Возникновение и развитие жизни на Земле - Георгий Войткевич

Третий этап характеризуется развитием окислительной фотоавтотрофной биосферы. Он начался с завершения отложений полосчатых железистых кварцитов около 1800 млн лет назад, в эпоху Карельско-Свекофенского орогенеза. Для этого этапа развития биосферы характерно наличие такого количества свободного кислорода, которого достаточно для появления и развития животных, потребляющих его при дыхании.

Последние два этапа в развитии биосферы фиксированы в каменной летописи геологической истории. Первый этап — наиболее далекий и загадочный, и расшифровка его истории связана с решением основных проблем органической космохимии.

Некоторые организмы раннего докембрия, относящиеся к синезеленым водорослям и пианобактериям, мало изменились в ходе геологической истории. Можно полагать, что простейшие организмы обладали наиболее устойчивой персистентностью (от латинского persiste — упорствую). По существу, в течение всей истории Земли не было причин для того, чтобы некоторые морские микроорганизмы, в частности синезеленые водоросли и бактерии, сильно изменились.

Растения как типичные представители фотоавтотрофных организмов нашей планеты возникли в ходе длительной эволюции, которая ведет свое начало от примитивных обитателей освещенной зоны моря — планктонных и бентосных прокариот. Сопоставляя палеонтологические данные с данными сравнительной морфологии и физиологии ныне живущих растений, можно в общем виде наметить следующую хронологическую последовательность их появления и развития:

1) бактерии и синезеленые водоросли (прокариоты);

2) водоросли циановые, зеленые, бурые, красные и др. (эукариоты, как и все последующие организмы);

3) мхи и печеночники;

4) папоротники, хвощи, плауны, семенные папоротники;

5) голосеменные (включая шишковые растения);

6) покрытосеменные, или цветковые, растения.

Бактерии и синезеленые водоросли обнаружены в наиболее древних сохранившихся отложениях докембрия, значительно позже появляются водоросли, и только в фанерозое мы встречаем пышное развитие высших растений: плауновых, хвощей, голосеменных и покрытосеменных.

В течение всего криптозоя в первичных водоемах в эвфотической зоне древних морей развивались преимущественно одноклеточные организмы — водоросли различного типа.

У основных представителей прокариот, обнаруженных в докембрии, питание было автотрофным — с помощью фотосинтеза. Наиболее благоприятные условия для фотосинтеза создавались в освещенной части моря на глубине от поверхности до 10 м, что соответствовало также условиям мелководного бентоса.

К настоящему времени изучение докембрийских микрофоссилий продвинулось вперед, соответственно накоплен большой фактический материал. В целом интерпретация микроскопических препаратов представляет собой трудную задачу, которую нельзя разрешить однозначно.

Лучше всего выявляются и опознаются трихомные бактерии, резко отличающиеся от минеральных образований близкой формы. Полученный эмпирический материал по микрофоссилиям позволяет заключить, что их можно сопоставить с ныне живущими цианобактериями.

Строматолиты, как биогенные постройки далекого прошлого планеты, образовались при накоплении тонкого осадка карбоната кальция, захватываемого фотосинтезирующими организмами микробиологических ассоциаций. Микрофоссилии в строматолитах состоят почти исключительно из прокариотических микроорганизмов, относящихся главным образом к синезеленым водорослям — цианофиты. При изучении остатков бентосных микроорганизмов, слагающих строматопиты, выяснилась одна интересная особенность, имеющая принципиальное значение. Микрофоссилии разного возраста мало изменяют свою морфологию и свидетельствуют в целом о консервативности прокариот. Микрофоссилии, относящиеся к прокариотам, оставались практически постоянными довольно долгое время. Во всяком случае, перед нами установленный факт — эволюция прокариот проходила значительно медленнее, чем высших организмов.

Итак, в ходе геологической истории бактерии-прокариоты обнаруживают максимальную персистентность. К персистентным формам относятся организмы, сохранившиеся в процессе эволюции в неизменном виде. Как отмечает Г. А. Заварзин [1984], поскольку древние сообщества микроорганизмов обнаруживают значительные черты сходства с современными, развивающимися в гидротермах и в областях образования эвапоритов, то это позволяет на современных природных и лабораторных моделях более обстоятельно изучить геохимическую деятельность этих сообществ, экстраполируя их в далекое докембрийское время.

Первые эукариоты возникли в планктонных ассоциациях открытых вод. Конец исключительного господства прокариот относится приблизительно к дате 1,4 млрд лет назад, хотя первые эукариоты появились значительно раньше. Так, по последним данным, облик ископаемых органических остатков из черных сланцев и углистых образований района Верхнего Озера свидетельствует о появлении эукариотических микроорганизмов 1,9 млрд лет назад.

От даты 1,4 млрд лет назад к нашему времени палеонтологическая летопись докембрия значительно расширяется. К этой дате приурочено появление сравнительно крупных форм, относящихся к планктонным эукариотам и получивших название «акритархи» (в переводе с греческого — «существа неизвестного происхождения»). Следует отметить, что группа акритарх (Acritarcha) предложена в качестве неопределенной систематической категории, обозначающей Микрофоссилии различного происхождения, но сходные по внешним морфологическим признакам. В литературе описаны акритархи из докембрия и нижнего палеозоя. Большинство акритарх были, вероятно, одноклеточными фотосинтезирующими эукариотами — оболочками каких-то древних водорослей. Некоторые из них могли еще иметь прокариотическую организацию. На планктонный характер акритарх указывает их космополитическое распространение в одновозрастных осадочных отложениях. Наиболее древние акритархи из отложений раннего рифея Южного Урала обнаружил Т. В. Янкаускас.

В ходе геологического времени размеры акритарх увеличивались. По данным наблюдений, оказалось, что, чем моложе докембрийские Микрофоссилии, тем они крупнее. Допускается, что значительное увеличение размеров акритарх было связано с увеличением размеров эукариотической организации клеток. Они могли появиться как самостоятельные организмы либо, что более вероятно, в симбиозе с другими. Л. Маргелис считает, что эукариотические клетки скомпоновались из уже существовавших прокариотических. Однако для выживания эукариот необходимо было, чтобы среда обитания была насыщена кислородом и, как следствие этого, возник аэробный метаболизм. Первоначально свободный кислород, выделяющийся при фотосинтезе цианофитов, накапливался в ограниченных количествах в мелководных местах обитания. Возрастание его содержания в биосфере вызвало реакцию со стороны организмов: они стали заселять бескислородные места обитания (в частности, анаэробные формы).

Данные докембрийской микропалеонтологии указывают, что в среднем докембрии еще до появления эукариот цианофиты составляли относительно небольшую часть планктона. Эукариоты нуждались в свободном кислороде и все более конкурировали с прокариотами в тех областях биосферы, где появлялся свободный кислород. По имеющимся данным микропалеонтологии можно Судить, что переход от прокариотной к эукариотной флоре древних морей совершался медленно и обе группы организмов долгое время сосуществовали вместе. Впрочем, это сосуществование в иной пропорции происходит и в современную эпоху. К началу позднего рифея уже распространилось множество автотрофных и гетеротрофных форм организмов.

По мере своего развития организмы перемещались за питательными веществами в более глубокие и удаленные от шельфов области моря. В палеонтологической летописи отмечается резкое увеличение разнообразия крупных сфероидальных форм эукариотических акритарх в позднерифейское время, 900-700 млн лет назад. Около 800 млн лет назад в Мировом океане появились представители нового класса планктонных организмов — кубкообразные тельца с массивными раковинами или наружными покровами, минерализованными карбонатом кальция или кремнеземом. В начале кембрийского периода в эволюции планктона произошли существенные сдвиги — возникли разнообразные микроорганизмы со сложной скульптурной поверхностью и улучшенной плавучестью. Они дали начало настоящим шиповатым акритархам.

Появление эукариот создало важную предпосылку для зарождения в раннем рифее (около 1,3 млрд лет назад) многоклеточных растений и животных. Для белтской серии из докембрия западных штатов Северной Америки их описал еще Ч. Уолкотт, Но к какому типу водорослей они относятся (бурые, зеленые или красные), еще неясно. Таким образом, чрезвычайно длительная эра господства бактерий и близких к ним синезеленых водорослей сменилась эрой водорослей, достигавших в водах древних океанов значительного разнообразия форм и красок. На протяжении позднего рифея и венда многоклеточные водоросли становятся разнообразнее, они сопоставляются с бурыми и красными.