Эволюция

На протяжении первых миллиардов лет  на Земле существовали экосистемы, представленные только прокариотами. Одним из наиболее важных результатов  их существования было выделение  свободного кислорода в атмосферу. Так сформировались условия, благоприятные  для живых существ, получающих энергию  за счет полного окисления углеводов. Вероятно, это способствовало появлению  эукариот. Считается, что их появление  произошло в результате симбиоза разных представителей прокариот.

Следующий важнейший этап в эволюции жизни на Земле был связан с  появлением и распространением многоклеточных эукариот. Нарастание их разнообразия происходило постепенно, в несколько  этапов. До начала кембрийского периода (примерно 550-570 млн. лет тому назад) встречались преимущественно бесскелетные формы. Начало кембрия – время становления огромного разнообразия скелетных форм. Считается, что оно даже превышало современное.

Примерно 400 миллионов лет тому назад началось освоение суши эукариотами. Появились первые наземные экосистемы, близкие по организации современным. Это совпало с формированием мощного озонового экрана.

Наконец, принципиально важным было появление примерно 40 тысяч лет  тому назад человека разумного –  вида, деятельность которого привела  к крупнейшим изменениям, как в  большинстве местных экосистем, так и биосфере в целом.

Как правило, палеонтологи находят  остатки тех организмов, которые  были многочисленными и широко распространенными  в свое время. Крупные организмы  крайне редко удается обнаружить в целом виде. Обычно сохраняются  только отдельные части, по которым  воссоздается целый организм.

Лучше всего остатки животных и растений сохраняются на дне водоемов, где  они покрываются осадком и  меньше разрушаются. Ясно, что в одном  каком-то месте невозможно найти  пласты, отражающие всю историю Земли. Обычно это отдельные находки, в  которых сохранились ископаемые остатки определенного промежутка времени. Данные палеонтологии можно  представить как фрагменты книги, в которой многие страницы утеряны.

Возраст анализируемых образцов сейчас обычно определяют по содержанию продуктов  радиоактивного распада и таким  образом устанавливают хронологическую  последовательность появления и  исчезновения различных групп живых  организмов. Объединив данные, полученные палеонтологами по всему земному  шару, составили историю развития жизни на нашей планете. Ее принято разделять на эоны, эры, периоды. Границы между эонами, эрами, периодами, эпохами обычно устанавливаются по резким сменам в составе живых существ.

Остатки прокариотических организмов в осадочных породах обнаружить трудно, обычно об их существовании  судят по следам их деятельности, например, известнякам. О появлении автотрофных  фотосинтезирующих организмов судят  по тому, что атмосфере первобытной  Земли появляется свободный кислород. Его содержание в атмосфере начинает превышать количество, затрачиваемое на неорганическое окисление, и 2,5-2,2 миллиарда лет тому назад достигает 1% от его современного. Это должно было способствовать широкому распространению консументов и редуцентов, использующих для получения энергии окисление, а не брожение.

Судя по всему, экологическое и  биохимическое разнообразие прокариот  было чрезвычайно велико. Среди них, были, например, формы, строившие так  называемые строматолиты - очень широко распространенные в прошлом рифоподобные образования. Современные строматолиты создаются в результате деятельности очень своеобразных прокариотных экосистем, включающих разные группы продуцентов, консументов и редуцентов. Важно, что в таких экосистемах образуется кислород и формируется карбонат кальция и нередко сера.

   Можно предполагать, что на протяжении не менее 2 миллиардов лет в состав экосистем входили только прокариоты. Именно они создали основу для развития эукариот.

          Первые достоверные остатки одноклеточных эукариот найдены в отложениях возраста 1,5-1,3 миллиарда лет. Но очевидно, что появились они гораздо раньше, так как в отложениях примерно того же возраста обнаружены и остатки предположительно многоклеточных эукариот, в том числе настоящих водорослей и просто устроенных животных.

Начало становления разнообразия многоклеточных животных приходится на вендский период. В то время были представлены почти исключительно бесскелетные формы, главным образом кишечнополостные. Но среди таких животных, судя по всему, были и существа, близкие к членистоногим и плоским червям.

          Начало кембрийского периода - это время появления огромного количества скелетных форм многоклеточных животных и одноклеточных эукариот.

          Скелеты, даже плохо развитые, благоприятствовали быстрому перемещению - к скелетным структурам крепится мускулатура, поддерживали форму тела и защищали от врагов. Фактически в кембрии появились почти все основные группы современных животных. В следующем периоде - ордовикском - наиболее примечательным было появление сравнительно крупных животных, таких как головоногие моллюски и близкие к хелицеровым ракоскорпионы, которые могли быть активными хищниками. Появляются бесчелюстные позвоночные. В то время, возможно, были предприняты первые попытки освоения суши эукариотами, но начавшееся мощное оледенение прервало этот процесс.

В силурийском периоде появились челюстные рыбы и разнообразные крупные членистоногие. Наиболее же важное событие конца этого периода - выход растений на сушу.

Только в девонском периоде  наземные растения стали разнообразными и широко расселились по поверхности  суши. Возможно, этому способствовало формирование мощного озонового  экрана. Появились плаунообразные, хвощеобразные и папоротникообразные. Вместе с тем явно сохранялась  их связь с влажными условиями, так  как одна из стадий их жизненного цикла  требовала обязательного присутствия  свободной воды. Но в самом конце  девона появились первые представители  голосеменных растений, свободные от такой зависимости. Вслед за развитием  наземных растений сушу осваивали и  животные - многоножки, хелицеровые, амфибии .

          В каменноугольном периоде огромные территории на суше занимали заболоченные высокостовольные леса с преобладанием различных плаунообразных, хвощеобразных, папоротникообразных и голосеменных. Последние были особенно многочисленны в высоких широтах. В то время появились первые рептилии, многие современные группы настоящих насекомых, хелицеровых, а также легочные моллюски.

           В последнем периоде палеозоя - пермском - возрастало разнообразие многих наземных групп, но особенно заметным это было для групп, приспособленных к существованию в холодном и прохладном климате, - ведь значительная часть пермского периода приходится на мощное оледенение. Но в самом конце перми многие виды живых существ вымирают. Полностью исчезают трилобиты, четырехлучевые кораллы, многие представители головоногих, земноводных и пресмыкающихся. Пермское вымирание считается одним из крупнейших в истории жизни на Земле.

Следующая эра - мезозой - это время господства рептилий. Часто говорят, что это - век динозавров. Среди динозавров и близких к ним крупных рептилий были многочисленны как растительноядные, так и хищные виды. Морские экосистемы мезозоя изменились незначительно по сравнению с палеозойскими, хотя произошла естественная смена части групп живых существ.

В первом периоде мезозоя – триасе - происходит становление разнообразия крупных рептилий, среди них появляются специализированные водные обитатели, а также летающие ящеры.

Пресмыкающиеся  имели преимущество перед земноводными в ставших обычными в триасе засушливых районах. Среди других групп животных надо отметить появление таких совершенных  отрядов насекомых, как двукрылые  и перепончатокрылые. Начали попадаться и мелкие примитивные млекопитающие.

В следующем периоде - юрском - разнообразие крупных пресмыкающихся достигло максимума. В отложениях того времени обнаружены и первые достоверные остатки птиц, явно представляющих собой боковую ветвь пресмыкающихся.

В меловом периоде в морских  экосистемах происходил так называемый планктонный взрыв, связанный с  резким увеличением разнообразия и  продуктивности планктонных одноклеточных  фотосинтезирующих и гетеротрофных эукариот. Результатом их многовековой активности являются толщи природного мела.

На суше в меловом периоде появились покрытосеменные растения, которые к его середине уже распространились очень широко. Этому явно благоприятствовало более совершенное размножение и обычно богатое запасными питательными веществами семя.

С развитием покрытосеменных были связаны и перемены в мире насекомых: бурно эволюционируют группы, жизненно ориентированные на цветковые растения, такие как нектарофаги - опылители. Появляется довольно много птиц, а также плацентарные млекопитающие.

Конец мелового периода связан с  одним из самых знаменитых вымираний  в истории нашей планеты.

Палеонтологи нередко сталкивались со случаями массового вымирания  живых организмов, которые до этого  длительное время существовали без  изменений. В начале XIX века французский  зоолог и палеонтолог Жорж Кювье  создал теорию катастроф, которая объясняла смену форм живых организмов в истории Земли результатом периодически происходящих катастроф. Сторонники этой теории, признавали, что виды, приходящие на смену вымершим, часто оказываются устроены более сложно, но отвергали их происхождение от предковых форм. Они считали, что новые виды возникают после катастроф в результате повторных "актов творения".

Современная эра - кайнозой - отличается господством на суше семенных растений и высоким разнообразием млекопитающих  и птиц. В целом на протяжении кайнозоя происходит постепенное ухудшение  климатических условий по всей поверхности  Земли.

В палеогене в морских экосистемах высокого разнообразия достигли фораминиферы и моллюски. На суше в то время происходило становление разнообразия млекопитающих, в том числе насекомоядных, приматов и копытных. В конце этого периода появляются первые грызуны.

В неогене началось формирование покровного оледенения в приполярных широтах  и горного оледенения в высоких  горных массивах. Вероятно, наиболее интересное событие этого периода - появление и эволюция высших приматов, приведшее к появлению рода человек.

В четвертичном периоде (или антропогене) - неоднократно формировались мощные покровные оледенения. Еще более широкое распространение получила многолетняя мерзлота. В морских и особенно наземных экосистемах происходили резкие перестройки. Резко сокращалось разнообразие теплолюбивых форм и расселялись холодоустойчивые виды. В конце последнего оледенения вымерли многие крупные и холодоустойчивые млекопитающие.

Еще одно замечательное событие четвертичного  периода - это появление (примерно 40 тыс. лет тому назад) вида человек  разумный, дальнейшая деятельность которого привела к значительной перестройке  большинства экосистем и сейчас хорошо проявляется даже на уровне всей биосферы.

Анализируя ископаемые остатки  организмов, можно наблюдать изменения  в эволюции как общего строения родственных  организмов, так отдельных признаков  признака. Степень сходства или различия отражает степень филогенетического  родства. К сожалению, не все группы живых организмов хорошо представлены в палеонтологической летописи. Поэтому нередко для установления филогенетических связей сравнивают признаки современных видов.

Широкое распространение получил метод изучения молекулярных особенностей организмов, особенно сравнительный анализ нуклеотидных последовательностей. Это универсальный признак, который есть у всех живых организмов.

Об эволюции видов и других таксонов свидетельствуют также географические данные: чем раньше и полнее произошла  изоляция островов или материков, тем  сильнее различаются заселяющие их живые организмы..

Родственные отношения между видами выявляются и при сравнении строения гомологичных органов, т.е. органов, имеющих общее происхождение. Хотя у разных видов они могут быть приспособлены к выполнению различных функций и претерпевают некоторые изменения, тем не менее, их сходство легко обнаруживается. В противоположность этому аналогичные органы, выполняя одинаковую функцию, могут очень сильно различаться по строению, т.к. имеют самое разное происхождение. Пример тому крылья насекомых и крылья птиц, которые возникли независимо в разных группах животных.

Сходство признаков близких  видов обеспечивается сходством  их генов, унаследованных от общего предка. Каждый ген может со временем мутировать. У близких видов спектр мутаций оказывается похожим. Впервые это явление обнаружил у растений наш соотечественник Н. И. Вавилов. Он назвал его законом гомологических рядов наследственной изменчивости. Н.И.Вавилов предполагал, что этот закон должен действовать и на животных.

Единство происхождения  позвоночных животных обнаруживается при изучении их зародышевого развития. Начальные стадии развития эмбрионов  оказываются очень похожими у  представителей различных классов.

Некоторые органы, унаследованные от предковых форм, могут потерять свою функцию, но сохраниться в недоразвитом состоянии. Это рудиментарные органы. Наличие рудиментарных органов также отражает происхождение одних видов от других. Рудиментарные органы, если они есть, присутствуют у всех особей вида.