосинтез, эукариотические клетки, половой процесс, многоклеточность |
| Протерозой | начался 2500 млн лет назад | двусторонняя симметрия, трехслойность, системы органив, задний отдел кишечника и анальное отверстие |
| Палеозой | начался 534 млн лет назад | появление организмов с минеральным скелетом, дифференцировка тела растений на ткани, разделение тела животных на отделы, образование челюстей, появления поясов конечноустей у позвоночных. Расчленение тела растений на органы, преобразование плавников в наземные конечности, появление органов воздушного дыхания, внутреннее оплодотворение, плотные яйцевые оболочки, ороговевание кожи, образование семян, образование пыльцевой трубки и семени |
| Мезозой | начался около 248 млн лет назад | 4-х камерное сердце, полное раздерение артериального и венозного кровотока, молочные железы, возникновение цветка и плода, образование матки |
| Кайнозой | начался более 65 млн лет назад | интенсивное развитие коры головного мозга, мышление, прямохождение |
4) Почему начало палеозойской эры можно назвать ключевым рубежом в истории развития жизни на Земле?
Ответ: Появились позвоночные, в пресных водах - акулы и костные рыбы - двоякодышащие и кистеперые рыбы; растения, животные и грибы вышли на сушу.
5) Какими были первые организмы, покинувшие водную среду и начавшие свое "триумфальное шествие" по суше? Когда и как сформировалась почва?
Ответ: Первыми на сушу вышли прокариоты (бактерии и цианобактерии). Это произошло еще в архее. С выходом прокариот на сушу начался процесс образования почвы.
6) Какие особенности были характерны для первых обитателей суши?
Ответ: Появление у организмов ночного и древнего образа жизни, выработались ритмы развития, у растений развились листья и ветвление побегов.
7) Почему в настоящее время в одной и той же среде обитания одновлеменно существуют древнейшие, примитивные и высокоорганизованные животные? Ответ проиллюстрируйте примерами.
Ответ: Все организмы взаимосвязаны между собой.
Существует несколько гипотез о происхождении жизни на Земле. Их можно разделить на
две группы.
Биогенез - происхождение живого от живого (гипотеза панспермии, стационарного состояния).
Абиогенез - происхождение живого от неживого (гипотеза самозарождения, биохимическая эволюция)
Земля и жизнь на ней никогда не возникали, а существуют вечно.
Виды живых организмов могут вымирать или изменять свою численность, но не могут меняться.
Доказательство: из теории биогенеза как утверждения о том, что живые организмы могут происходить только от других живых организмов, неизбежно следует единственный логичный вывод: жизнь существовала вечно. Другими словами, если проследить цепочку порождающих друг друга живых организмов в прошлое, то она должна тянуться бесконечно.
Многообразие форм органического мира является результатом сотворения их Богом.
Отрицает изменение видов и их эволюцию.
Практически все религиозные учения утверждают, что человек и все другие живые существа созданы Богом. Виды сразу были совершенными и всегда останутся такими, какими они были созданы. Никаких доказательств, что это так, не существует. Это вопрос веры.
Креационистами было большинство ученых до XIX в.
Основоположник систематики К. Линней считал, что все виды растений и животных существуют со времени «сотворения мира» и созданы Богом независимо друг от друга.
Французский анатом и палеонтолог Ж. Кювье считал, что в течение истории Земли происходили обширные катастрофы, или катаклизмы, после которых опустошенные места заселялись организмами, пережившими катастрофу в отдаленных районах (теория катастроф).
Доказательство креационизма : целесообразность устройства живых организмов и их сообществ, хорошая приспособленность к условиям обитания.
Некоторые современные последователи креационизма используют существование очень сложных, разнообразных молекулярно-генетических процессов у живых существ как аргумент в пользу неслучайности их появления. Другие же согласны с существованием эволюционного процесса, но считают, что само начало эволюции было связано с актом творения.
Жизнь занесена из космоса
Не предлагает решения проблемы происхождения жизни во Вселенной, а объясняет только появление ее на нашей планете занесением из космоса.
Доказательство панспермии : некоторые микроорганизмы, а особенно их споры, могут сохранять жизнеспособность при очень жестких воздействиях (например, очень низких температурах).
Однако до настоящего времени при изучении метеоритов никаких форм жизни на них не найдено.
Возникновение жизни на нашей планете произошло в несколько этапов эволюции:
Абиогенный синтез простых органических соединений.
Образование биополимеров.
Установление связей между биополимерами - образование коацерватов .
Возникновение мембран, отделяющих первые подобия живых организмов - протобионтов - от окружающей среды.
Возникновение обмена веществ и энергии с окружающей средой.
Появление способности к самовоспроизведению.
Формирование экологических связей и образование первых экосистем.
Гипотеза абиогенеза основывается на данных современной науки о формировании Земли примерно 4,5 миллиарда лет назад.
Гипотеза Опарина–Холдейна сформировалась и получила первые экспериментальные подтверждения в 1950 - 1960-е гг. В настоящее время на основе современных данных гипотеза абиогенеза претерпела значительные изменения, была расширена и дополнена. В частности, большинство ученых сегодня считают, что возникновение самовоспроизведения предшествовало формированию мембран и полноценного обмена веществ или происходило параллельно с ними. Самовоспроизведение предполагает сохранение свойств в ряду поколений организмов, лежит в основе естественного отбора (который, безусловно, уже действовал среди этих древних систем) и эволюции в целом.
После появления нашей планеты как твердого тела и ее постепенного остывания происходила конденсация водяного пара в первичной атмосфере Земли. Дождевая вода с растворенными в ней веществами накапливалась в углублениях рельефа.
В первичной атмосфере в значительных количествах присутствовал углекислый газ, сероводород, метан, аммиак, пары воды и почти полностью отсутствовал кислород (следовательно, не было озонового слоя). Земля была подвержена жесткому ультрафиолетовому излучению Солнца.
Среда в целом была насыщена энергией. Для образования или разрыва химических связей были важны следующие источники:
жесткое ультрафиолетовое излучение;
электрические разряды;
естественная радиоактивность;
солнечный ветер;
вулканическая деятельность.
Американские исследователи Стэнли Миллер и Гарольд Юри в 1953 году в экспериментах показали, как в далеком прошлом могли появляться биологически важные химические соединения. Они подобрали разные газы в соотношении, близком к составу древней атмосферы, и пропускали через эту смесь искровые разряды. В результате получались такие биологически важные соединения, как муравьиная и молочная кислоты, мочевина и аминокислоты (глицин, аланин, глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота). Последующие экспериментаторы, варьируя условия и совершенствуя методы анализа, расширили набор продуктов в таком синтезе. Ими были получены многие аминокислоты, пуриновые основания - аденин и гуанин (они получаются, если в смесь газов добавить синильную кислоту), четырех- и пятиуглеродные сахара. В 2008 году опыт повторили и выяснили, что образуется 22 различных аминокислоты.
Миллер и Юри основывались в своих экспериментах на представлениях 1950-х гг. о возможном составе земной атмосферы. В настоящее время взгляды на этот вопрос изменились. В частности, считается, что концентрация СО не могла быть такой высокой, при этом было показано, что даже небольшие изменения условий и состава газовой смеси приводят к очень существенным изменениям эффективности процесса синтеза органики. Применение новых аналитических методов к древнейшим земным горным породам позволило уточнить состав древней атмосферы Земли. Он оказался очень похож на современные атмосферы Венеры и Марса - 98% СО2, 1,5% N2 и малые доли других газов, в основном аргона и SO2. Из такой атмосферы в аппарате Миллера не получается никакой органики. Для получения органики из CO2 необходим восстановитель, и ученые занялись его поисками.
Воды на поверхности и непосредственно под поверхностью Земли насыщались подобными веществами («первичный бульон» ). Состав и концентрация органических веществ зависели от окружающих условий и, вероятно, были разными в разных частях поверхности Земли. Часть образовавшихся органических веществ разрушалась. Однако другая часть могла концентрироваться, например, в пористых минералах, образуя полимеры. В экспериментах показано, что нагревание смеси аминокислот приводит к образованию достаточно длинных полипептидов со случайной последовательностью мономеров. Некоторые из этих полипептидов обладают каталитической активностью.
Жирные кислоты, соединяясь со спиртами, могли образовывать липидные пленки на поверхности водоемов.
Связи между разными биополимерами и другими веществами могли образоваться при изоляции небольших объемов биополимеров, например при образовании пузырьков из липидных пленок (коацерватов
) либо из пептидов (микросферы). 
Роль коацерватов исследовалась Александром Ивановичем Опариным и его английским коллегой Джоном Холдейном. Микросферам были посвящены исследования американского ученого Сиднея Фокса.
Проблема сложности самовоспроизводящейся системы . Сложность живых клеток огромна. Даже самые простые бактерии имеют геном из более миллиона нуклеотидов, кодирующий свыше тысячи белков. Для работы этого генома требуются специальные молекулярные машины синтеза белка (рибосомы), синтеза ДНК (репликативная вилка), энергоснабжения (как минимум 12 ферментов гликолиза, а обычно еще и электрон-транспортная цепь на мембране) и средства регуляции и управления (транскрипционные факторы и сигнальные белки). Сложность такой системы очень высока, а более простых самостоятельно воспроизводящихся систем, чем клетка, биология не знает. Вирусы не в счет - для их размножения требуется сложная живая клетка. Дарвиновский естественный отбор может порождать все более сложные системы, но для этого они с самого начала должны быть способны к репликации. Если естественный отбор начинается только с появлением первой клетки, то для ее образования случайным путем требуется гигантское время - на много порядков больше возраста Вселенной.
Проблема хиральной чистоты.
Все живые системы содержат только определенные оптические изомеры аминокислот и сахаров (L-аминокислоты и D-сахара). Противоположные изомеры встречаются, но редко и в особых случаях (например, в клеточной стенке бактерий). Неживые же системы таким свойством не обладают. Это свойство живых систем называется хиральной чистотой
. Она поддерживается за счет пространственного соответствия молекул биологических катализаторов - ферментов - только одному из оптических изомеров. Большинство химических реакций в неживых системах не являются стереоселективными, то есть в них участвуют оба оптических изомера с одной и той же вероятностью. Известно очень мало абиогенных процессов, которые стереоселективны, то есть в них участвует преимущественно один оптический изомер, но и они не дают достаточного обогащения системы нужными изомерами. Однако в последние годы открыто множество процессов, которые приводят к обогащению тем или иным оптическим изомером - см. далее в п.3.
Проблема отсутствия восстановителя в первичной атмосфере
(см. выше об опыте Миллера-Юри). По новым данным о составе первичной атмосферы, в ней практически не содержалось молекулярного водорода и CО, и описанные Миллером и Юри синтезы идти не могли.
Во многих современных успешных экспериментах по абиогенному синтезу органики берут в качестве исходного вещества формальдегид. Он очень реакционноспособен и дает множество биологически значимых продуктов.
Откуда мог взяться формальдегид? Он мог образовываться при восстановлении углекислого газа на неорганических катализаторах. Например, горячая вулканическая лава, содержащая самородное железо, при контакте с влажной СО2-атмосферой образует формальдегид. Водный раствор гидроксида железа (II) производит ту же реакцию при освещении ультрафиолетом.
Сегодня существуют две подробно разработанные теории абиогенного синтеза органики, связывающие восстановление СО2, энергетический обмен и особенности содержания ионов металлов в живом веществе.
Первая, предполагающая происхождение жизни в «железо-серном мире», на подводных геотермальных источниках, предложена немецким биофизиком Карлом Ваштерхаузером.
Другой сценарий абиогенного синтеза органики на геотермальных источниках предложен Мулкиджаняном. Он следует из способности сульфидов цинка и марганца к восстановлению разных веществ на свету («цинковый мир»).
Как происходил дальнейший синтез сложной биогенной органики? Учёные проводят множество экспериментов, стремясь подобрать условия для этих процессов, возможные на древней Земле. Большую роль в современных исследованиях играет реакция Бутлерова,
открытая еще в 1865 году. В этой реакции водный раствор формальдегида (СH2O) с добавлением Ca(OH)2 или Mg(OH)2 при небольшом нагревании превращается в сложную смесь сахаров. Эта реакция оказалась автокаталитической, то есть продукты являются катализаторами. Также катализирует реакцию свет. В определенных условиях реакция Бутлерова позволяет решить проблему хиральной чистоты, приводя к появлению только определенных оптических изомеров сахаров. Для этого добавляют силикаты либо гидроксиапатит (фосфат кальция) - соединения, в которых нет недостатка в земной коре. Также к синтезу хирально чистых D-сахаров приводит добавление комплекса аминокислоты L-пролина с ионом цинка.
Большой проблемой считался долгое время синтез нуклеотидов, так как условия синтеза его отдельных компонентов, а также 4 разных нуклеотидов оказались слабо совместимы. Однако в 2008 году Сандерлендом был осуществлен синтез нуклеотидов как целого, а не в виде отдельных компонентов, при этом получены все 4 варианта.
Как пробионты приобрели способность к саморепродукции, т.е. способность к воспроизводству структуры макромолекул? Точно сказать невозможно, однако есть гипотезы, объясняющие формирование самовоспроизводящихся систем на основе нуклеиновых кислот.
Современные ученые по-прежнему активно занимаются проблемой абиогенного синтеза и достигли значительных успехов. В частности, активно изучается автокаталитический синтез сахаров (реакция Бутлерова), открыт процесс синтеза целого нуклеотида (раньше образование нуклеотидов было неприступной крепостью - все его компоненты получить в сходных условиях не удавалось). Получив нуклеотиды, легко перейти к сборке первых нуклеиновых кислот, а эти молекулы уже содержат в себе потенциал к самовоспроизведению. Вероятно, первые самовоспроизводящиеся системы были построены на основе РНК.
Открытие в 1982 г. каталитической активности некоторых молекул РНК (рибозимов) позволяет предполагать, что именно молекулы РНК были первыми биополимерами, в которых способность к репликации сочеталась с ферментативной активностью. Искусственно получены самовоспроизводящиеся РНК (правда, небольшой длины), т. е. РНК, способные катализировать синтез своих копий. Более того, именно РНК играет важную роль во всех основополагающих и, как предполагается, древнейших процессах в клетке. Так, при биосинтезе белка на рибосомах каталитическая роль принадлежит именно рибосомной РНК. Безбелковая рибосома в настоящее время не существует - белки являются неотъемлемой частью этого комплекса, но она вполне могла существовать в прошлом.
Все эти факты говорят в пользу того, что именно РНК когда-то выполняла все биологически значимые функции в первых живых системах, а уже затем часть функций перешла к ДНК (хранение наследственной информации) и белкам (катализ, структурные функции и др.). Это предположение называется гипотезой РНК-мира
и пользуется широкой поддержкой среди современных ученых.
Структура самовоспроизводящейся РНК
Можно предполагать, что на начальных этапах развития жизни на Земле появилось очень большое разнообразие протобионтов, но все они являлись анаэробными гетеротрофами, т. е. обладали бескислородным типом дыхания и поглощали готовые органические вещества (первичную органику). Уже на этом этапе могло появиться хищничество и другие формы связей между видами, т.е. первичные сообщества. В начале биологической эволюции источником питания, вероятно, служили запасы органических веществ, созданных абиогенным путем. Когда эти запасы истощились, то преимущества в размножении должны были получить те организмы, у которых появились возможности автотрофного питания, и хищники, их поедающие.
Однако следует отметить, что самые древние бесспорные остатки живых существ принадлежат фотосинтезирующим, то есть автотрофным организмам (компоненты хлорофилла, строматолиты - окаменевшие цианобактериальные маты и т. п.). Самым древним сообществом, оставившим следы в палеонтологической летописи, является именно цианобактериальный мат. Современные маты включают в себя микробов-фотосинтетиков, хемосинтетиков и гетеротрофов, и есть данные, указывающие на наличие этих компонентов и в древних матах.
Спил строматолита Современные строматолиты, Австралия
Распространение пробионтов, да и просто биологически важных полимеров и олигомеров ограничивалось жестким ультрафиолетовым излучением в отсутствие озонового экрана.
Возникновение оксигенного фотосинтеза, то есть фотосинтеза с выделением кислорода, невозможно точно датировать, но существуют палеонтологические свидетельства наличия цианобактерий 3,4 млрд лет назад. Сначала кислород не накапливался в атмосфере, а расходовался на окисление различных компонентов земной коры, например двухвалентного железа. Затем началось медленное повышение концентрации кислорода, которое привело к так называемой кислородной революции
- смене характера всей атмосферы с восстановительного на окислительный. Резкое ускорение накопления кислорода в атмосфере датируется примерно 2,3 млрд лет назад. Молекулярный кислород является ядом для анаэробных организмов, а многие обитатели древней Земли были именно такими. Многие ученые считают, что оксигенация атмосферы была первой глобальной экологической катастрофой и привела к вымиранию многих организмов. Выжившие приспособились, выработав системы защиты от токсического действия кислорода, а некоторые научились использовать его для окисления органических веществ - клеточного дыхания, что позволило получить дополнительную энергию по сравнению с бескислородным обменом веществ. Поэтому аэробы (существа, дышащие кислородом) получили конкурентное преимущество по сравнению с анаэробами. Именно от таких организмов произошло большинство современных видов, в том числе и эукариоты, включающие в себя растения, животные, грибы и условную (сборную) группу простейших.
Считается, что возникновение современных типов многоклеточных было невозможно раньше достижения определенной концентрации кислорода в среде.
Накопление кислорода в атмосфере привело к формированию озонового экрана, что позволило жизни выйти на сушу.
Возникновения жизни абиогенным путем в далеком прошлом
Гипотеза существовала параллельно с креационизмом. Ее сторонники считали, что условия, необходимые для возникновения жизни, имеются и в настоящее время.
Доказательство: появление личинок мух в гниющем мясе; мышей из сухарей и тряпки (опыты Ван Гельмонта).
Эксперименты, в которых самозарождение не происходило после кипячения среды и запаивания сосуда, не являлись убедительными, т. к. считалось, что кипячение убивает «жизненную силу».
Через некоторое время в открытом сосуде появились личинки мух, т. к. мухи проникли в сосуд и отложили яйца. В закрытом сосуде «самозарождения» не произошло.
Позже, в начале XVIII в., Лаздзаро Спалланцани
решил проверить результаты английского исследователя Джона Нидхема о самозарождении микроорганизмов в бараньей подливке. Он брал склянки с семенным отваром, некоторые из которых закрывал пробкой. другие же запаивал на огне горелки. Одни он кипятил по целому часу, другие же нагревал только несколько минут. По прошествии нескольких дней Спалланцани обнаружил, что в тех склянках, которые были плотно запаяны и хорошо нагреты, никаких "маленьких животных нет" - они появились только в тех бутылках, которые были неплотно закрыты и недостаточно долго прокипячены, причём вероятнее всего, проникли туда из воздуха или же сохранились после кипячения, а вовсе не зародились сами по себе. Таким образом, Спалланцани не только доказал несостоятельность концепции самозарождения, но также выявил существование мельчайших организмов, способных переносить непродолжительное - в течение нескольких минут - кипячение. Между тем, Нидхем объединился с графом Бюффоном, и вместе они выдвинули гипотезу о производящей силе- некоем животворящем элементе, который содержится в бараньем бульоне и семенном отваре и способен создать живые организмы из неживой материи. Спалланцани убивает Производящую силу когда кипятит целыми часами свои склянки, утверждали они, и совершенно естественно, что маленькие зверюшки не могут возникнуть там, где нет этой силы. В последующих опытах Спалланцани удалось доказать несостоятельность этих гипотез.
Решающими оказались эксперименты известного французского биолога и химика Луи Пастера
. Он присоединил к колбе S-образную трубку со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то что доступ воздуха был обеспечен. В результате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.
Именно Пастеру медицина обязана рождением антисептики и асептики, открывших дорогу современной хирургии.
Колба с S-образным горлышком.
