Основные этапы эволюции живого мира

Содержание:

• 1. Гипотезы происхождения жизни
• 2. Эволюция пробионтов
• 3. Возникновение и эволюция эукариот и многоклеточных организмов
• 4. Основные этапы эволюции растений
• 5. Биологические этапы
• 6. Основные этапы эволюции животных
• 7. Геохронологическая шкала Земли

Гипотезы происхождения жизни

Креационизм: жизнь создана творцом — Богом.

Гипотеза биогенеза: согласно этой теории жизнь может зародиться только из живого.

Гипотеза панспермии (Г. Рихтер, Г. Гельмгольц, С. Аррениус, П. Лазарев): согласно этой гипотезе жизнь могла возникнуть один или несколько раз в космосе. На Земле жизнь появилась в результате занесения ее из космоса.

Гипотеза вечности жизни (В. Прейер, В.И. Вернадский): жизнь существовала всегда, проблемы происхождения жизни нет.

Теория абиогенеза: жизнь возникла из неживой материи путем самоорганизации простых органических соединений.
■ Для средних веков были характерны примитивные представления, допускавшие появление целых живых организмов из неживой материи (считалось, что лягушки и насекомые заводятся в сырой почве, мухи — из гнилого мяса, рыбы — из ила и т.д.).
■ Современной конкретизацией этой теории является коацерват-ная гипотеза Опарина — Холдейна.

Коацерватная гипотеза Опарина — Холдейна: жизнь возникла абиогенным путем на протяжении трех этапов:
■ первый этап — возникновение органических веществ из неорганических под воздействием физических факторов среды, существовавших на древней Земле более 3,5 млрд, лет назад;
■ второй этап — образование сложных биополимеров (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, протеиноидов) из простых органических соединений в водах первичного океана Земли и формирование из них коацерватов — капелек концентрированной смеси различных биополимеров. Коацерваты не обладали генетической информацией, обеспечивающей их воспроизводство и копирование, и поэтому не были «живыми»;
■ третий этап — возникновение в коацерватах липопротеидных мембранных структур и избирательного обмена веществ и формирование пробионтов — первых примитивных гетеротрофных живых организмов, способных к самовоспроизведению; начало биологической эволюции и естественного отбора.

Первыми носителями генетической информации стали молекулы РНК. Они образовывались с помощью протеиноидов, притягивающих определенные нуклеотиды, которые объединялись в цепочки РНК. Такая РНК несла информацию о структуре протеиноидов и притягивала к себе соответствующие аминокислоты, что приводило к воспроизводству точных копий протеиноидов. Позднее функции РНК перешли к ДНК (ДНК стабильнее РНК и может копироваться с большей точностью), а РНК стала выполнять роль посредника между ДНК и белком. В процессе эволюции преимуществом обладали те пробионты, у которых взаимодействие белков и нуклеиновых кислот было наиболее четким.

Эволюция пробионтов

Пробионты были анаэробными гетеротрофными прокариотами. Пищу и энергию для жизнедеятельности они получали из органических веществ абиогенного происхождения за счет анаэробного расщепления (брожения, или ферментации). Истощение запасов органических веществ усилило конкуренцию и ускорило эволюцию пробионтов.

В результате произошла дифференциация пробионтов. Одна их часть (примитивные предки современных бактерий), оставаясь анаэробными гетеротрофами, претерпела прогрессивное усложнение. Другие пробионты, содержащие определенные пигменты, приобрели возможность образовывать органические вещества путем фотосинтеза (сначала бескислородного, а затем — предки цианобактерий — с выделением кислорода). Т.е. возникли анаэробные автотрофные прокариоты, которые постепенно насыщали свободным кислородом атмосферу Земли.

С появлением кислорода возникли аэробные гетеротрофные прокариоты, существующие за счет более эффективного аэробного окисления органических веществ, образовавшихся в результате фотосинтеза.

Возникновение и эволюция эукариот и многоклеточных организмов

Амебоподобные гетеротрофные клетки могли поглощать другие небольшие клетки. Некоторые из «съеденных» клеток не гибли и оказывались способны функционировать и внутри клетки-хозяина. В отдельных случаях такой комплекс оказался биологически взаимовыгодным и привел к устойчивому симбиозу клеток.

❖ Симбиотическая теория появления (около 1,5 млрд, лет назад) и эволюции эукариотических клеток (симбиогенез):
■ одна группа анаэробных гетеротрофных пробионтов вступила в симбиоз с аэробными гетеротрофными первичными бактериями, дав начало эукариотическим клеткам, имеющим в качестве энергетических органоидов митохондрии;
■ другая группа анаэробных гетеротрофных пробионтов объединилась не только с аэробными гетеротрофными бактериями, но и с первичными фотосинтезирующими цианобактериями, дав начало эукариотическим клеткам, имеющим в качестве энергетических органоидов хлоропласты и митохондрии. Клетки-симбионты с митохондриями в дальнейшем дали начало царствам животных и грибов; с хлоропластами — царству растений.

Усложнение эукариот привело к появлению клеток с полярными свойствами, способными к взаимному притяжению и слиянию, т.е. к половому процессу, диплоидности (следствие этого — мейоз), доминантности и рецессивности, комбинативной изменчивости и т.д.

❖ Гипотезы появления многоклеточных организмов (2,6 млрд, лет назад):
■ гипотеза гастреи (Э. Геккель, 1874 г.): предковыми формами многоклеточных были одноклеточные организмы, образовавшие однослойную сферическую колонию. Позднее за счет впя-чивания (инвагинации) части стенки колонии образовался гипотетический двуслойный организм — гастрея, подобный стадии гаструлы эмбрионального развития животных; при этом клетки наружного слоя выполняли покровную и двигательную функции, клетки внутреннего слоя — функции питания и размножения;

■ гипотеза фагоцителлы (И.И. Мечников, 1886 г.; эта гипотеза лежит в основе современных представлений о возникновении многоклеточное™): многоклеточные произошли от одноклеточных колониальных жгутиковых организмов. Способом питания таких колоний был фагоцитоз. Клетки, захватившие добычу, перемещались внутрь колонии, и из них образовывалась ткань — энтодерма, выполняющая пищеварительную функцию. Клетки, оставшиеся снаружи, выполняли функции восприятия внешних раздражений, защиты и движения; из них впоследствии развилась покровная ткань — эктодерма. Часть клеток специализировалась на выполнении функции размножения. Постепенно колония превратилась в примитивный, но целостный многоклеточный организм — фагоцителлу. Подтверждением этой гипотезы служит ныне существующий, промежуточный между одной и многоклеточными, организм трихоплакс, строение которого соответствует строению фагоцителлы.

Основные этапы эволюции растений

Исторические этапы

Разделение эукариот на несколько ветвей, от которых произошли растения, грибы и животные (около 1—1,5 млрд, лет назад). Первые растения были водорослями, большая часть которых свободно плавала в воде, остальные прикреплялись ко дну.

Появление первых наземных растений — риниофитов (около 500 млн. лет назад в результате процесса горообразования и сокращения площади морей часть водорослей оказалась в мелких водоемах и на суше; некоторые из них погибли, другие адаптировались, приобретя новые признаки: у них образовались ткани, которые затем дифференцировались на покровные, механические и проводящие; бактерии, взаимодействуя с минералами земной поверхности, образовали на суше почвенный субстрат). Споровое размножение риниофитов.

Вымирание риниофитов и появление плаунов, хвощей и папоротников (около 380-350 млн. лет назад); возникновение вегетативных органов (что повысило эффективность функционирования отдельных частей растений); появление семенных папоротниковидных и хвойных.

Появление голосеменных растений (около 275 млн. лет назад), которые могли обитать в более сухой среде; вымирание семенных папоротников и древовидных споровых растений; у высших наземных растений постепенная редукция гаплоидного поколения (гаметофита) и преобладание диплоидного поколения (спорофита).

Появление диатомовых водорослей (около 195 млн. лет назад).

Появление покрытосеменных растений (около 135 млн. лет назад); расцвет диатомовых водорослей.

Вымирание многих видов растений (около 2,5 млн. лет назад), упадок древесных форм, расцвет травянистых; приобретение растительным миром современных форм.

Биологические этапы

1. Переход от гаплоидности к диплоидности. Диплоидность смягчает влияние неблагоприятных рецессивных мутаций на жизнеспособность и дает возможность накопить резерв наследственной изменчивости. Этот переход прослеживается и при сопоставлении современных групп растений. Так, у многих водорослей все клетки, кроме зигот, гаплоидны. У мхов преобладает гаплоидное поколение (взрослое растение) при сравнительно слабом развитии диплоидного (органы спороношения). У более высокоорганизованных бурых водорослей наряду с гаплоидными существуют и диплоидные особи. Но уже у папоротников преобладает диплоидное поколение, а у голосеменных (сосны, ели и др.) и покрытосеменных растений (многие деревья, кустарники, травы) самостоятельно существуют только диплоидные особи (см. рис.).
2. Утрата связи процесса полового размножения с водой, переход от наружного оплодотворения к внутреннему.
3. Разделение тела на органы (корень, стебель, лист), развитие проводящей системы, усложнение строения тканей.
4. Специализация опыления с помощью насекомых и распространение семян и плодов животными.

Основные этапы эволюции животных

❖ Важнейшие биологические этапы эволюции:
■ возникновение многоклеточное и все большее расчленение и дифференциация всех систем органов;
■ возникновение твердого скелета (наружного у членистоногих, внутреннего у позвоночных);
■ развитие центральной нервной системы;
■ развитие общественного поведения в разных группах высокоорганизованных животных, которое, вместе с накоплением ряда крупных ароморфозов, привело к возникновению человека и человеческого общества.

Важнейшие ароморфозы и их результаты

Геохронологическая шкала Земли

❖ Катархейская эра (4,7-3,5 млрд, лет назад): климат очень жаркий, сильная вулканическая деятельность; происходит химическая эволюция, возникают биополимеры.

❖ Архейская эра (3,5-2,6 млрд, лет назад) — эра зарождения жизни. Климат жаркий, активная вулканическая деятельность; возникновение жизни на Земле, появление на границе водной и наземно-воздушной сред первых организмов (анаэробных ге-теротрофов) — пробионтов. Появление анаэробных автотрофных организмов, архебактерий, цианобактерий; образование отложений графита, серы, марганца, слоистых известняков как результат жизнедеятельности архебактерий и цианобактерий. В конце архея — возникновение колониальных водорослей. Появление кислорода в атмосфере.

❖ Протерозойская эра (2,6-0,6 млрд, лет назад) — эра ранней жизни; делится на ранний протерозой (2,6-1,65 млрд, лет назад) и поздний протерозой (1,65-0,6 млрд, лет назад). Характеризуется интенсивным горообразованием, многократными похолоданиями и оледенениями, активным формированием осадочных пород, образованием в атмосфере кислорода (в конце эры — до 1%), началом формирования защитного озонового слоя в атмосфере Земли. В органическом мире: развитие одноклеточных прокариотических и эукариотических фотосинтезирующих организмов, возникновение полового процесса, переход от ферментации к дыханию (ранний протерозой); появление низших водных растений — строматолитов, зеленых водорослей и др. (поздний протерозой), а к концу эры — всех типов беспозвоночных многоклеточных (кроме хордовых): губок, кишечнополостных, червей, моллюсков, иглокожих и др.

❖ Палеозойская эра (570-230 млн. лет назад) — эра древней жизни; делится на 6 периодов: кембрий, ордовик, силур, девон, карбон и пермь.

■ Кембрий (570-490 млн. лет назад): климат умеренный, материк Пангея начал погружаться в воды океана Тетис. В органическом мире: жизнь сосредоточена в морях; эволюция многоклеточных форм; расцвет основных групп водорослей (зеленых, красных, бурых и др.) и морских беспозвоночных животных с хитиновофосфатной раковиной (особенно трилобитов и археоцеатов).

■ Ордовик (490-435 млн. лет назад): климат теплый, погружение Пангеи достигает максимума. В конце периода — освобождение от воды значительных территорий. В органическом мире: обилие и разнообразие водорослей; появление кораллов, морских иглокожих, полухордовых (граптолитов), первых хордовых (бесчелюстных рыб) и первых наземных растений — риниофи-тов. Господство трилобитов.

■ Силур (435-100 млн. лет назад): климат засушливый и прохладный; происходит подъем суши и интенсивное горообразование; концентрация О₂ в атмосфере достигает 2%; завершается формирование защитного озонового слоя. В органическом мире: заселение суши сосудистыми растениями (риниофитами) и формирование на ней почвы; возникновение современных групп водорослей и грибов; расцвет в морях трилобитов, граптолитов, кораллов, ракоскорпионов; появление челюстных хордовых (панцирных и хрящевых рыб) и первых наземных членистоногих (скорпионов).

■ Девон (400-345 млн. лет назад): климат резко континентальный; оледенение, дальнейший подъем суши, полное освобождение от моря Сибири и Восточной Европы; концентрация О₂ в атмосфере достигает современной (21%). В органическом мире: расцвет риниофитов, а затем (к концу периода) их вымирание; появление основных групп споровых растений (мохообразных, папоротниковидных, плауновидных, хвощевидных), а также примитивных голосеменных (семенных папоротников); расцвет древних беспозвоночных, а затем вымирание многих их видов, как и большинства бесчелюстных; появление бескрылых насекомых и паукообразных; расцвет в морях панцирных, кистеперых и двоякодышащих рыб; выход на сушу первых четвероногих позвоночных (стегоцефалов) — предков земноводных.

■ Карбон (каменноугольный период) (345-280 млн. лет назад): климат жаркий и влажный (в Северном полушарии), холодный и сухой (в Южном полушарии); материки низменные с обширными болотами, в которых шло образование каменного угля из стволов папоротниковидных. В органическом мире: расцвет древовидных споровых хвощевидных (каламитов), плауновидных (лепидодендронов и сигиллярий) растений и семенных папоротниковидных; появление первых голосеменных (хвойных); расцвет раковинных амеб (фораминифер), морских беспозвоночных, хрящевых рыб (акул); появление на суше первых амфибий, древних пресмыкающихся (котилозавров) и крылатых насекомых; вымирание граптолитов и панцирных рыб.

■ Пермь (280-240 млн. лет назад): усиливается засушливость, наступает похолодание, происходит интенсивное горообразование. В органическом мире: исчезновение лесов из древовидных папоротников; распространение голосеменных (гинкговых, хвойных); начало расцвета стегоцефалов и пресмыкающихся; распространение головоногих моллюсков (аммонитов) и костистых рыб; уменьшение количества видов хрящевых, кистеперых и двоякодышащих рыб; вымирание трилобитов.

❖ Мезозойская эра (240-67 млн. лет назад) — средняя эра в развитии жизни на Земле; делится на 3 периода: триас, юра, мел.

■ Триас (240-195 млн. лет назад): климат засушливый (появляются пустыни); начинается дрейф и разделение континентов (материк Пангея разделяется на Лавразию и Гондвану). В органическом мире: вымирание семенных папоротников; господство голосеменных (саговниковых, гинкговых, хвойных); развитие пресмыкающихся; появление головоногих моллюсков (белемнитов), первых яйцекладущих млекопитающих (триконодонтов) и первых динозавров; вымирание стегоцефалов и многих видов животных, процветавших в палеозойскую эру.

■ Юра (195-135 млн. лет назад): климат засушливый, материки подняты над уровнем моря; на суше большое разнообразие ландшафтов. В органическом мире: появление диатомовых водорослей; господство папоротников и голосеменных растений; расцвет головоногих и двустворчатых моллюсков, пресмыкающихся и гигантских ящеров (ихтиозавров, бронтозавров, диплодоков и др.); появление первых зубастых птиц (археоптериксов); развитие древних млекопитающих.

■ Мел (135—67 млн. лет назад): климат влажный (много болот); во многих районах похолодание; продолжается дрейф континентов; происходит интенсивное отложение мела (из раковин форам инифер). В органическом мире: господство голосеменных растений, сменяющееся их резким сокращением; появление первых покрытосеменных растений, их преобладание во второй половине периода; формирование кленовых, дубовых, эвкалиптовых и пальмовых лесов; расцвет летающих ящеров (птеродактилей и др.); начало расцвета млекопитающих (сумчатых и плацентарных); к концу периода вымирание гигантских ящеров; развитие птиц; появление высших млекопитающих.

❖ Кайнозойская эра (началась 67 млн. лет назад и продолжается по настоящее время) делится на 2 периода: третичный (палеоген и неоген) и четвертичный (антропоген).

■ Третичный период (от 67 до 2,5 млн. лет назад): климат теплый, к концу прохладный; завершение дрейфа континентов; материки приобретают современные очертания; характерно интенсивное горообразование (Гималаи, Альпы, Анды, Скалистые горы). В органическом мире: господство однодольных покрытосеменных и хвойных растений; развитие степей; расцвет насекомых, двустворчатых и брюхоногих моллюсков; вымирание многих форм головоногих моллюсков; приближение видового состава беспозвоночных к современному; широкое распространение костистых рыб, занимающих пресноводные водоемы и моря; дивергенция и расцвет птиц; развитие и расцвет сумчатых и плацентарных млекопитающих, сходных с современными (китообразных, копытных, хоботных, хищных, приматов и др.), в палеогене — начало развития антропоидов, в неогене — появление предков человека (дриопитеков).

■ Четвертичный период (антропоген; начался 2,5 млн. лет назад): резкое похолодание климата, гигантские материковые оледенения (четыре ледниковых периода); формирование ландшафтов современного типа. В органическом мире: исчезновение в результате оледенений многих древних видов растений, господство двудольных покрытосеменных; упадок древесных и расцвет травянистых форм растений; развитие многих групп морских и пресноводных моллюсков, кораллов, иглокожих и др.; вымирание крупных млекопитающих (мастодонт, мамонт и др.); появление, доисторическое и историческое развитие человека: интенсивное развитие коры головного мозга, прямохождение.