§ 9.4. Развитие жизни на Земле
Криптозойский зон. Архейская и протерозойская эры
Остановимся на вопросе о том, как именно, по современным представлениям, развивалась жизнь на нашей планете [8, 14, 20, 25, 27].
В архейской эре возникли первые живые организмы. Они в качестве пищи использовали органические соединения «первичного бульона» (см. § 9.2). Важнейший этап эволюции жизни на Земле связан с возникновением фотосинтеза, впоследствии обусловившего разделение органического мира на растительный и животный. Цианеи - первые фотосинтезирующие организмы, прокариотические синезеленые «водоросли» и появившиеся затем эукариотические зеленые водоросли выделяли в атмосферу из океана свободный кислород, что способствовало возникновению бактерий, способных жить в аэробной среде. По-видимому, на границе архейской и протерозойской эр произошли еще два крупных эволюционных события: появились половой процесс и многоклеточность. Пути дальнейших эволюционных преобразований первых многоклеточных разошлись: одни перешли к неподвижному образу жизни и превратились в организмы типа губок; другие стали перемещаться по субстрату с помощью ресничек ~ от них произошли плоские черви; третьи сохранили плавающий образ жизни, приобрели рот, дали начало кишечнополостным.
В протерозойской эре в морях обитало много разнообразных водорослей, в том числе прикрепленных ко дну форм. Суша еще была безжизненной, но по берегам водоемов начались почвообразовательные процессы в результате деятельности бактерий и микроскопических водорослей. В протерозойских отложениях находят остатки представителей вполне сформировавшихся типов животных.
Фанерозойский зон. Палеозойская эра
В начале палеозойской эры растения населяют в основном моря; в ордовике-силуре появляются первые наземные растения, занимающие промежуточное положение между водорослями и наземными сосудистыми растениями. Так, псилофиты уже имели проводящую (сосудистую) систему, слабодифференцированные ткани, могли укрепляться в почве, но у них отсутствовали настоящие корни (как и настоящие побеги). Дальнейшая эволюция растений на суше шла в направлении расчленения тела на вегетативные органы и ткани, совершенствование сосудистой системы (обеспечивающей быстрое передвижение воды на большую высоту). В засушливом девоне широко распространяются хвощи, плауны, папоротникообразные. Еще большего развития достигает наземная растительность в каменноугольном периоде (карбоне),характеризующемся влажным и теплым климатом на протяжении всего года. Появляются голосеменные растения, произошедшие от семенных папоротников.
Переход к семенному размножению дал растениям много преимуществ, способствовавших их широкому расселению: зародыш в семенах был защищен от неблагоприятных условий оболочками и обеспечен пищей, у него стало диплоидное число хромосом, т.е. два сходных их набора. У части голосеменных (хвойных) процесс полового размножения уже не был связан с водой: опыление осуществлялось ветром, а семена имели приспособления для распространения животными. Крупные споровые растения вымерли в пермском периоде в связи со значительным иссушением и похолоданием климата.
Животный мир развивался чрезвычайно бурно и был представлен большим количеством разнообразных форм. Пышного расцвета достигла жизнь в кембрийских морях: губки, множество членистоногих, кораллов, иглокожие, моллюски, громадные членистоногие (хищные ракоскорпионы).
В геологических отложениях ордовика обнаружены остатки животных, имевших внутренний осевой скелет, - бесчелюстных позвоночных, отдаленными потомками которых являются современные миноги и миксины. Бесчелюстные питались организмами, обитавшими в илистом дне рек и озер, засасывая пищу ртом. У этих организмов (рис. 9.2) рот представлял собой просто отверстие, ведущее в пищеварительный тракт; передний отдел его был пронизан жаберными щелями, между которыми располагались опорные хрящевые жаберные дуги. В результате отбора совершенствовался аппарат для захвата живой добычи, гораздо более питательной по сравнению с илистым детритом: третья пара жаберных дуг превратилась в челюсти, усаженные зубами; жаберная мускулатура преобразовалась в челюстную и подъязычную. Так на основе существовавших структур - скелетных жаберных дуг, служивших опорой органов дыхания, возник ротовой аппарат хватательного типа. Новообразовавшиеся челюсти оказались очень стойким органом и сохранились в последующей эволюции позвоночных.
В силурийском периоде на сушу вместе с псилофитами вышли первые дышащие воздухом животные - членистоногие. В водоемах продолжалось бурное развитие низших позвоночных. Предполагается, что позвоночные возникли в мелких пресноводных водоемах и лишь затем переселились в моря.
В девоне позвоночные представлены тремя группами: двоякодышащими, лучеперыми и кистеперыми рыбами. В конце девона появились насекомые (кормовая база для будущих наземных позвоночных). Кистеперые рыбы были типично водными животными, но могли дышать атмосферным воздухом с помощью примитивных легких, представлявших собой выпячивания стенки кишки.
Поскольку уровень воды в реках и водоемах часто менялся, а многие водоемы полностью высыхали или промерзали зимой, что создавало неблагоприятную среду для рыб, то возникновение легких, т.е. приобретение способности дышать атмосферным воздухом, можно расценивать как своеобразную адаптацию к недостатку кислорода в воде. При пересыхании водоемов животные могли спастись, либо зарываясь в ил, либо мигрируя в поисках воды. По первому пути развивались двоякодышащие рыбы, строение которых почти не изменилось со времен девона и которые обитают и сейчас в мелких пересыхающих водоемах Африки. Лучеперые рыбы, имея плавники, поддерживающиеся отдельными костными лучами, широко распространились, и в настоящее время это самый большой по количеству видов класс позвоночных.
Приспособиться к жизни на суше смогли только кистеперые рыбы благодаря мускулистым конечностям и легким. В конце девона кистеперые рыбы дали начало первым земноводным - стегоцефалам.
На протяжении каменноугольного периода стегоцефалы жили, питались и размножались в воде. Они выползали на сушу, но не совершали сколько-нибудь значительных миграций. На суше у стегоцефалов не было врагов и имелся обильный корм - черви, членистоногие, достигавшие крупных размеров. Многие группы земноводных переходили к жизни на суше и возвращались в воду только для размножения. Среди стегоцефалов выделилась группа с хорошо развитыми конечностями и подвижной системой двух первых позвонков; они размножались в воде, но уходили по суше дальше амфибий, питались наземными животными, а затем и растениями. От них произошли рептилии и млекопитающие.
Пермский период отмечен поднятием суши, а также иссушением и похолоданием климата. Амфибии вымирали как из-за ухудшения климатических условий, так и вследствие истребления подвижными хищными рептилиями. Рептилии приобрели свойства, позволившие им порвать связь с водной средой: внутреннее оплодотворение и накопление желтка в яйцеклетке, что сделало возможным размножение на суше; ороговение кожи и более сложное строение почки, что способствовало резкому уменьшению потерь воды организмом; наличие грудной клетки, что обеспечило эффективный тип дыхания - всасывающий. Отсутствие конкуренции обусловило широкое распространение рептилий на суше и возвращение части их в водную среду.
Фанерозойский зон. Мезозойская и кайнозойская эры
Мезозойская эра характеризуется установлением теплого климата, близкого к современному тропическому. В триасе вымирают гигантские папоротники, древовидные хвощи, плауны, а расцвета достигают голосеменные растения.
В юрском периоде вымирают семенные папоротники и появляются первые покрытосеменные растения, постепенно распространившиеся на все материки вследствие ряда их преимуществ: покрытосеменные имеют развитую проводящую систему, цветок привлекает насекомых-опылителей, что обеспечивает надежность перекрестного опыления, зародыш снабжается запасами пищи и защищен оболочками и т.д. В животном мире достигают расцвета насекомые и рептилии; последние занимают господствующее положение и представлены большим количеством форм. В частности, в этот период появляются летающие ящеры, завоевавшие воздушную среду.
В меловом периоде специализация пресмыкающихся (рептилий) продолжается, они достигают громадных размеров; так масса некоторых динозавров превышала 50 т. Начинается параллельная эволюция цветковых растений и насекомых-опылителей. В конце мелового периода наступает похолодание, в результате чего сокращается ареал околоводной растительности; вымирают растительноядные, за ними хищные динозавры (крупные рептилии сохраняются лишь в тропическом поясе); в морях вымирают многие формы беспозвоночных и морские ящеры; наиболее приспособленными оказываются теплокровные животные - птицы и млекопитающие.
От представителей одного из отрядов рептилий произошли птицы. Полное разделение артериального и венозного кровотока обусловило их теплокровность. Они широко распространились по суше и дали начало множеству форм.
Появление млекопитающих связано с рядом крупных усложнений организации и функций организмов, возникших у представителей другого отряда пресмыкающихся. Млекопитающие возникли в триасе, но не могли конкурировать с хищными динозаврами и на протяжении 100 млн лет занимали подчиненное положение.
В начале кайнозойской эры установился теплый равномерный климат, а около 2 млн лет назад наступило оледенение значительной части Земли. Теплолюбивая растительность отступила на юг или вымерла, появилась холодоустойчивая травяная и кустарниковая растительность, на больших территориях леса сменились степью, полупустыней и пустыней, сформировались современные растительные сообщества.
Развитие животного мира характеризуется дальнейшей дифференциацией насекомых, интенсивным видообразованием у птиц и чрезвычайно быстрым прогрессивным развитием млекопитающих. При этом млекопитающие представлены тремя подклассами: однопроходными (утконос, ехидна), которые возникли независимо от других млекопитающих еще в юрском периоде от звероподобных рептилий; сумчатыми и плацентарными, которые произошли от общего предка в меловом периоде и сосуществовали до «взрыва» в эволюции плацентарных, в результате чего они вытеснили сумчатых с большинства континентов.
От наиболее примитивных — насекомоядных млекопитающих произошли первые хищные, давшие начало копытным, и приматы. В палеогене млекопитающие начинают завоевывать море (китообразные, ластоногие и др.), а к концу неогена встречаются уже все современные семейства млекопитающих. Одна из групп приматов (австралопитеки) стала родоначальницей ветви, ведущей к роду Человек.
Оледенения четвертичного периода, достигшие максимального распространения около 250 тыс. лет назад, привели к развитию холодоустойчивой фауны. На Северном Кавказе и в Крыму обитали мамонты, шерстистые носороги, северные олени, песцы, полярные куропатки. Образование больших масс льда вызвало понижение уровня Мирового океана, в результате чего обнажились материковые отмели Северной Америки и Северной Евразии и появились сухопутные «мосты», соединявшие Североамериканский континент с Евразийским (на месте нынешнего Берингова пролива), а также Британские острова с Европейским материком и т.д. По таким «мостам» происходил обмен видами, обусловивший формирование современной нам фауны материков. Изменения климата в четвертичном периоде кайнозойской эры оказали большое влияние на эволюцию предков человека.