Отпечатки жизни. 25 шагов эволюции и вся история планеты

От одной клетки ко многим

Как мы узнали из первой главы, отсутствие каких-либо докембрийских окаменелостей длительный период времени представляло проблему для эволюционной биологии. Над ней ломал голову Чарльз Дарвин, и не только он. Так продолжалось до 1954 года, когда были открыты первые бесспорные микроокаменелости, и до того, как в конце 1950-х объяснили происхождение строматолитов, оказавшихся продуктом жизнедеятельности бактериальных сообществ. Эти открытия показали, что жизнь оставалась одноклеточной с 3,5 млрд примерно до 600 млн лет назад. Окаменелости многоклеточных организмов не встречаются вплоть до «кембрийского взрыва». Многие полагали, что в этой загадочной и таинственной эволюционной пропасти, закончившейся с появлением многоклеточных, которые обладали твёрдыми раковинами (например, трилобитов), обнаружить жизнь так и не удастся.

Но затем в породах стали находить любопытные окаменелости. Большинство из них остались от довольно крупных (до метра в поперечнике) мягкотелых существ, не развивших экзоскелета. Эти существа фоссилизировались в виде отпечатков на песчанике или аргиллитах морского дня, то есть среди них не было целиком сохранившихся тел (данная проблема возникает, если существо не обладает раковиной или экзоскелетом). Некоторые подобные образцы были найдены в Намибии в 1930-х и на Эдиакарских холмах в Австралии в 1940-х годах. Но они ещё не были датированы, поэтому предполагалось, что найденные окаменелости относятся к раннему кембрию.

Рис. 2.1. Реконструкция чарнии (иллюстрация предоставлена Nobumichi Tamura)

Наконец, в 1956 году пятнадцатилетняя школьница Тина Негус нашла образец в лесу Чарнвуд близ города Грантем, в английском графстве Линкольншир (рис. 2.1). Вот как она его описывала:

Когда я была подростком, мне на глаза попалась монография о геологии чарнвудского леса, которую я нашла в местной библиотеке. Мы часто ездили в Чарнвуд, многие места, упоминаемые в книге, были мне знакомы. Я по максимуму скопировала карты из книги и упрашивала моих долготерпеливых родителей как можно скорее туда наведаться. Мы приехали и пробрались к карьеру. Я знала из книги, что здешние отложения состоят из напластованного вулканического пепла, долго лежавшего под водой, — раньше я о подобном не слышала. В то время карьер был заброшенным, тропинка напоминала овечью. Оказавшись на дне, я стала царапать склон и прямо на уровне головы нашла... окаменелость! Я ничуть не сомневалась, что это окаменелость, удивилась лишь тому, что во всех книгах, которые я читала, докембрий назывался эпохой, в которую ещё не возникла жизнь. Я подумала, что это папоротник, вернее, его веточка, но потом заметила, что у «листьев» нет центрального черенка, а сама чересполосица этих «листьев» постепенно переходит в «стебель».

На следующий день, придя в школу, я обратилась к учительнице географии, ведь я думала, что география — самая близкая к геологии наука. Сказала ей, что нашла окаменелость в докембрийских отложениях в Чарнвудском лесу. Она ответила: «В докембрийских породах нет никаких окаменелостей!». Я сказала, что знаю, но именно поэтому моя находка меня так озадачила. Она даже не сбавила шага, не взглянула на меня, просто сказала: «Значит, это НЕ докембрийские породы». Я уверяла её, что именно докембрийские, на что она повторила, что в докембрийских отложениях нет окаменелостей. Настоящий порочный круг и узколобость. Я отступилась на этот раз, но спросила родителей: а могли бы мы ещё раз съездить туда?

У Негус не было ни нужных инструментов, ни опыта, чтобы извлечь образец из твёрдой породы. Но годом позже это удалось другому местному школьнику по имени Роджер Мейсон, который потом стал профессором геологии. Парень отдал образец Тревору Форду — местному геологу, который в 1958 году официально опубликовал информацию о находке в «Трудах Йоркширского геологического общества». Форд назвал ископаемое Charnia masoni (родовое название дано в честь Чарнвудского леса, видовое — в честь Роджера Мейсона) и предположил, что эта структура осталась от каких-то водорослей. Позднее геологи утверждали, что экземпляр относился к кораллоподобным организмам, так называемым «морским перьям», которые действительно напоминают мягкие подводные перья. Однако центральный «стебель» у Charnia не прямой, как у папоротника, морского или обычного пера, а зигзагообразный. Как мы убедимся ниже, до сих пор не ясно, что это был за организм. Тем не менее это первая многоклеточная окаменелость (фактически вообще первая окаменелость), найденная в докембрийских породах. Вспоминая учительницу географии из школы Негус, можно заключить, что до конца 1950-х годов выражение «докембрийская окаменелость» казалось нонсенсом. Все были уверены, что не сохранилось никаких докембрийских окаменелостей, видимых невооружённым глазом, поэтому образец был кембрийским либо просто не являлся окаменелостью.

Окаменелости хребта Флиндерс

Ещё до того, как была формально описана чарния, геологи открывали окаменелости крупных мягкотелых организмов в других частях света. Но поскольку находки делали в пластах неопределённого возраста, их обычно относили к кембрию. Ещё в 1868 году шотландский геолог Александр Мюррей нашёл в глубоководных морских песчаниках в районе Мистейкн-Пойнт у канадского острова Ньюфаундленд «ветвистые» окаменелости, напоминающие чарнию. Но тогда никто не знал, как их датировать или интерпретировать, поэтому о них просто забыли. В 1933 году немецкий геолог Георг Гюрих, занимаясь разведочными работами для золотодобычи в Намибии (в те годы данная территория являлась западной колонией ЮАР), составил геологическую карту страны. Там он нашёл многочисленные окаменелости интересных мягкотелых существ. Однако и на сей раз никто не мог определить возраст образцов, и их снова сочли кембрийскими.

Самые многочисленные и наиболее изученные образцы этой странной фауны были добыты на Эдиакарских холмах, относящихся к хребту Флиндерс в Южной Австралии, примерно в 336 км к северу от Аделаиды. В 1946 году австралийский геолог Реджинальд Спригг работал на Эдиакарских холмах, составлял геологические карты и оценивал заброшенные прииски, чтобы определить целесообразность возобновления разработок с применением новых технологий. Однажды, решив отдохнуть и пообедать, он заприметил первую из удивительных окаменелостей. Но он не был палеонтологом и сбор окаменелостей не входил в его обязанности, поэтому учёный просто рассказал о своих находках палеонтологу Мартину Глесснеру из Университета Аделаиды.

Глесснер был незаурядным человеком. Он родился 25 декабря 1906 года в северо-западной Богемии (ныне территория Чехии), когда она ещё входила в состав Австро-Венгрии. Получил образование в Венском университете, где к 25 годам стал как дипломированным юристом, так и доктором геологии. В начале научной карьеры Глесснера отправили в Москву, где он организовал микропалеонтологические исследования для Института нефти АН СССР. Соответственно он был одним из первых, кто использовал микроокаменелости для датировки нефтеносных пород и определения глубины древних вод. В Москве Глесснер познакомился с русской балериной Тиной Тупикиной и женился на ней. В данной ситуации ему оставалось принять советское гражданство либо покинуть СССР. После возвращения в Австрию в 1937 году Глесснер был вынужден почти сразу бежать из страны, поскольку страну оккупировали гитлеровцы (по отцу он имел еврейские корни). В итоге Глесснер с женой оказались в Порт-Морсби на Новой Гвинее, где учёному предложили организовать микропалеонтологическую службу для новообразованной Австралийской нефтяной компании. Затем война дошла до Новой Гвинеи, и в 1942 году Глесснер с женой бежали в Австралию, где учёный продолжал работать в нефтяной промышленности до 1950 года. Вплоть до завершения карьеры он занимал пост профессора и декана факультета геологии и палеонтологии в Университете Аделаиды. Именно там Глесснер занялся изучением таинственных окаменелостей, которые ему прислал Спригг, организовав масштабную работу по сбору множества новых экземпляров.

Проделав титаническую работу, он описал окаменелости, которые, на его взгляд, напоминали медуз, морские перья и разнообразных странных «червей» (рис. 2.2). Благодаря открытию чарнии в Англии и Австралии Глесснер смог продемонстрировать, что эдиакарские окаменелости относятся к позднейшему докембрию. Это доказывало, что удивительные крупные мягкотелые организмы отличались большим разнообразием и встречались по всему миру (в частности, в Африке, Австралии, Англии, на Ньюфаундленде и в России близ Белого моря). В 1984 году учёный подвёл итоги своей работы в книге «The Dawn of Animal Life» («Заря животных»), которая до сих пор считается классической. На поздних этапах карьеры Глесснер стал обладателем многих премий за первопроходческие работы по изучению древнейшей многоклеточной жизни.

Глесснер приложил массу усилий, чтобы интерпретировать эти любопытные отпечатки и следы на песчанике Флиндерс в сравнении с современными организмами (рис. 2.3). Круглые пузыри напоминали медуз, ветвистые формы — морские перья. Некоторые были исключительно крупными для древнейшей многоклеточной жизни. Например, широкие листовидные «черви» с перистым узором бороздок (так называемая дикинсония) могли достигать 1,5 м в длину (см. рис. 2.2)!

Рис. 2.2. Эдиакарские окаменелости включают следы крупных мягкотелых волнистых организмов, известных только по отпечаткам на океаническом ложе. (А) крупный ребристый «червь» Dickinsonia; (Б) членистый «червь» Spriggina; (В) щитовидный организм Parvancorina, возможно, родственный трилобитам (фотографии предоставлены Смитсоновским институтом)

Рис. 2.3. Диорама эдиакарской фауны, на которой реконструированы морские перья, медузы и «черви» (иллюстрация предоставлена Смитсоновским институтом)

Факт исключительной сохранности останков этих существ, которые должны были бы легко разлагаться, позволяет сделать ряд выводов: в позднем докембрии почти не было падальщиков; эдиакарские существа могли быть накрыты матами цианобактерий, способствовавшими их сохранности, либо многие из этих существ (особенно в районе Мистейкн-Пойнт, Ньюфаундленд) оказались похоронены заживо во время оползней ила на прибрежных мелководьях.

Камо грядеши, Эдиакара?

В дальнейшем учёные уже не были так уверены, что эдиакарские окаменелости легко причислить к ныне существующим типам животных — червям, медузам, морским перьям. Отмечалось, что симметрия и строение гипотетических «медуз» не напоминают ни одну из современных медуз. Аналогичным образом стебель «морских перьев» был не прямым, а зигзагообразным, как у чарнии (не наблюдается ни у одного из современных морских перьев). Симметрия и строение большинства «червей» не встречаются ни у каких современных групп червей, не говоря о том, что на окаменелостях нет и следа пищеварительного тракта или других систем, которые есть у всех червей.

Обращая внимание на эти странности строения, палеонтологи предлагают более оригинальные объяснения эдиакарских окаменелостей. Некоторые, например Адольф Зейльахер, работавший в Йельском и Тюбингенском университетах, полагают, что эти окаменелости не сопоставимы с нынешними животными. На самом деле, считал Зейльахер, это были «экспериментальные образцы» многоклеточной жизни, и симметрия их тел не имеет ничего общего со строением современных организмов. Он назвал эту фауну вендозоа, или вендской биотой. В русскоязычных источниках весь поздний докембрий, к которому относятся данные окаменелости, называется вендской эпохой, хотя международные геологические организации сейчас именуют этот период эдиакарским. Зейльахер отмечал, что по строению эти существа напоминали наполненные водой «подушки» волнистой формы; у них не было ни малейших признаков центральной нервной системы или пищеварительного тракта, которые есть даже у самых примитивных червей. Таким образом, эдиакарские существа вполне могли не использовать органы, относимые нами к пищеварительной, дыхательной или нервной системе. Напротив, эти «водяные подушки» обладали максимальной поверхностной площадью относительно собственного объёма, и за счёт «волнистости» эта площадь увеличивалась. Они всасывали все питательные вещества и кислород через складчатую «кожу» и аналогичным образом избавлялись от продуктов обмена веществ.

Марк Макменамин из колледжа Маунт-Холиок предложил гипотезу сада Эдиакары. По его мнению, огромная поверхностная площадь существ (по сравнению с их объёмом) позволяла им удерживать в тканях большое количество цианобактерий или истинных водорослей в качестве симбионтов. Эти фотосинтезирующие симбионты могли производить большое количество кислорода, поглощая углекислый газ, — именно такую роль в современных коралловых рифах играют водоросли, растущие на гигантских двустворчатых моллюсках и других морских организмах. Грегори Реталлак из Орегонского университета, специализирующийся на изучении ископаемых почв, считает, что эти существа в основном являлись лишайниками и грибами, а не животными или растениями. Недавно он предположил, что эти структуры могут быть просто рельефом почвы.

Итак, существуют разные мнения о природе загадочных тварей, существовавших на заре биологии. Некоторые считают их обычными медузами, червями и морскими перьями, но большинство учёных полагает, что эти ископаемые не похожи ни на какие ныне живущие организмы. Являются они по-настоящему уникальной экспериментальной фауной — так называемой вендской биотой, некими крупными эндосимбиотическими организмами, лишайниками или почвой, — пока вопрос остаётся открытым. В конце концов, это лишь отпечатки на мягком песчаном или илистом морском дне. Мы очень приблизительно представляем себе их объёмное строение, как могли выглядеть поверхностные ткани, уже не говоря о внутренностях или жёстких частях тела. В этом и проблема: без жёстких частей тела существа с трудом могли сохраниться в ископаемой летописи. Останки часто сворачивались, дробились или повреждались именно потому, что принадлежали водянистым существам, напоминающим медуз.

Каковы бы ни были эти существа, важно помнить: они, без сомнения, демонстрируют, что скачок от одноклеточной к многоклеточной жизни произошёл около 630 млн лет назад. Их биоразнообразие увеличивалось по мере того, как наша планета разогревалась, миновав стадию «Земля-снежок», когда огромные ледяные щиты покрывали нашу планету от полюсов до экватора. В течение следующих 90 млн лет они были, пожалуй, единственными формами жизни на Земле, пока к концу их господства не стали появляться крошечные моллюски (см. главу 3). Затем они резко сошли со сцены, проиграв борьбу сначала примитивным моллюскам, а затем трилобитам. Примерно 500 млн лет назад эдиакарская фауна полностью вымерла, оставив биологам одни загадки.

Лучше один раз увидеть!

Первый образец Charnia и другой окаменелости, Charniodiscus, очень похожей на Charnia и описанной Тревором Фордом в 1958 году, экспонируются на почётном месте в Нью-Уолкском музее города Лестер в Англии.

Эдиакарские окаменелости экспонируются в очень немногих музеях, поскольку они не так привлекательны или роскошны, как скелеты динозавров. В США среди таких музеев следует упомянуть Денверский музей природы и науки, Музей естественной истории под открытым небом (Чикаго) и Смитсоновский институт (Вашингтон, округ Колумбия). Во многих австралийских музеях есть экспонаты с хребта Флиндерс, особенно в Музее Южной Австралии (Аделаида) и в Музее Западной Австралии (Перт). Кроме того, они есть в Экологическом резервате Мистейкн-Пойнт на полуострове Авалон (Ньюфаундленд) и в Музее естественной истории Зенкенберг (Франкфурт-на-Майне, Германия).

Дополнительная литература

Attenborough, David, with Matt Kaplan. David Attenborough’s First Life: A Journey Back in Time. — New York: HarperCollins, 2010.

Glaessner, Martin F. The Dawn of Animal Life: A Biohistorical Study. — Cambridge: Cambridge University Press, 1984.

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

McMenamin, Mark A. S. The Garden of Ediacara. — New York: Columbia University Press, 1998.

Narbonne, Guy M. The Ediacara Biota: A Terminal Neoproterozoic Experiment in the Evolution of Life // GSA Today. — 1998. — Vol. 8. — P. 1–6.

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

Seilacher, Adolf. Vendobionta and Psammocorallia: Lost Constructions of Precambrian Evolution // Journal of the Geological Society, London. — 1992. — Vol. 149. — 607–613.

Seilacher, Adolf. Vendozoa: Organismic Construction in the Proterozoic Biosphere // Lethaia. — 1989. — Vol. 22. — P. 229–239.

Valentine, James W. On the Origin of Phyla. — Chicago: University of Chicago Press, 2004.