Гипотезы происхождения жизни на земле

Согласно современным  космологическим представлениям, Земля  образовалась примерно 4,5 млрд. лет  назад. К такому выводу ученые пришли в результате исследования возраста древнейших минералов и горных пород, а также на основе изучения процессов  распада радиоактивных веществ. Кроме того, на данный возраст Земли  указывают и материалы исследования метеоритов. Они относятся к числу  наиболее изученных космических  объектов и несут ценную научную  информацию. Исследования метеоритов показывают, что возраст как железных, так и каменных метеоритов совпадает  и составляет примерно 4,5—4,6 млрд. лет.

Схожие данные получены и  при исследовании лунных пород. Образцы  этих пород были доставлены на Землю  как с помощью космических  станций «Луна», так и экипажами  американских космических кораблей «Аполлон». Оказалось, что возраст  самых древних лунных образцов совпадает  с возрастом самой Луны и составляет 4—4,5 млрд. лет. Значит, первичная лунная кора возникла вскоре после образования  Луны, и отдельные участки этой коры сохранились до сегодняшнего дня. Такое совпадение данных для разных тел Солнечной системы не может  считаться случайным, поэтому делается вывод о возрасте нашей планеты, равном примерно 4,5 млрд. лет. К этому  времени завершилось формирование. При этом считается, что ее геологическая  история составляет около 4 млрд. лет, из них 0,6 млрд. лет — это ранняя история Земли.

Древнейший период в истории  нашей планеты, составляющий 5/6 всей геологической истории Земли, называется докембрийским, или криптозойским. Он делится на архей (закончился 3,5 млрд. лет назад) и протерозой (до 600 млн. лет назад). Последние 600 млн. лет называются фанерозоем и делятся на три эры: палеозой (240 млн. лет), мезозой (163 млн. лет) и кайнозой (67 млн. лет). Эти эры, в свою очередь, подразделяются на более мелкие периоды (табл. 1.1).

Таблица 1.1 Геохронологическая шкала фанерозоя

Клетки после разделения на дочерние не разошлись, и в них возникли те или иные различия в химическом составе. Эти различия обусловили функциональную специализацию клеток: одни оказались  ответственными за поглощение питательных  веществ, другие приняли на себя функции  выделения и воспроизводства, третьи обеспечили передвижение организма  и т. д. Совершенствование многоклеточных организмов в течение многих миллионов  лет в условиях геологического развития Земли привело к современной  чрезвычайно разнообразной жизни  на планете.

По современным представлениям, Земля образовалась около 4,5 млрд лет  назад в результате гравитационного  сгущения рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого вещества. Разогрев земных недр, в основном за счет теплоты, выделяющейся при распаде  урана, тория, калия и других радиоактивных  элементов, способствовал разделению планетного тела на геосферы. Из окружающей ядро мантии были вытеснены после  их выплавления легкие и легкоплавкие компоненты первичного планетного вещества, которые образовали земную кору. В  раннем архее, около 3,0—3,5 млрд лет назад, возникли огромные вспучивания —  гранито-гнейсовые купола. Одновременно появились мелкие моря, которые по мере остывания Земли увеличивались. Солевой состав океана примерно 3,8 млрд лет назад уже был близок к  современному.

Видимо, образование в первичном  океане — «органическом питательном  бульоне» — сложных органических соединений, давших начало жизни на Земле, шло одновременно с формированием  геосфер. Наиболее древние следы  жизнедеятельности организмов обнаружены в породах архея, возраст которых  от 2,6 до 3,5 млрд лет и более. Они  представлены остатками бактерий и сине-зеленых водорослей, относящихся к прокариотам — организмам, в клетках которых отсутствует ядро.

В протерозое, длившемся свыше 2 млрд лет, продолжали существовать водоросли  и бактерии. По этой причине протерозой называют эрой водорослей и бактерий. Знаменательное событие в эволюции органического мира 2,2—2,3 млрд лет  назад связано с переходом  части водорослей на питание с  использованием лучистой энергии Солнца, что было первым шагом к фотосинтезу  с выделением кислорода. Водоросли  — первые автотрофные фотосинтезирующие  организмы. Возникновение фотосинтезирующих  прокариот многими исследователями  оценивается как биологическая  революция, совпавшая по времени  с проявлением среднепротерозойского  оледенения.

От древнейших одноклеточных прокариот  берут начало первые эукариоты (в  клетке имеется ядро), эволюция которых  привела к образованию высокоорганизованных растительных и животных организмов. Вопрос о происхождении ядерных  организмов окончательно не решен. Существуют две основные теории их возникновения  и последующего развития — симбиотическая и несимбиотическая. Согласно первой, происхождение эукариот связано с проникновением одного прокариотного организма в другой. Вторая теория предполагает их происхождение от предков, общих с синезелеными водорослями.

Из первых эукариот появились жгутиконосцы, или биченосцы. Они представляют собой обширную и разнообразную  группу простейших организмов, широко распространенную в природе и в наше время. В их клетках имеются одно или несколько ядер, им присуще все разнообразие питания, свойственное растительным и животным организмам. Развитие у жгутиконосцев, относящихся к гетеротрофным эукариотам, двигательного аппарата — жгутиков послужило одним из важнейших моментов в становлении органического мира на Земле. Эволюция автотрофных жгутиконосцев с зеленым пигментом — хлорофиллом привела к образованию зеленых водорослей, из которых, в свою очередь, возникли высшие наземные растения. Такова чрезвычайно упрощенная схема развития органической жизни на Земле на начальном этапе.

Фотосинтез явился тем биотехнологическим процессом, в ходе которого поглощаемый  зелеными растениями углекислый газ  преобразовывался в кислород. Первичная  атмосфера постепенно обогащалась  кислородом, содержание которого уже 2 млрд лет назад достигло 1 % от  современного. Мигрируя в верхние слои атмосферы, кислород на высоте 20— 25 км сформировал защитный озоновый экран, предохранивший сушу от вредного воздействия радиации Солнца. Увеличение содержания кислорода в атмосфере и водной среде стало важнейшим экологическим фактором развития жизни на Земле. Таким образом, фотосинтезирующие водоросли предопределили образование высокоорганизованной жизни на планете и биосферы в целом.

Важнейшее биологическое событие  произошло 700— 600 млн лет назад, когда  между двумя фазами протерозойского  оледенения возникла и получила широкое  распространение эдиакарская фауна, непосредственно предшествовавшая фауне скелетных организмов (рис. 1.3). Ее представляли в основном бесскелетные животные: кишечнополостные и черви. По преобладанию остатков медуз в  геологических отложениях конец  протерозоя называют веком медуз.

Если до конца протерозоя, в течение  почти 3 млрд лет, эволюция жизни на Земле шла невероятно медленно, то в течение фанерозоя происходили  достаточно быстрые, скачкообразные изменения  органического мира планеты. Движущей силой этой эволюции был естественный отбор, который определялся способностью организмов к мутациям в условиях ограниченности пищевых ресурсов формировавшейся  биосферы и изменения физико-географических условий. Естественный отбор развил невероятную способность организмов к приспособлению к динамичной окружающей среде. Так, насыщение атмосферы  кислородом оказалось гибельным  для большинства анаэробных представителей органической жизни и только немногие организмы смогли приспособиться к  новым условиям.

Бурное развитие жизни началось в палеозойскую эру, которая распадается  на два этапа: ранний и поздний. Ранний этап, включающий кембрий (570—490 млн  лет назад), ордовик (490—435 млн лет) и силур (435—400 млн лет), совпал с  каледонским тектоническим циклом. Для раннепалеозойских морских  бассейнов кроме микроорганизмов  и синезеленых водорослей были характерны фораминиферы, радиолярии, археоциаты, губки, мшанки, кишечнополостные, моллюски, членистоногие и иглокожие. В  ордовике появились первые позвоночные  — бесчелюстные рыбообразные с двухкамерным сердцем и просто устроенным головным мозгом, защищенным возникшей мозговой капсулой. Дальнейшее развитие морских  позвоночных шло по пути усложнения головного мозга (цефализация), кровеносной  системы и всех остальных органов  и систем. В конце силура —  начале девона, когда на значительной территории Земли морской режим  сменился континентальным (конец каледонского цикла), многие представители перечисленных  групп | вымерли, одновременно появились  первые настоящие рыбы, имевшие челюсти.

Содержание свободного кислорода  в атмосфере силура стало, видимо, достаточно большим, и озоновый экран  приобрел определенную надежность. Растения под его защитой смогли подняться  из глубин океана, распространиться по всей водной поверхности и вместе с микроскопическими животными  образовать планктон. Пассивное перемещение  в прибрежной низменной полосе, связанное  с морским волнением, приливами  и отливами, привело к тому, что  некоторые растения и животные, обильно  населявшие прибрежные воды, оказались  в периодически затапливаемой и  обсыхающей зоне. Приспособившись к  существованию в этой зоне, морские растения и животные уже стали более активно осваивать и остальную сушу.

На сушу растения вышли в силуре. Первые известные наземные растения — куксония и риния, объединенные палеоботаниками под общим названием  риниофиты, напоминали водоросли. У  них не было корней (имелись только корнеподобные образования —  ризоиды) и листьев. Очень просто ветвящийся, примитивный, невысокий (до 50 см) стебель заканчивался спороносным  органом размножения. Эти влаголюбивые растения в прибрежных мелководьях  и на влажных, низменных, болотистых местах вокруг водных бассейнов иногда образовывали густые заросли.

Поздний палеозой, совпавший с герцинским тектоническим циклом, включал следующие  периоды: девон (400—345 млн лет назад), карбон (345—280 млн лет) и пермь (280—235 млн лет). Этот этап характеризуется  появлением и широким распространением наземных растений и животных. Суша стала основной ареной развития жизни  на Земле.

В начале девона неотъемлемым компонентом  болотистых территорий стали невысокие (1—2 м) обширные заросли псилофитов — эволюционных потомков риниофитов. Засоленные местообитания заняли зостерофилловые  — также низкорослые растения. За 60 млн лет в условиях жаркого  тропического климата, воздушной среды, насыщенной углекислым газом, активной вулканической деятельности на болотистых берегах и мелководьях теплых морей зеленый покров изменился  от низкорослых зарослей примитивных  растений до лесов из праго-лосеменных. В течение девона возникли первые папоротники, хвощи и плауны, а  древнепапоротниковая (археоптерисовая) флора вытеснила псилофитовую. Вдоль  морских побережий, в мелководных  заливах и болотистых лагунах  с илистым дном появились леса из древовидных папоротников. У папоротников ствол у основания достигал 2 м, крона увенчивалась улиткозакрученными молодыми веточками, как у эосперматотериса и археоптериса. Конечные веточки  у примитивных папоротников, таких  как птилофитон, были уплощены (первая стадия возникновения настоящих  листьев). Под пологом древовидных  папоротников ютились родственные  им низкорослые папоротники, обычными стали хвощи, влажные места занимали древнейшие мхи и плауны (астероксилон и схизоподиум). Появились первые насекомые и хелицеровые (скорпионы, пауки и клещи).

В девонских морях резко сократилось  количество трилобитов и граптолитов, возникли и быстро развивались рыбы (панцирные, лучеперые, кистеперые, двоякодышащие), в связи с чем девон нередко  называют веком рыб. В конце девона от кистеперых рыб произошли первые наземные четвероногие — земноводные (лабиринтодонты).

В начале карбона на смену примитивным  плаунам пришли древовидные лепидодендроны и сигиллярии, особенно широко распространенные в среднем карбоне.

В раннем карбоне обособились Еврамерийская  и Ангарская, или Тунгусская, фитогеографические области. В условиях влажного тропического и экваториального климата Еврамерийской  области, в состав которой вошли  Европа, Северная Америка, Северная Африка, Кавказ, Центральный Казахстан, Средняя  Азия, Китай и Юго-Восточная Азия, господствовали леса из высокоствольных (до 30 м) плаунов с разветвленной  кроной и папоротников псарониусов  с огромными перистыми листьями. Своеобразие этим лесам придавали  также хвощи каламиты и клинолисты. Если высота каламитов достигала 10, реже 20 м, то клинолисты имели полегающие или стелющиеся стебли длиной несколько  метров.

Севернее, в Ангарской области (Сибирь, Восточный Казахстан, Монголия), на смену господствовавшим плауновидным в среднем и позднем карбоне  пришли кордаиты и папоротниковидные. Доминирующие кордаиты представляли собой  высокие (более 30 м) деревья, имеющие  у основания сплетение корней, которые уходили в болотистую почву. Их ветви заканчивались длинными (до 1 м) линейными листьями.