Существование первых многоклеточных организмов остается вопросом оживленных дискуссий. В новой научной работе палеонтологи рассматривают новаторскую гипотезу, которая может прояснить некоторые противоречия в этой сфере. Согласно ей, первые экосистемы, включавшие многоклеточные организмы (в частности, так называемый перевернутый бентос), сформировались значительно раньше, чем предполагалось ранее — в сложных условиях позднего протерозоя, когда Земля пережила, как минимум, два глобальных оледенения, охватившие территорию от полюсов до экватора.
Появление первых животных (на латыни — Metazoa) переход от одноклеточных организмов к многоклеточным — одно из важнейших событий в процессе эволюции биосферы. Этот переход произошел относительно не давно: хотя первые формы жизни появились более 3,4 миллиарда лет назад, наиболее древние животные (или организмы, очень похожие на них) сформировались лишь 600-800 миллионов лет назад — вероятно, немного раньше.
В течение большей части своего существования биосфера Земли состояла преимущественно из прокариотов и одноклеточных эукариотов. Затем эта «планета микробов» претерпела радикальные изменения, и дальнейшая эволюция определялась развитием многоклеточных организмов: животные, различные грибоподобные организмы, водоросли и растения. Спустя пару-тройку сотен миллионов лет, уже в раннем палеозое, они начали осваивать сушу и создали огромное разнообразие наземных и почвенных экосистем.
С чем был обусловлен переход от одноклеточности к многоклеточности? Этот сложный вопрос продолжает вызывать дискуссии среди биологов и палеонтологов. Согласно геологической летописи, первые многоклеточные животные возникли 572-602 миллиона лет назад. Однако, биоинформатика, которая реконструирует эволюционные процессы, предлагает иные данные последовательностей Согласно анализу ДНК современных животных (методом «молекулярных часов»), многоклеточная жизнь появилась на 250-286 миллионов лет раньше.
Существуют значительные расхождения в определениях сроков. Кроме того, вопросы возникают в связи с обнаружением некоторых губок и других организмов, датируемых возрастом более 800 миллионов лет, однако достоверность этих данных вызывает сомнения.
Для понимания этой неопределенности и решения вопроса о ранней эволюции многоклеточных организмов, ученые из Великобритании изучили влияние факторов окружающей среды на эти отдаленные события. В частности, они сосредоточились на сильных, глобальных оледенениях, поскольку именно в конце протерозоя Земля дважды становилась «планетой-снежком).
Наиболее ранние, детально задокументированные и демонстрирующие значительное разнообразие формы многоклеточной жизни относятся к эдиакарскому периоду (541-635 миллионов лет назад), последнему в протерозойское эре. Это были в высшей степени странные существа, похожие на плетеные циновки, закрученные трехлучевые звезды и фракталы из живой плоти — их назвали вендобионтами. В отличие от более поздних жителей Земли, эдиакарцы сохранились исключительно в виде отпечатков мягких тканей — скелетов у них не было.
Происхождение обитателей эдиакарских морей не менее загадочно, чем сами эти обитатели. Около 600 миллионов лет назад они уже встречались в различных регионах Земли — от Белого моря до побережья Намибии и канадского Ньюфаундленда (которые в то время располагались в совершенно иных географических координатах, чем мы привыкли видеть их сейчас).
«До «классических» обитателей эдиакарских морей существовали другие, отличавшиеся от них, но также достаточно крупные лантианская биота, известная только из отложений в Китае. Когда же однообразный мир бактерий и прочих микробов населили многоклеточные? Может, в тот период неопротерозоя, который предшествовал эдиакарскому, — в криогений?
Криогений, период, охватывающий от 635 до 720 миллионов лет назад, ознаменовался сложными условиями для живых организмов: на протяжении большей части этого времени Земля представляла собой «снежный шар», полностью покрытый глобальным оледенением. Мощные ледяные массы, достигавшие в среднем километра толщиной, образовались от полюсов и распространились настолько, что соединились на экваторе. В отдельных районах лед мог содержать полыньи или был относительно более тонким.
Криогений начался с масштабного стертского оледенения, которое ознаменовало начало этого периода 720 миллионов лет назад и продолжалось 50–60 миллионов лет. Завершило же этот период следующее мариноанское оледенение, длившееся 15 миллионов лет. Таким образом, на протяжении 75 из 85 миллионов лет общей продолжительности криогений Земля находилась в состоянии глубокого оледенения.
Криогения гаскиерское оледенение, последовавшее за эдиакарием, выглядит относительно мягким, учитывая экстремальные морозы того периода: оно длилось «всего» 340 тысяч лет и характеризовалось распространением ледников до субтропических широт. Этот период оледенения также называют «слякотная Земля» (slashball Earth).
Позднепротерозойская мерзлая Земля, мягко говоря, не представляется благоприятной средой для развития новых организмов. Однако это не совсем соответствует действительности, и авторы подробно об этом рассказывают новой статьи в журнале Global Change Biology.
Оценив драматические события на Земле, произошедшие в период криогения, они подчеркивают, что именно этот период мог стать площадкой для уникального эволюционного скачка – возникновения многоклеточности. Неблагоприятные условия криогения, вероятно, сыграли роль в этом процессе.
В качестве отправной точки, авторы использовали аналогию с современными полярными экосистемами, а именно — Антарктиды (эти экстремальные условия и окружающие их шельфовые и плавучие ледяные образования существовали под двухкилометровым слоем льда на протяжении более 15 миллионов лет. Подобные среды обитания и их обитатели напоминают планету эпохи криогения и, в особенности, гаскинского оледенения в эдиакарский период.
Фотосинтез невозможен под толстым слоем льда (более 20 метров), и доступ кислорода существенно ограничен. Тем не менее, в настоящее время в Антарктиде в подобных условиях наблюдается процветание сообщества микробов, связанные с ними неподвижные фильтраторы и активные хищники. Подобные экосистемы могут формироваться даже на расстоянии сотен километров от ближайшей полыньи, к тому же в темноте.
Местные обитатели получают питание либо за счет органических остатков (детрита), которые доставляются потоками воды из других мест, либо посредством хемосинтеза – использования энергии химических реакций, осуществляемых автотрофными прокариотами. Подобная ситуация, возможно, имела место и в позднем протерозое.
Данное предположение частично проясняет аномально ранние оценки, полученные с помощью метода «молекулярных часов», которые указывают на существование многоклеточных организмов в более ранний период, чем считалось ранее, и на их активное формирование новых систематических групп.
В статье также выдвинуто оригинальное предположение о том, что некоторые эдиакарские экосистемы могли образовываться… под водой у нижней поверхности льда. К нему могли крепиться специализированные организмы-фильтраторы, такие как чарнии ( Charnia sp.), прочих рангеоморф и другие удивительные вендобионты.
Подобное сообщество можно условно обозначить как «перевернутое бентосным», в котором лед наверху выполняет функцию «дна». Аналогичные экосистемы найдены в современной Антарктике: в них к поверхности льда снизу прикрепляются анемоны Edwardsiella andrillae и некоторые равноногие ракообразные. Там же обнаружены бактериальные сообщества и питаются плавающие хищники.
Помимо этого, дно эдиакарских морей на значительной глубине также могло поддерживать жизнь — благодаря поступлению кислорода с опускающимися с поверхности солеными водами. Тонущая органика могла служить источником питания для бентоса, обитающего там. Как следует из статьи, глубоководные области океана представляли собой более защищенное место для самых первых животных, благодаря меньшему риску повреждения льдом, это место могло стать отправной точкой для распространения животных в другие районы.
По мнению ученых, океан позднего протерозоя характеризовался активным перемешиванием на значительных глубинах.
Переносить современные антарктические процессы на древние замерзшие моря возможно лишь с определенными ограничениями. Тем не менее, важно учитывать, что ключевые экологические закономерности, определяющие взаимоотношения живых организмов и их окружения, универсальны и применимы в различных регионах Земли и на протяжении всей геологической истории.
Аналогичная концепция может быть применена и к явлениям, происходящим за пределами Земли. Известно, что под толстым слоем льда у газовых гигантов существуют обширные океаны, например, на Европе, Каллисто и Ганимеде (спутниках Юпитера) и Энцелад, вращающийся вокруг Сатурна. Нельзя исключать возможность возникновения подобных условий и в отдаленных космических пространствах, благоприятных для развития примитивных форм жизни. Установлено, что некоторые из этих лун, напоминающие древние «Земли-снежок», обладают вулканической активностью, гейзерами и содержат биогенные элементы — важные ингредиентов «рецепта живой клетки».