Отпечатки жизни. 25 шагов эволюции и вся история планеты

Дилемма Дарвина

Когда Чарльз Дарвин в 1859 году опубликовал свой труд «О происхождении видов», палеонтологическая летопись являлась слабым местом его аргументации. На тот момент не было известно практически ни одно ископаемое, которое можно было бы с уверенностью причислить к переходным звеньям. В частности, ни одной из окаменелостей, о которых пойдёт речь в этой книге. Первой подходящей окаменелостью такого рода стал археоптерикс, которого предстояло открыть в 1861 году (см. главу 18). Ещё более тревожным представлялось отсутствие каких-либо окаменелостей, датируемых ранее кембрия — самого первого периода палеозойской эры, начавшегося около 550 млн лет назад (см. иллюстрацию на фронтисписе). Разумеется, в середине XIX века палеонтологическая летопись ещё была мало изучена: к тому моменту историю окаменелостей детально отслеживали всего около 60 лет. Кроме того, Дарвина озадачил тот факт, что в немногочисленных докембрийских отложениях, где были найдены древнейшие трилобиты, отсутствовали окаменелости, которые бы отражали переход от примитивных существ к трилобитам и другим организмам кембрия. Дарвин чётко отмечает это во фразе, вынесенной в эпиграф данной главы.

Учёный связывал загадочное отсутствие окаменелостей с «несовершенством геологического разреза» и маловероятной возможностью, что большинство организмов вообще не фоссилизируются. В сущности, он был прав. Дарвин обратился с этим вопросом к коллегам-учёным, и на протяжении следующих ста лет палеонтологи отчаянно пытались отыскать какие-либо окаменелости старше трилобитов.

Многим геологам уже известны проблемы, связанные с окаменелостями докембрийского периода. Большинство докембрийских слоёв настолько древние и находятся на таких глубинах, где под действием высоких температур и сильнейшего давления давным-давно превратились в метаморфические породы. При этом все окаменелости, которые могли в них сохраниться, разрушились. Большинство действительно древних пород подверглись эрозии — ещё одной разрушительной силе. Даже там, где степень сохранности относительно хорошая, древнейшие породы скрыты под наслоениями более молодых, поэтому почти везде на Земле они редко выходят на поверхность. Все названные факторы противоречат идее о том, что мы могли бы извлекать окаменелости из докембрийских слоёв с тем же успехом, что и из кембрийских.

Однако есть и другая проблема. Оказывается, в условиях докембрийской окружающей среды (когда почти не было кислорода и отсутствовал озоновый слой) древнейшие организмы, видимо, долго не могли отращивать раковины и другие жёсткие органы. Действительно, на протяжении 2 млрд лет мир был «населён» бактериальной биоплёнкой и (гораздо позже) водорослями, которые росли на мелководье у побережий и покрывали камни (рис. 1.1). В докембрийских породах есть окаменелости, но большинство из них микроскопичны. Чтобы увидеть желаемое, надо тщательно перетирать тонкие каменные срезы, а потом рассматривать их с большим увеличением. Практикующий геолог просто не заметит окаменелости в большинстве докембрийских пород.

Рис. 1.1. Реконструкция мелких приливных заводей, которые существовали на Земле 80% времени биологической эволюции, с 3,5 млрд до 550 млн лет назад. Единственными заметными останками жизни в них были бугорчатые отложения цианобактериальных сообществ (матов), так называемые строматолиты (рисунок Карла Бьюэлла из работы: Donald R. Prothero. Evolution: What the Fossils Say and Why It Matters. — New York: Columbia University Press, 2007. — Fig. 7.1)

Тем не менее в этих породах есть множество характерных черт, дискуссии о которых не утихают долгое время. Например, структуру, внешне напоминающую странный узор лучевидных бороздок, в 1848 году описал один из первых канадских геологов — сэр Джон Уильям Доусон, назвавший свою находку олдхамия (рис. 1.2). Он полагал, что обнаружил ископаемые останки полипа. Но ирландский геолог Джон Джоли, однажды пройдя по оставленной в грязи замёрзшей колее, обнаружил подобный узор, образованный кристалликами льда. В 1884 году он заявил, что олдхамия — просто характерный отпечаток ледяных кристаллов, а не окаменелость. Сравнительно недавно учёные вновь исследовали олдхамию, и теперь считается, что такие бороздки мог оставить какой-то червь, то есть, в конечном итоге, это след живого организма. Однако приведённый пример демонстрирует, как легко люди обманываются, когда изо всех сил пытаются отыскать признаки докембрийской жизни. Другую «тварь» в 1868 году открыл легендарный биолог и защитник Дарвина Томас Генри Гексли, заметивший слизистый «организм» в пробах ила, поднятых с морского дна. Родовое название можно перевести с греческого как «глубокая жизнь», а видовое дали в честь немецкого биолога Эрнста Геккеля. Однако знаменитый британский естествоиспытатель Чарльз Уайвил Томсон не впечатлился. Он изучил образцы и пришёл к выводу, что это лишь продукт разложения неких грибков. Другой биолог, Джордж Чарльз Уоллич, предположил, что «организм» — продукт химического распада органических веществ.

Рис. 1.2. Первое изображение олдхамии (перерисовал Э. Протеро)

По этой и иным причинам Уайвил Томсон и многие другие британские исследователи организовали и профинансировали экспедицию «Челленджера», длившуюся с 1872 по 1876 год. «Челленджер» — основательно снаряжённый парусник, оснащённый паровым двигателем, стал первым кораблём, совершившим кругосветное океанографическое путешествие. На тот момент британское научное сообщество понятия не имело, что собой представляет дно океана; предполагалось, что на глубине по-прежнему могут обитать трилобиты. Кроме того, учёные хотели понять, чем на самом деле является батибия Геккеля. «Челленджер» взял более 360 проб ила с океанского дна, но не обнаружил ни одной батибии. Тогда корабельный химик Джон Янг Бьюкенен изучил более старые образцы и нашёл нечто, напоминавшее таинственную «слизь». Проанализировав вещество, он обнаружил, что это лишь продукт реакции между сульфатом кальция и спиртом, в котором законсервировали образец. Уайвил Томсон отправил Гексли вежливое письмо, в котором проинформировал того о результатах «идентификации» организма, проведённой Бьюкененом. Следует отдать Гексли должное: он опубликовал в журнале Nature письмо, где признал свою ошибку. В 1879 году на регулярном собрании Британской ассоциации по содействию научному прогрессу Гексли взял на себя полную ответственность за допущенную ошибку.

Ещё одна ложная тревога случилась в 1858 году, за год до публикации дарвиновского «Происхождения видов». Легендарный канадский геолог Уильям Э. Логан, позднее возглавивший Геологическую службу Канады, обнаружил необычные минералы на берегах реки Оттава близ Монреаля. Логан в течение многих лет показывал образцы учёным, но большинство не были склонны видеть в них доказательство древней жизни. Затем эти образцы попали к Доусону, известному канадскому учёному. В 1865 году Доусон назвал слоистую структуру Логана Eozoon Canadense (буквальный перевод — канадская заря жизни) (рис. 1.3). Доусон считал, что перед ним — фоссилизированные останки гигантской фораминиферы (одноклеточные существа, напоминающие амёб, живущие в океанах и образующие известковые раковины). Он назвал находку «одним из самых блистательных самоцветов в короне Геологической службы Канады». Однако вскоре после этого объявления другие специалисты внимательнее присмотрелись к геологическому строению образцов. Выяснилось, что эозоон — просто метаморфическое наслоение минералов кальцита и серпентина, а не окаменелость. Последний гвоздь в гроб «зари жизни» забили в 1894 году, когда вблизи Везувия в Италии было открыто, что подобные структуры могут образовываться в породах под действием вулканического тепла.

Рис. 1.3. Eozoon canadense (канадская заря жизни): (А) иллюстрация из книги Доусона «The Dawn of Life»; (Б) типовой экземпляр из Смитсоновского института. Масштабные полоски = 1 см ((А) иллюстрация из книги J. W. Dawson. The Dawn of Life. — London: Hodder and Stoughton, 1875, предоставлено J. W. Schopf)

Криптозоон: ещё одна ложная тревога?

Олдхамия, батибия, эозоон — лишь некоторые из псевдоокаменелостей, мнимых образцов докембрийской жизни, с которыми когда-то носились как с первопредками всех живых существ, а потом развенчали миф. Сегодня их помнят только специалисты по истории геологии.

Оглядываясь назад, легко понять возникшие заблуждения. Большинство геологов на ранних этапах своей карьеры усваивают, что геологический ландшафт изобилует псевдоокаменелостями и объектами, которые кажутся таковыми, пока к ним не присмотришься (зная, к чему присматриваться). Почти каждый геолог-любитель купится на «растительный узор» дендритов пиролюзита — минеральную форму оксида марганца, которая выглядит точь-в-точь как веточки папоротника. Большинство псевдоокаменелостей — это минеральные включения, представляющие собой крупицы песка или ила, цементирующиеся в виде самых разнообразных форм. Их большая часть напоминает сферы или пузырьки, но встречаются и более причудливые формы, которые неопытный дилетант вполне может принять за «окаменевший мозг» или «окаменевший фаллос». Многие другие очертания также заставляют нас обманываться и видеть «узоры» там, где их нет.

Мы видим «замки» среди облаков и «животных» на звёздном небе. Аналогичным образом человек жёстко запрограммирован выискивать смысл и закономерности практически в любом наборе случайных образов. Этот феномен называется парейдолия. Соответственно, опытные геологи учатся скептически относиться к любым попыткам трактовать камни причудливой формы как окаменелости. Требуются годы, чтобы научиться отличать первые от вторых. Это было особенно актуально на ранних этапах развития геологии, когда большинство осадочных структур и форм, образующихся при раскопках, ещё не были изучены и их с трудом отличали от истинно биологических окаменелостей.

Следующей важной фигурой в данной истории был Чарльз Дулиттл Уолкотт — геолог-самоучка, работавший в Геологической службе США (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Чарльз Дулиттл Уолкотт в сланцевом карьере Бёрджесс в 1912 году (фотография предоставлена Смитсоновским институтом)

Он получил только десятилетнее школьное образование, не имел учёной степени, но позднее был отмечен многими почётными академическими титулами. Именно Уолкотту предстояло стать одним из крупнейших американских учёных начала XX века. Практически в одиночку он документировал всю историю американского кембрия от штата Нью-Йорк до Большого каньона, также выступив в качестве основателя науки о докембрийских окаменелостях. Затем он прославился умением решать множество задач одновременно, масштаб которого мы сегодня едва ли можем себе представить. Уолкотт был директором Геологической службы США (1894–1907), потом его выдвинули на должность секретаря (директора) Смитсоновского института (1907–1927), причём он совмещал эту работу с должностью президента Национальной академии наук (1917–1923). Также он занимал президентские посты в Американском Философском обществе (как и Доусон) и в Американской ассоциации по содействию научному прогрессу. Несмотря на невероятную управленческую занятость, Уолкотт умудрялся каждое лето выкроить несколько недель на изнурительные полевые исследования, которыми занимался в Скалистых горах и на плато Колорадо. Там он описывал огромные горы, состоящие из кембрийских пород, и собирал обширные коллекции окаменелостей, на описание которых (с последующей публикацией работ) тоже находил время. Именно в ходе одной из таких экспедиций Уолкотт наткнулся на сланцы Бёрджесс — настоящее Эльдорадо среднекембрийских мягкотелых ископаемых (см. главу 5). Он бегло описал эти окаменелости, но, учитывая огромную занятость, не имел времени подробно их исследовать.

Свою научную карьеру Уолкотт начал, работая с легендарным Джеймсом Холлом — первым главным геологом и палеонтологом штата Нью-Йорк. Проводя отпуск в Саратоге, Уолкотт предпринял краткую вылазку в Лестер-Парк, что в пяти километрах к западу от Саратога-Спрингс. Там его впечатлила слоистая структура древнейших докембрийских пород, которые он изучал (рис. 1.5). В 1878 году, в возрасте всего 28 лет, он начал подробно описывать эти слоистые куполовидные структуры, по форме также напоминавшие капусту, которые Холл в 1883 году назвал криптозооном (скрытой жизнью). Они были типичны практически для всех докембрийских пород, поэтому Уолкотт не сомневался, что перед ним — древнейшие из сохранившихся биологических ископаемых.

Рис. 1.5. Строматолиты из Лестер-Парк, которые Джеймс Холл и Чарльз Дулиттл Уолкотт назвали криптозооном (фотография автора)

Однако большинство других учёных отнеслись к идее скептически. Слоистые структуры легко образуются естественным путём, без участия живых организмов. Таковы, например, наслоения в метаморфических породах, которые Доусон ошибочно принял за ископаемую «зарю жизни», либо структуры, образующиеся при медленной кристаллизации из раствора или в процессе метаморфического разлистования. Авторитетный критик криптозоона, знаменитый учёный, Альберт Чарльз Сьюард, многие годы считавшийся самым влиятельным в мире специалистом по палеоботанике, справедливо указывал на то, что ранее не удалось найти сохранившиеся органические останки растений и других форм жизни. Поэтому случай криптозоона не вызывал доверия.

Тем не менее многие геологи продолжали описывать эти слоистые структуры, напоминавшие купола или капусту, представлявшие собой единственные характерные детали докембрийских пород, видимые невооружённым глазом, давали им названия. Кроме Cryptozoon, появился род Collenia, соответствовавший слоистой структуре чуть иной формы, а название Conophyton присвоили слоистым конусообразным структурам. Советские учёные, которые могли исследовать огромные массивы неметаморфических докембрийских пород в Сибири, с особым удовольствием подбирали названия для всевозможных форм слоистых образований. Их объединили в более широкую категорию под названием строматолиты (слоистые камни), хотя большинство геологов сомневались в биологическом происхождении данных образований.

Эврика!

В течение первой половины XX века в сообществе геологов и палеонтологов существовал глубокий раскол по поводу того, что представляют собой строматолиты. Исследования, проводившиеся одно за другим, не выявляли никаких признаков органики или сохранившихся клеток в их слоях, поэтому дело казалось сомнительным. Поскольку ни один из имевшихся экземпляров этих структур не рос и не подавал признаков жизни, отсутствовали серьёзные доводы, которые можно было бы предъявить скептикам.

В 1956 году геолог Брайан У. Логан из Университета Западной Австралии в Перте вместе с коллегами исследовал северо-западное побережье Австралии. Логан и компания добрались до залива Шарк, также известного под названием Акулья бухта, расположенного примерно в 800 км севернее Перта. Во время отлива в районе Хэмлин-Пул на южном берегу залива им открылся пейзаж возрастом в полмиллиарда лет, которого ещё не видел ни один учёный на Земле (рис. 1.6)! Дно бухты было усыпано цилиндрическими «башенками» с округлыми вершинами, каждая высотой от одного до двух метров. Они сильно походили на многие криптозооны и другие докембрийские строматолиты — но были живыми и росли! Более тщательный анализ показал, что эти столбы сложены из тончайших осадочных пород, накапливавшихся миллиметр за миллиметром, как древние строматолиты. На поверхности строматолитов обитали организмы, в результате жизнедеятельности которых и формировались таинственные структуры: вязкие скопления сине-зелёных бактерий, или цианобактерий (ошибочно названных «сине-зелёными водорослями», хотя таковыми не являвшихся — водоросли представляют собой настоящие растения с ядерными эукариотическими клетками). Сине-зелёные бактерии являются не только одной из самых простых, примитивных форм жизни на Земле, но, возможно, и первыми фотосинтезирующими организмами на нашей планете. Большинство учёных полагают, что сине-зелёные бактерии синтезировали первый атмосферный кислород на Земле, благодаря которому впоследствии развились более сложно организованные животные.

Рис. 1.6. Цилиндрические строматолиты в заливе Шарк (Австралия) (фотография предоставлена R. N. Ginsburg)

Дальнейшие исследования строматолитов в заливе Шарк позволили выяснить, как образуется их тонкослойная структура. Эти слизистые маты стремительно растут на солнце в светлое время суток, когда накатывает прилив и они оказываются под водой. У свежих матов вязкая поверхность, на которой оседает различный материал — особенно ночью, во время отлива; рост цианобактерий приостанавливается на несколько часов. Затем, с новым приливом и восходом солнца бактерии опять тянутся к свету и отращивают новые нити, полностью накрывая осадок, который скопился за минувшую ночь. Так продолжается день за днём и год за годом. В благоприятной среде растущие маты захватывают сотни отдельных слоёв накапливающегося осадка. В конце концов органические останки бактерий разлагаются, и остаётся лишь слоистый осадок, не содержащий ни органических структур, ни химических следов их существования.

Итак, если этот процесс настолько прост, почему строматолиты не встречаются по всей планете, как в докембрии? Ответ подсказывает залив Шарк. Мелководье Хэмлин-Пула исключительно солёное, так как песчаная отмель, окружающая устье залива, ограничивает приток и отток воды. Кроме того, поскольку залив расположен в зоне субтропических пустынь, здесь очень жарко и солнечно. По мере испарения воды солёность осадка в мелкой бухте лишь возрастает. На самом деле, солёность здесь вдвое выше, чем в прилегающей части океана (более 7% против 3,5%); такие условия могут переносить только цианобактерии. Растительноядные моллюски (например, блюдечки, литорины и морские ушки, обитающие на современных приливных мелководьях), которые могли бы поедать подобные бактериальные маты, не могут жить в такой солёной воде, поэтому нетронутые маты продолжают расти. Эта экосистема очень напоминает докембрийский мир, когда более высокоразвитые растительноядные морские животные (например, улитки) ещё не существовали. Три миллиарда лет назад самой сложной формой жизни были бактериальные маты, и ничто не мешало их росту. Как отмечает мой друг Дж. Уильям Шопф из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса, юная Земля была «планетой ила» (см. рис. 1.1).

С тех пор как в 1956 году было сделано открытие в заливе Шарк (первые публикации о нём появились в 1961 году), живые строматолиты удалось найти во многих местах на Земле. У большинства из них есть ключевая общая черта: они растут в среде, неблагоприятной для более развитых организмов (например, для растительноядных моллюсков). Я вплотную рассматривал строматолиты, растущие в солёных лагунах вдоль тихоокеанского побережья Нижней Калифорнии. Они обитают в солёных водах у западной оконечности Персидского залива. Огромные столбы с куполообразными вершинами, как в заливе Шарк, можно встретить и в солёных лагунах Лагоа-Салгада в Бразилии (название этого района так и переводится с португальского — солёные лагуны). Среди немногих строматолитов, выживающих в воде с нормальной солёностью, можно назвать образцы с отмелей Эксумы на Багамских островах: там такие сильные течения, что даже блюдечки и морские ушки не могут закрепиться.

Учёные постоянно находят новые ископаемые строматолиты, некоторые — столь же древние, как сама жизнь. К ним также относятся вероятные строматолиты из свиты Варравуна в Западной Австралии (всего на несколько сотен километров восточнее залива Шарк) — им 3,5 млрд лет, а также древнейшие микроскопические следы клеток цианобактерий. Настоящие строматолиты возрастом 3–4 млрд лет встречаются в группе Фигового Дерева (Fig Tree group) в Южной Африке. Примерно 1,25 млрд лет назад строматолиты достигли наибольшего разнообразия по форме, размеру и области распространения. Они до сих пор остаются единственным видимым свидетельством того, что уже в те времена наша планета была обитаема. Затем начался медленный упадок, а в кембрии их количество сократилось на 80% от исходного. Вероятно, виной тому были многочисленные растительноядные существа, истреблявшие строматолиты повсюду, где они росли в обычной морской воде. Строматолиты Лестер-Парк, показанные на рис. 1.5, относятся к хойтским известнякам — среднекембрийской формации. Это одни из немногих строматолитов, доживших до кембрия. К моменту массового распространения беспозвоночных в ордовике (около 500 млн лет назад) строматолиты на Земле почти исчезли.

При том, насколько они стали редки в последние 500 млн лет, микробные маты всегда готовы возродиться и расцвести махровым цветом, когда настанут тяжёлые времена для их пожирателей. После трёх великих вымираний, случившихся за историю Земли (в конце ордовика, в позднем девоне и самое массовое вымирание в конце перми), строматолиты вновь распространялись в «постапокалиптическом» мире, когда в результате вымирания биоразнообразие животных сильно сокращалось. В каждом случае строматолиты росли как сорняки, заселяя просторные ландшафты вместе с немногими уцелевшими оппортунистическими видами; их расцвет наступал всякий раз, когда вымирали питавшиеся ими животные.

Наконец, стоит учитывать ещё один момент. На протяжении почти 85% истории земной жизни (от 3,5 млрд примерно до 630 млн лет назад) на нашей планете не существовало столь крупных существ, от которых могли остаться заметные окаменелости. Только строматолиты можно рассматривать без микроскопа. Существует масса предположений, почему жизнь не развилась раньше. Многие из них сводятся к тому, что уровень атмосферного кислорода долгое время был недостаточным для существования многоклеточных организмов; ситуация изменилась только в кембрии. Каковы бы ни были причины, на протяжении большей части биологической истории на поверхности Земли существовали только бактериальные маты и куполообразные строматолиты — больше ничего. Если инопланетяне когда-либо высаживались на нашей планете, они могли увидеть это и, разочаровавшись, улететь.

Интересно вспомнить о метеорите ALH 84001, найденном в горах Алан Хиллс в Антарктиде. Сначала он откололся от Марса и лишь много позже оказался на Земле. В 1990-е годы развернулись нешуточные споры о крошечных шарообразных и продолговатых структурах в этом метеорите: не являются ли они окаменелостями марсианских организмов? Вопрос до сих пор остаётся открытым. Однако если на Марсе и была жизнь, сейчас она почти наверняка замёрзла, поскольку на этой планете слишком холодно для существования жидкой воды.[1] Земля должна была выглядеть почти так же: вплоть до 600 млн лет назад на ней существовали только одноклеточные организмы. Поэтому любой кусок земных пород и образец с земной поверхности выглядели бы в точности как марсианские породы до замерзания.

Лучше один раз увидеть!

Первые строматолиты, послужившие основой для криптозоона Джеймса Холла и Чарльза Дулиттла Уолкотта, можно увидеть в Лестер-Парке восточнее Саратога-Спрингс, в штате Нью-Йорк. Выезжаете из центра Саратога-Спрингс и отправляетесь на запад по шоссе 9N штата Нью-Йорк. Поверните налево на Миддл-Гроув Роуд, потом снова налево на Лестер-Парк Роуд (также известную под названием «Дорога окаменевших садов»). Проедьте по ней ещё около 150 м. Оказавшись в парке, следуйте по указателям, пока не прибудете в Окаменевшие Сады.

В некоторых музеях строматолиты экспонируются, в других можно встретить диорамы с их докембрийским изображением. Среди последних: Денверский музей природы и науки, Музей естественной истории под открытым небом (Чикаго), Геологический музей висконсинского университета в Мэдисоне, Смитсоновский институт (Вашингтон, округ Колумбия), Музей естественной истории штата Юта, город Солт-Лейк-Сити, Палеонтологический музей Реймонда Альфа в Уэбб-Скулз (Клермонт, Калифорния), Музей естественной истории штата Виргиния, Мартинсвилл и Музей Западной Австралии (Перт).

Дополнительная литература

Grotzinger, John P., and Andrew Н. Knoll. Stromatolites in Precambrian Carbonates: Evolutionary Mileposts or Environmental Dipsticks? // Annual Review of Earth and Planetary Sciences. — 1999. — Vol. 27. — 313–358.

Knoll, Andrew H. Life on a Young Planet: The First Three Billion Years of Evolution on Earth. — Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2003.

Schopf, J. William. Cradle of Life: The Discovery of Earth’s Earliest Fossils. — Princeton, N. J.: Princeton University Press, 1999.