Паутина жизни. Новое научное понимание живых систем - Капра Фритьоф

Предками растений были волокнистые массы водорослей, обитающие в мелких пронизанных солнцем водах. Время от времени воды высыхали, но некоторым водорослям удалось выжить, размножиться и превратиться в растения. У этих ранних растений, как у сегодняшних мхов, не было ни стволов, ни листьев. Чтобы выжить на суше, им было совершенно необходимо развить стойкие структуры, которые противостояли бы истощению и засухе. Они выполнили эту задачу: они создали лигнин — материал для клеточных стенок, который позволил растениям сформировать крепкие стволы и ветви, а также сосудистые системы для подъема воды от корней к ветвям и листьям.

Рис. 10-1. Эволюционные взаимоотношения между пятью царствами жизни

Основной проблемой, возникшей в новом, наземном окружении, был недостаток воды. Творческий ответ растений выразился в том, что они заключили свой зародыш в защитное семя, противостоящее засухе. Теперь они могли ждать со своим развитием до тех пор, пока не окажутся в достаточно влажной среде. Более чем сто миллионов лет, в то время, когда первые сухопутные животные — амфибии — эволюционировали в рептилий и динозавров, буйные тропические заросли семенных папоротников — фактически семенных деревьев, напоминающих гигантские папоротники, — покрывали огромные просторы Земли.

Около 200 миллионов лет назад на нескольких континентах появились ледники, и семенные папоротники не смогли пережить долгие холодные зимы. Их сменили вечнозеленые хвойные деревья, похожие на наши современные пихты и ели; высокая холодостойкость позволила им не только пережить зимы, но и завоевать высокогорные области. Еще сто миллионов лет спустя появились цветущие растения, чьи семена были заключены в плоды. С самого начала эти новые цветковые растения эволюционировали совместно с животными, которые с удовольствием поедали их питательные плоды и, в порядке любезности, распространяли непереваренные семена растений. Кооперативные связи продолжали развиваться, и сегодня в них включились люди — садовники, огородники и др., которые не только распространяют семена растений, но и разводят вегетативно бессеменные растения для получения от них плодов. Как замечают Маргулис и Саган, «похоже, что растения весьма сведущи в обольщении нас, животных, заставляя нас делать для них одну из немногих вещей, которая доступна нам, но недоступна им, — передвигаться»44.

Завоевание суши

Первые животные эволюционировали в воде из сферических и червеобразных масс клеток. Они все еще были слишком малы, но некоторые из них формировали сообщества, которые коллективно строили огромные коралловые рифы в виде плотных кальциевых отложений. Не обладая твердыми частями или внутренними скелетами, ранние животные полностью разлагались после смерти, однако сотню миллионов лет спустя их потомки построили множество изысканных раковин и скелетов, которые оставили отчетливые отпечатки в хорошо сохранившихся ископаемых породах.

Для животных адаптация к жизни на суше стала эволюционным подвигом, потребовавшим решительных изменений в системе органов. Серьезнейшую проблему в условиях недостатка воды, конечно, представляло обезвоживание; хватало, однако, и других проблем. В атмосфере было неизмеримо больше кислорода, чем в океанах, что требовало других органов для дыхания; были необходимы различные типы кожи для защиты от нефильтрованного солнечного облучения; требовались более крепкие мускулы и кости, чтобы справляться с гравитацией без помощи архимедовой силы.

Чтобы облегчить переход в это совершенно незнакомое окружение, животные изобрели весьма остроумный трюк. Они забрали с собой, ради юных особей, свое прежнее окружение. По сегодняшний день утроба животного имитирует влажность, текучесть и соленость древнего морского окружения. Более того, концентрация солей в крови и других телесных жидкостях млекопитающих замечательным образом соответствует концентрации солей в океане. Мы вышли из океана более 400 миллионов лет тому назад, но никогда не расставались с морской водой. Мы и теперь обнаруживаем ее в своей крови, поте и слезах.

Другое важное нововведение, которое стало существенным для жизни на суше, касалось регуляции содержания кальция. Кальций играет центральную роль в метаболизме всех ядерных клеток. В частности, он необходим для функционирования мышц. Для того чтобы эти метаболические процессы работали, количество кальция должно очень точно поддерживаться на определенных уровнях, гораздо более низких, чем в морской воде. Поэтому морским животным с самого начала пришлось непрерывно удалять весь избыточный кальций. Ранние животные просто выделяли свои кальциевые отходы, иногда нагромождая из них массивные коралловые рифы. По мере того как эволюционировали более крупные животные, они стали накапливать кальций вокруг и внутри себя, и эти отложения в конце концов превратились в раковины и скелеты.

Подобно тому как сине-зеленые бактерии преобразовали токсичный загрязнитель, кислород, в жизненно важный ингредиент своей дальнейшей эволюции, так ранние животные преобразовали другой серьезный загрязнитель, кальций, в строительный материал для новых структур, которые давали им огромные преимущества в ходе отбора. Раковины и другие твердые части использовались для защиты от хищников, тогда как скелеты, впервые появившиеся у рыб, впоследствии эволюционировали в важные поддерживающие структуры всех крупных животных.

Начало так называемого кембрийского периода (около 580 млн. лет назад) отмечено таким изобилием ископаемых пород с красивыми и четкими отпечатками раковин, твердых покровов и скелетов, что палеонтологи долгое время считали эти кембрийские породы свидетельствами начала жизни. Иногда их даже рассматривали как божественные следы первых актов творения. Лишь в последние три десятилетия следы микрокосма стали обнаруживать в так называемых «химических ископаемых»45. Эти находки убедительно показывают, что зарождение жизни опережает кембрийский период почти на три миллиарда лет.

Эволюционные эксперименты с отложениями кальция привели к огромному разнообразию форм — трубчатые «морские спринцовки» со спинным хребтом, но без костей; рыбообразные создания с внешним панцирем, но без челюстей; рыбы, дышащие как в воде, так и в атмосфере, и многие другие. Первые позвоночные со спинным хребтом и черепным костным скелетом, защищающим нервную систему, вероятно, появились около 500 миллионов лет назад. Среди них были предки рыб с легкими короткими плавниками, с челюстями и головой как у лягушки; они ползали вдоль берега и в конце концов эволюционировали в первых амфибий. Амфибии (земноводные) — лягушки, жабы, саламандры и тритоны — служат эволюционным связующим звеном между водными и сухопутными животными. Это первые наземные позвоночные, но даже сегодня они начинают свой жизненный цикл как головастики, дышащие в воде.

Первые насекомые вышли на берег примерно в то же время, что и амфибии, и, возможно, даже побудили некоторых рыб последовать за собой, представляя для них лакомую пищу. На суше насекомые породили неимоверное разнообразие видов. Малые размеры и высокая скорость размножения позволяли им приспосабливаться почти к любой окружающей среде, развивая фантастическое разнообразие телесных структур и режимов жизни. Сегодня известно около 750 000 видов насекомых, в три раза больше, чем всех остальных видов животных вместе взятых.

В течение 150 миллионов лет после выхода из моря амфибии эволюционировали в рептилий, обладавших значительными преимуществами при отборе — мощными челюстями, кожей, защищающей от засухи, и, что важнее всего, новым типом откладываемых яиц. Как это станут позже делать млекопитающие в своей утробе, рептилии заключили прежнюю среду обитания в большие яйца, внутри которых их отпрыски могли полностью подготовиться к жизненному циклу на суше. Вооруженные этими инновациями, рептилии быстро завоевали сушу и образовали множество разновидностей. Многие виды ящериц, которые существуют до сих пор, являются потомками этих древних рептилий.

Эволюция растений и животных

Млн лет назад

Стадии эволюции

700

ранние животные

620

зачатки мозга у животных

580

раковины и скелеты

500

позвоночные

450

растения выходят на сушу

400

амфибии и насекомые выходят на сушу

350

семенные папоротники

300

грибы

250

рептилии

225

хвойные и динозавры

200

млекопитающие

150

птицы

125

цветковые растения

70

вымирание динозавров

65

ранние приматы

35

мартышки

20

обезьяны

10

человекообразные обезьяны