Новая история происхождения жизни на Земле

Киршвинк Джозеф

Акритархи являются одними из самых древних известных многоклеточных, они появились впервые в глубине времен около 2 млрд лет назад, при этом их окаменелости относительно редки. Но со второй половины протерозоя, около миллиарда лет назад, начинается их большое многообразие: в размерах, количестве и морфологической усложненности форм. Усложненность в основном отмечается в увеличении числа шипов, выступающих из их маленьких круглых тел. В период с 1 млрд до 750 млн лет назад акритархи были весьма распространены, а затем начался криогений, принесший огромные глобальные изменения, соответствующие его названию от греческого cryo, — все правильно, мир замерз. В результате протерозойских периодов «Земли-снежка» в океане должно

было произойти массовое вымирание, а возможно, и на суше. Популяции акритархов в эти периоды глобального снега и льда резко сократились, но во время кембрийского взрыва они снова возродились, и их виды достигли пика своего процветания и разнообразия в палеозое.

Такое богатство шипов и колючек у акритархов, зародившееся миллиард лет назад, но продолжавшееся и в кембрийский период, объясняется несколькими причинами. Во-первых, шипы на маленьком круглом тельце увеличивают площадь поверхности и объем, это позволяет маленькому организму оставаться на плаву в толще океана, а не опускаться на дно, где его ждет погребение под различными осаждающимися частицами, что является обычной картиной морского дна. Многочисленные планктонные виды используют этот метод и сегодня. Вторым назначением шипов является защита от хищников. Возможно, в океанах миллиард лет назад таилось целое полчище плотоядных (или, по отношению к акритархам, технически — травоядных. Впрочем, если тебя съели, то уже не важно, кто именно тебя съел).

Окончание скучного миллиардолетия

Вот картина морского дна на мелководье около миллиарда лет назад: в волнах колышутся бурые и зеленые водоросли, скопления микроорганизмов переливаются всеми цветами радуги, покрывая все солнечные поверхности дна легкой многоцветной вуалью [89] . Большими и малыми куполами и холмами над этой вуалью возвышаются строматолиты. Вода кишит жизнью, одноклеточной и многоклеточной, но на планете нет ни одного животного. Однако генетические и атмосферные часы продолжают тикать, отмеряя время до начала ледяной катастрофы.

89

A. H. Knoll, Life on a Young Planet: The First Three Billion Years of Evolution on Earth (Princeton: Princeton University Press, 2003).

В океанах миллиард лет назад жизнь просто бурлила, тогда как на суше, возможно, она делала лишь первые шаги: всегда деятельные микроорганизмы осваивали первые пруды и болота. В конце концов они заполонили и все влажные места, доступные солнечным лучам и клубам принесенной ветром пыли, достаточно богатой фосфатами и нитратами, чтобы эти малюсенькие одноклеточные микробы разрослись и покрыли все пригодные участки. Жизнь с энтузиазмом колонизировала сушу. И в этом энтузиазме чуть не уничтожила саму себя.

Глава 7

Криогений и эволюция животных:

850–635 миллионов лет назад

Как это уже было в период 2,5–2,4 млрд лет назад, около 750 млн лет назад на Земле похолодало. Причем похолодало настолько сильно, что, как и в конце архейского эона, океаны начали замерзать, сначала с полюсов, а затем все ближе к экватору, пока весь Мировой океан не оказался подо льдом. Земля вновь стала «снежком». В первый раз такое событие привело к настоящей революции в истории жизни на планете при поддержке насыщенной кислородом атмосферы. И в этот раз протерозойские «снежки» (их на самом деле было несколько) были отмечены не менее важным явлением. Нет, не появлением кислорода — появлением животных. И снова не без опасности для всей жизни на планете. Снова жизнь балансировала на грани смерти и самой себя.

Жизнь и «снежки»

Как было рассказано в предыдущей главе, первая «Земля-снежок» (период начался менее чем 2,5 млрд лет назад) возникла в результате деятельности присутствовавших форм жизни: увеличение количества фотосинтезирующих микроорганизмов привело к ослаблению парникового эффекта из-за уменьшения количества углекислоты в атмосфере. Начало второй серии «снежков» совпадает с началом криогения — одного из геологических периодов в долгой истории Земли (о нем мы упоминали в главе 1).

Оба периода «снежков» (каждый состоял из смен замерзания океана и последующего таяния) привели к мощнейшему ослаблению морской органики, поскольку лед блокировал солнечный свет. Таким образом, объем жизни на Земле (измеряется общей массой, называемой «биомасса») уменьшился до самых незначительных показателей по сравнению с периодами до и после «снежков».

Последовательность оледенений и последующих потеплений в совокупности с ослаблением/усилением парникового эффекта в периоды 2,5–2,4 млрд лет назад и 750–625 млн лет назад должна была стать серьезным фильтром в эволюции жизни. Некоторую информацию об этих периодах дают окаменелости, в качестве свидетелей всегда присутствуют акритархи (планктонные организмы, описанные в предыдущей главе), которые то процветали, то почти полностью исчезали.

Известно, что многие организмы реагируют на стрессовые ситуации окружающей среды значительной реорганизацией генома, а любой период «снежка» был более чем стрессовым. Эволюционная значимость таких геномных изменений является предметом горячих обсуждений в области молекулярной биологии. Разнообразные ископаемые останки указывают на появление более усложненных организмов всякий раз после очередного периода «снежка», и этот факт подтверждает мысль, что «снежки» создавали эдакую эволюционную катапульту для запуска больших изменений в развитии сложных и разнообразных форм жизни.

Диаграмма показывает подъемы и спады температуры в периоды под общим названием «Земля-снежок».

Один из наиболее глубоких вопросов относительно периодов «Земли-снежка» — вопрос об их происхождении. В предыдущей главе мы отмечали, что первые (архейские) «снежки», возможно, были спровоцированы бурной деятельностью самих живых организмов, а именно появлением фотосинтеза, который привел к уменьшению парникового углекислого газа. Но для возникновения второго периода «снежков» могли быть совершенно другие причины, возникшие почти через миллиард лет после первых оледенений. Вторая серия «снежков» могла начаться из-за тектонической активности материков того времени [90] .

90

P. F. Hoffman et al., «A Neoproterozoic Snowball Earth,» Science 281, no, 5381 (1998): 1342–46; F. A. Macdonald et al., «Calibrating the Cryogenian,» Science, 327, no. 5970 (2010): 1241–43.

Неопротерозойские оледенения (как и архейская первая серия, она характеризовалась множеством сменяющихся замерзаний/таяний) произошли спустя около 40 млн лет после того, как суперконтинент Родиния, образовавшийся из-за великого материкового слияния, начал распадаться.

Суперконтиненты обладали засушливым климатом, потому что большая часть суши находилась вдали от океанов. Напротив, когда континенты, а особенно суперконтиненты дробятся, сухие климатические регионы обретают морской климат и создают широкие возможности для повышенного химического выветривания. Химическое выветривание кремниевых пород приводит к быстрому падению уровня углекислого газа в атмосфере. С уменьшением количества CO₂ снижается и температура. Возможно, во второй раз «снежки» образовались не из-за жизни, а под воздействием неорганических химических процессов.