3.2. Развитие жизни в протерозойской и палеозойской эрах

Определения и обозначения

Протерозой — геологическая эра, предшествовавшая палеозою и продолжавшаяся примерно от 2,5 млрд до 541 млн лет назад. За это долгое время в атмосфере и океане накапливался кислород, распространялись эукариоты и возникали многоклеточные организмы. Название помогает обозначить огромный этап, когда жизнь усложнялась, хотя её разнообразие ещё не было таким, как позднее.

Палеозой — эра, начавшаяся около 541 млн и завершившаяся около 252 млн лет назад. Она включает кембрий, ордовик, силур, девон, карбон и пермь. Палеозой называют временем крупных преобразований, потому что за эти периоды заметно разнообразились животные, а жизнь постепенно вышла из водной среды на сушу.

Кембрийский взрыв — сравнительно быстрое по геологическим меркам появление в ископаемой летописи множества групп животных. Это не означает, что организмы возникли внезапно или что до кембрия жизни не было: более древние формы существовали, но часто плохо сохранялись. Понятие нужно, чтобы описать резкое увеличение разнообразия животных, которое видно по находкам.

Эдиакарская биота — сообщества своеобразных многоклеточных организмов, живших в конце протерозоя, примерно 635–541 млн лет назад. Многие из них имели мягкое тело и плоскую или ветвящуюся форму, а их принадлежность к современным группам не всегда удаётся установить. Эти находки показывают, что многоклеточная жизнь развивалась до кембрийского разнообразия животных.

Как это устроено

Кислородный фотосинтез сначала изменил состав океана: кислород связывался с растворёнными веществами, а затем начал накапливаться в воде и атмосфере. Когда его стало больше, организмы получили возможность использовать кислородное дыхание, которое даёт клеткам много энергии. Энергетически выгодный обмен веществ поддержал развитие более сложных клеток и способствовал распространению эукариот — организмов с ядром. При этом кислород был опасен для многих анаэробных форм, поэтому изменялись и сами условия обитания.

Многоклеточность стала возможной, когда клетки начали устойчиво взаимодействовать, передавать сигналы и специализироваться на разных функциях. Такое разделение труда позволяло организмам становиться крупнее и сложнее, но появление первых многоклеточных не означало мгновенного возникновения всех известных групп животных. В протерозое существовали разные формы многоклеточной жизни, в том числе организмы эдиакарской биоты. Позднее, в кембрии, в геологической летописи быстро проявилось множество групп животных с разнообразным строением.

Смена периодов палеозоя отражает постепенное расширение освоенной жизнью среды. В кембрии и ордовике особенно разнообразны были морские организмы, а большая часть известных животных обитала в воде. В силуре и девоне распространялись наземные растения и членистоногие, а позднее появились наземные позвоночные. В карбоне и перми суша уже была населена разнообразными растениями и животными, хотя моря по-прежнему оставались важной средой жизни.

Выход на сушу происходил не одновременно и не у всех организмов сразу: первым важным шагом стало освоение наземной среды растениями и грибами, затем на суше распространились членистоногие. Растениям требовались ткани, поддерживающие тело, защита от высыхания и способы размножения, не зависящие полностью от воды. Животным были нужны опора и движение на твёрдом субстрате, защита от потери влаги и возможность дышать воздухом. Позвоночные вышли на сушу позднее: их предки приспосабливались к мелководьям, а конечности и изменения дыхательной системы помогали передвигаться и получать кислород вне воды.

В конце палеозоя сообщества суши и морей были разнообразными, но климат и условия среды менялись. В пермский период усилились изменения климата и океанической среды; с крупнейшим вымиранием конца перми связывают, в частности, масштабный вулканизм и его последствия для атмосферы и океанов. Многие группы организмов исчезли, поэтому прежние сообщества резко преобразились. Вымирание не уничтожило жизнь полностью: выжившие формы стали основой для дальнейшего развития биоты в следующую эру.

Основные этапы развития жизни в протерозое и палеозое

Таблица помогает проследить, как изменения среды соотносились с развитием организмов и эволюционными событиями. Периоды расположены по порядку: от кембрия к перми. Сведения об отдельных группах обобщены: их распространение могло начаться раньше или продолжиться позднее указанного этапа.

Разбор задач

Задача 1. Расположите события по времени: появление первых наземных растений, кембрийский взрыв, распространение кислородного фотосинтеза.

Нужно выстроить события от наиболее древнего к более позднему. Сначала определим, к каким крупным этапам относится каждое из них: кислородный фотосинтез существовал задолго до кембрия, а растения вышли на сушу уже в палеозое. Затем уточним положение событий внутри этой последовательности.

1. Распространение кислородного фотосинтеза началось в докембрийское время, в том числе в протерозое. Его последствия — накопление кислорода — также разворачивались постепенно.
2. Кембрийский взрыв относится к началу палеозоя, когда в геологической летописи стало заметно больше групп животных. Он произошёл после длительного протерозойского развития жизни.
3. Первые наземные растения появились позднее, в палеозое; их ранние формы известны с силура. Следовательно, это событие следует поставить после кембрийского взрыва.

Ответ: распространение кислородного фотосинтеза → кембрийский взрыв → появление первых наземных растений. Важно не путать появление кислородного фотосинтеза с накоплением кислорода: между началом процесса и заметным изменением среды прошло много времени.

Задача 2. По описанию ископаемых организмов определите, относится ли находка к древним морским сообществам или к освоению суши: укажите признаки, на которых основан вывод.

Представим находку: отпечатки организмов лежат в морских осадочных породах, рядом обнаружены раковины и другие остатки морских животных. Нужно не угадывать период по одному внешнему признаку, а сопоставить среду захоронения и особенности организмов. Затем проверим, есть ли признаки жизни на суше.

1. Морские осадочные породы и остатки раковин указывают на водную среду, в которой жили или были захоронены организмы. Это свидетельство древнего морского сообщества.
2. Для вывода об освоении суши искали бы остатки наземных растений или членистоногих, следы передвижения по поверхности и признаки приспособленности к жизни вне воды.
3. Если таких признаков нет, а весь комплекс находок связан с морем, оснований относить его к наземной экосистеме недостаточно. Нужно учитывать, что отдельный организм мог быть перенесён водой, поэтому важен весь комплекс свидетельств.

Ответ: описанная находка относится к древнему морскому сообществу. Вывод основан на морских осадках и сопутствующих остатках животных; сама по себе форма отпечатка не доказывает, что организм жил на суше.

Задача 3. Составьте причинно-следственную цепочку, объясняющую, как выход позвоночных на сушу стал возможен и какие изменения строения этому способствовали.

Выход позвоночных на сушу не был внезапным переходом из открытого моря к полноценной жизни на земле. Предки наземных форм были связаны с мелководьями, где организмы могли перемещаться между участками воды и воздуха. В ответ на условия среды естественный отбор сохранял изменения, полезные для передвижения и дыхания.

1. В мелководных и пересыхающих водоёмах возникали условия, в которых способность удерживаться на дне и перемещаться между водоёмами давала преимущество. У предков позвоночных постепенно развивались более прочные парные плавники.
2. Изменения скелета и мышц конечностей помогали поддерживать тело и передвигаться по твёрдому субстрату. Одновременно важным было дыхание атмосферным воздухом, хотя водная среда ещё оставалась значимой.
3. Дальнейшие изменения опорно-двигательной и дыхательной систем позволили некоторым позвоночным дольше находиться вне воды. Освоение суши продолжалось поколениями и сопровождалось отбором организмов, лучше приспособленных к новым условиям.

Ответ: мелководные местообитания и отбор → укрепление конечностей и опоры тела, развитие способности использовать атмосферный кислород → постепенное освоение суши позвоночными. Цепочка показывает предпосылки перехода, а не единичное событие.

Типичные ошибки

Считать, что кембрийский взрыв означает возникновение всей жизни. Такое представление появляется, если принимать первое заметное массовое появление ископаемых животных за начало биологии на Земле. Жизнь возникла значительно раньше, а кембрийский взрыв обозначает быстрое разнообразие многих групп животных в геологической летописи. Проверь себя: отделяй возраст жизни от времени, когда разнообразие животных стало особенно заметным.

Смешивать появление первых организмов с появлением первых многоклеточных. Ошибка возникает, если не различать одноклеточную и многоклеточную организацию: первые организмы появились гораздо раньше многоклеточных форм. Протерозой — важный этап развития эукариот и многоклеточности, но не начало жизни вообще. Для проверки расположи события на шкале времени и укажи, к какому типу организмов относится каждое.

Утверждать, что все растения и животные одновременно вышли на сушу. Так может показаться, если представить освоение суши одним общим событием, хотя группы появлялись там в разные периоды. Растения и грибы, членистоногие и позвоночные осваивали наземную среду постепенно, имея разные приспособления. Проверь себя вопросом: какая группа вышла на сушу раньше и какие трудности ей нужно было преодолеть?

Путать пермское массовое вымирание с исчезновением всей жизни. Такое преувеличение связано с масштабом события: многие группы действительно исчезли, а сообщества сильно изменились. Однако вымирание не уничтожило все организмы, и жизнь продолжилась за счёт выживших форм. Чтобы проверить вывод, различай массовое сокращение разнообразия и полное отсутствие жизни.

Связь с другими темами

Для работы с этой темой нужна геологическая шкала времени: важно различать эру и период и уметь располагать их по порядку. Понимание фотосинтеза, строения эукариотической клетки и многоклеточности помогает объяснить изменения живого мира, а естественный отбор — постепенное формирование приспособлений. Эти знания пригодятся при изучении эволюции растений и животных, геологической истории Земли и причин массовых вымираний. Связывай события не только с датами, но и с изменениями среды, которые создавали новые возможности и ограничения.

Что запомнить

• Протерозой предшествовал палеозою.
• В протерозое накапливался кислород и развивались эукариоты и многоклеточные формы жизни.
• Кембрийский взрыв связан с быстрым разнообразием многих групп животных.
• Палеозой включает кембрий, ордовик, силур, девон, карбон и пермь.
• Освоение суши растениями и животными происходило постепенно.
• В конце перми произошло крупное массовое вымирание.