Эволюция биосферы на Земле: от зарождения жизни до гибели динозавров

В рамках научно-популярного марафона «Неделя Дарвина» в НГУ прошла лекция заведующего научно-образовательным центром «Эволюция Земли» НГУ Игоря Косенко «Революции в эволюции», на которой рассказал о зарождении жизни на нашей планете и самых важных событиях эволюции жизни на Земле. Он отметил, что эволюция всего живого происходит постоянно и продолжается даже в наше время, но в далеком прошлом происходили события, коренным образом изменившие облик биосферы Земли.

Первые жители планеты

— Возраст нашей планеты — около 4,5 миллиардов лет. Вся ее история делится на несколько крупных периодов, называемых эонами. О первом — катархее — свидетельств сохранилось очень мало. Большинство представлений о нем ученые строят на основе моделирования. В катархее наша планета только начала приобретать современную форму. Образовывались геосферы: формировались ядро, мантия и первая земная кора. Тогда же в результате столкновения молодой Земли с огромным космическим телом, размером приблизительно с Марса, возникла Луна, — рассказал Игорь Косенко.  

Следующий эон — архей — наступил 3,8 миллиарда лет назад. Именно тогда на молодой планете начала зарождаться жизнь, а позднее появились первые фотосинтезирующие одноклеточные организмы. Это и стало первым революционным событием в эволюции всего живого на Земле. Ученые выдвигают две гипотезы возникновения жизни на Земле. Согласно одной, первые органические молекулы образовались в результате взаимодействия неорганических соединений, а затем путем долгой химической эволюции получили способность к самовоспроизводству. Сторонники другой — гипотезы панспермии — считают, что жизнь на нашу планету была занесена из глубин космоса предположительно в результате падений метеоритов.

В архее произошло важнейшее событие в истории Земли — возникновение последнего универсального предка всего живого на планете. Ученые назвали его LUCA (last universal common ancestor). По современным генетическим молекулярным данным, он существовал 3,8 миллиарда лет назад.

Важнейшим событием архея стало появление фотосинтеза. Это один из способов накапливать органическое вещество из неорганического, продуктом которого является производство кислорода, необходимого для дыхания большинства современных организмов.

— Долгое время на Земле кислорода практически не было, и все живое привыкло жить в бескислородных условиях. Тогда на планете обитали простейшие организмы — прокариоты, безъядерные археи и бактерии. Для них появление кислорода стало катастрофой, и наступило первое на Земле вымирание, — пояснил ученый.

Жизнь усложняется

2,5 миллиарда лет назад начался протерозойский эон. К тому времени сформировались примитивные экосистемы, образованные цианобактериальными матами, которые состояли из прокариот и располагались на дне водоемов или в их прибрежной зоне. Уже тогда среди простейших одноклеточных стали появляться продуценты, консументы и редуценты. Кстати, именно цианобактериальные маты первыми начали производить кислород.

Еще одной революцией в эволюции жизни стало появление эукариотов — живых организмов, клетки которых содержат ядро и митохондрии, — около 2 миллиардов лет назад. Следующее революционное событие произошло только спустя миллиард лет, когда появилось половое размножение. Первыми этот способ воспроизводить себе подобных освоили красные водоросли.

— Важнейшей вехой в эволюции экосистем стала эдиакарская биота, которая существовала 635—542 миллиона лет назад. Это были уже более сложные многоклеточные мягкотелые организмы, обитающие на морском дне. Известно, что они располагались на поверхности грунта, не зарываясь в него. Представители эдиакарской биоты имели трубчатую и часто ветвящуюся структуру и часто напоминали стеганое одеяло. Хорошо сохранившиеся отпечатки этих существ палеонтологи находят в нескольких точках планеты, в том числе в Восточной Сибири. Некоторые из эдиакарских организмов напоминают моллюсков и членистоногих и, возможно, были их предками, другие же организмы не имеют современных аналогов, — рассказал Игорь Косенко.  

Кембрийский взрыв

Этот ярчайший период в истории жизни на Земле произошел примерно с 541 до 485 миллионов лет назад. Внезапно появилось огромное количество морских животных. Сначала это были разнообразные членистоногие, моллюски, брахиоподы, коралловые полипы. Живые существа разделились на хищников и жертв. Возникли первые хордовые, к которым относятся все позвоночные животные, включая человека. Усовершенствовались органы чувств, животные обрели зрение — у них образовались глаза. Но главное — у организмов появился твердый скелет. Древнейшие животные больше не прозябали на поверхности морского дна — они научились зарываться в грунт.

Это было время больших эволюционных экспериментов. Встречались животные, у которых было 5 глаз, или странные хватательные хоботки. Многие из них вымерли, не оставив потомков, но немалая часть выжила и эволюционировала до современных организмов. А вот брахиоподы лингулы за 540 миллионов лет своего существования особых эволюционных изменений не претерпели — они имеют прежнее строение и форму, правда, геном изменился.

Господство рыб

Масштабная эволюция жизни на нашей планете началась в палеозойской эре, которая наступила 538 миллионов лет назад. Если для кембрия характерно появление разнообразных типов скелетных животных, то следующий период — ордовик — ознаменовался возникновением кораллов — главных животных-рифостроителей. Образовались новые экологические ниши, например, моллюски, ведущие планктонный образ жизни, которые не пребывали на дне, а парили в толще воды. Иглокожие достигли максимального разнообразия. Моря населили морские бутоны, морские лилии, морские пузыри. Для них это было самое благоприятное время в истории Земли.

В силуре и девоне появились нектонные организмы, свободно плавающие в толщах воды. Были среди них и хищники. Бурная эволюция рыб наступила в девоне. Появились первые макрохищники — гигантские панцирные рыбы длиной до 6 метров и примитивные акулы. Первые многоклеточные организмы — растения — стали выходить на сушу. Правда, распространяются они пока неподалеку от воды. К началу девонского периода их примеру следуют и членистоногие — паукообразные и скорпионоподобные организмы.

— Важнейшим событием стало появление тетраподов — четвероногих высших животных. Ранее позвоночные были представлены рыбами, многие группы которых, например, панцирные, безвозвратно вымерли в палеозое, а кистеперые эволюционировали в первых земноводных. Считается, что древние кистеперые рыбы жили на мелководье и по одной из версий использовали свои хорошо развитые плавники, чтобы пробираться через густые заросли растений. Именно от этих древних кистеперых рыб постепенно начали происходить первые земноводные, — пояснил лектор.  

Уже в в девоне земноводные становятся доминирующей группой наземных животных, но пока они могут жить только вблизи воды. Происходит параллельная эволюция разных органов: у земноводных появляются конечности, параллельно эволюционируют кожные покровы и органы дыхания — появляются легкие, хотя и кожного дыхания они пока не утрачивают. Изменяется и внешний облик — это уже не рыбы, но еще не полноценные наземные животные.

Выход на сушу

Каменноугольный период длился с 350 до 300 миллионов лет назад, и важен он тем, что происходит активная колонизация суши. Активно осваиваются в новых условиях растения. Во влажном теплом климате и болотной местности хвощи, папоротники и плавуны достигают гигантских размеров. Именно эта биомасса потом трансформируется в каменный уголь.

Благодаря большому количеству растений уровень содержания кислорода в воздухе очень велик — он почти в полтора раза превышает современный. По той же причине членистоногие достигают внушительных размеров. Появляются гигантские пауки и многоножки длиной до 2,5 метров, а размах крыльев стрекоз составляет до 70 см.

Происходит бурная эволюция рептилий — теперь они могут жить вдали от водоемов им прекрасно себя чувствуют в засушливых условиях. В конце каменноугольного периода появляются разные группы этих существ. Представители одной из них эволюционировали в динозавров, крокодилов и других рептилий. Другая же группа преобразовалась в синапсидов — древних предков всех млекопитающих.  

Великое вымирание

В конце пермского периода примерно 250 миллионов лет назад произошло самое грандиозное вымирание в истории Земли. Оно известно как Великое пермское вымирание. С лица Земли исчезло до 95% видов морских организмов.

Процессы вымирания и видообразования происходят всегда — образуются новые виды и вымирают менее совершенные старые. Но великие вымирания отличаются тем, что вымирает гораздо больше видов, чем образуется. Причиной Великого пермского вымирания стали катастрофические извержения вулканов, которые продолжались около ста тысяч лет. Каждое вымирание дает надежду тем организмам, которые его пережили. Далее, в мезозое, жизнь процветала. В триасовом периоде планета восстанавливалась, экосистемы были проще, чем ранее, а биоразнообразие беднее, но уже к концу триаса появились организмы, которые доминировали на протяжении оставшегося мезозоя. Это первую очередь динозавры, которые чувствовали себя хозяевами на суше, птерозавры, которые господствовали в воздухе, и ихтиозавры с плезиозаврами, живущие в морских глубинах. Появились первые млекопитающие.

Эра динозавров

О том, как выглядели эти существа, можно судить по находкам, обнаруженным в лагерштеттах.  Это особый тип захоронения окаменелостей, где благодаря особым условиям сохраняются не только твердые части скелетных форм, но также и отпечатки мягких тканей. Обычно в толщах пород палеонтологи находят только кости динозавров, по которым достоверно воспроизвести внешний облик древних животных едва ли возможно. Лагерштетты хранят гораздо больше ценной информации. Например, биоту Джехол. Это ископаемые остатки оперенных динозавров, птиц, млекопитающих и растений, которые в большом количестве находят на Севере-Востоке Китая. У ученых есть основания полагать, что аналогичные находки возможны и в Забайкалье.

Китайские ученые сделали уникальные находки, перевернувшие прежние представления о древних животных. Например, не просто скелет, а очертания тела древнейшей амфибии с отпечатками жабр или остатки нелетающего динозавра синозавроптерикса со следами перьев. В этих же породах были обнаружены отпечатки птерозавров с волосоподобными структурами. Оказывается, эти существа были покрыты шерстью. Еще одна уникальная находка — отпечатки оперенных динозавров микрорапторов. Это довольно мелкие оперенные животные, но этим существам перья служили для полета и находились они на четырех конечностях. Такие динозавры планировали в воздухе с помощью сразу четырех «крыльев». Эта форма полетов в процессе эволюции была утрачена, а сами «четырехкрылые» динозавры бесследно вымерли.

Одним из самых распространенных динозавров в раннем мелу (120 — 100 миллионов лет назад) был пситтакозавр. Эти животные во множестве обитали по всей суше в Азии. В больших количествах остатки их скелетов находят в окрестностях деревни Шестаково Кемеровской области.

Мезозой, как и палеозой, закончился глобальным вымиранием, которое затронуло все группы фауны. 60% видов животных было безвозвратно утрачено. На этот раз причиной катастрофических событий стал гигантский астероид. Далее, в кайнозое, экосистемы долгое время восстанавливались, крупные динозавры канули в прошлое, а Землю унаследовали ранее пребывавшие на вторых ролях млекопитающие и птицы.