§ 36. Развитие жизни на Земле. Катархей, архей и протерозой

Определения и обозначения

Катархей — начальный этап геологической истории Земли после её формирования, примерно 4,6–4,0 млрд лет назад. Это время интенсивного разогрева и последующего остывания планеты, поэтому границы этапа приблизительны. Понятие помогает отделить формирование самой Земли от последующего развития её коры, океана и жизни.

Архей — эон древнейшей жизни, приблизительно 4,0–2,5 млрд лет назад. В это время жили первые известные прокариоты — организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра; возникли разные способы клеточного обмена. Термин нужен, чтобы обозначить ранний этап биологической эволюции до заметного накопления кислорода в атмосфере.

Протерозой — эон от примерно 2,5 млрд до 539 млн лет назад, предшествовавший фанерозою. В этот промежуток развивались эукариоты — организмы с клетками, имеющими ядро, — и появились первые многоклеточные формы. Это понятие показывает, как после изменений атмосферы жизнь перешла к более сложной клеточной и организменной организации.

Великое окислительное событие — значительное увеличение количества свободного кислорода в атмосфере Земли, связанное прежде всего с фотосинтезом цианобактерий. Основной рост начался около 2,4 млрд лет назад, хотя кислород накапливался постепенно. Термин важен, потому что связывает деятельность живых организмов с преобразованием планеты и новыми возможностями для эволюции.

Как это устроено

В катархее молодая Земля была горячей, часто подвергалась ударам космических тел, а её поверхность постепенно остывала. По мере охлаждения водяной пар конденсировался, и вода собиралась в низинах, формируя первичный океан; одновременно образовывалась твёрдая кора. Океан стал средой, где вещества могли растворяться и вступать в химические реакции. Поэтому охлаждение планеты создало условия, необходимые для возникновения жизни, хотя точный момент её появления неизвестен.

Первые организмы, вероятно, были прокариотами: простая клеточная организация могла возникнуть раньше сложных клеток с ядром и внутренними мембранами. Свободного кислорода в атмосфере почти не было, поэтому ранние формы жизни не могли опираться на кислородное дыхание; многие, вероятно, были анаэробами. Энергию они могли получать из химических реакций неорганических веществ или органических соединений, а позднее развились разные способы обмена. Такой порядок согласуется с условиями ранней Земли, но конкретные особенности первых клеток реконструируют по косвенным данным.

Некоторые древние прокариоты, включая цианобактерий, научились использовать энергию света и выделять кислород при фотосинтезе. Сначала кислород расходовался на реакции с растворёнными веществами и породами, поэтому его уровень в атмосфере оставался низким. Когда таких поглотителей стало недостаточно, свободный кислород начал накапливаться — этот поворот называют Великим окислительным событием. Кислород оказался опасным для многих анаэробов, не приспособленных к его воздействию, и изменил условия существования организмов.

Накопление кислорода открыло путь к кислородному дыханию, при котором органические вещества окисляются с большим энергетическим выходом, чем при многих бескислородных способах обмена. Доступ к большему количеству энергии помогал клеткам поддерживать сложные процессы и мог способствовать появлению более крупных и сложно устроенных форм. Однако кислород сам по себе не объясняет все эволюционные изменения: значение имели также наследственная изменчивость, отбор и взаимодействие организмов со средой. Так изменения атмосферы расширили возможности жизни, но не предопределили её развитие автоматически.

В протерозое появились эукариотические клетки, устройство которых сложнее прокариотического: наследственный материал заключён в ядре, а функции распределены между клеточными структурами. Эндосимбиотическая теория объясняет происхождение митохондрий и хлоропластов тем, что древние клетки включили бактерий, сохранивших самостоятельные функции. Позже возникли многоклеточные организмы, чьи клетки могли специализироваться и действовать согласованно. К концу протерозоя существовали разнообразные крупные организмы, включая предшественников форм, разнообразившихся в кембрийском периоде; переход к фанерозою отмечен около 539 млн лет назад.

Основные этапы развития жизни в катархее, архее и протерозое

Таблица помогает сопоставить изменения планеты с тем, какие организмы могли существовать в каждом эоне. Даты приблизительны: границы устанавливают по геологическим данным, а новые находки могут уточнять хронологию. Следите не только за последовательностью событий, но и за связями между ними.

Разбор задач

1. Расположите события в хронологическом порядке: образование океана, появление первых прокариот, Великое окислительное событие, возникновение эукариот.

1. Определите, какие события относятся к формированию самой планеты: океан возник после охлаждения Земли, ещё до появления известных организмов.
2. Затем поставьте появление первых прокариот. Они жили в условиях почти полного отсутствия свободного кислорода.
3. После этого укажите Великое окислительное событие: кислород начал заметно накапливаться вследствие фотосинтеза цианобактерий.
4. Последними поставьте эукариот. Их появление относят к более позднему этапу, когда жизнь уже развивалась в изменяющейся кислородной среде.

Ответ: образование океана → появление первых прокариот → Великое окислительное событие → возникновение эукариот. Последовательность отражает не только даты, но и причинную связь между развитием организмов и изменением среды.

2. Объясните, почему распространение цианобактерий вызвало кризис для анаэробных организмов.

1. Установите, что делают цианобактерии: при фотосинтезе они выделяют кислород.
2. Учтите, что свободного кислорода прежде было мало, а обмен веществ анаэробов не был приспособлен к его присутствию.
3. Свяжите распространение фотосинтеза с ростом концентрации кислорода. Для многих анаэробов он стал токсичным, что ухудшило условия их жизни.
4. Сделайте вывод, не утверждая, что исчезли абсолютно все анаэробы: часть организмов вымерла, а часть сохранилась в бескислородных местообитаниях.

Ответ: цианобактерии выделяли кислород, который накапливался в окружающей среде и повреждал многие клетки, не имевшие защиты от его воздействия. Поэтому часть анаэробов исчезла или оказалась вытеснена в места, где кислорода мало. Кризис был следствием изменения среды, вызванного деятельностью живых организмов.

3. Сравните архей и протерозой по составу атмосферы, типам клеток и уровню организации организмов; сделайте вывод о причинах усложнения жизни.

1. Сопоставьте атмосферу: в архее свободного кислорода было мало, а в протерозое его содержание постепенно увеличивалось.
2. Сравните клетки: для архея характерны прокариоты, тогда как в протерозое появились эукариоты с ядром и внутренними структурами.
3. Сравните уровень организации: ранняя жизнь была преимущественно одноклеточной, а позднее возникли многоклеточные формы.
4. Объясните связь, но не сводите развитие к одной причине: кислородное дыхание давало больше энергии, а усложнение клеток и многоклеточность поддерживались также эволюционными изменениями и взаимодействием организмов.

Ответ: архей характеризуется бедной кислородом атмосферой и простыми прокариотическими клетками; протерозой — постепенным накоплением кислорода, появлением эукариот и многоклеточных организмов. Изменение среды расширило энергетические возможности жизни, а клеточные и эволюционные изменения позволили реализовать их в более сложных формах.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что жизнь возникла сразу после образования Земли. Её появление относят к более позднему времени, а даты остаются приблизительными, потому что учёные опираются на неполную летопись пород и находок. Такую ошибку допускают, смешивая формирование планеты с началом биологической истории. Проверяйте себя: жизнь требует подходящих условий, а свидетельства оценивают отдельно от возраста Земли.

• Ошибка: представлять первых организмов растениями или животными. В архее существовали простейшие прокариотические формы, а сложные организмы возникли значительно позднее. Образ растений и животных знаком по современной природе, поэтому его легко ошибочно перенести в глубокое прошлое. Проверяйте порядок усложнения: сначала прокариоты, затем эукариоты и многоклеточные формы.

• Ошибка: полагать, что кислород с самого начала был основным компонентом атмосферы. Значительное его накопление произошло позднее и связано с фотосинтезом; ранняя атмосфера была бедна свободным кислородом. Путаница возникает, если принимать современный состав воздуха за неизменный. Проверяйте, связывая рост кислорода с деятельностью цианобактерий и Великим окислительным событием.

• Ошибка: отождествлять цианобактерии с растениями. Цианобактерии способны к фотосинтезу, но это прокариоты, а не растения и не эукариотические водоросли. Путаницу вызывает сходство способа получения энергии. Проверяйте тип клетки: у цианобактерий нет оформленного ядра.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о формировании Земли, строении клетки, различиях прокариот и эукариот, обмене веществ и фотосинтезе. Происхождение митохондрий и хлоропластов связывает историю ранней жизни с эндосимбиотической теорией: согласно ей, эти структуры произошли от бактерий, вступивших в длительное взаимодействие с клетками-хозяевами. Далее эта хронология помогает изучать фанерозой, происхождение многоклеточных организмов, выход жизни на сушу и эволюцию биосферы.

Что запомнить

• Катархей связан с формированием Земли, земной коры и первичного океана.
• Первые известные организмы были простыми прокариотами и, вероятно, анаэробами.
• Цианобактерии выделяли кислород в процессе фотосинтеза.
• Великое окислительное событие изменило состав атмосферы и условия эволюции.
• В протерозое появились эукариотические и первые многоклеточные организмы.
• Развитие жизни шло от простых прокариот к более сложным клеточным и многоклеточным формам.
• Границы древних эонов приблизительны и уточняются по геологическим данным.