Биология

Доказательства существования древних растений

Научные исследования позволяют утверждать, что растения существовали задолго до появления животных на Земле. Источники доказательств о древнейшем растительном мире многочисленны и разнообразны.

Одним из главных доказательств являются окаменелости растений, найденные в различных слоях горных образований. Эти окаменелости демонстрируют эволюцию растений и природный отбор в древние времена. Изучение структуры и состава окаменелостей позволяет ученым воссоздать облик и образ жизни древних растений.

Еще одним доказательством существования древних растений являются отложения углерода, найденные в различных горных образованиях и залегающих на дне океанов и морей. В этих отложениях находятся следы растительной жизни, такие как пыльца и споры, которые сохранились на протяжении миллионов лет. Изучение таких отложений помогает ученым понять, какие виды растений процветали в разные эпохи Земли и как менялась их экосистема.

Кроме того, существуют генетические доказательства о существовании древних растений. Изучение генетического материала растений, найденного в окаменелостях или сохранившегося в их современных потомках, позволяет ученым отследить историю эволюции растений и выяснить, какие виды появились первыми и как они соединяются с современными растениями.

Все эти доказательства свидетельствуют о том, что растения существовали задолго до появления животных на Земле, и являются немыслимыми без растений. Изучение древнего растительного мира позволяет нам лучше понять происхождение и развитие живого мира и расширяет наши представления о самой жизни на планете.

Жизнь в морях и пресных водоёмах

В кембрийском периоде основная жизнь была сосредоточена в морях. Организмы заселили всё разнообразие доступных мест обитания, вплоть до прибрежного мелководья и, возможно, пресных водоёмов. Водная флора была представлена большим разнообразием водорослей, основные группы которых возникли ещё в протерозойскую эру. Начиная с позднего кембрия постепенно сокращается распространение строматолитов. Это связано с возможным появлением растительноядных животных (возможно, какие-то формы червей) поедающих строматолитообразующие водоросли.

Донная фауна неглубоких тёплых морей, прибрежных отмелей, заливов и лагун была представлена разнообразными прикреплёнными животными: губками, археоциатами, кишечнополостными (различными группами полипов), стебельчатыми иглокожими (морские лилии), плеченогими (лингула) и другими. Большинство из них питалось различными микроорганизмами (простейшие, одноклеточные водоросли и так далее), которых они отцеживали из воды.

Некоторые колониальные организмы (строматопоры, табуляты, мшанки, археоциаты), обладающие известковым скелетом, возводили на дне моря рифы, подобно современным коралловым полипам. К роющей жизни в толще донных осадков приспособились различные черви, в том числе полухордовые. По морскому дну среди водорослей и кораллов ползали малоподвижные иглокожие (морские звёзды, офиуры, голотурии и другие) и моллюски с раковинками.

В кембрийских морях обитали и высокоорганизованные животные — членистоногие: жабродышащие, хелицеровые и трилобиты. Трилобиты достигли расцвета в раннем кембрии, составляя в это время до 60 % всей фауны, и окончательно вымерли в пермском периоде. В это же время появляются первые крупные (до 2-х метров в длину) хищные членистоногие эвриптериды, достигшие наибольшего расцвета в силуре и первой половине девона и исчезнувшие в ранней перми, когда их вытеснили хищные рыбы.

Начиная с нижнего ордовика в морях появляются первые позвоночные. Древнейшие известные позвоночные были рыбообразными животными, лишенными челюстей, с телом, защищённым панцирем (панцирные бесчелюстные, или остракодермы). Первые из них относятся к верхнему кембрию. Древнейшие представители рыб появились в морях и пресных водоёмах раннего и среднего девона и были одеты в более-менее сильно развитый костный панцирь (панцирные рыбы). К концу девона панцирные позвоночные вымирают, вытесненные более прогрессивными группами челюстноротых.

В первой половине девона уже существовали разнообразные группы всех классов рыб (среди костных — лучепёрые, двоякодышащие и кистепёрые), имеющие развитую челюсть, настоящие парные конечности и усовершенствованный жаберный аппарат. Подгруппа лучепёрых рыб в палеозое были малочисленна.

«Золотой век» двух других подгрупп пришёлся на девон и первую половину карбона. Они сформировались во внутриконтинентальных пресных водоёмах, хорошо прогреваемых солнцем, обильно заросших водной растительностью и отчасти заболоченных. В таких условиях недостатка кислорода в воде возник дополнительный орган дыхания (лёгкие), позволяющий использовать кислород из воздуха.

Возможные причины выхода растений на сушу

Среди основных причин выхода растений на сушу можно отметить:

• в процессе жизнедеятельности бактерий сформировались некоторые новые слои почвы;
• суша стала более защищенной от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей, что было связано с тем, что в атмосфере появился озоновый слой. Это способствовало существенной смене климата;
• климат менялся и стал умеренным и более влажным.

Таким образом, считается, что растения вышли на сушу, чтобы избежать поедания растительноядными животными, обитающими в водных пространствах. Также они искали новую почву, которая сформировалась в результате деятельности грибов и лишайников.

Примитивный тип почвы, который создавался строматолитами уже был пригоден для произрастания некоторых растений. Суша накопила большое количество органического вещества.

Тем самым выход растений на сушу стал крупнейшим ароморфозом в развитии жизни на Земле. Такое события было подготовлено предыдущим ходом органической и неорганической эволюции. Среди таких процессов можно выделить:

• почвообразование;
• накопление в атмосфере молекулярного кислорода;
• формирование озонового экрана;
• процесс дифференцировки клеток.

Замечание 1

Считается, что сухопутные растений произошли от зеленых водорослей, так как в их клетках был обнаружен хлорофилл. Неизвестная предковая форма дала две эволюционные ветви: одна из них привела к возникновению риниофитов, а другая – к появлению мхов.

Первыми наземными растениями стали риниофиты, которые не имели отчетливого деления на стебли, корни, листья. Они занимали промежуточное положение между водорослями и наземными растениями.

У таких растений развивалась покровная и проводящая ткань, которая обеспечила им защиту от высыхания в наземно-воздушной среде и позволяли транспортировать растворы питательных веществ.

У наземных растений преобладал спорофит или то поколение, которое дает бесполые клетки или споры. У наземных растений также развивались специализированные функции. Например, в стеблях появились проводящие пучки, которые находились на нижней части побегов. Эти пучки напоминали корневые волоски. В дальнейшем происходила более сложная эволюция процессов размножения растений, которая привела к появлению настоящих современных наземных растений, имеющих возможности к более качественной адаптации к условиям суши и ее освоению.

Новые исследования образца породы: смена точки зрения

При более тщательном изучении нитей этого образца породы ученые обнаружили гораздо более сложные структуры. Стебель с параллельными ветвями с одной стороны длиной почти в сантиметр, сотни деформированных сфер или эллипсоидов вдоль трубок и нитей. Все геологи согласны с тем, что такие структуры не могут быть вызваны химическими реакциями: более вероятно, что они имеют биологическое происхождение.

Исследовательская группа UCL также представила доказательства того, как бактерии могут питаться энергией. Они обнаружили в породе минерализованные химические побочные продукты, которые соответствуют древним микробам, живущим за счет железа, серы и, возможно, даже углекислого газа и света, посредством формы фотосинтеза, в котором не участвует кислород.

«Используя несколько линий доказательств, наше исследование убедительно свидетельствует о том, что несколько различных типов бактерий существовали на Земле между 3,75 и 4,28 миллиардами лет назад», — сказал доктор Доминик Папино, возглавлявший .

2 104 / 5 000Результаты переводаПараллельно расположенные гребенчатые нити сантиметрового размера, состоящие из красного гематита, некоторые из которых имеют изгибы, трубки и различные типы гематитовых сфероидов. Это древнейшие микрофоссилии на Земле, которые жили на морском дне вблизи гидротермальных источников и метаболизировали железо, серу и углекислый газ.

Для исследования ученые изучили породы из квебекского супракрустального пояса Нуввуагиттук (NSB), которые доктор Папино собрал в 2008 году. NSB, когда-то бывший куском морского дна, содержит одни из самых древних известных осадочных пород на Земле. Считается, что они были заложены вблизи системы гидротермальных источников. Здесь трещины в морском дне пропускают богатую железом воду, нагретую магмой.

Другие примеры такой породы были найдены возле подводного вулкана Лоихи вблизи Гавайских островов, а также вокруг других жерловых систем в Северном Ледовитом и Индийском океанах.

Исследовательская группа использовала пилу с алмазными напайками, чтобы разрезать породу на участки толщиной в бумагу (100 микрон). Эти кусочки породы были более чем в два раза больше, чем предыдущие участки, которые исследователи вырезали.

Размер этих листов позволил исследователям найти крошечные структуры, похожие на окаменелости. Они состоят из гематита, разновидности оксида железа или ржавчины, и заключены в кварц. Они сравнили структуры и состав с более поздними ископаемыми и с железоокисляющими бактериями, обнаруженными сегодня вблизи систем гидротермальных источников. При этом они нашли современные эквиваленты извилистых нитей, параллельных разветвленных структур и неправильных эллипсоидов.

В результате углубленного анализа были получены трехмерные модели различных целей. Они подтвердили, что гематитовые нити были волнистыми и извилистыми и содержали органический углерод — характеристики, общие для современных микробов, питающихся железом.

Ярко-красная яшма, отклоняющая слои гематитового кремня (богатая железом, кремнеземом порода), содержащего трубчатые и нитевидные микрофоссилии. Справа вверху мы видим, что яшма соприкасается с темно-зеленой вулканической породой. Они представляют собой гидротермальные осадки на морском дне.

Команда пришла к выводу, что структуры гематита не могли возникнуть в результате сжатия и нагревания породы (метаморфизма) на протяжении миллиардов лет. Оказалось, что структуры лучше сохранились в более мелком кварце, который меньше пострадал от метаморфизма, чем в более крупном кварце, который подвергся большему метаморфизму.

Исследователи также изучили уровень редкоземельных элементов в ископаемой породе и обнаружили, что он такой же, как и в других образцах древних пород. Это подтвердило, что отложения на морском дне были такими же древними, как и окружающие вулканические породы, а не просачивались из более молодых источников, как предполагали некоторые.

Этапы эволюции растений

Водоросли решили развиваться в двух направлениях: одни выбрали дорогу мохообразных, другие — риниофитов.

Мохообразные. У мхов, как и у водорослей, нет настоящих корней: они прикрепляются к земле ризоидами. В отличие от корней, ризоиды — одноклеточные нитевидные образования. У них нет специальных зон со своей специализацией. Мхи относятся к элементарным растениям, не способным к запасанию.

Мхи

Риниофиты. Другое название — псилофиты. Растения, которые выбрали это направление, выиграли в эволюционной гонке. Сами риниофиты вымерли, но большинство растительных организмов, которые мы наблюдаем сейчас, являются их потомками. У риниофитов не было листьев. Это были первые высшие растения с развитыми проводящими (древесина, луб) и покровными тканями (эпидерма). Благодаря сосудам, их останки хорошо сохранились в окаменевших породах. Остатки служат доказательством эволюции растений.

Риниофиты

Также учёные находят остатки папоротникообразных в залежах каменного угля и цианобактериальные маты — отложения древних сообществ. Всё это служит напоминанием об эволюции растительных организмов.

Цианобактериальные маты

Псилофиты существовали совсем недолго. От риниофитов произошли папоротникообразные: папоротники, хвощи и плауны. У них развиты ткани, но имеется один существенный недостаток. Половое размножение папоротникообразных зависит от воды: сперматозоид и яйцеклетка сливаются с друг другом и образуют зиготу только во время дождя.

Папоротникообразные

Далее появились голосеменные растения. У них вместо сперматозоида образуется спермий — неподвижная мужская половая клетка. Пыльца становится пыльцевой трубкой, формируя неподвижные безжгутиковые спермии. Они соединяются с яйцеклеткой. Из сформировавшейся зиготы вырастает семя. Шишка одревесневает, открывается, освобождая семена для дальнейшего распространения. Однако, всё это время семена беззащитны перед неблагоприятными условиями среды.

Голосеменные растения

Покрытосеменные довели процесс полового размножения практически до совершенства. Вегетативная клетка удлиняется и становится пыльцевой трубкой. Она вырастает и пробирается к зародышевому мешку. Генеративная клетка делится на 2 неподвижных спермия. Один из них соединяется с яйцеклеткой, образуя зиготу. Второй объединяется с центральной клеткой, формируя в дальнейшем эндосперм. Этот процесс именуется двойным оплодотворением. В отличие от голосеменных растений, далее семя защищается от неблагоприятных воздействий мощным околоплодником.

Покрытосеменные растения

Именно в таком порядке появились привычные растения. Порядок их образования изображают в виде дерева, которое называется филогенетическим.

Филогенетическое древо растительного мира

Древняя жизнь Земли

Если мы спустимся на нашем «лифте» до последнего этажа палеозойской эры, то окажемся в кембрийском периоде, который начался 540 миллионов лет назад. Тогда суша была безжизненной пустыней: лишь некоторые организмы изредка появлялись в полосе прибоя, роясь в выброшенном на берег органическом мусоре, однако они не задерживались под палящим Солнцем надолго и быстро возвращались в соленые воды, в которых эволюция жизни к тому времени продолжалась миллиарды лет.

Трилобиты были распространены в палеозойских морях и вымерли в конце пермского периода. Фото iStock

Хотя в кембрийском море было полно невероятных существ, показавшихся бы нам странными или даже нелепыми, встречались и вполне современные на вид губки и медузы. Что касается растительного мира, в начале палеозойской эры он был скуден и представлен в основном водорослями, но именно благодаря этим примитивным растениям в атмосфере накопилось достаточное количество кислорода для обеспечения жизнедеятельности крупных форм жизни. 

В двух последующих периодах — ордовикском и силурийском — жизнь в основном развивалась в море, что особенно заметно на примере эволюции хордовых. В начале ордовика в океанах плавали лишь странные рыбоподобные животные, напоминающие гибрид краба с угрем. К концу силура уже возникли примитивные акулы и костные рыбы, похожие на нынешнюю латимерию — последнюю выжившую кистеперую рыбу, все еще плавающую у восточных берегов Африки

На суше успехи живых организмов были куда скромнее: пока прибрежную полосу осторожно колонизировали крошечные растения, между ними сновали первые сухопутные животные —многоножки и паукообразные

Рыба с ногами и правда о звероящерах

Полноценное освоение суши началось в последующих девонском и каменноугольном периодах: пока в море бурно эволюционировали рыбы, значительно увеличилось разнообразие растений, которые сформировали первые леса из плаунов, хвощей и папоротников. Поначалу в этих лесах жили только беспозвоночные, но около 380 миллионов лет назад на берег выполз тиктаалик — «рыба с ногами», которая приходится то ли ближайшим родственником, то ли прямым предком всем современным наземным позвоночным.

Тиктаалик, или «рыба с ногами», — предок всех современных наземных позвоночных. Фото National Science Foundation

После этого знаменательного события позвоночные быстро заняли доминирующее положение на суше: сначала амфибии царствовали в болотистых каменноугольных лесах, затем, когда климат Земли стал холоднее и суше, главные роли достались их продвинутым потомкам — рептилиям, предкам птиц, и синапсидам, предкам млекопитающих.

В течение всего пермского периода, последнего из периодов палеозойской эры, на суше доминировали синапсиды, а предки динозавров, похожие на мелких ящериц, сновали где-то у них под ногами. Именно тогда на планете впервые возникли гигантские сухопутные животные, как растительноядные, так и хищные: вес самого крупного в роду котилоринха Хэнкока, жившего в Северной Америке, достигал двух тонн, а найденная в Архангельской области иностранцевия обладала шестидесятисантиметровым черепом, вооруженным пятнадцатисантиметровыми клыками.

Правда, в отличие от динозавров, правление синапсид продлилось существенно меньше. Все из-за случившегося в конце пермского периода массового вымирания, самого сурового за всю земную историю, которое унесло более трех четвертей всей жизни на нашей планете. Точные причины этого разрушительного катаклизма неясны, однако весомую роль в Великом вымирании могли сыграть Сибирские траппы — массовое извержение вулканической лавы, продолжавшееся тысячелетиями и залившее территорию размером с четыре Испании четырехкилометровой толщей расплавленной породы.

Синапсид диметродон — предок млекопитающих

Лишь толике животных удалось пережить планетарный Апокалипсис и вступить в новую, мезозойскую, эру геологической истории. Среди них были и предки динозавров, которым удалось перехватить знамя, выпавшее из ослабевшей хватки синапсид, и занять позицию доминирующих сухопутных позвоночных.

Антропогенное воздействие на растения

Как вы помните из прошлого урока, антропогенные экологические факторы — это воздействие человека на окружающую среду. К сожалению, на развитие растений влияет не только конкуренция, которая ведёт к совершенствованию, но и негативное воздействие человека, которое ведёт к уничтожению видов и искажению окружающей среды.

Процесс воздействия идёт в четырёх направлениях:

1. Уменьшение разнообразия видов. Человечество вырубает леса, вследствие чего уменьшается не только количество деревьев, но и число тех растений, которые росли под их кронами. Токсичные отходы убивают растения, которые живут рядом с заводами и дорогами. Это ведёт к полному изменению растительного сообщества. Леса заменяются культурными растениями, среди которых не происходит такого активного круговорота веществ. Это влияет не только на растения, но и на лесных животных.
2. Разграничение растительных сообществ. Между сообществами создаются барьеры, что приводит к раздельной эволюции мелких групп. В результате такого раздельного развития большие таксоны делятся на мелкие. Простой пример: проложение дороги посреди растительного сообщества. Растения перестают взаимодействовать между собой: конкурировать, размножаться. В конце концов, могут совсем потерять связь.
3. Объединение растительных сообществ. Этот процесс идёт в совершенно другом направлении. Из-за уничтожения барьеров и перемещения людей растительные сообщества могут объединиться и сродниться между собой. Например, в Польше так появились потомки близких, но разных видов: лиственницы польской и лиственницы европейской.
4. Появление растений загрязнённых местообитаний. В результате загрязнений изменяется среда обитания, а вместе с этим и растительные сообщества. В Канаде зарегистрированы мутантные формы голубики близ загрязнённых территорий.

Негативное влияние антропогенного загрязнения очевидно. При этом выделяют три класса взаимодействия загрязнения и растительных сообществ:

1. Низкий уровень загрязнения. Растения способны поглощать такое загрязнение и очищать атмосферный воздух. Влияние на растительные сообщества незаметно.
2. Средний уровень загрязнения. Нарушается баланс в сообществе. Растения болеют чаще, так как снижается их иммунитет. Изменяется структура сообщества.
3. Высокий уровень загрязнения. Отмечается высокий уровень гибели растений. Сообщество упрощается незамедлительно.

Существуют виды, по которым можно судить об уровне загрязнения окружающей среды. Метод называется биоиндикацией. В основном используются лишайники. Тогда биоиндикация становится лихеноиндикацией. Они особо чувствительны к вредным воздействиям, поэтому даже при низком уровне загрязнения массово погибают.

Лихеноиндикация

Устойчивые виды используют для очищения атмосферного воздуха. К таким видам относятся тополь и лиственница.

Чтобы предотвратить гибель растений, люди организуют особо охраняемые природные территории:

1. Заповедник. На территории заповедника запрещена хозяйская деятельность. Возможно строительство только объектов научно-исследовательского и экскурсионного характера. Примеры: Алтайский заповедник, Уссурийский заповедник.
2. Заказник. На территории заказника возможна хозяйская деятельность, которая не вредит охраняемым объектам окружающей среды. Примеры: Ярославский заказник, Саратовский заказник.
3. Национальный природный парк. На территории национального природного парка разрешена хозяйская деятельность в ограниченных масштабах. Примеры: Национальный природный парк «Таганай», Национальный природный парк «Зюраткуль».
4. Ботанический сад. В ботаническом саду хранят редкие растения.

Алтайский заповедник

Также люди ведут красную книгу — это сборник находящихся под угрозой исчезновения живых организмов

Её создали, чтобы привлечь внимание к проблеме исчезновения видов из-за антропогенного воздействия на окружающую среду. Первая красная книга издана в 1966 году

Красная книга

Кроме красной книги, есть ещё чёрная и зелёная книги. В чёрной книге хранится список уже вымерших организмов, которых человечество не успело спасти.

Чёрная книга

Зелёная книга — документ, в котором описаны имеющие значение растительные сообщества.

Выводы и перспективы исследований

Исследования древнейшего дня и появления растений на суше во время первых эр были важным шагом в понимании эволюции жизни на нашей планете. Они позволили установить, что первые растения вышли на сушу во время эры Силура, более 400 миллионов лет назад.

Однако, до сих пор остаются многие вопросы без ответа. Например, каким образом растения адаптировались к суше и какие факторы стимулировали их миграцию. Одна из главных проблем заключается в том, что древние растения плохо сохраняются в археологических находках, что ограничивает исследования.

Возможности для дальнейших исследований остаются огромными. С развитием современных методов молекулярной биологии и генетики, ученые смогут изучать гены древних растений и понять, какие изменения произошли в процессе их адаптации к новым условиям. Это откроет новые возможности для понимания механизмов эволюции растений и их взаимодействия с окружающей средой.

Помимо этого, исследования первых растений на суше могут иметь важное значение для современной экологии. Они помогут лучше понять, какие процессы привели к появлению растительного покрова на суше и какие растения активно участвовали в формировании современных экосистем

Это позволит разрабатывать более эффективные стратегии сохранения природных ресурсов и биоразнообразия.

Таким образом, исследования появления растений на суше первой эры являются важным шагом в понимании эволюции жизни на Земле. Они предоставляют нам ценные знания о прошлом и будущем нашей планеты, а также открывают новые возможности для изучения растительного мира и развития экологических стратегий для их сохранения.