Палеонтология. Появление жизни на Земле

Изучение истории ЗемлиЧеловеческая жизнь редко длится дольше ста лет. Поэтому нам сложно представить временной масштаб в миллионы или миллиарды лет. Тем труднее поверить, что вся история нашей цивилизации – лишь краткий миг в истории Земли. Благодаря труду талантливых ученых, сегодня мы знаем не только когда появилась наша планета, но и как она менялась и эволюционировала. Перед нами раскрылись удивительные тайны зарождения жизни, чудовищные катаклизмы и секреты нашего происхождения. Все это стало возможно благодаря науке палеонтологии.Палеонтология – наука, изучающая древнюю жизнь. Ученые палеонтологи исследуют останки или следы доисторических существ. Их работа похожа на собирание невероятно огромного и сложного пазла.

Внешний облик Земли постоянно меняетсяВ Гималаях, на высоте свыше 3 километров находят останки древних морских животных – аммонитов. Как они там оказались?Внешний облик планеты не застыл во времени – Земля постоянно меняется, а её континенты движутся со скоростью нескольких сантиметров в год. Это движение происходит за счет сил, действующих глубоко внутри планеты. Незаметные за несколько лет изменения, становятся поистине впечатляющими по прошествии миллионов лет. Около 60 миллионов лет назад Индийский субконтинент столкнулся с Евразией. Могучие Гималаи – некогда древнее морское дно – возвысились на границе, поднимая морские окаменелости к небу.

Этот медленный танец континентов кардинально повлиял на историю жизни: смещались океаны, формировались и исчезали сухопутные мосты, а также возникали горные хребты.Движение континентов также объясняет тот факт, что останки древних животных одного вида находят на разных континентах. Раньше эти континенты были единым суперконтинентом и животные могли свободно по нему перемещаться.

История Земли записана в горных породахПостоянное движение континентов приводит к тому, что на поверхность выходят древние горные породы. Эти породы, словно слоеный пирог, состоят из многочисленных слоев-эпох. Каждый слой рассказывает, что происходило в ту или иную эпоху. Например, нижний слой расскажет нам о том, что раньше здесь был древний океан. Слой повыше повествует об изобилии живых существ. А третий слой содержит следы, оставшиеся после падения метеорита.Но главная ценность горных пород в том, что они содержат окаменелости древних существ. Чем в более низком слое находится окаменелость, тем древнее найденное ископаемое.

Откуда мы знаем возраст окаменелостей?Одной из самых надежных методик определения возраста окаменелости является радиоуглеродное датирование. Например, откуда ученые знают, что 160 млн лет назад жили динозавры?В ходе фотосинтеза или поедания других существ, живые существа накапливают в своих телах углерод различных форм. Одна из форм углерода (изотоп углерода-14) – нестабильная молекула. Каждый радиоактивный изотоп распадается с характерной неизменной скоростью, называемой периодом полураспада. Например, период полураспада у углерода-14 составляет 5730 лет – за это время половина всего углерода-14 превратится в азот.Когда организм умирает, потребление углерода прекращается. Поскольку оставшийся углерод в организме распадается без восполнения, соотношение углерода-14 и азота меняется. Это соотношение затем используется для определения того, когда наступила смерть животного или растения.

Земля появилась 4,5 миллиарда лет назадИзменения на планете происходят в течение невообразимо огромных промежутков времени. Для удобства, ученые разделили всю историю планеты на промежутки – эпохи. Каждая эпоха отделена от другой крупным геологическим событием или массовым вымиранием.Откуда мы знаем возраст Земли? Из-за постоянного движения континентов и другой геологической активности, горные породы старше 3,5 млрд лет невероятно сложно найти. Возраст самого древнего минерала – циркона – оценивают в 4,4 млрд лет. Это согласуется с возрастом падающих на Землю метеоритов, которые сохранились с момента образования Солнечной системы. Их возраст около 4,5 млрд лет.

Самая древняя эпоха – катархéй – началась 4,5 млрд лет назад. В то время Земля только сформировалась из звездной пыли. На поверхности бушевали океаны лавы, сутки длились 6 часов, в атмосфере не было кислорода, а Луна закрывала половину небосклона.В эпоху катархея Земля постепенно остыла, затвердела и покрылась жидкой водой – важным компонентом для зарождения жизни. Кроме того, Землю сотни миллионов лет бомбардировали метеориты, некоторые из которых оставляли кратеры диаметром более 4 тысяч километров (расстояние от Москвы до Иркутска). Когда вы в следующий раз будете любоваться поверхностью Луны, то помните, что кратеры на её поверхности образовались именно в эту эпоху.

Жизнь сформировалась из простых молекул 

Вместе с собой метеориты несли простые органические вещества – строительные блоки для создания первых живых существ – протоклеток.Что мы называем живым? Основу жизни составляет ДНК – она есть у человека, сосны, бактерий – у любого живого существа. ДНК контролирует работу организма, отвечает за размножение. По сути, размножение – это процесс передачи ДНК своим потомкам.Однако ученые считают, что первой молекулой «жизни» была не ДНК, а РНК. В отличие от ДНК, РНК не только выступает в качестве источника информации, но и может выступать в качестве строительного материала. В какой-то момент времени РНК научилась сама себя строить и копировать (размножаться).

Второй важный компонент живого организма – его граница. Без защитной оболочки РНК и ДНК просто бы разрушились и растворились в воде. Оболочка создает замкнутое пространство внутри себя, где происходят химические реакции. Если вы капнете каплю масла в воду, то капелька не растворится и останется на поверхности воды в виде пузырька. Подобным образом сформировались первые оболочки клеток. Масло состоит из жира, точно так же как и защитные оболочки всех клеток.Третий компонент жизни – строительный материал. На ранних этапах жизни роль строительного материала и одновременно источника информации выполняла РНК. Но затем информация стала храниться в ДНК, а строительным материалом стали белки. Из белков построены практически все части клетки.

Первые протоклетки образовались в условиях, которые мгновенно бы убили нас. Поверхность Земли в то время больше напоминала поверхность современной Венеры. В середине прошлого века ученые проверили возможность самозарождения жизни из простых химических веществ. Для этого они воссоздали в лаборатории условия древней Земли. В результате ученым удалось получить именно те строительные блоки (молекулы), из которых сегодня состоят все живые существа.Почему жизнь не самозарождается сегодня? Когда Земля была молодой, жизни не существовало, поэтому первые простые клетки не встречали конкуренции. Однако теперь жизнь процветает повсюду, и прежде чем сформируется новая жизнь, голодный микроб тут же её поглотит.

Бактерии – первые жители Земли 

Таким образом, уже 3,5 млрд лет назад существовали первые организмы – бактерии. На многие сотни километров эти бактерии покрывали поверхность воды в виде зеленовато-черной слизи. В некоторых местах слизь высыхала и накапливалась в виде строматолитов – окаменевших останков триллионов бактерий. Формирование строматолитов из бактерий встречается и в наши дни.Изучив ДНК многих современных существ, ученые пришли к выводу, что все они произошли от единого общего предка, которого назвали Лука́. Лука появился в бескрайнем «супе» бактерий, а его потомки пережили все последующие катаклизмы и массовые вымирания.

Появление кислорода в атмосфере 

Первые доисторические бактерии жили в атмосфере, лишенной кислорода. Однако 3,5 млрд лет назад появились цианобактерии. Цианобактерии научились использовать энергию солнца для создания пищи. В качестве побочного продукта цианобактерии выделяли кислород.Сначала кислород окислил железо в воде, окрасив океаны в красный цвет. Затем кислород стал накапливаться в атмосфере. Сегодня мы дышим кислородом, однако для бактерий той эпохи кислород являлся смертельным токсином. Со временем бактерии научились жить в атмосфере кислорода, а некоторые научились использовать кислород в качестве источника энергии. Таким образом, делая глубокий вдох, вы вдыхаете кислород, оставленный цианобактериями миллиарды лет назад.

Появление эукариот 

Кислород образовал озоновый слой, защищающий жизнь от губительного воздействия солнечных УФ-лучей. С этого момента эволюция жизни многократно ускорилась.Всех живых существ делят на 2 большие группы – уже известных вам бактерий и эукариот. Эукариоты – это все организмы, которые вы видели невооруженным глазом. К ним относят растения, животных, грибы – их тела состоят из миллиардов эукариотических клеток.Первая эукариотическая клетка появилась около 2 млрд лет назад путем слияния двух бактерий. Одна бактерия решила поглотить другую, но по какой-то причине не переварила её. Гость и хозяин стали жить вместе.

Клетка-хозяин и живущие внутри неё «сожители»

Со временем поглощенная бактерия превратилась в митохондрию – электрическую станцию клетки, создающую энергию из кислорода. В ходе эволюции общий предок всех растений ещё раз поглотил бактерию. Сегодня эта часть растительной клетки известна как хлоропласт. Именно хлоропласт отвечает за улавливание солнечного света и перевода его в пищу.Митохондрии и хлоропласты удивительно похожи на некоторых современных бактерий. Например, хлоропласты похожи на цианобактерий. Кроме того, хлоропласты и митохондрии имеют свою собственную ДНК, отличную от ДНК остальной клетки.

Многоклеточность 

Важным шагом в эволюции растений, животных и грибов стало появление многоклеточности около 1,2 млрд лет назад. Никто не знает, как эукариоты собрались в единую кучку и стали вести многоклеточный образ жизни. Свидетельств этого события не найти в окаменелостях – не было твердых частей, которые могли бы окаменеть. Известно лишь, что грибы, растения и животные приобрели многоклеточность независимо друг от друга.Своеобразный переход к многоклеточности наблюдается у современных водорослей класса хлорофициевых (смотри рисунок). Некоторые представители этого класса живут в виде одиночной клетки, в то время как другие образуют колонии из 10, 100 и даже тысячи клеток.

Первые животные 

Чем дальше мы заглядываем в глубь истории Земли, тем меньше находок того времени у нас имеется. Поэтому история древней жизни полна белых пятен и неточностей. Палеонтологи даже называют период с 1800 до 700 миллионов лет назад «скучным миллиардом». С этого периода не сохранилось практически никаких окаменелостей. Тем не менее, в это время жизнь бурно развивалась. Экспансию жизни не остановили даже массовые оледенения, сковывающие планету льдом на сотни миллионов лет.В конце «скучного миллиарда» обнаруживаются следы первых животных. Эти животные были похожи на губок и вели прикрепленный образ жизни. Дикинсония – первое «подвижное» животное, обитавшее 550 млн лет назад. Форма этого существа настолько странная, что ученые до сих пор точно не знают – это доисторическое животное или гриб.