Борис Александрович Трофимов
Шрифт:
РЕКОНСТРУКЦИЯ ДРЕВНЕГО ПЯТИМЕТРОВОЙ
ВЫСОТЫ НОСОРОГА ИНДРИКОТЕРИЯ (по К. К. Флерову)
скелет
общий вид индрикотерия
скелет, одетый мышцами
ландшафт с индрикотериями
Однако сравнительно-анатомическое изучение убеждает нас в наличии одного плана строения. У всех этих животных имеется плечевая кость, причленяющаяся одним концом к лопатке, другим к лучевой и локтевой костям. Эти последние могут быть слиты друг с другом или одна из них уменьшена, но все-таки они есть у всех. Никаких других костей в этом отделе конечности нет. Далее, к лучевой и локтевой костям причленяется группа мелких косточек, образующих место сгиба, затем идут кости пясти и пальцев, число которых не одинаково, но в основе равно пяти. Таким образом, несмотря на бросающееся в глаза большое своеобразие каждой конечности, все они имеют единый план строения.Изучение других частей скелета и всех остальных органов показывает то же самое. Не посвященному в сравнительную анатомию мозг человека кажется совершенно несравнимым с мозгом рыбы или ящерицы. Мозг их резко различен по форме, величине и расчлененности, но мы везде находим большие полушария, продолговатый мозг, средний мозг, мозжечок, всюду есть сходные по положению внутренние полости (или желудочки).Надо отметить, что в деталях строения мы всегда наблюдаем отличия. Как правило, все органы рыб устроены проще, чем у земноводных, над которыми в свою очередь по степени сложности стоят пресмыкающиеся, а далее птицы и млекопитающие. Таким образом, данные сравнительной анатомии позволяют говорить о «низших» позвоночных (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся) и «высших» (птицы, млекопитающие) и о том, что «высшие» произошли
КАЛЕНДАРЬ ИСТОРИИ ЗЕМЛИ И ЖИЗНИ
Все познается в сравнении и во времени. Человек хорошо чувствует, понимает время, которым он измеряет свою жизнь, ее этапы. Поэтому мы легко догадываемся о возрасте какого-либо человека, определяя его по внешности. Возраст лошади или другого млекопитающего животного легко определить по зубам, а дерева — по толщине его ствола или по годовым кольцам роста. Мы приняли за единицу времени год — время обращения Земли вокруг Солнца — и сутки — время обращения Земли вокруг своей оси.Гораздо труднее представить и определить большие отрезки времени: тысячелетия, миллионы и миллиарды лет, бесконечность.Измерение возраста далекого прошлого очень важно для понимания: истории нашей планеты, развития жизни на ней, истории человека и человеческого общества, а также для решения практических задач при поисках полезных ископаемых.Несравненно труднее и задача определения таких длительных отрезков времени. Однако современные достижения науки, как в точности, так и в расширении интервалов измерения времени, огромны.С помощью различных методов сейчас измеряют время от миллиардных долей секунды до миллиардов лет. Следует сказать, что уже более 200 лет назад ученые пытались разрешить задачу о возрасте Земли, о длительности различных геологических эпох. Эти решения, несмотря на их неточность, весьма любопытны, и поэтому мы вкратце на них остановимся.В 1715 году английский ученый Галлей пытался определить возраст Земли с помощью «солевого» метода, заключавшегося в следующем.Первобытные океаны и моря были пресными. Теперь они имеют соленость в среднем около 35%о (промилле), или 3,5%, то есть в 100 граммах воды растворено 3,5 грамма различных солей. Откуда же появились в них соли? Очевидно, реки и другие воды материков, вымывая из горных пород соль, растворяют ее в своей воде и приносят в моря и океаны. Там вода все время испаряется, а на ее место реки приносят новую воду, все более и более засолоняясь.Каждый год реки приносят в море 2735 миллионов тонн соли. По подсчетам академика А. Е. Ферсмана, только в воде морей и океанов растворено ее около 20 миллионов кубометров. Эта соль могла бы покрыть всю европейскую часть нашей страны слоем толщиной в 4—5 километров. Было подсчитано, сколько соли приносят реки за год, сколько ее всего растворено в водах океанов и морей, и затем подсчитано время, в течение которого реки могли нанести в океан такое количество соли.Возраст земной коры получился равным 90—350 миллионам лет.Однако доверять таким подсчетам нельзя: во-первых, вероятно, первобытные океаны имели некоторую соленость; во-вторых, накопление солей в океане шло неравномерно, и, возможно, что ранее оно шло гораздо медленнее. Кроме того, этим способом мы не можем определить начало, продолжительность тех или иных эр, периодов, эпох.Ненадежен и другой способ определения геологического времени, которым увлекались в прошлом столетии. Путем измерения толщ осадочных пород и подсчета времени, нужного для их образования, пытались определить возраст Земли. Дело в том, что в морях, озерах образующиеся осадки с течением времени уплотняются, нарастают. Если считать, что толщина осадочных пород Земли равна примерно 100 километрам и что для намывания слоя толщиной в 1 метр требуется от 3 до 10 тысяч лет, то возраст осадочных толщ земной коры оказывается равным 300—1000 миллионов лет. Возраст Земли, разумеется, значительно больше.Ясно, что подобные методы не дают возможности правильно решить задачу об измерении больших промежутков времени. Только в нашем столетии были открыты более точные часы для отсчета тысячелетий, которые можно назвать «радиоактивными часами». В начале нашего века физиками было открыто, что некоторые вещества на протяжении сравнительно небольшого времени не остаются неизменными, а безостановочно меняются, превращаются в другие вещества. Этот процесс протекает всегда с одной и той же скоростью, независимо от внешних воздействий. Доказано, что даже высокие температуры и давления, имеющиеся в глубинах Земли, обычные химические соединения не влияют на скорость распада радиоактивных элементов, к которым относятся уран, торий, радий, актиний и др. Скорость радиоактивного распада определяется по времени, необходимому для распада половины имевшегося в начале количества элемента. Этот промежуток времени называется периодом полураспада. Определенные и постоянные для каждого радиоактивного элемента скорость распада и длительность периода полураспада, длящиеся миллионы и миллиарды лет, позволяют использовать их для измерения возраста горных пород, в которых они обнаружены.Радиоактивные методы определения возраста минералов, горных пород основаны на измерении отношений количества радиоактивных веществ и продуктов их распада. Период полураспада радиоактивных веществ точно измерен: период полураспада урана-238 равен 4,498 миллиарда лет, тория-232 — 13,9 миллиарда лет и т. д. Килограмм урана, в каких бы горных породах он ни залегал, через 100 миллионов лет даст 13 граммов свинца и 2 грамма гелия; через 2 миллиарда лет в породе, содержащей 1 килограмм урана, накапливается 225 граммов уранового свинца с атомным весом 206 и 35 граммов гелия. Следовательно, чем больше в горной породе гелия и уранового свинца, тем она и пласт, ее включающий, древнее. Когда мы находим рядом урановый свинец и уран, то, высчитывая их соотношения и зная закономерности распада урана, можно вычислить, сколько миллионов лет лежал уран.Таков принцип действия «радиоактивных часов» — наиболее надежного в настоящее время средства определения возраста пластов земной коры. Возраст наиболее древних минералов — ураниинитов — из Северной Карелии определен в 1,6 миллиарда лет, а ураниинитов из Манитобы (Канада) в 1,985 миллиарда лет. В Южной Африке возраст наиболее древних горных пород определен в 3500 миллионов лет. Возраст Земли как планеты значительно больше, и в настоящее время он определяется приблизительно в 5—6 миллиардов лет.Радиоактивный метод измерения больших отрезков времени дает первичную схему шкалы геологического возраста (геохронологическая шкала). Приведенные на таблице (стр. 39) цифры длительности отдельных геологических эр, периодов получены указанным образом. Для проверки радиоактивного метода и уточнения возраста эр и периодов применяются другие методы, дающие в совокупности более надежные результаты. Для наиболее молодых периодов и эпох большое значение имеют астрономический метод, вычисление времени по скорости осадконакопления, о котором говорилось выше, по химическому составу крупных изверженных пород, по биологическим факторам эволюции организмов, то есть путем учета темпов их изменения в определенные отрезки времени, и т. п.Вот как некоторые ученые-биологи, изучающие развитие жизни на Земле, представляют себе ее возраст.Академик Л. С. Берг пишет: «Действительно, вряд ли хватит трех-четырех миллиардов лет, для того, чтобы на Земле успела не только зародиться жизнь, но и чтобы она могла дать начало всему тому разнообразию органического мира, какое мы видим в настоящее время. Вспомним, что на эволюцию одного подтипа животных — позвоночных — ушло около полумиллиарда лет. Сколько же требовалось для образования первичных хордовых, для иглокожих, для моллюсков, членистоногих, червей и т. д. Какой промежуток времени употребила природа, чтобы произвести группу одноклеточных организмов, включающих в себя не только несколько типов, но одновременно и животных и растений? Сколько времени нужно было, чтобы из бесформенного комочка живого вещества получил начало первый оформленный организм?»1
1 Л. С. Берг. Соображения о происхождении наземной, пресноводной и морской флоры и фауны. Бюллетень Московского общества испытателей природы. Отделение биологии, т. VII (5), 1947, стр. 16.
Известный океанолог член-корреспондент Академии наук СССР Л. А. Зенкевич считает, что развитие жизни на Земле длится уже не менее 10 миллиардов лет. Эти представления биологов заставляют считать, что возраст Земли больше, чем сейчас думают.В последние годы для определения возраста предметов биологического происхождения и содержащих углерод радиохимиками разработаны своеобразные часы, отмеряющие время с помощью радиоактивного углерода. Эти часы служат для отсчета тысячелетий с точностью до нескольких сотен лет. Углерод весьма широко распространен в природе и играет основную роль в органических соединениях. В естественном виде встречается углерод с атомным весом 12 (98,9%), 13 (1,1%) с примесью ничтожного количества радиоактивного углерода с атомным весом 14. Ядро атома углерода 14 неустойчиво, самопроизвольно распадается, образуя атом азота и электрон.Период полураспада углерода 14 равен 5700 лет.Следовательно, он сравнительно быстро, через несколько тысяч лет, должен был исчезнуть на Земле. Вернее, его не должно бы быть на ней. Однако он постоянно пополняется: его приносят на Землю космические лучи. При прохождении их через земную атмосферу небольшая часть азота воздуха превращается в радиоактивный углерод 14.Далее он соединяется с кислородом воздуха, окисляясь до углекислого газа. Вместе с обычным углекислым газом он участвует в круговороте веществ на Земле, поглощаясь растениями, животными, попадая в почву, в воду вместе с солями, и т. д.В теле растения и животного углерод содержится как стабильный, так и радиоактивный, причем количество его в живом организме такое же, как и в атмосфере, а также в веществах, имеющих в своем составе углерод.После гибели организма количество радиоуглерода убывает в соответствии с периодом его полураспада.Через 5700 лет его останется 50%, через 11400 — 25% и т. д. Чем древнее образец, тем меньше в нем радиоактивного углерода.Измерение радиоактивного излучения углерода 14 и других радиоактивных веществ производится так называемыми счетчиками элементарных частиц (счетчик Гейгера и др.). Чувствительность таких счетчиков велика, — они отмечают каждый акт радиоактивного распада. Так определяется возраст остатков растений, костей раковин, насчитывающих до 20—30 тысяч лет. В образцах, возраст которых более 100 тысяч лет, его почти не содержится.Радиоуглеродным методом был определен возраст многочисленных и разнообразных археологических и палеонтологических находок. Возраст необугленных зерен пшеницы и ячменя, найденных в Египте, оказался равным 6095±250 лет. В Палестине, в Мертвом море, были найдены свитки библии; радиоуглеродным анализом было определено, что они насчитывают 1917±200 лет.В 1951 году на Таймыре в замороженном грунте была найдена часть трупа мамонта. Определение возраста по относительному содержанию радиоуглерода в сухожилиях мамонта показало, что он пролежал в вековой мерзлоте Таймыра около 12 тысяч лет.Все методы, о которых здесь говорилось, уже сейчас дают представление о возрасте Земли, длительности отдельных периодов, эпох развития жизни на ней. И нет сомнения в том, что скоро будут открыты новые, еще более точные меры измерения времени далекого прошлого.Большое значение для установления геологической хронологии имеют ископаемые организмы. При помощи их мы можем определять так называемый относительный геологический возраст и последовательность образования различных пластов Земли, узнавать, какие пласты древнее, какие моложе.Представим, что где-то в Африке в одном из пластов находят раковины определенных видов моллюсков. По остаткам этих раковин, которые жили в определенную геологическую эпоху, мы сможем определить время образования этого пласта Земли. Если такую же раковину или сходную с ней находят в пласте в Европе, мы говорим, что пласты эти приблизительно одинакового возраста с африканскими.Установление относительного возраста ископаемых и содержащих их пластов имеет большое значение для изучения истории земной коры и поисков полезных ископаемых.Пользуясь ими, геологи составили подробную хронологию Земли, ее календарь на сотни миллионов лет. История живых существ, населявших Землю за время ее существования, делится на длительные этапы.Главные разделы календаря истории жизни называют эрами. Эра, в которую мы сейчас живем, называется эрой «новой жизни», или кайнозойской эрой. Она началась приблизительно 60 миллионов лет назад. Ей предшествовала эра «средней жизни» — мезозойская. Животные и растения этой эры совсем не похожи на тех, что живут теперь, или даже на тех, которые жили в течение почти всей кайнозойской эры. Дальше в глубь времен идет эра «древней жизни», или палеозойская. Эта эра была более длительна, чем ее сменившие. Растения и животные этой эры были еще менее похожи на современных, жизнь была распространена преимущественно в воде — в морях и океанах. Перед палеозойской эрой была протерозойская (эра «первоначальной жизни»), а еще ранее — архейская, то есть древнейшая. Эти эры геологи и палеонтологи называли обычно так: архей, протерозой, палеозой, мезозой, кайнозой. Названия эр характеризуют степень развития их органического мира. Каждая из эр, кроме двух древних, о которых мало известно, делятся на периоды. Число периодов в каждой эре и длительность каждого из них неодинаковы. Названия периодов даны по характерным для них отложениям или по тому месту, где впервые описаны пласты, содержащие типичные для него остатки ископаемых. Периоды подразделяются на эпохи, а эпохи — на геологические века. Все эти подразделения условны, и в действительности нет резких границ между отдельными эрами и периодами, так как органический мир Земли развивался непрерывно.
На приведенной здесь геохронологической таблице дан «календарь» Земли, указаны вероятная и абсолютная продолжительность отдельных эр, периодов и эпох, а также характерная смена основных групп органического мира.Желая дать представление о чудовищной продолжительности геологических эр и периодов, а вместе с тем о сравнительной кратковременности культурной истории человечества, мы приравняем условно 100 миллионов лет к одному часу. Тогда соотношение между продолжительностью геологических эр и некоторых периодов примет такой вид:1. Архейская эра (около 1 миллиарда лет) -12 часам.2. Протерозойская эра (около 600 млн. лет) почти 6 часам.3. Палеозойская эра (335 млн. лет) = 3,4 часа.4. Мезозойская эра (125 млн. лет) = 1,4 часа.5. Кайнозойская эра (60 млн. лет) = 45 минутам.6. Четвертичный период, или антропоген (время около 1 млн. лет) = почти 1 минуте.7. Культурно-историческое время (6000—8000 лет) = нескольким секундам.Значит, если принять продолжительность существования жизни, ее развития на Земле хотя бы в 2 миллиарда лет и приравнять ее к 24 часам, то на долю культурной истории придется несколько секунд.Пользуясь календарем истории Земли и жизни, мы начнем наше путешествие в глубины времен — от истоков жизни к современности.
ДРЕВНЕЙШИЕ ОБИТАТЕЛИ ЗЕМЛИ
...Низшие организмы являются наиболее распространенными как в пространстве, так и во времени...
А. П. Карпинский.
ДВЕ ЛИНИИ ЖИЗНИ
Остатки самых древних организмов не дошли до нас. Слои земной коры, в которых они могли сохраниться, сильно изменились. Они подвергались сильному давлению, действию значительной температуры и другим физико-химическим воздействиям. Однако в этих древнейших пластах находят углеродистые и известковые вещества органического происхождения. Таковы остатки самых древнейших организмов.В более поздних отложениях найдены остатки бактерий, имеющих вид микроскопических мелких шариков и палочек, похожих по форме на некоторых ныне живущих бактерий, а также сине-зеленых водорослей и некоторых беспозвоночных животных. Тем не менее о первых обитателях Земли и древнейших этапах развития жизни мы можем судить на основании изучения примитивных существующих ныне организмов.От появления первичных организмов на Земле, о чем говорилось в первой главе, до возникновения настоящих бактерий, древнейших водорослей я простейших животных прошло очень много времени.
Различные виды микроорганизмов
1 Ф. Энгельс. Диалектика природы. М., ГосПолитиздат, 1955, стр. 13.
Архей и протерозой, по современным данным, охватывает период примерно в 1500 миллионов лет, то есть отрезок времени, втрое больший, чем от начала палеозоя до наших дней.Жизнь была на Земле уже в начале архея, и за это время, то есть за 1500 миллионов лет, она прошла значительный путь своего развития.Первые организмы Земли не были ни растениями, ни животными. Однако по способу своего обмена веществ, питанию они приближались к животным, то есть питались сложными органическими веществами. Ф. Энгельс, посвятивший много труда изучению развития жизни, писал: «Прошли, вероятно, тысячелетия, пока создались условия, при которых стал возможен следующий шаг вперед и из этого бесформенного белка возникла благодаря образованию ядра и оболочки первая клетка. Но вместе с этой первой клеткой была дана и основа для формообразования всего органического мира» 1.
Бактерии, вероятно, были первыми устойчивыми организмами, которые занимали главенствующее положение на древнейших этапах истории жизни. Без них не могут существовать многие более высоко развитые организмы, которые питаются ими и в свою очередь служат пищей для других. Крупнейшие бактерии имеют размеры до 1 сантиметра в длину, мельчайшие 0,002— 0,005 миллиметра.
Гигантская серобактерия (длина — около 1 см) беггиатоа с большим количеством зернышек серы
Характерным признаком бактерий является отсутствие у них настоящего ядра, типичного для более сложно устроенных одноклеточных организмов, например амеб. Но основное ядерное вещество, так называемая тимонуклеиновая кислота, у бактерии имеется. Другая примитивная особенность, характерная для многих бактерий, — способность жить за счет усвоения весьма простых неорганических веществ из почвы, воды, воздуха.Типичным примером подобным образом питающихся бактерий служат серобактерии и железобактерии. Как показали исследования выдающегося русского микробиолога С. Н. Виноградского, серобактерии окисляют серу и сероводород, превращая их в более сложные соединения, например в серную кислоту. Много их в морях. В Черном море, например, они живут на глубине около 200 метров и перерабатывают сероводород в серную кислоту. Глубже 200 метров в Черном море из-за скоплений там сероводорода жизни нет.Железобактерии, остатки которых известны из древнейших отложений, играют большую роль в химических процессах на Земле, принимая участие в образовании железных руд. Они живут в водах, которые содержат соли (закиси) железа, и окружены тончайшими нитевидными трубочками, возникающими из выделяемой ими слизи. Железобактерии перерабатывают закиси железа в своих трубочках в соли окиси железа. Когда трубочки станут целиком пропитанными железом, они спадают, а бактерии строят новые трубочки. В результате такой жизнедеятельности железобактерий за миллионы лет скопляется железо в виде залежей так называемых болотных железных руд.Большинство серобактерий и железобактерий превращает простые соединения в более сложные при помощи кислорода (окислительные реакции). Но у многих бактерий подобные превращения идут без доступа кислорода. Эти так называемые анаэробные бактерии содержат пигменты — красящие вещества, воспринимающие солнечные лучи, под воздействием которых и происходит синтез сложных соединений.Эти бактерии, вероятно, были уже в древнейшие времена, когда в атмосфере Земли было мало кислорода.Позднее, когда возникли различные растения и животные, разнообразие бактерий увеличилось. Достаточно сказать, что в комке плодородной почвы, в стакане грязной прудовой воды число их превышает количество людей на всем земном шаре. Возникли такие бактерии, приспособившиеся жить за счет растений, животных или их трупов. Возникли бактерии брожения, гниения, болезнетворные. Совсем недавно возникли бактерии, которые паразитируют на человеке и домашних животных. Велик мир бактерий. Они играют огромную роль в изменении лика Земли, в развитии жизни на ней. Ими наполнены почва, вода, воздух.В теле высокоразвитого млекопитающего животного, например жвачного или хищного, их содержится сотни миллиардов особей.Много общего с бактериями имеют сине-зеленые водоросли — самые древнейшие микроскопические растения, содержащие в своем теле пигмент, по которому они и получили свое название. Но между ними и бактериями имеются существенные различия. Сине-зеленые водоросли содержат ядерное вещество в виде зернышек, распыленных в протоплазме. Но самое главное — у них имеется хлорофилл. Хлорофилл — это то замечательное вещество зеленых растений, при помощи которого они, как писал К. А. Тимирязев, консервируют солнечные лучи и образуют сложные химические превращения веществ. Хлорофилл поглощает энергию солнца и использует ее на то, чтобы расщепить углекислый газ и освободить из него кислород.Значение хлорофилла не только в расщеплении углекислого газа на углерод и кислород. Из освобожденного углерода и воды при его посредстве образуются сложные органические соединения: сахара, крахмал, жиры, белковые вещества. Все эти сложные вещества образуются в теле растений из неорганических веществ благодаря деятельности хлорофилла. К. А. Тимирязев считал, что эти свойства хлорофилла (фотосинтез) дают возможность зеленым растениям играть огромную, как он говорил, космическую, роль. Она заключается в том, что, поглощая энергию Солнца и переводя ее в химическую энергию органических веществ, зеленые растения «скопляют», аккумулируют ее на Земле. Освобожденные при фотосинтезе частицы кислорода попадают в воздух и обновляют его состав.Развитие зеленых растений на Земле, которое началось с водорослей, все более очищало атмосферу Земли от углекислого газа и сделало ее способной поддерживать дыхание животных.
Сине-зеленые водоросли
Колонии сине-зеленых водорослей
Известно, что животные питаются только готовыми сложными органическими веществами — углеводами, жирами и белками. В основе их питания лежат бактерии, водоросли и другие растения. Кроме того, им нужно для дыхания содержание в воздухе значительного количества кислорода. В настоящее время его содержится в воздухе около 21%.Наш знаменитый геохимик академик В. И. Вернадский показал, что основной производитель кислорода на Земле — растения. Животное население земного шара выдыхает ежегодно около триллиона тонн углекислого газа, и примерно столько же тонн его выделяется в воздух при сжигании топлива в домах, на фабриках, заводах и т. д.Уместно отметить, что в связи с возрастающим потреблением кислорода и выделением углекислого газа в конце XIX века учеными овладело беспокойство. Один английский физик в 1898 году вычислил, что через 500 лет будет поглощен весь кислород. Другие считали, что «кислородный голод» наступит раньше, когда углекислого газа в атмосфере будет около 1 %.