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.

---

Коллеги Кампа сделали некоторые предварительные вычисления и были поражены, обнаружив, что объемы сероводорода, присутствующие в атмосфере позднего пермского периода, почти в две тысячи раз превышали современный объем выбросов этого газа (в основном за счет вулканов) — более чем достаточно, чтобы содержание сероводорода в атмосфере достигло смертельного уровня.

Еще кое-что: озоновый слой, оберегающий все живое от опасных ультрафиолетовых лучей, также, вероятно, пострадал. То, что в конце перми это действительно произошло, можно доказать, например, наличием мутаций в ископаемых того периода, найденных в Гренландии, — такие изменения могли произойти лишь в результате сильного воздействия на организмы ультрафиолета, а значит, существовали явные нарушения озонового слоя.

Сегодня мы наблюдаем озоновую дыру над Антарктидой, под которой быстро уменьшается количество фитопланктона. Если таким образом одно из звеньев пищевой цепи будет уничтожено, то вскоре пострадают и животные более высокого уровня. Полное уничтожение озонового слоя могло произойти и в результате бомбардировки Земли частицами от близкой к нашей планете сверхновой звезды, и это тоже привело бы к массовому вымиранию.

Наконец резкое увеличение объемов метана в атмосфере резко усилило бы парниковый эффект из-за возрастания концентрации углекислоты и самого метана. Сероводород улетучивается в атмосферу и разрушает озоновый слой, одновременно парниковые газы повышают температуру на планете — убийственность сероводорода возрастает вместе с температурой. Массовые вымирания, таким образом, могли возникать как реакция на последствия гибельных, хотя и кратковременных событий в окружающей среде.

До этого момента мы рассматривали лишь те данные, которые получили, исследуя различные породы. Но давайте вспомним теперь и о другом способе получения информации о прошлом — о моделях атмосферы прошлых периодов. Существует несколько типов таких моделей, и многие вполне годятся для прогноза состояния атмосферы в будущем.

Для пермского периода такая модель создана, она показывает концентрации атмосферного кислорода, углекислого газа, а также возможные мировые температуры. Впервые изменения уровня атмосферного кислорода и углекислоты были установлены коллегой из Йельского университета Робертом Бернером. Он и его сотрудники обнаружили, что в конце перми должны были одновременно произойти резкое увеличение уровня углекислого газа и падение уровня кислорода. Затем Ли Камп и его исследовательская группа проделали длительную и сложную работу, чтобы установить возможное распределение выбросов сероводорода на планете. Для этого они использовали модель общей циркуляции (МОЦ). Такие модели первоначально создавались для изучения условий современной погоды и климата. Но поскольку нам известно местоположение континентов для определенного момента в конце пермского периода и триаса, а также температуры и уровни кислорода и углекислого газа в атмосфере и океане, то эти модели можно применить и к условиям пермского периода.

Камп рассудил, что ключевым элементом должен быть фосфор. Это ключевой питательный компонент, и если окажется, что уровень фосфора в океане в конце пермского периода увеличился, то объем сероводорода также можно вычислить, исходя из концентраций тех, кто фосфор потребляет, — серных микроорганизмов.

Выброс сероводорода произошел не один раз, это была последовательность выбросов, совпадающих по времени с границами пород перми и триаса по всему миру. Выводы Кампа довольно мрачны: модель показывает не только места выбросов сероводорода в океан и воздух, но также полностью подтверждает рассчитанные им в 2005 году объемы сероводорода, выброшенного в атмосферу: концентрация данного газа была так высока, что погибла почти вся сухопутная жизнь, уровень сероводорода в морской воде привел к гибели многих организмов, обитавших в верхних слоях океанов, особенно тех существ, которые создают известковые образования: кораллов, двустворчатых моллюсков, плеченогих, мшанок — все они стали жертвами крупнейшего вымирания.

После публикаций работ Кампа и его коллег многие другие исследователи, например, Том Альджо из Университета Цинциннати, дополнили информацию о химических аспектах пермского массового вымирания[175].

Влияние высоты обитания на развитие и распространение видов

Исследования массовых вымираний не являются новым направлением в науке. На самом деле это было первое направление, с которого вообще началась геология как наука в первые годы XIX века. Современная новизна исследований заключается лишь в том, что мы рассматриваем влияние микроорганизмов на самое крупное массовое вымирание — пермское, а возможно, их влияние на все пять крупнейших вымираний в фанерозое.

Вопрос же о последствиях массовых вымираний, напротив, является относительно новой научной проблемой, причем одной из основных для эволюционной биологии и палеобиологии. Мы уже знаем, что чем масштабнее вымирание, тем сильнее отличие жизни после него от жизни до него. И речь идет не только о периоде, непосредственно следующем за событием вымирания, — первые несколько тысяч или миллионов лет. Иной раз возникают новые эволюционные направления, генетические ветви, развитие которых занимает потом десятки миллионов лет, и порой эти изобретения эволюции остаются на планете навсегда.

Изменения уровня кислорода лишь недавно признали как важный фактор миграции видов и межпопуляционной гибридизации. Горные цепи зачастую являются барьерами для обмена генами, а это приводит к образованию различных биосистем по разные стороны горного массива. В конце пермского периода обитателям областей непосредственно на уровне моря приходилось дышать так, как если бы сегодня они находились на уровне пяти тысяч метров над уровнем моря (выше, чем гора Реньер в Каскадных горах в штате Вашингтон). Таким образом, даже небольшие высоты в пермский период усиливали «высокогорный» эффект: скромные по высоте холмы являлись областью, неподходящей для обитания животных. В результате животный мир оказался разграничен на множество областей у морских побережий, где обитали эндемичные организмы.

Высокие плато на континентах, возможно, были вовсе необитаемы, исключение составляли самые стойкие к большим высотам животные. Но эта гипотеза противоречит ожидаемому поведению континентов: 250 млн лет назад континенты были объединены в один гигантский суперконтинент Пангея, и Атлантический океан не должен был мешать свободному перемещению наземных животных с одного края континента на другой. Однако существовал другой барьер — большая высота, которая серьезно препятствовала миграции, и новейшие исследования позвоночных того периода доказывают, что свободного перемещения групп организмов тогда не было, но существовали отдельные экосистемы, по крайней мере на суше.

Работы, проведенные в конце XX и начале XXI века многими исследователями — Роджером Смитом, Дженнифер Бота, Питером Уордом (соавтором данного труда) в пустыне Карру, Майком Бентоном в России, Кристианом Сайдором в Нигере[176], — доказывают существование таких, не связанных друг с другом, экосистем, например, в Африке. Данные биологические сообщества являлись весьма специфичными и не походили друг на друга по видовому составу. Получается, что в период низкого уровня кислорода высота над уровнем моря создавала дополнительное препятствие для миграций и потока генов[177]. Совсем по-другому обстояли дела в периоды с высоким уровнем кислорода: фауна не была привязана к отдельным областям, и изолированные сообщества организмов были немногочисленны.

Дефицит кислорода привел не только к ослаблению миграции, но и к тому, что многие области, находившиеся в поздний пермский период и в триасовый период на высоте более тысячи метров над уровнем моря, оказались необитаемы. Этот эффект — влияние высоты на распространение организмов по суше — мог в значительной степени определять жизнь животных в условиях низкого содержания кислорода в атмосфере. Сокращение мест обитания из-за невозможности заселения высотных областей привело к тому, что многие животные либо мигрировали к морям, либо вымерли. Усилилась борьба за территорию и ресурсы, в прибрежных регионах появились новые хищники, паразиты и болезни, что в свою очередь привело к вымиранию некоторых видов и там. Мы подсчитали, что к концу перми более 50 % земной суши из-за своих высотных характеристик оказалось непригодным для обитания. Возможно, вымирание произошло по причинам, давно изложенным в книге Макартура и Уилсона The Theory of Island Biogeography («Теория биогеографии островов»): разнообразие видов имеет отношение к территории обитания, и если остров или какая-нибудь ограниченная территория становится меньше, животные начинают погибать. Влияние высоты на развитие и распространение жизни подтверждает этот научное положение.