Как появилось дерево на земле
Как на доисторической Земле появились Растения и Деревья?
В конце нашего путешествия по эволюции жизни на Земле, посмотрим самую важную форму жизни нашей планеты. Это растения.
Но как они появились?
Все началось с бактерий, что выжили в атмосфере без кислорода. Они эволюционировали в красные водоросли на дне океанов и берегах, эти первые растения дышали углекислым газом юной Земли. Мы нашли их окаменевшие следы в Новой Зеландии возрастом 2 миллиарда лет.
Примитивные морские водоросли сохранились до сих пор на Земле
В кембрийский и ордовикский периоды (543-442 млн. лет назад) мы не найдем следов заметной растительной эволюции, те же водоросли плавают в морской и пресной воде. Первое земное вымирание жизни всё равно выкосит всех кто дышал углекислотой, и почти всех кто дышал кислородом.
Еще 10 миллионов лет, мой читатель, и на мертвых побережьях мы увидим зеленоватый налет на камнях. Это первая растительная революция, растения выходят из воды на сушу. Пока это крошечные лишайники и мхи, но они учатся сохранять воду из омывающих волн и луж для следующих поколений. Учатся жить и бороться на суше. Еще 40 миллионов лет.
Окей, зеленые парни! Мы сильны, высоки и чертов ветер с весом нам теперь не помеха. Но как быть с солнцем и холодом, паразитами? Что едят нас, жарят нас и воруют нашу воду и еду от корней к листьям? Давайте придумаем кору!
Кора стала следующей эволюцией первого дерева. Кора защищает клетки дерева, которые снуют внутри его с питанием снизу вверх. Этот последний шаг привел ко 2-й революции растений, деревья покрыли лесами и джунглями зеленеющие континенты Земли в девонский период палеозойской эры.
Археоптерис стал первым деревом Земли (на снимке окаменелость из ЮАР)->
Очень быстро среди растений началась безмолвная битва за доступ к лучам Солнца в густеющей первобытной папоротниковой тайге. Низкие проиграли высоким, низкие вымерли или приспособились жить в крошках солнечного дня.
В каменноугольный период (360 миллионов лет назад) холод не помешал растениям захватить все места суши. Ибо растения и деревья научились размножаться не только сбрасыванием спор, но и сбрасыванием семян. Больше всего деревьев собралось в богатых углеродом огромных теплых болотах экватора.
папоротники всех форм и расцветок заполнили Землю и стали людским углём.
Когда эти леса упадут, миллионы лет тепла и давления превратят погибшие деревья в земле в уголь. Новые континенты разнесут пласты до Сибири, возникнут угольные шахты людей.
250 миллионов лет назад появятся хвойные деревья (ели, сосны), а затем лиственные (дубы, клены). Деревья закончат свою эволюцию и будут ждать человекообезьян еще 200 миллионов лет. Казалось бы, конец нашему путешествию, но чего-то явно не хватает, дорогой читатель?
Третья революция растений начнется, когда в мире распустится первый цветок и Земля заиграет фантастическими красками.
Древние Животные: 1 Ледниковые Монстры 2 Млекопитающие 3 История Животных 4 История Рыб 5 Членистоногие 6 Земноводные 7 Рептилии 8 Насекомые 9 Динозавры 10 Птицы 11 Вирусы 12 Растения
Откуда берутся деревья
А откуда берутся деревья? Откуда они берутся там, где их не было? – Их приносит человек. Ниже – мои собственные наблюдения.
На нетронутом лугу никаких новых деревьев не появляется. Посмотрите, как выглядит луг, как растут травы на лугу. 
.
Разве может пробиться между ними древесное семя? Лес наступает потихоньку на луг (видите молодую поросль на опушке?), но не может забросить десант в середину луга. 
Единственное исключение – берега рек. Здесь весной намывает ил и песок, и на эти намывы падают семена ольхи и ивы, птицы оставляют со свом помётом косточки черёмухи, крушины, калины… Но это вдоль речки, а в разнотравье лугов семенам деревьев хода нет.
Семена берёзы и сосны летят тучей и всегда лежат в траве, но не могут пробиться к земле. Открылась земля, попали они в землю – и сразу прорастут.
С ивой не так. Семя ивы должно попасть на открытую землю сразу, когда ива пускает пух. И чтобы земля была влажная. Вот почему так много ивы непосредственно у воды и немного найдётся ив посередине луга. Если много – то там наверняка был ручеёк, оросительная канавка или болотце.
Осина в лесу распространяется больше корнями, но и у неё есть семена, и она тоже может вырасти на лугу на повреждённом месте.
Вот так появляются деревья на лугу. А после того, как дерево выросло, под ним могут поселиться и другие деревья.
Откуда берутся деревья в лесу – это уже другая история, тоже непростая и тоже интересная. Об этом – в следующий раз.
Самый древний лес на Земле был по крайней мере трёхъярусным
Обложка обсуждаемого номера журнала Nature с изображением девонского леса
Представления о том, что первые, появившиеся в девонском периоде, леса были образованы деревьями одного вида, не подтвердились при тщательном изучении самого известного скопления ископаемых древесных остатков около местечка Гилбоа (Gilboa, штат Нью-Йорк, США). По-видимому, в этих лесах были по крайней мере три типа разных древесных растений, занимающие разные ярусы.
Окаменелые остатки деревьев из Гилбоа в музее под открытым небом. Изображение с сайта hudsonvalleygeologist.blogspot.com
Первые деревья и, соответственно, первые леса появились на Земле в среднем девоне — 398–385 миллионов лет назад. Это было начало того периода в развитии биосферы, который Г. А. Заварзин назвал «плантием» (от англ. «plant» — растение), поскольку завоёвывающие сушу высшие сосудистые растения становились основными продуцентами на Земле. Их необычайно высокая продукция (прирост массы) и достаточно большая биомасса обеспечивали вывод из круговорота большого количества углерода, что приводило к существенному снижению содержания углекислого газа в атмосфере. «Плантий» продолжается и сейчас, но про его начало нам известно очень мало.
Нижняя часть дерева Eospermatopteris из Гилбоа. Изображение с сайта hudsonvalleygeologist.blogspot.com
Первые находки окаменелых остатков деревьев девонского периода были сделаны еще в 1920‑х годах в штате Нью-Йорк, при раскопках карьера в окрестностях Гилбоа (см. Gilboa Fossil Forest). Вздутые основания стволов деревьев, относимых теперь к роду Eospermatopteris (класс вымерших растений Cladoxylopsida, родственных папоротникам), — всё, что осталось от этого древнего леса. Предполагалось, что произрастал он на болоте (для болотных растений нередки вздутые основания) и состоял только из деревьев одного яруса. Впрочем, как выглядели сами деревья и какого они были размера, оставалось неясным.
Общий облик самого старого известного нам дерева Eospermatopteris, как он был восстановлен недавно Стейном и его коллегами. Изображение из статьи Stein et al. Giant cladoxylopsid trees resolve the enigma of the Earth’s earliest forest stumps at Gilboa в Nature
Расчищенная часть карьера (общая площадь 1200 м 2 ). Длина масштабной линейки 5 м. Изображение из дополнительных материалов к статье Stein et al. «Surprisingly complex community discovered in the mid-Devonian fossil forest at Gilboa» в Nature
И вот недавно в журнале Nature появилась другая работа Стейна и его коллег. На этот раз исследователи обратились к тому самому карьеру около Гилбоа, где были найдены первые остатки Eospermatopteris. Они осторожно изъяли заполнивший карьер грунт (иногда вымывали его сильной струей воды) и докопались до «дна» — слоя древней почвы, по которому были разбросаны основания деревьев так, как они росли. На участке площадью 1200 м 2 (см. фотографию и карту-схему) исследователи обнаружили 486 разных объектов, которые можно было трактовать как остатки растений. Большинство объектов — это разной степени сохранности основания деревьев Eospermatopteris. Но помимо них присутствовали остатки еще двух типов растений. Одни (видимо, представители порядка Aneurophytales из полностью вымершего класса Progymnospermopsida, далеких предков голосеменных) выглядели как горизонтально лежащие стебли диаметром около 15 см, а в длину достигающие 4 м. Эти «стебли», или правильнее сказать «ризомы» (корневища), иногда дихотомически ветвились. Было также очевидно, что они очень близко подходили к растениям Eospermatopteris и, возможно, использовали их как опору для роста (наподобие лиан). Наконец, третье растение, найденное на том же участке — это представитель древовидных плаунов Lycopsida. От них остались только горизонтальные стебли диаметром около 15 см. Сказать более точно о внешнем виде этих растений и их систематической принадлежности пока невозможно: слишком мало материала.
Карта-схема, показывающая расположение остатков ископаемых деревьев так, как они были раскрыты при недавней расчистке карьера. Кружками показаны остатки Eospermatopteris, черными линиями — остатки стеблей Aneurophytalean, серыми линиями — остатки плаунов (буквы j и k). Изображение из обсуждаемой статьи Stein et al. «Surprisingly complex community discovered in the mid-Devonian fossil forest at Gilboa» в Nature
Таким образом, лес, существовавший в девонском периоде в том месте, где сейчас располагается изученный карьер, был не столь простым и включал по крайней мере три типа разных древесных растений. Стейн и его коллеги полагают, что условия, в которых развивалось это растительное сообщество, не отличались стабильностью. Анализ отложений из соседних мест свидетельствует о том, что время от времени здесь наблюдалось значительное повышение уровня внутреннего моря и затопление леса. В заключение надо отметить, что грунт, изъятый из карьера, по окончании работ был возвращен на свое прежнее место. Богатый окаменелостями слой снова под защитой слоя осадков.
Схематическое изображение самого древнего (390 миллионов лет) леса, воссозданное на основе ископаемых остатков в окрестностях Гилбоа (Нью-Йорк, США). В этом лесу было по крайней мере три яруса. Самые высокие деревья (около 6 м в высоту) — это Eospermatopteris, ниже — образующие ризомы растения из группы Aneurophytales (Progymnospermopsida) растущие под землей, но выходящие и на поверхность. Третья группа (от которой меньше всего остатков) — представители плаунов (Lycopsida). Изображение из обсуждаемой статьи Brigitte Meyer-Berthaud и Anne-Laure Decombeix «In the shade of the oldest forest» в Nature
Источники:
1) William E. Stein, Christopher M. Berry, Linda VanAller Hernick, Frank Mannolini. Surprisingly complex community discovered in the mid-Devonian fossil forest at Gilboa // Nature. 2012. V. 483. Pp. 78–81.
2) Brigitte Meyer-Berthaud, Anne-Laure Decombeix. In the shade of the oldest forest // Nature. 2012. V. 483. P. 41–42.
См. также:
William E. Stein, Frank Mannolini, Linda VanAller Hernick, Ed Landing, Christopher M. Berry. Giant cladoxylopsid trees resolve the enigma of the Earth’s earliest forest stumps at Gilboa // Nature. 2007. V. 446. Pp. 904–907.
Эволюция древесных
Л юбой современный ребенок знает слово «динозавр» и представляет себе, кто это такой. О знаменитом фильме «Парк юрского периода» и говорить нечего – смотрели все. Далекое прошлое планеты Земля всегда интересовало и будоражило воображение человека. А какой эволюционный путь прошли древесные растения, прежде чем сформировались в том виде, в каком мы видим их сейчас? И можем ли мы предположить, что ожидает их в будущем?
Появление жизни
Возраст Земли оценивается в 4,5 млрд лет, и большую часть ее существования – 3,8 млрд лет – ее населяют живые организмы. Появление жизни связывают с окончательным остыванием планеты, вызвавшим конденсацию водяных паров и образование водоемов. Но первыми обитателями Земли были анаэробные (т. е. такие, которым для жизни не требуется кислород), крайне примитивные неклеточные организмы.
Ранее предполагалось, что под влиянием ультрафиолетовых лучей в водных растворах происходил синтез аминокислот и других органических веществ с последующим образованием многомолекулярных комплексов – коацерватов, которые и явились прародителями всех последующих живых существ. Экспериментально было показано, что это возможно. Но данная гипотеза никак не отвечает на вопрос, каким образом данные структуры могут воспроизводить себе подобных. Поэтому сейчас более вероятной считается версия, что жизнь ведет начало от так называемых рибозимов – самовоспроизводящихся молекул РНК, обладающих также каталитическими свойствами (т. е. свойствами ферментов).
Кислородная катастрофа
Но до растений и тем более до деревьев еще очень далеко… Примерно полтора миллиарда лет потребовалось для возникновения клеточных организмов (причем это были пока не настоящие клетки) и процесса примитивного фотосинтеза, в ходе которого будет образовываться кислород. Лишь около 2,7 млрд лет назад появляются фотосинтезирующие цианобактерии – и это поистине переворот в жизни Земли, потому что данные бактерии используют в процессе фотосинтеза в качестве восстановителя воду, и в качестве отходов производят кислород, который окисляет железо, растворенное в океанах, создавая железную руду. Но самое главное – он попадает в атмосферу, и его концентрация начинает расти. При этом анаэробные организмы кислород просто убивает. В результате 2,4 млрд лет назад происходит так называемая кислородная катастрофа – кардинальное изменение состава атмосферы Земли, которое и привело в итоге к полной смене сообществ: анаэробные сообщества сменились аэробными.
Метан, содержавшийся ранее в атмосфере в больших количествах, соединяется с кислородом и превращается в углекислый газ и воду, что приводит к значительному понижению общей температуры Земли. Начинается оледенение, которое продлится около 300 млн лет.
Примерно 530 млн лет назад появляются первые ископаемые отпечатки следов на Земле, которые указывают на то, что ранние животные исследовали сушу еще до того, как на ней появились растения.
Клеточные
Выход на сушу
Выход растений на сушу явился еще одним революционным событием в истории жизни на Земле, так как потребовал от них принципиально новых приспособлений. Первые высшие растения, которые получили название «риниофиты», уже отличаются от водорослей наличием тканей и их разделением на покровные, механические, проводящие и фотосинтезирующие. Это было спровоцировано резким отличием воздушной среды от водной. В частности:
Древнейшее известное наземное (точнее, скорее всего, земноводное) растение получило название «куксония», ее возраст примерно 415 млн лет. Это маленькое растение, отличавшееся крайней простотой строения: дихотомически ветвящиеся стебли без листьев и цветков. Функцию корней, вероятно, выполняли горизонтальные подземные продолжения стеблей (корневища), покрытые корневыми волосками. В течение многих миллионов лет куксония была основным видом болотистых побережий материков. Ископаемые остатки этих растений найдены в различных частях земного шара. Из данного периода известны остатки и других растений, совершенно непохожих на куксонию, напоминающих внешне водоросли или лишайники.
Выход растений на сушу явился еще одним революционным событием в истории жизни на Земле, так как потребовал от них принципиально новых приспособлений.
Появление деревьев
И вот мы наконец подходим к наиболее интересному для нас событию – появлению деревьев, которое в значительной степени определило облик суши, уже чем-то похожий на современный. Интересно, что возраст древнейших ископаемых деревьев не намного меньше возраста куксонии и других ископаемых наземных растений. Долгое время самыми древними деревьями считались представители вымершего рода археоптерис (Archaeopteris), имевшие папоротниковидные листья и размножавшиеся, по-видимому, спорами. Они образовывали леса, покрывавшие большую часть земной поверхности. В отложениях немного более раннего возраста (397–380 млн лет назад) были найдены разрозненные остатки растений, древесная природа которых оставалась спорной.
И вот в 2005 году американские палеоботаники представили новые находки, которые позволили связать воедино отдельные части древнейшего дерева. Ранее они были известны под разными названиями: ветви кроны назывались Wattieza, основание ствола – Eospermatopteris.
Из находок стало ясно, что Eospermatopteris был деревом высотой как минимум 8 м, план строения и внешний вид его был сходен с современными древовидными папоротниками и пальмами, хотя к пальмам эти растения не имеют никакого отношения. Наверняка встречались и более крупные экземпляры, поскольку толщина некоторых найденных ранее «пеньков» вдвое больше. Данное растение тоже размножалось спорами, а настоящих листьев еще не имело.
Все сказанное означает, что наземные экосистемы привычного для нас облика – с деревьями и различными животными – в общих чертах сформировались примерно 400–360 млн лет назад. Это начало истории лесов на Земле. Из отложений данного и несколько более позднего возраста уже известны и многие другие деревья – древовидные папоротники например.
Леса из таких деревьев произрастали в очень важный эволюционный период планеты — именно они на протяжении миллионов лет занимались фотосинтезом и подготовили все условия для появления на суше первых позвоночных четвероногих животных, которые уже могли полностью обитать на поверхности Земли, не нуждаясь в пребывании в океане.
Семенные
Следующим важнейшим шагом в эволюции растений стало появление семенных растений. Главной их особенностью является размножение при помощи семян. В отличие от споры, содержащей мало питательных веществ и требующей для дальнейшего развития сочетания многих благоприятных условий, внутри семени, содержащего зародыш, имеется значительно больший запас питания, и оно защищено кожурой.
На самом деле отличие семенных от споровых более сложное: в жизненном цикле споровых растений есть два совершенно разных поколения – половое и бесполое. У семенных растений их тоже два, но те растения, которые мы собственно наблюдаем, – это спорофит, бесполое поколение, а половое поколение семенных растений (гаметофит), с помощью которого осуществляется половое размножение, имеет очень маленькие размеры и живет совсем недолго. Пыльца, летающая в воздухе и доставляющая много неприятностей аллергикам, и есть гаметофиты семенных растений.
Древовидные споровые растения до нашего времени не дожили.
Ископаемые гинкго и воллемия
Древовидные споровые растения до нашего времени не дожили, а вот среди голосеменных есть несколько настоящих живых ископаемых. Наиболее известное из них – реликтовое дерево гинкго двулопастный. Это современник динозавров, и потому его еще называют «динозаврово дерево». Оно одно из самых примитивных голосеменных растений современного растительного мира, в единственном числе представляющее и класс (а по мнению ряда специалистов, и отдел царства растений), и род, и семейство. Растения класса гинкговые были широко распространены на Земле в мезозойскую эру, которая началась примерно 250 млн лет назад. Об этом свидетельствуют массовые ископаемые остатки листьев гинкговых, образовывавшие целые слои в отложениях того периода на территории современной Сибири.
В течение многих веков считалось, что в диком виде данное растение не встречается, теперь известно, что дикая форма гинкго произрастает в двух небольших районах на востоке Китая. Гинкго культивируется в Западной Европе, Азии, Северной Америке, в том числе потому, что ни одно из современных голосеменных растений не имеет таких красивых листьев, как у гинкго. Это дерево относится к числу немногих листопадных голосеменных. Ежегодно поздней осенью оно сбрасывает листья, которые незадолго до опадания приобретают красивый золотисто-желтый цвет. Выведены также различные декоративные формы гинкго, из него делают ряд лекарственных препаратов, достаточно широко использующихся в мире (например, для лечения варикозной болезни и даже для замедления старения). Плоды гинкго съедобны.
Но самое интересное заключается в том, что ни одно дерево в мире сейчас не размножается так, как гинкго. Способ размножения сближает его с папоротниками и другими споровыми растениями, у которых оплодотворение осуществляется с помощью плавающих мужских половых клеток. У всех остальных деревьев мужские половые клетки самостоятельно передвигаться не могут – у современных родственников гинкго пыльца переносится ветром. Это первое голосеменное растение, у которого были открыты подвижные сперматозоиды. Оплодотворение с помощью подвижных сперматозоидов сближает гинкго с саговниками, а точнее, показывает, что и та и другая группа голосеменных в этом отношении находится на относительно низкой ступени эволюции.
Гинкго – одно из самых редких деревьев в мире. Но куда более редким является другое «живое ископаемое», гораздо менее широко известное, – дерево воллемия. Воллемия также старожил Земли, оно было распространено в юрский период (около 200 млн лет назад) и считалось вымершим миллионы лет назад. Лишь в 1994 году в глухом уголке одного из национальных парков Австралии случайно было найдено около сотни деревьев воллемии.
Воллемия уже относится к хвойным – несколько более эволюционно продвинутому классу голосеменных, к реликтовому и немногочисленному семейству араукариевых. Точное местонахождение этих деревьев до сих пор скрывают, чтобы уберечь от уничтожения. Однако воллемию начали выращивать искусственно и продавать саженцы в различные ботанические сады, и сейчас искусственно выращенную воллемию можно встретить во многих местах.
Покровносеменные и цветковые
Мы подошли к последнему важнейшему этапу эволюции растений, и деревьев в том числе, – к возникновению покрытосеменных, или цветковых, растений. Это произошло примерно 130 млн лет назад, и, однажды появившись, цветковые очень быстро (опять же в геологическом масштабе времени) образовали невероятное многообразие форм и завоевали ведущие позиции в растительном покрове планеты. Дарвин назвал исключительно быструю эволюцию и распространение цветковых «отвратительной тайной». В настоящее время известно почти 300 000 видов цветковых растений, в то время как голосеменных – менее 1 000. Споровых растений несколько больше – порядка 30 000–40 000 видов, но с цветковыми они тоже сравниться не могут.
Отличием покрытосеменных является не только присутствие цветка и специальных покровов семени, образующих плоды, но также двойное оплодотворение, открытое русским ботаником Навашиным. Суть его в том, что оплодотворению подвергается не только зачаток семени, но и зачаток сборника питательных веществ – эндосперма. Видимо, этот процесс также дал цветковым эволюционное преимущество, так как он помогает экономии живого материала. Если не происходит оплодотворения зародыша, то и эндосперм, не будучи оплодотворенным, не развивается, и таким образом питательные вещества не пропадают впустую.
Интересно, что первыми покрытосеменными растениями, судя по всему, были деревья. Известно, что среди наиболее примитивных групп покрытосеменных древесные формы решительно преобладают. А вот среди высших групп цветковых, особенно среди однодольных, фактически нет настоящих древесных растений. Вывод о первичности древесных форм среди цветковых подтверждается многочисленными сравнительно-морфологическими и анатомическими исследованиями. А образование травянистых жизненных форм произошло благодаря явлению, которое называют неотенией (приобретение организмом способности к размножению на ранней, «невзрослой» стадии развития), и сильному сокращению всего жизненного цикла в результате. К этому выводу приводит, например, сравнение строения побегов трав с годовалыми побегами древесных растений – они очень похожи. В итоге многочисленные травы заполнили самые разные экологические ниши, имеющиеся как в лесах, так и в других природных зонах.
Эволюция сделала очередной виток, вновь образовав древесные формы от травянистых.
Вверх по спирали
Наконец, последнее интереснейшее эволюционное событие являет нам подтверждение той мысли, что все развитие происходит по спирали. Мы уже говорили о том, как от недревесных растительных форм (примитивных споровых растений типа куксонии и др.) при переходе к наземному образу жизни произошли деревья. Затем эволюция вновь вернулась к недревесным формам растений, но уже в виде несравненно более эволюционно продвинутых цветковых. И вот эволюция сделала очередной виток, на сей раз вновь образовав древесные формы от травянистых.
В некоторых эволюционных линиях растений вторично возникает древесная жизненная форма. Точнее, правильно говорить о древовидной форме, потому что процесс образования древесины здесь происходит совершенно иначе, чем у большинства деревьев. Таково, например, происхождение древовидных форм в семействе маревых, к которому относится саксаул. И уж совсем отличный способ возникновения древовидных форм имеется у однодольных растений – агавы, драцены, бамбуков и пальм. Эти деревья и кустарники, судя по всему, являются наиболее эволюционно молодой группой древесных растений.
Эвалюция высших растений
Как дальше пойдет эволюция, произойдет ли очередной виток, изобретет ли природа еще более совершенные формы и явления? Мы имеем шанс это узнать, только если сохраним все разнообразие ныне живущих форм. Иначе эволюция может прерваться «на полуслове»…