Историята на живота на Земята

През последните прекрасни 40 седмици изследвахме основата на биологията, от най-малките частици, които ни позволяват да функционираме, до системите, които задвижват най-сложните организми на Земята. Сега искам да преминем на следващото ниво, като просто разширим гледната си точка. Всичко опира до това да разберем дребните детайли в биологията и да видим цялата картина. През следващите 12 седмици ще научим как живите организми, които изучавахме, взаимодействат помежду си и с тяхната среда. Това е науката Екология. Идеята на взаимодействащите си в средата организми може да звучи съвсем просто, но всъщност тя е изумително сложна. Нищо не остава незабелязано в екологията. Животът влияе на химическия състав на атмосферата, на геологията на планетата и на климата. Но нищо не влияе така на света в днешно време, както ние хората. Затова много задълбочено ще разгледаме връзката между човека и природата, и то доста подробно през следващите седмици. Животът е могъщ. За да разберем как живите системи функционират, първо трябва да научим как те са се зародили, развили и променили през последните 4,5 милиарда години от историята на Земята. Принципите, с които ще се запознаеш днес, ще са основата на следващите 12 седмици. Приготви се за епичната драма, описваща живота на Земята. (музика) Земята прилича на евтина къща в студентско градче. Винаги има наематели, но те се сменят постоянно, новите наематели се настаняват в стаите на старите, понякога токът спира, защото никой не е платил сметката. С една дума – пълен хаос. И като къща под наем, Земята не е недосегаема, защото, да си кажем честно, бурните студентски купони могат да причинят доста щети и тогава всички биват изгонени, и се нанасят нови наематели. Това ти дава малко перспектива относно ролята на хората, които понастоящем са доминиращият на планетата вид, но преди нас е имало други видове, както и след нас сигурно ще има други. Но за планетата ли става въпрос или за нас? Били са нужни милиарди години, т.нар. еони, за да се оформи Земята такава, каквато я виждаме днес. Тя се е формирала преди 4,6 милиарда години, и известно време е била просто купчина скали и прах, които се сблъсквали с други космически боклуци, и се генерирало огромно количество топлина. Постепенно сблъсъците намаляват, което позволява на външната обвивка да се охлади. Ядрото, обаче, остава огнено горещо, горещо като повърхността на Слънцето. От това разбираш колко енергия и радиация са били нужни, за да се формира Земята, като имаш предвид, че 4,5 милиарда години по-късно, ядрото на Земята е все още разтопено. Именно тази вътрешна топлина прави повърхността толкова динамична. Ядрото на планетата непрестанно бълбука и разрушава всичко наоколо, сякаш прави ремонт и пренарежда мебели. Това постоянно движение е причината животът на планетата да е възможен. В тези условия, обаче, било нужно доста време, за да се появи живот на Земята. Преди 4,4 милиарда години планетата все още е бомбандирана от огромни късове скали и лед, останали от формирането на Слънчевата система. В атмосферата не е имало кислород, навсякъде изригвали вулкани. НО накрая Земята се охлажда достатъчно, за да може част от водата в атмосферата да премине от газообразно в течно състояние. Първата вода формира в себе си и в атмосферата "супа от химикали": азот, азотни оксиди, въглероден диоксид, метан, амоняк, водород и сероводород, всички, които с помощта на светкавици, топлина и кой знае още какво, са образували малки органични молекули, и така някак си се появил животът. Не сме наясно точно как се е случило, иска ни се да знаехме, но не знаем. Първият живот на Земята вероятно не е бил това, което ние си представяме, бил е просто набор от химикали обградени от мембрана, защото, фосфолипидите, ако си спомняш, спонтанно образуват двуслойни мембрани във вода. С течение на времето някои от тези съединения вътре в тези мембрани се превръщат в аминокиселини, и евентуално произвежда РНК, нуклеинова киселина, вероятно първият генетичен материал. Тези затворени в мембрана съединения, наречени пробиотни, най-вероятно са започнали да растат и да се възпроизвеждат, докато някаква грешка в процеса на копиране е позволила образуването на ДНК нуклеотиди. Това се оказва много по-стабилно хранилище за генетичната информация, тъй като ДНК е двойноверижна, за разлика от РНК, която има една верига. А веднъж сдобили се с ДНК, тези съединения започват да се развиват. Може би тогава те са били просто едноклетъчни, живеещи в нещо като хидротермален горещ извор, но са успели да се възползват максимално. Така първите живи създания са били прокариотни едноклетъчни организми, без ядра, нещо подобно на съвременните Археи, които днес намираме в хидротермални извори, серни горещи извори и петролни кладенци. Извинявам се за лошото произношение на думата "Археи", както сега, така и във всички епизоди. Грешката е моя. Тези прокариотни организми вероятно са влезли в историята преди около 3,9 до 3,5 милиарда години, по времето на така наречения архайски еон. Това е първият еон от това, което учените идентифицират като три еона в историята на Земята: Архай, Протерозой и Фанерозой. Фанерозой е този, в който ние живеем през последните 0,5 милиарда години. Както можеш да предположиш, един еон може да продължи цяла вечност. Първият от тях е продължил над 2,5 милиарда години. Ето защо ние разделяме еоните на ери, периоди и епохи, които се определят от големите събития, записани в историята на вкаменелостите. Така че от преди 3,5 до около 2,1 милиарда години тези прокариотни организми са били съвсем сами на Земята. Тогава се случва нещо странно. Съдържанието на кислород в атмосферата внезапно се увеличава от 0 до 10%, и това се случва за много кратко време, разбира се, от гледна точка на геоложкото време. Този кислород вероятно е произведен от нови прокариотни организми, които наричаме цианобактерии, които са се научили как да се снабдяват с храна чрез фотосинтеза. Колкото повече цианобактерии имало, толкова повече концентрацията на кислород се е увеличавала. Тази т. нар. "кислородна революция", е била смъртоносна за много прокариотни организми, които са се развивали без кислород. Това най-вероятно е променило изцяло правилата на Земята, тъй като това е първият голям пример за живи организми, които драстично променят собствената си среда на живот. Всъщност това може би е най-ранният пример, който ни позволява да видим как екологията функционира. Цианобактериите променят атмосферата, нокаутират конкуренцията и проправят път за еволюцията на живите организми да поеме по нов път. След това, преди около 2,1 милиарда години, възниква нова форма на живот: еукариотите. Те са голяма работа, защото както знаеш, те включват всички растения и животни. Еукариотите вероятно възникват чрез процес на ендосимбиоза – когато един прокариотен организъм, паразитиращ в друг организъм, или пък го е глътнал, но е забравил да го храносмели, но резултатът бил просто страхотен и за хищника, и за неразградената жертва. Така възниква едноклетъчен организъм с органели, по-конкретно митохондрии и пластиди, които вероятно са еволюирали от погълнати или паразитни прокариоти. В резултат на това се развиват по-сложни форми на живот. Преди около 1,50 млрд. години се появяват многоклетъчни еукариотни организми. Първите от тях вероятно са водорасли. Чак преди 535 милиона години еукариотите процъфтяват. Това е така наречената "камбрийска експлозия". Изключително голямо разнообразие от живи организми, буквално експлозия на видове. Никой не знае точно какво го е причинило, но животът изведнъж създал такива нововъведения, които никога не били виждани на Земята. Организмите използвали морска вода и минерали, за да изградят скелети и черупки, някои се сдобили с оръжия като нокти и щипки, при други се развили защитни приспособления като плочки. Еволюционната надпревара между хищници и жертви започнала. Това слага началото на Фанерозоя, в който се намираме днес. В продължение на два еона Земята е била под властта на археи, бактерии, мекотели и червеи. Но при камбрийската експлозия се появяват много вкаменелости на организми, които познаваме днес. След Камбрия купонът в океаните бил толкова бурен, че през Ордовик, преди 500 млн. години, растения, животни и гъби започват да колонизират сушата. Това вероятно е стратегически ход, за да избягат от хищници. Появяват се изцяло нови екосистеми, които да се адаптират и развиват. През периода девон преди 365 млн. години се появяват четириногите – гръбначни с четири крайника, които вероятно са еволюирали от двойнодишащи риби, излезли на сушата. Появяват се членестоногите – насекоми и паяци. Така се появяват екосистеми, които са познати и днес, защото организмите променят своята среда, използват кислорода от въздуха и отделят въглероден диоксид. А знаеш ли кой се интересува от въглероден диоксид? Растенията. В периода преди 359 - 299 милиона години, растенията се развивали като луди. Горите били толкова гъсти и повсеместно разпространени, че тогава са се образували всички изкопаеми горива, всички въглища, петрол, газ, които използваме днес, за да се движат нашите автомобили и машини, са възникнали преди повече от 60 милиона години. Растенията променили климата и геологията на Земята. Горите емитирали в атмосферата толкова много кислород, че неговото съдържание било 35%, за разлика от 21% днес. С всичкия този кислород планетата се изстудила, защото съдържанието на СО2 спаднало, а той поддържа планетата топла, за да оцелеят първите гори. Така цялата система се сринала. Всичкият този въглерод от горите потънал в блата, част от него била заключена в скали, Днес всичкия този въглерод се освобождава при горенето на изкопаеми горива, което допринася за затоплянето на планетата. Но да продължим с екологията. През Пермският период преди 299 - 251 млн. години всички континенти на света образували един огромен континент, който наричаме Пангея. Променял се климатът, океанските течения, а растенията и животните еволюирали, адаптирайки се към тези промени. Появяват се голосеменните – първите растения със семена, като днешния борове, смърчове и ели. Архозаврите – прародители на динозаврите и днешните птици също се появяват. Вероятно забеляза закономерност, която подсказва, че това няма да продължи вечно. Преди около 252 млн. години нещо се е случило. Или може би е последователност от няколко събития за кратко време. Филмовите продуценти трябва да знаят, че масовото измиране през Перм-Триас е сюжет за най-страхотния филм на всички времена. Тъй като 96% от всички морски организми и 70% сухоземни гръбначни престанали да съществуват. Това е единственият известен случай на масово измиране на насекомите. Около 57% от семействата и 83% от родовете са изчезнали. Това е най-значимото събитие на измиране на видове на планетата за всички времена. Много трудно е да се определи причината за това събитие, тъй като повечето доказателства вече са изчезнали. Възможно е да е паднал астероид, който е имал въздействието на няколко милиона атомни бомби, взривени едновременно. И за да стане още по-зле, в същото време изригвали вулкани, от морското дъно се отделял метан, така че имало и газова експлозия, което сега се случва в Сибир. Това променило климата, морското ниво и може би солеността на океаните. Никой не знае точно какво се е случило. Но знаем, че отнело много време на живота на Земята да се възстанови. Но да погледнем от светлата страна: Заради измирането през Перм-Триас се появяват динозаврите. Те успешно се развиват по време на Триас, защото няма голяма конкуренция за ресурси. Така че те се развили, запълвайки наличната ниша. Това е комбинация от живи и неживи ресурси, които може да се използват за оцеляване. Запомни тази дума, защото в екологията често се говори за експлоатация, изоставяне, промяна или премахване на ниши. По време на триаския период имало неограничено брой ниши, защото там нямало толкова много растения и животни, които да се конкурират. Следва Юрския период от преди 199 до преди 145 милиона години. Огромни тревопасни динозаври бродели по Земята, по-дребни месоядни динозаври ловували тези тревопасни. Океаните били пълни с гигантски калмари, ихтиозаври и плезиозаври с дълги шии. Въздухът гъмжал от птерозаври и първите птици. Появили се бозайниците, които били дребни, но били навсякъде. Но още не било дошло времето да се появим ние, хората. Юрският период е времето на динозаврите. Динозаврите измират преди 65 милиона години, когато те изчезват напълно. Сигурен съм, че знаеш това. Оцеляват само техните потомци – птиците. Вероятно астероид пада на полуостров Юкатан в Мексико но според други теории причината може да е промяна на климата поради повишена вулканична активност и вероятно те не са успели да се адаптират към промените. Преди 100 млн. години се появяват покритосеменните растения и цветята. Те се справят много добре, особено понеже летящите насекоми еволюират паралелно с тях, като подпомагат тяхната репродукция. Това е страхотен пример за друг екологичен принцип - коеволюция. Но динозаврите обичали да похапват старомодните голосеменни, което знаем от изучаването на техните изкопаеми ексременти. Може би капризите им към храната са причина за изчезването им, кой знае. След изчезването на динозаврите бозайниците и птиците вече можели да завладеят Земята. По това време флората и фауната на Земята започнали да приличат доста повече на това, което виждаме днес. Оттогава насам е имало промени на климата, измирания, еволюирали са много животни и растения, включително хората. От екологична гледна точка всичко това ни води до днешното време. Екологията се занимава с причините и следствията. Паднал онзи астероид и се случили цял куп неща. При появата на растенията се случили други, различни неща. Хората започват да горят СО2, който е бил под земята 3 милиона години, и всъщност ние не знаем какво ще се случи. Екологията ни помага да направим най-логичните предположения. В следващите уроци ще изучаваме тези връзки много по-подробно. Както и как това е свързано с нас, хората, и как ние влияем на всичко това.