Палеонтологические доказательства
Палеонтология – наука о животных и растениях прошлых геологических эпох, изучаемых по их следам жизнедеятельности и по ископаемым остаткам. Основоположниками палеонтологии считаются: Ж. Кювье (палеонтология позвоночных), Ж.Б. Ламарк (палеонтология беспозвоночных), А. Броньяр (палеоботаника). Термин «палеонтология» был предложен в 1822 году А. Бленвилем, и получил распространение в 30-ые годы ХIХ века, благодаря работам Г.И. Фишера фон Вальдгейма. Основы современной эволюционной палеонтологии были заложены В.О. Ковалевским. Обычно палеонтологию подразделяют на палеозоологию и палеоботанику, часто выделяется как отдельная отрасль палеоэкология. Основные задачи палеонтологии: выяснение ранних этапов эволюции жизни, выделение основных стволов органического мира, уточнение путей исторического развития органического мира, выявление основных его этапов и событий, что важно для –понимания истории становления биосферы и дальнейших перспектив ее эволюционирования.
Результаты палеонтологических исследований широко используются в качестве доказательств существования макроэволюционных процессов. Основой палеонтологических исследований является изучение ископаемых остатков. Это позволяет выявить черты сходства и различия ископаемых форм и ныне живущих, установить степень их родства и возможные пути их происхождения и эволюционирования. По ископаемым остаткам палеонтологи восстанавливают примерный внешний вид и строение древних организмов такими, какими они были при их жизни. В земных пластах сохраняется только малая часть остатков. Мягкие ткани обычно разлагаются, не оставляя следов. Твердые части тела, разрушаясь, обычно замещаются кремнеземом и другими солями из почвенного раствора, образуя окаменелость. Если в горной породе остается полость, отражающая форму тела умершего организма, со временем она заполняется илом или песком и, затвердев, формируют окаменевший слепок. Аналогично образуются слепки с рельефом внутренней поверхности каких-либо полостей тела организма. В некоторых случаях, при высоких температурах внутри земных пластов ткани отмерших организмов могут обугливаться и оставлять на горной породе оттиск, наподобие типографского. В горных породах, чаще всего вулканической природы, сохраняются отпечатки частей тела вымерших животных и растений. В слоях горных пород разного возраста обнаруживаются почти полные скелеты, зубы, панцири, рога, копыта, чешуи, раковины, окаменевшая пыльца. Однако и они могут претерпевать некоторые изменения, например, костная ткань со временем приобретает охристый оттенок, за счет насыщения тканей солями железа из почвенного раствора. Большую сложность представляет изучение докембрийских отложений, в которых следы жизни встречаются крайне редко, в виде бактерий и их спор, скелетных образований диатомовых водорослей, остатков одноклеточных животных. Разглядеть их можно только на тонких шлифах горных пород. Особенно благоприятны для исследования осадочные железные и марганцевые руды, глинистые морские и пресноводные отложения, бокситы и фосфаты.
Для определения возраста горных пород используют разнообразные методы геохронологии. Методы «относительной геохронологии» исходят из того, что поверхностный пласт всегда моложе лежащего под ним. На основании изучения последовательности напластований слоев геологического разреза, составляется стратиграфическая схема данного района. При этом учитывается и специфический для каждого геологического времени видовой состав животного и растительного мира («руководящие ископаемые»).
Методы «абсолютной геохронологии» основаны на естественной радиоактивности некоторых химических элементов. Впервые это явление как эталон времени предложил использовать П. Кюри. Методы эти получили название «геологических часов»: калий-аргоновых, углеродных, урановых. При этом, зная, период полураспада радиоактивных элементов, и, измерив соотношение количества радиоизотопов и продуктов его полураспада, достаточно точно можно определить возраст палеонтологических находок. Так, например, за каждые 100 миллионов лет от 1 кг урана остается 985 г этого элемента и образуется 13 г свинца и 2 г гелия, то есть, чем больше в породе радиоактивного свинца, тем пласт древнее. Для определения геологического возраста до 50 тысяч лет широко применяется радиоуглеродный метод. Он основан на том, что под действием космической радиации в атмосфере Земли азот превращается в радиоактивный изотоп углерода 14 С , с периодом полураспада 5 750 лет. Живые организмы постоянно обмениваются веществом с окружающей средой, поэтому сохраняют постоянное количество 14 С, а со смертью и прекращением обмена, количество 14 С сокращается. По количеству остатка изотопа и определяют возраст ископаемых остатков.
Интересно использование методов дендрохронологии, в основе которых лежит принцип нарастания годичных колец древесины в соответствии с определенными климатическими условиями. Применяя этот метод, можно составлять кривые годичных колебаний климата на несколько тысяч лет (по деревьям-долгожителям, например, секвойе, в Америке, и по результатам анализа древесины многих деревьев в Евразии). С помощью этого метода археологи достаточно точно датировали возраст построек древнего Новгорода.
Подобные «годичные и суточные кольца» образуют линии отложения карбоната кальция в скелете (эпитеке) рифообразующих коралловых полипов, как было доказано американским палеонтологом Дж. Уэлсом (1963 год). Он подсчитал, что в «годовом поясе» современных кораллов насчитывается примерно 360 линий, что соответствует приросту по одному кольцу в день. У древних кораллов «годовой пояс» представлен 385-395 линиями, что количество дней в году в далекое геологическое время было больше, чем в наше время, что подтверждено палеонтологическими данными и астрономическими вычислениями. Земля в то время вращалась быстрее, и в сутках было не более 22 часов.
Возраст Земли определяется в 4,5-7 млрд. лет. История Земли подразделяется на длительные промежутки времени - эры, эры – на периоды, периоды – на эпохи, а эпохи – на века. Названия эр – греческого происхождения: катархей – ниже древнейшего, архей – древнейший, протерозой – первичная жизнь, палеозой – древняя жизнь, мезозой – средняя жизнь, кайнозой – новая жизнь. Названия периодов происходят:
-либо от того географического района, где впервые были изучены отложения данного времени (Девон – по названию графства в Англии, Пермь – от названия города Пермь, Юра - по названию гор Юра во Франции);
-либо отражают преобладание отложений определенного типа (Мел – массовое образование слоев писчего мела, Карбон – формирование залежей каменного угля);
-либо по названию древних племен, обитавших на данных территориях (силур, ордовик).
Разделение на эры и периоды не случайно. Окончание одной эры и начало другой знаменовалось существенными преобразованиями облика Земли, изменением соотношения суши и моря, интенсивными горообразовательными процессами.
На основе результатов исследований ископаемых остатков были разработаны основные палеонтологические методы изучения и доказательства макроэволюции: выявление ископаемых промежуточных форм, восстановление филогенетических рядов, выявление последовательности ископаемых форм, изучение смены флор и фаун, смены экосистем.
Восстановление филогенетических рядов. Филогенетические ряды – ряды видов, последовательно сменяющих друг друга в процессе эволюции. По числу найденных промежуточных звеньев такой ряд может быть более или менее подробным, но во всех случаях это должен быть ряд форм, близких не только основными, но и частными деталями, генеалогически связанных друг с другом. К настоящему времени известно довольно много палеонтологических рядов: лошадей, носорогов, слонов, моллюсков.
Основоположником учения о филогенетических рядах является В.О. Ковалевский, впервые описавший последовательные ряды ископаемых форм лошадиных. По мнению В.О. Ковалевского, наиболее древний предок лошади эогиппус (начало палеогена, эоцен) был ростом с лисицу, имел четырехпалые передние конечности и трехпалые задние, бугорчатые зубы травоядного типа. Жил он в местностях с теплым и влажным климатом среди высоких трав и кустарников, питался, в основном, листвой, передвигался скачками. Его филогенетический потомок - меригиппус (конец палеогена, олигоцен) был несколько крупнее и имел четко выраженную трехпалую переднюю конечность. К концу неогена растительность стала более сухой и грубой, появились огромные степные пространства, поэтому естественный отбор среди предков лошади (парагиппус или гиппарион, распространенный в миоцене, и плиогиппус, живущий в плиоцене) был направлен на удлинение ног, формирование копыта, на образование складчатых зубов, характерных для видов, питающихся травой. Однако, построение филогенетических рядов имеет некоторое ограничение: его можно применять только к таксонам невысокого ранга.
Выявление ископаемых промежуточных форм. Установление факта постепенного эволюционирования в линиях таксонов невысокого ранга (филогенетические ряды) показало существование преемственности между современными и ископаемыми видами. Но противники эволюционной теории утверждали, что систематические группы более высокого ранга не могли произойти друг от друга, а явились результатом отдельного акта творения. Поэтому нахождение ископаемых переходных форм представляет особый интерес как доказательство макроэволюции. Ископаемые переходные формы – формы организмов, сочетающие в себе признаки более древних и молодых групп. Поиски и детальные описания таких форм служат основой восстановления филогенеза отдельных групп.
Яркий представитель переходных форм – ископаемая ихтиостегия, позволяющая связать рыб с наземными позвоночными. Переходной формой от рептилий к птицам является юрская первоптица археоптерикс с длинным, как у рептилии, хвостом, несросшимися позвонками и брюшными ребрами, с развитыми зубами, но с телом, покрытым перьями, ногами с цевкой и с развитыми крыльями. Звероподобная рептилия лиценопс из группы терапсид имела вторичное костное небо, дифференцированные зубы, как млекопитающее, но по многим признакам строения и по образу жизни была рептилией.
Примером в растительном мире могут служить псилофиты – небольшие растения, произраставшие по берегам морей. У них имелся разветвленный стебель, часто покрытый чешуевидными выростами, подземная часть напоминала корневище с ризоидами. Корней и листьев еще не было, но имелись покровные ткани (эпидермис с устьицами), механические, проводящие. Псилофиты произошли от зеленых водорослей, и являются переходной формой от низших бессосудистых споровых к высшим споровым сосудистым растениям. Наличие ископаемых переходных форм свидетельствует о родстве между отдельными группами живых организмов, что позволяет строить филогенетические или родословные древа.
Выявление последовательности ископаемых форм. Палеонтологические ряды реконструируются на основе анализа отдельных разрозненных остатков, часто найденных на разных территориях. При этом, в связи с недостатком материала, могут наблюдаться «выпадения» некоторых звеньев этих рядов. При определенных благоприятных условиях в ископаемом состоянии в одном и том же месте могут сохраниться все вымершие формы. При послойном анализе таких отложений можно установить истинную последовательность возникновения и изменения форм в процессе эволюции. Анализ последовательности ископаемых форм дает возможность определить реальную скорость протекания эволюционного процесса. Классическим примером построения последовательности ископаемых форм является последовательность ископаемых форм верхнеплиоценовых брюхоногих моллюсков рода гираулус из Вюртемберга (Германия), составленная в 1969 году И.И. Шмальгаузеном.
Изучение смены флор и фаун, смены экосистем. Преемственность в развитии флоры и фауны любой области многократно нарушалась горообразовательными процессами, наступлениями и отступлениями моря. Тем не менее, сопоставление ископаемых остатков из земных пластов разных геологических эпох убедительно свидетельствуют об изменении органического мира во времени. В самых древних пластах заключены только остатки представителей разных типов беспозвоночных, а в более поздних пластах встречаются остатки примитивных представителей типа хордовых. В еще более молодых пластах палеонтологи находят ископаемые остатки древних позвоночных, вплоть до видов, в значительной степени сходных с ныне живущими. То же можно сказать и о растительных ископаемых формах: самые древние пласты содержат остатки скелетных образований диатомовых водорослей, споры бактерий; выше в пластах залегают остатки примитивных споровых, ближе к поверхности – остатки голосеменных и цветковых.
Применение современных палеомагнитых, палеохимических, радиоавтографических и других методов исследования позволяет выяснить особенности климатических условий прошлого и условий существования, например, соленость того или иного участка океана, температуру воды, газовый состав атмосферы. На этой основе возникает реальная возможность реконструировать экосистемы прошлого, выяснить их последовательную смену в процессе эволюции конкретных участков Земли. Это позволяет не только установить причины и характер смен экосистем в прошлом, но и наметить перспективы их современных изменений.