§ 42. Развитие жизни на Земле в архейскую и протерозойскую эры

Определения и обозначения

Архейская эра — древнейший этап истории Земли после её формирования, примерно от 4,0 до 2,5 млрд лет назад. В этот период остывание планеты создало земную кору, водоёмы и условия для возникновения первых клеток. Термин нужен, чтобы обозначить начало биологической истории Земли.

Протерозойская эра — этап геологической истории Земли, продолжавшийся примерно от 2,5 млрд до 539 млн лет назад. Он связан с накоплением кислорода и появлением всё более сложных организмов. Понимание этой эры помогает проследить переход от микроскопической жизни к первым крупным многоклеточным формам.

Цианобактерии — древние фотосинтезирующие организмы, выделявшие кислород. Они были прокариотами, то есть не имели оформленного ядра, но сыграли огромную роль в изменении атмосферы. Благодаря им появились условия для организмов, использующих кислородное дыхание.

Эукариоты — организмы, клетки которых имеют оформленное ядро и мембранные органоиды. Такое внутреннее разделение позволило клетке выполнять больше специализированных функций. Появление эукариот стало основой последующего развития многоклеточности.

Как это устроено

Молодая Земля была очень горячей, но постепенно её поверхность остывала. Образовалась первичная кора, а водяной пар конденсировался и заполнил понижения, создав первые водоёмы. В воде могли накапливаться вещества, необходимые для химических реакций, поэтому именно водоёмы стали вероятной средой возникновения первых живых систем.

Первые организмы были преимущественно одноклеточными прокариотами, потому что клетка с ядром и сложными органоидами возникла позднее. Свободного кислорода в атмосфере почти не было, поэтому древние организмы не могли использовать аэробное дыхание. Они получали энергию из готовых органических веществ или за счёт процессов, не требующих кислорода.

Позднее у части прокариот возник фотосинтез, а особенно важную роль стали играть цианобактерии. Используя свет, воду и углекислый газ, они создавали органические вещества и выделяли кислород. Сначала кислород расходовался на окисление минералов и растворённых веществ, но затем его содержание в атмосфере стало постепенно расти.

Накопление кислорода изменило привычную среду обитания древних организмов. Для анаэробов, не приспособленных к кислороду, он был токсичен, поэтому многие такие формы вымерли или сохранились в бескислородных местах. Одновременно аэробные организмы получили выгодный способ дыхания, а в верхних слоях атмосферы сформировался озоновый экран, защищающий от жёсткого ультрафиолетового излучения.

В протерозое появились эукариотические клетки, внутреннее устройство которых было сложнее, чем у прокариот. Затем возникли многоклеточные организмы, клетки которых начали специализироваться и взаимодействовать. Половой процесс усилил наследственную изменчивость, поэтому естественный отбор получил больше материала для формирования новых признаков.

Развитие жизни в архейскую и протерозойскую эры

Таблица показывает не только различия между эрами, но и последовательность изменений. Сначала следует рассмотреть условия среды и атмосферу, а затем связать их с группами организмов и способом питания. Последняя строка помогает сделать вывод о значении каждой эры для дальнейшей эволюции.

Разбор задач

Задача 1

Условие: расположите события в правильной последовательности: появление первых прокариот, возникновение фотосинтеза, накопление кислорода, появление эукариот, возникновение многоклеточных организмов. Нужно не просто перечислить события, а связать их причинно-следственно. Каждое последующее изменение должно опираться на условия, созданные предыдущим.

1. Сначала появились первые прокариоты — простые клетки, существовавшие в бескислородной среде.
2. Затем у некоторых организмов возник фотосинтез, позволивший использовать энергию света.
3. Работа фотосинтезирующих организмов привела к постепенному накоплению свободного кислорода.
4. Изменение среды создало условия для появления более сложных эукариотических клеток.
5. Позднее эукариоты объединились в многоклеточные организмы с разделением функций клеток.

Ответ: появление первых прокариот → возникновение фотосинтеза → накопление кислорода → появление эукариот → возникновение многоклеточных организмов.

Задача 2

Условие: объясните, почему цианобактерии одновременно создали условия для аэробной жизни и стали причиной гибели многих анаэробов. Требуется показать два противоположных результата одного процесса. Главным связующим звеном здесь является выделение кислорода при фотосинтезе.

1. Цианобактерии использовали свет для образования органических веществ и выделяли кислород.
2. Сначала кислород связывался в воде и минералах, но затем начал накапливаться в атмосфере.
3. Анаэробные организмы не имели защиты от кислорода, поэтому для многих он оказался ядовитым.
4. Организмы, способные использовать кислород для дыхания, получили более эффективный источник энергии.
5. В результате одни формы жизни сократились, а другие распространились.

Ответ: фотосинтез цианобактерий вызвал кислородную революцию: кислород стал губительным для многих анаэробов, но обеспечил развитие аэробных организмов.

Задача 3

Условие: сравните архейскую и протерозойскую эры по условиям среды, атмосфере и уровню организации жизни. В конце сформулируйте главное направление эволюции. Для ответа удобно последовательно сопоставить строки таблицы.

1. В архее Земля и водоёмы только формировались, а в протерозое среда стала более устойчивой и появился озоновый экран.
2. В архее свободного кислорода почти не было, тогда как в протерозое его содержание постепенно увеличивалось.
3. Архей был временем простых одноклеточных прокариот, а протерозой — временем эукариот и первых многоклеточных форм.
4. Следовательно, изменение среды расширяло возможности живых организмов и поддерживало усложнение их строения.

Ответ: главное направление эволюции — переход от простых одноклеточных прокариот к более сложным эукариотическим и многоклеточным организмам.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что первые организмы сразу были многоклеточными. Её допускают, представляя появление жизни как внезапное возникновение сложных существ; проверить себя можно вопросом: могла ли сложная система появиться раньше простейшей клетки?

Ошибка: утверждать, что кислород с самого начала преобладал в атмосфере. Так происходит, если забывают о древних бескислородных условиях; нужно вспомнить, что кислород начал накапливаться благодаря фотосинтезу.

Ошибка: путать цианобактерий с современными растениями. Цианобактерии фотосинтезируют, но остаются прокариотами без оформленного ядра; проверить ответ помогает сравнение строения их клетки с эукариотической.

Ошибка: считать появление эукариот и многоклеточности одним событием. Эукариотическая клетка возникла раньше, а многоклеточные организмы сформировались позднее; значит, эти этапы нужно разделять в хронологической цепочке.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении прокариотической и эукариотической клеток, способах питания и фотосинтезе. Материал объясняет происхождение кислородной атмосферы и предпосылки появления животных в последующие эры. Он связан с клеточной теорией, эволюцией, круговоротом веществ и экологическими последствиями изменения состава атмосферы.

Что запомнить

• Архей — время возникновения первых клеточных форм жизни.
• Древнейшие организмы были преимущественно одноклеточными прокариотами.
• Цианобактерии выделяли кислород в процессе фотосинтеза.
• Накопление кислорода изменило атмосферу и вызвало кислородную революцию.
• В протерозое появились эукариотические клетки.
• Позднее возникли многоклеточные организмы и половой процесс.
• Развитие жизни шло от простых одноклеточных форм к более сложным многоклеточным организмам.