Эволюция и многообразие жизни

 

По масштабам геологического времени жизнь на Земле возникла довольно быстро. Последние палеонтологические данные говорят, что 4 млрд лет назад (нижний архей) на Земле уже обитали одноклеточные, а может быть и многоклеточные организмы. Жизнь протекала в анаэробной среде, поскольку свободного кислорода в первичной атмосфере было очень мало. Для своего развития они использовали органические соединения, которые могли синтезироваться в процессе химической эволюции, т.е. организмы были гетеротрофными. Исчерпав свою питательную базу, имевшуюся в первичном бульоне, они перешли к автотрофному способу питания. На стадии биологической эволюции возникли другие механизмы метаболизма, основанные на использовании энергии химических соединений. Это хемоавтотрофы (железо и серобактерии), которые для синтеза органических веществ (ассимиляции) используют химическую энергию окисления неорганических соединений (аммиака, воды, соединений серы и железа). Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в формировании и обогащении почвы различными элементами питания растений. Они, наряду с фотосинтезирующими растениями и микробами, составляют группу автотрофных организмов. Автотрофы являются основными продуцентами органического вещества в биосфере и обеспечивают существование всех других организмов – гетеротрофов.

В отсутствии свободного кислорода процесс расщепления сложных органических веществ (катаболизм) до энергетически бедных молекул (вода, CO₂ и NH₃, мочевина, молоч-ная кислота) происходит путем брожения. Брожение – эволюционно более ранняя и энергетически менее эффективная форма получения энергии из питательных веществ по
сравнению с кислородным окислением. Брожение играет большую роль в круговороте веществ в биосфере.

Существенные изменения в ходе эволюции живых организмов произошли с появлением процесса фотосинтеза, активно проявившегося в протерозое. Земля в этот период была почти сплошь покрыта океаном. Благодаря фотосинтетической деятельности первых зеленых организмов в первичной атмосфере Земли появился кислород, возник озоновый слой, создались условия для перехода из анаэробного к аэробному существованию живых организмов.

Первые клетки – прокариоты – не имели ядра. К прокариотам относятся бактерии и фотосинтезирующие бактерии – пурпурные, зеленые и сине-зеленые водоросли. Достоверными сведениями о первых организмах являются строматолиты и онколиты – особый вид осадочных пород, возникших при отмирании сине-зеленых водорослей и бактерий.

Важным событием протерозойской жизни Земли (2200–2400 млн лет назад) является появление эукариотов, содержащих обособленное ядро.

Сине-зеленые водоросли произвели, очевидно, титаническую работу по фотосинтезу – содержание кислорода в атмосфере увеличилось и на рубеже 1,5 млрд лет назад составлял 1 %. Это послужило мощным толчком к эволюции органического мира. В начале среднего рифея (около 1 млрд лет назад) появились многоклеточные организмы.

Развитие получили флора и фауна. Фауна этого периода представлена многочис-ленными кишечнополостными (медузы), членистоногими, иглокожими и другими).

Органический мир в палеозойскую эру. Палеозойская эра охватывает значительный этап в развитии органического мира продолжительностью в 350 млн лет. По окаменевшим остаткам животных и растений палеозойскую эру подразделяют на две подэры: ранний палеозой и поздний палеозой, которые сильно отличаются по палеонтологическим остаткам. Ранний палеозой включает периоды: кембрийский, ордовикский и силурийский общей продолжительностью в 165–170 млн лет.

Органический мир раннего палеозоя связан со становлением и развитием всех типов животных и растений, средой обитания которых было море. Господствовали почти все типы беспозвоночных животных и различные водоросли. Позвоночных было мало. На суше обитали бактерии, водоросли, а к концу раннего палеозоя появились растения. Особенно широко представлены в морях археоциаты, трилобиты, граптолиты, головоногие моллюски и коралловые полипы.

Археоциаты были типичными представителями раннего кембрия (570–540 млн лет назад). Они жили в теплых морях, вели прикрепленный образ жизни. Археоциаты участвовали в образовании рифов.

Трилобиты преобладали в кембрийских морях. Это маленькие (6–7 см, реже до 70 см), ползающие по дну мелкого моря в поисках пищи, беспозвоночные организмы. Они имели хитиновый панцирь и прямую форму. На смену им в ордовике пришли трилобиты, обладавшие способностью сворачиваться, очевидно, от появившихся хищников. Среди брахи-опод (плеченогих) в кембрии получили развитие примитивные беззамковые формы. Они имели двустворчатую раковину и вели сидячий образ жизни. К концу ордовикского периода появилось много замковых форм брахиоподов. Многочисленны были иглокожие, моллюски – хищники с большой раковиной (в длину около 9 м).

На начало ордовика приходится появление позвоночных, похожих на рыб. Примитивным представителем первых позвоночных является телодус, самое древнее морское животное.

Силур считается временем появления хрящевых и костных рыб. В конце силура на суше появились первые высшие примитивные растения – риниофиты.

Поздний палеозой включает девонский, каменноугольный и пермский периоды. Его продолжительность составляет 165 млн лет. Органический мир девонского периода получил развитие не только в море, но и на суше. Наряду с беспозвоночными животными получили развитие разнообразные рыбы (девон назван «веком» рыб). В девоне появились и вымерли пластинокожие рыбы. Они обладали мощным панцирем в передней части тела. В девоне в континентальных морях развились кистеперые и двоякодышащие рыбы, являющиеся, по-видимому, предками земноводных. Кистеперые рыбы имели мощные плавники, с помощью которых могли не только выходить в воздушную среду, но и были способны выползать на берег. На суше появились первые наземные позвоночные – древние земноводные – стегоцефалы. Окончание девонского периода считается временем появления многочисленных пресмыкающихся. Поздний палеозой характеризуется образованием обширных пространств суши, на которых появились наземные растения.

Раниофиты, перешедшие на сушу в силуре, сильно развились в девоне и в конце девона вымерли. В девонском периоде сформировались высшие растения: плауновидные, членистостебельные, древние папоротники и голосеменные. Особенно бурно развивались папоротники: они образовывали гигантские дремучие леса, давшие впоследствии залежи каменного угля. На суше стало много насекомых, некоторые достигли гигантских размеров (например, стрекозы с размахом крыльев более метра). Морские животные тоже усовершенствовались, что привело к образованию огромных панцирных рыб. На конец пермского периода пришлось вымирание многих палеозойских беспозвоночных: четырехлучевых кораллов, табулят, трилобитов и других. Вымерли и некоторые морские позвоночные: древние кистеперые и двоякодышащие рыбы, уменьшилось количество хрящевых рыб. Одна из причин вымирания животных – изменение климата.

Органический мир в мезозойскую эру. Еще быстрее стал развиваться животный и растительный мир Земли в мезозойскую эру. Мезозойская эра включает триасовый, юрский и меловый периоды. Продолжительность мезозойской эры 170 млн лет.

В триасовом периоде на суше стали господствовать пресмыкающиеся. Из триасовых пресмыкающихся дошли до наших дней черепахи и гаттерия. Динозавры триаса были невелики в размерах, обычно 30–50 см. В конце триаса появились первые теплокровные организмы, мелкие костные рыбы. Появились первые млекопитающие – сумчатые. Всеобщее распространение получили хвойные деревья, мезозойские папоротники и голосеменные.

Органический мир юрского периода был наиболее характерным для мезозойской эры. В море среди беспозвоночных господствующее положение приобрели аммониты со сложной внутрираковинной перегородкой. Широкое распространение получили рыбо-ящеры – ихтиозавры, чешуйчатые ящеры и костистые рыбы.

Юрский период явился пиком в развитии наземных пресмыкающихся – гигантских ящеров, получивших название динозавров. Это были огромные животные, достигающие размеров до 30 метров и веса более 50 т. По условиям питания они делились на хищников и растительноядных. Некоторые динозавры могли летать (птерозавры). Из глинистых сланцев юрского периода Германии были извлечены хорошо сохранившиеся остатки предка птиц – археоптерикса. Размер его не превышал величину современного голубя. Многие ученые считают, что археоптерикс занимает промежуточное положение между ящерами и настоящими птицами.   Растительный мир суши представлен широким разно-образием папоротников, хвойных деревьев.

В конце мелового периода все динозавры исчезли. По поводу гибели динозавров ученые выдвинули много гипотез: космические, климатические и биологические.

Органический миркайнозоя (70 млн лет назад) претерпел значительные изменения в своем развитии. На смену вымершим наземным динозаврам, морским рептилиям и летающим птерозаврам пришли млекопитающие, которые стали быстро эволюционировать и обживать все среды: воду, сушу и воздух.

В растительном мире кайнозоя преобладающими стали покрытосеменные и цветковые. В палеогене из морских позвоночных выделяются группы хрящевых и костистых рыб (акулы, скаты), множество китов, дельфинов и тюленей.

На суше широкого разнообразия достигли сумчатые, грызуны и насекомоядные. В конце периода наивысшего расцвета достигли парнокопытные и непарнокопытные. Из непарнокопытных сильно эволюционировало семейство лошадей. К середине палеогена развились гигантские носороги, а слоны достигли современных размеров.

Палеоген считают периодом расцвета приматов, появившихся в конце мезозоя.
Особо развились представители флоры – покрытосеменные, чему способствовал благоприятный климат. Густые тропические и субтропические леса покрывали северную часть Восточно-Европейской платформы. Произрастали пальмы, магнолии, из хвойных –
гигантские секвойи и кипарисы. На Шпицбергене и Гренландии росли дуб, бук, каштан, береза, тополь и некоторые хвойные. В миоцене стали преобладать современные формы млекопитающих.

В неогене начали выделяться современные семейства хищных, копытных, хоботных. Миоцен считают временем появления быков, овец, медведей, гиен, куницы, собак, барсуков, а плиоцен – слонов, мамонтов, рассомах, гиппопотамов, оленей и настоящих лошадей. Наземная фауна млекопитающих была подвержена процессам миграции и постепенно поселилась почти на всех материках, за исключением Австралии.

Наземная флора по составу была почти аналогична современной. Господствующее положение занимали покрытосеменные. Появление новых животных и растительных форм продолжалось в течение всей кайнозойской эры, включая четвертичный период. На развитие органического мира сильное влияние оказало четвертичное оледенение, охватившее значительную часть Евразии и Северной Америки. По крайней мере, шесть раз в течение четвертичного периода происходило наступление ледника на Русскую равнину (похолодание), которое сменялось потеплением. Последний ледник покинул территорию Евразии около 12 тыс. лет назад и сохранился в Гренландии и в Арктике. Многие теплолюбивые формы вымерли, а млекопитающие в значительной мере приспособились к похолоданию в северном полушарии. Сформировались современные фитогеографические зоны. Общее похолодание, по-видимому, явилось причиной гибели теплолюбивых животных: гигантских носорогов, древних слонов, пещерных львов, медведей и саблезубых тигров. На южных окраинах Русской платформы обитали холоднолюбивые формы: мамонт, белая куропатка, песец, северный олень. Некоторые животные мигрировали на большие расстояния. Так, из Евразии перешли в Северную Америку бизон, носорог, медведь, слон, олень, кошка, а из Северной Америки в Евразию переселились лошадь и верблюд.

В начале четвертичного периода животный мир Земли постепенно приобрел современный облик. Самым важным событием четвертичного периода явилось появление человека. Этому предшествовало длительная эволюция приматов от дриопитека до человека разумного (таблица 10).

Таблица 10

Основные этапы эволюции человека	Время
1 Дриопитек – древнейший предок человека	20–25 млн лет назад
2 Ромапитек – человекообразные обезьяны	12 млн лет назад
3 Австралопитек – передвижение на двух конечностях	6–1,5 млн лет назад
4 Человек умелый (Homo habilis) – изготовление примитивных каменных орудий	2,6 млн лет назад
5 Человек прямоходящий (Homo erectus) – мог пользоваться огнем	1 млн лет назад
6 Архантропы – питекантроп, гейдельбергский человек, синантроп	250 тыс. лет назад
7 Человек разумный (Homo sapiens) – неандерталец	100 тыс. лет назад
8 Современный человек (Homo sapiens sapiens) –  кроманьонец	40–35 тыс. лет назад

 

Исследования, проведенные учеными, позволили проследить основные черты вида человека. По строению и расположению своих органов человек относится к классу млекопитающих, унаследовавший многие черты животных, рыб, земноводных, пресмыкающихся и птиц. У человека и у животного единые звенья тканевого обмена веществ, сходно осуществляется рост и индивидуальное развитие (онтогенез), единый для всего органического мира принцип хранения и реализации генетического кода и др. (таблица 11).

Таблица 11

Основные черты	От кого унаследовал
Генетический код митохондрий	Прокариоты
Генетический код ядра	Первые одноклеточные эукариоты
Двухсторонняя симметрия	Предшественники ранних хордовых
Костный скелет	Рыбы
Пятипалые конечности	Рыбы, земноводные
Легочное дыхание	Земноводные и пресмыкающиеся
Удлиненные конечности, дифференциро-ванная зубная система, молочные железы, теплокровность	Примитивные млекопитающие
Плацента, живорождение	Ранние плацентарные животные

 

Появление этих основных черт у человека характеризует крупные ароморфозы, приведшие к прогрессивному развитию позвоночных животных. Прародиной древнего человека многими учеными принимается территория Африки, Южной Европы и Юго-Восточной Азии. Находки останков представителей человекообразных в более поздних отложениях свидетельствуют о миграции предков, людей из Африки и Европы в Америку и Азию. Останки ископаемых людей современного физиологического типа были обнаружены в Европе, Азии, Африки, Австралии. Соратник Ч. Дарвина – Т. Гексли установил сходство анатомических и физиологических особенностей человека и высших человекообразных обезьян. Наиболее существенные признаки, присущие как человеку, так и млекопитающим, – это четырехкамерное сердце и левая дуга аорты, легочное дыхание, наличие диафрагмы, высокоразвитый мозг, внутриутробное развитие зародыша, вскармливание детеныша молоком.

Практически невозможно отличить зародыши человека, приматов и других позвоночных животных на ранних этапах развития. У эмбриона человека образуется хорда, жаберные дуги и соответствующая сеть кровеносных сосудов, как это имеет место у древнейших акуловых рыб. Есть и отличия, связанные с утратой в процессе эволюции некоторыми органами своих основных функций и сохранившиеся в виде рудиментов. Человека выделяют из мира животных такие принципиальные отличия, как прямохождение и способность выполнять разнообразные высокоточные операции, большой объем головного мозга, сознание, речь и др.

Выявлены черты сходства с приматами на биохимическом и молекулярном уровне. Исследования показали, что по сходству белков наиболее близки к человеку шимпанзе, горилла, орангутанг; у павиана и мартышки белки имеют незначительное сходство с белками человека. Советский биохимик А.Н. Белозерский осуществил молекулярный анализ ДНК с целью выявления степени общности генетической информации в геноме человека и некоторых обезьян. Оказалось, что количество сходных нуклеотидных последовательностей в ДНК у человека и шимпанзе составило 91 %, у человека и гиббона – 76 %, а у человека и макаки резуса – 66 %.

С точки зрения современной науки, человек – биосоциальное существо, соединяющее в себе биологическую и социальную компоненты^*. Проблема движущих сил антропогенеза может быть решена лишь на базе общего учения о природе и обществе.

Антропогенез (от греч. антропо – человек и генез – происхождение) – процесс
историко-эволюционного формирования человека, который осуществляется под влиянием биологических и социальных факторов. Биологические факторы, или движущие силы
эволюции, являются общим для всей живой природы, в том числе и для человека.
Роль биологических факторов в эволюции человека была раскрыта Ч. Дарвином в труде

 

^* Социальной формой существования обладает не только человек, но и многие животные.

«Происхождение человека и половой отбор». К ним относят наследственную изменчивость и естественный отбор. Эти факторы сыграли большую роль в эволюции человека, особенно на ранних этапах его становления. В этот период человек сильно зависел от природы, преимущественно выживали и оставляли потомство особи с полезными в данных условиях среды наследственными изменениями (например, особи, отличающиеся выносливостью, физической силой, сообразительностью и т.п.).

К социальным формам антропогенеза относят труд, общественный образ жизни, развитое сознание и речь. Роль социальных факторов в антропогенезе была раскрыта Ф. Энгельсом в работе «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека» (1896). Труд, согласно Энгельсу, является основной движущей силой антропогенеза: «Труд создал самого человека».

Труд начинается с изготовления орудий труда, и эта способность свойственна только человеку. Наиболее высокоорганизованные животные могут лишь использовать предметы в качестве готовых орудий, но не способны создавать их (например, обезьяна использует палку, чтобы достать плоды с деревьев). Трудовая деятельность способствовала закреплению морфологических и физиологических изменений у предков человека, которые называются антропоморфозами. Особенно важным антропоморфозом в эволюции человека было прямохождение, возникшее в течение многих поколений в результате естественного отбора. Прямохождение привело к высвобождению руки, которая вначале могла выполнять лишь примитивные операции. Таким образом, рука является не только органом труда, но и его продуктом. В процессе трудовой деятельности она совершенствовалась, стала выполнять сложные действия. Развитая рука позволила человеку изготавливать примитивные орудия труда, что дало ему значительные преимущества в борьбе за существование. Развитие трудовой деятельности привело к ослаблению влияния биологических факторов и усилению роли социальных закономерностей в антропогенезе.

Совместный труд способствовал сплочению членов коллектива, все яснее становилась польза коллективных действий по выживанию, взаимной поддержке и взаимопомощи. Совместная деятельность членов общества вызвала необходимость обмена звуками при помощи слов. Первые слова были связаны с трудовыми операциями и обозначали действие, работу, а названия предметов появились позднее. Вначале наши предки имели неразвитую гортань и ротовой аппарат, поэтому общение в основном осуществлялось жестами и отдельными нечленораздельными звуками. В результате мутаций, наследственной изменчивости и естественного отбора, гортань и ротовой аппарат преобразовались в органы членораздельной речи человека. Труд и речь влияли на развитие мозга и мышление.

Если морфологические и физиологические особенности человека передаются по наследству, то способность к трудовой деятельности, речь и мышление развиваются только в процессе воспитания и образования.

Структурные уровни организации живой материи. Системный анализ объектов живой и неживой природы указывает, что мир живого необычайно многообразен и имеет сложную структуру. В начале ХХ в. на основе различных критериев (масштабности, сложности, высокоорганизованности и т.д.) была разработана концепция многоуровневой организации живой материи. Эти уровни различаются не только степенью сложности, но и закономерностями их функционирования. В биологии утвердилась идея иерархической соподчиненности уровней, когда более высокий уровень включает в себя предыдущие, образуя вместе с ними единую систему.

Данная концепция значительно ускорила интегративные процессы в различных областях биологического знания, усилила их эвристический потенциал и стала мощным инструментом для построения современной теоретической биологии.

Организация живой материи включает следующие уровни:

· Молекулярный. Любая живая система, как бы сложна она ни была организована, состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других органических веществ. С этого уровня начинаются разнообразные биохи-мические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности организма: обмен веществ (метаболизм) и превращение энергии, хранение и передача наследственной информации и др. Молекулярный уровень является предметом изучения молекулярной биологии.

· Клеточный. Клетка – структурная и функциональная единица живой материи. Клетка является основой строения, развития и жизнедеятельности всех живых организмов и растений. Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различных внутриклеточных включений. На клеточном уровне сопрягаются передача информации, превращение вещества и энергии.

· Организменный и органо-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых систем. Элементарной единицей организменного уровня служит особь, которая рассматривается в развитии.

· Популяционно-видовой. Совокупность особей одного вида, длительное время занимающая определенный ареал и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений, называется популяцией. Популяция – надорганизменная система, в которой осуществляются элементарные эволюционные преобразования – процесс микроэволюции.

· Биоценотический. Биоценоз – совокупность животных, растений, грибов, микроорганизмов, населяющих данный участок суши или водоема и характеризующихся определенными отношениями между собой и приспособленностью к условиям окружающей среды.

· Биогеоценотический уровень включает биоценоз и совокупность костных компонентов (приземной слой атмосферы, солнечная энергия, почва, водная среда и др.), находящихся в динамическом взаимодействии между собой (обмен веществом и энергией).

· Биосферный – совокупность всех биогеоценозов. Область активной жизни, охва-тывающая всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой, взаимодействующих друг с другом. На биосферном уровне решается проблема круговорота вещества и энергии на Земле.