Книга: Земля и жизнь

Эволюция среды и жизнь

Эволюция среды и жизнь

Изучение истории Земли и жизни позволяет видеть, что жизнь - важнейший геологический фактор, что она издавна вносила и вносит коренные изменения в состав геологических образований, в состав среды, вследствие чего изменялась среда и изменялась сама жизнь.

Древнейшая бескислородная или бедная кислородом среда узнавалась нами по ее геологическим образованиям; она оставила свой след в виде отложений в осадках водных бассейнов закисных, недоокисленных соединений. Это способствовало накоплению в природе органического вещества вообще и особенно вещества отмерших организмов, в частности, в виде битумов жидких и газообразных, отчасти минерализованных, в виде шунгитов докембрия Карелии. Восстановительный характер сред докембрия виден и по присутствию в его составе пиритоносных слоев, свидетельствующих о сероводородных фациях.

Эпоха возникновения жизни приходится на границу с археем, когда водные бассейны уже образовались, когда углеродные соединения еще естественно синтезировались химическим путем при участии воды и внешних факторов и когда энергия геохимических реакций с выделением тепла могла стать основой оживления белковых микрокапель - коацерватов, став энергией биохимических процессов.

Ареной зарождения жизни была восстановительная среда. В древнейшей атмосфере углекислоты содержалось, по-видимому, в 100 000 раз больше, чем в наше время, причем около 40% ее запасов биологическим и в меньшей степени геохимическим путем было вовлечено в земную кору в виде твердых карбонатов кальция и магния, карбонатных железных и других руд. Древнейшие фотосинтезирующие организмы тоже извлекали огромные количества углекислоты из биосферы, высвобождая за счет воды большие запасы свободного кислорода. Таким образом, органическая жизнь изменила первичные восстановительные среды на окислительные, в условиях которых, естественно, углеродные соединения уже не могли создаваться, а могли лишь разрушаться. Поэтому возникновение организмов в дальнейшем уже не происходило.

Протерозой был временем проявления массовой жизнедеятельности водорослей и бактерий, в том числе железобактерий. Водные среды были сильно карбонатными из-за обилия углекислоты в биосфере и мало солеными. Но к концу этой эры расход углекислоты уже недостаточно восполнялся ее выбросами при вулканических явлениях. Конечно, мы не располагаем количественной характеристикой компонентов, которые входили в протерозое в гидро- и атмосферу Земли. Но общий состав их, по-видимому, разгадан исследователями правильно, что подтверждается как минеральными образованиями, так и организмами, остатки которых мы находим в отложениях протерозоя. Высокая растворимость углекислоты, поступавшей в биосферу при вулканических явлениях, способствовала быстрому захвату ее дождевыми и затем морскими водами. В морях ее приток должен был стимулировать развитие фотосинтезирующих организмов, одноклеточного фитопланктона и донных форм водорослей в мелководьях.

Изучение водорослей протерозоя, в основном синезеленых, показывает на огромный размах их развития. Извлечение углекислоты из среды, насыщенной бикарбонатами и нитратами кальция и магния, вело к интенсивному выделению карбонатов кальция непосредственно на тканях водорослей, поэтому ученые нередко наблюдают в прозрачных шлифах пород прекрасное сохранение их морфологии в ископаемом состоянии. Известь, садившаяся на пленки и колонии микроскопических водорослей, облекала их со всех сторон, что приводило за длительные промежутки времени к образованию известковых тел различной формы и размеров (строматолитов), которые указывают часто, какими были эти водоросли, и свидетельствуют об относительной устойчивости их жизнедеятельности. При этом, если водорослевые строматолиты не подвергались вместе с вмещающей породой существенным преобразованиям в процессе метаморфизма, в них можно обнаружить остаточные микроструктуры, которые обычно говорят о быстром ходе эволюции этой группы организмов. Подсчитывая продолжительность жизни и деятельности водорослей в постройках строматолитового типа, мы можем говорить о длительности жизни их видов, что дает цифры от сотен до нескольких тысяч, редко до двух-трех десятков тысяч лет.

Все три первые эры существования Земли отличались от последовавших за ними высоким содержанием в биосфере углекислоты, запасы которой начали иссякать лишь к концу протерозоя в результате огромного размаха жизнедеятельности "морских" придонных водорослей и, несомненно, фитопланктона. Одновременно создавались запасы молекулярного кислорода. Моря, освобождаясь от высокого содержания в водах бикарбонатов, постепенно засолонялись. Таким образом, водная среда, как и атмосфера, постепенно, но неуклонно изменялась, влияя тем самым на развитие в биосфере живого вещества.

Из потребителей свободного кислорода около остатков водорослей можно отметить, как видно по остаточным микроструктурам, только железобактерии. Таким образом, наличие железистых пленок в строматолитах все же скорее говорит о бедности биосферы кислородом. По-видимому, он жадно поглощался тогда при химическом окислении минеральных веществ на выступах суши. Во всяком случае несомненно, что появление запасов кислорода в биосфере еще не стимулировало заметно развитие животных. Вплоть до начала палеозоя они были представлены очень и очень бедно.

Вероятно, что к началу палеозоя сформировалась атмосфера почти современного состава. Возможно, что это и так, но основной фактор, который при этом проявил себя как планетарное явление,- это появление признаков повышенной солености некоторых бассейнов, приводившей к развитию лагун с садкой морских солей, и снижение магнезиальности вод. В протерозое таких явлений не отмечено. Начало палеозоя ознаменовалось значительным развитием красных водорослей, так называемой эпифитоновой флоры, и именно около мелких"зарослей" таких водорослей мы находим и остатки археопиат, килобитов и других беспозвоночных животных кембрия. Палеоэкологические наблюдения позволяют думать что стимулом для развития многих ранних трупп животных были условия

Вещество синезеленых водорослей (пектины) отличается значительной химической стойкостью и вообще мало пригодно в качестве пищевого материала для каких-либо животных или бактерий. По-видимому, развившийся фитозоонланктон, состав которого мы пока раскрыли лишь отчасти, послужил пищевым субстратом, который определил возникновение в пресных и морских водах синийского периода жизненного никла в виде пени организмов, биологически связанных между собой, что обусловило появление животных более сложной организации. Если для зоопланктона фитопланктон является базой, то для более высокоорганизованных животных нужны были вещества, вырабатываемые тем и другим, в большей степени - вторым. Поэтому необратимое общее изменение вещественного состава сред биосферы во все геологические времена с момента возникновения жизни влияло на микрожизнь, на бактерии, на микроводоросли на грибы и другие организмы, приспособительные свойства которых в общем вели ко все большему охвату разнообразных сред На базе этого микромира как пищевого субстрата в водных бассейнах развивались разнообразные организм в виде пеней, в которых представители одного звена поедались другим более сильным, хотя и не всегда более крупным.

Длительное отсутствие в протерозое животных в заметных количеств представляло собой загадку. Но эта загадка как будто разрешима.

Между вещественным составом фито- и зоопланктона имеется конечно, большая разница. Она, несомненно, была и в то далекое время, когда ход эволюции жизни только-только привел к развитию зоопланктона - той живой "мелочи", имевшей огромное значение в жизненном цикле, без которой животные более высокой организации еще не могли существовать. Потребовалось, по-видимому, длительное время для развития разнообразного зоопланктона - простейших животных, остатки которых мы находим теперь. Так, в слоях позднего синия местами в составе отложений морских карбонатных пород присутствуют мощные слои, сложенные мельчайшими округлыми известковыми тонкостенными образованиями, внутри которых мы находим или только вторичный кальцит, или кальцит и битумоподобное остаточное органическое вещество. Их нельзя принять за минеральные образования и трудно еще принять за остатки организмов, хотя ничем иным они не могли быть.

Особи, составлявшие жизнь докембрия, были очень мелки. Они имели микроскопические размеры, и их остатки нам удается различать по большим скоплениям, закрепленным в ископаемом состоянии процессами минерализации, окаменением. Строматолиты, часто огромные известковые тонкослоистые тела, которые многими исследователями принимались, да и теперь принимаются за остатки крупных живых существ не то растительного, не то животного происхождения, в действительности оказались именно скоплениями огромных количеств окаменелых микротел - клеток и тел микроскопических водорослей, развивавшихся тончайшими пленками жизни на поверхностях субстратов слой за слоем, год за годом, тысячелетиями. Между тем микроскопическое изучение строматолитов показало огромное разнообразие их строения, и, что очень и очень важно, быструю смену одних породообразующих видов водорослей другими. Эволюция и в протерозое шла быстрыми темпами, с сильным проявлением естественного отбора в условиях непрерывно менявшей свои свойства среды.

Далек был путь от первичных комочков жизни - археобионтов до закрепившихся в водных средах биосферы видов бактерий и бактериеподобных, до первых одноклеточных представителей фитопланктона! Не менее длинным был путь развития из тех же первичных комочков белковых веществ первых представителей микроскопического зооплактона; на это по существу ушло в истории жизни на Земле более двух миллиардов лет.

Появление в позднем докембрии червей, хиолитов и других ранних представителей более "высокоорганизованных существ заставляет считать, что зоопланктон только к этому времени развился достаточно и стал разнообразным и в морфологическом и в биохимическом отношениях, чему способствовала его пищевая база - микроскопический фитопланктон и фитобентос водных бассейнов протерозоя. Так удлинялась биологическая цепь жизни, удлинялись циклы жизни в древнейших средах, дававшие в отдельные моменты геологического времени более крупных и анатомически и биохимически сложных представителей жизни, которые лишь в ничтожной доле попадают в виде окаменелых остатков к палеонтологу.

Ничтожно малая частица "смеси" исходных белковых веществ превратилась в бесконечное многообразие таких же малых частичек жизни с колоссальным многообразием их свойств, морфологии и жизнестойкости. Несомненно, огромные запасы исходных сложных углеродных соединений осваивались жизнью и были вобраны ею в круговорот полностью. Они стали живым веществом Земли. Поэтому понятно, что в более поздние времена новые формы жизни уже не возникали.

Развитие углеродных соединений химическим путем в сторону усложнения до стадии белковых должно было иметь свои скорости и занять большой этап геологического времени. Развитие микроскопических форм разного строения могло произойти только в результате эволюции белковых веществ и физиологических и морфологических изменений организмов. При этом в бесконечной смене особей шла не только смена поколений, но и формирование видов, родов, семейств, соответственно их приспосабливаемое к условиям среды и к сообществу друг с другом. Выявлен медленный темп повышения размеров тел организмов, наиболее совершенных для соответствующих этапов геологического времени.

Остаточное органическое вещество, часто захороненное в горных породах вместе со скелетными образованиями форм древней жизни, возможно, содержит осколки молекул первичного его состава. Можно выразить надежду, что развитие биохимической науки поможет нам распознавать исчезнувшие в ходе эволюции жизни на Земле формы по вещественному их составу, по комплексам микроэлементов, содержащихся в ископаемых остатках. Важнейшую роль при этом играет закон единства организма с условиями его существования, а также фактор количественных соотношений между компонентами среды. Поэтому по организму мы уже смело говорим теперь о свойствах среды, а по признакам "ископаемой" древней среды - о возможных проявлениях жизни в ней.

По существу все организмы сложны. Их жизнепроявления состоят в образовании вещества, построенного из "тяжелых" сложных молекул с огромным молекулярным весом по сравнению с веществами косной мертвой природы. Ничтожное изменение в свойствах среды влияет на организм, вызывая у поколения за поколением перестройку каких-то молекул, каких-то органов или тканей, исполняющих их функции, и это приводит к изменению затем и внешних морфологических черт. Когда мы говорим о "направленности" таких изменений, то мы, конечно, имеем в виду, что естественный процесс, пока к нему не прикасалась рука человека, шел и идет стихийно, с одновременным существованием и низших и высших, а главное в комплексах, во взаимосвязи со средой и между собой, тогда как мы, в наших интересах, прослеживаем, например, иногда только развитие высших.

В основе существования жизни лежит зародышевая клетка и индивидуальное развитие особей в их поколениях. Простейшие формы жизни и во взрослом состоянии особей неотличимы от зародышевой клетки. Сложные многоклеточные организмы проходят в своем индивидуальном развитии часто много промежуточных по уровню жизни этапов, повторяя при этом в ускоренном темпе морфологическое развитие данной ветви жизни, пока не появятся признаки вида. Это так называемый закон рекапитуляции, закон повторения признаков предков в развитии каждой особи, много давший зоологам и ботаникам и ставший важнейшим теоретическим положением при изучении палеонтологами ископаемых организмов. Этот закон позволяет воссоздавать ход эволюции жизни и понять, в конечном счете, как отдельные этапы ее развития в прошлом, так и возникновение того мира живых существ, среди которого мы живем. Поэтому он обычно и именуется основным биогенетическим законом.

Материалы по ископаемым организмам от начала кембрия давно стали основой выделения этапов геологического времени; для действительной меры времени и длительности этих этапов абсолютная геохронология дала цифровую характеристику и продолжает давать к ней поправки и дополнения.

Глядя на схему развития жизни на Земле, можно прийти к мысли об усилении геологических процессов на Земле в ходе времени, о постепенном ускорении ее развития вплоть до современности: для четвертичного периода (антропогена) эта длительность определена около 1 млн. лет. Но это ложное впечатление. В действительности земная кора в ходе геологического времени постепенно как бы успокаивается, процессы складкообразования, фазы и площади вулканизма сокращаются. Прежние складчатые области земной коры "захватываются" режимами платформенного типа, со спокойными, только вертикальными движениями и т. д.

Сокращение этапов геологического времени обусловлено способом выделения их при помощи палеонтологических материалов. Оно отражает действительное убыстрение хода эволюции живого населения Земли. Причина этого убыстрения достаточно ясна. Поскольку в эволюции жизни сказывается эволюция многих факторов - среды в геологическом ее понимании, условий жизни организмов, пищевого субстрата, биохимических процессов, живого вещества организмов и их органов, то суммарное действие этих факторов приводило и приводит к ускорению изменений формы организмов, их размеров, способности к миграции и т. д.

Органическая жизнь на Земле активно вмещалась в ход геологических процессов. Она проявила себя как фактор изменения самой среды, образовав атмосферу за счет элементов, до того находившихся в связанном состоянии. Она стала мощным геологическим фактором, поскольку активно участвовала и участвует в породообразовании, в отложении вещества многих осадочных горных пород и руд, нефти и газов, поскольку она влияла на изменение глубины бассейнов и т. д. В общем, раз появившись в биосфере, бактериальный мир менялся морфологически очень мало, совершенствуясь в основном биохимически и физиологически. Только с появлением высших организмов растительного и животного мира в массовом развитии он дал и дает множество новых форм сапрофитного и паразитического рядов, в том числе болезнетворных.

Мир растений, существующий с архея, был длительно представлен только водными и отчасти почвенными формами. Размах водорослевой жизни в протерозое был неповторимым по своим проявлениям и по породообразующей роли этой группы организмов благодаря огромным запасам углекислоты. Эволюция вещества спор, приобретение ими относительно прочной оболочки позволило растениям выйти на сушу, где в разнообразных условиях жизни их эволюция ускорялась обилием солнечной энергии, развитием почвенных процессов и т. д.

К началу палеозоя живое зеленое вещество Земли удалило из палеоатмосферы все ее запасы углекислоты, которая частично сохранилась в растворенном состоянии лишь в глубинах вод гидросферы. Для наземных растений палеозоя и более поздних эпох это обстоятельство временами ставило предел их количественному развитию. Поэтому наземные флоры в палеозое и позднее оказывались подчиненными некоторому ритму, отчасти установленному геологами по эпохам углеобразования на Земле. Сущность этого ритма, по-видимому, состоит в тесной связи с выбросами углекислоты в атмосферу в эпохи вулканизма и массовым развитием живого вещества фотосинтезирующих организмов в соответствующий этап геологического времени.

Мир животных, возникший в тот же отдаленный момент, как и другие типы живого вещества, долго "прозябал", не играя геологической роли. Но эволюция вещества фитопланктона, микроскопического зоопланктона и накопление в биосфере запасов кислорода создали мощный стимул для его массового развития к концу синия и началу кембрия. С этого момента на Земле развилось много типов животных - от простейших (инфузорий и др.) к фораминиферам, от червей к примитивным хордовым, к рыбам, от рыб к амфибиям, от амфибий к рептилиям, от рептилий к плацентарным млекопитающим. Эта высшая по строению тел группа организмов на ранней стадии развития была представлена животными весьма небольшого размера, в основном насекомоядными. Вероятно, бурное развитие насекомых с конца палеозойского времени во многом стимулировало развитие этих животных с последующей их специализацией как растениеядных, червеядных и др. Выделялись хищные формы, которые приобрели соответственно оформленные зубные аппараты, форму тела, когти. Другие из растениеядных приспосабливались к быстрому бегу, в связи с чем пятипалые конечности древних форм у них становились одно- двухпалыми, как у лошадиных и парнокопытных. Многие группы млекопитающих ушли снова в воду, став морскими организмами, как киты, белухи, тюлени, сохранив при этом способность дышать с помощью легких. Многие группы приспособились к лазанию по деревьям, например обезьяны, и т. д.

Поэтому первая половина третичного времени была ознаменована широкой специализацией млекопитающих, которые освоили при этом все природные обстановки - сушу, воды и воздух и пришли на смену пресмыкающимся, в большинстве исчезнувшим на грани мелового и третичного периодов, 70 млн. лет назад. Весь этот богатый формами мир млекопитающих быстро достиг массового развития, чему, вероятно, способствовала благоприятная для него эволюция пищи - развитие цветковых растений, плоды, семена, листья, кора и корни которых содержали многие новые в природе вещества, полезные и важные для животных.

Ранние киты были небольшими животными, имевшими крупные зубы. Позднее естественный отбор привел к питанию китов мелкими рачками с помощью "китового уса". От древних наземных хищников развились роды кошек, собак, куниц, медведей и барсуков. Наибольшего разнообразия в третичное время на суше достигли растениеядные формы наземных и водных животных.

Широко были представлены хоботные животные, предки современных слонов - индийского и африканского. Ископаемых хоботных известно около 400 видов. Ранние их формы были не крупнее лошади. У них развились передние зубы - резцы, превратившиеся в бивни различного строения. Развился хобот - с помощью которого животные могли подносить пищу ко рту, пить воду, срывать плоды с дерева и т. д. Меритерии, мастодонты, динотерии были распространены широко, как и целый ряд других групп млекопитающих. Несмотря на их бивни - резцы, которые, может быть, в большей степени служили копательными орудиями, чем средством защиты или нападения, эти животные часто становились жертвами хищников.

При специализации мелких насекомоядных животных в начале мезозойского времени обособилась группа таких, у которых не оказалось острых зубов и когтей, не развились копыта на конечностях, не возникли крылья. Представители этой группы, обитая в лесных условиях, находили там и приют и пищу в виде плодов, ягод и насекомых. Они ходили по земле, но научились лазить по деревьям. Из этой группы вышли в ходе времени обезьяны, полуобезьяны и человек. Это так называемые приматы, т. е. "первенствующие", поскольку они составляют группу самых высокоорганизованных существ на Земле. Общей их чертой явилось значительное увеличение объема черепной коробки по отношению к величине всего тела, пятипалое строение конечностей. Особенно развилась у них хватательная способность передних конечностей. В ряду этих животных были полуобезьяны, лемуры и другие формы. Ответвились обезьяны, перешедшие целиком к лазающему способу существования в лесах. Появились бесхвостые человекообразные, среди которых учеными выделены, по данным раскопок, остатки так называемых дриопитеков (древесные обезьяны); среди них возникали иногда гиганты, достигавшие 3-х метров в высоту (гигантопитеки). Остатки человекообразных обезьян найдены и на территории СССР, близ селения Удабно в Грузии. Наибольшее количество материала по древним предкам человека обнаружено в Африке. Это были австралопитеки (южные обезьяны), сушества, которые ходили на двух ногах вертикально или слегка наклоняясь вперед и, несомненно, уже имели возможность сравнительно далеко уходить от лесной зоны. Их череп уже походил на человеческий, мозг весил около 650-700 г. Челюсти их менее выступали вперед, чем у обезьян. Зверообразный вид их предков у них сменился чертами, приближающимися к облику человека. Поэтому австралопитеки и гигантопитеки признаются за прямых предков человека.

Особенно интересные данные о прямых предках человека недавно были открыты в пределах Восточной Африки. В результате многолетних работ английского археолога Луиса С. Б. Лики в ущелье Олдовай, к северу от оз. Иаси, в северной части Танганьики, были открыты остатки древнего человека - зинджантропа, который уже умел изготавливать каменные орудия, но еще не знал огня.

Калий-аргоновым методом абсолютного летоисчисления была получена цифра от 1 570 000 до 1 890 000 лет. Была принята средняя цифра в 1 750 000 лет, что не означает, конечно, даты появления этого человека (по последним сообщениям, возраст олдовайских находок Л. С. Б. Лики сейчас пересматривается в сторону увеличения). Судя по строению зубов, очень крупных с гладкой жевательной поверхностью, зинджантроп был еще вегетарианцем. Он умел охотиться на зебру, антилопу, крокодила и даже на крупнейшего хоботного динотерия. Его современниками были саблезубый тигр и ряд других, позднее вымерших, животных. Зинджантроп питался растительной пищей, но мог ловить птиц, черепах, грызунов, змей, варанов и крокодилов.

Известны остатки китайского человека - синантропа, еще более близкого к современному человеку. Синантроп, живший в период времени 700-600 тыс. лет до современности, уже умел поддерживать огонь.

Его каменные орудия были уже лучше и, по-видимому, он одевался в шкуры и занимался охотой. Остатки синантропа обнаружены в пещере Чжоукоудянь, недалеко от Пекина, где установлены следы его длительного обитания.

В центральной Европе в то время обитал неандертальский человек, который владел огнем и примитивными каменными орудиями.

Человек по своему происхождению связан с миром животных, из которого уже миллионы лет назад выделились и обособились его предки, начав путь самостоятельного развития. Благодаря благоприятному для развития анатомическому строению, труду, приспособляемости и развившейся способности мыслить человек постепенно овладевал окружающей природой и одновременно изменялся сам. Поэтому, находясь в отдаленном родстве с остальными позвоночными, человек представляет собой в непрерывной цепи развития самое совершенное звено. Это помогло ему расселиться по всем континентам нашей планеты.

Таким образом, благодаря физико-химическим процессам, химико-биологическому возникновению живого вещества мертвая, безжизненная планета Земля за миллиарды лет эволюции организмов естественным ходом развития стала местообитанием сложнейшего мира бактерий, растений, животных и людей. Осваивая многообразные жизненные ресурсы природы, человек создает для себя наиболее благоприятную среду (жилье, одежда, пищевая база), изучает ее и в наше время проявляет интерес уже к другим планетам, к космосу.