План:
1. Введение.
А.Предисловие
Б. Масштабы Геологического Времени
В.Основные Подразделения Геологической Истории Земли
2. Развитие жизни в криптозое.
А. Предисловие
Б. Отложения Криптозоя
В. Резкое Увеличение Богатства Ископаемой Фауны
3. Заключение.
Эволюционное развитие организмов исследуется целым рядом наук, рассматривающих разные аспекты этой фундаментальной проблемы естествознания. Ископаемые остатки животных и растений существовавших на Земле в прошедшие геологические эпохи, изучает палеонтология, которую и следует поставить на первое место среди наук, непосредственно связанных с исследованием эволюции органического мира. Изучая остатки древних форм и сопоставляя их с ныне живущими организмами, палеонтологи реконструируют облик, образ жизни и родственные связи вымерших животных и растений, определяют время их существования и на этой основе воссоздают филогенез Ч историнческую преемственность разных групп организмов, их эволюционную историю. Однако в решении этих сложных проблем палеонтология должна опираться на данные и выводы многих других наук, относящихся к кругу биологических, геологических и географических дисциплин (сама палеонтология, изучая ископаемые остатки организмов, нахондится как бы на стыке биологии и геологии). Для понимания условий жизни древних организмов, определения времени их существования и закономерностей перехода их остатков в ископаемое состояние палеонтология использует данные таких наук, как историческая геология, стратиграфия, палеогеография, палеоклиматология и др. С другой стороны, для анализа строения, физиологии, образа жизни и эволюции вымерших форм необходимо опираться на детальное знанние соответствующих сторон организации и биологии ныне существуюнщих организмов. Такое знание дают прежде всего работы в области сравнительной анатомии. Одной из основных задач сравнительной анатомии являнется установление гомологии органов и структур у разных видов. Под гомологией понимается сходство, основанное на родстве; налинчие гомологичных органов доказывает прямые родственные связи обнладающих ими организмов (как предков и потомков или как потомков общих предков). Гомологичные органы состоят из сходных элеменнтов, развиваются из сходных эмбриональных зачатков и занимают сходное положение в организме. Развивающаяся ныне функциональная анатомия, а также сравннительная физиология дают возможность подойти к пониманию функционированля органов у вымерших животных. В анализе строенния, жизнедеятельности и условий существования вымерших органнизмов ученые опираются на принцип актуализма, выдвинутый геонлогом Д. Геттоном и глубоко разработанный одним из крупнейших геологов XIX в. Ч Ч. Лайелем. Согласно принципу актуализма, закономерности и взаимосвязи, наблюдаемые в явлениях и объектах неорганического и органического мира в дате время, действовали и в прошлом (а отсюда Унастоящее есть ключ к познанию прошлогоФ). Конечно, этот принцип является допущением, но, вероятно, он верен в большинстве случаев (хотя всегда нужно принимать во внимание возможность какого-то своеобразия в протекании тех или иных процессов в прошлом по сравнению с современнностью). Палеонтологическая летопись, представленная ископаемыми оснтатками вымерших организмов, имеет пробелы, иногда очень крупнные, обусловленные специфичностью условий захоронения остатков организмов и крайней редкостью совпадения всех необходимых для этого факторов. Для воссоздания филогенеза организмов во всей полноте, для реконструкции многочисленных Унедостающих звеньевФ па родословном древе (графическом изображеннии филогенеза) чисто палеонтологические данные и методы оказынваются во многих случаях недостаточными. Здесь приходит на помощь так называемый метод тройного параллелизма, введенный в науку известным немецким ученым Э. Геккелем и основанный на сопоставлении палеонтологических, сравнительно-анатомических и эмбриологических данных. Геккель исходил из сформулированного им Уосновного биогенетического законаФ, гласящего, что онтогенез (индивидуальное развитие организма) есть сжатое и сокращенное повторение филогенеза. Следовательно, изучение индивидуального развития современных организмов позволяет в какой-то мере судить о ходе эволюционных преобразований их далеких предков, в том числе и не сохранившихся в палеонтологической летописи. Позднее А. Н. Северцов в своей теории филэмбриогенезов показал, что соотношение онтогенеза и филогенеза гораздо сложнее, чем считал Э. Геккель. В действительности не филогенез творит индивидуальное развитие (новые эволюционные приобретения удлиняют онтогенез, прибавляя новые стадии), как полагал Геккель, а, наоборот, наследственные изменения хода онтогенеза приводят к эволюционным перестройкам (Уфилогенез есть эволюция онтогенезаФ). Лишь в некоторых частных случаях, когда эволюционная перестройн ка какого-либо органа происходит посредством изменения поздних стадий его индивидуального развития, т. е. новые признаки формируются в конце онтогенеза (такой способ эволюционной перестройки онтогенеза Северцов назвал анаболией), действительно наблюдается такое соотношение между онтогенезом и филогенезом, которое описынвается биогенетическим законом Геккеля. Только в этих случаях можно привлекать эмбриологические данные для анализа филогенеза. Сам А. Н. Северцов дал интересные примеры реконструкции гипон тетических Унедостающих звеньевФ в филогенетическом древе. Изучение онтогенезов современных организмов имеет еще и другое, не менее важное для анализа хода филогенеза значение: оно позволяет выяснить, какие изменения онтогенеза, Утворящие эволюциюФ, возможны, а какие Ч нет, что дает ключ к пониманию конкретных эволюционных перестроек.
Для понимания сущности эволюционного процесса, для причинного анализа хода филогенеза самое первостепенное значение имеют выводы эволюционистики Ч науки, называемой также теорией эвонлюции или дарвинизмом, по имени великого создателя теории естественного отбора Ч. Дарвина. Эволюционистика, изучающая сущность, механизмы, общие закономерности и направления эволюционного процесса, является теоретической базой всей современной биологии. По сути дела, эволюция организмов представляет собой форму сущенствования живой материи во времени, и все современные проявления жизни, на любом уровне организации живой материи, могут быть поняты лишь с учетом эволюционной предыстории. Тем в большей мере важны основные положения теории эволюции для изучения филонгенеза организмов.
Перечисленные науки отнюдь не исчерпывают перечень научных дисциплин, причастных к изучению и анализу развития жизни на Земле в прошедшие геологические эпохи. Для понимания видонвой принадлежности ископаемых остатков и преобразований видов организмов во времени чрезвычайно важны выводы систематики; для анализа смены фаун и флор в геологическом прошлом Ч данные биогеографии.
Особое место занимают вопросы происхождения человека и эволюции его ближайших предков, имеющей некоторые специфические особенности по сравнению с эволюцией других высших животных, благодаря развитию трудовой деятельности и социальности.
Масштабы Геологического Времени
Изучая эволюцию организмов, необходимо иметь представление о ее ходе во времени, о продолжительности тех или иных ее этапов. Историческая последовательность образования осадочных понрод, т. е. их относительный возраст, в данном районе устанавливанется сравнительно просто: породы, возникшие позднее, отлагались поверх более ранних пластов.
Соответствие относительного возраста пластов осадочных пород в разных регионах можно определить, сопоставляя сохранившиеся в них ископаемые организмы (палеонтонлогический метод, основы которого были заложены в конце XVIII Ч начале XIX в. работами английского геолога У. Смита). Обычно среди ископаемых организмов, характерных для каждой эпохи, удается выделить несколько наиболее обычных, многочисленных и широко распространенных видов - такие виды получили название руководящих ископаемых.
Как правило, абсолютный возраст осадочных пород, т. е. променжуток времени, прошедший со времени их образования, непосредственно установить нельзя. Информация для определения абсолютного возраста содержится в изверженных (вулканических) породах, которые возникают из остывающей магмы.
Абсолютный возраст изверженных пород можно определить по содержанию в них радиоактивных элементов и продуктов их распада. Радиоактивный распад начинается в изверженных породах с момента их кристаллизации из расплавов магмы и продолжается с постоянной скоростью до тех пор, пока все запасы радиоактивных элементов не будут исчерпаны.
Поэтому, определив содержание в горной породе того или иного радиоактивного элемента и продуктов его распада и, зная скорость распада, можно достаточно точно (с вознможностью ошибки около 5%) вычислить абсолютный возраст даннной породы. Для осадочных пород приходится принимать приблизительный возраст по отношению к абсолютному возрасту слоев вулканических пород. Длительное и кропотливое изучение относительного и абсолютного возраста горных пород в разных регионах земного шара, потре-бовавшее напряженной работы нескольких поколений геологов и палеонтологов, позволило наметить основные вехи геологической истории Земли. Границы между этими подразделениями соответствуют разного рода изменениям геологического и биологинческого (палеонтологического) характера. Это могут быть изменения режима осадконакопления в водоемах, приводящие к формированию иных типов осадочных пород, усиление вулканизма и горообразовантельные процессы, вторжение моря (морская трансгрессия) благодаря опусканию значительных участков континентальной коры или повышению уровня океана, существенные изменения фауны и флоры. Поскольку подобные события происходили в истории Земли нерегунлярно, продолжительность различных эпох, периодов и эр различна. Обращает на себя внимание огромная длительность древнейших геонлогических эр (археозойской и протерозойской), которые к тому же не разделены на меньшие временные промежутки (во всяком случае, нет еще общепринятого подразделения). Это обусловлено в первую очередь самим фактором времени Ч древностью отложений археозоя и протерозоя, подвергшихся за свою длительную историю значительному метаморфизму и разрушению, стершим существовавшие когда-то вехи развития Земли и жизни. Отложения архейской и протерозойской эр содержат чрезвычайно мало ископаемых остатков организмов; по этому признаку археозой и протерозой объединяют под названием УкриптозойФ (этап скрытой жизни) противопоставляя объединению трех последующих эр Ч УфанерозойФ (этап явной, наблюдаемой жизни). Возраст Земли определяется различными учеными по-разному, но можно указать на приближенную цифру 5 млрд. лет.
Развитие жизни в криптозое.
Эры, относящиеся к криптозою, Ч археозойская и протерозойнская Ч вместе продолжались более 3,4 млрд. лет; т. о. криптозой составляет не менее 7/8 всей геологической истории. Однако в отложениях криптозоя сохранилось чрезвычайнно мало ископаемых остатков органнизмов, поэтому представленния ученых о первых этапах развития жизнни в течение этих огромных промежутков времени в значительной стенпени гипотетичны.
Отложения Криптозоя
Древнейшие остатки организмов были найдены в осадочных толщах Рондезии, имеющих возраст 2,9Ч3,2 млрд. лет. Там обнаруженны сленды жизнедеятельности водорослей (вероятно, сине-зеленых), что убедительно свидетельстнвует, что около 3 млрд. лет назад на Земле уже существовали фотосинтезирующие организмы Ч водоросли. Очевидно, появление жизни на Земнле должно было произойти значинтельно раньше,Ч может быть, 3,5Ч 4 млрд. лет назад. Наиболее изнвестна среднепротерозойская флора (нитчатые формы длиной до нескольнких сотен микрометров и толщиной 0,6Ч16 мкм, имеющие различное строение, одноклеточные микроорганизмы (Рис.1), диаметром 1Ч16 мкм, также различного строения), остатки которой были обнаружены в Канаде Чв кремнистых сланцах на северном бенрегу озера Верхнего. Возраст этих отложений составляет около 1,9 млрд. лет.
Рис. 1
Пример найденных ископаемых останков простейших
В осадочных породах, образовавшихся в промежутке времени между 2 и 1 млрд. лет назад, часто встречаются строматолиты, что говорит о широком распространении и активной фотосинтезирующей и рифостроительной деятельности сине-зеленых водорослей в этот период.
Следующий важнейший рубеж в эволюции жизни документируется рядом находок ископаемых остатков в отложениях, имеющих возраст 0,9Ч1,3 млрд. лет, среди которых найдены прекрасной сохраннности остатки одноклеточных организмов размером 8Ч12 мкм, в конторых удалось различить внутриклеточную структуру, похожую на ядро; обнаружены также стадии деления одного из видов этих одноклеточных организмов, напонминающие стадии митоза Ч способа деления эукариотических (т. е. имеющих ядро) клеток.
Если интерпретация описанных ископаемых остатков правильна, это означает, что около 1,6Ч1,35 млрд. лет назад эволюция организнмов прошла важнейший рубеж Ч был достигнут уровень организации эукариот.
Первые следы жизнедеятельности червеобразных многоклеточных животных известны из позднерифейских отложений. В вендское время (650Ч570 млн. лет назад) существовали уже разнообразные животнные, вероятно, принадлежавшие к различным типам. Немногочисленные отпечатки мягкотелых вендских животных известны из разных районов земного шара. Ряд интереснных находок был сделан в позднепротерозойских отложениях на тернритории бывшего СССР.
Наиболее известна богатая позднепротерозойская ископаемая фауна, обнаруженная Р. Сприггом в 1947 г. в Центральной Австралии. Исследовавший эту уникальную фауну М. Глесснер считает, что она включает примерно три десятка видов очень разнообразных многоклеточных животных, относящихся к разным типам (Рис. 2).
Рис. 2. Реконструкция фауны Эдиакары:
1Ч10Чкишечно-полостные; 11Ч14Чплоские и кольчатые черви; 15Ч16Ччленистоногие; 17Чиглокожие; 18 Ч шарообразные студенистые организмы.
Большинство форм принадленжит, вероятно, к кишечно-полостным. Это медузоподобные организмы, вероятно УпарившиеФ в толще воды, и прикрепленные к морскому дну полипоидные формы, одиночные или колониальные, напоминающие современных альционарий, или морские перья. Замечательно, что все они, как и другие животные эдиакарской фауны, лишены твердого скелета.
Кроме кишечно-полостных, в кварцитах Паунд, вмещающих эдиакарскую фауну, найдены останки червеобразных животных, причисляемых к плоским и кольчатым червям. Некоторые виды организмов интерпрентируются как возможные предки членистоногих. Наконец, имеется ценлый ряд ископаемых остатков неизвестной таксономической принаднлежности. Это указывает на огромное распространение фаунны многоклеточных мягкотелых животных в вендское время,
Поскольку вендская фауна столь разнообразна и включает довольно высокоорганизованных животных, очевидно, что до ее возникнновения эволюция продолжалась уже достаточно долго. Вероятно, многоклеточные животные появились значительно раньнше Ч где-то в промежутке 700Ч900 млн. лет назад.
Резкое Увеличение Богатства Ископаемой Фауны
Граница между протерозойской и палеозойской эрами (т. е. межнду криптозоем и фанерозоем) отмечается поразительным измененнием в составе и богатстве ископаемой фауны. Внезапно (другого слова здесь, пожалуй, и не подберешь) после толщ верхнего протерозоя, почти лишенных следов жизни, в осадочных породах кембрия (первого периода палеозойской эры), начиная с самых нижних горизонтов, появляется огромное разнообразие и обилие остатков ископаемых организмов. Среди них остатки губок, плеченогих, моллюсков, представителей вымершего типа археоциат, членистоногих и других групп. К концу кембрия появляются почти все известные тинпы многоклеточных животных. Этот внезапный Увзрыв формообразонванияФ на границе протерозоя и палеозоя Ч одно из самых загадочнных, до сих пор полностью не разгаданных, событий в истории жизни на Земле. Благодаря этому начало кембрийского периода является столь заметной вехой, что нередко все предшествующее время в геологической истории (т. е. весь криптозой) именуют "докембрием.
Вероятно, обособление всех основных типов животных произошло в верхнем протерозое, в промежутке времени 600Ч800 млн. лет назад. Примитивные представители всех групп многоклеточных животных были небольшими лишенными скелета организмами. Продолжавшееся накопление кислорода в атмосфере и увеличение мощности озонового экрана к концу протерозоя позволили животным, как указано выше, увеличить размеры тела и приобрести скелет. Организмы получили возможность широко расселиться на малых глубинах различных водоемов, что повело к значительному повышению разнообразия форм жизни.
Рис. 3. Эвриптериды:
а Ч Eurypterus. б Ч Mixoptcrus. Обе формы изображены со спинной (слева) и брюшнной (справа) стороны.
Рис. 4. Примитивные бесчерепные:
1Чхорда; 2Чнервная трубка; 3Чротовое отверстие; 4Чглотка, 5Чэндостиль; бЧнаджаберная борозда; 7Ч жаберные щели; 8Чпеченочный выпоет; 9Чкишечник; 10 Ч анальное отверстие; 11 Ч миомеры; 12 Ч брюшная аорта; 13 Ч спинная аорта; 14 Ч жаберные артерии.
Рис. 5. Панцирные рыбы (плакодермы): аЧпанцирь Dinichthya; бЧPterichthya.
Рис. 7. Палеодиктиоптера (Palaeodiolyoptera).
Рис. 8. Типичный представитель котилозавров
Рис. 10. Основные типы черепа амниот:
аЧанапсидный; вЧсинапсидный; вЧдиапспдный; гЧчерепахи; дЧящерицы; еЧ птицы; 1Чвисочные окна; 2Чвисочные вырезки; 3Чзаднеглазничная кость; 4Ч чешуйчатая кость; 5 Ч скуловая кость; 6 Ч квадратноскуловая кость: 7 Ч квадратная кость. Стрелками указаны направления филогенетических преобразований.
Рис. 11. Эдафозавр
Рис. 12. Иностранцевия
Рис. 13.
Цинодонт
Рис. 14.
Ряд последовательных преобразований нижней челюсти
Рис.15
Эритротерий
Рис. 16
Псевдозухии
Рис. 17.
Плезиозавр
Рис. 18. Рамфоринх
Рис. 19. Госперорнис
Рис. 20. Уинтатерий
Рис. 21, Бронтотерий.
Рис. 22. Индрикотерий.
Рис. 23. Диатрима
Рис. 25. Большерогий олень.
Список литературы.
1. Бернал Д. Возникновение жизни, МД 1969.
2. Борисяк А. А. Из истории палеонтологии (идея эволюции). М.ЧЛ., 1966.
3. Брукс М. Климаты прошлого. МД 1952.
4. Варсанофьева В. А. Развитие жизни на Земле. МД 1988.
5. Голенкин М. И. Победители в борьбе за существование, М., 1959.
6. Ливанов Н. А. Пути эволюции животного мира. МД 1955.
7. М. Иорданский Н. Н. Развитие жизни на Земле. М. 1989.