Возникновение жизни на Земле

       эоцен (54-38 млн. лет)

       олигоцен (38-27 млн. лет)

    неоген (27 - 3 млн. лет)

       миоцен (27 - 8 млн. лет)

       плиоцен (8-3 млн. лет)

   четвертичный (3 млн. — наше время):

       плейстоцен (3 млн. - 20 тыс. лет)

       голоцен (20 тыс. лет — наше время)

Начальные этапы эволюции жизни.  Более 3,8 млрд. лет назад на дне мелководных, теплых и богатых питательными веществами морей, водоемов возникла жизнь в виде примитивных существ - простейших клеток, обладающих способностью к делению и наследственных свойств.

В первый период развития органического мира живые организмы были анаэробными (жили без кислорода), питались и воспроизводились за счет «органического бульона», возникшего из неорганических систем; т.е., они питались готовыми органическими веществами, синтезированными в ходе химической эволюции (гетеротрофы). Но резерв органического вещества быстро убывал.

Первый качественный переход в эволюции живой материи был связан с «энергетическим кризисом»: «органический бульон» был исчерпан,  и следовало выработать способы синтезирования органических соединений из неорганических внутри клеток. В этой ситуации преимущество было у тех клеток, которые могли получать большую часть необходимой им энергии непосредственно из солнечного излучения.

Такой переход был возможен, так как некоторые простые соединения, включающие в свой состав атом магния (как в хлорофилле), обладают способностью поглощать свет. Уловленная  световая энергия может быть использована для усиления реакций обмена, в частности для образования органических соединений, которые могут сначала накапливаться, а затем расщепляться с высвобождением энергии. В этом направлении и развивался процесс образования фотосинтеза.

Фотосинтез обеспечивает организму получение необходимой энергии от Солнца и вместе с тем независимость от внешних источников питательных веществ. Питание таких организмов (автотрофы), осуществляется внутренним путем благодаря световой энергии. При этом из внешней среды поглощаются — вода, углекислый газ, минеральные соединения. В результате фотосинтеза выделяется кислород.

Первыми фотосинтетиками были цианеи, а затем зеленые водоросли. В этот период значительно увеличилась биомасса Земли. В результате фотосинтеза кислород стал выделяться в атмосферу в значительных количествах, который для анаэробных организмов был ядом. Многие одноклеточные анаэробные организмы погибли в «кислородной катастрофе»; другие укрылись в болотах, где не было свободного кислорода, и, питаясь, выделяли не кислород, а метан; третьи - приспособились к кислороду, получив огромное преимущество в способности запасать энергию (аэробные клетки выделяют энергии в 10 раз больше, чем анаэробные).

Благодаря фотосинтезу в органическом веществе Земли накапливалось все больше и больше энергии солнечного света, что способствовало ускорению биологического круговорота веществ и эволюции в целом.

Переход к фотосинтезу завершился примерно 1,8 млрд. лет назад и привел к важным преобразованиям на Земле: первичная атмосфера Земли сменилась вторичной, кислородной; возник озоновый слой, который сократил воздействие ультрафиолетовых лучей, а значит, прекратил производство нового «органического бульона»; изменился состав морской воды — она стала менее кислотной.

С «кислородной революцией» связан и переход от прокариотов к эукариотам. Первые организмы — прокариоты представляли собой клетки, у которых не было ядра, генетическая система закреплена на клеточной мембране, деление клетки не включало в себя точной дупликации генетического материала. Прокариоты — это простые, выносливые организмы, обладавшие высокой вариабельностью (генетически гибкие), способностью к быстрому размножению, легко приспосабливающиеся к изменяющимся условиям природной среды. Но новая кислородная среда стабилизировалась; первичную атмосферу заменила новая. Понадобились организмы, которые пусть были бы и не вариабельны, но зато лучше приспособлены к новым условиям. Нужна была не генетическая гибкость, а генетическая стабильность. Ответом на эту потребность явилось формирование эукариотов примерно 1,8 млрд. лет назад.

У эукариотов ДНК уже собрана в хромосомы, а хромосомы сосредоточены в ядре клетки. Такая клетка воспроизводится без каких-либо существенных изменений. Образование царства растений и царства животных  Это разделение произошло еще в протерозое (около 1—1,5 млрд. лет назад), когда мир был заселен одноклеточными организмами.

Растительные клетки покрыты жесткой целлюлозной оболочкой, которая их защищает, но не дает  возможности свободно перемещаться и добывать пищу в процессе передвижения. Растительные клетки совершенствуются в направлении использования фотосинтеза для накопления питательных веществ.

Животные клетки имеют эластичные оболочки и потому не теряют способности к передвижению; это дает им возможность самим искать. Животные клетки эволюционировали в направлении совершенствования способов передвижения и способов поглощать и выделять крупные частицы (а не отдельные органические молекулы) через оболочку. С появлением хищников естественный отбор резко ускоряется.

Эволюционное единство растительного и животного миров доказывается тем, что различия между некоторыми простейшими животными и простейшими растениями относительны.

Следующим важным этапом развития жизни и усложнения ее форм было возникновение примерно 900 млн. лет назад полового размножения - механизма слияния ДНК двух индивидов и последующего перераспределения генетического материала. В результате потомство похоже на родителей, но не идентично им, изменчивость потомства увеличивается. Это способствует росту эффективности естественного отбора, значительно повышает видовое разнообразие, резко ускоряет эволюцию, позволяет быстрее приспосабливаться к изменениям окружающей среды.

Значительным шагом в дальнейшем усложнении организации живых существ было появление примерно 700—800 млн. лет назад многоклеточных организмов. Характерные особенности их — различие клеток, слагающих их тело; их дифференцирование и объединение в комплексы тканей и органов, выполняющих разные функции в системе организма. Эволюция многоклеточных животных шла в направлении совершенствования способов передвижения, лучшей координации деятельности клеток, совершенствования форм отражения с учетом предыдущего опыта, образования вторичной полости, совершенствования способов дыхания и т.п.

В протерозое и в начале палеозоя многоклеточные растения населяют моря. Жизнь развивается в воде. В кембрийских морях уже существовали почти все основные типы животных (исключая птиц и млекопитающих), которые впоследствии лишь специализировались и совершенствовались. Облик морской фауны определяли многочисленные ракообразные, губки, кораллы, иглокожие, моллюски, плеченогие, трилобиты.

В теплых и мелководных морях ордовика обитали многочисленные кораллы, значительного развития достигли головоногие моллюски - существа, похожие на современных кальмаров, длиной несколько метров.

В конце ордовика в море появляются крупные плотоядные, достигавшие 10-11 м в длину. В ордовике, примерно 500 млн. лет назад, появляются и первые позвоночные — животные, имеющие скелеты. Это было значительной вехой в истории жизни на Земле.

Первые позвоночные возникли в мелководных пресных водоемах, а затем пресноводные формы завоевывают моря и океаны. Первые позвоночные - мелкие (около 10 см длиной) существа, бесчелюстные рыбообразные, покрытые чешуей, которая помогала защищаться от крупных хищников (осьминогов, кальмаров).

  Дальнейшая эволюция позвоночных  шла в направлении образования  челюстных рыбообразных, которые  быстро вытеснили большинство  бесчелюстных. В девоне возникают  и двоякодышащие рыбы, которые  были приспособлены к дыханию  в воде, но обладали и легкими.

Рыбы подразделяются на два больших класса: хрящевые (акулы и скаты) и костные - наиболее многочисленная группа рыб (96 %). Некоторые пресноводные двоякодышащие рыбы девонского периода дали жизнь сначала - первичным земноводным (стегоцефалам), а затем и сухопутным позвоночным. Таким образом, первые амфибии появляются в девоне.

В девоне возникает и другой чрезвычайно прогрессивный и богатый видами класс животных - насекомые. Появление насекомых свидетельствовало о том, что в ходе эволюции сложились два разных способа укрепления каркаса тела (основных несущих органов и всего тела в целом) и совершенствования форм отражения. У позвоночных роль каркаса играет внутренний скелет, у высших форм беспозвоночных - насекомых - наружный. У насекомых сложная нервная система, с разбросанными по всему телу огромными и относительно самостоятельными нервными центрами; врожденные реакции преобладают над приобретенными. У позвоночных развит головной мозг,  условные рефлексы преобладают над безусловными.

Различие этих способов решения важнейших эволюционных задач в полной мере проявилось после перехода к жизни на суше.

Завоевание суши Переход к жизни в воздушной среде требовал многих изменений, поскольку вес тел здесь больше, чем в воде; в воздухе не содержится питательных веществ; воздух сухой, он иначе, чем вода, пропускает через себя свет и звук; содержание кислорода в воздухе выше, чем в воде. Вследствие всего этого выход на сушу предполагал выработку соответствующих приспособлений.

Еще в конце протерозоя на поверхность суши выходят микроскопические одноклеточные растения. В результате взаимодействия абиотических (минералы, климатические факторы) и биотических (бактерии, цианеи) условий возникает почва. Почвообразовательные процессы в протерозое подготовили условия для выхода на сушу многоклеточных растений, а затем и животных.

Выход многоклеточных растений на сушу начался в конце силура. Растения, переселявшиеся в воздушную среду, получали значительные эволюционные преимущества, а главное из них — то, что солнечной энергии здесь больше, чем в воде, а значит, и фотосинтез становится более совершенным. Проблема высыхания решалась посредством формирования водонепроницаемой внешней оболочки, пропитанной восковидными веществами.  Перестройка системы питания из почвы требовала развития корневой системы и системы транспортировки питательных веществ и воды по организму. Корни способствовали также укреплению опоры. По мере увеличения размеров растений формировалась и поддерживающая ткань - древесина. Жизнь на суше требовала также изменения репродуктивной системы.

Первые наземные растения - риниофиты; они занимали промежуточное положение между наземными сосудистыми растениями и водорослями. У них образуется сосудистая система, перестраиваются покровные ткани, появляются примитивные листья и корни. В конце силура именно риниофиты покрывали сплошным зеленым ковром прибрежные участки суши. Вслед за растениями из воды на сушу и воздух (сначала по берегам рек, озер, болот) последовали различные виды членистоногих - предки насекомых, пауков и скорпионов. Первые обитатели суши напоминали современных скорпионов.

Активное завоевание суши позвоночными началось в карбоне. Первые полностью приспособившиеся к жизни на суше позвоночные - рептилии. Яйца рептилий были покрыты твердой скорлупой, не боялись высыхания, были снабжены пищей и кислородом для эмбриона. Первые рептилии были небольшими и напоминали живущих ныне ящериц.

В карбоне значительного развития достигают насекомые. Появляются летающие насекомые. Некоторые из них имели размах крыльев до 100см.

Основные пути эволюции наземных растений Эволюция растений после выхода на сушу была связана с усилением компактности тела, развитием корневой системы, тканей, клеток, проводящей системы, изменением способов размножения, распространения и т.д. Переход от трахеид к сосудам обеспечивал приспособление к засушливым условиям — по сосудам вода может подниматься на большую высоту. В наземных условиях оказались непригодными для размножения свободно плавающие голые половые клетки; здесь для целей размножения формируются разносимые ветром споры или семена. Постепенно происходит дифференциация тела на корень, стебель и лист, развивается проводящая система, совершенствуются покровные, механические и другие ткани.

С момента выхода на сушу растения развиваются в двух основных направлениях - гаметофитном и спорофитном.

Высшим растениям свойственна правильная смена поколений в цикле их развития. Растение имеет две фазы развития, которые сменяют одна другую:

• гаметофит — половое поколение, на котором образуются половые органы - антеридии и архегонии
• спорофит - неполовое поколение, нормально развитое растение, которое имеет корень, стебель и листья.

На спорофите образуются споры, которые прорастают и дают начало гаметофиту. Подобная смена поколений в цикле развития растений сложилась эволюционно, в ходе естественного отбора. Гаметофитное направление было представлено мохообразными, а спорофитное — остальными высшими растениями, включая цветковые. Спорофитная ветвь оказалась более приспособленной к наземным условиям.

Для девона характерны пышные леса из прогимноспермов и древних голосеменных. В карбоне растения приспособились удерживать воду и защищать семена от высыхания, благодаря чему они завоевали сухие места обитания. В карбоне с его увлажненным и равномерно теплым климатом в течение всего года мощные споровые растения — лепидодендроны и сигиллярии - достигали 40 м. В карбоне и перми получают дальнейшее распространение голосеменные, у которых происходил переход от гаплоидности к диплоидности, что усиливало генетические потенции организма.