Книга: Вам, земляне

Эволюция биосферы

Эволюция биосферы

При изучении истории развития Земли немыслимо игнорировать весь тот многообразный мир живых организмов, который образует ее биосферу. В геологии существует даже такой образный термин, как руководящие ископаемые. Так именуют остатки животных и растений, которые типичны для той или иной эпохи и по которым определяется возраст горных пород. Нередко удается найти лишь косвенные следы древних обитателей Земли, т. е. их отпечатки. Но и они могут красноречиво рассказать о том организме, который оставил такой отпечаток.

Сами ископаемые организмы обычно встречаются в форме окаменелостей. Именно по ним в основном и была составлена летопись земной жизни, совершившей поступательную прогрессивную эволюцию от простейших микроорганизмов до человека. Жизнь в историю Земли вошла незаметно. Это событие, случившееся около 3,5 млрд, лет назад, не оставило никаких следов. Скорее всего жизнь зародилась не в одном каком-либо районе Земли, а почти одновременно во многих местах планеты[23]. Но «пионеры» жизни, эти первичные и, несомненно, простейшие микроорганизмы, погибли бесследно, так как первоначально их было мало. Однако за короткий срок (и в этом одно из характерных свойств жизни) они дали многочисленное потомство, которое заметно проявило себя уже в масштабе всей планеты.

Родившись из неживого, жизнь первоначально как бы сохранила в себе отблеск молекулярной множественности. В этом была и слабость, и сила древнейших форм жизни. Слабость — в примитивизме организмов, сила — в их великом множестве.

Как уже отмечалось, пока не существует единой общепризнанной геохронологической шкалы. Различна и терминология. Так, в последнее время весь ранний период эволюции Земли, предшествовавший кембрийскому периоду, называют докембрием и определяют (правда, очень неуверенно) его продолжительность примерно в 3 млрд. лет. Что касается палеозоя, мезозоя и кайнозоя, то эти три эры иногда объединяют под общим названием фанерозой. Так как наша задача состоит в том, чтобы представить себе в самых общих чертах эволюцию биосферы, мы будем в дальнейшем придерживаться терминологии устоявшейся и вошедшей в учебники.

Уже в древнейшую, архейскую эру, длившуюся около 1 млрд, лет, существовали бактерии, одноклеточные сине-зеленые и многоклеточные водоросли. Свойства этих древнейших организмов определялись условиями внешней среды, в частности составом земной атмосферы. Есть основания полагать, что первичная атмосфера Земли, кроме водорода, метана, аммиака и водяных паров, содержала в изобилии инертные газы, прежде всего гелий и неон. Но они диссипировали, т. е. улетучились в мировое пространство, и к моменту появления жизни «вторичная» атмосфера Земли содержала, кроме того, углекислый газ и сероводород, выделившиеся из земных недр. Первичные микроорганизмы постепенно сокращали исходные запасы водорода, аммиака, метана, сероводорода. Так, серные бактерии окислили сероводород вулканического происхождения, а водородные бактерии — молекулярный атмосферный водород. Пурпурные и зеленые бактерии, а затем сине-зеленые водоросли, усваивая из атмосферы углекислый газ, обогащали ее выделяемым ими кислородом.

В слоях земной коры архейского возраста находят породы органического происхождения — известняки, мрамор, углекислые вещества. Они образовались в ходе жизнедеятельности древнейших обитателей Земли. Таково же происхождение древнейших залежей серы и железных руд.

В конце архея начались размножение живых организмов и фотосинтез. Новый способ образования потомства был закреплен естественным отбором и ныне стал господствующим в органическом мире. Что же касается фотосинтеза, то он не только радикально изменил атмосферу Земли, наполнив ее кислородом, но и положил начало разделению единого ствола жизни на две ветви — растения и животные.

Как известно, процесс фотосинтеза выражается уравнением 6СO₂+6Н₂O = С₆Н₁₂O₆+6O₂. Он стимулируется солнечной энергией, которая преобразуется в энергию химических связей. Благодаря фотосинтезу бедные энергией вещества (СO₂ и Н₂O) переходят в углеводы — сложные и весьма богатые энергией органические вещества.

Первые живые организмы Земли были автотрофными, т. е. поддерживали свою жизнедеятельность ресурсами внешней неорганической среды. Позже появились организмы гетеротрофные, питающиеся в основном живым или жившим, т. е. другими организмами или их остатками. Связь с неорганической природой, естественно, сохранилась: подавляющая часть растений автотрофны. Но для животных, этих гетеротрофов, такая связь опосредствована — они не могут жить, не употребляя в пищу живое или жившее.

Палеонтологические исследования «корней» земной жизни показывают, что уже в архейскую эру появились многоклеточные организмы. Это в дальнейшем привело к дифференциации тканей, органов и их функций. Родоначальниками простейших растений и животных считаются жгутиковые — древнейшие одноклеточные организмы. Однако уже в архее существовали организмы типа медуз или гидроидных полипов.

Первичная жизнь, активно используя запасы сложных органических соединений, этих полуфабрикатов жизни, в конце концов истощила их запасы настолько, что в последующие эпохи зарождения жизни, по-видимому, не происходило. Этому мешало, конечно, и обилие живых существ, готовых употреблять в пищу любой органический комочек, в котором вдруг затеплилась жизнь.

В течение протерозойской эры, длившейся около 2 млрд, лет, бактерии и водоросли господствовали повсеместно. Великое множество мельчайших существ проявили себя прежде всего как «образователи» пород и руд. Их деятельность приобрела поистине планетарный характер, и следы ее остались в виде железных и марганцевых руд, осадочных сульфидных минералов, кремнистых сланцев и т. п. Именно в эту отдаленную от нас эпоху сформировались залежи железных руд в Криворожье, под Курском, в Воронежской области и Прибалтике. В пределах современных континентов водоросли протерозойской эры отложили карбонатные породы мощностью более 1000 м.

Остатки животных в отложениях протерозоя встречаются редко. И все же по этим следам давным-давно угасшей жизни видно, что в протерозое уже существовали радиолярии, кремневые губки, простейшие черви. Найдены отпечатки медуз и членистоногого животного «ксенусиона» — прародителя будущих трилобитов.

В палеозойскую эру, которая началась примерно 570 млн. лет назад и продолжалась около 330 млн. лет, на арену жизни вышли новые группы организмов. Масса «живого вещества» планеты продолжала расти, усложняясь и разнообразясь в своей структуре, В морях появились и быстро размножились археоциаты — беспозвоночные животные с известковым, подчас весьма причудливым скелетом. Они сильно потеснили водоросли и на мелководье занялись строительством рифов. Почти одновременно с археоциатами на дне палеозойских морей возникли древнейшие членистоногие — трилобиты, внешне отдаленно напоминающие современных раков. Трилобиты просуществовали на дне морей всю палеозойскую эру и вымерли лишь к ее концу.

С самого начала палеозойской эры растения решительно стали «пробиваться» на сушу. Их выход на сушу совершался в прибрежных бассейнах, и первые «десанты» выбросили сине-зеленые водоросли. За ними последовали красные и зеленые водоросли, обладавшие корневой системой и специализацией клеточных тканей. Агрессия растений оказалась столь успешной, что уже во второй половине палеозойской эры (в каменноугольный период) папоротниковые леса обильно покрыли огромные пространства суши. Отдельные папоротниковые деревья достигали в высоту 30–40 м и в толщину более 2 м. Пышная растительность насытила атмосферу кислородом, коренным образом изменив ее состав. Жизнь в новой обстановке выработала у растений новые качества, облегчившие приспособление к окружающей среде. Растения научились защищаться от безводья, у них усовершенствовались ткани, появился бесполый способ размножения. От этой эпохи массового развития растений остались многочисленные следы в форме залежей каменного угля.

Животный мир в палеозойскую эру был очень богат. В морских отложениях найдено около 15 000 видов морских животных — иглокожих, плеченогих, кораллов, головоногих моллюсков и других. По дну морей ползали ракоскорпионы, достигавшие в длину 3 м. К середине палеозойской эры, в силурийский период появились первые бесчелюстные позвоночные. Это были неуклюжие существа с хрящевым скелетом и костными щитами, покрывавшими головную и переднюю часть туловища. Остальная его часть и хвост были защищены чешуей. Эти «панцирники» больше ползали по дну, чем плавали. Во многом они уступали акулоподобным рыбам, крупнейшим в ту пору морским животным, достигавшим в длину нескольких метров.

Вслед за растениями вышли на сушу и животные. По-видимому, первыми «десантниками» были потомки кистеперой рыбы (цела- канта), обладавшей двойным дыханием (в воздухе и в воде). Ее плавники по строению напоминали конечности наземных позвоночных. Любопытно, что сравнительно недавно несколько экземпляров целаканта было выловлено у берегов Африки.

Потомки кистеперых рыб еще в палеозойскую эру дали начало наземным позвоночным животным. Их плавательный пузырь выполнял функции примитивного легкого, а плавники годились для ползания. Естественный отбор постепенно превратил этих «двойственных» животных в земноводных, живших по берегам водоемов.

К концу палеозойской эры часть земноводных оказалась способной к дальнейшему завоеванию суши. У них образовался роговой кожный покров, предохраняющий от высыхания. Постепенно земноводные дали начало первым пресмыкающимся. Одни из них были травоядными, другие хищными. Особенно любопытны зверозубые пресмыкающиеся, внешне несколько напоминающие современных хищников и имеющие тот же набор зубов, что и млекопитающие.

В палеозойскую эру жизнь захватила не только море и сушу, но и воздух. Еще в каменноугольный период появились летающие насекомые, размах крыльев у которых иногда достигал 1 м. Жизнь прорвалась в атмосферу.

Примерно 240 млн. лет назад началась мезозойская эра, которая продолжалась около 165 млн. лет. Она характерна прежде всего безраздельным господством пресмыкающихся. Какие только причудливые формы они ни принимали! Жутко было бы очутиться в обществе этих подчас исполинских чудовищ, отлично описанных в научно-фантастической литературе и живо воспроизведенных средствами кино. Пресмыкающиеся завладели всеми тремя средами — сушей, морем, воздухом. Первоптицы (археоптериксы) внешне напоминали не только птиц — это была переходная форма от пресмыкающихся к современным птицам.

В растительном мире произошли существенные перемены. Резко сократилось количество папоротниковых и голосеменных растений. Им на смену пришли широколиственные покрытосеменные растения. Одновременно развились высшие формы насекомых-опылителей: бабочек, шмелей, пчел, мух.

Но самое главное событие мезозойской эры — появление первых млекопитающих. Поначалу трудно было увидеть великое будущее в этих мелких хищных зверьках, внешне напоминающих современных крыс или ежей. Вероятно, их прародителями следует считать зверозубых пресмыкающихся. Млекопитающие были теплокровными животными с четырехкамерным сердцем, обеспечивающим усиленный обмен веществ и энергии. В отличие от пресмыкающихся они и в холодное время могли вести активную жизнь, а их зародыши развивались внутри тела матери и после рождения вскармливались ее молоком. К концу мезозойской эры млекопитающие быстро расселились по Земле, сосуществуя со все еще господствующими пресмыкающимися.

Эра, в которую мы живем, называется кайнозойской. Началась она около 70 млн. лет назад, и начало ее было отмечено прежде всего окончательным вымиранием крупных пресмыкающихся. Исчезли многие группы головоногих моллюсков. Органический мир Земли постепенно приобретал современный облик.

Членистоногие животные, особенно насекомые, достигли, по-видимому, вершины прогресса. Многообразие их видов (около миллиона!) поразительно. Эти маленькие существа с необычайно развитыми и сложными инстинктами на поверхности Земли встречаются почти повсеместно. Однако господствующее положение в животном мире все же занимают млекопитающие.

С бурным развитием цветковых растений млекопитающие и птицы получили прочную кормовую базу. Среди млекопитающих выделились группы, от которых пошли современные грызуны, китообразные, травоядные, хищные и другие животные. И самое главное, в кайнозойскую эру появились обезьяны, давшие ветви, которые в конечном счете породили первое мыслящее существо — человека.

Каковы же главные черты и особенности этого великого процесса органической эволюции? Прежде всего бросается в глаза прогрессивный характер эволюции. Несмотря на отдельные отступления и неудачи, развитие органического мира Земли идет в целом от низшего к высшему. Однажды появившись, жизнь оказывается необычайно стойкой. Непрерывно завоевывая себе все новые и новые области, живые организмы множатся и совершенствуются.

«Эволюция органического мира, — писал акад. И. И. Шмальгаузен, — в целом имеет прогрессивный характер: она неуклонно ведет к усложнению организации, к созданию все высших форм жизни. В эволюции позвоночных прогрессивное развитие центральной нервной системы начинает играть явно руководящую роль, и высшие их формы определяются уровнем развития полушарий головного мозга»[24].

«Древо эволюции» корнями уходит в неорганический мир. Его вершина отмечена приматами и человеком. Но какое многообразие ветвей! Перед нами действительно огромное «дерево», выросшее из ничтожного «семени». Возможно, что некоторые его ветви «тупиковые». Такова, например, ветвь насекомых, достигших, судя по всему, апофеоза в своем развитии.

Но ветвь, к которой принадлежит человек, явно прогрессирует, значит, эволюционное дерево живет, и кто может сказать, какие еще оно даст побеги?

Секреты эволюционного прогресса были, как хорошо известно, раскрыты в основном Чарльзом Дарвином. «Три кита» дарвинизма — изменчивость, наследственность и естественный отбор — объясняют то, что до Ч. Дарвина считалось проявлением сверхъестественных сил. По словам Ф. Энгельса, Ч. Дарвин нанес сильнейший удар метафизическому взгляду на природу, доказав, что весь современный органический мир, растения и животные, а следовательно, и человек есть продукт процесса развития, длившегося миллионы лет[25].

Естественный отбор подхватывает любое полезное для организма наследственное изменение и закрепляет его в потомстве. Этот природный механизм, по мнению Ч. Дарвина, не только объясняет прогрессивный характер эволюции в прошлом, но обеспечивает и будущий прогресс.

Разумеется, развитие человеческого общества подчиняется особым социальным законам, и принципы дарвинизма не могут быть использованы в социологии. Но в отношении других живых существ прогнозы Ч. Дарвина вряд ли можно оспаривать.

Материал для естественного отбора поставляет изменчивость организмов. Эти случайные изменения либо отсекаются отбором (если они неудачны), либо дают начало новым ветвям «древа эволюции».

«Только не совсем понятно, — пишет Р. Баландин[26], — почему в некоторых случаях (скажем, у наших предков) отклонения устойчиво идут в сторону усложнения отдельных органов и всего организма. В нашем „энтропичном“ мире, казалось бы, несравненно вероятнее путь в противоположном направлении. С увеличением числа взаимодействующих клеток стремительно, по экспоненте убывает вероятность таких изменений. К тому же по скорости размножения более простые организмы (простейшие и т. п.) несравненно превосходят „сложные“ (млекопитающих), предоставляя в изобилии материал для отбора (число „нестандартных“ особей). Тем более прогресс, казалось бы, должен затухать. А он идет с ускорением! Совершенствуются и взаимосвязи нервных клеток и сами клетки. Почему?

Способностью приспосабливаться к внешним условиям микробы превосходят любые более сложные существа. Почему же простые, но столь надежные твари, перенесшие все превратности геологической истории и процветающие поныне, стали превращаться во все более сложные и нежные создания?»

То, что эволюция идет от форм более вероятных к формам менее вероятным, хорошо иллюстрируется на явлении, получившем наименование принципа цефализации. Так, начиная с кембрия, около 570 млн. лет идет усложнение и усовершенствование строения нервной системы. Этот неуклонный и «невероятный» процесс в конце концов подготовил величайшее событие в истории Земли — появление человека.

Экспансия, агрессивность жизни — еще одна характерная черта эволюции. Если бы внешние условия не мешали размножению организмов, они за чрезвычайно короткие сроки породили бы огромные массы живого вещества. Так, некоторые бактерии за несколько суток могут дать потомство, равное по массе земному шару! У высших организмов этот «напор жизни» слабее, но подчас проявляет себя весьма заметно. Жизнь всегда стремится занять как можно больше «места под Солнцем». Живые организмы стараются пропустить через себя и переработать возможно большее количество неживого вещества.

Экспансия жизни выражается и в биологическом состязании организмов, в этой разновидности борьбы за существование, которой Ч. Дарвин и другие эволюционисты посвятили немало красноречивых страниц.

Эволюция земной биосферы никогда не была процессом, изолированным от внешней космической среды. Наоборот, множество фактов доказывает, что космические влияния были очень существенными. В частности, немалая роль принадлежала Солнцу, точнее колебаниям его активности. Эти колебания отражались в периодических сменах климатических условий на Земле, в движениях земной коры, вызывающих смену суши и моря, а все перемены внешней среды не могли не сказаться на ходе эволюции биосферы.

Характерно, что именно к эпохам смены климатов, трансгрессий и регрессий, подчас значительных даже в глобальных масштабах, приурочены главные этапы видообразования и коренного обновления флоры и фауны планеты. Это, в частности, относится и к появлению человека во время четвертичного оледенения. Палеонтологическая летопись (разделение на эры, периоды, эпохи) основана на том, что границы временных интервалов отмечены радикальными изменениями климата, живых организмов и структуры поверхностных слоев нашей планеты.