На заре жизни. Органический мир докембрия

Водорослевые и бактериальные остатки докембрия

Рассказ об органическом мире докембрия мы начнем с наиболее древней и многочисленной группы остатков — с водорослевых и бактериальных образований. Они встречены на всех континентах, и не будет преувеличением сказать, что водоросли были основными породообразователями в докембрийское время. Выделяя известь из морской воды, они способствовали накоплению мощных толщ онколитовых и катаграфиевых известняков (значение этих слоев поясним позже) и созданию крупных — иногда до сотен метров — рифоподобных строматолитовых построек.

Сначала рассмотрим сами водорослевые и бактериальные остатки, довольно редко, по сохранившиеся в породах, а затем — постройки и желваки, образующиеся при активном участии водорослей и бактерий.

Основным методом изучения этих остатков является исследование под микроскопом тонких прозрачных пластинок, сделанных из горных пород. Такие пластинки называются шлифами. Шлиф изготавливают так. Тщательно отполированную поверхность плоского камня приклеивают с помощью особой смолы (канадского бальзама) на стекло. Затем начинают на шлифовальном круге стесывать другую сторону камня. Камень становится все тоньше и тоньше, пока на стекле не останется пластинка толщиной всего в несколько сотых долей миллиметра. После этого сверху наклеивают второе стекло. Запечатанную между стеклышками тоненькую прозрачную пластинку камня можно рассматривать под микроскопом при различных увеличениях. Обычные оптические микроскопы дают увеличения до 1500–2000 раз. Более крупное увеличение — до нескольких десятков тысяч раз — можно получить с помощью электронного микроскопа. Правда, там изучаются не прозрачные шлифы, а особым образом подготовленные препараты.

Другим важным методом изучения органических остатков является извлечение их из горных пород с помощью различных химических веществ. Многие растительные остатки покрыты снаружи тонкой пленочкой кутина — высокополимерного вещества, хорошо сохраняющегося в породах и выдерживающего воздействие самых крепких реактивов. Поэтому образцы горных пород растворяют в кислотах — от слабой уксусной до концентрированной соляной или плавиковой. Этот процесс называется мацерацией. Осадок, остающийся после растворения образцов, разделяют в так называемых тяжелых жидкостях, имеющих удельный вес 2–2,2. Более тяжелые кусочки минералов тонут, а более легкие органические остатки всплывают. Их тоже изучают под микроскопом.

Из древнейших водорослеподобных и бактериеподобных остатков лучше всего изучены микроскопические образования, найденные в Канаде, на северном берегу озера Верхнего в черных кремнистых сланцах формации Ганфлинт, относимых к среднему протерозою. Абсолютный возраст пород, среди которых встречены микроорганизмы, равен 1900±200 млн. лет. В нижней части формации расположен водорослевый горизонт. Древние водоросли откладывали известь и связывали своими нитями выпадающий осадок. Потом водоросли умирали, и на поверхности, которую занимала водорослевая колония, оставалась тонкая корочка известкового вещества. Эта корочка состоит как бы из двух слоев, связанных друг с другом. Нижняя часть более светлая, а слагающий ее известняк состоит из более крупных зерен. Предполагают, что такие слои формировались весной и летом, когда существовали очень благоприятные условия для роста водорослей. Осенью и особенно зимой рост водорослей прекращался, выделение извести резко сокращалось, и в это время отлагались преимущественно глинистые частицы, оседающие из морской воды на поверхность колонии. Поэтому верхняя часть корочки — обычно более темная, глинистая и тонкозернистая. Затем с наступлением повой весны все повторялось сначала. В других случаях слоистость определялась чередованием засушливых и дождливых периодов и отвечала циклам продолжительностью в несколько месяцев. Отмечается даже суточная ритмичность, отражающая разницу в росте водорослей днем и в ночное время. Но так или иначе, за десятки, сотни, а может быть, и тысячи лет такие слои, нарастая друг на друга, образуют скорлуповатые постройки, достигающие иногда в высоту нескольких десятков метров. Эти постройки называются строматолитами (от греческих слов, «строматос» — ковер, «литос» — камень).

К сожалению, наблюдать четкие остатки водорослей в строматолитах удается очень редко. Дело в том, что нити синезеленых водорослей не покрывались сплошной известковой корочкой, как это наблюдается, например, у красных, а отлагали мелкие зернышки кальцита в слизистом чехле, окружавшем эти нити. Когда водоросль умирала, нить распадалась и зерна кальцита как бы рассыпались по субстрату.

Но в очень редких случаях остатки водорослей и даже бактерий как бы консервируются на первой или второй стадии этого процесса. В канадских строматолитах таким «консервирующим» веществом являлся кремнезем. Частицы кремня создавали точные слепки с водорослевых и бактериальных организмов. Поэтому в шлифах, изготовленных из строматолитовых кремнистых пород формации Ганфлинт, удается видеть иногда мельчайшие детали формы и внутреннего строения древних микроорганизмов.

Наиболее часто встречаются среди них различные нитчатые образования (рис. 2) толщиной от 1–2 до 10 мк и длиной 300 мк и более. На первый взгляд, все они похожи друг на друга, но это только кажется. Одни нити разветвляются, другие — нет, у одних есть поперечные перегородки, другие их лишены; встречаются нити уплощенные, нити с раздувами и поперечными перемычками, с гладкими и морщинистыми стенками и т. д. Все это позволило американскому ученому Э. Баргхорну выделить среди нитчатых остатков пять видов организмов, отнесенных к четырем родам. Большинство из них похоже на синезеленые водоросли.

Рис. 2. Нитчатые водорослеподобные остатки из формации Ганфлинт (по материалам П. Клауда, Э. Баргхорна, Тайлера и Г. Ликари). Клауд и Ликари отмечают наличие гетероцист (h) и акинет (а)

По мнению американских исследователей П. Клауда и Г. Ликари, это сходство становится особенно заметным, если мы пристальнее рассмотрим каждую такую нить. Отчетливо видно, что клетки, слагающие ее, имеют различную величину и форму. Более мелкие темноокра-шеиные клеточки образуют цепочки, которые разделяются более крупными овальными и округлыми камерами-клетками. Все это в точности соответствует строению нитей некоторых живущих ныне водорослей. Круглые клетки называются гетероцистами. Если водорослевая нить разрывается, гетероцисты играют роль своеобразных почек, из которых начинают рост новые нити-побеги. Овальные клетки называются акинетами. Они имеют уплотненную оболочку и способны переносить неблагоприятные условия. Гетероцисты и акинеты являются, таким образом, репродуктивными (воспроизводящими) структурами водорослей, позволяющими им размножаться и распространяться в бассейнах вегетативным путем. На рис. 2 это сходство видно очень четко.

Другую большую группу составляют округлые остатки, похожие на споры некоторых современных растений. Они имеют диаметр 1—16 мк. У одних из этих сферических телец — гурониоспор (рис. 3) — оболочка толстая и имеет крупноячеистую поверхность, у других — тонкая, без какой-либо скульптуры, а третьи, названные эосфе-рами, представляют собой сложное образование: вокруг более крупной центральной сферы группируются более мелкие сферические тельца. Эти образования больше всего похожи на некоторые одноклеточные синезеленые водоросли, а могут быть и эндоспорами нитчатых водорослей или бактерий. По мнению Г. Ликари и П. Клауда, некоторые гурониоспоры, имеющие овальную форму, морфологически очень близки к репродуктивным клеткам типа акинет.

Словом, эти роды могут оказаться сборными и включать в себя представителей еще большего количества групп организмов и растений.

Очень любопытны и остатки неправильной звездчатой формы, очевидно свободно плававшие в древних морях. У образований, названных эоастрион, отчетливо видно центральное тело, от которого расходятся радиальные нити, прямые и изогнутые. Еще интереснее остатки, получившие название Kakabekia umbellata. Это сферическое тельце диаметром до 5–7 мк, от которого отходит тонкая «ножка» на конце с венчиком в форме зонтика, диаметром до 30 мк.

Природа этих остатков была совершенно непонятна. Однако несколько лет назад оказалось, что точно такие же организмы могут быть выращены и в наши дни, если поместить некоторые бактерии в атмосферу, обогащенную аммиаком. Американские исследователи брали образцы почвы из разных частей Земли и помещали их в своеобразные инкубаторы при постоянной температуре (около 25°) и при различной атмосфере. Из их статей можно понять, что эти работы как-то связаны с космическими исследованиями. И уже через две недели в пробах, помещенных в атмосферу, богатую аммиаком и метаном с небольшим количеством кислорода, появились тельца, удивительно похожие на какабекий. Сходство было настолько явным, что их отнесли к тому же роду и назвали Kakabekia barghoornica, в честь первооткрывателя ганфлинтских микроорганизмов.

Рис. 3. «Микроорганизмы» из кремнистых сланцев Ганфлинт (Канада), имеющих возраст около 2 млрд. лет. Представление об их размерах дает длина темной полоски (в микронах)

1,2 — представители рода гурониоспора; 3 — Eosphaera tylerl — круглые тельца, окруженные более мелкими пузырьками; 4–6 — представители рода эоастрион — мелкие тельца, окруженные радиально расходящимися нитями; 7–9 — Kakabekia umbellata — организм неясной природы, состоящий из округлого тельца, тонкой ножки-перемычки и радиально-лучистого «зонтика» (по Э. Баргхорну)

Рис. 4. Палочкообразные (1–3) или сферические (4) органические остатки, похожие на бактерии, из формации Ганфлинт, имеющей возраст около 2 млрд. лет (под электронным микроскопом).

Они бывают одиночными (1), собраны в скопления неправильной формы (2, 4) или вытянуты в нити (3), иногда разветвляющиеся (по Дж. Шопфу, Э. Баргхорну, М. Мазеру и Р. Гордону)

Эта находка очень обрадовала исследователей древнейших следов жизни. Ведь все теоретические расчеты показывают, что в те далекие времена в земной атмосфере не было совсем или было очень мало кислорода, зато в изобилии был и аммиак, и метан, и углекислый газ. Но самое главное, что найдены действительно живые организмы, слепки которых изучали ученые и долго доказывали их органическую природу.

И таких доказательств было много. Исследователи, изучающие эти остатки, не ограничились изучением шлифов под оптическим микроскопом. Недавно были опубликованы первые фотографии этих образований, сделанные с помощью электронного микроскопа (рис. 4). Были проведены и очень тонкие химические анализы кремнистых пород формации Ганфлинт, которые показали, что в них содержатся органические вещества (преимущественно углеводороды парафинового ряда п СН) от C₁₆ до С₃₂ с преобладанием C_18–19 (0,2–0,6 %). Органическая природа углеводорода подтверждается анализами изотопного состава (соотношение С¹³/С¹²).

Вряд ли можно переоценить научное значение таких исследований — ученые изучают состав живых существ, живших более 2 млрд. лет назад и имевших размеры всего в несколько микрон! Но и это не предел. Еще более мелкие и более древние организмы были найдены в 1966 г., когда ученые растворили в плавиковой кислоте несколько образцов кремнистых горных пород из Восточного Трансвааля (Южная Африка). Их возраст превышает 3 млрд. лет. В продуктах мацерации были обнаружены и сфотографированы под оптическим и электронным микроскопами крохотные тельца, напоминающие современные нитчатые бактерии. Eobacterium isolatum — так названы эти остатки — имеют форму палочек длиной 0,45—0,7 мк и толщиной 0,18—0,32 мк. С помощью электронного микроскопа удалось установить, что они окружены двуслойной оболочкой, имеющей толщину всего 0,015 мк. И снова проделаны тончайшие химические анализы, которые подтвердили, что в породе содержатся сложные углеводороды. Некоторое время считалось, что африканские эобактериумы являются древнейшими органическими остатками. Однако совсем недавно, в 1968 г., в американском журнале «Сайенс» («Наука») появилось краткое сообщение о находке в Южной Африке строматолитоподобных пород в еще более древних толщах системы Свазиленд, имеющих возраст более 3,2 млрд. лет. В них были встречены сфероподобные тельца диаметром от 5 до 30 мк, похожие на одноклеточные неколониальные водоросли, и нитеподобные остатки длиной до 100 мк, схожие с нитчатыми водорослями.

Нитчатые и сферические тельца этого же типа были найдены и в более молодых (1046±46 млн. лет), но тоже докембрийских породах в формации Нонесач, на южном побережье озера Верхнего, в штатах Мичиган и Висконсин (США). Аналогичные остатки организмов обнаружены и в Центральной Австралии, в строматолитовых породах формации Биттер Спрингс, относимой к верхнему докембрию и имеющей абсолютный возраст 700–900 млн. лет. Исследование опять-таки проводилось по меньшей мере тремя способами: изучение шлифов под микроскопом, выделение остатков из породы с помощью кислот и тонкие химические анализы. Все эти водорослевые и бактериальные остатки были найдены в окремнелых горных породах. В строматолитах, сложенных известняком, такие остатки сохраняются очень редко. Еще в начале нашего века американский палеонтолог Ч. Уолкотт, изучая строматолиты из докембрийской серии Белт (Скалистые горы в Северной Америке), обнаружил в шлифах тонкие нитеподобные полоски, похожие на остатки водорослей. В то время многие ученые считали строматолиты остатками древних кораллов или каких-то других животных, поэтому находки Уолкотта были очень важны для правильной расшифровки природы этих слоистых построек. Но здесь таилась и некоторая опасность. Мы уже говорили, что природа изготовляет искусные подделки даже очень сложных органических остатков. А округлые комочки и сгустки, похожие на водоросли, можно без труда найти даже в заведомо неорганической породе.

И такие подделки были действительно найдены. После того как американские исследователи Э. Баргхорн, Дж. Шопф, П. Клауд и другие опубликовали подробные статьи о ганфлинтских микроорганизмах, в журнале «Сайенс» за 1967 г. появилась небольшая статья американского петрографа Брамлетта, писавшего, что большинство из описанных «микроорганизмов» докембрия на самом деле являются не органическими остатками, а так называемыми кристаллитами. Под этим именем петрографы подразумевают своеобразные кристаллические новообразования, которые возникают на ранних стадиях кристаллизации вулканического стекла, что-то вроде зародышевых кристалликов. Они бывают волосовидной (трихиты), палочкообразной (лонгулиты) и сферической формы (глобулиты). Глобулиты могут объединяться, образуя вытянутую цепочку (Маргариты), иногда они группируются в правильные шарообразные скопления (глобосфериты) или скопления неправильной случайной формы (кумули-ты). Кристаллиты бывают похожи на иголочки и спикулы губок (белониты и спикулиты), на перья (скопулиты) и т. д. Форма и размеры зародышевых кристалликов очень разнообразны, и среди них можно найти аналоги очень многих из ганфлинтских остатков. Так, нитчатые образования похожи на трихиты и Маргариты, эосферы и гурониоспоры — на глобулиты, кумулиты и глобосфериты. Особо следует отметить, что все эти ганфлинтские остатки найдены в кремнистых толщах. Кремень — это аморфный кремнезем, в котором кристаллиты возникают особенно часто.

А как быть с химическими анализами, показавшими наличие органического вещества в кремнистых ганфлинтских толщах? Строго говоря, этот аргумент тоже не является решающим. Известно, что углеводороды и самые настоящие битумы встречаются даже в кристаллических изверженных породах. Это широко известный факт. Сторонники гипотез о неорганическом происхождении нефти видят в этом один из признаков связи ее с магмой. Приверженцы теорий об органическом образовании углеводородов и битумов объясняют такие находки тем, что нефть способна мигрировать, перемещаться, медленно просачиваясь по трещинкам в твердых горных породах. Стало быть, и анализ — еще не полное доказательство органической природы этих «микроорганизмов».

Подготавливая эту книгу, я показал изображения ганфлинтских и других докембрийских органических остатков петрографам. Они подтвердили, что зародышевые, или волосовидные, формы кристаллов действительно не редкость в изверженных породах, да и не только в них. Многочисленные и очень разнообразные кристаллиты формируются, например, при затвердевании расплавленных металлов или шлаков. Однако эти неорганические образования значительно отличаются от ганфлинтских «микроорганизмов». По-видимому, более правы те, кто считает их остатками древних водорослей и бактерий.

Тем не менее мы видим, что даже тщательное и всестороннее изучение древнейших водорослеподобных образований не дает еще твердых доказательств их органического происхождения. А в литературе нередко появляются описания древних «водорослей», которые названы так только потому, что какой-то комок или сгусточек похож на современную водоросль. Многие палеонтологи и геологи относятся к подобным описаниям с большим сомнением. Может быть, эти остатки и являются действительно водорослями, если не все, то многие из них. Но никаких аргументов, кроме собственного личного мнения, авторы таких описаний обычно не приводят.

Находки остатков водорослей и бактерий очень важны для понимания истории возникновения и развития жизни на Земле и для расшифровки происхождения некоторых горных пород. Но практическое применение таких находок, например, для определения возраста тех или иных толщ, пока затруднительно. Слишком мало в арсенале науки таких несомненных остатков.

Среди водорослевых остатков докембрия есть не только малютки. Правда, водорослевая природа образований, о которых пойдет речь, время от времени оспаривается или подвергается сомнению, но уже десятки лет они фигурируют в учебниках палеоботаники как древнейшие растительные остатки.

Это, во-первых, Corycium enigmaticum — своеобразные кулечки из углистого вещества, описанные в конце прошлого века, из метаморфизованных сланцев Нясиярви в Финляндии. Возраст их, по-видимому, не менее 1600 млн. лет. Кулечки имеют длину от 5 до 40 см и образованы тонкой углистой пленкой. На поперечных срезах они имеют вид неправильных волнистых овальных колец. В 1948 г. были сделаны анализы изотопного состава углерода, которые подтвердили его органическое происхождение. Тем не менее некоторые исследователи сомневаются в растительной природе этих остатков на том основании, что очень трудно допустить существование таких крупных растений в столь древние времена.

Далее надо назвать остатки Laminarites antiquissimus из самых верхних горизонтов докембрия Прибалтики и прилегающих районов. Это тонкие пленки органического вещества, впервые описанные более 100 лет назад. Их встречается так много, что толща глин, содержащих эти остатки, известна в геологической литературе под названием ламинаритовых слоев. Водорослевое происхождение этих образований тоже оспаривалось. Бесформенные обрывки ламинаритовых пленок иногда очень похожи на углистые прослойки, которые получаются в результате изменения своеобразных, так называемых сапропелевых озерных и болотных илов. Химические анализы как будто бы подтвердили эту точку зрения. В ламинаритовых пленках обнаружилась высокая концентрация порфирина, органического вещества, характерного для измененного сапропелита.

Рис. 5. Эту фотографию Б. в. Тимофеев приводит как доказательство несомненной водорослевой природы Laminarites antiquissimus

Но в последние годы благодаря шахтам, тоннелям и скважинам, пройденным при строительстве метрополитена, ленинградские геологи получили поистине массовый материал по органическим остаткам из ламинаритовых слоев[3]. Один из таких остатков изображен на рис. 5. Если растение действительно выглядело так (экземпляр подвергся реставрации), то вряд ли можно сомневаться в его водорослевой природе.

Нередки в научной литературе и ссылки на находки остатков, похожих на зеленые водоросли из семейства мутовчатых сифоней или дазикладаций. Это достаточно сложные образования, округлой и цилиндрической форм, с характерными полостями и выступами. Некоторое представление о них дает рис. 6, на котором изображена папилломембрана из спарагмитовых отложений верхнего докембрия Южной Норвегии. Большое сходство с сифонеями еще не дает оснований считать природу этих остатков окончательно выясненной. То же самое можно сказать и о других подобных находках у нас в стране — в Сибири и на Тимане.

Рис. 6. Папилломембрана (в продольном сечении) из верхнедокембрийской парагмитовой формации. Она встречена в гальках конгломерата Бири (Норвегия). Больше всего эти остатки похожи на сифоннковые водоросли. Левый снимок сделан с увеличением в 104 раза, правый — в 385 раз.

Все эти данные очень важны для освещения ранних этапов органической жизни на нашей планете. Они показывают, что уже более 3 млрд. лет на Земле существовали вполне сформировавшиеся живые существа. Если оценивать возраст нашей планеты (согласно общепринятым теориям) в 4–5 млрд. лет, то мы должны прийти к выводу, что жизнь появилась сразу же после образования твердой земной коры и первых морей. Биосфера оказывается ровесницей литосферы и гидросферы. Выходит, что практически вся геологическая история планеты протекала при активном участии живых существ, в том числе и водорослей, способных к фотосинтезирующей деятельности. Это необходимо учитывать, когда мы изучаем и эволюцию земной атмосферы, и такие важнейшие геологические процессы, как выветривание и разрушение горных пород и накопление осадков на дне древних водоемов.