Основные этапы эволюции жизни

За все время эволюции жизни на Земле существовало около 500 млн видов живых организмов. Исчезло примерно 99.5 % видов. Перед биологией стоит задача их классификации.

Основные этапы эволюции живого изучает палеонтология – наука об ископаемых организмах. Этапы биогенеза современная биология увязывает с геогенезом, т.к. каждая геологическая эра характеризуется своеобразием растительного и животного мира.

Возраст Земли около 4.6 млрд лет. Жизнь возникла 3.8 млрд лет назад в виде прокариотов. Прокариоты – простейшие клетки, не имеющие ядра. Генетическая информация у них сосредоточена в единственной хромосоме, прикрепленной к мембране. Деление клетки не включает в себя точного повторения генетического материала. Бывают одноклеточными и многоклеточными (колониальными). Их размеры от 20 нм до 20 см (колониальные формы).

Сначала появились бактерии. Первые прокариоты были анаэробными организмами, т.е. могли существовать без кислорода, и гетеротрофами, т.к. необходимые для жизни органические вещества они получали в готовом виде из окружающей среды. Однако истощение первичного «органического бульона» потребовало радикального изменения способа питания. На смену гетеротрофам 3.5 млрд лет назад пришли автотрофы, вырабатывающие необходимые для жизнедеятельности органические вещества самостоятельно, из неорганических. Они вырабатывали необходимые органические вещества с помощью фотосинтеза, т.е. использования солнечной энергии. В результате фотосинтеза выделяется кислород. Первыми автотрофами были цианеи, затем сине-зеленые водоросли.

Автотрофы серьезно повлияли на состав земной атмосферы. Атмосфера стала кислородной, появился озоновый слой. Современное содержание кислорода было достигнуто в палеозое 250 млн лет назад. Фотосинтез ускорил биогенез, дав преимущество аэробным организмам, способным к жизни только в присутствии кислорода. Жизнь на Земле стала полностью зависеть от фотосинтеза. Учение о фотосинтезе было создано российским ботаником К.А.Тимирязевым.

В протерозое (1.8 млрд лет назад), когда атмосфера стабилизировалась, появляются эукариоты – клетки, содержащие выраженное ядро. Они лучше приспособлены к новым условиям. Их ДНК собраны в хромосомы и способны воспроизводиться без значительных изменений.

1 млрд лет назад произошло разделение эукариотов на растительные и животные клетки. Их структурные различия небольшие. Существенными являются различия в способах получения питательных веществ. У животных клеток нет хлорофилла и клеточной стенки, мешающей изменению формы. Растительные клетки эволюционировали в сторону использования фотосинтеза и поглощения неорганических соединений для создания органических веществ, животные – в сторону совершенствования способов передвижения и поглощения готовых органических веществ, создаваемых растениями. С появлением хищников естественный отбор резко ускоряется.

Существуют организмы, занимающие промежуточное положение между растениями и животными. Например, одноклеточные эвгленовые водоросли питаются как растения, а передвигаются как животные. Их рассматривают как переходное звено между растениями и животными. Существуют растения по способу питания аналогичные животным: растения-паразиты повилика и хмель, насекомоядные растения мухоловка и росянка. Известны неподвижные животные – моллюски.

У низших животных блуждающие животные клетки играют роль пищеварительных органов. У высших животных, в том числе у человека, такие клетки лежат в основе иммунной системы, защищающей специфическое строение организма. Теория иммунитета разработана российским ученым И.И.Мечниковым.

Резко ускорило биологическую эволюцию появление 900 млн лет назад полового размножения (механизма слияния и последующего распределения генетического материала двух организмов). Половое размножение значительно повысило генетическую изменчивость потомства, видовое разнообразие, что позволило быстрее приспосабливаться к изменениям окружающей среды.

Более 700 млн лет назад от колониальных форм одноклеточных появились многоклеточные организмы. Они более дифференцированы - обладают развитыми органами и тканями, выполняющими различные функции. Первыми были губки, членистоногие и кишечнополостные.

Более 500 млн лет назад, появляются первые позвоночные – животные, имеющие скелеты. У позвоночных роль каркаса играет внутренний скелет, у высших форм беспозвоночных – насекомых – наружный. У насекомых врожденные реакции преобладают над приобретенными. У позвоночных развит головной мозг и условные рефлексы преобладают над безусловными. Например, если у насекомых биосоциальность (муравьи, пчелы, термиты) ведет к потере индивидуальности, то у млекопитающих, напротив, к усилению.

В конце протерозоя на сушу выходят одноклеточные микроорганизмы (бактерии). В результате их деятельности возникает почва, что подготовило условия для выхода на сушу более 400 млн лет назад многоклеточных растений. Наземные растения получили преимущество перед водными, т.к. фотосинтез на суше протекает интенсивнее (больше солнечной энергии). Первые наземные растения – псилофиты – занимали промежуточное положение между водорослями и сосудистыми растениями. В мезозое у наземных растений происходит дифференциация тела на корень, стебель, листья; совершенствование тканей и способов размножения. Дальнейшая эволюция растений связана с эволюцией семян. У семенных растений исчезает зависимость полового размножения от наличия воды.

Вслед за растениями на сушу 375 млн лет назад перебрались первые животные – различные виды членистоногих (предки насекомых, пауков и скорпионов). Они были амфибиями (двоякодышащими) и напоминали скорпионов.

Более 300 млн лет назад появились летающие насекомые.

300 млн лет назад появились рептилии, напоминавшие ящериц. Они стали первыми полностью приспособленными к суше позвоночными. Их яйца были покрыты твердой скорлупой. В начале мезозоя рептилии полностью завоевали сушу, поэтому эту эпоху называют эрой пресмыкающихся. Некоторые динозавры достигали веса до 30 т и длины до 30 м. Некоторые летающие ящеры имели размах крыльев до 20 м.

Более 200 млн лет назад, появились первые млекопитающие.

Более 140 млн лет назад от летающих пресмыкающихся произошли первые птицы, сочетавшие признаки птиц и рептилий.

В период 144-65 млн лет назад появились цветковые (покрытосеменные) растения.

В конце мезозоя наступило сильное похолодание, приведшее к гибели многочисленных видов живого и вымиранию динозавров. Эволюционное преимущество получили теплокровные животные – млекопитающие и птицы – и цветковые растения. Кайнозой – период господства млекопитающих, птиц, насекомых и цветковых растений.

Примерно 8 млн лет назад стали формироваться современные семейства млекопитающих.

В настоящее время жизнь на Земле представлена доклеточными (вирусы, куда входят и фаги) и клеточными организмами. Клеточные организмы разделены на четыре царства: безъядерные (бактерии и археи), грибы (около 100 тысяч видов), растения (описано более 500 тысяч видов) и животные (около 1.5 млн видов).

Вирусы (лат. «яд») являются неклеточными (переходными) формами, объединяющими свойства живого и неживого. Были открыты русским ученым Д.Ивановским в 1892 году. Вирусы способны к самовоспроизводству, но вне чужого организма (клетки) не проявляют признаки жизни, т.к. не имеют собственного обмена веществ. Вирусы примерно в 50 раз меньше бактерий, по своей структуре похожи на гены. Они имеют головку и спираль с хвостом. Спиральная пружина подобно игле проталкивает хвост внутрь клетки, в которую впрыскивается ДНК. Вирусы поражают все живые организмы. Фаги – это вирусы, поражающие бактерии. Есть вирусы, существующие за счет других вирусов.

Бактерий известно более трех тысяч видов. К ним относятся и цианобактерии (синезеленые водоросли). Несмотря на внешнее сходство археи имеют независимую эволюционную историю. Некоторые гены и метаболические пути сближают их с эукариотами (ядерными клетками). Ни один из известных представителей архей не является паразитом или патогенным организмом.

Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими (25-30 тысяч видов). Самые простые – амебы. Грибы сочетают свойства растений и животных. По числу видов животные превосходят растения. Известно около 70 тысяч видов позвоночных, 16 тысяч птиц, около 13 тысяч млекопитающих. Считается, что описано примерно две трети существующих видов живых организмов.