Санкт-Петербургский
государственный университет сервиса
и экономики
Кафедра «Прикладная физика»
дисциплина «Концепция
современного естествознания»
Эволюция жизни на Земле
Выполнил:
студент I курса
з/о ИЭУПС
гр. 0800.62.1
Шифр: 1927
Руководитель:
Санкт-Петербург
2011
Содержание.
Введение. ..............................................................................................3
Эволюция одноклеточных организмов...............................................4
Эволюция многоклеточных организмов.............................................6
Эволюция растительного мира............................................................7
Эволюция животного мира..................................................................8
Эволюция биосферы.............................................................................9
Заключение..........................................................................................11
Список использованной литературы................................................12
Введение.
Биологическая эволюция — естественный
процесс развития живой природы, сопровождающийся
изменением генетического состава популяций,
формированием адаптаций, видообразованием
и вымиранием видов, преобразованием экосистем
и биосферы в целом. Часто кажется, что
организмы находятся всецело во власти
среды: среда ставит им пределы, и в этих
пределах они должны либо преуспеть, либо
погибнуть. Но организмы и сами воздействуют
на среду. Они изменяют ее непосредственно
за недолгое свое существование и за долгие
периоды эволюционного времени. Как известно,
гетеротрофы поглощали питательные вещества
из первичного «бульона» и что автотрофы
способствовали появлению окислительной
атмосферы, подготовив таким образом условия
для возникновения и эволюции процесса
дыхания. Появление в атмосфере кислорода
обусловило возникновение озонового слоя
(«озонового щита Земли»). Озон образуется
из кислорода под воздействием ультрафиолетового
излучения Солнца и действует как фильтр,
который задерживает ультрафиолетовое
излучение, губительное для белков и нуклеиновых
кислот, и не дает ему дойти до поверхности
Земли.
Первые организмы жили в воде, и вода экранировала
их, поглощая энергию ультрафиолетового
излучения. До появления защитного озонового
слоя ультрафиолетовое излучение было,
вероятно, одним из главных факторов, препятствовавших
выходу первых живых организмов из воды
на сушу.
Первые поселенцы суши нашли здесь в изобилии
и солнечный свет, и минеральные вещества,
так что вначале они были практически
избавлены от конкуренции. Деревья и травы,
покрывшие вскоре растительную часть
земной поверхности, пополняли запас кислорода
в атмосфере; кроме того, они изменяли
характер водного стока па Земле и ускоряли
процесс образования почв из горных пород.
Так организмы и среда на протяжении всей
истории жизни на нашей планете взаимно
формировали друг друга.
Гигантский шаг на пути эволюции жизни
был связан с возникновением основных
биохимических процессов обмена — фотосинтеза
и дыхания, а также с образованием эукариотической
клеточной организации, содержащей ядерный
аппарат.
Эволюция одноклеточных
организмов
Наука не способна сказать, как выглядел
самый первый организм, появившийся на
Земле, – предок, от которого берут начало
три основные ветви древа жизни. Одна –
эукариоты (растения, грибы и животные),
клетки которых имеют ядро с генетическим
материалом и специализированные органеллы.
Вторая – прокариотные (доядерные) одноклеточные
организмы (бактерии), не имеющие ядра
и органелл. Третья – архебактерии, клетки
которых устроены так же, как и у прокариот,
но совсем с другой химической структурой
липидов. Археобактерии способны выживать
в крайне неблагоприятных условиях. Некоторые
из них обитают исключительно в горячих
источниках с температурой +90°С и выше,
где другие организмы погибают. При этом
археобактерии потребляют железо и серу,
а также ряд токсичных химических соединений.
В древних отложениях Австралии, возраст
которых 3,46 млрд. лет, были обнаружены останки
цианобактерий – первых фотосинтезирующих
микроорганизмов. О былом господстве анаэробов
и цианобактерий свидетельствуют строматолиты
– рифоподобные образования, представляющие
следы сообществ микроорганизмов. В результате
жизнедеятельности фотосинтезирующих
цианобактерий в океане, а затем и в атмосфере
появился кислород. Он взаимодействовал
с растворенным в воде железом, создавая
окислы железа, осаждавшиеся на дне. Так
с участием микроорганизмов возникли
залежи железной руды, например – Курская
магнитная аномалия, простирающаяся и
под нынешними Белгородской, Курской,
Орловской и Брянской областями. После
того как фотосинтезирующие цианобактерии
создали из углекислого газа запас богатой
энергией органики и обогатили атмосферу
кислородом, возникли бактерии-аэробы,
способные существовать только в присутствии
кислорода (он им необходим для окисления
органики с преобразованием полученной
энергии в биологически доступную форму
– АТФ). Этот процесс выгоден: анаэробы
при разложении одной молекулы глюкозы
получают лишь 2 молекулы АТФ, а аэробы,
используя кислород, 36 молекул.
В Архее, древнейшей эре, происходит и
первая биологическая революция – переход
от прокариот (безъядерных организмов)
к эукариотам (одноклеточным организмам
с ядром).
Различие между прокариотами
и эукариотами заключается в том, что прокариоты
могут жить как в бескислородной среде,
так и в среде с разным содержанием кислорода,
в то время как для эукариотов, за немногим
исключением, обязателен кислород.
Сравнение прокариот и эукариот по потребности
в кислороде приводит к заключению, что
прокариоты возникли в период, когда содержание
кислорода в среде изменялось. Ко времени
же появления эукариот концентрация кислорода
была высокой и относительно постоянной.
Первые фотосинтезирующие организмы появились
около 3 млрд. лет назад. Это были анаэробные
бактерии, предшественники современных
фотосинтезирующих бактерий. Именно они
образовали самые древние среди известных
строматолитов. Обеднение среды азотистыми
органическими соединениями вызывало
появление живых существ, способных использовать
атмосферный азот. Такими организмами
являются фотосинтезирующие азотфиксирующие
сине-зеленые водоросли, осуществляющие
анаэробный фотосинтез. Они устойчивы
к продуцируемому ими кислороду и могут
использовать его для собственного метаболизма.
Поскольку сине-зеленые водоросли возникли
в период, когда концентрация кислорода
в атмосфере изменялась, вполне очевидно,
что они — промежуточные формы между анаэробами
и аэробами.
Считается, что хемосинтез, в котором источником
атомов водорода для восстановления углекислого
газа является сероводород (такой хемосинтез
осуществляют современные зеленые и пурпурные
серные бактерии), предшествовал более
сложному двустадийному; фотосинтезу,
при котором источником атомов водорода
являются молекулы воды. Второй тип фотосинтеза
характерен для зеленых растений.
Фотосинтезирующая деятельность первичных
одноклеточных имела два последствия,
оказавшие решающее влияние на всю дальнейшую
эволюцию живого.
Во-первых, фотосинтез освободил организмы
от конкуренции за природные запасы абиогенных
органических соединений, количество
которых в среде значительно сократилось.
Развившиеся посредством фотосинтеза
автотрофное питание и запасание питательных
готовых веществ в растительных тканях
создали затем условия для появления громадного
разнообразия автотрофных и гетеротрофных
организмов.
Во-вторых, фотосинтез обеспечивал насыщение
атмосферы достаточным количеством кислорода
для возникновения и развития организмов,
энергетический обмен которых основан
на процессах дыхания.
Когда же появились эукариотические клетки?
Значительное количество данных об ископаемых
эукариотах позволяет сказать, что их
возраст составляет около 1,5 млрд. лет.
В эволюции одноклеточной организации
выделяются ступени, связанные с усложнением
строения организма, совершенствованием
генетического аппарата и способов размножения.
Прогрессивным явлением в филогенезе
простейших было возникновение у них полового
размножения. Постепенно в ходе прогрессивной
эволюции произошел переход к разделению
генеративных клеток на женские и мужские.
Эволюция многоклеточных организмов
Примерно 700—900 млн лет назад на Земле
появились первые многоклеточные животные
и растения.
У животных активный образ жизни требовал
более совершенной и сложной дифференциации
организма, чем у растений. Сложность организации
многоклеточных животных (Metazoa) и разнообразие
ее конкретных форм стимулировали разработку
различных гипотез о происхождении Metazoa.
Первая из них берет начало в работах
Э. Геккеля, который в разработке своей
теории гастреи основывался на сформулированном
им биогенетическом законе,
согласно которому онтогенез данного
вида организмов представляет собой сжатое
и сокращенное повторение (рекапитуляцию)
хода филогенеза его предков. В соответствии
с этим Э. Геккель полагал, что филогенез
древнейших Metazoa в определенной степени
повторяется в онтогенезе современных
низших многоклеточных животных. Согласно
Геккелю, предками Metazoa были колониальные
простейшие, обладавшие сферическими
колониями с однослойной стенкой, подобными
бластуле — одной из ранних стадий эмбрионального
развития современных многоклеточных
животных. Геккель назвал эту гипотетическую
предковую форму «бластеей». При направленном
плавании сферическая колония — бластея
— ориентировалась одним полюсом вперед,
как это наблюдается и у современных колониальных
простейших, например у Volvox. Согласно Геккелю,
на переднем полюсе колонии возникло впячивание
ее стенки внутрь, подобно тому, как это
происходит при инвагинационной гаструляции
в онтогенезе некоторых современных Metazoa.
В результате образовался многоклеточный
организм — «гастрея», стенка тела которого
состоит из двух слоев, экто- и энтодермы.
Энтодерма окружает внутреннюю полость
— первичный кишечник, открытый наружу
единственным отверстием — первичным
ртом. Организация гастреи соответствует
принципиальному плану строения кишечнополостных
(тип Coelenterata), которых Геккель и рассматривал
как наиболее примитивных многоклеточных
животных.
Эволюция растительного мира.
У растений возникновение многоклеточного
уровня организации, вероятно, произошло
на основе дифференциации лентообразных
колоний, образовавшихся путем бокового
срастания прикрепленных нитчатых форм
или благодаря делению клеток последних
в двух взаимно перпендикулярных направлениях
(в одной плоскости). У колоний, прикрепленных
одним концом к субстрату, различные участки
находились в разных условиях по отношению
к падающему свету, субстрату и водной
среде. В связи с этим естественный отбор
благоприятствовал возникновению некоторой
дифференциации частей колонии. Первым
шагом было возникновение полярности
колонии; на одном ее конце выделялись
клетки, служившие для прикрепления к
субстрату (для них характерно ослабление
фотосинтеза, потеря способности к делению),
на другом же конце — верхушечные клетки,
интенсивно делившиеся и образовавшие
своего рода «точку роста» колонии. Естественный
отбор благоприятствовал приобретению
клетками колонии способности делиться
в разных направлениях; это приводило
к ветвлению, что увеличивало поверхность
колонии. Деление клеток вдоль трех взаимно
перпендикулярных осей или переплетениеотдельных
нитей вело к возникновению многослойного
«объемного» тела. В процессе его дальнейшей
дифференциации сформировались многоклеточные
органы, выполнявшие разные функции (фиксация
на субстрате, фотосинтез, размножение).
Одновременно между разными клетками
растения складывалась определенная взаимозависимость,
что, собственно говоря, и знаменует достижение
многоклеточного уровня организации.
Эволюция животного
мира
Формы животных так же менялись
на Земле, как формы растений и других
организмов. Доказательством этому служат
находки палеонтологов. При раскопках
в различных пластах земной коры находили
окаменелых животных, их кости и целые
скелеты, которые указывали на то, что
животные тех периодов сильно отличались
от современных животных. При сравнении
строения различных животных выявились
признаки сходства между ними, свидетельствующие
об их родстве. Выявлено, что позвоночные
животные имеют общий план строения, одинаковые
системы органов, разной степени сложности.
Таким образом, сравнительная анатомия
также свидетельствует об историческом
развитии животного мира.
Большое значение в изменении представлений
ученых о живой природе имеет наука о зародышевом
развитии животных - эмбриология. На родство
и происхождение от общих предков указывает
поразительное сходство ранних стадий
развития зародышей хордовых животных,
даже зародыша человека.
Этапы эволюции животных:
К первому этапу относят появление первых
одноклеточных животных, от которых произошли
современные Саркодовые, Жгутиковые, Инфузории,
Споровики.
От древних колониальных жгутиковых с
гетеротрофным типом литания произошли
древние многоклеточные двуслойные организмы,
с наружным жгутиковым и внутренним - пищеварительными
слоями.
Далее в ходе эволюции возникли трехслойные
животные, произошедшие от древних примитивных
двухслойных животных. Они приобрели мышечную
систему и паренхиму, которые обеспечили
способность к передвижению и формированию
внутренней среды организма, с более совершенным
обменом веществ. К первым трехслойным
животным относят типы плоских и круглых
червей. От трехслойных животных произошли
кольчатые черви, от древних кольчатых
червей - моллюски и членистоногие. От
примитивных трехслойных животных ведут
свое начало и хордовые животные.
Хордовые в процессе развития приобрели
ряд прогрессивных черт: внутренний скелет,
нервную трубку, совершенную мускулатуру,
более совершенную кровеносную и выделительную
системы.
Эволюция биосферы.
Термин "биосфера" впервые был использован
в 1875 г. Австрийским геологом Э. Зюссом.
Под биосферой понимается совокупность
всех живых организмов вместе со средой
их обитания, в которую входят: вода, нижняя
часть атмосферы и верхняя часть земной
коры, населенная микроорганизмами.
Два главных компонента биосферы
— живые организмы и среда их обитания
— непрерывно взаимодействуют между собой
и находятся в тесном, органическом единстве,
образуя целостную динамическую систему.
Биосфера как глобальная суперсистема
в свою очередь состоит из ряда подсистем.
Многообразие живых систем
поражает воображение. За все время эволюции
жизни на Земле существовало колоссальное
количество различных видов живых организмов
(всего около 500 млн). В настоящее время
насчитывается около 1,2 млн видов животных
и 0,5 млн видов растений [2].
Минеральных же видов неживой
материи (так называемое «косное вещество»)
насчитывается лишь около 10 тыс. видов.
Отдельные живые организмы
не существуют изолированно. В процессе
своей жизнедеятельности они соединяются
в различные системы (сообщества), например,
в популяции. В ходе эволюции образуется
другой, качественно новый уровень живых
систем, так называемые биоцечозы — совокупность
растений, животных и микроорганизмов
в локальной среде обитания.
Эволюция жизни постепенно
приводит к росту и углублению дифференциации
внутри биосферы. В совокупности с окружающей
средой обитания, обмениваясь с ней веществом
и энергией, биоценозы образуют новые
системы — биогеоценозы' (термин введен
академиком В.Н. Сукачевым в 1940 г.) или,
как их еще называют, экосистемы (термин
английского ботаника А. Тенсли, 1935 г.)
[11]. Они могут быть разного масштаба: море,
озеро, лес, роща и т. д. Биогеоценоз представляет
собой естественную модель биосферы в
миниатюре, включающую все звенья биотического
круговорота: от зеленых растений, создающих
органическое вещество, до их потребителей,
в итоге превращающих его вновь в минеральные
элементы. Иначе говоря, биогеоценоз является
элементарной ячейкой биосферы. Таким
образом, в совокупности все живые организмы,
и экосистемы образуют суперсистему —
биосферу.
Одним из первых в науке комплексное
учение о биосфере стал разрабатывать
выдающийся русский ученый В.И. Вернадский.
В отличие от предшествующих исследователей
природы В.И. Вернадский не ограничивал
понятие биосферы только "живым веществом
", под которым он понимал совокупность
всех живых организмов планеты. В биосферу
он включал и все продукты жизнедеятельности,
выработанные за время существования
жизни. Так называемый "культурный слой"
особенно наглядно заметен в городах.
На целые метры уходят в землю здания,
построенные человеком всего каких-то
100—300 лет тому назад. Почва, богатая гумусом,
другими питательными органическими веществами,
дает возможность существовать и развиваться
новым проявлениям жизни, как и кислород,
вырабатываемый отдельными растениями
и лесами, которые называют "легкими
планеты" [8].
Говоря о принципах существования
биосферы, В.И. Вернадский прежде всего
уточняет понятие и способы функционирования
живого вещества. Живой организм является
неотъемлемой частью земной коры и изменяющим
ее агентом, а живое вещество—это совокупность
организмов, участвующих в геохимических
процессах. Организмы берут из окружающей
среды химические элементы, строящие их
тела, и возвращают их после смерти и в
процессе жизни в ту же самую среду. Тем
самым и жизнь, и косное вещество находятся
в непрерывном тесном взаимодействии,
в круговороте химических элементов. При
этом живое вещество служит основным системообразующим
фактором и связывает биосферу в единое
целое.