Эволюция жизни

Зеленые растения — основа жизни на этой столь гостеприимной для нее планете. Они превращают энергию, падающую на них в виде солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах. Кроме того, воздух, которым мы дышим, благодаря фотосинтезу насыщается кислородом. Другие живые организмы получают доступ к той энергии, поедая эти растения. Так создается пищевая цепь, поддерживающая планетарную экосистему.

Явив миру одноклеточные организмы, едва ли не самое безупречное свое произведение в природе, жизнь, вероятно, сильно изменилась. Но оценить это по достоинству стало возможным лишь с появлением электронных микроскопов. Рассматривая изображения, полученные с помощью такого микроскопа, легко поверить в то, что перед нами какие-то фантастические животные с других планет или футуристические сооружения будущего, но уж никак не одноклеточные организмы. За многие миллионы лет существования этих организмов на планете сменялись геологические эпохи, возникали и исчезали океаны и горные хребты, суровые морозы глобальных похолоданий чередовались с благодатными оттепелями межледниковых периодов, появлялись и вымирали сотни видов животных и растений. Они же, неоднократно пережив все катаклизмы вечно меняющейся Земли, жили и размножались, и ныне их потомки, расселившись необычайно широко, продолжают благополучно существовать.

Владения этих крошечных созданий простираются от открытых и прибрежных вод океанов и морей до пресных и солоноватых водоемов суши, живут они в термальных источниках и в почве, на стенах влажных пещер, в моховых болотах, в пустынях и даже покрывают плотным коричневым слоем нижнюю поверхность морских льдов Антарктики. Малозаметные и почти неразличимые человеческим глазом создания играют колоссальную роль в биосфере Земли, ежегодно продуцируя около четверти всего органического вещества, производимого растительностью планеты (по своей биологической продуктивности диатомовые водоросли в целом сопоставимы с хвойными лесами ее Северного полушария). Такие водоросли наиболее распространены в полярных морях, чьи воды содержат грандиозное количество этих мельчайших растений. В одном только литре воды, взятой с поверхности океана, диатомей может оказаться до 15 тысяч. Полупрозрачные кремневые оболочки большинства колониальных диатомовых напоминают драгоценный камень опал. Различные формы этих простейших организмов за миллионы лет своей жизни на планете сформировали колоссальные пласты горных пород, которые встречаются в самых разных ее областях и районах.

Синтез веществ у целого ряда одноклеточных зависим от среды обитания и продолжительности светового дня. В протерозойскую эру эволюционный ствол древнейших эукариот разделился на несколько ветвей. По всей вероятности, тогда и образовывались жадно вбирающие источающийся поток из живительных солнечных лучей многоклеточные растения — зеленые, бурые и красные водоросли. Как правило в приповерхностных слоях наиболее распространены зеленые водоросли, глубже — бурые, и на глубоководных участках — красные. С увеличением глубины солнечный свет меняет свой спектральный состав и приобретает зеленоватый оттенок, слабо воспринимаемый хлорофиллом. Именно поэтому, там преобладают красные и бурые водоросли, имеющие пигменты способные использовать энергию зеленого света. А обитающие на мелководье и размножающиеся половым путем зеленые водоросли, открыли новую линию развития — к высшим растениям. Важным условием их дальнейшей эволюции стало образование почвенного субстрата — результат взаимодействия микроорганизмов с минеральными веществами.

В конце силурийского периода почвообразовательные процессы подготовили возможность выхода некоторых растений на сушу — риниофиты (или псилофиты). От них возникли другие группы наземных растений: плауны, хвощи и папоротники, размножающиеся спорами в водной среде. На суше у растений появилась сосудисто-проводящая система, обеспечивающая доставку воды и минеральных веществ. Их примитивные сообщества широко распространились в девоне. С этих же времен сохранились на Земле и моховидные (у них уже присутствует некое разделение на стебель и корнеподобные выросты — ризоиды, а вот проводящей системы у мохообразных нет). Они также произошли от водорослей и, очевидно, поэтому мхи предпочитают сырые затененные места. Появились и различные голосеменные, возникшие от древних папоротников и унаследовавшие от них свой внешний облик. Размножение семенами делало половой процесс развития этих форм высших растений менее зависимым от водной среды (как это наблюдается еще у современных папоротников). Широко раскидывая во все стороны громадные кроны из перистых листьев, древовидные археоптерисы стали теми растениями, которые окончательно завоевали сушу, образовав самые настоящие леса.

Карбон в геологической истории Земли период образования множества ныне сохранившихся лишь в ископаемом виде форм наземных растений. На древних приполярных континентах (Гондване в Южном полушарии и Ангариде — в Северном) существовали покровные оледенения, в располагавшихся же в тогдашней экваториальной зоне климат был жарким и влажным — тропическим. Мангровые леса той поры состояли из гигантских споровых: плауновые (лепидодендроны и сигиллярии), хвощевидные (каламиты) и древовидные папоротники. Корневые системы часто располагались ниже торфоподобной органической массы, а сами деревья прорастали сквозь нее и многометровый слой валежника. Бугристую поверхность некоторых споровых из чешуйчатоствольных составляли не листья, а периодически опадающая толстая зеленая кора. По огромным стволам ползли лиановидные папоротники, крупные веера листьев которых развевались во влажном воздухе. В тех же местах где почва была суше, вырастали лесочки стройных кордаитов (умеренный пояс чаще осваивали первичные голосеменные — птеридоспермы и кордаиты, напоминавшие стволами хвойные, порой имевшие длинные лентовидные листья).

Вся эта пышная растительность активно снабжала атмосферу столь жизненно важным газом (история наземных экосистем — это фактически история трех групп живого: сосудистых растений, насекомых и позвоночных; в то время среди представителей крупной фауны уже встречались древние «додинозавровые» рептилии, но гигантских земноводных, сложно считать сухопутными жителями — большую часть жизни они проводили в воде). К тому же на суше еще не сформировалось «воинство» грибов и бактерий, ответственных за переработку упавшей древесины и просто «съесть» все эти запасы в то время похоже было некому. Очевидно по этой причине ископаемые деревья карбонового периода не гнили, а атмосферный кислород на процессы разложения не расходовался. Вместо этого стволы тех упавших гигантов медленно каменели. Наступление моря на сушу затапливало прибрежные торфяники и мангровые леса. Оказываясь на морских глубинах, они перекрывались непроницаемыми для кислорода «крышками» из морских известняковых осадков. Сжатые под большим давлением между прочными аргиллитами и известняками те огромные массы перешли в каменный уголь. В дальнейшем последствия заплеска гигантских волн сглаживались и море отступало. Этот геологический период формирования циклопических осадочных толщ называется каменноугольным (именно тогда образовались почти все известные нам месторождения столь полезного для человека сырья).

Начавшийся в пермском периоде расцвет голосеменных, в частности хвойных, привел к их господству в мезозойскую эру. Среди самых многочисленных и самых узнаваемых голосеменных этого периода можно назвать цикадовые или саговники. Их стебли были прямыми и столбообразными, похожими на стволы деревьев, они несли крупные и длинные перистые листья. Внешне они походили на древовидные папоротники или на пальмы. Саговники хорошо изучены по ископаемым остаткам. Появившись в конце палеозоя, около 280 миллионов лет назад, они процветали уже в мезозое. Это время иногда даже именуют «эрой саговников» — столь широко они были распространены, многочисленны и разнообразны. Органы размножения цикадовых — стробилы (шишки) мужские и женские, которые образовались из видоизмененных листьев. Пыльца разносится ветром и насекомыми, попадает на женские шишки, а потом прорастает, причем на определенной стадии формируются крупные подвижные сперматозоиды (сам по себе очень древний признак, напоминающий о водной среде обитания их далеких предков).

Помимо цикадовых, появились так называемые беннеттитовые, представленные деревьями или кустарниками. В основном они напоминают настоящие цикадовые, но их семя начинает приобретать прочную оболочку, что придает беннетитовым сходство с покрытосеменными. Своего расцвета в этом периоде достигли и грибы, возникло их очень сложное сожительство с растениями — микориза. Гриб, получая от дерева питательные вещества, взамен снабжает это довольно крупное растение минеральными веществами и влагой (переплетаясь с корнями, обеспечивает дерево большей поверхностью впитывания, что особенно важно, когда оно растет на бедной почве). С окончанием пермского периода сошли с арены жизни многие виды гигантских папоротников, влаголюбивые плауны, каламиты и надолго исчез столь яркий для той эпохи колорит тропических лесов.

В триасе на авансцену выходят уже новые формы: среди них араукарии, кедры и пихты, кипарисы и тиссы. Рощи гинкговых деревьев росли по всему умеренному поясу, поворачивая вслед за солнцем свои веероподобные листья на длинных черешках. Очень разнообразны были и хвойные, а склоны низких пригорков украшали рощи байерий и игольчатых вольций в живописном смешении несчетных разновидностей. На влажных склонах и в низинах, вблизи озер и устьев рек встречались столбообразные поросли хвощей-неокаламитов. Их корни расползались во всех направлениях, взаимно переплетались и вытягивали из почвы питательные вещества, чтобы подкрепить ими свои стволы и развесистые кроны со споровыми шишками (ветер разносил далеко по округе целые облачка этой коричневатой пыли спор). А в южных областях виднелись похожие на пальмы кроны высокоствольных цикадовых, между которыми произрастали дебри папоротников и зеленых хвощей, постепенно измельчавших до размера трав. Высокие и мощные стволы старых деревьев, возвышавшихся над ковром мхов и торфяных растений, обвивали бесчисленные плети лиан. Под тенью этих деревьев и бродили в те стародавние времена динозавры…

Принято считать, что цветковые (покрытосеменные) возникли либо в конце юрского, либо в начале мелового периода. На планете к началу неогенового периода безраздельно доминирует растительность уже привычного нам облика, а десять миллионов лет назад существуют едва ли не все современные ее типы и формы. Первые представители покрытосеменных были кустарниками или низкорослыми деревьями с мелкими листьями. Затем довольно быстро цветковые достигли огромного разнообразия форм со значительными размерами и крупными листьями (например, возникли семейства магнолиевых, пальмовых, лавровых и эвкалипты). Широкие листья и различные типы размножения позволили цветковым стать весьма распространенными (основную часть веществ сосудистых растений образуют ткани листьев их совершенная водопроводящая система дала жизнь настоящим вьюнам и лианам). Для листьев особенно характерно сетчатое жилкование, которое способствовало лучшему перемещению веществ и укреплению пластины, а широкий лист очень пригодился в тенистом тропическом подлеске, где они появились.

Должно быть уже навсегда в далеком прошлом остались махины-курганы ящеры, леса из незнакомой поросли, диковинные насекомые. На их месте появились млекопитающие, заросли привычных нам трав и деревьев, среди которых запорхали птицы и бабочки, зажужжали пчелы. К самым облакам взметнулись широкие кроны вековых дубов, орешников, кленов и смоковниц, а также игольчатых кипарисов, тисов и гигантских секвой, которые достигали головокружительной высоты. А на ярко-зеленом ковре из растений, среди островков низких и высоких кустарников появились цветы самой различной окраски — белой, красной, желтой и синей. Возникнув стремительно и внезапно, цветы смогли не только выжить среди преобладающей на тот период флоры, но и со временем окончательно вытеснить ее, подчинив Землю своему безраздельному господству.

От ближайших соседей по группе — голосеменных — растения эти в целом заметно обособляются и каждое из таких специфических свойств представляет собой мощное оружие в борьбе за существование. Именно цветковые сегодня образуют основную массу растительного вещества биосферы и являются важнейшими производителями органики на суше, точно так же, как водоросли в морях и океанах. Травы и цветы, плодовые кустарники и деревья, смогли закрепить свое владычество по всей планете: от арктических тундр до влажных тропических лесов и саванн, от морских побережий до самой границы вечных снегов и льдов в горах. Некоторые их виды освоили пресные и даже морские воды, сумев если и не составить конкуренцию водорослям, то, по крайней мере, заставить их слегка потесниться. Строго говоря общее разнообразие наземных растений увеличилось в два раза, причем главным образом за счет покрытосеменных. К этому времени каждое второе растение в произрастающем их сообществе было цветковым. Из голосеменных свое место удержали лишь хвойные. Беннеттитовые практически вымерли, а кейтониевых, саговников, гинкговых, папоротников и хвощей осталось очень мало.

Когда наступает пора цветения, раскинувшиеся вдоль горизонта поля и луга превращаются в море роскошных цветов. Пестрая окраска и крупные размеры цветка нужны растениям, чтобы привлечь насекомых-опылителей. Этот процесс и внутреннее оплодотворение несомненно их большое преимущество. Цветок с его уникальным строением обеспечивает более прогрессивное оплодотворение, которое отличается от оплодотворения голосеменных примерно так же, как в животном мире наружное оплодотворение отличается от внутреннего. И если продолжить аналогию, то формирование семени у цветковых настолько же отличается от подобного процесса у голосеменных, насколько формирование зародыша внутри матки млекопитающих непохоже на развитие зародыша в яйцах пресмыкающихся. Благодаря многим и важным приспособлениям семя цветковых в отличие от голосемянных развивается во влажной среде, в избытке снабжаемое питательными веществами и надежно защищенное стенками завязи от внешней среды. Владея ими цветковые могут принимать различные формы, к тому же оплодотворение у них не простое, а двойное. Поэтому формируется не только зародыш, но и питательная ткань вокруг него — эндосперм (из них впоследствии образуется плод, в котором семена покрыты сочной мякотью; различные на вкус и цвет плоды привлекают многих животных и насекомых, что позволяет распространяться их семенам повсеместно).

Наиболее крупные семейства цветковых растений составляют орнамент зеленого покрова Земли. Поразительно и беспрецедентное разнообразие покрыто-семенных. Достаточно вспомнить ряску и дуб, пшеницу и прекрасный цветок магнолии. Откуда взялось это невероятное разнообразие и как постичь его? Нельзя же просто сказать, что они задавили остальную флору своим несметным количеством, сумев создать в невероятно короткий срок до 250 тысяч видов! Это и всевозможные злаки, покрывающие американские прерии и пампасы, африканские саванны и евразийские степи, а также кактусы и колючие кустарники пустынь, многие подводные и плавающие травы рек, озер и морей, напоминающие мох виды, стелящиеся по скалам и свисающие с ветвей деревьев. Именно тот взрывной рост видообразования Дарвин никак не мог объяснить и в сердцах сознавался: «Быстрое, насколько мы можем судить, развитие всех высших растений в недавние геологические времена — отвратительная тайна». С его теорией эта загадка согласовывалась и впрямь не лучшим образом, ведь Дарвин утверждал: «Естественный отбор никогда не может делать внезапных больших скачков, а всегда продвигается короткими, но верными, хотя и медленными шагами!».

Приспособление к изменчивым условиям наземной жизни одно из важнейших направлений эволюции растительного мира. Изящные цветковые растения являются ярчайшим выражением этой линии, разнообразие их видов определяется в большей мере условиями климата, почвы, рельефа, множеством форм и способов роста. Невероятно сложная эволюционная реинкарнация и образование цветка были особенно важным этапом в их происхождении. Сам по себе цветок идеально приспособлен для опыления насекомыми, птицами, млекопитающими, ветром и водой. Этот процесс выгоден обеим сторонам, и цветы одаривают своих благодетелей нектаром. Кроме того, цветы могут опылять себя сами. Уникальной особенностью покрытосеменных является неотения — способность организма размножаться на ранних стадиях развития. Стремительный рост, длящийся порой один год, позволяет цветковым иметь многочисленное потомство, способное не только удерживать завоеванную предками территорию, но и захватывать новую. Можно также добавить, что в арсенал покрытосеменных входит хорошо сформированная проводящая система из настоящих сосудов, а не трахеид, как у других высших растений, или что цветковые способны образовывать сложные многоярусные сообщества.

Ранние покрытосеменные уже обладали разнообразием форм, пыльцевых зерен, цветков и плодов. Между тем среди близстоящих к ним разновидностей не обнаружено ни одной переходной формы (образно выражаясь у ботаников упала бы гора с плеч, если бы удалось отыскать, без всякой иронии, яблоки на елке). Получается, что самые совершенные на планете растения возникли внезапно и вдруг, сразу со всем набором своих уникальных признаков. Огромное количество исследований большей ясности также не прибавили. Наверное, покрытосеменные ведут свой род от голосеменных, но вот когда именно и каким образом произошло это событие пока не решено. Каждый маститый ботаник считал своим долгом высказать свое мнение по этой теме — настолько она важна. И все-таки нам известно, что господствовавшие на Земле до цветковых растений голосеменные (они существуют и сейчас: например все хвойные растения) опылялись ветром, а их расцвет пришелся на мезозойскую эру (когда они пришли на смену папоротникам).

В начале XX века отсутствие промежуточных звеньев объясняли неполнотой геологической летописи и особыми местами обитания первых цветковых. Предполагалось, что покрытосеменные возникли в высокогорьях, где нет осадочных пород. Именно по этой причине переходные формы не встречаются в отложениях до тех пор, пока цветковые, уже окончательно сформировавшись, не появились на равнинах. В качестве предполагаемых предков покрытосеменных называли и другие группы растений: кейтониевые, семенные папоротники, беннетиты, гнетовые. У кейтониевых была завязь, но она формировалась иначе, чем у цветковых, и не было даже подобия цветков. У беннетитов были обоеполые своеобразные цветки, но не было пестиков, и семена их были скрыты между бесплодными чешуями, а не находились внутри плодов. У семенных же папоротников не было цветков, как и покрытосемянности…  Энтомологи также отмечают, что перед появлением цветковых произошло резкое изменение отдельных видов обитавших в тот период насекомых. И это крайне важно, поскольку их эволюция теснейшим образом связана с эволюцией растений. Самое удивительное, что насекомые с типичным для антофилов (любителей цветов) внешним видом начинают распространяться с поздней юры — в то время, когда покрытосеменных еще не было. К досаде современных эволюционистов получается весьма странная картина: цветов пока еще нет, а их «любители» уже есть.

Однако самые необычные из цветковых — плотоядные виды, способные ловить мелких насекомых и животных. Надо признать, что до сих пор ученые так и не смогли обнаружить следы плавной эволюции цветковых. Более того, их отличия от других растений настолько радикальны, что современные исследователи относят их к сальтоционным, то есть, совершенным одним скачком. По данным палеонтологии, скорость эволюции непостоянна: долгие периоды (десятки и сотни миллионов лет) относительной стабильности и морфологии (стазис) могут сменяться краткими (не более десятка миллионов лет) эволюционными взрывами, когда резкие изменения морфологии дают множество планов строения. Если внимательно присмотреться к ископаемой истории, то похоже, что серьезные изменения жизненных форм происходят следующим образом. Долгая пауза сменяется всплеском эволюционной творческой активности сразу у нескольких возможных предков будущего существа (скажем, птицы или человека). Так шли евкариотизация, метазоизация, артроподизация, сперматофитизация, тетраподизация, рептилизация, орнитизация, гоминизация… Одна из таких «-заций», ангиоспермизация, и привела к тому, что на планете появились цветы, или точнее цветковые растения.

После своего возникновения покрытосеменные в течение нескольких десятков миллионов лет сумели полностью заместить собой местную флору. От нее до наших дней сохранились лишь потомки хвойных и папоротников, которым пришлось измениться, чтобы не пасть под натиском покрытосеменных. Из лиственных деревьев с тех пор уцелело разве что гингко. Вслед за флорой, несколько запаздывая, начала меняться и фауна: в конце раннего мела появляются уже многие плацентарные млекопитающие, все многочисленнее и разнообразнее становятся птицы. Ну а дальше, в середине мела, обнаруживаются древнейшие змеи, появляются муравьи, увеличивается число видов бабочек, а в море — костистых рыб. Возникают и злаковые пастбищные системы, способные поддерживать огромные стада копытных. Травянистые формы покрытосеменных образуют дернину, скрывают овраги, сокращая эрозию почвы и смыв органики в водоемы. Начинается великое меловое вымирание, которое завершает собой мезозой. В кайнозой вошли уже только те, кому разрешили это сделать цветковые растения. И даже сам Homo sapiens, в известной степени, продукт мира, в котором полноправными хозяевами были цветковые. Дело в том, что все наше меню практически целиком состоит как из самих покрытосеменных, так и из тех, кто ими питается…