Происхождение жизни и эволюция ее форм

Эволюционный взрыв» в начале кембрия

Археозойская и протерозойская эры геологической истории Земли оставили чрезвычайно мало ископаемых остатков организмов, поэтому обе эти эры называют этапом скрытой жизни или криптозоем. Наиболее важными событиями в криптозое стали появление прокариотных одноклеточных организмов, способных к фотосинтезу, переход к эукариотному уровню организации клетки и возникновение многоклеточных организмов. И вот после «немых» осадочных пород криптозоя в кремнистых сланцах, соответствующих началу кембрийского периода (около 570 млн лет назад) внезапно появляется огромное разнообразие и обилие остатков ископаемых организмов. Среди них и низшие многоклеточные (губки, кишечнополостные), и высокоразвитые типы животных (плеченогие, моллюски, членистоногие и др.). В осадочных породах позднего кембрия находят почти все известные типы многоклеточных животных. Этот взрыв формообразования в начале кембрийского периода - одно из самых загадочных событий в геологической истории Земли. Благодаря этому криптозой часто называют докембрием, а всю последующую историю Земли - этапом явной, наблюдаемой жизни или фанерозоем.

Что же привело к этому «эволюционному взрыву»? Некоторые ученые считают, что он был обусловлен катастрофическими изменениями внешних условий, например, повышением уровня жесткой космической радиации в результате взрыва Сверхновой звезды на близком расстоянии от Солнца. Это привело к резкому усилению мутационных процессов и, как следствие, возникновению новых организменных форм. Однако, такая концепция не выдерживает критики, так как эволюционные изменения обычно порождаются малыми мутационными сдвигами, а сильные мутации, как правило, летальны. Вообще к «катастрофическим» объяснениям эволюционных явлений, особенно опирающимся на такие космические аномалии, как взрывы и столкновения, следует относиться очень осторожно, предпочитая им концепции, основанные на анализе конкретных земных факторов.

Одна из таких концепций, выдвинутая в 60-е годы XX века (Л. Беркнер и Л. Маршалл), связывает «эволюционный взрыв» в начале кембрия с изменением содержания свободного кислорода в земной атмосфере. Как уже отмечалось выше, зарождение жизни произошло в бескислородной атмосфере. Необходимую энергию для протекания жизненных процессов организмы получали тогда в результате анаэробной диссимиляции (брожения)

С₆Н₁₂О₆ ® 2СН₃СН₂СН + 2СО₂ + 210 кДж/моль.

Эта химическая реакция в 14 раз энергетически менее эффективна, чем аэробная диссимиляция (дыхание)

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ® 6СО₂ + 6Н₂О + 2870 кДж/моль.

Но для этой реакции требуется свободный кислород, которого тогда в атмосфере не было. Он стал накапливаться, когда в синезеленых водорослях начался процесс фотосинтеза. Около 600 млн лет назад содержание свободного кислорода в атмосфере достигло 0,01 от современного (так называемая точка Пастера). Именно с этого момента дыхание становится основным источником энергии организмов, что резко интенсифицирует метаболизм и все жизненные процессы. Это и явилось предпосылкой к ускорению эволюционных преобразований.

Кроме того, при содержании кислорода в атмосфере 0,01 от современного начал формироваться озоновый экран, который защищал от жесткой ультрафиолетовой радиации сначала верхние слои водоемов, а затем и сушу, где условия для повышения разнообразия форм становятся более благоприятными, чем в глубинах океана.

Все это и привело к тому, что в течение всего 15 млн лет кембрийского периода в палеонтологической летописи Земли появились представители почти всех известных типов организмов.

Биологическое многообразие живых организмов

Таблица 13.2

Царство	Число видов, известных науке
Животные	1 500 000
Растения	300 000
Грибы	100 000
Бактерии	6 000
Вирусы

убедительно показана нестабильность таких систем, их уязвимость. Так изъятие, гибель даже одного вида может повлечь сильное повреждение и гибель данной системы.

Соотношение индивидуального и эволюционного

Развития организмов

Особенности организации ныне существующих организмов являются результатом исторического развития (филогенеза) соответствующего таксона. В процессе же индивидуального развития (онтогенеза) можно увидеть отражение тех эволюционных преобразований (в длинном ряду предковых форм), которые привели к появлению современных организмов. Познание сущности связи между историческим и индивидуальным развитием организмов имеет большое значение для понимания эволюционного процесса.

В начале прошлого века К. Бэр сформулировал закон зародышевого сходства. Согласно этому закону, чем более ранние стадии индивидуального развития сравниваются, тем больше сходства обнаруживается между разными видами. Замечательным признаком зародышевого сходства считал К. Бэр закладку жаберных щелей у зародышей всех позвоночных животных, в том числе и наземных, и даже человека. К. Бэром была установлена еще одна существенная закономерность - чем ближе в родственном отношении находится сравниваемые группы организмов, тем больше сходства наблюдается между их зародышами. Ч. Дарвин придавал большое значение обнаруженным закономерностям эмбрионального развития животных. Во-первых потому, что это подтверждало единство происхождения всех животных, а во-вторых, изучение индивидуального развития организмов проливает свет на их происхождение, поскольку «в зародыше можно видеть смутный портрет предка». Это положение и легло в основу знаменитого биогенетического закона, установленного Э. Геккелем и Ф. Мюллером (1866). Суть этого закона емко выражена в формулировке Геккеля: «Онтогенез является кратким и быстрым повторением филогенеза». Процесс повторения (воспроизведения) признаков предков (филогенетических признаков) в онтогенезе называется рекапитуляцией. Э. Геккель следующим образом иллюстрировал биогенетический закон на примере развития человека. Оно начинается с одной клетки - зиготы (оплодотворенной яйцеклетки), что воспроизводит особенность организации очень дальнего предка человека - одноклеточного существа. Спустя некоторое время формируется зародыш шаровидной формы (так организованы некоторые колонии простейших), далее двуслойный зародыш - гаструла (так организованы кишечнополостные животные). На определенной стадии у зародыша человека имеется хвост и жаберные щели (как у рыб). Наконец у поздних эмбрионов человека имеется сплошной волосяной покров и ступня, сходная по строению со ступней обезьяны, но перед самым рождением ребенка волосяной покров тела сбрасывается, а ступня приобретает форму, свойственную человеку. Таким образом, в ходе эмбрионального развития зародыш человека «прошел» через все этапы своего исторического развития, прежде чем принял свойственное человеку строение. Явление рекапитуляции широко используется в систематике для установления степени родства между разными видами и группами живых организмов.

Вопросы для самопроверки:

1. Каковы современные гипотезы происхождения жизни?

2. В чем сильные и слабые стороны гипотезы Опарина - Холдейна?

3. Каково значение идей эволюционизма для естествознания?

4. Каковы движущие силы биологической эволюции?

5. Теория Ч. Дарвина и синтетическая теория эволюции. Что их объединяет?

6. Каковы основные направления эволюции организмов?

Происхождение жизни и эволюция ее форм