«Евангелие от LUCA. В поисках родословной животного мира»
LUCA (Last Universal Common Ancestor) — последний общий предок всех живых организмов. Биоинформатика получила наиболее точную картину в 2016 году. Результаты были кратко обсуждены в статье «Все от Луки». О том, как биологи могут точно определять родственные связи между животными и восстанавливать их эволюционные пути, в книге «Евангелие от Луки. В поисках родословной животного царства» (издательство «Альпина нон-фикшн»), биолог Максим Винарский заявляет. . Организационный комитет премии «Просветитель» включил эту книгу в «длинный список» из 25 книг, из которых будут выбраны финалисты и победители. N+1 предлагает читателям ознакомиться с отрывками о структуре палеонтологической летописи Земли и появлении первых представителей современных видов животных.
И погрузились морские пресмыкающиеся в воду».
Я изучил дно моря, оно пустынно и темно, и только ностальгические морские тараканы ползают там, морские звезды горят там, морские змеи издают шипящий звук…
Леонид Мартынов. Дно моря.
Уже более 200 лет продолжается изучение каменистой записи земной коры, включая остатки живых организмов (окаменелости). Одним из первых важных ранних открытий стало осознание того, что окаменелости распределены в слоях земной коры не беспорядочно, а в строгом порядке. Только строго определенные типы окаменелостей встречаются в пластах, соответствующих определенным геологическим периодам, например, девонскому или меловому, и ни один или немногие из них не встречаются в пластах других периодов. Викторианские джентльмены с геологическим молотком, такие как Чарльз Смитсон, персонаж романа Джона Фаулза «Жена французского лейтенанта», хорошо знали это. Эта особенность палеонтологической летописи имеет большое практическое значение, поскольку, изучая окаменелости, можно определить, к какому геологическому периоду относятся вмещающие их породы. Этим занимается специальная отрасль науки — биостратиграфия. Геологи, специализирующиеся на разведке полезных ископаемых, хорошо понимают его важность. Собирают и изучают окаменелости не только геологи-любители, такие как вымышленный Смитсоновский институт, но и целые организации, занимающиеся геологическими исследованиями.
Причина такого порядка заключается в том, что на протяжении истории Земли осадочные породы постепенно разрушались с течением времени, образуя своего рода гигантский сплеск, состоящий из песчаника, известняка, мергеля и других пород. Мощные тектонические силы неоднократно деформировали верхние горизонты земной коры и нарушали правильную последовательность слоев, но усилия геологов на протяжении веков не были напрасными. Им удалось создать единую планетарную последовательность геологических эпох и периодов (геологическую возрастную шкалу), определить даты начала и окончания каждого подразделения и описать специфическую флору и фауну каждого из них.
На Земле такого нет и никогда не будет, но представьте, что где-то есть очень глубокий каньон, стены которого образованы осадочными породами, сформировавшимися за последние миллиарды лет. Предположим, что серия седиментации там никогда не прерывалась надолго. В этом случае вымышленный гиперканвас будет содержать всю палеонтологическую летопись на тот момент времени.
Пусть начнется духовный спуск на дно гигантского каньона. Слои, расположенные ближе всего к поверхности, должны были сформироваться в нынешнюю геологическую эпоху (голоцен). Представленные в них останки растений и животных относятся только к современным видам. На самом деле, они жили тысячи лет назад и являются нашими современниками. Чуть ниже находится слой, сформировавшийся в четвертичном периоде. Давайте сделаем еще одно предположение. Предположим, что наш каньон находится где-то на юге Сибири. В этом случае четвертичные пласты принесут окаменелости, принадлежащие видам, которые определенно вымерли во время ледникового периода, таким как мамонт, кенийский носорог и пещерная гиена.
Следовательно, чем глубже мы спускаемся, тем более древних и отличных от современных существ мы будем встречать. Речь, конечно, идет об окаменевших костях, зубах, чешуе и раковинах. Примерно на третьей части нашего спуска остатки крупных млекопитающих исчезают, заменяясь останками гигантских рептилий мезозойской эры. Монголы называли их луньями, что означает «кости дракона». В этих слоях можно достоверно обнаружить окаменелые раковины аммонитов и «пальцы дьявола», кости ихтиозавров и плезиозавров, а также внутренние скелетные останки их родственников — кальмароподобных белемнитов (оба вида относятся к головоногим моллюскам). . Ископаемые рептилии в нижних слоях замещаются костями амфибий, которые также исчезают, так что единственными позвоночными в этих слоях остаются рыбы (во многом не похожие на современных). Наконец, примерно на две трети пути вниз, что соответствует примерно 515 миллионам лет накопления осадочных пород, нашими спутниками являются в основном относительно примитивные и не очень крупные беспозвоночные (трилобиты, моллюски, археи). Позвоночных вообще нет.
Спускаемся еще на несколько сотен метров, и все вокруг резко меняется. Подобно палочке злого волшебника, окаменелые скелеты (раковины, раковины конхов, дома) исчезнут, и будут найдены только останки странных существ, напоминающих окаменевшие листья. Конечно, в отложениях могут содержаться и микроскопические окаменелости, но для их поиска нужен хороший микроскоп, лучше всего электронный.
Эта резкая граница, характеризующаяся внезапным исчезновением окаменелостей животных современного типа, однажды заставила экспертов разделить всю геохронологическую шкалу на два неравных по продолжительности отрезка. Верхняя часть, где в изобилии встречаются крупные окаменелости, была известна как фанерозой (буквально «век проявленной жизни»). Она началась в кембрии, примерно 540 млн лет назад, и продолжалась около 55 млн лет.
Все пласты, сформировавшиеся до кембрия, относятся к нерасчлененной эпохе («эпохе потенциальной жизни»), также известной как докембрий. Все эволюционные события, описанные в предыдущих главах, от возникновения LUCA до первых метазоанов, произошли в докембрии, который длился около 4 миллиардов лет.
Быстрый переход от криптозоя к фанерозою всегда интересовал палеонтологов. Чарльз Дарвин, увлеченный изучением геологии, признался, что так и не смог дать удовлетворительного объяснения этому явлению. Это беспокоило его, потому что «внезапное» появление, словно из ниоткуда, ряда новых и полностью сформированных типов и порядков животных часто использовалось как аргумент против его теории эволюции. Во времена Дарвина вообще не было известно об окаменелостях животных из докембрийских отложений, и только в 1947 году в Этиакаре на юге Австралии было объявлено о первых открытиях послеапикальных животных. Это одно из самых важных палеонтологических открытий прошлого века.
Хотя несомненно, что жизнь на Земле существовала и процветала задолго до кембрийского периода, «кембрийский взрыв», как его любят называть палеонтологи и специалисты широкого профиля, остается одной из самых обсуждаемых эволюционных загадок. Как получилось, что действительно в течение примерно 25-30 миллионов лет (очень быстро по геохронологическим меркам) на каменной странице появились представители почти всех современных видов животных, имеющих скелетную структуру? Хроника Мирового океана? Это моллюски, членистоногие, хордовые, иглокожие и многочисленные переходные формы, причем даже неясно, к какому типу они относятся. Единственным очевидным исключением является филум Mossiformes, который процветал в посткембрийский и ранний ордовикский периоды. Этот богатый зоопарк плавающих, ползающих, роющих землю существ (описаны сотни видов и родов!) на страницах летописи от 550 до 515 миллионов лет назад. .
Возможное объяснение заключается в том, что представители основных типов беспозвоночных появились задолго до докембрийского «взрыва», но до сих пор они были маленькими, невзрачными и не имели внешнего или внутреннего скелета. Таким образом, они не могли стать жертвой палеонтологов. Но почему, в таком случае, это было «хорошее время» (но длившееся миллионы лет) для приобретения раковин, домов, хитиновых оболочек и подобных твердых структур? Эта великая скелетная революция была одним из самых ярких проявлений «кембрийского взрыва».
Существует два подхода к решению всех этих научных головоломок. Первая, традиционная, заключается в детальном изучении окаменелых останков, анатомического строения и эмбрионального развития современных животных. Вторая — это попытка использовать все современные молекулярно-генетические инструменты, как можно легко предположить.
Оба подхода были рекомендованы и привели ко многим интересным гипотезам, но, как это часто бывает, результаты этих независимых методов могут быть взаимно противоречивыми.
Загадка №1: Когда и как появились первые представители современных видов животных?
Молекулярные данные, полученные разными методами в разных лабораториях, единодушно подтверждают, что многоклеточные животные (metazoans) являются монофилетической группой, будь то фаготрофная рыба-меч или другой неизвестный организм, от предка, возникшего однажды в ходе эволюции. К сожалению, даже с помощью молекулярных часов пока не удалось более или менее точно датировать это событие. Одно из последних и более тщательных исследований дало лишь приблизительную оценку, согласно которой постапоптотические животные появились между 833 и 650 миллионами лет назад. Появление первых животных должно относиться к периоду между 746 и 578 млн лет назад, т.е. задолго до Кембрийского взрыва. Таким образом, скелетная революция была относительно поздним событием в эволюции животных, большинство многоклеточных форм на момент ее начала имели возраст 100 млн лет или более.
