27. Развитие жизни в архее и протерозое

Определения и обозначения

Архей — эон ранней истории Земли, приблизительно от 4,0 до 2,5 млрд лет назад. В это время возникла жизнь и преобладали простые одноклеточные организмы. Свободного кислорода в среде почти не было, поэтому ранние формы жизни развивались в условиях, сильно отличавшихся от современных.

Протерозой — эон, следующий за археем и продолжавшийся примерно от 2,5 млрд до 539 млн лет назад. В океане и атмосфере постепенно накапливался кислород, а среди живых организмов появились эукариоты и многоклеточные формы. Понимание этого эона помогает связать изменение среды с усложнением жизни.

Строматит — слоистое образование, возникающее в результате жизнедеятельности микробных сообществ. Микробы задерживают частицы осадка и способствуют образованию новых слоёв, поэтому структура породы может сохранять следы их деятельности. Строматиты помогают судить о древней жизни даже тогда, когда отдельные клетки не сохранились.

Эукариоты — организмы, клетки которых имеют оформленное ядро и мембранные органоиды. Внутренние структуры клетки позволяют разделять процессы и поддерживать более сложную организацию. Появление эукариот стало важным этапом, предшествовавшим развитию разнообразных одноклеточных и многоклеточных форм.

Как это устроено

В архее Земля остывала, формировались земная кора и океан. Атмосфера состояла преимущественно из азота, углекислого газа и водяного пара, а свободного кислорода в ней почти не было. Его отсутствие объясняется тем, что фотосинтезирующие организмы ещё не производили кислород в больших количествах, а многие вещества окружающей среды связывали его. Первые формы жизни, следовательно, возникли и существовали в условиях, где кислородное дыхание не могло быть обычным способом получения энергии.

Ранние организмы были одноклеточными прокариотами: простая клеточная организация не требовала сложных внутренних структур. Их существование подтверждают микроскопические ископаемые следы и строматиты — слоистые породы, связанные с деятельностью микробных сообществ. Такие находки позволяют предположить присутствие организмов, но не всегда дают возможность определить конкретный вид или увидеть отдельные клетки. Поэтому выводы о древней жизни делают по совокупности признаков, а не по одному внешнему сходству породы.

Цианобактерии освоили фотосинтез, при котором использовали энергию света и выделяли кислород. Поначалу кислород вступал в реакции с растворёнными веществами океана и минералами, поэтому его появление не означало мгновенного насыщения атмосферы. Когда способность среды связывать кислород постепенно уменьшалась, его содержание начало увеличиваться. Так деятельность живых организмов сама стала причиной крупного изменения условий на планете.

Накопление кислорода в протерозое расширило возможности аэробного дыхания: оно позволяет получать больше энергии, чем многие процессы без кислорода. Изменение среды сопровождалось появлением эукариотических клеток с ядром и мембранными органоидами. Однако кислород не следует считать единственной причиной возникновения эукариот: эволюционные изменения происходили длительно, а условия среды создавали для них новые возможности. Эукариотическая организация стала основой для дальнейшего разнообразия клеточных форм.

Позднее в протерозое появились многоклеточные организмы, клетки которых могли взаимодействовать и специализироваться. Многоклеточность позволила организмам увеличиваться в размерах и выполнять разные функции с помощью групп клеток. Этот переход не был мгновенным и не означал появления сразу всех современных животных и растений. Постепенное усложнение живых систем подготовило предпосылки для последующего разнообразия организмов.

Развитие жизни и изменения среды в архее и протерозое

Сопоставляйте в каждой строке условия среды с организмами, которые могли в них существовать. Строки показывают не резкую смену одного мира другим, а длительную последовательность изменений. Особенно важно проследить связь между фотосинтезом, накоплением кислорода и появлением новых возможностей для жизни.

Разбор задач

Задача 1. В породах обнаружены слоистые образования, сходные со строматитами. Нужно объяснить, что это говорит о древней жизни и почему находка не обязательно означает, что обнаружены окаменевшие отдельные клетки. Для решения важно отличить след деятельности сообщества от ископаемого тела конкретного организма.

1. Слоистое строение сопоставляем с тем, как микробные сообщества задерживают осадки и участвуют в образовании новых слоёв. Это позволяет предположить, что породу сформировала или изменила жизнедеятельность древних микробов.
2. Проверяем, что именно сохранилось: структура слоёв может отражать работу сообщества, но не обязана содержать различимые клетки. Поэтому сходство со строматитом является свидетельством, которое следует оценивать вместе с другими признаками.

Ответ: находка поддерживает вывод о существовании древних микробных сообществ и их влиянии на осадок. Она не доказывает, что в породе сохранились окаменевшие отдельные клетки, потому что строматит фиксирует прежде всего результат жизнедеятельности.

Задача 2. Расположите события: распространение фотосинтеза у цианобактерий, накопление кислорода в среде, расширение возможностей аэробного дыхания. Здесь нужно восстановить причинную цепь, а не только угадать порядок слов. Учитываем, что выделенный кислород сначала связывался веществами океана и пород.

1. Цианобактерии распространяют фотосинтез и выделяют кислород. Это исходное событие, создающее источник кислорода в окружающей среде.
2. По мере того как кислород расходуется на реакции с веществами среды, его накопление происходит постепенно. Когда связывающих его веществ становится недостаточно, свободный кислород увеличивается.
3. При наличии кислорода организмы получают возможность шире использовать аэробное дыхание. Оно даёт им более эффективный способ извлекать энергию из питательных веществ.

Ответ: распространение фотосинтеза у цианобактерий → накопление кислорода в среде → расширение возможностей аэробного дыхания. Между выделением кислорода и изменением условий прошло длительное время.

Задача 3. В геологической летописи сначала обнаружены свидетельства прокариот, затем эукариот и многоклеточных организмов. Нужно объяснить последовательность и назвать изменения среды, которые могли ей способствовать. Не следует сводить эволюцию к мгновенному появлению сложных организмов после повышения кислорода.

1. Прокариоты имеют более простую клеточную организацию и появляются в летописи раньше. Позднее возникают эукариоты, у клеток которых есть оформленное ядро и мембранные органоиды.
2. Постепенное накопление кислорода расширило возможности аэробного дыхания и изменило условия существования организмов. Это создавало предпосылки для развития более сложных клеток, но не было единственным фактором эволюции.
3. Многоклеточность возникла позднее и позволила клеткам взаимодействовать и специализироваться. Переход к ней также был длительным, а не одномоментным событием.

Ответ: последовательность отражает постепенное усложнение: прокариоты, эукариоты, многоклеточные формы. Этому способствовали изменения среды, в том числе накопление кислорода, но развитие жизни определялось длительной эволюцией.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что свободный кислород был распространён уже при возникновении жизни. Так думают, перенося современные условия на древнюю Землю, но кислород накапливался благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов. Проверьте себя: сначала жизнь существовала при крайне низком содержании свободного кислорода.

Ошибка — представлять появление кислорода как одномоментное событие, вызванное цианобактериями. Такое упрощение возникает, если не учитывать реакции кислорода с веществами океана и пород. Проверка: разделяйте его выделение при фотосинтезе и последующее постепенное накопление в среде.

Ошибка — смешивать прокариот и эукариот, будто у всех клеток есть ядро. Путаница возникает из-за того, что оба типа клеток имеют наследственный материал и выполняют общие жизненные процессы. Проверяйте главный признак: у эукариот есть оформленное ядро, у прокариот его нет.

Ошибка — считать появление многоклеточных организмов возникновением современных групп животных и растений. Такую мысль провоцирует смешение раннего этапа многоклеточности с современным разнообразием. Проверяйте себя по времени и масштабу: усложнение шло постепенно, а ранние формы не были автоматически представителями нынешних групп.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении клетки, отличиях прокариот от эукариот и роли фотосинтеза. Изучение древней жизни продолжает разговор об эволюции и объясняет предпосылки кембрийского разнообразия организмов. Связь фотосинтеза с накоплением кислорода пригодится при изучении дыхания и взаимодействия организмов со средой.

Что запомнить

• Первые известные формы жизни были одноклеточными прокариотами.
• Строматиты служат свидетельством древней жизнедеятельности микробных сообществ.
• Фотосинтезирующие цианобактерии способствовали накоплению кислорода.
• Изменение состава среды в протерозое расширило возможности развития жизни.
• В протерозое появились эукариоты.
• Позднее возникли многоклеточные организмы.