*Historia życia na Ziemi
Ewolucja nie jest procesem celowym. To raczej ciąg prób i błędów, dla którego czas ma zasadnicze znaczenie. Być może, gdyby w erze mezozoicznej nie przyszło zagrożenie z kosmosu, ten podręcznik napisaliby i czytali pokryci łuskami inteligentni przedstawiciele gromady gadów.
ewolucja biologiczna jest faktem;
jak działa dobór naturalny;
jak powstają nowe gatunki.
opisywać warunki panujące na Ziemi w wybranych erach;
przedstawiać główne etapy ewolucji roślin i zwierząt;
porządkować chronologicznie najważniejsze wydarzenia w historii życia na Ziemi.
1. Życie powstało w wodzie
Życie na Ziemi pojawiło się około 3,9 miliarda lat temu. Wciąż jednak nie potrafimy opisać wszystkich procesów, które doprowadziły do wytworzenia żywej materii. Nasze wyobrażenie o najwcześniejszych etapach ewolucji życia oparte jest głównie na hipotezach. Innym źródłem na temat pierwszych organizmów jest materiał genetyczny współczesnych organizmów jednokomórkowych. Zasada jest jedna: im więcej różnic (mutacji) jest obecnych w DNA badanych gatunków, tym wcześniej żył ich wspólny przodek.
Pewne jest, że życie powstało w wodzie. Według jednej z hipotez w ciepłych i płytkich zatokach oceanów w pobliżu wulkanów (w wodach bogatych w liczne substancje mineralne) z materii nieożywionej samorzutnie powstawały cząsteczki organiczne. Proces ten zachodził w warunkach beztlenowych. Ówczesna atmosfera była pozbawiona tlenu, przesycona wodorem, metanem oraz tlenkami węgla i azotu, które stanowiły źródło pierwiastków niezbędnych do wytworzenia związków organicznych.
W wyniku reakcji chemicznych zachodzących pod wpływem promieniowania kosmicznego, promieniowania UV i wyładowań elektrycznych towarzyszącym burzom, które szalały na Ziemi, powstawały proste związki organiczne. Te przekształcały się z czasem w aminokwasy, białka i kwasy nukleinowe. Związki wielkocząsteczkowe nabyły zdolność do samopowielania się. Proces ten trwał wystarczająco długo, aby ze skupiających się w coraz bardziej złożone układy cząsteczek organicznych powstały najprostsze komórki.
Uzasadnij, czy proces powstawania związków organicznych byłby możliwy w atmosferze przesyconej tlenem.
Jakie właściwości chemiczne ma tlen? Czy jest możliwe, by dziś w płytkich, ciepłych i żyznych wodach powstawały samorzutnie cząsteczki organiczne?
W 1952 roku Stanley Miller i Harold Urey przeprowadzili eksperyment, w którym próbowali sprawdzić hipotezę zakładającą, że związki organiczne budujące organizmy powstały ze związków nieorganicznych. Pierwszym krokiem badaczy było odtworzenie warunków, jakie prawdopodobnie panowały na Ziemi zanim pojawiło się życie. Połączyli oni ze sobą dwa naczynia – jedno z parującą wodą, symulującą praocean, i drugie, symulujące dawną atmosferę, wypełnione wodorem, tlenkiem węgla, metanem, amoniakiem, w którym odbywały się wyładowania elektryczne. Po zakończeniu doświadczenia z wody pobrano próbki, w których wykryto 11 z 20 aminokwasów budujących białka – jedne z ważniejszych związków organicznych. Wyniki doświadczenia dowiodły, że cząsteczki organiczne mogły powstać samorzutnie.
2. Pierwsze organizmy jednokomórkowe
Pierwsze kopalne dowody na istnienie organizmów jednokomórkowych pochodzą sprzed około 3,6 mld lat. Organizmy te przypominały dzisiejsze bakterie. Były otoczone błoną komórkową i zawierały cząsteczkę DNA. Pierwsze komórki nie miały wyodrębnionego jądra komórkowego, chloroplastów, czy mitochondriów. Odżywiały się cudzożywnie, pobierając z otoczenia proste związki organiczne, a energię uzyskiwały podczas oddychania beztlenowego. Wkrótce po nich pojawiły się organizmy przeprowadzające chemosyntezę, później organizmy zdolne do fotosyntezy, przypominające dzisiejsze sinice. Samożywność dawała im przewagę nad organizmami cudzożywnymi, dlatego ich liczba ciągle wzrastała.
Według jednej ze współczesnych teorii komórki zawierające chloroplasty i mitochondria powstały w wyniku symbiozy.
Prawdopodobnie komórki, które były przodkami dzisiejszych komórek jądrowych, pochłonęły wyspecjalizowane, oddychające tlenowo bakterie (które zaczęły pełnić funkcje mitochondriów), a także sinice przeprowadzające fotosyntezę (odpowiedniki dzisiejszych chloroplastów). Dowodem na to jest obecność DNA w chloroplastach i mitochondriach współczesnych komórek jądrowych. Jednokomórkowe organizmy jądrowe dały początek olbrzymiej różnorodności jednokomórkowych glonów i pierwotniaków, które rozwijają się do dziś. Komórki jądrowe powstały prawdopodobnie ok 2,1 mld lat temu.
Obecność organizmów samożywnych miała zasadniczy wpływ na atmosferę ziemską. W wyniku fotosyntezy zaczął się w niej gromadzić tlen, który spowodował szereg istotnych zmian na Ziemi. W górnych warstwach atmosfery na skutek łączenia się cząsteczek tlenu powstała warstwa ozonu, gazu chroniącego Ziemię przed szkodliwym dla organizmów promieniowaniem UV. Umożliwiło to intensywny rozwój organizmów w pustych do tej pory pod względem biologicznym oceanach. Jednak tlen okazał się trujący dla organizmów oddychających beztlenowo, wskutek czego przetrwały tylko te izolowane od tego gazu, żyjące na przykład w osadach dennych czy głębinach oceanów. Wkrótce organizmy tlenowe stały się formami dominującymi na Ziemi, a ich obecność wpłynęła na ustabilizowanie się składu atmosfery. Pojawienie się organizmów tlenowych, które wydalały dwutlenek węgla, sprzyjało rozwojowi organizmów samożywnych.
Przedstaw za pomocą zapisu graficznego etapy zmian składu atmosfery, który został zapoczątkowany przez proces fotosyntezy.
Zmiany składu atmosfery polegały także na obniżeniu stężenia gazów cieplarnianych – metanu i dwutlenku węgla – co mogło być przyczyną globalnych zlodowaceń. Efektem tego było wielkie wymieranie organizmów, a po ponownym ociepleniu ich kolejna ekspansja, już w postaci innych, wielokomórkowych gatunków.
Ślady organizmów bezjądrowych sprzed 3,6 mld lat znajdują się wstromatolitachstromatolitach, warstwowych skałach utworzonych przez sinice.
Mikroorganizmy fotosyntetyzujące wyraźnie zmieniły oblicze Ziemi. Wytwarzany przez nie tlen nadał atmosferze charakterystyczny niebieski kolor. Przedtem niebo było różowe. Wzrost stężenia tlenu w morzach zmienił ich barwę z brunatnej na lazurową.
3. Powstanie wielokomórkowców
Pierwsze organizmy wielokomórkowe pojawiły się około 1,5 mld lat temu. Przypuszcza się, że powstały one z organizmów jednokomórkowych, które nie rozłączały się po podziale lub skupiały się w zorganizowane, wielokomórkowe grupy – kolonie. Z nich rozwinęły się formy wielokomórkowe z zespołami wyspecjalizowanych komórek pełniącymi rolę tkanek. Pierwszymi roślinami wielokomórkowymi były niewielkie glony – prawdopodobnie zielenice. Świadczą o tym skamieniałości pochodzące sprzed 1,2 mld lat.
W świecie zwierząt pierwsze formy wielokomórkowe pojawiły się prawdopodobnie około 900 milionów lat temu. Przypominały one współczesne gąbki i parzydełkowce i żyły w płytkich, przybrzeżnych strefach mórz.
Najstarszym świadectwem istnienia wielokomórkowych zwierząt są skamieniałości zachowane w skałach wzgórz Ediacara w Australii. Odnaleziono tam ślady zadziwiających zwierząt określanych jako faunafauna ediakarańska. Te prymitywne organizmy o miękkich ciałach pojawiły się na Ziemi u schyłku pierwszego globalnego zlodowacenia i zamieszkiwały morza około 560‑540 mln lat temu. Były zbudowane zupełnie inaczej niż wszystkie znane nam współcześnie zwierzęta. Miały zazwyczaj kształt liścia, krążka, torby wypełnionej mułem lub wyglądały jak nadmuchane materace. Ich długość wahała się od kilku centymetrów do 1 m, a grubość nie przekraczała kilku milimetrów. Zwierzęta te spoczywały nieruchomo na dnie morza lub były przyczepione do niego częścią przypominającą przylgę. Nie miały przewodu pokarmowego, a energię niezbędną do życia czerpały od żyjących w ich tkankach bakterii symbiotycznych, które przeprowadzały chemo- lub fotosyntezę.
Prawdopodobnie zwierzęta ze wzgórz Ediacara były odrębną gałęzią ewolucyjną, która wymarła bezpotomnie wraz z pojawieniem się pierwszych drapieżników. Dzisiejsze zwierzęta wyewoluowały z innych prostych form wielokomórkowych.
4. Era zwierząt wodnych
Około 540 mln lat temu tempo ewolucji organizmów było tak duże, że okres ten określa się niekiedy okresem eksplozji życia w oceanach. Wody oceanów zapełniły się licznymi i zróżnicowanymi gatunkami. Były wśród nich parzydełkowce, pierścienice, skorupiaki i mięczaki, nieco później pojawiły się także ryby pancerneryby pancerne. Były to ryby o szkieletach zbudowanych z chrząstki, które głowę i przednią część tułowia miały okryte grubymi płytami kostnymi, pełniącymi rolę pancerza.
Dno morskie zajmowały gąbki oraz inne osiadłe morskie zwierzęta, takie jak koralowce i liliowce. W toni wodnej przemykały prymitywne głowonogi – łodziki i amonity. Najbardziej charakterystycznymi zwierzętami tego okresu były należące do stawonogów trylobity – przodkowie dzisiejszych raków. Obok nich żyło wiele zwierząt drążących w osadach dennych lub biernie unoszonych w wodzie. Ciała wielu gatunków pokrywały wapienne muszle lub mocne pancerze. Częsta obecność masywnych pancerzy u różnych gatunków zwierząt świadczczy o tym, że w morzach musiało żyć wtedy wiele drapieżników.
Okres między 416 a 359 mln lat temu to czas rozkwitu gromady ryb. Rozwinęło się wówczas wiele nowych linii ewolucyjnych, z których pierwszymi były ryby o chrzęstnym szkielecie, podobne do współczesnych rekinów i płaszczek. Później pojawiły się pokryte łuskami ryby o szkielecie skostniałym, z których wiele gatunków przetrwało do dziś.
Wkrótce wśród ryb zamieszkujących płytkie wody pojawiły się formy o silnie umięśnionych płetwach parzystych, za pomocą których gatunki te mogły pełzać na płyciznach. Płetwy nieparzyste w takim środowisku straciły znaczenie i zaczęły w kolejnych pokoleniach stopniowo zanikać. Ponadto przedni lub tylny odcinek przewodu pokarmowego zyskiwał stopniowo zdolność pobierania tlenu z atmosfery. Ryby o budowie podobnej do opisanej dały początek pierwszym lądowym czworonogom – płazom.
Rogoząb australijski to współczesna ryba żyjąca w płytkich, słodkowodnych zbiornikach Australii. Wyposażony jest w silnie umięśnione płetwy służące do kroczenia po dnie oraz pęcherz powietrzny, dzięki któremu może gromadzić i wykorzystywać tlen atmosferyczny.
5. Pierwsze organizmy lądowe
Przez ponad 3 miliardy lat życie rozwijało się wyłącznie w wodzie. Wprawdzie istnieją dowody kopalne, że sinice i inne fotosyntetyzujące bakterie pokrywały wilgotne powierzchnie lądów już ponad miliard lat temu, ale większe formy, takie jak grzyby, rośliny i zwierzęta, pojawiły się na lądzie dopiero około 500 milionów lat temu.
Pierwszymi organizmami, które około 480 milionów lat temu zasiedliły lądy, były rośliny przypominające dzisiejsze mchy. Początkowo opanowały one obszary przymorskich, wysychających bagien, ponieważ były zależne od środowiska wodnego. Potrzebowały wody m.in. do rozmnażania płciowego. Wyjście roślin na ląd było związane z wytworzeniem szeregu przystosowań do obcego, powietrzno‑lądowego środowiska. W obronie przed wysychaniem rośliny wytworzyły wodoodporną kutykulę i tkankę okrywającą. Transport wody wewnątrz organizmu zapewniał im system naczyń, który jednocześnie usztywniał rośliny. Pierwotne rośliny lądowe były niskie (około 10 cm), ponieważ nie miały korzeni, tkanek wzmacniających ani liści.
Cylindryczne i rozgałęzione łodygi kuksonii miały na szczytach organy wytwarzające komórki rozrodcze, dzięki czemu wiatr roznosił je na duże odległości. Wymień korzyści, jakie osiągnęły rośliny dzięki szczytowemu umieszczeniu organów rozrodczych.
Pamiętaj, że na lądach w tym czasie było wiele wolnych przestrzeni.
Przez następne miliony lat rośliny doskonaliły swe przystosowanie do lądowego trybu życia. Ich gwałtowny i bujny rozwój nastąpił w ciepłym i wilgotnym klimacie okresu geologicznego nazywanego karbonemkarbonem. Ziemię porastały wówczas puszcze złożone z drzewiastych roślin zarodnikowych (paproci, skrzypów i widłaków) oraz pierwszych roślin nagonasiennych. Z ich obumarłych szczątków powstawały pokłady torfu, który następnie zamieniał się w węgiel kamienny.
W karbońskiej puszczy kwitło bujne życie. W dolnych warstwach lasu roiły się dwumetrowej długości wije (stawonogi), w powietrzu szybowały ważki wielkości dzisiejszych mew. Gęsta roślinność dostarczała pokarmu owadom roślinożernym oraz, pośrednio, polującym na nie pająkom, skorpionom i innym licznym bezkręgowym drapieżnikom. Pojawiły się one na lądzie już 440 mln lat temu i uległy bardzo silnemu zróżnicowaniu. Wykształciły narządy przystosowane do oddychania tlenem atmosferycznym oraz chitynowe pancerze chroniące przed wysychaniem. Brak konkurencji ze strony nieobecnych jeszcze na lądzie kręgowców sprawił, że w powietrzu latały niezliczone gatunki owadów.
Gdy około 395 mln lat temu na lądzie pojawiły się pierwsze płazy, obfitość stawonogów i innych bezkręgowców była dla nich łatwo dostępnym źródłem pożywienia, przy czym powolnym płazom nie zagrażały nieobecne jeszcze ssaki i ptaki. Płazy błyskawicznie zdobyły wszystkie środowiska lądowe i przybrały różne formy. Niektóre z nich, jak akanostega, w dalszym ciągu zamieszkiwały środowisko wodne, inne, jak ichtiostega, czołgały się po lądzie odpychając szeroko rozstawionym łapami. Jeszcze inne, jak sejmuria, poruszały się na kończynach podsuniętych pod tułów tak jak typowo lądowe czworonogi.
Po trwającym wiele milionów lat okresie dominacji większość płazów wymarła. Nieliczne pozostałe gatunki dały początek zwierzętom owodniowym – gadom.
Wymień czynniki, które mogły być przyczyną wymierania płazów.
6. Era gadów
Gady jako pierwsze spośród kręgowców uniezależniły się od środowiska wodnego. Ich jaja wyposażone w zapas pokarmu dla zarodka oraz mocną, skórzastą lub wapienną osłonę mogły być składane w dowolnym miejscu na lądzie. Opuszczający jajo osobnik był całkowicie samodzielny i chroniony przed utratą wody przez suchą, grubą skórę. Sprawne chodzenie po lądzie wymagało wzmocnienia kości i silniejszego umięśnienia ciała, wrażliwych zmysłów, ruchliwej głowy oraz wielu innych modyfikacji. Gady potrzebowały na to około 10 mln lat. Dzięki takim przystosowaniom około 320 mln lat temu podbiły lądy.
Pierwsze gady żyły wraz z płazami na bagnistych obszarach otoczonych przez wielkie pustynie. Były niewielkimi zwierzętami o masywnym ciele. Przypominały nieco jaszczurki. Prawdopodobnie były one przodkami gadów nazywanych kotylozaurami, z których wywodzą się gady współczesne, inne gady kopalne oraz ptaki i ssaki.
Największy rozkwit gadów nastąpił między 250 a 66 mln lat temu. Okres ten nazywany jest erą mezozoicznąerą mezozoiczną, czyli erą gadów, gdyż zwierzęta te opanowały wtedy wszystkie dostępne środowiska życia: w wodach panowały plezjozaury i ichtiozaury, nad wodami i lądami szybowały pterozaury, których kończyny przednie były przekształcone w skrzydła, a na lądzie królowały dwunożne drapieżne tyranozaury oraz czworonożne roślinożerne zauropody, stegozaury, triceratopsy.
Era gadów zakończyła się 65 mln lat temu wielkim i gwałtownym wymieraniem, które objęło nie tylko gady, ale także inne zwierzęta (w tym wodne) oraz większość roślin. Wywołała je gwałtowna zmiana warunków życia spowodowana zderzeniem z Ziemią gigantycznego meteorytu. Katastrofa ta wywoła gwałtowne ochłodzenie klimatu.
Wyjaśnij, dlaczego po wielkich wymieraniach na lądzie i w wodzie pojawiało się zawsze w stosunkowo krótkim czasie wiele nowych gatunków.
W ciągu ostatnich 540 mlnl masowe wymieranie gatunków miało miejsce 5 razy. Największe z nich wydarzyło się 250 mln lat temu, kiedy wyginęło około 95% gatunków morskich. Kryzysu sprzed 65 mln lat nie przeżyło 75% gatunków lądowych i morskich.
W województwie świętokrzyskim znaleziono dwa równoległe tropy dorosłych zauropodów i cztery tropy młodych. Na tej podstawie można przypuszczać, że dinozaury opiekowały się potomstwem.
7. Era ssaków i ptaków
Wielkie wymieranie, które miało miejsce 65 mln lat temu, paradoksalnie okazało się szansą rozwoju dla ptaków i ssaków, które pozostawały w cieniu gadów przez ponad 150 mln lat. Wymarcie większości gadów spowodowało pojawienie się wielu wolnych siedlisk i źródeł pokarmu, które zostały wykorzystane przez szybko różnicujące się ssaki i ptaki. Sprzyjał temu świat zdominowany przez rośliny okrytonasienne o bujnych liściach, pożywnych kwiatach i owocach.
Pierwsze ssaki, podobnie jak ich gadzi przodkowie, składały jaja. W wielu liniach rozwojowych ssaków powstał jednak nowy sposób rozmnażania – żyworodność. Nastąpiło u nich również zróżnicowanie uzębienia, które umożliwiało lepsze wykorzystanie pokarmu.
Wraz z ekspansją roślin zielnych, a wśród nich traw, które pokryły rozległe równiny, następował rozwój ssaków roślinożernych. Pojawiły się ssaki kopytne, m.in. przodkowie współczesnych koni, antylop, bydła. Rozwój ssaków roślinożernych przyczynił się do rozwoju polujących na nie zwierząt drapieżnych. Pojawiły się zwierzęta z rodzin kotowatych i psowatych. 23 mln lat temu w bujnych lasach żyły na drzewach pierwsze naczelne, przodkowie współczesnych małp i małpiatek, z których wkrótce wydzieliły sie linie wiodące do człowiekowatych.
23 mln lat temu na kontynentach żyło coraz więcej różnorodnych gatunków ssaków. Niektóre z nich, m.in. przodkowie waleni, zwierząt pochodzących od kopytnych, zaczęły zasiedlać ponownie wody mórz i oceanów.
Ptaki rozwinęły się z gadów należących do jednej z grup dinozaurów. Ważnymi etapami w ewolucji ptaków było udoskonalenie wymiany gazowej, przekształcenie kończyn przednich w skrzydła i pokrycie ciała lekkimi i elastycznymi piórami. Wkrótce po wielkiej katastrofie, 65 mln lat temu, powstały nowe gatunki ptaków, przypominające te, które żyją obecnie. Pojawiły się ptaki blaszkodziobe (kaczki, gęsi, łabędzie), ptaki drapieżne, nurkujące i nieloty, takie jak strusie, nandu. Osiągały one zwykle imponujące rozmiary.
Aby uświadomić sobie, ile czasu potrzebowało życie, by osiągnąć obecny stan, geologiczną skalę czasu można przyrównać do 24‑godzinnej tarczy zegara. Odpowiada ona 4,6 mld lat, które upłynęły od powstania Ziemi. Czas geologiczny dzieli się na ery wyróżnione na rysunku odrębnymi kolorami.
Słowniczek
zespół wszystkich zwierząt zamieszkujących dane środowisko
era geologiczna, która trwała 185 mln lat (od 250 mln lat temu do 65 mln lat temu); na lądzie dominowały wtedy lasy złożone z roślin nagonasiennych oraz liczne i różnorodne gatunki gadów; pojawiły się pierwsze ssaki
okres geologiczny, który trwał 60 mln lat (od 359 mln lat temu do 299 mln lat temu); charakteryzował się ciepłym i wilgotnym klimatem oraz stosunkowo dużą zawartością dwutlenku węgla w powietrzu; na lądach dominowały drzewiaste paprocie, skrzypy i widłaki oraz pierwsze rośline nagonasienne tworzące potężne lasy, z których powstały pokłady węgla kamiennego
wymarła gromada ryb chrzęstnoszkieletowych, których głowa i przednia część tułowia pokryte były płytami kostnymi
najstarsze ślady życia na Ziemi; charakterystycznie ukształtowane formy skalne utworzone w wyniku działalności sinic
Podsumowanie
Życie powstało w morzach.
Kluczowym wydarzeniem w ewolucji życia było powstanie komórek jądrowych i organizmów wielokomórkowych.
Pierwszymi roślinami wielokomórkowymi były zielenice.
Gwałtowny rozwój wodnych zwierząt bezkręgowych miał miejsce 540 mln lat temu.
Przodkowie płazów dali początek gadom.
Gady dominowały na Ziemi w erze mezozoicznej.
65 mln lat temu wyginięcie większości gadów mezozoicznych umożliwiło szybki rozwój ptaków i ssaków.
W historii życia na Ziemi wielokrotnie miały miejsce masowe wymierania gatunków.
1. Opisz warunki, w jakich powstawało życie na Ziemi.
2. Przedstaw w punktach historię życia na Ziemi.
Zadania
Wskaż składniki pierwotnej atmosfery Ziemi.
- tlenki węgla
- wodór
- metan
- ozon
- tlen
Oceń prawdziwość zdań i zaznacz odpowiedź Prawda lub Fałsz.
W wyniku procesów prowadzonych przez organizmy zdolne do fotosyntezy
| Prawda | Fałsz | |
| powstała warstwa ozonowa, chroniąca Ziemię przed promieniowaniem UV. | □ | □ |
| w atmosferze nagromadził się tlen, który spowodował zagładę organizmów oddychających beztlenowo. | □ | □ |
| wyginęły pierwsze organizmy jądrowe. | □ | □ |
| w atmosferze zmalała ilość dwutlenku węgla. | □ | □ |
Wskaż przystosowania obronne pierwszych zwierząt bezkręgowych.
- wapienne muszle
- chitynowe pancerze
- wapienne tarczki kostne
- płyty chrzęstne pokrywające tułów
Przyporządkuj nazwom grup organizmów nazwy tych elementów budowy, dzięki którym organizmy przystosowały się do życia na lądzie.
chitynowy pancerz, 2 pary kończyn, płuca, wodoodporna kutykula, zrogowaciała skóra, skórzasta lub wapienna osłonka jaja, skrzydła, narządy zdolne do pobierania tlenu atmosferycznego, system tkanek przewodzących
| rośliny | |
|---|---|
| owady | |
| gady |
Wskaż poprawne zakończenie zdania.
Przodkami ssaków są
- gady.
- płazy.
- ssaki naczelne.
- amonity.
- ryby pancerne.