Австралийские и немецкие исследователи нашли палеонтологическое подтверждение того, когда произошел взрывной рост численности эукариот и выдвинули гипотезу, объясняющую, как он мог произойти. Одноклеточные водоросли стали активно «завоевывать» океаны 659-645 миллионов лет назад, в период между двумя глобальными оледенениями. Появление источников пищи послужило толчком к развитию бóльших по размеру и более сложных организмов, таких как губки и одноклеточные эукариоты ризарии. Исследование опубликовано в Nature, здесь же вышла редакционная статья.
Организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических с помощью хемо- или фотосинтеза — необходимое звено пищевой цепочки. Они обеспечивают питательными веществами гетеротрофов, которые не способны к самостоятельной переработке неорганических веществ. К ним относится большинство животных и некоторые растения.
Согласно исследованиям, диапазон времени, в который появились способные к фотосинтезу одноклеточные водоросли, очень широк, 1900-900 миллионов лет назад. А вопрос, когда эукариоты потеснили цианобактерий и стали основными продуцентами органических веществ в океанах, до недавнего времени оставался открытым.
Авторы нового исследования выделили из осадочных пород и с помощью масс-спектрометрии проанализировали реликтовые углеводороды — остатки жиров и мембран, содержавшихся в древних организмах. Ученые исследовали биомаркеры в отложениях из 10 мест в Австралии, Евразии и Северной Америки, которые датировались периодом от одного миллиарда до 541 миллиона лет назад. По соотношению углеводородов, содержавшихся в образцах, ученые могли определить, какие организмы — бактерии или эукариоты — обитали в тот или иной период времени в разных районах Земли.
Оказалось, что древнейшие углеводороды появились в отложениях, соответствующих периоду 820-720 миллионов лет назад. Судя по их соотношению, в этот период океан в основном населяли бактерии, эукариоты составляли незначительную часть его обитателей.
Примерно 717 миллионов лет назад на планете началось одно из крупнейших оледенений, стертовское. Оно продолжалось около 58 миллионов лет и закончилось примерно 659 миллионов назад (также существуют другие оценки границ стертовского оледенения). Через 15 миллионов лет, около 645 миллионов лет назад, наступило следующее глобальное оледенение, мариноанское. Согласно гипотезе «Земля-снежок» (с которой согласны не все исследователи), в эти периоды вся или почти вся поверхность планеты была покрыта льдом. Потом следовало быстрое таяние ледников и потепление. Следует отметить, что морские микроорганизмы, по мнению приверженцев гипотезы, не погибали даже в периоды полного оледенения. В открытом океане, вероятно, оставались небольшие участки открытой воды, где могли выжить организмы-фототрофы; на суше в тропиках, солнце или вулканическое тепло могли разогревать скалы и часть воды таяла. В океане могли формироваться участки льда, достаточно тонкие, чтобы пропускать солнечный свет.
Сразу после окончания стертовского оледенения количество и биоразнообразие обитателей океана резко упало. Через некоторое время численность бактерий в океанах восстановилась Но через несколько миллионов лет, до начала мариноанского оледенения, число микроорганизмов выросло и место бактерий заняли одноклеточные эукариоты. Через некоторое время после окончания оледенения численность и разнообразие эукариот восстановились.
Авторы исследования объясняют, чем мог быть вызван взрывной рост численности одноклеточных эукариот. Фотосинтезирующие бактерии, которые «царили» в океанах до начала оледенения и первое время после, менее чувствительны к недостатку соединений фосфора, чем более крупные эукариоты. В силу мéньших размеров и высокого соотношения площади поверхности клетки к ее объему, бактерии способны поглощать даже следовые количества питательных веществ. Согласно исследованиям древних морских отложений, примерно до 700 миллионов лет назад концентрация соединений фосфора в воде была низкой.
Ученые предположили, что во время или после стертовского оледенения большое количество соединений фосфора попало в океаны из ледниковых отложений. При обилии питательных веществ начали развиваться и микроорганизмы. Появление большого количества эукариот не сразу после окончания оледенения, а через несколько миллионов лет, ученые объясняют тем, что, возможно, сразу после таяния ледников температура воды в океанах могла достигать 50-60 градусов Цельсия. При этой температуре могут развиваться цианобактерии, но она слишком высока для большинства водорослей, хотя на сегодняшний день известно несколько видов термофильных водорослей, которые способны расти и при более высокой температуре. Взрывной рост эукариот, по-видимому, начался после того, как температура воды упала.
Распространение одноклеточных водорослей, в свою очередь, дало толчок к появлению хищных ризарий — одноклеточных и колониальных эукариот, питающихся планктоном. Об этом свидетельствует биомаркер, соответствующий тому же времени, в которое произошел рост числа эукариот. Судя по биомаркерам, в это же время появились и многоклеточные животные — губки.
В начале этого года появилось сообщение о находке древнейшего многоклеточного организма. Он был найден в центральной части Индии, его возраст оценивается примерно в 1,6 миллиарда лет. Предположительно, организм относился к группе красных водорослей.