Вивчення ранніх етапів розвитку життя на землі

ЗАГАЛЬНА БІОЛОГІЯ

ВИВЧЕННЯ РАННІХ ЕТАПІВ РОЗВИТКУ ЖИТТЯ НА ЗЕМЛІ

План

1. Масштаби геологічного часу.

2. Основні підрозділи геологічної історії Землі.

3. Різке зростання розмаїтості викопної фауни.

МАСШТАБИ ГЕОЛОГІЧНОГО ЧАСУ

Найрізноманітніші науки займаються вивченням ево­люційного розвитку організмів, досліджуючи різні аспекти. Викопні рештки рослин і тварин, що існували в давні гео­логічні епохи на Землі, вивчаються палеонтологією. Саме цій науці належить пальма першості серед тих наук, які прямо пов'язані з дослідженням еволюції органічного світу. Палеон­тологи вивчають залишки давніх форм життя і зіставляють їх із сучасними організмами, їм вдається визначити час іс­нування вимерлих форм, щоб на цій основі відновити філо­генез. Філогенез являє собою історичну спадковість рослин і тварин, а також всіх інших груп організмів, їхню еволюцій­ну історію. Але тут палеонтологія не може розраховувати винятково на свої дані, їй обов'язково потрібні відомості й результати Досліджень багатьох інших наук, близьких за спрямованістю. До них належать біологічні, геологічні та гео­графічні дисципліни. До того ж відомо, що сама палеонтоло­гія лежить на своєрідному стику геології й біології. Палеон­тології також необхідна допомога таких наук, як історична геологія, стратиграфія, палеографія, палеокліматологія й ін. Це потрібно, щоб мати можливість розібратися і правильно визначити час існування вимерлих організмів, зрозуміти умови їхнього життя й закономірності переходу їхніх реш­ток у викопний стан. Обов'язковою при аналізі є й допомога такої науки, як порівняльна анатомія, її дані вкрай необхідні палеонтологам, щоб проаналізувати будову, фізіологію, спо­сіб життя й еволюцію вимерлих форм. До того ж за допо­могою порівняльної анатомії досить просто встановити го­мологію органів і структуру різних видів. Що таке гомоло

гія? Вона являє собою подібність, що ґрунтується на спорі­дненні. Якщо в організмах присутні гомологічні органи, то це є прямим доказом родинних зв'язків цих організмів. Це підтверджує, що вони мають або спільних предків, або є нащадками вимерлих організмів. Як правило, усі гомологі­чні органи мають однакову будову, їхній розвиток почина­ється з аналогічних ембріональних зачатків, а також слід вказати, що вони займають однакове положення в організмі. Велике значення для палеонтології має і розвиток та­ких наук, як функціональна анатомія і порівняльна фізіоло­гія. Вони допомагають палеонтологам правильно зрозуміти, як функціонують органи у вимерлих організмів. Для аналізу будови, життєдіяльності й умов існування вимерлих тварин учені використовують принцип актуалізму, який був висуну­тий геологом Д. Геттоном. Згодом він був детально розро­блений одним із найвідоміших'геологів XIXст. Ч. Лайєлем. Відповідно до цього принципу всі закономірності й взаємо­зв'язки, які можна спостерігати в явищах і об'єктах неорга­нічного й органічного світу сьогодні, мали місце й у минулі віки. Безумовно, ніхто не може дати стовідсоткової гарантії, але чимало вчених дійдуть висновку, що в більшості випа­дків цей принцип правильний. Як відомо, палеонтологічний літопис, представлений викопними рештками вимерлих орга­нізмів, іноді не дає повної картини через численні прогали­ни. Вони виникають через специфічність умов поховання решток організмів і дуже маленьку імовірність збігу всіх необхідних для цього факторів. Щоб відтворити філогенез організмів повністю, реконструювати відсутні ланки на ро­довідному древі, недостатньо тільки палеонтологічних даних і методів. Допомогти в цьому може метод потрійного пара­лелізму, який був введений у науку німецьким ученим Е. Геккелем. Він грунтується на порівнянні палеонтологічних, порівняльноанатомічних і ембріологічних даних. Учений спирався на закон, що був сформульований ним самим. Це основний біогенетичний закон. У його основі лежить розу­міння того, що індивідуальний розвиток організму (онтоге _ нез) — стисле повторення філогенезу. Це означає, що детальне вивчення й аналіз організмів, що нині розвиваються, дає можливість зрозуміти, як відбувалися еволюційні зміни всіх живих організмів, у тому числі й тих, котрі давно вимерли. Набагато пізніше вчений О. М. Сєверцов довів, що Геккель трохи помилявся. Сєверцовим була виведена теорія філембріогенезу, у якій він доводить, що саме завдяки еволюції онтогенезу можливий прояв філогенезу. Існують окремі випадки, коли еволюційна перебудова якогонебудь з орга­нів протікає за допомогою зміни пізніх стадій його індиві­дуального розвитку, тобто нові ознаки формуються напри­кінці онтогенезу (це Сєверцов назвав анаболією). Тоді спра­вді можна спостерігати описане Геккелем співвідношення між онтогенезом і філогенезом. Лише в подібних випадках можливим є залучення ембріологічних даних для досліджен­ня філогенезу. Сєверцов наводить цікаві приклади реконс­трукції гіпотетичних відсутніх ланок у філогенетичному древі. Дослідження онтогенезів сучасних організмів необ­хідне ще й для того, щоб мати правильне уявлення про можливі зміни онтогенезу, які й дають поштовх до еволюції. Щоб зрозуміти сутність еволюційного процесу і здійсни­ти причинний аналіз ходу філогенезу, необхідні висновки еволюціоністики. Ця наука є аналогом теорії еволюції і називаєть­ся ще дарвінізмом, взявши ім'я великого творця теорії приро­дного добору Ч. Дарвіна. До обов'язків представників цієї науки належить вивчення сутності, механізмів, загальних за­кономірностей і напрямків еволюційного процесу. Сама ж на­ука є теоретичною базою всієї сучасної біології. Якщо поду­мати, то можна зробити висновок, що еволюція організмів — це особлива форма існування живої матерії у часі. До того ж усі сучасні прояви життя на будьякому рівні організації жи­вої матерії можна зрозуміти лише з огляду на еволюційну пе­редісторію.

Зазначені вище науки не вичерпують списку дисциплін, що беруть участь у вивченні й аналізі розвитку життя на Землі в минулі епохи. Палеонтологи залучають дані систематики, біогеографії. Також учених дуже цікавлять питання походження людини та ЇЇ еволюції, тому що тут є істотні відмінності від усіх інших класів тварин, у зв'язку з розвитком трудової дія­льності й соціальних умов.

Щоб розібратися в еволюції організмів, треба знати, як відбувалася вона в часі, враховувати тривалість усіх її етапів. Осадові породи допомагають визначити вік місцевості. Давні­ші породи лежать під пізнішими шарами.

Щоб правильно визначити відносний вік шарів осадо­вих порід різних регіонів, необхідно зіставити збережені в них викопні організми. Це можна зробити завдяки палеонтологіч­ному методу, запропонованому в роботах англійського геоло­га У. Сміта наприкінці XVIII— початку XIXст. Учені з'ясува­ли, що серед викопних організмів, якими характеризується кожна епоха, можна виділити певну кількість найбільш розпо­всюджених видів. Ці види почали називатися керівними вико­пними.

Абсолютний вік осадових порід, тобто той проміжок часу, що пройшов із початку їхнього утворення, встановити

досить важко. Інформацію про це можна одержати, дослі­джуючи вулканічні породи, що утворилися із застиглої ма­гми. У магмі слід враховувати вміст радіоактивних елемен­тів і продуктів їхнього розпаду. Відомо, що радіоактивний розпад у таких породах починається з часу їхньої кристалі­зації з розплавів магми, причому триває він із незмінною швидкістю доти, поки не вичерпаються всі запаси радіоакти­вних елементів.

Завдяки цьому визначити вік породи досить легко. Для цього потрібно тільки визначити вміст у гірській породі того або іншого радіоактивного елемента й "Продуктів його розпа­ду, врахувавши швидкість розпаду, і можна досить точно об­числити абсолютний вік цієї породи.

Для осадових порід доводиться враховувати приблиз­ний вік щодо абсолютного віку шарів вулканічних порід. Три­вале й кропітке дослідження відносного й абсолютного віку гірських порід у різних регіонах земної кулі, що проводилося декількома поколіннями геологів і палеонтологів, дозволило визначити основні віхи геологічної історії Землі. Межі між цими підрозділами відповідають різнорідним змінам геологіч­ного й біологічного (палеонтологічного) характеру. Це мо­жуть бути зміни режиму накопичення опадів у водоймах, Що призводить до формування інших типів осадових порід, поси­лення вулканізму і горотворних процесів, вторгнення моря (морська трансгресія) завдяки опусканню значних ділянок ко­нтинентальної кори або підвищенню рівня океану, істотні змі­ни фауни й флори. Оскільки подібні події відбувалися в істо­рії Землі нерегулярно, тривалість різних епох, періодів і ер неоднакова. Іноді викликає труднощі величезна тривалість най, давніших геологічних ер (археозойської й протерозойської), які до того ж не розділені на менші тимчасові проміжки (у будьякому разі, ще немає загальноприйнятого розподілу). Це виникло насамперед через сам фактор часу, тобто чіерез старо­давність відкладень археозою й протерозою, що зазнавали про­тягом своєї тривалої історії значного метаморфізму й. руйну­вання, у результаті чого стиралися існуючі колись віхи розвит­ку Землі й життя. Відкладення архейської й протерозойської ер містять надзвичайно мало викопних решток організмів; за цією ознакою археозой і протерозой об'єднують під назвою «криптозой» (етап прихованого життя), протиставляючи об'єднанню трьох наступних ер — фанерозой (етап явного, спостережуваного життя). Вік Землі визначається різними вченими порізному, але можна вказати приблизну цифру 5 млрд років.

ОСНОВНІ ПІДРОЗДІЛИ ГЕОЛОГІЧНОЇ ІСТОРІЇ ЗЕМЛІ

Археозойська й протерозойська ери, що складають кри­птозой, тривали приблизно 3,4 млрд років. Це свідчить про, те, що криптозой складає 7/8 усієї геологічної історії. Слід зауважити, що у відкладеннях порід цього періоду зберег­лася лише невелика кількість викопних решток вимерлих організмів. Тому вченим важко точно визначити, як саме розвивалося життя протягом цього досить тривалого проміж­ку часу.

Найдавніші рештки вимерлих організмів учені знайшли в осадових товщах Родезії. Осадові породи мають тут вік 2,9— 3,2 млрд років. Були виявлені сліди життєдіяльності водоро­стей (очевидно, синьозелених). Це переконливо доводить, що приблизно 3 млрд років тому на Землі вже існували організми, які здійснювали фотосинтез. Це водорості. Припускається, що поява життя на Землі повинна була відбутися набагато рані­ше. Називають цифру 3,5—4 млрд років тому. Найбільш ви­вченою є протерозойська флора. Вона представлена нитчасти­ми формами завдовжки до декількох сотень мікрометрів і за­втовшки 0,6—16 мкм. Усі вони мають різну будову. Також знайдені рештки одноклітинних організмів діаметром 1 — 16 мкм. Рештки цієї середньопротерозойської флори були знай­дені в Канаді. Учені досліджували кременисті сланці на півні­чному березі озера Верхнього і наштовхнулися на рештки ви­мерлих мікроорганізмів. Вік відкладень складає приблизно 1,9 млрд років.

Дуже часто в осадових породах, що відносяться до про­міжку часу 2—1 млрд років тому, вчені знаходять строматолі­ти*. Це тільки підтверджує версію про широке поширення й активну діяльність синьозелених водоростей у фотосинтезі й рифобудуванні.

Наступний найважливіший етап в еволюції життя підтве­рджується рядом знахідок викопних решток у відкладеннях, що мають вік 0,9—3 млрд років. Серед них знайдені прекрасно збережені рештки одноклітинних організмів завбільшки 2— 8 мкм, у яких вдалося розрізнити внутрішньоклітинну струк­туру, схожу на ядро; виявлені також стадії поділу одного з видів цих одноклітинних організмів, що нагадують стадії мі­тозу — способу поділу евкаріотичних (тобто таких, що мають ядро) клітин.

Якщо висновки, .зроблені після ретельного вивчення знайдених решток, правильні, то це тільки підтверджує, що близько 1,6 млрд років'тому еволюція організмів минула найважливіший рубіж: був досягнутий рівень організації евкаріотів. Про перші сліди життєдіяльності червоподібних багатоклітинних можна довідатися з пізньорифейських від­кладень. Вже у вендські часи (приблизно 650—570 млн років тому) існували різні тварини, яких можна було віднести до різних типів. Відбитків м'якотілих вендських тварин не так вже й багато, однак вони відомі у всіх куточках земної кулі. Цілий ряд цікавих знахідок учені зробили на території ко­лишнього СРСР, знайшовши їх у пізньопротерозойських відкладеннях:

У 1947 р. Р. Спріггом була виявлена багата пізньопротерозойська фауна. Учений знайшов її у Центральній Авст­ралії. М. Глесснер, який досліджував її пізніше, припускає, що вона, складається з трьох десятків видів найрізноманіт­ніших багатоклітинних тварин, які можна віднести до різних типів. Більшість знайдених форм можна зарахувати до ки­шковопорожнинних. До них належать медузоподібні органі

зми, які, за припущеннями, знаходилися в середньому шарі води, і придонні полішюїдні форми, які за виглядом нагаду­ють сучасних альціонарій або морські пера. Учені підтверди­ли, що усі вони, як і подібні тварини едіакарської фауни, не мають твердого кістяка.

Крім кишковопорожнинних у кварцитах Паунд, де й зна­ходиться едіакарська фауна, виявлені рештки червоподібних організмів, яких зараховують до плоских і кільчастих хроба­ків. Деякі з представлених решток вважаються можливими предками членистоногих. Знайдені також останки невідомої таксономічної приналежності. Це тільки ще раз підтверджує, що у вендські часи існувало велике різноманіття багатоклі­тинних м'якотілих тварин. З цього можна зробити висновок: з огляду на те, що у вендські часи існувало величезне різнома­ніття видів, у тому числі й досить високоорганізованих тва­рин, можна припустити, очевидно, що до вендського періоду життя існувало вже протягом тривалого часу. Припускається, що багатоклітинні тварини з'явилися набагато раніше — при­близно 700—900 млн років тому.

РІЗКЕ ЗРОСТАННЯ РОЗМАЇТОСТІ ВИКОПНОЇ ФАУНИ

На межі протерозойської й палеозойської ер дуже си­льно змінюється склад викопної фауни. Раптово після товщ верхнього протерозою, у яких спостерігалася майже повна відсутність життя, в осадових породах кембрію, починаючи з найнижчих його шарів, виникає величезна кількість і роз­маїтість решток викопних організмів. Є серед них і губки (плечоногі молюски), а також представники вимерлих чле­нистоногих. Зате вже до кінця кембрію виникають практи­чно усі відомі вченим типи багатоклітинних тварин. Дотепер дослідники не можуть пояснити такий раптовий стрибок в еволюції живих форм.

Очевидно, виокремлення всіх основних типів тварин від­булося у верхньому протерозої 600—800 млн років тому. Уче­ні припускають, що примітивні представники всіх груп багато­клітинних тварин були невеликими організмами, позбавлени­ми кістяка. Одночасно в атмосфері тривало нагромадження кисню і збільшувалася потужність озонового екрана, що й призвело до збільшення розмірів тіла тварин і появи у них кістяка. У результаті організми одержали можливість широ­кого розселення на невеликих глибинах різних водойм, а це стало причиною того, що значно зросло число різноманітних форм життя.

* Строматоліти — вапняні або доломітові, схожі на коровай, тілана дні морських і прісноводних водойм, що виникли в результаті життєдіяль­ності нижчих водоростей.