Питер Уорд - Новая история происхождения жизни на Земле

• Название: Новая история происхождения жизни на Земле
• Автор: Питер Уорд
• Издательство: Питер
• Жанр: Биология
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-496-02014-5

Общепринятая история происхождения жизни на Земле устарела. Двое ученых, Питер Уорд и Джозеф Киршвинк, предлагают книгу, в которой собраны все выводы последних исследований. Авторы показывают, что многие наши прежние представления об истории происхождения жизни неверны. Во-первых, развитие жизни не было неторопливым, постепенным процессом: катаклизмы способствовали формированию жизни больше, чем все остальные силы вместе взятые. Во-вторых, основа жизни — углерод, но какие еще элементы определили ее эволюцию? В-третьих, со времен Дарвина мы мыслили в категориях эволюции видов. На самом деле имела место эволюция экосистем — от подводных вулканов до тропических лесов, — которые сформировали мир, каким мы его знаем. Опираясь на свой многолетний опыт в палеонтологии, биологии, химии, астробиологии, Уорд и Киршвинк рассказывают историю жизни на Земле, такую фантастическую, что ее трудно представить, и в то же время такую знакомую, что нельзя пройти мимо.

---

Кембрийские иглокожие составляют группу очень странных маленьких существ, похожих на коробочки. Среди самых древних иглокожих в отложениях находят любопытные формы: похожих на сосновые шишки животных-гелиоплакоид, примитивных эокринодей и эдриоастероидей.

Более распространенными, чем иглокожие, были моллюски. Большинство из них в кембрийский период были маленькими, в кембрийском субстрате найден каждый из основных классов: брюхоногие, двустворчатые, головоногие. Самыми распространенными моллюсками тем не менее являлись моноплакофоры (сегодня это немногочисленный класс). У них присутствовали блюдцеподобная раковина и тело улитки с широкой ногой, позволяющей ползать. Что интересно, из всех моллюсков того времени только у них тело имело признаки сегментации. При рассмотрении ископаемых останков и сравнении их с современной анатомией живых форм можно заметить, что у кембрийских моноплакофор, по-видимому, были множественные жабры. Современные брюхоногие имеют одну пару жабр или даже одну-единственную жабру. Но для кембрийских моноплакофор оказалось важным обзавестись множеством жабр. Эти организмы пользуются уважением как предки моллюсков, давшие жизнь всем прочим: и брюхоногим, и головоногим, и двустворчатым, а также многим классам других, менее распространенных моллюсков.

Долгое время моноплакофоры считались вымершими в конце пермского периода, но в 50-х годах XX века на большой глубине обнаружили живых представителей этого класса, что позволило получить более широкое представление о жизни ранних моллюсков. Живущие сегодня формы подтверждают, что следы на окаменелостях внутренних сторон раковин древних моноплакофор все-таки являются следами более чем одной пары жабр. В действительности множество пар мышц идут по всей длине внутренней поверхности раковин. Это дает основание полагать, что древние формы моноплакофор имели очевидную сегментацию или, по крайней мере, систему повторяющихся жабр и кровеносных сосудов. Поскольку эти жабры, а также кровеносная и фильтрующая системы демонстрируют регулярное повторение по всей поверхности тела, можно заключить, что, как и у членистоногих, такое строение было результатом приспособления к условиям, когда необходимо было прогонять через тело много воды. Сегодня похожее повторение структуры, распространяющееся даже на раковину, можно обнаружить у некоторых моллюсков, во множестве обитающих в прибрежной зоне.

Как и тело иглокожих, раковина плеченогих почти полностью заполнена водой. Внутри очень мало плоти, и она постоянно соприкасается с потоком морской воды. Плеченогое лофофора создает несколько потоков, которые проникают по сторонам раковины внутрь, проходят по телу организма, а затем выталкиваются через переднюю сторону раковины. Эта постоянная смена воды внутри плеченогих выполняет ту же функцию, что и потоки, проходящие сквозь губки. Малый объем и большая поверхность тела в совокупности с постоянным потоком воды (объем воды во много раз превышает внутренний объем раковины) делают плеченогих хорошо приспособленными к условиям с малым количеством кислорода.

Физические и химические причины кембрийского взрыва

Ранее в этой книге мы уже отмечали появление совершенно новых научных направлений, самыми заметными из которых являются астробиология и смежная с ней дисциплина — геобиология. Однако есть еще одна научная отрасль, развивающаяся в русле самых традиционных теорий биологической, точнее, эволюционной направленности, но претерпевшая столь значительное переосмысление, что считается новой наукой. Последователи этого направления называют его «эво-дево». Это настоящий прорыв в области эволюционной биологии развития, и представителям этого направления, исходя из исследований последних 10 лет, есть что сказать по поводу кембрийского взрыва. Один из известнейших представителей эво-дево Шон Кэрролл предлагает нам необычное путешествие в эту область на страницах своей книги 2005 года Endless Forms Most Beautiful («Бесконечное число самых прекрасных форм»[118]). Основную тему книги можно сформулировать следующим образом: сегодня наука в состоянии лучше понять неразрешимую до этого проблему эволюционной биологии — происхождение новых форм. В рамках традиционной, дарвинистской, теории эволюции факт быстрого появления новых видов объяснить было невозможно. Радикальные новшества эволюции — крылья, ноги для ходьбы по земле, сегментация членистоногих и даже большие размеры, что является отличительной характеристикой кембрийского взрыва, — нельзя было объяснить лишь многочисленными и неожиданными мутациями, которые обновляли и изменяли весь организм в целом. Кажется, в рамках эво-дево удалось решить этот вопрос, и в своей книге Кэрролл перечисляет четыре аспекта, в совокупности позволяющие трактовать внезапные эволюционные нововведения и четко сформулировать новый способ объяснения кардинальных перемен в развитии жизни.

Первый так называемый (по Кэрроллу) секрет нововведений — это «работа с тем, что уже есть». Основная идея: «природа — умелец-самоучка». Нововведения не обязательно требуют нового набора инструментов. Использовать то, что есть под рукой, — самый простой путь. Второй и третий «секреты» были хорошо понятны и самому Дарвину: многофункциональность и избыточность.

Многофункциональность предполагает, что уже существующая морфологическая или физиологическая структура взяла на себя вторую, дополнительную функцию. Избыточность понимается как наличие нескольких структур для выполнения одной функции. Если для появления нового вида деятельности подключается один из этих двух секретов, а прочие части организма при этом функционируют как обычно, то открывается хорошая возможность для нововведения, и это путь гораздо проще, чем создание совершенно нового организма с нуля. Функции плавания и дыхания у головоногих это как раз такой случай. Головоногие перекачивают огромные объемы воды через жабры и подобно многим беспозвоночным используют отдельные «трубки» или каналы для подвода и отвода воды, чтобы обеспечить продвижение насыщенной кислородом воды. Но благодаря небольшому морфологическому «усовершенствованию» этих трубок появилось новое средство передвижения. Дыхание и движение могут теперь осуществляться с использованием одного и того же объема воды и для дыхания, и для перемещения в пространстве.

Последний секрет — модульность конструкции. Животные типа членистоногих и даже, хотя и в меньшей степени, позвоночные уже состоят из сегментов-модулей. Конечности, растущие из сегментов членистоногих, удивительным образом модифицировались в соответствии с разными функциями: питание, спаривание, движение и др. Членистоногие, как швейцарский нож, в каждом сегменте имеют несколько элементов различного предназначения. Это правило верно и для позвоночных, таких как мы: у нас есть отростки, которые натренированы для различных целей — ходить, плавать, летать. Не так уж плохо для таких, казалось бы, примитивных пальцев на руках и ногах! Каким образом работает эво-дево? Оказывается, эти морфологические секреты являются тонкой шлифовкой для морфологических изменений, поскольку они основаны на системах генетических «включателей», которые расположены у развивающегося эмбриона в тех же местах, что и различные конечности у членистоногого (или позвоночного).

Включатели в данном случае — основной элемент, они сообщают различным частям тела, когда и где расти. То, что определенная последовательность отделов тела членистоногих, от головы до брюшка, заложена в хромосомах и проявляется в эмбрионе, стало одним из величайших открытий в науке. В основном это заслуга гомеозисных генов — драгоценных жемчужин среди прочих открытий направления эво-дево (они могут по — разному называться у разных таксономических групп, но присутствуют в том или ином виде у всех).

Многочисленные открытия эво-дево, безусловно, помогают ответить на многие вопросы истории развития жизни на Земле, в том числе раскрыть тайну кембрийского взрыва: когда и как появились разнообразные типы животных, известные сегодня, иными словами, их разнообразные морфологические типы.

Уже давно существуют два научных направления, в рамках которых изучается эта проблема. В русле первого полагается, что окаменелости дают нам истинную картину того, когда на самом деле возникла такая огромная дифференциация животных — около 550–600 млн лет назад. Сторонники второго предлагают рассматривать результаты сравнения генов — существующих и древних типов — и утверждают, что на протяжении более полумиллиарда лет животные существовали, но не оставляли окаменелостей, что на самом деле не было никакого эволюционного взрыва. Новейшие исследования показывают, что взрыв многообразия произошел где-то 700 млн лет назад или немного позже. Используя понятие «молекулярных часов», представители второго направления около двух десятилетий назад предположили, что более миллиарда лет назад в царстве животных произошло фундаментальное разграничение на два типа: первичноротые и вторичноротые. Эти две группы уже на уровне эмбрионов фундаментально различаются анатомически, а также принципами развития.