Альпина нон-фикшн

Научно-популярное издательство

«Евангелие от LUCA. В поисках родословной животного мира»

LUCA (Last Universal Common Ancestor) — последний общий предок всех существующих живых организмов. Его наиболее точный портрет биоинформатики получили в 2016 году. О результатах их работы мы коротко писали в материале «Это все от Луки». О том, как именно биологи выявляют родственные связи между животными и восстанавливают пути их эволюции, в книге «Евангелие от LUCA. В поисках родословной животного мира» (издательство «Альпина нон-фикшн») рассказывает биолог Максим Винарский. Оргкомитет премии «Просветитель» включил эту книгу в «длинный список» из 25 книг, среди которых будут выбраны финалисты и лауреаты премии. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, посвященным устройству палеонтологической летописи Земли и возникновению первых представителей современных типов животных.


«И гад морских подводный ход»

Я изучил морское дно,
Оно пустынно и темно,
И по нему, объят тоской,
Лишь таракан ползет морской,
Морская там горит звезда,
Морская там шипит змея…

Леонид Мартынов. Морское дно



Вот уже более двух веков продолжается изучение каменной летописи земной коры, содержащей в себе остатки живых организмов (фоссилии). Одним из первых важных открытий, сделанных в самом начале этого пути, стало осознание того, что фоссилии располагаются в слоях земной коры не абы как, а в строгом порядке. В слоях, соответствующих конкретному геологическому периоду, например девонскому или меловому, можно отыскать только строго определенные виды ископаемых, которые никогда или почти никогда не встречаются в слоях иного возраста. Об этом прекрасно знали викторианские джентльмены с геологическими молотками, например Чарльз Смитсон, персонаж романа Джона Фаулза «Женщина французского лейтенанта». Такая особенность палеонтологической летописи имеет колоссальное практическое значение, потому что дает возможность, изучая фоссилии, определить, к какой геологической эпохе относятся вмещающие их горные породы. Этим занимается особая научная дисциплина — биостратиграфия. Важность ее прекрасно понимают геологи, специализирующиеся на поисках полезных ископаемых. Сбором и изучением фоссилий занимаются не только геологи любители вроде вымышленного Смитсона, но и целые геологоразведочные институты.

Причина такой упорядоченности состоит в том, что в истории Земли осадочные породы откладывались постепенно, во временной последовательности, образуя что-то вроде колоссального слоеного пирога, состоящего из песчаника, известняка, мергеля и других горных пород. Хотя мощные тектонические силы неоднократно деформировали верхние горизонты земной коры, нарушая правильную последовательность чередования слоев, многовековые усилия геологов не прошли даром. Им удалось создать единую для всей планеты схему последовательности геологических эпох и периодов — геохронологическую шкалу, определить даты начала и конца каждого ее подразделения, а также описать специфические для них флору и фауну.

Хотя на Земле ничего подобного нет и не будет, но представим себе ненадолго, что где-то существует очень глубокий каньон, стенки которого образованы осадочными породами, сформировавшимися на протяжении последнего миллиарда лет. Примем, что последовательность осадконакопления здесь ни разу надолго не прерывалась. В этом случае наш воображаемый сверхканьон будет хранить в себе всю палеонтологическую летопись за указанное время.

Начнем мысленный спуск на дно исполинского ущелья. Самые близкие к поверхности земли слои должны были сформироваться в течение текущего геологического периода (голоцена). Представленные в них остатки животных и растений будут принадлежать исключительно ныне существующим видам. Фактически это наши современники, хотя и жившие несколько тысячелетий тому назад. Чуть ниже пойдут слои, сформировавшиеся в четвертичном периоде. Сделаем еще одно допущение. Пусть наш каньон располагается где-нибудь на юге Сибири. В этом случае четвертичные слои подарят нам фоссилии, относящиеся к несомненно вымершим видам ледниковой эры — мамонтам, шерстистым носорогам, пещерным гиенам и другим.

Соответственно, чем глубже мы будем спускаться, тем более древние и непохожие на нынешних существа будут встречаться на нашем пути. Естественно, речь идет об их окаменелых костях, зубах, чешуйках и раковинах. Примерно на трети нашего спуска остатки крупных млекопитающих исчезнут, уступив место остаткам гигантских мезозойских рептилий — монголы их называли лууны яс, что означает «кости дракона». В этих слоях вместе с костями ихтиозавров и плезиозавров нам непременно встретятся окаменевшие раковины аммонитов и «чертовы пальцы» — остатки внутренних скелетов их родственников белемнитов, напоминавших нынешних кальмаров (и первые и вторые принадлежат классу головоногих моллюсков). Еще ниже остатки рептилий заменятся костями амфибий, а потом исчезнут и они, так что единственными позвоночными в этих слоях останутся рыбы (во многих отношениях непохожие на современных). Наконец, когда мы пройдем около двух третей пути вниз, что соответствует примерно 515 млн лет накопления осадков, нашими спутниками будут в основном сравнительно примитивные и не очень крупные беспозвоночные — трилобиты, моллюски, археоциаты. Позвоночных и вовсе не будет.

Когда мы спустимся еще на несколько сотен метров, все вокруг нас разительно изменится. Как по мановению палочки злого колдуна окаменевшие скелеты — раковины, панцири, домики — исчезнут, и все, что мы сможем найти, — это остатки престранного вида созданий, напоминающих окаменелые листья. Конечно, осадочные породы обязательно будут содержать в себе и микроскопические фоссилии, но для их обнаружения потребуется хороший микроскоп, желательно электронный.

Вот эта-то резкая граница, отмеченная внезапным исчезновением остатков животных современного типа, и заставила когда-то специалистов разделить всю геохронологическую шкалу на две неравные по продолжительности части. Верхняя, в которой изобильно представлены крупные ископаемые, стала называться фанерозоем (буквально — «эра явной жизни»). Ее начальным периодом является кембрийский, стартовавший примерно 540 млн лет тому назад и длившийся около 55 млн лет.

Все слои, сформировавшиеся раньше кембрия, получили название криптозоя («эра скрытой жизни»), известного также как докембрий. Все эволюционные события, о которых шла речь в предыдущих главах, от появления LUCA до первых метазоев, произошли именно в докембрии, продолжавшемся около 4 млрд лет.

Резкий переход от криптозоя к фанерозою всегда интриговал палеонтологов. Чарльз Дарвин, который вполне профессионально занимался геологическими исследованиями, признавался, что не может дать удовлетворительного объяснения данному феномену. Его это беспокоило, потому что такие «внезапные», словно из небытия, появления целых серий новых и вполне сформировавшихся типов и классов животных часто использовались как аргумент против его теории эволюции. Во времена Дарвина никаких остатков животных в докембрийских отложениях вообще не было известно, и только в 1947 г. было объявлено о нахождении древнейших метазойных организмов в местности Эдиакара, расположенной на юге Австралии. Это стало одним из важнейших палеонтологических открытий ушедшего века.

Сейчас мы точно знаем, что жизнь на Земле существовала и процветала задолго до начала кембрия, однако «кембрийский взрыв», как его любят называть палеонтологи и популяризаторы науки, до сих пор остается одной из самых горячо обсуждаемых эволюционных загадок. В самом деле, как получилось, что в течение примерно 25–30 млн лет (что очень быстро по меркам геохронологической шкалы) в Мировом океане возникли представители почти всех современных типов животных, обладающие скелетными структурами и благодаря этому попавшие на страницы каменной летописи? Это и моллюски, и членистоногие, и хордовые, и иглокожие, а также многочисленные переходные формы, которых непонятно даже, к какому типу относить. Единственное явное исключение — тип мшанок, возникший в начале следующего за кембрием геологического периода — ордовика. Весь этот богатейший зоопарк (описаны сотни видов и родов!), состоящий из плавающих, ползающих и роющихся в грунте созданий, появился на страницах летописи в промежутке между 550 и 515 млн лет назад.

Одно из возможных объяснений этому заключается в том, что представители основных типов беспозвоночных возникли задолго до «взрыва», во времена докембрийские, но до поры до времени оставались мелкими, невзрачными и лишенными наружного или внутреннего скелета. Поэтому они и не могли сделаться добычей палеонтологов. Но в таком случае что заставило их «в один прекрасный момент» (растянувшийся, правда, на несколько миллионов лет) обзавестись раковинами, домиками, хитиновыми панцирями и тому подобными твердыми структурами? Эта великая скелетная революция стала одним из самых ярких проявлений «кембрийского взрыва».

Решать все эти научные загадки можно, используя два подхода. Первый, традиционный, состоит в детальном изучении ископаемых остатков, а также особенностей анатомического строения и эмбрионального развития современных нам животных. Второй, как несложно догадаться, заключается в попытках использовать весь арсенал новейших молекулярно-генетических инструментов.

Оба подхода неплохо себя зарекомендовали и позволили выдвинуть немало интереснейших гипотез, хотя, как нередко случается, результаты, полученные этими независимыми способами, порой оказываются взаимно противоречивыми.



Загадка № 1. Как и когда возникли первые представители современных типов животных?

Молекулярные данные, полученные в разных лабораториях и с помощью разных методов, единодушно утверждают, что многоклеточные животные (Metazoa) представляют собой монофилетическую группу, возникшую в эволюции один раз и от одного предка, будь им мечниковская фагоцителла или другое неизвестное нам существо. К сожалению, использование молекулярных часов пока не позволило более или менее точно датировать это событие. В одном из последних, наиболее тщательных исследований была получена только грубая оценка, согласно которой метазои появились между 833 и 650 млн лет назад. Возникновение же первых представителей современных типов животных следует датировать временным интервалом от 746 до 578 млн лет назад, то есть оно произошло задолго до «кембрийского взрыва». Итак, скелетная революция была сравнительно поздним событием в эволюции животных, потому что к ее началу большинство типов многоклеточных имели возраст 100 млн лет или больше.

Данные палеонтологической летописи в этом отношении сильно отстают от оценок, сделанных генетиками. Первые фоссилии, несомненно относящиеся к Metazoa, имеют возраст примерно 570 млн лет. Это так называемые рангеоморфы, входящие в состав знаменитой эдиакарской фауны, о которой упоминалось чуть выше. Знаменита эта фауна, во-первых, своей древностью, а во-вторых, крайней необычностью строения большинства входящих в нее животных. Взгляните на рис. 6.1, изображающий дно позднедокембрийского моря. Из всех представленных на нем существ только медузы покажутся нам знакомыми. Остальные принадлежат, скорее всего, совсем другому типу (или типам) древнейших животных, бесследно исчезнувшему уже к началу кембрия. Ни один представитель эдиакарской (или вендской, как ее часто называют в русскоязычной литературе) фауны еще не имел минерализованного скелета. Эдиакарские животные дошли до нас в виде слепков или отпечатков тел, захороненных в слоях донных осадков, причем нередко эти фоссилии так хорошо сохранились, что можно реконструировать как внешние, так и внутренние признаки организмов.

Однако даже изумительная сохранность эдиакарской биоты не позволяет однозначно решить многие важнейшие проблемы. Неоднократно делались попытки увидеть в этих существах родоначальников хорошо известных нам типов животного царства, например членистоногих или кольчатых червей. Но каждая подобная интерпретация неизбежно наталкивалась на возражения. Вот кимберелла (рис. 6.2), которую сначала считали медузой, потом предполагали, что это — древнейший моллюск, а сейчас можно встретить мнение, что этот организм не имеет отношения ни к одному из современных типов Metazoa…

Некоторые из палеобиологов развивают идею о том, что эдиакарская биота является остатком раннего — и не вполне удавшегося — эволюционного эксперимента, поставленного матушкой-природой. В ходе «эдиакарского взрыва» были созданы и опробованы в реальных условиях более десятка различных планов строения — так морфологи именуют базовые конструкции, определяющие устройство тела животного. Принято считать, что каждый тип многоклеточных животных имеет свой собственный уникальный план строения, или конструктивный прототип, из которого можно вывести анатомические особенности всех его представителей. Впервые эта идея была высказана и обоснована великим Жоржем Кювье более 200 лет назад.

Некоторые планы строения, возникшие в позднем докембрии, выдержали проверку временем. Однако значительная часть эдиакарского разнообразия сгинула, не оставив прямых потомков. Многие эдиакарцы погибли в ходе так называемого котлинского массового вымирания, разразившегося около 550 млн лет назад, а те, кому удалось дотянуть до начала кембрия, видимо, не выдержали конкуренции с более продвинутыми, снабженными скелетами, представителями современных типов. Окаменелые остатки неудачных конструкций легли на полки хранилищ палеонтологических музеев. «Черновики Господа Бога» — как их метко назвал российский палеонтолог М. Б. Бурзин.

Эдиакарская фауна просуществовала в Мировом океане примерно 30 млн лет или чуть дольше. За первой находкой в Австралии быстро последовали открытия ископаемых животных подобного типа на всех континентах, в том числе и у нас в России (побережье Белого моря, Средний Урал, Сибирь). Широкая распространенность эдиакарцев и их высокое видовое разнообразие показывают, что для своей эпохи это была вполне процветающая группа, которую можно назвать «неудачной» лишь в ретроспективе сегодняшнего дня. В свое время эдиакарские многоклеточные были хозяевами морей и океанов.

Есть мнение, что пышный расцвет эдиакарских многоклеточных был как-то связан с быстрым ростом концентрации кислорода в океанических водах примерно 560 млн лет тому назад. Крупные и сложно организованные метазои имеют гораздо более высокий уровень обмена веществ по сравнению с протистами, даже колониальными. Обилие кислорода в воде создает надежный источник энергии для животных, что могло стать предпосылкой для выхода эдиакарских организмов на эволюционную сцену.

Однако самые первые метазои, возникшие, если доверять тиканью молекулярных часов, задолго до появления эдиакарской фауны, должны были существовать в куда более жестких условиях. Жизнь их совсем не баловала. Мало того что концентрация кислорода была гораздо ниже, так и глобальный климат был далеко не курортным. Геологи называют период времени между 720 и 635 млн лет назад криогеном. Название «говорящее»: эта эпоха была самой холодной в истории Земли, ледниковые щиты с полюсов доходили тогда почти до экватора. Трудно сказать наверняка, каким образом это могло стимулировать появление многоклеточных животных, но многих палеобиологов привлекает возможность связать важнейшее эволюционное событие с самыми экстремальными условиями, которые когда-либо устанавливались на планете. Доказать, что это не просто совпадение во времени. Благодаря физическим свойствам воды, ее высокой теплоемкости, глобальное похолодание не так сильно воздействует на морских животных, как на наземных, но если реальность соответствовала самым радикальным палеоклиматическим сценариям, то даже в океане эпохи криогена условия должны были быть весьма суровы. Не исключено, что в самые холодные периоды древняя жизнь сохранялась лишь в отдельных участках гидросферы, например в подводных гидротермальных источниках или поблизости от них. Пережив в таких убежи щах экстремальные холода, организмы могли впоследствии вновь расселиться по всему океану. А вот низкая концентрация в воде кислорода, видимо, не оказывала угнетающего действия на самых первых метазоев, потому что их размеры были очень малы и они не испытывали потребности в интенсивном потреблении кислорода.

В последние годы активно обсуждается еще два сообщества ископаемых, которые могут быть старше эдиакарских и, возможно, включают в себя настоящих многоклеточных животных. Оба описаны из докембрийских отложений Китая. Это так называемые ланьтянская и веньянская биоты. Энтузиасты находят в них не только предполагаемые остатки метазойных организмов, но даже фоссилии, интерпретируемые как «докембрийские эмбрионы» многоклеточных животных. Более скептично настроенные палеобиологи указывают, что для окончательных выводов данных пока маловато: «Ни один из признаков, используемых для подтверждения [животного происхождения этих фоссилий] …не является уникальным для животных», и, хотя предлагаемую интерпретацию «нельзя отвергнуть, их родственные связи с другими эукариотами, включая клады водорослей и протистов, столь же возможны и требуют дальнейшего исследования».


Подробнее читайте:
Винарский, М. Евангелие от LUCA. В поисках родословной животного мира / Максим Винарский. — М.: Альпина нон-фикшн, 2021. — 352 с. — (Серия PRIMUS).

Ранее в этом блоге

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.