В каком порядке появлялись организмы на земле: Урок 9. этапы развития жизни на земле — Биология — 11 класс

Хронология эволюции жизни на Земле

Хронология эволюции жизни на Земле (картинка большого размера и статья из Википедии). Эволюция жизни на нашей планете началась с момента появления первого живого существа около 3,7 миллиарда лет назад. Сходство между всеми организмами указывает на наличие общего предка, от которого произошли все другие живые существа. Эволюция жизни на Земле началась с момента появления первого живого существа — около 3,7 миллиарда лет назад — и продолжается по сей день. Сходство между всеми организмами указывает на наличие общего предка, от которого произошли все другие живые существа. Если представить себе, что Земля существует один год, то самые ранние формы жизни появились в начале мая, а кембрийский период начался в ноябре. Первые люди возникли около 19:00 31 декабря, а современный человек сформировался приблизительно за пять минут до полуночи.

История жизни на Земле

Земля образовалась около 4,567 млрд лет назад из протопланетного диска, дискообразной массы газа, пыли, оставшихся от образования Солнца, которая и дала начало Солнечной системе. Вулканическая дегазация создала первичную атмосферу, но в ней было очень мало кислорода и она была бы токсичной для людей и современной жизни в целом. Большая часть Земли была расплавленной из-за активного вулканизма и частых столкновений с другими космическими объектами. Предполагается, что одно из таких крупных столкновений привело к наклону земной оси и формированию Луны. Со временем такие космические бомбардировки прекратились, что позволило планете остыть и образовать твердую кору. Доставленная на планету кометами и астероидами вода сконденсировалась в облака и океаны. Земля стала доступна для жизни и ранние её формы обогатили атмосферу кислородом. Первый миллиард лет жизнь на Земле существовала в малых и микроскопических формах. Около 580 миллионов лет назад возникла сложная многоклеточная жизнь.

Во время кембрийского периода появилось большинство основных типов. Около шести миллионов лет назад от гоминидов отделилась линия гоминини, что привело к появлению шимпанзе, наших ближайших родственников, и в дальнейшем к современному человеку.

Продолжаем тему. Прочти и задумайся!

кризисы и обновления жизни на Земле – Наука – Коммерсантъ

Выявление и изучение палеонтологами больших и малых биосферных кризисов являются основой предсказания будущего развития геобиологических процессов и понимания возможных способов их коррекции, что особенно актуально сейчас, когда происходят глобальные изменения в климате Земли.

Биосфера возникла при появлении жизни на Земле сразу после окончания метеоритной бомбардировки нашей планеты чуть больше 4 млрд лет назад. Жизнь должна была появиться сразу в виде двух компонентов: продуцентов, создающих органическое вещество из неорганических биогенных элементов, и редуцентов, разлагающих органику до простых элементов.

На этом круговороте основана возможность существования биосферы. В противном случае любой ресурс для жизни быстро истощился бы, и жизнь заглохла бы, захлебнувшись в собственных отходах. В биосферные процессы включились и геологические процессы, поставляя дополнительное вещество и энергию.

Главное событие протерозойской революции

Биосфера Земли зарождалась как анаэробная, а без кислорода могли жить только прокариотные организмы, не имевшие клеточного ядра, прежде всего, бактерии и архибактерии. Среди них появились цианобактерии; они, используя энергию Солнца, при фотосинтезе органического вещества из воды и углекислого газа выделяли кислород. Когда количество свободного кислорода в атмосфере достигло 0,2%, стало возможным стабильное развитие примитивных эукариот, в клетке которых уже было ядро. Это произошло почти 2,3 миллиарда лет назад и сейчас это называют «главным событием оксигенации атмосферы».

Эукариот становилось все больше и больше, о чем свидетельствует увеличение количества их остатков в осадочных породах. Эукариоты встраивались в биогеосферные процессы, в выработке кислорода стали участвовать не только цианобактерии, но и эукариотные водоросли, и с какого-то момента они стали даже преобладать. Эукариотная протерозойская революция, как ее назвал академик Г.А. Заварзин, случилась примерно миллиард лет назад. Эукариотная жизнь развивалась и захватывала новые экологические ниши, пока не случился кризис, связанный с обледенением Земли.

Гигантские многоклеточные организмы

750 млн лет назад началась серия оледенений, и одно из них, самое мощное, покрыло ледяной коркой весь земной шар. Эта гипотеза («Земля как ледяной шар») основана на повсеместных, включая приэкваториальные области того времени, находках характерных ледниковых отложений.

Жизнь на обледенелой Земле замерла, но не исчезла. Земля оттаяла. Накопившийся углекислый газ способствовал потеплению и быстрому увеличению масштабов фотосинтеза. В холодной воде в мелководных морях на окраинах континентов снова закипела жизнь.

Дно морей тонким ковром покрывали цианобактериальные сообщества. Они выделяли большое количество кислорода, который хорошо растворялся в холодной воде и насыщал ее, перед тем как вырваться в малокислородную атмосферу. В этих кислородных оазисах появились необычно крупные многоклеточные животные, которых трудно отнести к какому-либо современному типу.

У них еще не было ни ног, ни каких-либо других членистых выростов. Одни из них, как диккинсония, ползали по цианобактериальным коврам и, видимо, выедали их, оставляя характерные следы — отпечатки своего тела. Другие, как перистая чарния, прикреплялись к дну широкими дисками. Эту биоту называют вендской по имени последнего периода протерозоя, предшествовавшего кембрию — первому периоду фанерозоя.

Раскопки в пустыне Гоби (Монголия). На переднем плане препаратор-скульптор Я.М. Эглон, за ним руководитель экспедиции И.А. Ефремов, палеонтолог и известный писатель-фантаст. Монгольская палеонтологическая экспедиция АН СССР 1946-1949 годов

Фото: Палеонтологический институт им. А.А. Борисяка РАН

Век великих открытий

XX век для палеонтологии был веком больших и малых экспедиций, огромного количества удивительных и неожиданных находок. В России он начался с раскопок В.П. Амалицким на Северной Двине уникальных пермских позвоночных. В середине века проводилась экспедиция И.А. Ефремова, 70-летие которой широко отмечалось в прошлом году в Монголии. В конце века была организована Совместная советско-монгольская палеонтологическая экспедиция, самая длительная палеонтологическая экспедиция в мире. Под названием российско-монгольской она проводит свои исследования до настоящего времени. Экспедиции принесли уникальный материал, который позволил открыть в Москве один из лучших палеонтологических музеев мира.

Кембрийская «агрономическая революция»

Фанерозой начался резким изменением животного мира. Оно происходило настолько быстро, что его называют кембрийским эволюционным взрывом, а связанную с ним перестройку всей экологической системы мелководных эпиконтинентальных морей «агрономической революцией».

В это время полностью исчезли вендские животные, но сформировались представители почти всех современных типов животных, многие из которых приобрели минеральный скелет. А виной кембрийского взрыва оказались маленькие членистоногие, заселившие поверхностный слой воды морей на окраинах континентов. У них впервые появился фильтровальный аппарат из щетинок на членистых лапках.

До их появления в поверхностном слое воды бактерии-продуценты, создававшие фотосинтезом органическое вещество, поедались мелкими одноклеточными эукариотами. Те и другие после смерти разлагались бактериями-редуцентами до простого состава, снова насыщая этот слой воды необходимыми для жизни продуцентов элементами — биогенами. Весь этот круговорот происходил в тонком поверхностном слое морской воды, так как эти микроскопические существа после смерти не могли преодолеть термоклин и опуститься на дно из-за своего маленького размера. Такой процесс круговорота микробов и биогенов называется микробной петлей.

Появившиеся в начале кембрия первые членистоногие отфильтровывали и переваривали этих микробов, а из непереваренных остатков формировали фекальные пеллеты, которые уже имели размер, достаточный для преодоления термоклина и погружения на дно. Благодаря этому дно насыщалось органическим веществом, на котором стала развиваться разнообразная придонная жизнь (бентос).

Часть органического вещества захоронялась в донном осадке, проходила сложные химические изменения без взаимодействия с кислородом и становилась основой для залежей нефти. Остававшийся в воде свободный кислород выходил в атмосферу, и в воде его содержание увеличилось. Стало возможным повсеместное, а не только в кислородных оазисах, существование более активных животных, потреблявших больше кислорода. Появились первые активные хищники, а жертвы наращивали защитный скелет и увеличивали свои размеры. Пищевые цепочки усложнились, и экологическая система морей стала более устойчивой.

Так небольшие изменения в морфологии одной группы (членистоногие) повлекли за собой колоссальные взрывные изменения в биосфере благодаря обратным связям между компонентами экологической системы мелководных эпиконтинентальных морей, которые, в отличие от нынешнего времени, занимали большую поверхность континентов.

Великая ордовикская эволюционная радиация

Прошли миллионы лет, и в начале следующего ордовикского периода началась новая крупная эволюционная радиация. Ее пусковой группой были иглокожие. Появившиеся среди них цистоидеи и морские лилии резко увеличили кальцитовую продуктивность в мелководных морях, что привело к насыщению донных грунтов кальцитовым детритом и создало благоприятные условия для жизни многочисленного бентоса.

Разнообразие и продуктивность экосистем увеличивались. Увеличился и объем захоронения органического вещества в осадках эпиконтинентальных морей, что обеспечивало непрерывный рост содержания свободного кислорода и, вероятно, уменьшение углекислого газа в атмосфере. Это привело к оледенению в конце ордовика и мощной регрессии моря, разрушившей экосистемы мелководных эпиконтинентальных морей, что стало причиной массового вымирания морских животных. Этот кризис и вымирание были первыми из пяти самых крупных в истории фанерозойской биосферы.

Великие вымирания

В начале силура после потепления и морской трансгрессии началась новая эволюционная радиация после крупного вымирания беспозвоночных животных целыми классами. В силуре кислород достиг не менее половины современного его содержания в атмосфере, что позволило быстро развиваться активным рыбообразным и рыбам.

Видимо, такой уровень кислорода в атмосфере дал возможность выходу высших растений на сушу. Быстрое заселение ими огромных пространств, создание на суше больших объемов органического вещества и резкое увеличение масштабов его захоронения привело к тому, что уровень кислорода в атмосфере быстро достиг современного, и в девоне позвоночные животные начали успешно осваивать сушу.

Морские экосистемы тоже усложнялись. Верхний этаж пищевой пирамиды заняли хищные акулы. Химерообразные рыбы брадиодонты крепкими массивными зубами перемалывали брахиопод, моллюсков и другую бентосную фауну. Но увеличение кислорода приводило к уменьшению в атмосфере углекислого газа, что опять привело к резкому изменению климата и второму массовому вымиранию и кризису во второй половине девона.

Однако биосфера уверенно развивалась и к концу палеозойской эры, в карбоне и перми, достигла той «цветущей сложности», которая предполагает дальнейшее долгое и спокойное существование, лишь иногда осложняющееся сравнительно мелкими региональными кризисами. Но в самом конце перми ситуация резко изменилась. Началось третье, самое крупное массовое вымирание.

Многие связывают кризис на границе палеозойской и мезозойской эры с катастрофическим извержением сибирских траппов и появлением кислотных дождей. Но кислотные дожди важны только для наземной биоты, а сильно изменилась и жизнь в морях. Более вероятным кажется опосредованное влияние извержений на биоту из-за потепление климата, усиленного парниковым эффектом метана, который восстанавливался из углерода углей Тунгусского бассейна при контакте с раскаленной лавой.

Последовательность, причины и механизм пермо-триасового кризиса сейчас очень активно изучаются. Каковы бы ни были его причины, мы видим, что в триасе и после него стали доминировать группы фауны, ранее занимавшие в сообществах подчиненное положение.

К концу триаса и началу юрского периода начался новый четвертый кризис и массовое вымирание, обусловленное значительным глобальным потеплением климата. Он привел к значительному обновлению растений и животных, на суше и в море. В юрских и меловых морях широко распространились аммониты и белемниты, моллюски стали преобладать по разнообразию и численности над брахиоподами, доминировать стали костистые рыбы.

На суше стали доминировать рептилии, освоили морской и воздушный биотопы. Среди них особенно выделились динозавры, достигавшие гигантских размеров. Появились первые птицы. Многочисленные насекомые перешли от питания голосеменными растениями к покрытосеменным, которые появились в меловом периоде. К этому же времени относится заселение донными животными обширных абиссальных глубин (свыше 3000 м) Мирового океана.

Окончание мезозойской эры, самый конец мелового периода, ознаменовался очередной перестройкой всех экосистем. На суше исчезли динозавры, их экологические ниши заняли млекопитающие, ставшие с начала кайнозойской эры доминирующей наземной группой животных. В морях исчезли аммониты и белемниты. Вымирание этих и других групп фауны, появление новых доминирующих групп фауны и флоры, изменение экосистем проходило очень быстрыми темпами.

Этот критический рубеж в развитии биосферы на границе мела/палеогена привлекает внимание многих ученых. Оказалось возможным связать это массовое вымирание с падением большого метеорита, от которого остался огромный кратер Чилсулуб в Мексике на полуострове Юкатан. Но это внешнее воздействие на биосферу явилось не причиной мел-палеогенового кризиса, а спусковым крючком его быстрого и своеобразного протекания.

Истинная причина этого кризиса, как и всех предыдущих, кроется во внутренних закономерностях развития экосистем, в закоулках которых появляются новые формы, способные быстро адаптироваться к новым послекризисным условиям и овладеть новыми экологическими нишами. В меловом предкризисном периоде такими новыми формами на суше были цветковые растения и млекопитающие, а в море костистые рыбы.

Неопределенное равновесие

Причина всех оледенений кроется в уменьшении парниковых газов в составе атмосферы. Основными парниковыми газами являются пары воды, углекислый газ и метан. Благодаря своей высокой теплоемкости они не дают Земле отражать ту энергию, которую она получает от Солнца. При излишках парниковых газов атмосфера нагревается, ледяные шапки на полюсах тают, вода затапливает окраины континентов. При недостатке парниковых газов жидкой воды становится меньше и окраины континентов осушаются.

Этот тонкий баланс парниковых газов зависит от извержений вулканов и высвобождения метана из газоконденсатных залежей в осадочных породах. Но больше всего влияет на климат Земли углекислый газ, количество которого зависит от активности фотосинтетиков. Используя солнечную энергию, они преобразуют воду и углекислый газ в органическое вещество и кислород. Эта химическая реакция обратима: кислород, реагируя с органикой, разлагает ее до углекислого газа и воды, выделяя при этом энергию.

При равновесии процессы фотосинтеза и дыхания (гниения) компенсируют друг друга. Количество кислорода и углекислого газа остается постоянным. Но при захоронении органики, ее изоляции от кислорода содержание кислорода в атмосфере увеличивается, а углекислого газа — уменьшается. В это равновесие вмешивается поступление углекислого газа в атмосферу при извержениях вулканов, его участие в выветривании горных пород и в отложениях карбонатов. Поэтому его баланс в геобиосферных процессах подсчитать и спрогнозировать очень не просто. Масштабы изменения климата, судя по палеонтологическим данным, могут быть очень большими. Из-за включенности в этот процесс огромного количества вещества и энергии современные изменения не всегда могут быть подвластны регуляции человеком.

Отпечаток проблематичного ползающего животного йоргия, верхний венд (555 млн лет назад), Зимний берег Белого моря

Фото: Палеонтологический институт им. А.А. Борисяка РАН

Кризис современной биосферы

Палеонтологи проделали большую работу по восстановлению истории жизни на Земле, раскрыв величественную картину развития биосферы с ее кризисами и взрывными обновлениями биоты. И в современной биосфере наблюдаются процессы, подвергающие опасности привычную жизнь человечества. Не последнюю роль в этом играет изменение климата.

Но является ли наблюдаемое потепление результатом увеличения промышленных выбросов парниковых газов, или это общая тенденция к потеплению послеледникового периода, в которой фигурируют на порядок большие цифры изменения потоков парниковых газов, неподвластные изменению человеком?

В пользу положительного ответа на вторую часть вопроса говорит относительная стабильность содержания кислорода в атмосфере, несмотря на его затраты на создание углекислого газа в промышленных выбросах. Выделение кислорода справедливо связывают с растительными экосистемами. Но баланс выделения и поглощения свободного кислорода в разных экосистемах сильно зависит от масштаба времени.

Например, зеленый луг летом выделяет много кислорода, но в годовом исчислении он столько же его и потребляет при гниении травы. Это же касается и леса. Отдельное дерево растет и выделяет кислород, например, около ста лет. А потом умирает и, сгнивая, его столько же потребляет. А вот торф в болоте является захороненной органикой уже в масштабе тысяч и сотен тысяч лет. На такой срок выделяются в атмосферу излишки кислорода, эквивалентные захороненной органике в болоте. Поэтому огромные площади болот в нашей стране можно назвать легкими всей планеты. Но они выделяют метан, являющийся мощным парниковым газом.

В морях и океанах, в рифовых системах баланс не менее сложный. Для прогноза изменения климата необходимо детально изучить баланс каждого процесса в отдельности, а затем свести его в общий земной баланс. Это предмет работы многих направлений фундаментальной науки, от микробиологии до палеонтологии. Прогностическая и практическая ценность этих исследований несомненна.

Сергей Рожнов, академик РАН, Палеонтологический институт им. А.А. Борисяка РАН 

Фотографии и рисунки из экспозиции Палеонтологического музея им. Ю.А. Орлова любезно предоставлены Палеонтологическим институтом им. А.А. Борисяка РАН.

Многоклеточные организмы поползли два миллиарда лет назад

Окаменелые следы движения из франсевильских отложений

Abderrazak El Albani et al. / PNAS

Многоклеточные подвижные организмы появились на 300 миллионов лет раньше, чем самые древние эукариоты, которые были известны до сих пор, а также на 1,5 миллиарда лет раньше, чем были известны первые подвижные многоклеточные. К такому выводу пришли исследователи, нашедшие окаменевшие нитевидные следы движения на мелководье Франсевильского бассейна. Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Условия для массового появления многоклеточных появились только в Эдиакарском периоде, когда уровень кислорода в атмосфере достиг величины, позволяющей покрывать увеличивающиеся энергетические расходы на поддержание многоклеточности. Однако задолго до этого на Земле уже были многоклеточные организмы в составе франсевильской биоты.

Абдерразак аль-Албани (Abderrazak El Albani) из университета Пуатье во Франции и его коллеги из Канады, Швеции и Дании с помощью трехмерной томографии, сканирующего электронного микроскопа и химического анализа исследовали структуры в виде нитей, обнаруженные в сланцах Франсевильского бассейна в Габоне. Длина этих нитей составляла до 170 миллиметров, а толщина — до шести миллиметров. Нити располагались параллельно поверхности субстрата и были округлыми в сечении, слегка сплющенными параллельно поверхности.

Найденные окаменелости относятся к палеопротерозою, им около 2,1±0,3 миллиарда лет. В это время Земля была уже богата кислородом. Высокий уровень сульфата позволил этим структурам быстро пиритизироваться и сохраниться в таком виде до настоящего времени. Изначально это были нитевидные организмы или нити органического вещества (вероятно, слизи), оставленные организмами, ползущими по поверхности дна на мелководье. Среди организмов ближайшим аналогом являются сероокисляющие нитевидные бактерии, такие как Thioploca и Beggiatoa, однако они меньше по размеру на порядок. Размер и сложность окаменелых следов заставили авторов предположить, что это след передвижения многоклеточных или синцитиальных организмов, возможно даже эукариотических. Предполагаемым современным аналогом авторы считают слизевика в фазе подвижного плазмодия, хотя их толщина также сильно меньше,чем у найденных окаменелостей — она достигает 0,2 миллиметра.

При этом исследователи отмечают, что неизвестно, были ли существа, оставившие следы, «неудавшимся экспериментом» эволюции или предковой формой современной многоклеточной жизни. Возможно, необходимость поиска пищи стала стимулом для объединения клеток и подвижности.

Происхождение жизни и ее ранние этапы эволюции во многом остается неизвестным. О том, как возможно произошли эукариоты и развилась многоклеточность можно почитать в нашем материале про книгу «Достающее звено». 

Александра Кочеткова

Терраформирование Земли: книга о том, как жизнь сделала планету обитаемой

Геология дает другую перспективу на науку о древней жизни: большинство процессов в ней очень масштабные, невероятно медленные и комплексные, где, казалось бы, совсем не связанные явления и тенденции могут друг на друга влиять. Автор книги Андрей Журавлев, когда-то окончивший геологический факультет (что не помешало ему стать доктором биологических наук) как раз и дает такую комплексную картину, объединяя, казалось бы, совершенно разные системы, где климат, циркуляция атмосферы, движения материков и растущие горные хребты, состав воды в океанах не только формируют друг друга и создают условия, благоприятные или сложные для выживания организмов, но и напрямую зависят от деятельности этих организмов. И увы, далеко не всегда жизнь подстраивает мир под себя. Иногда она сама делает условия невыносимыми – и речь даже не об антропоцене и жутких пророчествах будущего, к которому ведет нашу планету несознательный Homo sapiens. Великое кислородное событие вызвало мощнейшее вымирание и чуть не подписало смертный приговор большинству живых существ, заставив биосферу «вывернуться наизнанку», загнав прежних властителей Земли в «анаэробные карманы» и сформировав озоновый слой. А помните, что стало его причиной? «Всего лишь» одноклеточные, которые изобрели кислородный фотосинтез и успешно расплодились благодаря ему!

Если до этого вы думали, что вымирания вызваны катаклизмами, внезапными и неотвратимыми, как небесная кара, вас ждет большой сюрприз. В познавательных фильмах или поверхностных книгах об эволюции жизни на Земле вы часто встретите рассказы о том, что климат стал холоднее или суше, поменялся состав атмосферы, и это повлияло на мир живого. Но климат, хотя он и сложен и неуправляем, не меняется, как ему заблагорассудится. Очень многие события в литосфере, атмосфере и гидросфере, представленные в популяризации или массовой культуре как факт, который просто произошел, современные палеонтологи могут не только изучить в деталях, но и объяснить, причем последовательно и логично.

Как учебник, а иногда и лучше

«Сотворение Земли» напомнит вам «Удивительную палеонтологию» Кирилла Еськова тем, что объяснит огромное количество причинно-следственных связей. Вы узнаете, как жизнь сформировала залежи золота и урана, как выстраивается баланс между углеродом в атмосфере, горных породах и органических веществах, как происходят отложения ископаемых организмов, как «Эдемский сад» докембрия был разрушен Кембрийским взрывом, сколько удивительной информации можно извлечь из изотопного анализа различных отложений, когда и почему в горах или на дне океанов становилось невозможно выжить.

Однако незнакомым с геологией и химией читать «Сотворение Земли» будет гораздо сложнее, чем книгу Еськова. Множество примечаний, взаимосвязей и объяснений не обходятся без химических формул, схем, графиков и таблиц, так что книга становится больше похожа не на развлекательное чтиво, которое можно полистать после работы, а на учебник для первокурсников или продвинутых школьников, где нужно думать и вникать. Более того, вероятно, вам не раз придется перечитать некоторые моменты или выписывать новые для вас мысли и закономерности. Само по себе это не плюс и не минус – все зависит от того, что вы ищете. Если текст, отрывок которого мы уже публиковали, покажется чересчур сложным, то у того же автора есть книги для неподготовленного читателя, которые точно не заставят вас страдать. При этом логичность изложения и представление разных, иногда конкурирующих, гипотез по сложным вопросам в «Сотворении Земли» – то, чего не хватает и некоторым настоящим университетским учебникам по палеонтологии, где вы порой увидите не сложную взаимозависимую систему, а список групп организмов с описанием к каждой из них, как в справочнике. Кроме того, в «Сотворении Земли» данные более свежие: благодаря современным методам, которые в книге тоже кратко раскрыты, палеонтология активно переписывается и уточняется в последние десятилетия.

Но кроме графиков, формул и таблиц, в книге очень много иллюстративного материала, включая редкие фотографии находок и музейных экспонатов от автора и его коллег. Главы книги четко разделены по эрам и периодам, причем перед каждым разделом есть хронологическая таблица с названиями соответствующих эпох, что очень помогает не запутаться в том, в каком порядке следовали описываемые события.

Что еще разочарует и порадует

В книгах об истории Земли или палеонтологии с гибелью динозавров повествование стыдливо сворачивается – к большому разочарованию части читателей, интерес которых несколько выходит за рамки мейнстрима. В «Сотворении Земли» такой диспропорции нет: мало того, что после динозавров вас ждет много интересного, до и во время их господства все внимание не фокусируется на нескольких популярных и любимых широкой публикой группах живых организмов, например трилобитах, гигантских насекомых карбона и позвоночных. В небольшую книгу удалось уместить и самые яркие события эволюции растений, и объяснение принципов фотосинтеза, и довольно подробную эпопею развития одноклеточной жизни, и нумуллитов с брахиоподами; вы узнаете об археоциатах из уст того, кто подарил им современное место в систематике, а также встретите целую главу о том, откуда и зачем появились яйца у рептилий (что произошло намного раньше, чем у куриц, конечно).

С точки зрения стиля и языка книга не блещет метафорами, аллюзиями и другими художественными средствами и не радует искрометными шутками на каждом шагу, как это бывает у Маркова или Циммера. Но время от времени попадается и то, и другое – и вот уже головохоботные черви «не сидят на диете», у Кембрийского взрыва появился «детонатор», а растения каменноугольного периода ассоциируются с революционно настроенными итальянскими карбонариями. Отсылки к различным цитатам и реалиям показывают широкий кругозор автора, так что, возможно, иногда будет непросто определить первоисточник. Тем не менее, предложения часто выглядят громоздко и немного формально, ни на минуту не давая забыть, что вы читаете не художественное произведение.

Как уже упоминалось в других рецензиях, в книге ошибки редко, но все же попадаются – надеемся, что в переизданиях это исправят. (Гораздо чаще режут глаз обширные примечания в скобках, иногда даже квадратных, причем отдельными предложениями, где точка стоит внутри скобки, как здесь. Честное слово, лучше было доплатить за верстку и сделать сноски внизу страницы.) Было бы замечательно увидеть в переизданиях цветные, а не черно-белые картинки – тогда книга станет интереснее для родителей, которые хотят впечатлить любознательных чад рассказами о невероятных вымерших существах и захватывающей истории жизни на Земле.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.

«Все живое произошло от небольшой популяции клеток»

Вопрос о том, как на Земле появилась жизнь, остается одной из самых главных проблем современного естествознания. Ученые предполагают, что жизнь родилась на Земле около 4 миллиардов лет назад из неживой материи. Они шаг за шагом заполняют лакуны на пути от неживого к живому, и уже многое стало понятно. Но загадок еще достаточно.

О том, как менялось представление о происхождении жизни на Земле, и каковы сегодняшние научные представления, рассказывает доктор биологических наук Александр Марков.

– В течение нескольких тысячелетий люди принципиально не разделяли природу на живую и неживую. Они представляли, что живая сила пронизывает все мироздание. И этот взгляд, так называемый витализм, был распространен в большинстве культур и цивилизаций. Когда люди впервые заметили принципиальную разницу между живым и неживым?

– По-видимому, одним из первых итальянец Франческо Реди (Francesco_Redi), который жил в XVII веке. Он показал, что если накрыть тухлое мясо тряпочкой, чтобы к нему мухи не могли подобраться, то личинки мух в таком мясе не заводятся. Таким образом была показана невозможность самозарождения сложных механизмов. А до этого думали, что в грязном белье сами собой заводятся мыши, в тухлятине мухи, на днищах кораблей моллюски. Причем очень любопытные приводились доказательства этого самозарождения. Аристотеля, например, доказывал, что моллюски, которые лепятся на днище кораблей, никак не могут происходить ни от каких других, и совершенно ясно, что они самозарождаются. Но в XVII появился принцип Реди: все живое происходит только от живого. Распространить этот принцип на микроорганизмы удалось только в 60-х годах XIX века Луи Пастеру.

До Реди люди были убеждены, что вся природа одухотворена некоей живительной силой. Это хорошо согласовывалось и с библейской версией сотворения мира и живых существ. Там говорится расплывчато, что Бог не сотворил растительность, а велел земле вырастить зелень, не сотворил пресмыкающихся, а приказал воде их произвести. Эти взгляды оказались очень живучими. А Луи Пастер, который сам, кстати говоря, был глубоко верующим религиозным человеком, доказал, что в колбе с бульоном микроорганизмы не заводятся, если преградить доступ зародышам этих микробов. Таким образом, было покончено с витализмом, но это крупное научное достижение парадоксальным образом сыграло на руку не науке, а церкви в первую очередь. Потому что сразу укрепились позиции тех, кто настаивал на божественном происхождении жизни. Если она не может самозарождаться, то откуда же она тогда взялась?

Но главное, что убеждает ученых в том, что они на правильном пути – это общая тенденция развития наших знаний в этой области. Начиналось все с ситуации можно сказать отчаянной, когда были проведены опыты Реди и было доказано, что самозарождение жизни, по крайней мере, быстрое и в современных условиях невозможно, то казалось, что между живым и неживым лежит непреодолимая грань. Потому что на тот момент химики не умели синтезировать никакие органические соединения из неорганических и все думали, что даже на химическом уровне между живым и неживым грань непреодолима.

Но затем по мере развития науки один за другим становились понятными возможные этапы, которые прошла жизнь от неорганических молекул к первой живой клетке. Мы должны понимать, что этот путь был очень длинным. И еще 100-150 лет назад весь этот путь был совершенно неясен и непонятен. Но потом химики научились синтезировать органические вещества. Сначала синтезировали мочевину (1828 год), потом липиды, потом Бутлеров открыл реакцию синтеза сахаров из неорганических соединений. И стало ясно, что непреодолимой химической грани нет, что органика может быть синтезирована из неорганических соединений. По крайней мере, стало ясно, что он проходим, этот кусочек пути и чем дальше, тем больше таких кусочков. Мы стали понимать, как проходили те или иные маленькие участки этого длинного пути. И хотя до сих пор еще осталось довольно много кусочков, которые мы не понимаем или понимаем очень смутно и нечетко, тем не менее, тенденция развития науки такова, что все больше и больше этот путь проясняется. И это самое главное, что убеждает ученых в том, что жизнь могла произойти естественным путем в результате естественных процессов из неживой материи.

– Как долго Земля оставалась безжизненной?

– Мы знаем, что следы жизни есть в самых древних породах земной коры, которые в принципе могли такие следы сохранить. От самых первых этапов существования нашей планеты не осталось никаких геологических следов, не осталось горных пород, которые в принципе могли бы иметь или не иметь следов жизни. А с того времени, когда такие породы сохранились, следы жизни есть. Сначала самые древние следы — это в породах возрастом 3,8 миллиарда лет. Эти следы жизни представляют собой кусочки графита с измененным изотопным составом углерода. Дело в том, что когда живые организмы синтезируют органические вещества из углекислого газа, при этом происходит изотопное фракционирование, по соотношению изотопов в этом древнем углероде можно предполагать, что уже 3,8 миллиарда лет назад на Земле была жизнь. Но с другой стороны, фракционирование изотопов углерода может происходить без участия живых организмов в некоторых геологических процессах. Поэтому эти древнейшие следы не совсем безусловны. Несколько более поздние – 3,7 миллиарда лет назад – здесь тоже речь идет об изотопном составе углерода, но считается, что этой ситуации вероятность появления такого изотопного состава без участия живых существ очень мала. Поэтому эти свидетельства считаются достаточно надежными.

Три с половиной миллиарда лет назад – уже нет никаких сомнений, – жизнь была, потому что уже есть даже окаменевшие микроорганизмы, следы жизнедеятельности в виде слоистых известковых напластований сложной формы, которые называются строматолитами.

– В какой форме существовала первая жизнь?

– Это живущие в воде микроорганизмы, делящиеся пополам. Нет никаких оснований предполагать, что жизнь существовала в безводной среде. Но в каких именно условиях жизнь проходила свои первые шаги на Земле сказать очень трудно: каков был состав атмосферы, температура, – на это существует очень много разных точек зрения. Но считается, что вода, гидросфера очень рано появилась. Есть совсем древние, больше четырех миллиардов лет кристаллы, строение которых свидетельствует о том, что они сформировались в присутствии воды. По-видимому, вода на земле появилась чуть ли не сразу же после того, как планета сформировалась.

Вообще у живой клетки, у такой клетки как бактериальная, в принципе не очень много шансов сохраниться в ископаемом состоянии. Находки самых древних микроорганизмов очень редки. Многочисленные остатки микроорганизмов начинают встречаться гораздо позже, когда их становится много разных. А окаменелостей относящихся к архейской эре, которая закончилась два с половиной миллиарда лет назад, не очень много.

Ученые в настоящее время пытаются понять, каким образом могла появиться жизнь. Экспериментальным путем можно доказывать возможность тех или иных процессов. Мы можем доказать только принципиальную возможность событий, а путь от неорганических молекул до первой живой клетки, он был очень длинный и непростой. За один шаг такое расстояние не преодолеть.

– Мы можем рассказать по этапам, как на Земле зарождалась жизнь?

– Конечно. Первое, с чего нужно начать – это с синтеза органических веществ, как могли возникнуть первые органические соединения во Вселенной вообще. Вселенная, по представлению физиков, появилась во время Большого взрыва где-то 14 миллиардов лет назад, сформировались первые звезды, сначала из элементов в основном были только водород и гелий. В звездах происходил термоядерный синтез, водород превращался в гелий. Самые крупные звезды в конце своей жизни взрывались и во время этих взрывов создавалось такое высокое давление температуры, что происходил синтез более тяжелых элементов, включая те элементы, которые необходимы для жизни – углерод, азот, фосфор, сера, кислород и так далее. Эти элементы рассеивались во Вселенной, из них собирались новые звезды планетные системы, звезды второго поколения. Одно из них – это наше Солнце. Вокруг Солнца из протопланетного газопылевого диска стали собираться планеты.

Сейчас показано, что синтез органики в этой истории развития Вселенной мог начаться в протопланетных облаках, которые вращались вокруг звезд второго поколения. То есть еще до того, как сформировались планеты, на этих разрозненных частицах материи мог идти синтез органических соединений, и это продемонстрировано экспериментально. Там ключевую роль играю частицы, содержащие никель, железо и кремний, они работают как катализаторы, а синтез органики идет из таких веществ как СО, угарный газ, цианистый водород. И показано, что уже в протопланетном облаке могли синтезироваться такие соединения как аминокислоты или азотистые основания – а это химические основы тех биополимеров, из которых состоит живая клетка. Таким образом в принципе Земля могла иметь некоторое количество органики с самого момента своего возникновения. В Новосибирске астрокатализом занимаются академик Валентин Пармон и его коллеги.

Когда сформировалась Земля, то в ее поверхностных областях – в атмосфере, литосфере, гидросфере (которая возможно, появилась чуть позже), начались всевозможные химические процессы, стали возникать круговороты, из космоса продолжали падать фрагменты протопланетного облака, что-то поднималось из недр, что-то крутилось в первичной атмосфере. И разные вещества вступали между собой в разные химические реакции, шли разные химические превращения. На этом этапе могла возникнуть некая конкуренция, своего рода химический естественный отбор между различными химическими процессами. В такой конкуренции между разными химическими реакциями идет конкуренция за субстрат. Побеждает та реакция, которая идет быстрее, а быстрее идет та реакция, у которой найдется хороший катализатор. Так вот некоторые органические молекулы обладают свойствами сильных катализаторов. И если удачно сложатся обстоятельства, то может возникнуть так называемый автокаталитический цикл — это по сути дела цепная реакция, которая катализируется своим собственным продуктом.

Количество органических соединений начинает нарастать как снежный ком. Первую такую автокаталитическую реакцию, в которой могли синтезироваться органические вещества, открыл русский химик Бутлеров, она так и называется в нашей отечественной литературе — реакция Бутлерова. Реакция состоит в том, что происходит синтез сахаров из формальдегида, а катализатором этой реакции выступают сами сахара. То есть, нужен субстрат – формальдегид и нужна затравка, грубо говоря, хотя бы одна молекула сахара, скажем, рибозы. И начинается цепная реакция, начинается автокаталитический процесс. Возможно, в ходе таких автокаталитических циклов накапливались на планете какие-то органические соединения.

Следующий вопрос: хорошо, синтезировали мы органические вещества, а как же переход к живым организмам мог произойти? И ученые давно задумались о том, какая же из химических молекул должна была лежать в основе жизни. Известно, что все современные живые существа построены из трех главных типов крупных молекул — это ДНК, белки и третий тип – РНК. ДНК хранит наследственную информацию — это ее главная задача, больше она ничего не делает. Белки выполняют в клетке всю работу, все активные функции, они и строители, и рабочие, и производители энергии. Они синтезируют все вещества, они размножают ту же самую ДНК.

Фрэнсис Крик (Dr. Francis Harry Compton Crick, 8 июня 1916 – 28 июля 2004) первооткрыватель структуры ДНК с моделью молекулы

– А какую же роль в клетке играет РНК?

– А вот РНК поначалу казалась ученым какой-то третьей лишней. В принципе было известно, что она выполняет роль посредника между ДНК и белками, то есть генетическая информация переписывается с ДНК на РНК, а потом РНК служит матрицей для синтеза белка. Если так эту картину себе представлять, то не совсем понятно, а зачем вообще нужна эта РНК, можно было бы сразу на основе ДНК строить белок. Они с химической точки зрения, ДНК и РНК очень похожи. В принципе теоретически можно вообразить организм, казалось бы, в котором нет РНК, только ДНК и белки, но таких организмов нет в природе.

Кроме того, известно, что из этого правила есть парочка исключений. Я сказал, что в принципе всю работу в клетке выполняет белки, но два исключения все-таки известны. В синтезе белка ключевую роль кроме белков играют еще и особые молекулы РНК, которые выполняют в данном случае не информационную функцию, а рабочую. Это так называемые рибосомная РНК и транспортная РНК. Без них синтез белка невозможен. Эти рабочие РНК отвечают за то, чтобы правильно считать информацию, которая записана в информационной молекуле РНК, которая была считана с гена, то есть с ДНК. Это было какое-то курьезное исключение. Почему-то все в клетке делают белки, а синтез белка — почему-то делают непонятные рабочие РНК. И это воспринималось как некое исключение. Почему здесь не может работать белок?

Все прояснилось, когда в середине 80 годов были обнаружены так называемые рибозимы, то есть оказалось, что некоторые молекулы РНК могут фактически заменять белки, могут выполнять активную работу, в частности, могут работать катализатором. И в тот же момент стало ясно, что теоретически возможен организм, в котором нет ни белков, ни ДНК, а есть только РНК. Потому что то, что РНК может заменить ДНК — это и раньше было известно, потому что были известны РНК-вирусы. Это вирусы, у которых хранителем наследственной информации служит РНК. Получилось, что РНК могут заменить собой и ДНК, и белки. Все, конечно, страшно обрадовались и возникла так называемая теория РНК-мира. Ученые предположили, что на определенном этапе жизнь состояла из РНК-организмов. Я лично считаю, что это было великое прозрение и самая удачная гипотеза, связанная с проблемой происхождения жизни. Действительно, сразу все становится на свои места и становится понятно, почему синтез белка осуществляет РНК. Потом стали находить в клетке все новые и новые рабочие функции, которые выполняет молекула РНК и разные рибозимы, и разные регуляторные РНК. Оказалось, что у РНК на самом деле в клетке куча работы.

– Что такое РНК-организмы?

Информационная РНК

– РНК может делать и то, и пятое, и десятое, но организм как из этого собрать? Прежде всего нужно уметь себя воспроизводить, чтобы жизнь продолжалась. Вот, скажем, сахара в реакции Бутлерова, они самовоспроизводятся, в этом смысле они похожи на жизнь. Но в живых клетках не обнаружилось молекул РНК, которые способны были бы катализировать синтез собственных копий. Тогда стали пытаться получить такие РНК искусственно.

Сейчас научились при помощи метода искусственной эволюции получать самые разнообразные молекулы РНК с самыми разными функциями. Синтезируют случайным образом молекулу РНК – она состоит из четырех нуклеотидов или букв в разных последовательностях. Вот синтезируют химики случайные молекулы РНК, случайные последовательности букв в огромном количестве, а потом проводят отбор по интересующему их свойству. Например, хотят получить молекулу РНК, которая бы крепко связывалась с атомами железа. В смесь полученных молекул опускают железную палку, вынимают, кто прилип, тот нам и нужен. Я, конечно, очень упрощенно говорю, но это примерно так.

Таким образом можно фактически любое заданное свойство выбрать. Потом выбирать можно в несколько циклов, сначала выбрать те молекулы, которые лучше всего справились с поставленной задачей, и уже в них вносить изменения, чтобы усилить эту функцию, добиться оптимального результата. Вот таким способом удалось вывести рибозимы, которые катализируют синтез РНК чуть-чуть, но это было не совсем, то что нужно. Хотелось получить фермент, который реально делает копию. Ферменты с такой функцией называется РНК-полимеразы, они на матрице одной молекулы РНК синтезируют комплиментарную РНК. В конце концов удалось изготовить такой рибозим, но с очень большим трудом. Его собрали из нескольких молекул РНК – не одну, а несколько пришлось объединить. Но все-таки показали, что принципиальная возможность есть. А сейчас уже добились того, что живут, растут сами как в колонии микроорганизмов молекулы РНК в пробирке. Правда, это не чистые РНК-организмы, а это симбиоз с белками, потому что эти РНК кодируют некие белки, ферменты, сами их синтезируют, а уже эти белки осуществляют размножение молекул РНК, но все равно какая-то искусственная РНК-белковая жизнь получается.

– В какой момент в РНК-мире понадобились ДНК и белки?

– Начнем с ДНК. Синтез ДНК идет похожим образом на синтез РНК. Чтобы получить из рибонуклеотида – РНК-кирпичика дезоксирибонуклеатид – ДНК-кирпичик, достаточно одной химической реакции. Но это маленькое химическое изменение приводит к тому, что молекула становится более устойчивой, ДНК более устойчива, чем РНК, она лучше годится на роль хранителя информации. Она дольше живет. РНК молекула довольно коротко живущая, особенно при высоких температурах. И РНК-молекула химически активная, она активно сворачивается в разные трехмерные конструкции, вступает в реакции, она может что-то катализировать, сама себя, а ДНК – инертная молекула, она спокойная, консервативная, хотя смысл тот же самый — последовательность нуклеотидов. Поэтому в принципе можно представить, что ДНК изначально возникли как некая покоящаяся стадия в жизненном цикле РНК для переживания неблагоприятных условий, например. Простая химическая реакция, и мы переходим в спокойную форму.

– А как появились белки?

– Белки имеют совсем другую химическую природу, чем РНК и ДНК, они по-другому устроены. Они состоят из аминокислот и даже по химическому составу, по элементному составу отличаются. Если в ДНК и РНК содержится много фосфора, то в белках фосфора нет вообще, аминокислоты не содержат фосфора. Зато в ДНК и РНК нет серы, сера не входит в состав этих молекул совсем, а в белках обязательно есть сера. Поэтому можно себе представить, что эти два типа органических молекул изначально зарождались в разных условиях. Может быть, в одних местах существовали какие-то каталитические циклы на основе РНК, а в других существовали циклы на основе белков, но в какой-то момент они соединились, вступили в симбиоз, начали взаимно катализировать синтез друг друга. РНК катализировали синтез определенных простых белков, а белки катализировали синтез определенных РНК. От этого этапа тоже остались забавные следы в строении некоторых молекул.

– Как возник генетический код?

– Генетический код современных живых организмов — это механизм, который реализует информационную связь между РНК и ДНК с одной стороны, с другой стороны связь между белками. Сейчас никто не знает, как именно появился генетический код. Известно, что он одинаков у всех живых организмов. Гены разных живых существ, от бактерий до человека, являются взаимопонятными – код одинаков. Это говорит о том, что он возник один раз, все ныне живущие организмы унаследовали именно этот генетический код. Если другие варианты и были, то они не дожили до наших дней. Скорее всего, в начале генетический код был неполным, нечетким, неточным. Катализ был не точный, а приблизительный. Специфический катализ должен был развиваться постепенно. Но это мы уже вступаем в область неких домыслов, мы не знаем, как возник генетический код.

Есть такая проблема, как взаимодействие с липидными мембранами. Все живые клетки ограничены снаружи мембраной, которая у большинства живых организмов состоит из липидов. И в теории РНК-мира до недавнего времени была большая проблема, РНК очень плохо взаимодействует с липидными мембранами, не хотят с ними соединяться, вступать в какие-то комплексы. И было непонятно, как мог существовать окруженный мембраной РНК-организм. Тем не менее, исследователи решили эту задачу, оказалось, что все дело в ионах металлов, которые образуют комплексы с молекулами РНК. Это резко расширяет возможности рибозимов и активных молекул РНК. Мы знаем, что в древнем океане было гораздо больше, чем сейчас растворено всяких редких металлов, ионов, таких как вольфрам, например, которых сейчас очень мало, но раньше было гораздо больше, кобальт, молибден, и ионы этих металлов, образуя комплексы с различными молекулами РНК, резко расширяют их возможность. Оказалось, что соединяясь с ионами кальция, молекулы РНК могут образовывать устойчивые соединения с липидными мембранами и даже могут определенным образом регулировать проницаемость этих мембран. Это все тоже экспериментально воспроизводится.

– Таким образом, живой мир усложнился и из РНК-мира уже возникли организмы, где есть ДНК, есть белки и РНК. А что было дальше?

– Дальше мы можем только гадать, какие не дожившие до нас возникали конструкции и комбинации самых первых живых существ, но мы можем довольно определенно сказать, что все живое, существующее на планете сейчас, происходит, если не конкретно от одной клетки, от одного предка, то от некоей небольшой популяции клеток. Прежде всего, потому что у нас у всех один и тот же генетический код, принципиально одно и то же строение рибосом, транспортных РНК и многие другие молекулярные особенности одинаковые у всех без исключения форм жизни. Даже придумали название для этого предполагаемого общего предка всего живого, его зовут LUСA — последний универсальный общий предок. Жил он больше четырех миллиардов лет назад, по всей видимости, он не был каким-то одним конкретным микроорганизмом, а скорее представлял некое сообщество микроорганизмов, которые активно обменивались между собой генами. Кстати, обмен генами, который сегодня распространен в мире бактерий – это неотъемлемое свойство жизни с самого начала. Те же самые эксперименты по РНК-миру показали, что эволюция РНК, в разных условиях пытаются смоделировать в лабораториях эволюцию молекулы РНК теми или иными способами. Выяснилось, что, начиная с самого раннего этапа развития каких-то коротких кусочков РНК в разных условиях, уже ничего не получается, если у этих молекул РНК нет возможности друг с другом обмениваться кусками, соединяться, разъединяться.

– Живым организмам необходим обмен генами?

– Эволюция идет за счет блочно-модульного принципа — это как конструктор «Лего». Где-нибудь возникает удачная деталька и она тут же начинает комбинироваться с другими детальками, которые возникли в других местах. То есть жизнь – это конструктор «Лего», детальки не просто так, детальки все такие, что они опробованы на каких-то других моделях. Вчера из этого был сделан самолетик, значит с большой вероятностью из этого получится неплохая машинка завтра. Обмен удачными находками, обмен удачными мутациями, новыми генетическими вариантами между разными организмами, он должен был идти с самого начала, иначе ничего бы не получилось. А у более сложных организмов этот обмен упорядочился и появилось половое размножение — это более эффективная, более сложная форма того же самого обмена кусочками. Теперь большие споры идут среди биологов по поводу того, какой образ жизни вел этот первый организм, как он жил, какой у него был обмен веществ, как он получал энергию. Очень быстро этот LUСA дал начало двум ветвям жизни, так называемые бактерии и археи — две основных группировки прокариотов, безъядерных организмов.

– Как жили древнейшие микроорганизмы?

– Есть способ поиска ответа на этот вопрос — это так называемый молекулярно-филогенетический анализ, то есть построение эволюционных деревьев на основе сравнения геномов современных микроорганизмов. Строя такие деревья, сейчас для этого существует хорошие, надежные, мощные методики, можно понять, в каком порядке появлялись разные группы, в каком порядке происходили ответвления. И таким образом можно понять, кто появился раньше, кто позже и кто первым. Вот такой анализ показывает, что с большой вероятностью первыми были метаногенные археи — это такие микроорганизмы, которые по сей день живут везде, где нет кислорода, но есть такой хороший восстановитель, как молекулярный водород, например. Эти метаногены живут, в частности, в кишечнике, в местах где закапываются свалки, они заводятся под землей в бескислородных условиях, производят метан. Тает вечная мерзлота в Сибири, они там тут же заводятся, начинают производить метан, в болотах и так далее.

Метаногенные археи, помимо того, что они по сравнительной геномике хорошие кандидаты на роль первых организмов, они еще по своей экологии хорошие кандидаты, потому что им ничего не нужно, кроме самых простейших химических соединений для жизни. Они неприхотливы к биологическому окружению, им достаточно простых веществ, как углекислый газ, молекулярный водород, который образуется, например, в недрах земли в ходе определенных процессов, углекислый газ есть в атмосфере и был всегда, ну и воды немножко. Микроэлементы, которые есть в минералах, в земной коре. Но главное — СО2 и Н2, и такие микробы реально могут жить в недрах земли, скажем, без всякой связи с остальной биосферой, вне всякой зависимости от остальной биосферы и они живут в недрах земли на глубинах нескольких километров. Если все живое на поверхности земли погибнет, то они долго там будут жить, совершенно ни о чем не беспокоясь. То есть это очень древние и независимые существа, которые в принципе могли бы быть первыми. Любое живое существо размножается в геометрической прогрессии и отходы его жизнедеятельности должны были бы накапливаться и очень быстро этими отходами сам бы и отравился. Крупнейший наш микробиолог академик Заварзин подчеркивает это обстоятельство, и он говорит, что организм, который в одиночку способен замкнуть геохимический цикл, также невозможен как вечный двигатель. Замкнуть биогеохимический цикл может только сообщество из нескольких разных микроорганизмов, в котором одни микробы утилизируют отходы жизнедеятельности других и таким образом замыкают цикл. С другой стороны, некоторое время мог существовать и один вид микробов, если, например, его развитие было ограничено какими-то факторами, а продукты жизнедеятельности, отходы жизнедеятельности не создавали очень большой экологической проблемы и накапливались достаточно медленно.

Кто появился раньше — курица или яйцо?

Как ни странно, на этот знаменитый вопрос можно дать однозначный ответ — раньше появилось яйцо. Только это яйцо было совсем не куриное. Или, может быть, не совсем куриное.

Но сначала, чтобы ответ был понятнее, нужно разобраться в том, что же такое курица и что такое куриное яйцо. Казалось бы, что тут объяснять? Все это и так знают: яйца мама покупает в магазине, а курицу все дети видели на картинке или в зоопарке (а кое-кто и на воле, в деревне). Однако на самом деле вещи часто совсем не похожи на то, чем они кажутся, если на них просто посмотреть.

С яйцом тут надо быть особенно осторожным. Смотришь на него — вроде бы куриное… И вдруг — хлоп! А из него вылупляется крокодил (рис. 2). Тут может получиться опасная путаница, как в повести Булгакова «Роковые яйца» (по мне так это роман по всем главным диагностическим признакам, но тут литературоведам виднее).

А всё потому, что все яйца более-менее похожи. Не обязательно внешне: по внешнему виду можно спутать куриное яйцо с крокодильим, но никто, конечно, не спутает икринку лягушки или рыбы с куриным яйцом. Но по сути это одно и то же — оплодотворенные яйцеклетки.

Яйцеклетки по устройству в принципе похожи на обычные клетки. У них тоже есть ядро, цитоплазма и внешняя мембрана. Поверх нее почти всегда есть еще тонкая оболочка из белков. Но куриное яйцо гораздо крупнее обычной яйцеклетки и сложнее устроено. Диаметр обычной клетки — одна сотая или одна пятидесятая миллиметра. Диаметр яйцеклетки человека — около одной двадцатой миллиметра. Яйцеклетка лягушки — икринка — без оболочки имеет диаметр около одного миллиметра. Яйцеклетка курицы — это желток яйца. Ядра в ней не видно, потому что оно маленькое и прозрачное. А всё остальное, белок и скорлупа, — это сложно устроенные оболочки (рис. 3). Ими курица одевает свою яйцеклетку, чтобы защитить будущего цыпленка от высыхания, болезнетворных бактерий и прочих невзгод.

Кажется, некоторые люди до сих пор думают, что желток — это ядро яйцеклетки, белок — цитоплазма, а скорлупа — оболочка. Я как-то раз, лет пятнадцать назад, был свидетелем того, как это объяснял на уроке учитель биологии. В данном случае учитель был неправ! (Даже отчасти понятно, откуда ветер дует: геологи и географы злоупотребляют сравнением яйца с Землей: желток — ядро, белок — мантия, а скорлупа — земная кора.)

Как в ядре любой клетки, в ядре яйцеклетки содержится наследственная информация. Она записана на особых очень длинных молекулах (они называются ДНК). Что такое наследственная информация, в первом приближении можно объяснить даже тому, кто ничего не знает о молекулах. Это информация про то, как сделать из яйца курицу или человека. Информация записана буквами в одну строчку. Длина этой записи у курицы — примерно два с половиной миллиарда букв. Разных букв у всех организмов всего четыре. И из них составляются слова только из трех букв. Из таких слов состоят фразы (они называются гены). Фразы довольно длинные. В них может быть и сто слов, и тысяча. Каждая фраза, если клетка её прочтет, превращается в белок — сложную молекулу-машинку.

Именно белки сокращают наши мышцы, переносят кислород от легких, укрепляют кости и хрящи, делают для нас всякие другие вещества. И от состава белков зависит цвет наших волос и глаз, форма носа и ушей, а во многом даже черты характера и интеллект. И вообще все наши признаки, в том числе и видовые различия между курицей, крокодилом и человеком.

На самом деле «строчка» в клетках курицы порезана на 78 отрезков. Эти отрезки называются хромосомы. Клетка умеет копировать информацию — изготавливать второй экземпляр каждой хромосомы. Потом каждый отрезок очень плотно наматывается на особые катушки из белков — чтобы их легче было делить. А после этого ядро и сама клетка могут поделиться пополам.

У курицы или человека тело состоит из сотен миллиардов клеток, и все они происходят от яйцеклетки. Причем куриные клетки очень похожи на человеческие. Глядя на курицу и человека, догадаться об этом непросто! И в ядре каждой клетки у курицы и человека есть информация о целом организме.

Кажется, что сто миллиардов клеток — это очень много. Но на самом деле яйцеклетка и ее потомки могут делиться быстро — допустим, раз в час. Тогда через десять часов клеток будет уже примерно 1000 (2×2×2×2×2×2×2×2×2×2 = 1024). Через двадцать часов — миллион. Через тридцать — миллиард. Еще 5–6 часов — и нужное число достигнуто! Так что клеткам особенно можно и не спешить. Ведь на самом деле цыпленок развивается за 21 день.

Правда, если взять одну клетку курицы с ядром и посадить в питательную среду, то целую курицу таким способом не получишь (хотя с растениями этот номер проходит). Обычно клетки животных помнят, «кем они работали» в целом организме (см. Как клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. п.? И из какого центра им подаются команды?) и сохраняют свои свойства при размножении вне организма. Чтобы получить из обычной клетки целое животное, нужно извлечь из нее ядро и поместить его внутрь яйцеклетки (а ядро яйцеклетки убрать или разрушить). Тогда можно получить целый организм.

С курами и крокодилами этого не делают — с их яйцеклетками трудно работать. А вот с лягушками, мышами и многими другими млекопитающими уже научились.

Значит, в цитоплазме яйцеклетки есть какие-то важные вещества, которые помогают так прочитать наследственную информацию, чтобы получить целый организм. Кроме того, две копии информации в яйцеклетках не совсем обычные. Одна копия в виде набора из 39 хромосом, то есть из 39 молекул ДНК, — от курицы. Вторую копию (тоже в виде набора из 39 хромосом) дает петух. Сперматозоид петуха сливается с яйцеклеткой, пока у нее еще нет скорлупы. Потом курица одевает яйцеклетку дополнительными оболочками, откладывает яйцо и начинает его насиживать. Ядро яйцеклетки удваивает все 78 хромосом, и по 78 хромосом попадает в каждую дочернюю клетку.

Яйцеклетки есть практически у всех животных и растений. А как обстоит дело у других организмов — одноклеточных? Одноклеточные организмы, такие как амёба, внешне очень сильно отличаются от людей и куриц. Но способ записи информации и деления клеток у них почти одинаковые. Информация о строении клетки амёбы содержится в единственном ядре. При размножении сначала делится ядро, а потом клетка, и получаются две новые амёбы. А яйцеклеток и сперматозоидов у амёбы нет.

Но у многих одноклеточных организмов тоже есть яйцеклетки. «Яйца» эти внешне не очень похожи на куриные. И ведут они себя по-другому. После слияния со сперматозоидом они быстро делятся несколько раз, а потом образовавшиеся клетки разбегаются по своим делам. Так ведут себя, например, яйца одноклеточной зеленой водоросли-хламидомонады (рис. 4).

Когда-то на Земле жили только одноклеточные организмы. Значит, от каких-то из них произошли многоклеточные животные. Ученые точно не знают, где и когда жили одноклеточные, которые стали нашими предками. Вероятно, жили они на мелководье морей, а предполагаемые сроки — примерно от миллиарда до 700 миллионов лет назад. Но что удивительно — некоторые гены в их яйцах уже были почти точно такие же, как у курицы. Это известно наверняка, потому что такие гены вообще почти одинаковые у всех организмов из клеток с ядром. (Подумайте сами, за что такие гены могут отвечать.) Таким образом, «прото-прото-куриные» яйца существовали за миллиард лет до куриц.

А потом у какого-то нашего далекого предка клетки со жгутиками, образующиеся при делении яйца, перестали разбегаться. Они оставались склеенными. Можно сказать, что это был первый «цыпленок» — будущее животное. Что предположительно происходило дальше — желающие родители могут почитать вот в этой научной статье. Постепенно в таких яйцах менялись гены — какие-то терялись, какие-то удваивались, некоторые новые появлялись (как это происходит, мы разберем в другой раз). Из таких яиц выходили существа, всё больше похожие на куриц. Из яиц (икринок) начали выходить рыбы. Потом, примерно 400 миллионов лет назад, некоторые рыбы научились дышать воздухом и ходить по дну на коротких лапах. А немножко позже некоторые из них начали выползать на сушу. Постепенно они превратились в земноводных, похожих на тритонов. Яйца (икринки) они еще очень долго откладывали в воде. Наконец появились пресмыкающиеся. Они «научились» одевать яйца скорлупой и откладывать их на суше (к ним относятся и крокодилы — кстати, наиболее близкие родственники птиц из числа современных рептилий).

У пресмыкающихся так устроены ноги, что им трудно долго бегать. А уметь быстро и долго бежать бывает, конечно, очень полезно. И нашлись такие пресмыкающиеся, которые «научились» это делать. Но для этого им пришлось встать на задние лапы. Так появились динозавры.

Тут уже до птиц было совсем недалеко. Все динозавры откладывали яйца, и некоторые их насиживали. Некоторые из динозавров, видимо, вообще были очень умными, могли опекать и воспитывать своих «цыплят». Они были почти такие же умные, как куры (а куры — вопреки распространенному о них мнению — очень умные и хитрые птицы). И наконец, у некоторых таких динозавров чуть-чуть поменялись гены, и чешуя на их теле постепенно превратилась в перья. А сами динозавры (точнее, некоторые из них) вовсе не вымерли — они превратились в птиц.

Таким образом, первое настоящее яйцо животных появилось, вероятно, больше 700 миллионов лет назад, а может, и больше миллиарда. Первые яйца динозавров, уже очень похожие на куриные, появились около 225 миллионов лет назад. А первые куры — более-менее близкие родственники современных кур — появились всего 90 миллионов лет назад. Вот насколько яйцо старше! А то, что первые яйца были не куриные, — так про это в вопросе и не спрашивается…

Ответил: Сергей Глаголев

Антропогенез. Урок биологии в профильном естественно-научном классе. 11-й класс

Учебное занятие рассчитано на сдвоенный урок (90 минут), в рамках которого повторяются и обобщаются знания, полученные по теме. А также повторяется учебный материал, изученный ранее в курсе “Биология–8. Человек”. Главная цель учебного занятия вывести учащихся через содержание учебного материала на цефализацию, как основное направление антропогенеза. Это понятие в дальнейшем будет опорным при изучении темы “Ноосфера”. Одновременно повторяются знания о строении ЦНС человека и функциях отделов головного мозга.

Цели урока.

Образовательные: систематизировать и обобщить знания учащихся об антропогенезе, биологических и социальных факторах эволюции человека, выявить качество их усвоения школьниками.

Раскрыть экологические условия, способствующие переходу предков человека к прямохождению; содействовать формированию знаний о далеких предках человека, их развитии в связи с изменяющимися условиями обитания.

Повторить и обобщить знания о строении основных отделов головного мозга: продолговатого мозга, моста, мозжечка, среднего мозга,  и выполняемых данными отделами мозга функциях.

Развивающие: продолжить формирование навыков самостоятельного анализа источников информации, умения анализировать, сравнивать, устанавливать причинно-следственные связи, обобщать, делать выводы.

Воспитательные: cформировать убеждённость в том, что в основе процесса происхождения и исторического развития человека лежат естественные природные закономерности.

Закрепить материалистическое понимание работы головного мозга; понимание необходимости освоения наук о человеке как уникальном живом организме на нашей планете.

Показать значимость возникновения социальной среды, ее роль на этапах эволюции человека.

Тип урока: комбинированный.

Учебное пособие: Биология. Общая биология. 10-11 классы. П.М. Бородин, Л.В. Высоцкая, Г. М. Дымшиц и др. – уч. для общеобр. учреждений, профильн. уровень. Просвещение, ОАО “Московские учебники”, 2009.

Список литературы.

1. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение (Дарвинизм): Учеб. для биол. спец. Вузов. — 4-е изд., стер.- М.: Высш. шк., 1998. -336 с.: ил.

2. Журналы “Биология в школе” № 3 за 1986 г.  № 6 за 1990 г.  № 3 за 2002 г.

3. Н.Грин, У.Стаут, Д.Тейлор. Биология 3 том, Москва, “Мир”, 1990 г.

4. Н.Н.Воронцов, А.Н.Сухорукова. Эволюция органического мира. Москва, “Просвещение”, 1991 г.

6. М.Ф.Ивахненко, В.А.Корабельников. Живое прошлое земли. Москва, “Просвещение”, 2004 г.

7. Ч. Дарвин. Происхождение человека и половой отбор.  

Материалы образовательного видеопортала «Interneturok.ru»

1 этап урока – организационный

Мотивационный этап. (Учитель обращается к классу):

Зачем мы изучаем данную тему?

Высказывания учащихся суммируются по направлениям:

Чтобы знать своё происхождение и не терять связи с живой природой.

Чтобы знать, как наука объясняет вопрос о происхождении человека, поскольку в обычной жизни мы порой сталкиваемся с научно необоснованными взглядами.

2 этап урока – работа с учебником: п.84. Происхождение человека. Обсуждение основных этапов эволюции приматов.

Просмотр фрагментов видеоурока “Эволюция человекообразных приматов”, “От обезьян к архантропам” и фрагментов видеопрезентации “Филогенетическое дерево рода Homo”

П. 85. Первые представители рода Homo. Обсуждение влияния социальных факторов на развитие представителей рода Homo. Олдовайская культура.

Просмотр фрагмента видеоурока “Появление палеоантропов” и фрагментов презентации “Биологические и социальные факторы антропогенеза”.

П. 86. Появление человека разумного. Работа со схемой эволюции гоминид, картой расселения человека.

Просмотр фрагмента видеоурока “Становление человека разумного”.

Аналитическая работа со схемой и ответы на вопросы:

1. Назовите основные этапы эволюции приматов.
2. Почему вымерли австралопитеки?
3. Почему человека умелого относят не к австралопитекам, а к роду человек?
4. Что позволяет считать, что человек прямоходящий мог владеть речью?
5. Чем принципиальное отличие человека неандертальского от его предшественников?
6. Почему кроманьонец более развит в социальном плане, чем неандерталец? В чем причина такого различия?
7. Если между человеком и приматами много общего, то почему нельзя человека отнести к обезьянам с научной точки зрения?
8. Назовите основные факторы антропогенеза.  
9. Какой континент можно считать прародиной человека и почему?
10. Какие научные данные генетики подтверждают этот вывод?

3 этап урока – Проверка знаний по теме “Антропогенез”. В форме тестового опроса.

1. В каком порядке появились на Земле люди?

А) неандерталец, человек умелый, человек прямоходящий, кроманьонец;

Б) человек умелый, человек прямоходящий, неандерталец, кроманьонец;

В) человек прямоходящий, человек умелый, кроманьонец, неандерталец.

2. Общими предками человека и человекообразных обезьян были:

А) лемуры;

Б) австралопитеки;

В) дриопитеки;

Г) гориллы.

3. Череп человека отличается от черепа обезьян:

А) массивными, вытянутыми вперед челюстными костями;

Б) преобладанием мозговой части черепа над лицевой;

В) преобладанием лицевой части черепа над мозговой;

Г) развитием гребня, к которому прикрепляются шейные мышцы.

4. Человек отличается от человекообразных обезьян:

А) наличием волосяного покрова;

Б) развитым большим пальцем, противопоставленным остальным;

В) наличием ногтей;

Г) формой ушей.

5. Освобождение руки в процессе эволюции человека способствовало:

А) прямохождению; Б) лазанию по деревьям; В) собиранию пищи; Г) копанию

6. Установите порядок последовательности, согласно которой появлялись люди на Земле.

а) неандерталец; б) питекантроп; в) австралопитек; г ) кроманьонец; д) дриопитек.

7. Результатом эволюции является:

а) дрейф генов; б) многообразие видов; в) мутационная изменчивость;

г) приспособленность организмов к условиям внешней среды;

д) повышение организации живых существ; е) борьба за существование.

8. Наличие хвоста у зародыша человека на ранней стадии развития свидетельствует о

а) возникших мутациях; б) о проявлении атавизма;

в) нарушении развития плода в организме; г) происхождении человека от животных.

9. Формирование человеческих рас шло в направлении приспособления к

а) использованию различной пищи; б) наземному образу жизни;

в) жизни в различных природных условиях;

г) невосприимчивости к различным заболеваниям.

10. В отличие от человекообразных обезьян у человека

а) имеется резус – фактор; б) появилась рассудочная деятельность;

в) имеется четырёхкамерное сердце; г) развито абстрактное мышление;

4 этап урока – Решение открытой задачи методом учебного мозгового штурма (проблемная работа с текстом): учащимся предлагается ознакомиться с содержанием стихотворного текста.

Первый мост

И вот он вырвался из чащи
По следу зверя. Но поток,
В глубокой трещине урчащий,
Ему дорогу пересек.

На берегу другом — добыча, —
Для всей семьи его — еда:
Нетронутые гнезда птичьи,
Косуль непуганых стада. ..

Себе представив на мгновенье
Закрытый для него простор,
Затылок он в недоуменье
Косматой лапою потер.

И брови на глаза нависли,
И молча сел на камень он,
Весь напряженьем первой мысли,
Как судорогою, сведен.

И вдруг — голодный, низколобый —
Он встал, упорен и высок.
Уже с осмысленною злобой
В ревущий заглянул поток.

И, подойдя к сосне, что криво
Росла у самого обрыва,
И корни оглядев — гнилье! —
Он стал раскачивать ее.

И долго та работа длилась,
И камни падали в обрыв,
И с хрустом дерево свалилось,
Два берега соединив.

И он тропою небывалой
На берег перешел другой,
И пот со лба отер усталой —
Уже не лапой, а рукой.

Вадим Шефнер. Годы и миги.
Москва: Современник, 1983.

Создание банка идей (гипотезы)	Критический анализ идей (обсуждение)
Записываются все объяснения, что автор и мы можем предполагать под понятием “мост”	Идеи обсуждаются и анализируются до тех пор, пока кто-либо из учащихся не выскажет идею Варолиева моста. В крайнем случае, учитель наводит учащихся на эту мысль.
Выводы: Обсуждается структура, роль и значение указанного отдела головного мозга. Ретикулярная формация, как связующее звено. Другие отделы головн. мозга.

В ходе критического анализа идей используется презентация “Мозг”, в которой рассматривается строение головного мозга, структура, роль и значение его отделов. Учащиеся повторяют материал, изученный в курсе биологии человека, и углубляют полученные ранее знания. В процессе обсуждения учитель подводит учащихся к выводу: Эволюция человека шла в направлении цефализации, в результате действия биологических, социальных факторов и отбора сформировалась уникальная структура головного мозга.

Домашнее задание: повторить материал § 84-86. Подготовить сообщение о роли ретикулярной формации и отделов головного мозга в формировании условных рефлексов, памяти, воображения, критического мышления.

Хронология: эволюция жизни

Майкл Маршалл

Галапагосские черепахи — продукт более 3 миллиардов лет эволюции.

Энди Роуз / Гетти

Существует множество способов восстановить историю жизни на Земле. Однако часто бывает сложно определить, когда произошло конкретное событие. Для этого биологи полагаются главным образом на датирование горных пород, в которых обнаружены окаменелости, и на «молекулярные часы» в ДНК живых организмов.

Есть проблемы с каждым из этих методов. Летопись окаменелостей похожа на фильм, в котором большая часть кадров вырезана. Поскольку он настолько неполный, может быть трудно точно установить, когда произошли определенные эволюционные изменения.

Реклама

Современная генетика позволяет ученым измерить, насколько разные виды отличаются друг от друга на молекулярном уровне, и, таким образом, оценить, сколько времени прошло с тех пор, как одна ветвь разделилась на разные виды. Для видов, которые очень отдаленно связаны друг с другом, возникают сопутствующие факторы, что делает более ранние даты более неопределенными.

Эти трудности означают, что даты на временной шкале следует рассматривать как приблизительные. Как правило, они становятся тем более неопределенными, чем дальше по геологической шкале времени мы смотрим. Неопределенные даты отмечены вопросительным знаком.

3,8 миллиарда лет назад?

Это наше текущее «лучшее предположение» о зарождении жизни на Земле.Вполне возможно, что эта дата изменится по мере появления новых свидетельств. Первая жизнь могла развиться в подводных щелочных источниках и, вероятно, была основана на РНК, а не на ДНК.

В какой-то момент в далеком прошлом общий предок дал начало двум основным группам жизни: бактериям и архее.

Как это произошло, когда и в каком порядке различные группы разделились, пока не ясно.

3,5 миллиарда лет назад

Этим временем датируются самые старые окаменелости одноклеточных организмов.

3,46 миллиарда лет назад

Некоторые одноклеточные организмы к этому времени могут питаться метаном.

3,4 миллиарда лет назад

Скальные образования в Западной Австралии, которые, по мнению некоторых исследователей, являются окаменелыми микробами, датируются этим периодом.

3 миллиарда лет назад

К этому времени уже есть

вирусов, но они могут быть такими же старыми, как сама жизнь.

2,4 миллиарда лет назад

«Великое событие окисления». Предположительно, ядовитые отходы фотосинтезирующих цианобактерий — кислород — начинают накапливаться в атмосфере.Растворенный кислород заставляет железо в океанах «ржаветь» и опускаться на морское дно, образуя поразительные пластинчатые железные образования.

Однако недавно некоторые исследователи оспорили эту идею. Они считают, что цианобактерии эволюционировали позже, а другие бактерии окисляли железо в отсутствие кислорода.

Другие считают, что цианобактерии начали откачивать кислород еще 2,1 миллиарда лет назад, но этот кислород начал накапливаться только из-за какого-то другого фактора, возможно, из-за сокращения количества продуцирующих метан бактерий. Метан вступает в реакцию с кислородом, удаляя его из атмосферы, поэтому меньшее количество бактерий, отрыгающих метан, позволит кислороду накапливаться.

Библиотека научных фотографий / Getty Images

2,3 миллиарда лет назад

Земля замерзает в том, что могло быть первым «снежным комом Земли», возможно, в результате отсутствия вулканической активности. Когда лед в конце концов тает, это косвенно приводит к выбросу большего количества кислорода в атмосферу.

2,15 миллиарда лет назад

Первое неоспоримое ископаемое свидетельство цианобактерий и фотосинтеза: способность поглощать солнечный свет и углекислый газ и получать энергию, выделяя кислород в качестве побочного продукта.

Есть некоторые свидетельства более ранней даты начала фотосинтеза, но это было поставлено под сомнение.

2 миллиарда лет назад?

Эукариотические клетки — клетки с внутренними «органами» (известными как органеллы). Одной из ключевых органелл является ядро: центр управления клеткой, в котором гены хранятся в форме ДНК.

Эукариотические клетки эволюционировали, когда одна простая клетка поглотила другую, и обе жили вместе, более или менее дружно — пример «эндосимбиоза».Поглощенные бактерии в конечном итоге становятся митохондриями, которые обеспечивают энергией эукариотические клетки. Последний общий предок всех эукариотических клеток имел митохондрии, а также развил половое размножение.

Позже эукариотические клетки поглотили фотосинтезирующие бактерии и сформировали с ними симбиотические отношения. Поглощенные бактерии превратились в хлоропласты: органеллы, которые придают зеленым растениям цвет и позволяют им извлекать энергию из солнечного света.

Различные линии эукариотических клеток приобретали хлоропласты таким образом по крайней мере в трех отдельных случаях, и одна из полученных клеточных линий продолжала развиваться во все зеленые водоросли и зеленые растения.

1,5 миллиарда лет назад?

Эукариоты делятся на три группы: предки современных растений, грибов и животных разделились на отдельные линии и развивались отдельно. Мы не знаем, в каком порядке эти три группы порвали друг с другом. В то время они, вероятно, все еще были одноклеточными организмами.

900 миллионов лет назад?

Примерно в это время возникает первая многоклеточная жизнь.

Неясно, как и почему это происходит, но одна из возможностей состоит в том, что одноклеточные организмы проходят стадию, аналогичную стадии современных хоанофлагеллят: одноклеточных существ, которые иногда образуют колонии, состоящие из многих особей.Из всех известных одноклеточных организмов хоанофлагелляты наиболее тесно связаны с многоклеточными животными, что подтверждает эту теорию.

800 миллионов лет назад

Ранние многоклеточные животные претерпевают первые расщепления. Сначала они делятся на губки и все остальное — последнее более формально известно как Eumetazoa .

Примерно 20 миллионов лет спустя небольшая группа под названием плакозоа отделяется от остальной части Eumetazoa .Плакозоа — это тонкие пластинчатые существа диаметром около 1 миллиметра, состоящие всего из трех слоев клеток. Было высказано предположение, что они могут быть последними общими предками всех животных.

770 миллионов лет назад

Планета снова замирает в очередном «снежном коме Земли».

730 миллионов лет назад

Гребневые студени (гребневики) отделились от других многоклеточных животных. Подобно книдариям, которые вскоре последуют за ними, они полагаются на воду, протекающую через полости их тела, чтобы получать кислород и пищу.

680 миллионов лет назад

Предок книдарийцев (медузы и их родственники) отделяется от других животных, хотя до сих пор нет никаких ископаемых свидетельств того, как он выглядит.

630 миллионов лет назад

Примерно в это же время у некоторых животных впервые появилась двусторонняя симметрия: то есть теперь у них есть определенные верх и низ, а также передняя и задняя части.

Мало что известно о том, как это произошло. Однако маленькие черви под названием Acoela могут быть ближайшими выжившими родственниками первого в истории двустороннего животного. Вполне вероятно, что первое двустороннее животное было чем-то вроде червя. Vernanimalcula guizhouena , датируемая примерно 600 миллионами лет назад, может быть самым ранним двусторонним животным, обнаруженным в летописи окаменелостей.

590 миллионов лет назад

Bilateria , животные с двусторонней симметрией, претерпевают глубокий эволюционный раскол. Они делятся на протостомы и второстомы.

Deuterostomes в конечном итоге включает в себя всех позвоночных, а также группу выбросов под названием Ambulacraria .Протостомы становятся всеми членистоногими (насекомыми, пауками, крабами, креветками и т. Д.), Различными типами червей и микроскопическими коловратками.

Ни один из них не может показаться очевидной «группой», но на самом деле их можно различить по тому, как развиваются их эмбрионы. Первое отверстие, которое образует эмбрион, бластопор, образует анус во вторичностомах, а у протостомов — рот.

Martin Shields / Alamy Stock Photo

580 миллионов лет назад

Самые ранние известные окаменелости книдарий, группа, в которую входят медузы, морские анемоны и кораллы, датируются примерно этим временем — хотя свидетельства окаменелостей оспариваются.

575 миллионов лет назад

Странные формы жизни, известные как эдиакарцы, появляются примерно в это время и существуют около 33 миллионов лет.

570 миллионов лет назад

Небольшая группа отделяется от основной группы deuterostomes, известной как Ambulacraria . Эта группа в конечном итоге становится иглокожими (морские звезды, хрупкие звезды и их родственники) и двумя червеобразными семействами, называемыми полухордовыми и Xenoturbellida .

Другая иглокожая, морская лилия, считается «недостающим звеном» между позвоночными (животные с позвоночником) и беспозвоночными (животные без позвоночника). Примерно в это же время произошел раскол.

565 миллионов лет назад

Следы окаменелых животных предполагают, что некоторые животные передвигаются самостоятельно.

540 миллионов лет назад

Когда первые хордовые животные — животные с позвоночником или, по крайней мере, его примитивная версия — появляются среди дейтеростомов, ответвляется удивительный кузен.

Морские брызгали (туникаты) начали свою историю как хордовые головастики, но на полпути превратились в донных фильтраторов, которые больше похожи на мешок с морской водой, прикрепленный к скале.Их личинки и сегодня выглядят как головастики, что свидетельствует об их близком родстве со спиной животными.

535 миллионов лет назад

Начинается кембрийский взрыв, и на сцене появляется множество новых форм тел — хотя кажущаяся скорость появления новых форм жизни может быть просто иллюзией, вызванной отсутствием более старых окаменелостей.

530 миллионов лет назад

Появляется первое настоящее позвоночное животное — животное с позвоночником. Вероятно, он произошел от рыбы без челюсти, у которой есть хорда, жесткий стержень хряща, а не настоящий позвоночник.Первое позвоночное животное, вероятно, очень похоже на миногу, миксину или ланцетника.

Примерно в то же время появляются первые чистые окаменелости трилобитов. Эти беспозвоночные, похожие на крупных мокриц и вырастающие до 70 сантиметров в длину, размножаются в океанах в течение следующих 200 миллионов лет.

520 миллионов лет назад

Появляются конодонты, еще один претендент на звание «самое раннее позвоночное животное». Наверное, они похожи на угрей.

500 миллионов лет назад

Ископаемые свидетельства показывают, что в это время животные исследовали землю.Первыми животными, которые сделали это, вероятно, были эутикарциноиды, которые, как считается, были недостающим звеном между насекомыми и ракообразными. Nectocaris pteryx , который считается самым старым из известных предков головоногих моллюсков — группы, в которую входят кальмары — живет примерно в это время.

489 миллионов лет назад

Начинается Великое событие ордовикской биоразнообразия, ведущее к значительному увеличению разнообразия. Внутри каждой из основных групп животных и растений появляется много новых разновидностей.

465 миллионов лет назад

Растения начинают заселять землю.

460 миллионов лет назад

Рыбы делятся на две основные группы: костистые и хрящевые рыбы. У хрящевой рыбы, как следует из названия, скелет сделан из хряща, а не из более твердой кости. В конечном итоге они включают всех акул, скатов и скатов.

440 миллионов лет назад

Костяные рыбы делятся на две основные группы: рыбы с лопастными плавниками с костями в мясистых плавниках и рыбы с лучевыми плавниками.Рыбы с лопастными плавниками в конечном итоге дают начало земноводным, рептилиям, птицам и млекопитающим. Рыба с лучевыми плавниками процветает и дает начало большинству видов рыб, живущих сегодня.

Общий предок рыб с лопастными и лучевыми плавниками, вероятно, имеет простые мешочки, которые функционируют как примитивные легкие, позволяя им глотать воздух, когда уровень кислорода в воде падает слишком низко. У рыб с лучевыми плавниками эти мешочки превращаются в плавательный пузырь, который используется для управления плавучестью.

425 миллионов лет назад

Целакант, одна из самых известных «живых окаменелостей» — виды, которые, по-видимому, не менялись в течение миллионов лет — отделяются от остальной части рыб с лопастными плавниками.

417 миллионов лет назад

Легендарная рыба, еще одно легендарное живое ископаемое, следует за латимерией, отделяясь от других рыб с лопастными плавниками. Хотя это однозначно рыба с жабрами, двоякодышащая рыба имеет пару относительно сложных легких, которые разделены на многочисленные более мелкие воздушные мешочки для увеличения площади их поверхности. Они позволяют им дышать из воды и, таким образом, выжить, когда пруды, в которых они живут, высыхают.

400 миллионов лет назад

Примерно в это время обитает старейшее из известных насекомых.У некоторых растений развиваются древесные стебли.

397 миллионов лет назад

Первые четвероногие животные, или четвероногие, произошли от промежуточных видов, таких как Tiktaalik , вероятно, в мелководных пресноводных местообитаниях.

Четвероногие продолжают завоевывать землю и дают начало всем земноводным, рептилиям, птицам и млекопитающим.

385 миллионов лет назад

Самое старое окаменелое дерево датируется этим периодом.

375 миллионов лет назад

Тиктаалик , промежуточное звено между рыбой и четвероногими наземными животными, живет примерно в это время.Мясистые плавники его предков — двоякодышащих рыб превращаются в конечности.

340 миллионов лет назад

Первое крупное разделение происходит у четвероногих, при этом земноводные отделяются от остальных.

310 миллионов лет назад

Внутри остальных четвероногих завропсиды и синапсиды отделяются друг от друга. К сауропсидам относятся все современные рептилии, а также динозавры и птицы. Первые синапсиды — тоже рептилии, но с характерными челюстями. Иногда их называют «рептилиями, похожими на млекопитающих», и в конечном итоге они эволюционируют в млекопитающих.

от 320 до 250 миллионов лет назад

Пеликозавры, первая большая группа синапсидных животных, доминируют на суше. Самый известный пример — Dimetrodon , большая хищная «рептилия» с парусом на спине. Несмотря на внешность, Dimetrodon не динозавр.

от 275 до 100 миллионов лет назад

Терапсиды, близкие родственники пеликозавров, развиваются вместе с ними и в конечном итоге заменяют их. Терапсиды дожили до раннего мелового периода, 100 миллионов лет назад.Задолго до этого группа цинодонтов развивает собачьи зубы и в конечном итоге превращается в первых млекопитающих.

250 миллионов лет назад

Пермский период заканчивается величайшим массовым вымиранием в истории Земли, уничтожающим множество видов, включая последнего из трилобитов.

По мере восстановления экосистемы она претерпевает фундаментальный сдвиг. Если до того, как доминировали синапсиды (сначала пеликозавры, затем терапсиды), то теперь преобладают сауропсиды — наиболее известный пример — в форме динозавров.Предки млекопитающих выживают как маленькие ночные существа.

Примерно в это время в океанах эволюционируют аммониты, родственники современных наутилусов и осьминогов. Несколько групп рептилий колонизируют моря, превратившись в великих морских рептилий эпохи динозавров.

210 миллионов лет назад

Птичьи следы и плохо сохранившаяся окаменелость под названием Protoavis позволяют предположить, что некоторые ранние динозавры уже эволюционировали в птиц в это время. Это утверждение остается спорным.

200 миллионов лет назад

По мере того, как триасовый период подходит к концу, происходит еще одно массовое вымирание, открывая путь динозаврам, чтобы занять место своих собратьев-сауропсид.

Примерно в то же время у прото-млекопитающих развивается теплокровность — способность поддерживать внутреннюю температуру независимо от внешних условий.

180 миллионов лет назад

Первый раскол происходит в популяции ранних млекопитающих. Monotremes, группа млекопитающих, которые откладывают яйца вместо того, чтобы рожать живых детенышей, отделяются от других.Сегодня выживают лишь немногие монотремы: к ним относятся утконос и ехидны.

168 миллионов лет назад

Наполовину пернатый, нелетающий динозавр под названием Epidexipteryx , который, возможно, является первым шагом на пути к птицам, живет в Китае.

150 миллионов лет назад

Археоптерикс , знаменитая «первая птица», обитает в Европе.

140 миллионов лет назад

Примерно в это же время плацентарные млекопитающие отделились от своих кузенов сумчатых.Эти млекопитающие, такие как современные кенгуру, рожают, когда их детеныши еще очень маленькие, но кормят их в сумке в течение первых нескольких недель или месяцев их жизни.

Большинство современных сумчатых обитает в Австралии, но добираются до нее крайне окольным путем. Возникнув в Юго-Восточной Азии, они распространились в Северную Америку (которая в то время была присоединена к Азии), затем в Южную Америку и Антарктиду, прежде чем совершить последнее путешествие в Австралию около 50 миллионов лет назад.

131 миллион лет назад

Eoconfuciusornis , птица, более развитая, чем Archeopteryx , обитает в Китае.

130 миллионов лет назад

Первые цветковые растения появляются после периода быстрой эволюции.

105-85 миллионов лет назад

Плацентарные млекопитающие разделились на четыре основные группы: лауразиатеры (чрезвычайно разнообразная группа, включающая всех копытных млекопитающих, китов, летучих мышей и собак), euarchontoglires (приматы, грызуны и другие), Xenarthra (включая муравьедов и броненосцев) и афротерии (слоны, трубкозубы и др.).Каким образом эти расколы произошли, в настоящее время неясно.

100 миллионов лет назад

Динозавры мелового периода достигли своего пика в размерах. Примерно в это время обитает гигантский зауропод Argentinosaurus , который считается самым большим наземным животным в истории Земли.

93 миллиона лет назад

Океаны испытывают нехватку кислорода, возможно, из-за огромного подводного извержения вулкана. Вымирает 27 процентов морских беспозвоночных.

75 миллионов лет назад

Предки современных приматов отделились от предков современных грызунов и зайцеобразных (кроликов, зайцев и пищух). Грызуны продолжают добиваться поразительных успехов, и в конечном итоге они составляют около 40 процентов современных видов млекопитающих.

70 миллионов лет назад

Травы эволюционируют, но прежде, чем появятся обширные открытые луга, пройдут несколько миллионов лет.

65 миллионов лет назад

Мелово-третичное (K / T) вымирание уничтожает множество видов, включая всех гигантских рептилий: динозавров, птерозавров, ихтиозавров и плезиозавров. Выносятся также аммониты.Вымирание открывает дорогу млекопитающим, которые продолжают доминировать на планете.

63 миллиона лет назад

Приматы делятся на две группы, известные как haplorrhines (приматы с сухим носом) и strepsirrhines (приматы с мокрым носом). Strepsirrhines в конечном итоге превратились в современных лемуров и ай-ай, в то время как haplorrhines превратились в обезьян и обезьян — и людей.

58 миллионов лет назад

Долгопят, примат с огромными глазами, которые помогают ему видеть ночью, отделяется от остальных haplorrhines: первый, кто это сделал.

55 миллионов лет назад

Палеоценовое / эоценовое вымирание. Внезапный рост парниковых газов вызывает резкий скачок температуры и трансформирует планету, уничтожая многие виды в морских глубинах, но сохраняя виды в мелководных морях и на суше.

50 миллионов лет назад

Парнокопытные, похожие на помесь волка и тапира, начинают превращаться в китов.

48 миллионов лет назад

Индохиус , еще один возможный предок китов и дельфинов, живет в Индии.

47 миллионов лет назад

Знаменитый окаменелый примат, известный как «Ида», обитает в Северной Европе. Ранние киты, называемые протоцетидами, живут в мелководных морях, возвращаясь на сушу, чтобы родить.

40 миллионов лет назад

обезьяны Нового Света становятся первыми обезьянами (высшими приматами), которые отделились от остальной группы, колонизировав Южную Америку.

25 миллионов лет назад

обезьяны отделились от обезьян Старого Света.

18 миллионов лет назад

Гиббонс становится первой обезьяной, отделившейся от остальных.

14 миллионов лет назад

Орангутаны ответвляются от других человекообразных обезьян, распространяясь по южной Азии, в то время как их кузены остаются в Африке.

7 миллионов лет назад

Гориллы ответвляются от других человекообразных обезьян.

6 миллионов лет назад

Люди расходятся со своими ближайшими родственниками; шимпанзе и бонобо.

Вскоре после этого гоминины начинают ходить на двух ногах. Посмотрите нашу интерактивную хронологию эволюции человека, чтобы получить полную информацию о том, как развивались современные люди.

2 миллиона лет назад

700-килограммовый грызун под названием Josephoartigasia monesi обитает в Южной Америке. Это самый крупный из когда-либо живших грызунов, вытеснив предыдущего рекордсмена: гигантскую морскую свинку.

Еще по этим темам:

В Южной Америке обнаружен грызун весом в одну тонну

Кэтрин Брахик

Недавно обнаруженный череп значительно больше современной крысы

(Изображение: Blanco)

Художник, изображающий Дж. Хед-шоу monesi показывает, насколько он мог быть похож на пакарану

(Изображение: Густаво Лекуона / Бланко)

Реклама

Грызун весом в 1 тонну был обнаружен учеными в Уругвае. Но не о чем беспокоиться, Josephoartigasia monesi имеет возраст около 2 миллионов лет и окаменелость.

Череп J. monesi , колоссальные 53 сантиметра в длину, был обнаружен в разбитом валуне на побережье Уругвая Андресом Риндеркнехтом из Национального музея естественной истории и антропологии и Эрнесто Бланко из Института физики, оба в Монтевидео.

Сравнив размеры черепа с размерами тела существующих грызунов, исследователи определили, что его владелец, вероятно, весил около 1000 килограммов, что делает его крупнейшим из известных грызунов в мире.

Однако, в отличие от современных грызунов, относительно небольшой размер зубов животного предполагает, что оно не обладало большой жевательной способностью и могло питаться мягкими овощами и фруктами.

Взрыв грызуна

Открытие вытесняет Phoberomys pattersoni , 700-килограммового родственника морской свинки, которая бродила по дельте Ориноко в Северной Венесуэле около 8 миллионов лет назад. Когда в 2003 году был описан почти неповрежденный скелет P. patersoni , его размер сравнивали с размером коровы, и его провозгласили самым большим грызуном в мире.

«Нет никаких сомнений в том, что это было огромное и исключительное животное из-за своего размера», — говорит Марсело Санчес из Цюрихского университета, Швейцария, который обнаружил скелет P. patersoni .

Санчес говорит, что, хотя последнее открытие «невероятно», появление еще одного, более крупного грызуна — лишь вопрос времени.

Это связано с тем, что в Южной Америке произошел огромный взрыв разнообразия грызунов после того, как континент отделился от Северной Америки и стал островом около 65 миллионов лет назад.Динозавры только что были истреблены, и многие группы животных заполняли пустоту, которую они оставили.

Без конкуренции со стороны других млекопитающих, которые диверсифицировались по другую сторону воды в Северной Америке, в Южной Америке появились грызуны всех размеров.

Сегодня остался только один гигантский вид взрыва грызунов и толстой кишки; морская свинка весом 50 кг, известная как капибара, которая обитает на большей части территории Южной Америки и является крупнейшим из ныне живущих грызунов.

Конкуренция и климат

Примерно в то время, когда недавно обнаруженный J.monesi был жив, две Америки снова соединились.

Санчес предполагает, что соединительный сухопутный мост, возможно, помог вызвать гибель гигантских грызунов. Животные, в том числе саблезубый кот, пересекали мост в обоих направлениях, неся болезни и соревнование за пищу и территорию.

Вполне вероятно, что изменения климата также сделают жилище грызунов менее гостеприимным. J. monesi был найден на территории, которая сейчас является засушливой, но тогда была пышной и засаженной деревьями.

«Наша работа предполагает, что 4 миллиона лет назад в Южной Америке« мыши », которые были крупнее быков, жили с ужасными птицами, саблезубыми кошками, наземными ленивцами и гигантскими бронированными млекопитающими», — говорят уругвайские исследователи.

И J. monesi , и P. patersoni тесно связаны с пакараной, редким метровым грызуном с белой полосатой шерстью, который до сих пор обитает в тропических лесах западного бассейна реки Амазонки.

Ссылка на журнал & двоеточие; Труды Королевского общества B (DOI & col; 10.1098 / рспб.2007.1645)

Evolution — Узнайте больше о борьбе за выживание в нашем подробном специальном отчете .

«Редкий» жук доминирует над океанами

Джефф Хехт

ГРУППА необычных микроорганизмов, наиболее известных своей способностью существовать в
экстремальных условиях, гораздо более распространена, чем когда-то думали биологи.
Архебактерии, далекие от эволюционной диковинки;
могут играть важную роль в морской и глобальной экологии.

Эдвард Делонг из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружил
организмов в холодных водах вдоль побережья Антарктики, где они обеспечивают
до 30 процентов одноклеточной морской биомассы. Он также нашел их
в значительном количестве на холодных глубинах ниже 100 метров в океанах с умеренным климатом
(Nature, vol 371, p 695).

Архебактерии, в настоящее время обычно относящиеся к таксону архей, не имеют ядра
, что помещает их в ряды прокариот. Биологи первоначально предположили, что
они были тесно связаны с другими прокариотами — типичными бактериями и
сине-зелеными водорослями. Первые обнаруженные учеными архебактерии имели
необычных метаболизма. Некоторые генерировали метан, в то время как другие жили в глубоководных жерлах
или в горячих или соленых водах.

Ранние предположения утверждали, что архебактерии были чрезвычайно примитивными типами
, которые выжили с первых дней жизни на Земле. Эта точка зрения изменилась
, когда более поздние исследования показали, что архебактерии
генетически очень далеки от других прокариот и ближе к более сложным ядросодержащим клеткам, названным
эукариотами, которые включают в себя все высшие растения и животных. Однако биологи по-прежнему (
) считали архебактерии редкостью.

Реклама

В своем новом исследовании ДеЛонг искал последовательности рибосомной РНК, которые были
характерны для архебактерий и других одноклеточных организмов.Он избегал
, используя стандартные методы амплификации ДНК, потому что они могут не
амплифицировать все последовательности единообразно.

Он обнаружил, что самые высокие концентрации архебактерий были в районе
Антарктики — от 18,5 до 30,5%. Но его группа также обнаружила, что они
достигли более 10 процентов в море у Санта-Барбары, на глубине от 100 до 90 473 500 метров. Ученые также обнаружили архебактерии в Арктике,
Средиземном море и Балтийском море.

Обилие архебактерий — только один сюрприз. Новые открытия
включают две различные глубоководные линии, одна из которых связана с типами, которые растут в горячей воде
, а другая — с генераторами метана. Хотя еще никто не выращивал новые сорта
, ДеЛонг говорит, что они, должно быть, выращивали в холодных, насыщенных кислородом условиях, в отличие от домов их родственников.

Как у латимерии появились плавники

Джефф Хехт

Окаменелость Фридмана содержит асимметричный плавник древней латимерии

(Изображение: Мэтт Фридман)

Реклама

Мэтт Фридман, аспирант Чикагского университета в США, наткнулся на уникальную окаменелость, которая показывает, как у латимерии развились плавники, которые ранее считались близкими родственниками рук и ног наземных животных.

Это открытие проливает свет на вопрос, который долгое время озадачивал ученых & col; как у этой рыбы, которая, как считается, была так тесно связана с наземными животными, появились плавники, симметричные, когда наши руки и ноги асимметричны?

Когда латимерия была открыта в 1938 году, она считалась живым ископаемым. До этого считалось, что он исчез более 65 миллионов лет назад. Особого внимания заслуживают две пары брюшных плавников, поскольку было обнаружено, что они произошли от тех же структур, что и конечности наземных животных.

Замечательные плавники также представляют собой головоломку & двоеточие; в отличие от рук и ног наземных животных, они были симметричными. Недавние открытия окаменелостей показали, что руки и ноги произошли от вымершей рыбы-предка с асимметричными плавниками, но вопрос о том, как целакант получил свои симметричные плавники, остается.

Ласты потеряли свою изначальную асимметрию? Или они изначально были асимметричными? Хотя было найдено много окаменелостей латимерии, ни одна из них не сохранила важные детали скелетов плавников, вероятно, потому, что они в основном были сделаны из хряща, который почти никогда не сохранился.

Удачная находка

Все изменилось два лета назад. Фридман охотился в развалинах у подножия утеса Вайоминга, когда наткнулся на интересный кусок камня. То, что он изначально думал, было окаменелостью растения, оказалось единственной известной окаменелостью плавника предка латимерии.

«Это была действительно невероятно удачная находка, — говорит Фридман. В 10-сантиметровой окаменелости, которая упала не менее чем на 70 метров с обрыва, не раскололась, есть кости плеча и плавника рыбы.Они хорошо окаменели, потому что были менее хрящевыми, чем плавники латимерии. Кости плавников сцеплены таким образом, что характерны для латимерии, и позволили Фридману и его коллегам идентифицировать окаменелость как одного из их предков.

Окаменелость показала, что у предка, которого исследователи назвали Shoshonia arctopteryx , были асимметричные плавники. Это указывает на то, что у живых латимерий появилась симметрия.

То, что Shoshonia и живые латимерии отличаются, возможно, не совсем удивительно — в конце концов, целаканты эволюционировали в течение 400 миллионов лет. Но это служит уроком для тех, кто изучает развитие конечностей.

«Асимметрия наших парных конечностей на самом деле является примитивной особенностью», — говорит Майкл Коутс из Чикагского университета, США. Хотя латимерия не сохранила эту особенность, другие, более примитивные, живые рыбы ее сохранили.

Итак, несмотря на то, что латимерия является более близким родственником наземных животных, «вам лучше посоветовать посмотреть на веслоноса, осетровых или акул», чтобы изучить развитие конечностей, — говорит Коутс.

Ссылка на журнал & двоеточие; Эволюция и развитие (том 9, стр. 329)

Evolution — Узнайте больше о борьбе за выживание в нашем подробном специальном отчете .

История жизни на Земле

В начале

Сегодня мы считаем само собой разумеющимся, что живем среди различных сообществ животных, которые питаются друг другом. Наши экосистемы построены на основе кормовых отношений, например, касатки, поедающие тюленей, кальмаров и криль. Этим и другим животным требуется кислород для извлечения энергии из пищи. Но раньше жизнь на Земле была совсем другой.

В окружающей среде, лишенной кислорода и с высоким содержанием метана, на протяжении большей части своей истории Земля не была бы гостеприимным местом для животных.Самые ранние формы жизни, о которых мы знаем, были микроскопическими организмами (микробами), которые оставляли сигналы о своем присутствии в породах возрастом около 3,7 миллиарда лет. Сигналы представляли собой молекулы углерода, производимые живыми существами.

Доказательства наличия микробов сохранились также в созданных ими твердых структурах («строматолитах»), которые датируются 3,5 миллиардами лет назад. Строматолиты представляют собой липкие маты из ловушек микробов, которые связывают отложения слоями. Минералы осаждаются внутри слоев, создавая прочные структуры, даже когда микробы отмирают.Ученые изучают сегодняшние редкие живые строматолитовые рифы, чтобы лучше понять самые ранние формы жизни на Земле.

Кислородная атмосфера

Когда цианобактерии эволюционировали по крайней мере 2,4 миллиарда лет назад, они подготовили почву для замечательной трансформации. Они стали первыми на Земле фото-синтезаторами, которые производили пищу с использованием воды и энергии Солнца и в результате выделяли кислород. Это стало катализатором внезапного резкого повышения уровня кислорода, что сделало окружающую среду менее благоприятной для других микробов, которые не могли переносить кислород.

Свидетельством этого Великого окислительного события являются изменения в породах морского дна. Когда кислород находится рядом, железо химически реагирует с ним (окисляется) и удаляется из системы. Скалы, относящиеся к периоду до события, покрыты полосами железа. Скалы, датируемые после этого события, не имеют металлических полос, что указывает на присутствие кислорода.

После первоначального импульса кислорода он стабилизировался на более низких уровнях, где он будет оставаться еще пару миллиардов лет. Фактически, когда цианобактерии умирали и перемещались по воде, разложение их тел, вероятно, привело к снижению уровня кислорода. Таким образом, океан по-прежнему не был подходящей средой для большинства форм жизни, нуждающихся в достаточном количестве кислорода.

Многоклеточная жизнь

Однако происходили и другие нововведения. Хотя они могут обрабатывать множество химикатов, у микробов не было специализированных клеток, которые необходимы для сложных тел. В теле животных есть различные клетки — кожа, кровь, кости, — которые содержат органеллы, каждая из которых выполняет свою работу.Микробы — это просто отдельные клетки без органелл и ядер для упаковки их ДНК.

Произошло нечто революционное, когда микробы начали жить внутри других микробов, функционируя для них как органеллы. Митохондрии, органеллы, перерабатывающие пищу в энергию, возникли в результате этих взаимовыгодных отношений. Кроме того, впервые ДНК была упакована в ядра. Новые сложные клетки («эукариотические клетки») могут похвастаться специализированными частями, играющими особые роли, которые поддерживают всю клетку.

Клетки тоже начали жить вместе, вероятно, потому, что можно было получить определенные преимущества. Группы клеток могут питаться более эффективно или получить защиту от простого увеличения. Живя коллективно, ячейки начали поддерживать потребности группы, выполняя определенную работу каждой ячейки. Некоторым клеткам было поручено создавать соединения, чтобы удерживать группу вместе, в то время как другие клетки вырабатывали пищеварительные ферменты, которые могли расщеплять пищу.

Первые животные

Эти кластеры специализированных взаимодействующих клеток в конечном итоге стали первыми животными, которые, согласно данным ДНК, эволюционировали около 800 миллионов лет назад.Губки были одними из самых ранних животных. Хотя химические соединения губок сохраняются в породах возрастом 700 миллионов лет, молекулярные данные указывают на то, что губки развивались еще раньше.

Уровень кислорода в океане был все еще низким по сравнению с сегодняшним днем, но губки способны переносить условия с низким содержанием кислорода. Хотя, как и другим животным, им для метаболизма требуется кислород, им не нужно много, потому что они не очень активны. Они питаются, сидя на месте, извлекая частицы пищи из воды, которая прокачивается через их тела специализированными клетками.

Простое строение губки состоит из слоев клеток вокруг заполненных водой полостей, поддерживаемых твердыми частями скелета. Развитие все более сложных и разнообразных строений тела в конечном итоге привело к появлению отдельных групп животных.

Инструкции по сборке строения тела животного заложены в его генах. Некоторые гены действуют как дирижеры оркестра, контролируя экспрессию многих других генов в определенных местах и ​​в определенное время, чтобы правильно собрать компоненты. Хотя они не были разыграны сразу, есть свидетельства того, что части инструкций для сложных тел присутствовали даже у самых ранних животных.

Благодаря своим твердым скелетам губки стали первыми строителями рифов на Земле. Такие ученые, как доктор Клаус Рютцлер из Смитсоновского института, работают над пониманием эволюции тысяч видов губок, живущих сегодня на Земле.

Эдиакарская биота

Примерно 580 миллионов лет назад (эдиакарский период), помимо губок, произошло распространение других организмов. Эти разнообразные существа морского дна — с телами в форме листьев, лент и даже одеял — жили вместе с губками в течение 80 миллионов лет.Их окаменелости можно найти в осадочных породах по всему миру.

Однако строение тела большинства эдиакарских животных не было похоже на современные группы. Доктор Дуглас Эрвин из Смитсоновского института, используя сравнительные данные о развитии, исследовал, были ли какие-либо из окаменелых эдиакарских животных родственниками современных животных.

К концу эдиакарского периода уровень кислорода повысился, приблизившись к уровням, достаточным для поддержания жизни, основанной на кислороде. Первые губки, возможно, действительно помогли увеличить количество кислорода, поедая бактерии, удаляя их из процесса разложения.Следы организма под названием Dickinsonia costata предполагают, что он мог перемещаться по морскому дну, предположительно питаясь матами микробов.

Конец эдиакарского вымирания

Однако около 541 миллиона лет назад большинство эдиакарских существ исчезло, что свидетельствует о серьезном изменении окружающей среды, над пониманием которого Дуглас Эрвин и другие ученые все еще работают. Возможно, определенную роль сыграли эволюция строения тела животных, взаимоотношений с кормлением и экологической инженерии.

Норы, найденные в летописи окаменелостей, датируемые концом эдиакарского периода, показывают, что червеобразные животные начали раскапывать дно океана. Эти первые инженеры-экологи беспокоили и, возможно, аэрировали отложения, нарушая условия жизни других эдиакарских животных. По мере того, как условия окружающей среды ухудшались для одних животных, они улучшались для других, потенциально способствуя смене видов.

Кембрийский взрыв

Кембрийский период (541–485 миллионов лет назад) стал свидетелем бурного взрыва новых форм жизни.Наряду с новым стилем жизни в норках появились твердые части тела, такие как раковины и шипы. Твердые части тела позволили животным более радикально изменять среду обитания, например рыть норы. Также произошел сдвиг в сторону более активных животных с определенными головами и хвостами для направленного движения, чтобы преследовать добычу. Активное питание хорошо вооруженных животных, таких как трилобиты, могло еще больше разрушить морское дно, на котором жили мягкие эдиакарские существа.

(Посмотрите видео «Кембрийский взрыв жизни с палеонтологом Кармой Нанглу».»)

Уникальные стили кормления разделили окружающую среду, освободив место для большего разнообразия жизни. В 1909 году четвертый секретарь Смитсоновского института Чарльз Дулиттл Уолкотт обнаружил окаменелости сланцевых отложений Берджесса, которые выявили беспрецедентное биоразнообразие кембрийской жизни. В то время как Waptia рыскали по дну океана, приапулидные черви зарывались в отложения, Wiwaxia прикреплялись к губкам, а Anomalocaris курсировали выше.

Многие из этих странно выглядящих организмов были эволюционными экспериментами, например, пятиглазая опабиния . Однако некоторые группы, такие как трилобиты, процветали и доминировали на Земле в течение сотен миллионов лет, но в конце концов вымерли. Строматолитовые рифообразующие бактерии также уменьшились, а рифы, созданные организмами, называемыми брахиоподами, возникли по мере того, как условия на Земле продолжали меняться. Сегодняшние доминирующие строители рифов, твердые кораллы, появились лишь через пару сотен миллионов лет спустя

.

Однако, несмотря на все изменения, которые должны были произойти, к концу кембрия почти все существующие типы или типы животных (моллюски, членистоногие, кольчатые червяки и т. Д.)) были созданы, и появились пищевые сети, формирующие основу экосистем на Земле сегодня.

История форм жизни на Земле

Рисунок 12.15 : Чарльз Дулитл Уолкотт.

Летом 1909 года американский ученый Чарльз Дулитл Уолкотт (рис. 12.15) находился в Скалистых горах Британской Колумбии, Канада. Он был палеонтологом, ученым, изучающим прошлую жизнь на Земле. Он искал окаменелости. Верхом на лошади он спускался по горной тропе, когда заметил что-то на земле.Он остановился, чтобы поднять его. Это было ископаемое! Он начал копать вокруг и нашел еще больше окаменелостей. Окаменелости, которые нашел Уолкотт, принадлежали к одним из самых странных организмов, которые когда-либо видели. У одного из организмов, сохранившихся в окаменелостях, было мягкое тело, как у червя, пять глаз и длинный нос, как шланг пылесоса (рис. 12.16). Большинство окаменелостей были останками животных, которые не живут сегодня. Сейчас они вымерли, а это означает, что ничто из их вида не осталось в живых и они ушли навсегда.

Рисунок 12.16 : Это причудливое животное с пятью глазами жило во время кембрия. Его окаменелости были обнаружены Чарльзом Уолкоттом.

Организмы в окаменелостях Уолкотта жили в период геологической истории, известный как кембрий. Кембрийский период начался около 540 миллионов лет назад. Он положил начало фанерозойскому эону. Это также ознаменовало начало появления на Земле множества новых и сложных форм жизни. Фактически, термин фанерозой означает «время хорошо проявленной жизни».Мы все еще живем в фанерозойском эоне. Однако жизнь на Земле сегодня сильно отличается от жизни 540 миллионов лет назад. В этом уроке рассказывается об истории жизни на Земле. Он покажет вам, как живые существа развивались и менялись за последние 540 миллионов лет фанерозойского эона. Вы узнаете, как виды приспосабливаются и развиваются с течением времени.

Задачи урока

• Опишите, как развиваются адаптации.
• Объясните, как летопись окаменелостей показывает нам, что виды со временем эволюционируют.
• Опишите общее развитие форм жизни на Земле за последние 540 миллионов лет.

Оценка предшествующих знаний

Убедитесь, что вы можете ответить на следующие вопросы, прежде чем начать этот урок.

• Что такое окаменелость?
• Как делится геологическое время?
• Как живые организмы зависят от окружающей среды?

Разнообразие Земли

Рисунок 12. 17 : На Земле существует удивительное разнообразие организмов.

Известно, что в настоящее время на Земле обитает более 1 миллиона видов растений и животных (рис. 12.17). Ученые считают, что есть еще миллионы, которые еще не открыты. Посмотрите вокруг и вы заметите, что организмы на этой планете имеют невероятную вариацию . Одна из самых замечательных особенностей организмов Земли — это их способность выживать в конкретных условиях окружающей среды. Например, у белых медведей толстые шубы, которые помогают им согреться в ледяной воде, в которой они охотятся (Рисунок 12.18). У оленей губчатые копыта, которые помогают им ходить по заснеженной земле, не поскользнувшись и не упав. У растений, которые живут в засушливой пустыне, есть особые стебли и листья, которые помогают им экономить воду.

Рисунок 12.18 : Многие животные, такие как белый медведь, обладают особыми особенностями тела, которые помогают им жить в определенных условиях.

Другие организмы обладают особенностями, которые помогают им охотиться за пищей или избегать того, чтобы быть пищей для другого организма. Например, когда зебры в стаде убегают от львов, темные полосы зебры сбивают с толку львов и мешают им сосредоточиться только на одной зебре во время погони.У колибри длинные тонкие клювы, которые помогают им пить нектар из цветов. В некоторых растениях содержатся ядовитые или неприятные на вкус вещества, которые не позволяют животным их съесть.

Адаптации и эволюция

Характеристики организма, которые помогают ему выжить в данной среде, называются адаптациями . Адаптация развивается, когда определенные вариации в популяции помогают одним членам выжить лучше, чем другим (рис. 12.19). Часто изменение происходит из-за мутации или случайного изменения генов организма.Те, кто выживают, передают благоприятные черты своему потомству .

Рисунок 12.19 : Объяснение того, как развиваются адаптации.

Чтобы лучше понять адаптацию, представьте себе популяцию дубов. Представьте себе, что большинство деревьев легко уничтожается определенным грибком, но время от времени есть одно дерево, обладающее естественной способностью выживать после грибка. Это одно дерево демонстрирует разновидность, которая дает ему больше шансов выжить в окружающей среде.У него также больше шансов выжить, чтобы дать семена и потомство. Он будет воспроизводить и продолжать свой вид, в то время как другие деревья погибнут. Дерево с естественной способностью противостоять грибку передаст эту черту своему потомству. Остальные деревья не будут жить и иметь потомство. В конце концов, популяция изменится, и большинство отдельных деревьев смогут выжить после грибка. Это адаптация. Адаптации — это наследственные черты, которые организм получает от родителей.Со временем черты, которые помогают организму выжить, становятся более распространенными. Со временем исчезают черты, мешающие выживанию.

Изменения и адаптации у вида накапливаются с течением времени. В конце концов, потомки сильно отличаются от своих предков и могут стать совершенно новым видом. Изменения вида с течением времени называются эволюцией. Мы узнаем об эволюции из летописи окаменелостей. Это показывает нам, что многие формы жизни, которые живут сегодня, развились из более ранних, различных форм жизни. Например, окаменелости лошадей показывают нам, что около 60 миллионов лет назад лошади были намного меньше, чем сегодня (Рисунок 12.20). Окаменелости также показывают нам, что зубы и копыта лошадей менялись несколько раз, поскольку лошади адаптировались к изменениям в окружающей среде.

Рис. 12.20 : Лошадь эволюционировала за последние 60 миллионов лет. Сегодняшние лошади намного крупнее прежних.

Изучение летописи окаменелостей

Подобно организмам, которые были представлены в окаменелостях Уолкотта, многие организмы, которые когда-то жили на Земле, теперь вымерли. Общие условия окружающей среды Земли менялись много раз со времен кембрия, и многие организмы не обладали способностями выживать в этих изменениях.Те, кто пережили изменения, передали черты своим потомкам. Они дали начало видам, которые живут сегодня.

Мы изучаем окаменелости, чтобы узнать, как виды реагировали на изменения за долгую историю Земли. Окаменелости показывают нам, что простые организмы доминировали над жизнью на Земле в течение первых 3 миллиардов лет. Затем, между 1 и 2 миллиардами лет назад, на Земле появились первые многоклеточные организмы. Формы жизни постепенно эволюционировали и усложнялись. В кембрийский период животные стали более разнообразными и сложными.Мы иногда называем эту часть фанерозойского эона кембрийским взрывом, имея в виду время, когда Земля «взорвалась» невероятным количеством новых сложных форм жизни.

фанерозойский эон

Фанерозойский эон разделен на три отрезка времени, называемых эрами — палеозой, мезозой и кайнозой (таблица (12.1). Они охватывают период примерно от 540 миллионов лет назад до настоящего времени. Мы живем сейчас в кайнозойской эре. В таблице ниже показано, как жизнь изменилась на протяжении длительного периода фанерозойского эона.Обратите внимание, что разные типы организмов развивались в разное время. Однако все организмы произошли от общего предка. Постепенно жизнь стала более разнообразной, и от этого общего предка произошли новые виды. Большинство современных организмов произошли от видов, которые сейчас вымерли. Чтобы получить представление о том, как организм может превратиться от одного общего предка к множеству разных типов, подумайте обо всех разных типах собак. Все собаки произошли от общего предка-волка. Сегодня существуют сотни разновидностей собак, которые выглядят по-разному.

Таблица 12.1: Развитие жизни в фанерозойском эоне

Эра	Миллионы лет назад	Основные формы жизни
Кайнозой	0,2 (200000 лет назад)	Первые люди
	35	Первые травы; луга начинают доминировать над землей
Мезозой	130	Первые цветы
	150	Первые птицы на Земле
	200	Первые млекопитающие на Земле
	251	Начало эпохи динозавров
Палеозой	300	Первые рептилии на Земле
	360	Первые земноводные на Земле
	400	Первые насекомые на Земле
	475	Первые растения и грибы начинают расти на суше
	500	Первая рыба на Земле

Эпохи фанерозойского эона разделены событиями, называемыми массовыми вымираниями. Массовое вымирание происходит, когда большое количество организмов вымирает за короткий промежуток времени. Между палеозоем и мезозоем почти 95% всех видов на Земле вымерли. Причина или причины этого исчезновения все еще обсуждаются.

Между мезозоем и кайнозоем вымерло около 50% всех видов животных на Земле. Это массовое вымирание 65 миллионов лет назад привело к исчезновению динозавров. Хотя есть и другие гипотезы, большинство ученых считают, что это массовое вымирание произошло, когда гигантский метеорит ударил Землю с энергией самого мощного ядерного оружия.В результате удара поднялось огромное облако пыли. Когда частицы осыпались дождем на поверхность, они нагревали атмосферу до тех пор, пока она не становилась такой же горячей, как кухонная духовка, запекая животных. Пыль, оставшаяся в атмосфере, блокировала солнечный свет на год или более, вызывая глубокое замораживание и прекращение фотосинтеза. Сера от удара смешалась с водой в атмосфере, образуя кислотный дождь, который растворил раковины крошечного морского планктона, составляющего основу пищевой цепи. Поскольку наземные растения и планктон производили мало пищи, животные голодали.Углекислый газ также был выпущен в результате удара и в конечном итоге вызвал глобальное потепление. Формы жизни не могли пережить резкие перепады температур.

Климат Земли менялся много раз в течение фанерозойского эона. Незадолго до начала фанерозоя большая часть Земли была холодной и покрыта ледниками (рис. 12.21). Однако с началом фанерозоя климат изменился на теплый и тропический (рис. 12.22). На смену ледникам пришли тропические моря.Это привело к кембрийскому взрыву многих новых форм жизни на Земле. В течение фанерозоя климат Земли прошел по крайней мере 4 основных цикла между временами холодных ледников и временами теплых тропических морей. Некоторые организмы пережили экологические изменения климата; другие вымерли, когда климат изменился сверх их возможностей.

Рис. 12.21 : Незадолго до фанерозоя многие части Земли были покрыты ледниками. После того, как Земля начала нагреваться и таяли многие ледники, на Земле произошел взрыв новой жизни. Ледники на этой картинке взяты из настоящего. Однако сегодня на Земле ледники встречаются гораздо реже, чем в другие времена в истории Земли.

Рис. 12.22 : Фанерозойский эон часто характеризовался временами теплого тропического климата. Возраст динозавров был особенно мягким для большей части Земли. Это позволило растениям и животным распространиться на больших территориях. На этой картинке показаны растения в современном тропическом лесу. Возможно, похожи были растения фанерозоя.

Краткое содержание урока

• Адаптации — это благоприятные черты, которые наследуются организмами. Адаптации развиваются из вариаций внутри популяции и помогают организмам выжить в данной среде.
• Популяции со временем накапливаются; это называется эволюцией.
• Летопись окаменелостей показывает нам, что современные формы жизни произошли от более ранних различных форм жизни. Это показывает нам, что первые организмы на Земле были простыми бактериями, которые доминировали на Земле в течение нескольких миллиардов лет.
• Примерно 540 миллионов лет назад на Земле развились более сложные организмы. Во время фанерозойского эона все виды растений и животных, которые мы знаем сегодня, эволюционировали.
• Многие виды организмов, которые когда-то жили, теперь вымерли. Общая среда Земли, особенно климат, менялась много раз, и организмы тоже меняются с течением времени.

Обзорные вопросы

1. Опишите, что подразумевается под адаптацией.
2. Первые животные на Земле имели мягкие тела.Постепенно эволюционировали многие виды животных, у которых были твердые внешние части, покрывающие их тела, называемые экзоскелетами. Как экзоскелет может быть благоприятной адаптацией?
3. Объясните, почему неблагоприятные черты обычно не передаются потомству.
4. Перечислите порядок, в котором основные виды животных появились на Земле.
5. Как климат мог повлиять на способность растений расти на больших площадях в определенное время?
6. Одна из причин массовых вымираний — падение метеорита или кометы.Какие могут быть дополнительные причины массовых вымираний?

Словарь

приспособление

Признак, который организм наследует и помогает ему выжить в естественной среде обитания.

эволюция

Изменение свойств организма с течением времени, результатом чего часто становится появление нового вида.

ледников

Большие листы льющегося льда.

палеонтолог

Ученый, изучающий прошлые формы жизни Земли.

тропический

Теплый и влажный климат.

вариация

Имея много отличий.

Происхождение жизни на Земле

Жизнь существует на Земле миллиарды лет. Первые организмы, которые были микроскопическими, появились в океане. Они напоминали бактерии, которые мы знаем сегодня. Первые водоросли и первые животные развились и постепенно захватили моря.Как только в атмосфере появился кислород, формы жизни размножились, стали более сложными и разнообразными. Некоторые растения и животные со временем трансформировались, выходя из воды и продолжая колонизировать континенты.

Основные этапы эволюции жизни

Ученые разделили историю Земли на основные периоды, отмеченные появлением или исчезновение животных и растений.Со временем появились совсем другие живые существа, один за другим. Например, развитие позвоночника позволило некоторым животным плавать более эффективно, более 400 миллионов лет назад. Этими первыми позвоночными были рыбы. Постепенно у некоторых рыб появились легкие и лапы, и они покорили сушу. Они были первые амфибии, способные выжить как на суше, так и в воде.Когда климат высох около 300 миллионов лет назад рептилии взяли верх над земноводными, так как они были лучше адаптирован к засушливой среде. Даже сегодня живые существа продолжают исчезать или развиваться согласно преобразованиям в их среде.

1. Докембрий
(4, 600–543 миллиона лет назад)

Около 3.5 миллиардов лет назад в океане появились первые микроскопические организмы.



2. Кембрий
(543–488 миллионов лет назад)

Первые беспозвоночные появились в океанах. Это были мягкотелые животные с панцирем или панцирем, такие как эти трилобиты.



3. Ордовик
(488–444 миллиона лет назад)

Появились рыбы, подобные бесчеловечным агнатанам.Они были первыми позвоночными животными, у которых есть позвоночник.



4. Силур
(444–416 миллионов лет назад)

Рыбы эволюционировали и размножались. Некоторые водоросли постепенно приспособились к жизни на суше. Они были первыми наземными растениями.



5. Девон
(416–359 миллионов лет назад)

Первые земноводные, такие как ихтиостега, вышли из воды.Насекомые появились и на континентах, покрытых гигантскими папоротниками.



6. Карбон
(359–299 миллионов лет назад)

Рептилии появляются в огромных болотах и ​​хвойных лесах. У некоторых насекомых, например у стрекозы, развиваются крылья.



7. Пермь
(299–251 миллион лет назад)

Климат стал суше, и рептилии размножились в ущерб амфибиям.Первые водные рептилии, такие как мезозавр, плавали на мелководье.



8. Триас
(251–200 миллионов лет назад)

Появляются динозавры. Встречаются и млекопитающие, но большинство из них не крупнее мышей.



9. юрский
(200–146 миллионов лет назад)

Динозавры доминировали в мире.Некоторые рептилии превратились в птиц. Появились первые цветковые растения.



10. Меловой период
(146–66 миллионов лет назад)

Появилось разнообразие цветковых растений. В конце этого периода исчезли три четверти видов, включая динозавров, вероятно, после падения огромного метеорита.



11. Палеоген
(66–23 миллиона лет назад)

Мелкие млекопитающие выиграли от исчезновения динозавров. Они стали больше и разнообразнее. Появились первые человекообразные обезьяны.



12. Неогенные
(23 миллиона лет назад по сегодняшний день)

Млекопитающие и птицы стали основными группами, и появились первые люди.