Геологическая и биологическая эволюции Земли
канд. физ.-мат. наук А. И. Галеев, каф. вычислительной физики и МФП Института физики КФУ
(из книги «Естественнонаучная картина мира», Ч. 3, 2012 г.)
В этой лекции описаны основные изменения, которые происходили с материками Земли, с ее растительным и животным миром в течение истории нашей планеты от ее появления до современного времени. Указаны основные пути развития, через которые прошла жизнь, и выделены основные ее представители, обитавшие в различных природных условиях и в разные геологические эпохи. Общая схема эволюции животного мира на протяжении более одного миллиарда лет показана на рис. 1. Весь животный мир развился от общих предков - древних примитивных одноклеточных (1). От них произошли как различные одноклеточные (2, 3, 4), так и многоклеточные животные. По мере развития животного мира появлялись все более высокоорганизованные животные. Примитивные двухслойные (13) дали начало развитию двух различных эволюционных ветвей. При этом одна ветвь привела к развитию высших беспозвоночных: моллюсков, ракообразных, насекомых, а другая - к развитию позвоночных. Таким образом, эти две группы животных развивались независимо одна от другой. Цифрами указаны различные группы животных, как ныне существующие, так и некоторые вымершие, которые обозначены кружками с черным контуром.
Рис. 1. Схема развития животных. 1 - первичные одноклеточные; 2 - амебы; 3 - инфузории; 4 - жгутиковые; 5 - первые колониальные жгутиконосцы; 6 - губки; 7 - низшие двухслойные многоклеточные; 8,9, 10 - кишечнополостные: коралловые полипы, гидры, медузы; 11 - плоские черви; 12 - круглые черви; 13 - древние гребневики; 14 - гребневики; 15 - примитивные кольчецы; 16,17,18 - моллюски: брюхоногие (улитка, двустворчатая ракушка), головоногие (кальмар); 19 - ракообразные; 20 - паукообразные; 21 - многоножки; 22 - несекомые; 23 - кольчатые черви (дождевой червь); 24 - морские кольчецы; 25 - морские лилии; 26 - иглокожие; 27 – морские звезды; 28 - низшие хордовые; 29 - ланцетник (бесчерепные); 30 - древние рыбы; 31 - современные рыбы; 32 - кистеперые рыбы; 33 - земноводные; 34 - древние пресмыкающиеся (динозавры); 35 - пресмыкающиеся; 36 - птицы; 37 - млекопитающие.
Архейская и протерозойская эры (от возникновения планеты до 540 млн. лет назад). Эти эпохи продолжались с момента образования Земли до появления первых многоклеточных организмов примерно 540 млн. лет назад. Возраст древнейших из известных нам горных пород составляет всего 3,9 млрд. лет, так что о юности нашей планеты известно ничтожно мало. Причем даже эти горные породы претерпели за миллиарды лет столь большие трансформации, что мало о чем могут нам рассказать. Примерно 2-3 млрд. лет назад начали формироваться ядра континентов разделенных водными пространствами. К концу протерозоя они объединились в первый сверхконтинент Пангею, который включал Африку в центре, Америку, Европейскую и Сибирскую (Русскую) плиты на севере и Антарктиду, Австралию, Индию и Аравию на юге.
Архейская эра. Первые остатки и признаки деятельности живых организмов датируются возрастом 3,5 млрд. лет (отложения в Южной Африке). Жизнь могла появиться только тогда, когда сложились для этого благоприятные условия, в первую очередь, благоприятная температура. Живая материя, помимо других веществ, построена из белков. Поэтому к моменту происхождения жизни температура на земной поверхности должна была упасть настолько, чтобы белки не разрушались. Многие исследователи, изучающие проблему происхождения жизни на Земле, полагают, что жизнь зародилась на морском мелководье в результате сложных физико-химических процессов, присущих неорганической материи. Определенные химические соединения образуются в определенных условиях, а вероятность возникновения сложных органических соединений особенно высока для атомов углерода вследствие их специфических особенностей. Именно поэтому углерод стал тем строительным материалом, из которого по законам физики и химии относительно возникли самые сложные органические соединения. Молекулы отнюдь не сразу достигли нужной степени сложности, поэтому можно говорить о химической эволюции, процесс которой был довольно медленным.
Первые живые организмы могли питаться исключительно органическими веществами, т. е. они были гетеротрофными. Но исчерпав запасы органического вещества в своем ближайшем окружении, в ходе эволюции некоторые организмы (растения) приобрели способность поглощать энергию солнечных лучей и с ее помощью расщеплять воду на составляющие элементы. Используя водород, они смогли перерабатывать углекислый газ в углеводы и строить из него другие органические вещества в своем теле (процесс фотосинтеза). С появлением автотрофных организмов началось накопление свободного кислорода в атмосфере и стало резко увеличиваться общее количество органического вещества на Земле. Сразу после формирования нашей планеты атмосфера содержала много водорода и гелия, но они постепенно испарились в космос и постепенно заменились метаном азотом и углекислым газом, которые выделялись горными породами. И лишь в результате появления и деятельности живых организмов в атмосфере началось накопление кислорода, который стал необходим для дальнейшего развития жизни.
Живые организмы того времени могли существовать исключительно вводной среде, так как толща воды уменьшала губительное воздействие ультрафиолетового излучения из космоса, а также ряда вредных веществ, токсическое действие которых снижалось при растворении. Кроме того, значительные колебания температуры в воде были более сглажены. В конце архейской эры произошло разделение живых существ на прокариоты и эукариоты. Предполагают, что встречающийся в отложениях того времени графит имеет органическое происхождение и его количество соответствует количеству живой материи того времени. Первым материальным свидетельством зарождения жизни стали стромалолиты - слоистые структуры образованные цианобактериями.
Протерозойская эра. В это время продолжается дальнейшее развитие живого: происходит четкое разделение трех царств эукариот на растения, грибы и животных. Особенно широко распространены одноклеточные водоросли, появляются первые многоклеточные зеленые водоросли и низшие грибы (1.4 млрд. лет назад). Животные представлены простейшими, а позднее обнаруживаются первые многоклеточные - представители типов губки и кишечнополостные. Эти примитивные существа еще не имели ни известкового скелета, но изредка находят отпечатки их тел. На существование более крупных живых существ (червей), показывают четкие зигзагообразные отпечатки, - следы ползания, а также остатки "норок", обнаруженные в осадках морского дна. В 1947 г. австралийским ученым Р.К. Сприггсом в холмах Эдиакары (Южная Австралия) была открыта чрезвычайно интересная фауна. Оказалось, что большинство видов животных эдиакарской фауны существовавшей 600 млн. лет назад относится к неизвестным ранее группам бесскелетных организмов. Одни из них принадлежат к предкам медуз губок, членистоногих, другие напоминают червей - аннелид. Большинство животных того времени вели придонный образ жизни (моллюски), что объясняется сосредоточением на дне растений и органических веществ, которые служили им пищей.
На рис. 2 показаны некоторые организмы эдиакарской фауны.
Рис. 2. Поздний протерозой: 1-водоросли, 2-губки, 3,6-кишечнополосные (3-медузы, 6- восьмилучевые кораллы), 4,8-кольчатые черви, 5-иглокожие, 7-членистоногие, 9-строматолиты (образованы цианобактериями).