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.

---

До недавнего времени складчатые легкие крокодилов и аллигаторов считались относительно примитивными, а потому малоэффективными. Но затем нам пришлось пересмотреть наши представления о дыхательных возможностях современных организмов, а также сформировать совершенно новое видение эволюции рептилий в период пермского массового вымирания и далее — в течение триаса.

Самый неэффективный способ дыхания — у млекопитающих, у них (у нас) вдох-выдох осуществляется через один и тот же канал. Неэффективность обусловлена столкновением молекул газа в момент окончания выдоха и начала вдоха. При любом ускорении дыхания возникает хаотичное столкновение выдыхаемого воздуха на его пути наружу с начинающим поступать внутрь воздушным потоком, и некоторое количество выдыхаемого воздуха — с большей концентрацией CO2 и меньшей — O2 — снова устремляется в легкие. Долгое время полагали, что крокодилы испытывают ту же трудность. Однако в 2010 году было обнаружено, что на самом деле крокодилы используют отдельный односторонний воздушный проход, схожий с аналогичным органом птиц и динозавров. Новые данные касаются также того, что у древних пермских и триасовых предков рептилий, которые в конце концов породили современных птиц и крокодилов, а также вымерших динозавров, органы дыхания были куда более эффективными, чем у их современников-терапсид (прародителей млекопитающих). Те древние предки современных рептилий и птиц прошли сквозь горнило пермского вымирания благодаря двум серьезным преимуществам: они были холоднокровными и способными извлекать из воздуха больше кислорода, чем млекопитающие (чем рептилии, породившие потом млекопитающих). Нас, млекопитающих, подставили! У нас никогда не было больших шансов выиграть в борьбе за выживание в периоды вымираний, не говоря уж об экологическом господстве. Млекопитающие мезозоя были не больше крыс, и им было по-настоящему страшно — кругом одни динозавры!

Система воздушных мешков у птиц

Итак, в конце предыдущего раздела мы обсуждали складчатые легкие — один из типов легких у сухопутных позвоночных. Лучшим примером такого типа легких и дыхания в целом может служить система дыхания птиц. В данной системе сами легкие малы и почти неподвижны. Легкие птиц, в отличие от легких млекопитающих, лишь незначительно расширяются и сжимаются при каждом вдохе-выдохе. Тем не менее грудная клетка интенсивно работает. Ребра, которые находятся ближе всего к тазовой области, присоединены к нижней части грудины таким образом, чтобы птицы могли очень легко двигаться, подобное устройство играет крайне важную роль во всей системе. И это еще не все отличительные признаки системы дыхания птиц. В отличие от современных рептилий и млекопитающих, легкие птиц снабжены дополнительными воздушными мешками, что делает дыхание очень эффективным, и вот почему: млекопитающие (и все другие нептицы) вдыхают воздух в легкие и выдыхают из них, и в этом — весь цикл вдоха-выдоха. У птиц все происходит по более расширенной схеме.

Когда птица делает вдох, воздух сначала поступает в систему воздушных мешков, затем проходит собственно в легкие, но не через трахею, а через проход из воздушного мешка, и при выдохе покидает легкие. Односторонний проход воздуха через легочные мембраны позволяет решить проблему движения разнонаправленных потоков: воздух идет в одном направлении, кровь в сосудах, проходящих через легкие, — в другую. По сравнению с легкими, в которых лишь один путь для поступления воздуха и последующего выдоха, такая сквозная система, как у птиц, намного более результативна для поглощения кислорода и освобождения от углекислого газа.

Птиц вскрывали и анализировали их анатомию в течение многих веков, поэтому странным кажется то, что полное понимание системы воздушных мешков сложилось лишь к 2005 году. Два специалиста по птицам, Патрик О’Коннор и Леон Клэссенс, вводили в дыхательную систему различных птиц значительное количество быстро густеющего вещества, а затем аккуратно вскрывали тела и описывали состояние заполненных полостей — воздушных мешков[194]. К их удивлению обнаружилось, что птичьи воздушные мешки намного более вместительны и сложны по своему устройству, чем предполагалось. Впервые стала по-настоящему ясна связь воздушных мешков и воздухоносной кости (это кость с большой полостью внутри). Упомянутые авторы в том же эксперименте сравнили строение воздухоносных костей птиц и динозавров. Сходство было поразительным — совпадали формы отверстий в гомологичных костях.

Те, кто утверждают, что у динозавров не было системы воздушных мешков, не отрицают при этом, что в костях динозавров существовали полости, но с одной оговоркой: полые кости были нужны для большей легкости тела. Якобы сходство костей динозавров и птиц — это совпадение. Но уж слишком невероятное совпадение.

Очевидно, что общий объем воздушных мешков существенно больше объема легких. Воздушные мешки не принимают непосредственного участия в проникновении кислорода в органы, они являются приспособлением для работы разнонаправленных потоков. Становится понятно, что в сравнении с другими типами легких у позвоночных животных более продуктивная работа дыхательной системы птиц связана с наличием воздушных мешков, которые обеспечивают эффективную работу так называемого двойного дыхания.

Наличие воздушных мешков у динозавров было подтверждено к 2005 году многочисленными исследованиями. До этого момента некоторые ученые доказывали, что легкие динозавров ничем не отличались от легких современных крокодилов, только были больше, и что птичьи легкие с дополнительными воздушными мешками[195], а также система двойного дыхания не существовали до мелового периода, то есть появились не ранее 100 миллионов лет назад — и только у птиц! Данная точка зрения не представляется убедительной. В 2005 году, впрочем, наука еще не располагала точными сведениями о концентрациях кислорода в атмосфере в раннем мезозое, а также оставалось неизвестным, каким образом изменения уровня кислорода могут влиять на эволюцию дыхательных систем.

Как бы то ни было, дыхательная система птиц устроена намного лучше, чем у млекопитающих. Было подсчитано, что на высоте уровня моря птица извлекает из воздуха на 33 % больше кислорода, чем млекопитающее, и эта разница может увеличиваться — на высоте 4500 м дыхание птиц может быть на 200 % эффективнее, чем у млекопитающих. Это дает птицам огромное преимущество перед рептилиями и млекопитающими. Если подобная ситуация существовала и в прошлом, когда даже на уровне моря концентрация кислорода в атмосфере равнялась примерно тому, что сегодня наблюдается на высоте 4500 м, то, разумеется, преимущества подобной системы дыхания невозможно было переоценить.

Птицы произошли от небольшой группы двуногих динозавров — ящеротазовых. Скелеты первых птиц обнаружены в отложениях юрского периода, при этом нет единого мнения о том, насколько те древние виды, например, знаменитый археоптерикс, были «птицами». Мы еще вернемся к этому вопросу. Следует учесть, что воздушные мешки состоят из мягких тканей, а потому могут образовывать окаменелости лишь при особых обстоятельствах. Таким образом, у нас нет точных данных о том, когда впервые появились воздушные мешки. Однако косвенные свидетельства имеются, и их достаточно, чтобы убедиться в наличии у всех первых ящеротазовых системы воздушных мешков, подобных тем, что есть у современных птиц. И, как современные птицы, ящеротазовые динозавры были теплокровными. Доказательства этим фактам пришли к нам благодаря изучению костных полостей — именно там воздушные мешки могли находиться. Смелую гипотезу, что у динозавров существовала система воздушных мешков, схожая с птичьей, первым выдвинул Роберт Беккер. С конца XIX века было известно, что кости некоторых динозавров, подобно птичьим, имеют любопытные полости. Десятилетиями этот факт объясняли необходимостью облегчить вес массивных костей, либо о нем просто забывали. Описываемые кости, впоследствии названные воздухоносными, принадлежали самым крупным животным всех времен — зауроподам юрского и мелового периодов, а потому идея облегчения костей казалось наиболее вероятной. Такие воздухоносные кости в основном относились к позвонковым. У птиц имеются такие же воздухоносные позвонки, и хотя без сомнений можно утверждать, что полые кости птиц облегчают их вес и позволяют летать, также очевидно, что некоторые воздушные мешки, соединенные с легкими птиц, располагаются в костях. Получается, что пустоты в костях являются местом, куда можно упрятать воздушные мешки, которые иначе занимали бы очень много внутреннего пространства, необходимого для других полезных органов. Что ж, весьма разумный эволюционный ход. Беккер сделал еще шаг и предположил, что воздухоносные кости его любимых ископаемых зауроподов служили той же цели, а значит, у зауроподов также имелись воздушные мешки. Этим Беккер в перспективе хотел доказать, что динозавры были теплокровными и что наличие воздушных мешков было не просто адаптацией к условиям нехватки кислорода. В связи с полетами птицы тратят огромное количество энергии и им необходимо много кислорода, поэтому предполагалось, что система воздушных мешков возникла как способ удовлетворить потребности метаболизма этих теплокровных существ.