Архейская эра (эра древнейшей жизни: 3500 (3800-2600) млн лет назад)

Вопрос 1.

Развитие органического мира.

Биологическая эволюция на Земле длится более 3 млрд. лет. С момента появления первых примитивных клеточных организмов благодаря естественному отбору появилось бесчисленное множество форм живых организмов. Историю земли принято делить на эры и периоды, границами которых являются крупные геологические события, связанные с историей развития нашей планеты.

Основные этапы эволюции форм жизни:

· Появление прокариотических анаэробных гетеротрофных организмов – более 3,5 млрд. лет назад (бактерии, не имеющие оформленного ядра и характеризующиеся такими свойствами, как подвижность, питание, обмен веществ и энергии, защита от воздействий среды, размножение, рост, раздражимость, адаптация).

· Переход к фотосинтезу и автотрофному питанию – 1,8 млрд. лет назад (цианобактерии, синезеленые водоросли).

· Образование кислородной атмосферы Земли, озонового слоя, накопление биомассы.

· Переход от прокариот к аэробным эукариотам (обладающим хромосомами в оформленном ядре) – 1,8 млрд. лет назад (простейшие подвижные одноклеточные – амебы, инфузории).

· Образование царств растений и животных (формирование различий между растительными и животными клетками).

· Возникновение полового размножения – около 900 млн. лет назад, повышение видового разнообразия и адаптация к условиям среды.

· Появление колониальных форм одноклеточных жгутиковых.

· Переход от одноклеточности к многоклеточности – около 700 – 800 млн. лет назад – дифференциация тела на специализированные ткани и органы (губки, кишечнополостные, плеченогие, членистоногие).

· Появление скелета у животных – 500 млн. лет назад (внутренний скелет – позвоночник у хрящевых, костистых рыб, амфибий и наружный скелет у беспозвоночных –членистоногих).

· Развитие нервной системы и рефлексов.

· Выход растений и животных из воды на сушу, выработка приспособлений к наземному образу жизни – 400 млн. лет назад.

· Формирование почвы. Компактность и дифференциация тела растений, развитие корневой системы, системы транспорта веществ (сосуды вместо трахеид), древесины, водонепроницаемых покровов, примитивных листьев (псилофиты). Выработка способов размножения и распространения (споры, семена), смена поколений в жизненном цикле (спорофит, гаметофит).

· Появление рептилий – 350 млн. лет назад – плавающих, сухопутных и летающих динозавров.

· Возникновение теплокровных животных – птиц и млекопитающих, расцвет насекомых.

· Появление человека.

Архейская эра (эра древнейшей жизни: 3500 (3800-2600) млн лет назад)

Первые живые организмы на Земле появились по разным данным 3,8-3,2 млрд лет назад. Это были прокариотические гетеротрофные анаэробы (доядерные, питающиеся готовыми органическими веществами, не нуждающиеся в кислороде). Они жили в первичном океане и питались растворенными в его воде органическими веществами, созданными абиогенно из неорганических веществ под действием энергии ультрафиолетовых лучей Солнца и грозовых разрядов.

Атмосфера Земли состояла преимущественно из CO₂, CO, H₂, N₂, водяных паров, небольших количеств NH₃, H₂S, CH₄ и почти не содержала свободного кислорода O₂. Отсутствие свободного кислорода обеспечило возможность накопления в океане абиогенно созданных органических веществ, в противном случае они сразу же расщеплялись бы кислородом.

Первые гетеротрофы осуществляли окисление органических веществ анаэробно — без участия кислорода путем брожения. При брожении органические вещества расщепляются не полностью, и энергии образуется немного. По этой причине эволюция на ранних этапах развития жизни шла очень медленно.

С течением времени гетеротрофы сильно размножились и им стало не хватать абиогенно созданного органического вещества. Тогда возникли прокариотические автотрофные анаэробы. Они могли синтезировать органические вещества из неорганических самостоятельно сначала посредством хемосинтеза, а затем — фотосинтеза.

Первым был фотосинтез анаэробный, который не сопровождался выделением кислорода:

6CO₂ + 12H₂S → C₆H₁₂O₆ + 12S + 6H₂O

Затем появился фотосинтез аэробный:

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Аэробный фотосинтез был характерен для существ, похожих на современных цианобактерий.

Выделяющийся при фотосинтезе свободный кислород стал окислять растворенные в воде океана двухвалентное железо, соединения серы и марганца. Эти вещества превращались в нерастворимые формы и оседали на дне океана, где образовали залежи железных, серных и марганцевых руд, которые в настоящее время использует человек.

Окисление растворенных в океане веществ происходило в течение сотен миллионов лет, и только когда их запасы в океане были исчерпаны, кислород стал накапливаться в воде и диффундировать в атмосферу.

Необходимо отметить, что обязательным условием накопления в океане и атмосфере кислорода было погребение некоторой части синтезированного организмами органического вещества на дне океана. В противном случае, если бы вся органика расщеплялась с участием кислорода, его излишков не оставалось бы и кислород не смог бы накапливаться. Неразложившиеся тела организмов оседали на дне океана, где образовали залежи ископаемого топлива — нефти и газа.

Накопление в океане свободного кислорода сделало возможным появление автотрофных и гетеротрофных аэробов. Это произошло когда концентрация O₂ в атмосфере достигла 1% от современного уровня (а он равен 21%).

При аэробном окислении (дыхании) органические вещества расщепляются до конечных продуктов — CO₂ и H₂O и образуется в 18 раз больше энергии, чем при бескислородном окислении (брожении):

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 38АТФ

Поскольку при аэробных процессах стало выделяться намного больше энергии, эволюция организмов значительно ускорилась.

В результате симбиоза различных прокариотических клеток появились первые эукариоты (ядерные).

В результате эволюции эукариот возник половой процесс — обмен организмов генетическим материалом — ДНК. Благодаря половому процессу эволюция пошла еще быстрее, поскольку к мутационной изменчивости добавилась комбинативная.

Сначала эукариоты были одноклеточными, а затем появились первые многоклеточные организмы. Переход к многоклеточности у растений, животных и грибов произошел независимо друг от друга.

Многоклеточные организмы получили ряд преимуществ по сравнению с одноклеточными:

1. большую продолжительность онтогенеза, так как в ходе индивидуального развития организма происходит замещение одних клеток другими;

2. многочисленное потомство, поскольку для размножения организма может выделить больше клеток;

3. значительные размеры и разнообразное строение тела, что обеспечивает большую устойчивость к внешним факторам среды за счет стабильности внутренней среды организма.

Ученые не имеют единого мнения по вопросу, когда возникли половой процесс и многоклеточность — в архейскую или протерозойскую эру.