Ряд эдиакарских форм был обнаружен также ввендских отложенияхразных районов нашей страны: медузоподобная бельтанелла в Прибалтике, эдиакарияи медузина на полуострове Рыбачьем, птеридиниумы на севере Якутии,напоминающая сприггину Vendia в районе Яренска и т. д. В 70-е годы на реке Сюзьма (Онежскийполуостров) и наЗимнем берегу Белого моря севернее Архангельска были найдены местонахождениявендской фауны, по богатству не уступающие эдиакарской 1
4. Это указывает на огромное распространение фауны многоклеточных мягкотелыхживотных в вендское время.
Поскольку вендская фауна столь разнообразна ивключает довольновысокоорганизованных животных, очевидно, что до ее возникновения эволюция Metazoaпродолжалась уже достаточно долго. Вероятно, многоклеточные животные появилисьзначительно раньше— где-то в промежутке700—900 млн. летназад.
Граница между протерозойской и палеозойскойэрами (т. е. междукриптозоем и фанерозоем) отмечается поразительным изменением в составе и богатствеископаемой фауны. Внезапно (другого слова здесь, пожалуй, и не подберешь) послелнемых толщ верхнею протерозоя, почти лишенных следов жизни, в осадочныхпородах кембрия (первого периода палеозойской эры), начиная с самых нижнихгоризонтов, появляется огромное разнообразие и обилие остатков ископаемыхорганизмов. Среди них остатки губок, плеченогих, моллюсков, представителейвымершего типа археоциат, членистоногих и других групп. К концу кембрияпоявляются почти все известные типы многоклеточных животных. Этот внезапный взрывформообразования награнице протерозоя и палеозоя — одно из самых загадочных событий в истории жизни на Земле. Благодаря этому началокембрийского периода является столь заметной вехой, что нередко всепредшествующее время в геологической истории (т. е. весь криптозой) именуют докембрием.Проблема раннекембрийской биологической революции требует специального рассмотрения, которому будетпосвящен следующий раздел.
ЗАГАДКА РАННЕГО КЕМБРИЯ И ПОПЫТКИ ЕЕРАЗРЕШЕНИЯ
Находки вендской фауны и некоторые другиеданные по докембрийским организмам говорят о том, что эволюция многоклеточныхживотных началась задолго до нижнего рубежа кембрия и привела к формированиюразнообразных групп. Есть основания считать, что в позднем протерозое ужесложились такие типы, как губки, кишечнополостные, плоские и кольчатыечерви, членистоногие, моллюски, иглокожие и, вероятно, многие другие. Крайняяредкость захороненияпредставителей этих групп в отложениях позднего протерозоя объясняется,вероятно, отсутствием твердого скелета у докембрийских животных. Революция раннегокембрия прежде всего проявилась в появлении такого скелета у самых различных группживотных. При этомскелетные ткани и анатомия скелета были совершенно различны у разных групп: отгибких членистых хитиновых панцирей членистоногих до монолитных известковыхраковин моллюсков и плеченогих. Однако едва ли будет правильно сводить раннекембрийскуюреволюцию только к скелетизации организмов. Вероятно, на рубеже криптозоя ифанерозоя значительно возросли обилие, разнообразие и распространение различныхформ жизни.
Среди предлагавшихся решений загадки раннегокембрия 2
5 самымпростым было предположение, что загадка эта кажущаяся, что в действительностиорганизмы были столь же (или почти столь же) разнообразны и многочисленны и вкриптозое, но остатки их не дошли до нас в достаточном количестве из-за большой древности иметаморфизма осадочных пород. Однако такая гипотеза совершенно не объясняет нивнезапности появления в осадочных породах нижнего кембрия столь обильныхископаемых остатков организмов (можно было бы ожидать постепенного нарастанияколичества ископаемых остатков по мере приближения к современности), ни фактаотсутствия скелета у докембрийских животных и его наличия у многих кембрийскихформ.
Было высказано предположение, что причинойпоявления большогоколичества ископаемых остатков организмов в раннекембрийских отложениях былоизменение гидрохимического режима водоемов, благоприятствующеескелетообразованию на чисто химической основе (в частности, указывают наусиленное отложение фосфатов в морских осадках раннего кембрия). Но такоепредположение не увязывается с указанным выше разнообразием форм и химическогосостава скелета у кембрийских животных (сохраняющимся, кстати, и досовременности). Как могло благоприятствовать повышение содержания фосфатов в водеобразованию, например, кремниевой раковины или хитина, которыйпредставляет собой комплекс азотсодержащих полисахаридов
Для объяснения резких изменений состава иобщего облика фауны ифлоры в определенные моменты истории Земли, одним из которых и является нижнекембрийскийрубеж, некоторые авторы (например, немецкий палеонтолог О. Шиндевольф) привлекают взрывмутаций, т. е. значительное возрастание по сравнению с обычным средним уровнемчастоты и размаха изменений аппарата наследственности, вызванное какими-товнешними факторами и затронувшее одновременно все (или почти все) виды организмов. Подавляющеебольшинство мутацийснижает жизнеспособность мутантных особей, чем пытаются объяснить массовоевымирание видов прежней фауны и флоры; общее усиление мутационного процесса, помысли Шиндевольфа,приводит к возникновению и быстрому распространению новых форм. При этом сразувозникают новые типы организации — путем крупных мутаций, так сказать, скачкообразно. В качествепричины такоголмутационного взрыва Шиндевольф привлекает повышение уровня жесткой космическойрадиации в результате вспышки Сверхновой звезды на достаточно близкомрасстоянии от Солнца.
К сожалению, эта концепция не может объяснитьни одного конкретногослучая изменений фауны и флоры: почему вымерли одни группы организмов, а выжилии преуспели другие, прежде сосуществовавшие с первыми
В сущности, концепция мутационного взрывапросто подменяет анализ конкретных ситуаций постулированием универсальнойпричины дляобъяснения любого крупномасштабного эволюционного изменения. Совершеннонесостоятельно привлечение крупных мутаций для объяснения значительных ибыстрых преобразований организмов. В действительности основой эволюционного процессаявляются малыемутации, и эволюционные перестройки большого масштаба складываются подконтролем естественного отбора из серий малых мутаций. Крупные мутации приводятк резкому нарушению функционирования аппарата наследственности, к разладу сложнейших,тонко скоординированных систем морфогенеза и, в итоге, к гибели мутантногоорганизма. Далее, расчеты ряда авторов показали, что вспышки Сверхновых звездне могут вызвать такого повышения радиации на поверхности Земли, котороеимело бы предполагавшийся Шиндевольфом мутагенный эффект.
Вообще всегда кажется более предпочтительнымискать объяснениясобытиям, происходящим на Земле, по возможности не прибегая к таким гипотезам,которые постулируют универсальное влияние некоего космического фактора, никакне опосредованное конкретными земными условиями.
В этом отношении от многих других концепцийвыгодно отличаетсягипотеза Л. Беркнера и Л. Маршалла (1965, 1966), объясняющая многие важнейшие события входе докембрийской и послекембрийской эволюции, так же как и на рубеже криптозоя и фанерозоя,опираясь на закономерные изменения условий в среде обитания древних организмов.В центре внимания гипотезы Л. Беркнера и Л. Маршалла стоит анализ зависимостиразвития жизни на Земле от изменений содержания кислорода в земной атмосфере1
6.
В современной атмосфере Земли содержитсяоколо 21 % кислорода, что соответствует его парциальному давлению 159 мм рт.ст. Нам, современнымобитателям Земли, это представляется совершенно естественным: ведь свободный кислородатмосферы необходим для подавляющего большинства организмов как окислитель в процессахдыхания. Первичноводные животные (например, рыбы) дышат кислородом, растворенным в воде, ноэтот последний образует с атмосферным кислородом единую систему: избытки кислорода, выделяющегося вводе (в результате фотосинтеза водных растений), поступают в атмосферу, а кислород атмосферырастворяется в поверхностном слое воды, по тем или другим причинам обедненнойрастворенным кислородом.
Однако кислородная атмосфера, столь богатаяэтим элементом, среди всех планет солнечной системы присуща только Земле. Этоне случайно. Высокая химическая активность кислорода приводит к тому, что вусловиях планет кислород в свободном состоянии долго существовать не может.Участвуя в различных химических реакциях, он оказывается связанным в видеоксидов и других соединений. Обилие кислорода в атмосфере современной Земли — результат фотосинтеза, осуществляемого в течение 3млрд. лет зелеными растениями:
6СО2 + 6Н2О→ С6Н12О6 +6О2 — 2,62 кДж
энергия солнечного света
Первичная атмосфера Земли, существовавшая вовремена зарожденияжизни (3,5—4 млрд.лет назад), имела восстановительный характер и состояла, вероятно, из водорода,азота, паров воды, углекислого газа, аммиака, метана, аргона и небольших количествдругих газов, в томчисле и кислорода. Количество свободного кислорода в первичной атмосфере немогло превышать 0,001 от современного его содержания (это небольшое количествокислорода выделялось в результате фотодиссоциации воды ультрафиолетовыми лучами;кислород быстровходил в различные химические реакции и вновь оказывался в химически связанномсостоянии).
Зарождение жизни произошло в бескислороднойсреде, и кислород в силу своей высокой окислительной способности первоначальнобыл ядовит для протоорганизмов из-за отсутствия у них соответствующих защитныхбиохимических систем. Вероятно, протоорганизмы по способу питания являлисьгетеротрофами, использовавшими в пищу различные органические соединенияабиогенного происхождения, которыми, по мнению большинства авторов, былиобогащены водоемыраннего археозоя (состояние первичного бульона, по А. И. Опарину) и на базе которых возникла исама жизнь. Для освобождения энергии, необходимой в жизненных процессах,использовалась анаэробная диссимиляция (брожение):
С6Н12О6→ 2СН3СН2ОН +2СО2 + 0,209кДж/моль
С появлением фотосинтеза (первымифотосинтезирующими организмами были сине-зеленые водоросли) в атмосферу сталвыделятьсякислород.
В условиях бескислородной атмосферыраспространение жизни было гораздо более ограниченным, чем ныне. Дело в том,что организмы неимеют никакой защиты от гибельной для них жесткой ультрафиолетовой части излученияСолнца (с длиной волны менее 250 нм). В современной атмосфере жесткаяультрафиолетовая радиация поглощается так называемым озоновым экраном — слоем озона О3, образующегося на высоте около 50 кмиз кислорода О2 поддействием солнечного излучения и распределяющегося в основном в 15—60 км от земной поверхности.Озоновый экран надежно защищает живые организмы, которые могут существовать какв водоемах, так и на поверхности суши и в нижних слоях атмосферы. Вбескислородной атмосфере раннего докембрия озоновый экран отсутствовал и жизньмогла развиваться только под защитой слоя воды толщиной около 10 м.Поверхностные слои водоемов, получающие наибольшее количество энергии солнечногоизлучения, были недоступны для организмов. Совершенно безжизненны были иматерики криптозоя.
Однако фотосинтез, осуществлявшийся в озерах,морях и океанахпланеты сине-зелеными водорослями (а позднее и различными группамиэукариотических водорослей), в течение 2 млрд. лет медленно, но неуклонно повышалсодержание свободного кислорода в атмосфере. Когда содержание кислородадостигло 0,01 от современного (так называемая точка Пастера, соответствующая парциальномудавлению кислорода 1,59 мм рт. ст.), у организмов впервые появилась возможностьиспользовать для удовлетворения своих энергетических потребностей аэробнуюдиссимиляцию; другими словами, после достижения точки Пастера стало возможнодыхание, которое энергетически выгоднее брожения почти в 14 раз:
С6Н12О6 +6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 2,88 кДж/моль
(Вспомним, что при броженииосвобождается всего лишь 0,209 кДж/моль.) Это был важнейший переломныймомент в развитии жизни.
Среди современных организмов так называемыефакультативные аэробы, каковыми являются многие бактерии и некоторые дрожжевыегрибы, при уменьшении содержания кислорода ниже точки Пастера используют брожение, приподнятии содержания кислорода выше указанной точки — дыхание (эффектПастера).
Переход к аэробной диссимиляции в эволюциидревних организмовпроизошел, разумеется, не сразу. Для этого необходимо развитие соответствующихферментативных систем, но линии, приобретшие способность к дыханию, получилиогромный энергетический выигрыш и в результате возможность резкоинтенсифицировать метаболизм и все жизненные процессы. Это явилось предпосылкойк дальнейшей прогрессивной эволюции и, вероятно, способствовало ускорениюэволюционного процесса.
Но достижение пастеровской точки в развитииатмосферы Землиознаменовалось не только появлением возможности аэробной диссимиляцииорганизмов. При содержании кислорода в атмосфере в количестве 0,01 отсовременного формирующийся озоновый экран может защитить от жесткойультрафиолетовой радиации уже и верхние слои воды в водоемах (требуетсялпомощь слоя воды толщиной примерно 1 м). Это, во-первых, позволяет организмамподниматься вповерхностные слои водоемов, наиболее богатые солнечной энергией; в результатерезко усиливается эффективность фотосинтеза, увеличиваются биопродукция(синтез растениями органических веществ) и выделение свободного кислорода.Во-вторых, чрезвычайно расширяется арена жизни, малые глубины водоемов представляютогромное разнообразие условий по сравнению со средними и большими глубинами.Освоение этого разнообразия условий в богатой энергией среде обитания неминуемо должнопривести к резкому повышению разнообразия форм жизни, подлинному взрывуформообразования.
Pages: | 1 | ... | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | ... | 31 | Книги по разным темам