"Биология. Биологические системы и процессы (профильный уровень) ", Теремов А.В., Петросова Р.А.
Архей и протерозой — два древнейших эона, в течение которых жизнь возникла и прошла путь от простых клеток до эукариот и первых многоклеточных организмов. Изучая их, можно понять, как охлаждение Земли создало среду для жизни, а фотосинтез цианобактерий постепенно изменил атмосферу. Главные свидетельства ранней жизни — древние клеточные остатки и строматолиты. Рост содержания кислорода открыл новые возможности для организмов, но одновременно сделал среду непригодной для некоторых прежних форм жизни.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Архей — эон истории Земли, начавшийся около 4 млрд лет назад и завершившийся примерно 2,5 млрд лет назад. В это время формировались земная кора, океаны и первичная атмосфера, а свободного кислорода почти не было. Это помогает понять, почему ранние организмы были простыми и могли жить без кислорода.
Протерозой — эон, продолжавшийся от 2,5 млрд до 539 млн лет назад. В этот длительный период изменялись состав атмосферы и условия в океанах, а клеточная жизнь становилась сложнее. Знание границ эона помогает расположить появление эукариот и многоклеточных в правильной последовательности.
Строматолит — слоистая структура, образованная при участии сообществ микроорганизмов. Они задерживали частицы осадка, а их деятельность способствовала нарастанию новых слоёв. Строматолиты важны как геологическое свидетельство жизни даже там, где сами клетки не сохранились.
Кислородная революция — постепенное накопление свободного кислорода в океане и атмосфере благодаря фотосинтезу. Кислород сначала расходовался на реакции с веществами воды и пород, а затем начал оставаться в среде. Это понятие объясняет крупное изменение условий жизни и появление возможностей для аэробного дыхания.
Молодая Земля была горячей, а её поверхность подвергалась сильным изменениям, поэтому устойчивые места для жизни возникли не сразу. По мере охлаждения формировалась твёрдая земная кора; водяной пар конденсировался, и появлялись океаны. Вода и более стабильная поверхность позволили химическим веществам взаимодействовать, а первым клеткам — сохраняться и размножаться. Атмосфера того времени отличалась от современной и почти не содержала свободного кислорода.
О древней жизни судят по находкам в очень старых породах и по следам, оставленным сообществами микроорганизмов. Среди таких свидетельств — структуры, похожие на остатки клеток, и строматолиты. Слои строматолитов возникали постепенно: микробные сообщества удерживали осадок, затем на него оседали новые частицы. Поэтому находка такой структуры может указывать на длительную деятельность микроорганизмов в водной среде.
Цианобактерии научились использовать энергию света и выделяли кислород в ходе фотосинтеза. Однако кислород не сразу стал накапливаться в воздухе: он вступал в реакции с растворёнными веществами океана и соединениями железа и других элементов в породах. Пока такие вещества поглощали кислород, его содержание в атмосфере оставалось низким. Лишь после постепенного окисления доступных веществ кислород начал заметно накапливаться.
Рост содержания кислорода изменял и океан, и атмосферу, а значит, и условия для организмов. Для части древних форм кислород оказался вредным, тогда как другие могли использовать его для аэробного дыхания — получения энергии с участием кислорода. Такой способ обмена веществ позволял эффективнее извлекать энергию из питательных веществ. Изменение среды не просто помогло одним организмам, но и стало испытанием для других.
В протерозое появились эукариоты — организмы, клетки которых имеют оформленное ядро и внутренние структуры. Их клеточная организация сложнее прокариотической, у которой нет оформленного ядра. Позднее возникли многоклеточные организмы, состоящие из связанных между собой клеток. Это были разные ступени: сначала усложнилась организация отдельных клеток, затем некоторые клетки стали жить и действовать в составе многоклеточного организма.
| Характеристика | Архей | Протерозой |
|---|---|---|
| Временные границы | Около 4,0–2,5 млрд лет назад | Около 2,5 млрд–539 млн лет назад |
| Условия среды | Формируются кора и океаны; свободного кислорода почти нет | Меняются состав океана и атмосферы, постепенно растёт содержание кислорода |
| Основные формы жизни | Простые прокариотические организмы | Прокариоты, эукариоты, позднее первые многоклеточные |
| Ключевые изменения атмосферы | Атмосфера почти без свободного кислорода | Постепенное накопление кислорода |
| Эволюционное значение | Возникновение и развитие ранней клеточной жизни | Усложнение клеточной организации и появление многоклеточности |
Сравнивайте эоны не только по датам, но и по тому, как менялись среда и формы жизни. Последовательность в таблице показывает связь между ростом кислорода и усложнением организмов, но не означает, что все изменения происходили мгновенно. Границы времени приблизительны и помогают упорядочить события.
Задача 1. Распределите события по эонам: появление первых прокариот, накопление кислорода в атмосфере, возникновение эукариот. Сначала установим, какое событие произошло раньше остальных, а затем соотнесём его с ранними этапами истории Земли. Учитывайте, что накопление кислорода было постепенным.
Ответ. Первые прокариоты — архей; накопление кислорода в атмосфере — протерозой; возникновение эукариот — протерозой. Два последних события относятся к одному эону, но это не означает, что они произошли одновременно.
Задача 2. В слоях древней породы обнаружены слоистые структуры, похожие на строматолиты. Объясните, что они могут сообщить о жизни и среде того времени. Важно не приписывать находке больше, чем она действительно доказывает: структура сама по себе не является окаменевшим организмом. Нужно связать её форму с известным способом образования.
Ответ. Структуры могут указывать на древние сообщества микроорганизмов и их взаимодействие с осадком, вероятно, в водной среде. Это свидетельство жизнедеятельности, а не организм, сохранившийся целиком.
Задача 3. Цианобактерии выделяют кислород при фотосинтезе. Почему фотосинтез не привёл к мгновенному росту кислорода в атмосфере и каковы последствия его последующего накопления? Постройте причинно-следственную цепочку, отделяя производство кислорода от его накопления. Так станет ясно, почему важны и состав пород, и реакция организмов на новую среду.
Ответ. Кислород сначала расходовался на окисление веществ, поэтому не накапливался в атмосфере сразу. Позднее его рост способствовал распространению аэробного дыхания и изменил направление дальнейшей эволюции.
Ошибка: считать, что свободный кислород появился в атмосфере одновременно с первыми организмами. Так думают, потому что связывают фотосинтез и выделение кислорода в одно мгновенное событие. Проверьте себя: различайте выделение газа микроорганизмами и его накопление, которому мешали реакции с водой и породами.
Ошибка: называть строматолиты организмами. Их можно принять за живые формы, потому что они имеют характерную структуру и связаны с древней жизнью. Проверьте себя: строматолит — слоистое образование, а живые микроорганизмы участвовали в его формировании.
Ошибка: смешивать возникновение эукариот и многоклеточности. Эти события объединяют общей идеей усложнения жизни, но они обозначают разные уровни организации. Проверьте себя по последовательности: сначала появились клетки с оформленным ядром, позднее — организмы из множества клеток.
Ошибка: представлять эволюцию как непрерывное улучшение организмов. Такое представление упускает, что изменения среды могли быть благоприятны одним формам и губительны для других. Проверьте себя: спрашивайте, какие группы выигрывали от перемен и какие сталкивались с неблагоприятными условиями.
Чтобы понять устройство ранних организмов, вспомните различия между прокариотической и эукариотической клетками, а также основы фотосинтеза. Здесь клеточные особенности связываются с изменением условий на всей планете: состав атмосферы зависит от круговорота веществ и деятельности организмов. Дальнейшее развитие многоклеточных и выход жизни на сушу происходили позднее, в последующие геологические эры. Эта тема помогает проследить, как ранние изменения подготовили условия для следующих этапов эволюции.
Почему первые организмы могли жить без кислорода?
В ранней атмосфере почти не было свободного кислорода, поэтому первые организмы приспособились получать энергию без него. Такие способы обмена веществ сохраняются и у современных микроорганизмов.
Как учёные узнают о жизни в архее?
Учёные исследуют древние породы, ищут в них следы клеток и химические признаки биологической активности. О жизни микроорганизмов также свидетельствуют строматолиты — слоистые структуры, сформированные их сообществами.
Что такое строматолиты и как они образуются?
Строматолиты — слоистые образования, возникающие благодаря деятельности микроорганизмов, в том числе цианобактерий. Микробные сообщества задерживают частицы осадка, а новые слои нарастают поверх прежних.
Почему накопление кислорода называют кислородной революцией?
Кислородная революция — длительное изменение состава океана и атмосферы из-за фотосинтеза микроорганизмов. Накопившийся кислород сделал возможным аэробное дыхание, но для организмов, не переносивших его, стал опасным.
Когда появились эукариоты и многоклеточные организмы?
Эукариоты, клетки которых имеют оформленное ядро, возникли в протерозое. Позднее в том же эоне появились первые многоклеточные организмы; это отдельный этап, последовавший за возникновением эукариот.
§27. Развитие жизни в архее и протерозое
