Основные этапы формирования биосферы

История развития Земли и биосферы разделяется на периоды различной продолжительности, которые формируют геохронологическую шкалу. Гео­логическая эра Земли от ее образования до зарождения жизни называется катархей. Катархей (от греч. «ниже древнейшего») — эра (около 5-3, 5 млрд лет назад), когда Земля была безжизненной, окутанной ядовитыми для жи­вых существ атмосферой, лишенной кислорода; гремели вулканические из­вержения, сверкали молнии, жесткое ультрафиолетовое излучение прони­зывало атмосферу и верхние слои воды. Под воздействием этих явлений из окутавшей Землю смеси паров сероводорода, аммиака и угарного газа начи­нают синтезироваться первые органические соединения и формируются ус­ловия, характерные для жизни.

Архей — древнейшая геологическая эра Земли (3, 5-2, 6 млрд лет назад). Ко времени архея относится возникновение первых прокариот (бактерий и сине-зеленых водорослей) — организмов, которые в отличие от эукариот еще не обладают оформленным клеточным ядром и типичным хромосом­ным аппаратом (наследственная информация реализуется и передается че­рез ДНК). В геологических отложениях архея найдены также остатки нитча­тых водорослей. В это время появляются гетеротрофные организмы не только в море, но и на суше. В атмосфере снижается содержание метана, аммиака и водорода, а также начинается накопление углекислого газа и кислорода.

Первые живые организмы возникли в архейскую эру. Они были гете-ротрофами, использовавшими для жизнедеятельности растворенные в воде органические молекулы. Однако с течением времени происходило умень­шение количества растворенных органических веществ, и преимуществен­ное развитие получили организмы, способные синтезировать органические соединения из неорганических. Таким путем, вероятно, возникли первые фотосинтезирующие клетки (типа цианобактерий), способные использовать световую энергию для синтеза биологически важных веществ из углекисло­го газа и воды, выделяя при этом свободный кислород.

Для первых организмов кислород был ядовит (в силу своей высокой окислительной способности), а соответствующие защитные биохимические системы еще отсутствовали. В условиях бескислородной атмосферы и жест­кого ультрафиолетового излучения распространение жизни было ограниче­но. Она могла существовать только под защитным слоем (не менее Юм) воды. Лишь появление кислорода в атмосфере и формирование озонового слоя сделали возможным существование организмов у поверхности водо­емов и освоение ими суши. С выходом на сушу живых существ начала обра­зовываться почва — продукт взаимодействия жизни с неорганическими со­единениями верхнего слоя земной коры.

За архейскую эру жизнь прошла гигантский путь от пробионтов к кле­точным организмам (бактериям и цианобактериям), а в конце архея появля­ются первые эукариоты, имеющие настоящее ядро (зеленые водоросли). Кроме того, в этот период произошли еще два крупных эволюционных со­бытия: появилась половая форма размножения и возникли первые много­клеточные организмы. Половое размножение резко повышает возможности приспособления к условиям среды вследствие создания бесчисленных ком­бинаций в хромосомах. Предшественниками многоклеточных организмов были колониально-одноклеточные (нитчатые или шаровидные) существа, которые в результате дифференцирования клеток колонии дали начало боль­шинству современных организмов.

Уже в архее жизнь разделилась на два основных ствола: царство расте­ний (в большинстве своем автотрофных организмов) и царство животных (гетеротрофных организмов).

Следующая за археем протерозойская эра — период развития Земли, в котором произошло значительное перераспределение площадей суши и моря на планете и развитие многоклеточных организмов.

Протерозой (от греч. «первичная жизнь») — огромный по продолжи­тельности этап развития Земли (2, 6 млрд — 570 млн лет назад). Возникно­вение многоклеточности — важный ароморфоз в эволюции жизни. Конец протерозоя иногда называют «веком медуз» — очень распространенных в это время представителей кишечнополостных. В течение этой эры бактерии и водоросли достигли своего расцвета. Господство эукариот (плавающих в толще воды растений) привело к появлению форм, прикрепленных ко дну. Постепенно тело многоклеточных растений расчленялось на части, выпол­нявшие разные функции (прикрепления, фотосинтеза и т.д.). В этот же период сформировались губки, кишечно-полостные, плоские и кольчатые чер­ви, появились первые членистоногие, моллюски и иглокожие.

В течение архея и протерозоя жизнь стала геологическим фактором. Жи­вые организмы начали менять форму и состав земной коры и атмосферы и образовывать живую оболочку планеты — биосферу.

Около 600 млн лет назад началась палеозойская эра, которую подразде­ляют на ряд периодов, названия которым давались, как правило, по месту первого описания горных пород, относящихся к данному периоду. Палеозой (от греч. «древняя жизнь») — геологическая эра (570-230 млн лет) со следу­ющими периодами: кембрий (570-500 млн лет), ордовик (500-440 млн лет), силур (440-410 млн лет), девон (410-350 млн лет), карбон (350-285 млн лет), пермь (285-230 млн лет). Для развития жизни в раннем палеозое (кембрий, ордовик и силур) характерно интенсивное развитие наземных растений и выход на сушу животных.

Фауна раннего палеозоя включает следующих представителей биоты: колония археоцит; скелет силурийского коралла; обитатель мелководных заливов силурийских морей — гигантский ракоскорпион; головоногий мол­люск; морские лилии; древнейшие позвоночные бесчелюстные панцирные «рыбы»; одиночные кораллы; трилобиты — примитивнейшие ракообразные; раковина силурийского головоногого моллюска

Наступивший в конце силура горообразовательный период изменил зем­ной климат и условия существования организмов. В результате поднятия суши и сокращения морей климат девона был более континентальный, чем в силуре. В девоне появились пустынные и полупустынные области, а кро­ме этого на суше появляются первые леса из гигантских папоротников, хво­щей и плаунов. Новые группы животных начинают завоевьшать сушу, но их отрыв от водной среды еще не был окончательным. К концу карбона отно­сится появление первых пресмыкающихся — уже полностью наземных пред­ставителей позвоночных. Они достигли значительного разнообразия в Пер­ми из-за засушливого климата и похолодания.

Так в палеозое произошло завоевание суши многоклеточными растени­ями и животными.

В кембрийский период климат был умеренным. Животные и растения населяли в основном моря. В этот период, помимо одноклеточных, заселив­ших сушу, появляются первые наземные многоклеточные растения. Выход растений на сушу, вероятно, был связан с достижением содержания кисло­рода в атмосфере около 10% от современного. Только тогда озоновый экран был способен хотя бы частично защитить организмы от ультрафиолетового излучения Солнца. Заселение земной поверхности потребовало возникновения системы, передающей питательные вещества и влагу ко всем частям растений, а также дальнейшей дифференциации тела растений на стебель, корень и листья. Наиболее разнообразна была жизнь в морях. Среди расте­ний господствовали различные водоросли, а также существовали уже все основные типы животных, кроме хордовых.

В ордовике продолжалось развитие наземной флоры, появились первые плауны и хвощи. В морях шел интенсивный процесс образования рифов коралловыми полипами. В этот период появились и развивались первые хор­довые. Возникновение у них хватательного ротового аппарата вызвало их интенсивное развитие.

В силурийском периоде на сушу вышли первые дышащие воздухом жи­вотные — членистоногие. В водоемах продолжалось бурное развитие низ­ших позвоночных. Особенно следует отметить появление парных плавни­ков-конечностей у этих примитивных рыб. На суше интенсивно развивались растения. Накопление в почве большого числа органических остатков при­вело к развитию грибов, способствовавших их переработке.

В девоне климат был резко континентальным, засушливым, с резкими колебаниями температуры в течение суток и по сезонам, появились обшир­ные пустыни и полупустыни. Наблюдались и первые оледенения. В этот период большого расцвета достигло развитие рыб, заселивших моря и пре­сные водоемы. В то время многие наземные водоемы высыхали в летний период времени, а зимой промерзали, и рыб, населявших их, могли спасти два пути: зарывание в ил или миграция в поисках воды. По первому пути пошли двоякодышащие рыбы, у которых наряду с жаберным развилось и легочное дыхание (легкое развилось из плавательного пузыря). По второ­му — кистеперые рыбы. Их плавники имели вид лопастей, состоящих из отдельных костей с прикрепленными к ним мышцами. С помощью плавни­ков рыбы могли ползать по дну. Кроме того, они тоже могли иметь легоч­ное дыхание. Кистеперые рыбы дали начало первым земноводным — стего­цефалам. На суше в девоне появляются первые леса из гигантских папорот­ников, хвощей и плаунов.

В каменноугольном периоде, или карбоне, произошло заметное потеп­ление и увлажнение климата. В жарких болотистых лесах произрастали гро­мадные, до 40 м, папоротники и хвощи. Появились и голосеменные расте­ния, переход к семенному размножению давал растениям много преиму­ществ (защиту зародыша, снабжение его питательными веществами, лег­кую мигрируемость и др.). Большого разнообразия достигли земноводные (амфибии). Появились первые крылатые насекомые — тараканы (длиной до 10 см) и стрекозы (с размахом крыльев до 75 см). В конце периода появля­ются первые пресмыкающиеся.

Поднятие суши в пермский период привело к развитию засушливого климата и похолоданию. Влажные и пышные леса смещаются к экватору. Большинство папоротникообразных постепенно вымирает, а им на смену приходят голосеменные растения. Иссушение климата привело к вымира­нию многих земноводных. Зато значительного разнообразия достигли пре­смыкающиеся. Рептилии приобрели свойства, позволившие им стать насто­ящими наземными существами. В первую очередь это внутренне оплодо­творение, запас питательных веществ (желток) для зародыша в защищен­ном оболочкой от высыхания и повреждения яйце, ороговение кожи и ус­ложнение легких. Благодаря этим свойствам рептилии широко расселились на суше.

Следующая эра истории Земли — мезозойская.

Мезозой (от греч. «средняя жизнь») — это геологическая эра (230-67 млн лет) со следующими периодами: триас (230-195 млн лет), юра (195-137 млн лет), мел (137-67 млн лет). Мезозой справедливо называют эрой пресмыка­ющихся. Их расцвет, широчайшая дивергенция и вымирание происходят именно в эту эру. В мезозое усиливается засушливость климата. Вымирает множество сухопутных организмов, у которых отдельные этапы жизни свя­заны с водой: большинство земноводных, папоротники, хвощи и плауны. Вместо них начинают преобладать наземные формы, в жизненном цикле которых нет стадий, связанных с водой. В триасе среди растений сильного развития достигают голосеменные, а среди животных — пресмыкающиеся. В триасе появляются растительноядные и хищные динозавры. Весьма раз­нообразны в эту эру морские пресмыкающиеся. Помимо ихтиозавров, в мо­рях юры появляются плезиозавры. В юре пресмыкающиеся начали осваи­вать и воздушную среду. Так, летающие ящеры просуществовали до конца мела.

Мезозойские пресмыкающиеся: водяной ящер, полуводный ящер, рога­тый динозавр, летающий хвостатый ящер, летающий бесхвостый ящер, ра­стительноядный динозавр-бронтозавр, растительноядный динозавр-стегозавр.

Начало этой эры сопровождалось активным горообразованием, возник­ли Урал, Тянь-Шань, Алтай. Это привело к дальнейшему усилению засуш­ливости климата. Вымирает большинство влаголюбивых организмов: зем­новодные, папоротники, хвощи и плауны. Появляются растительноядные и хищные динозавры, однако их размеры относительно невелики: мелкие — с кролика, крупные — до 5-6 м. В морях развиваются разнообразные голово­ногие моллюски. Изобилие рыб и моллюсков позволило рептилиям (ихтио­заврам) освоить водную среду. В конце триаса появляются первые прими­тивные млекопитающие, имевшие, в отличие от рептилий, постоянную тем­пературу тела.

В юрский период на Земле устанавливается теплый климат, близкий к современному тропическому. На суше появляются гигантские растительно­ядные динозавры (до 30 м) и охотившиеся на них хищные динозавры (до 10-15 м длины). Разнообразны морские пресмыкающиеся. Рептилии нача­ли осваивать и воздушную среду: появились летающие ящеры — птеродак­тили. Одновременно с этим появились первые птицы, сумчатые млекопита­ющие, первые покрытосеменные растения, после чего начался процесс па­раллельной эволюции цветковых растений и насекомых-опылителей. В юр­ский период от пресмыкающихся возникли и птицы. На суше в юре встреча­ются гигантские растительноядные динозавры. Во второй половине возник­ли сумчатые и плацентарные млекопитающие. Приобретение живорожде­ния и теплокровности были теми ароморфозами, которые обеспечили про­гресс млекопитающих.

Меловой период был назван в связи с обилием мела в морских отложе­ниях того времени, которые образовались из раковинок простейших живот­ных. Накопления этих отложений, состоящих в основном из углекислого кальция, привело к уменьшению содержания углекислого газа в атмосфере. В этот период быстро распространяются цветковые растения, вытесняя го­лосеменные.

Некоторые формы (тополь, ива, дуб, пальма и эвкалипт) сохранились и поныне. Динозавры мелового периода отличаются от предшественников: не­которые из них стали передвигаться на задних ногах. Продолжалось развитие птиц. К концу мелового периода появились плацентарные млекопитающие. В конце этого периода наступает процесс интенсивного горообразования, под­нимаются Альпы, Анды, Гималаи и Кавказ. Климат стал резко континен­тальным и более холодным. Это привело к вымиранию всех крупных форм пресмыкающихся. Большинство выживших рептилий (ящерицы и змеи) были небольших размеров, лишь в экваториальном поясе сохранились относитель­но крупные крокодилы. В условиях общего похолодания преимущество полу­чили теплокровные животные — птицы и млекопитающие.

Геологическая эра, в которую мы живем, называется кайнозоем. Кай­нозой (от греч. «новая жизнь») — это эра (67 млн лет — наше время) расцве­та цветковых растений, насекомых, птиц и млекопитающих. Кайнозой де­лится на три неравных периода: палеогеновый (67-25 млн лет), неогеновый (25-2 млн лет) и четвертичный (2 млн лет — наще время).

В палеогене и неогене, часто объединяемых в третичный период, уста­навливается теплый равномерный климат. Широко распространяются леса (субтропические и тропические). Развиваются плацентарные млекопитаю­щие и вытесняют сумчатых почти со всех континентов. Наиболее прими­тивными были насекомоядные млекопитающие, от которых произошли первые хищные и приматы. Древние хищные дали начало копытным. Часть млекопитающих начала завоевывать море — появились ластоногие и кито­образные. К концу третичного периода сформировались все современные группы млекопитающих. Интенсивно развивались и различные насекомые, особенно связанные с цветковыми растениями. Произошло формирование многих видов птиц. В первой половине третичного периода широко распро­странены леса тропического и субтропического типа. В течение третичного периода от насекомоядных млекопитающих обособляется отряд приматов. К середине этого периода широкое распространение получают и общие пред-ковые формы человекообразных обезьян и людей. К концу третичного пе­риода встречаются представители всех современных семейств животных и растений и подавляющее большинство родов.

Третичные млекопитающие: фенакодус, эогиппус, гиппарион, палео-транус, саблезубый тигр, оленеобразный жираф, гигантский носорог, мери­терий, миоценовый слон.

В это время начинается великий процесс остепнения суши, который при­вел к вымиранию одних древесных и лесных форм и выходу других на от­крытое пространство. В результате сокращения лесных площадей одни из форм антропоидных обезьян отступали в глубь лесов, другие спустились с деревьев на землю и стали завоевывать открытые пространства. Потомками последних являются люди, возникшие в конце третичного периода. Экосис­темы начали приобретать современную структуру, в них складывались пи­щевые связи между различными классами и типами организмов.

В четвертичном периоде наступило похолодание, что привело к оледе­нению значительной части поверхности Земли. На место теплолюбивой ра­стительности пришла холодоустойчивая — травяная и кустарниковая. Вы­мерли многие древесные растения, образовались обширные открытые про­странства — степи. Часть млекопитающих также исчезла в процессе эволю­ции, а некоторые группы, например, копытные, интенсивно развивались. Смена потеплений и похолоданий происходила неоднократно. Гигантские запасы льда на суше во время похолоданий приводили к понижению уровня Мирового океана, в результате чего возникли сухопутные мосты между ма­териками. По этим участкам временной суши происходил обмен наземны­ми животными и растениями. Все это определило тот видовой состав орга­нического мира, который существует в настоящее время, создало современ­ные экосистемы.

Млекопитающие четвертичного периода: широконосый носорог, но­сорог-эласмотерий, гигантский броненосец, гигантский ленивец, мамонт, древний слон, древний зубр, гигантский торфяной олень, современный ин­дийский слон.

В четвертичный период, учшантропоген, происходила интенсивная эво­люция приматов. От одной из групп обезьян (австралопитеков) еще в конце третичного периода отделились предки современного человека. В течение четвертичного периода вымирают мамонты, саблезубые тигры, гигантские ленивцы, болыперогие торфяные олени и другие животные. Большую роль в вымирании крупных млекопитающих сыграли древние охотники. В про­цессе развития древнейших людей увеличивалось разнообразие видов дея­тельности, усиливалось воздействие на окружающую среду, биологические факторы эволюции играли все меньшую роль, а основное значение приобре­ли социальные, развивавшиеся с ростом сознания. Около 10 тыс. лет назад в умеренно теплых областях Земли наступила «неолитическая революция», связанная с переходом человека от собирательства и охоты к земледелию и скотоводству. То есть возникли виды природопользования, коренным обра­зом изменившие облик земных ландшафтов и во многом определившие трансформацию видового состава органического мира.