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.

---

Итак, вот нерешенный вопрос. У пресмыкающихся имеется четыре способа размножения: живорождение; кожистые яйца, которые задерживаются в теле матери на продолжительные отрезки времени; кожистые яйца, которые самка откладывает вскоре после спаривания; яйца с твердой скорлупой. Кроме того, последующее развитие яиц имеет ряд вариаций: яйца могут быть закопаны или не закопаны, а если их не закапывают, то родители могут либо заботиться о кладке, либо оставляют ее без присмотра. Преимущества каждого из всех перечисленных вариантов, а также время появления каждого из них в истории развития жизни нам не известны.

Нерешенные вопросы на этом не закончились. Большинство обнаруженных яиц динозавров относятся, как было сказано выше, к меловому периоду, в основном к позднему мелу, и они — с твердой карбонатной скорлупой. Появление манеры закапывать яйца также характерно для динозавров того периода. А что же можно сказать о динозаврах более ранних эпох? В то время как в отложениях позднего юрского периода (например, яйца динозавров, обнаруженные в Португалии, которые содержат окаменелости эмбрионов) можно найти яйца зауроподов или двуногих ящеротазовых, в более ранних породах яиц или гнезд динозавров почти не обнаружено. Известно всего несколько случаев останков яиц триасового периода.

Также остается загадкой то, когда именно впервые появились различные типы яиц. В 2005 году была выдвинута гипотеза, что яйца с твердой скорлупой впервые возникли в конце пермского периода как адаптация с целью избежать обезвоживания в климате, становившемся все более сухим в конце перми и на протяжении триаса. К сожалению, ископаемых, которые подтвердили бы эту гипотезу, не найдено.

Науке не известны образцы яиц, о которых с уверенностью можно сказать, что они относятся к пермскому периоду, несмотря на то что в отложениях именно того времени обнаружены ископаемые анапсид (предков черепах), диапсид (предков крокодилов и динозавров) и синапсид (предков млекопитающих). Более того, лишь о небольшом количестве яиц из позднего триаса известно, что они точно относятся к динозаврам. Возникает странная ситуация: яйца динозавров, обычное явление для отложений мелового периода, не обнаружены в породах того же типа в пермских и триасовых отложениях. Даже если предположить, что архозавры перми и триаса откладывали яйца с твердой скорлупой (что очень маловероятно), мы бы их уже нашли.

Отсутствие реальных данных — всегда очень ненадежная основа для исследования, но иногда на помощь приходят цифры. Абсолютно все образцы свидетельствуют о том, что у сухопутных яйцекладущих животных до мелового периода яиц с твердой скорлупой не было. Даже обнаруженное в 2012 году яйцо динозавра с твердой скорлупой в Южной Африке стало скорее исключением, подтверждающим правило. Сложно представить, чтобы дальнейшие раскопки, какими бы интенсивными они ни были, как-то повлияли на представления о данной закономерности.

Известны всего две разновидности формы яйца динозавра: шарообразная и вытянутая, однако распознают целых семь различных паттернов расположения частиц скорлупы. Подобное разнообразие строения стенок яйца могло удивить, если бы все динозавры произошли от одного яйцекладущего предка. Однако яйца с твердой скорлупой появились именно как результат эволюции нескольких групп динозавров и в разное время. Если сложить число типов строения яйца вымерших животных и существующих сегодня, то получится 12 отдельных типов структур, возникших в различные периоды истории развития жизни, — у рептилий, динозавров и птиц.

Возможно, каждый тип структуры яйца является адаптацией к разным условиям развития определенных групп организмов. Черепахи, например, закапывают свои яйца в глубокие ямы, что создает условия, совершенно не схожие с теми, в которых в гнезде высоко на дереве развивается яйцо малиновки. Впрочем, другим объяснением различий в структурах яиц является то, что каждая группа животных, включая динозавров, имеет свою историю эволюции.

«Идеальный» уровень кислорода

Интереснейшим фактом эволюции жизни является то, что очень многие современные группы сухопутных животных возникли в течение небольшого в геологическом смысле интервала — во времена позднего палеозоя, когда концентрации кислорода в атмосфере превышали современный его уровень. Так произошло со многими современными позвоночными, включая первых представителей семейств, в дальнейшем превратившихся в ящериц, черепах, крокодилов и млекопитающих. Однако не только эволюция сухопутных позвоночных отражает данный факт, но и бурное развитие сухопутных беспозвоночных — насекомых, паукообразных, сухопутных улиток, которое также началось в каменноугольном периоде, более 300 млн лет назад. Результаты экспериментов последних пяти лет показывают, что существует некий «волшебный» уровень кислорода, стимулирующий самый быстрый рост эмбрионов в яйцах сухопутных позвоночных и насекомых. Этот уровень кислорода — 27 % от общего объема газов в атмосфере.

Современный уровень — 21 % Наблюдения за аллигаторами и насекомыми свидетельствуют, что для наиболее успешного развития зародышей этих организмов оптимальными являются 27 % кислорода в атмосфере. Яйца, которые помещали в инкубаторы с содержанием кислорода либо ниже, либо выше данного уровня, демонстрировали более длительное развитие и более позднее появление детенышей. При уровне кислорода около 10–12 %, как в позднем триасе, многие или даже все яйца вообще не созревали, а если и происходило появление живых детенышей, то после такого долгого периода развития, что в естественных условиях, в живой природе, их просто давно бы съели хищники. Если к данному уравнению добавить еще температурную составляющую, а именно очень высокую температуру, то уровень выживаемости зародышей становится еще ниже, поскольку яйцам необходимы поры для проникновения внутрь кислорода, но чем больше пор, тем быстрее из яйца испаряется вода, что приводит к скорой гибели зародышей. Самым худшим для выживаемости зародышей в яйце можно считать сочетание, когда уровень атмосферного кислорода составляет 10–12 %, температура окружающей среды выше современных показателей, а воздух — намного суше. Такое время нам известно, это — поздний триас. Яйцекладущие существа того периода находились в очень трудном положении.

Проблема в том, что рептилии начали развиваться в мире с относительно высоким уровнем кислорода — карбоне, когда содержание кислорода в атмосфере составляло выше 27 %. Те первые рептилии стали первыми существами, у которых возникли амниотические яйца. Но с падением уровня кислорода и общемировым возрастанием температуры яйца первых пресмыкающихся могли оказаться смертельными ловушками: внутрь яйца поступало недостаточно кислорода, а наружу испарялось слишком много влаги. По-видимому, реакцией на такое изменение условий среды явилось развитие живорождения. Такое направление эволюции могло стать решением проблемы низкого уровня кислорода и жары (которая усугубляла последствия падения концентрации кислорода в атмосфере) в позднем пермском периоде. Несмотря на то что в Южной Африке, России и Южной Америке было найдено множество окаменелостей терапсид, в тех же породах ни разу не были обнаружены ни яйца, ни гнезда. Скорее всего, к тому времени терапсиды уже были живородящими, а в дальнейшем эта характеристика сохранилась и у их потомков — млекопитающих, самые древние останки которых относятся примерно к тому же времени, что и первые ископаемые динозавры. Предположительно многие группы динозавров стали яйцекладущими в позднем юрском периоде в ответ на повышение уровня кислорода. Формирование яиц с твердой скорлупой, которые потом закапывали, не представлялось возможным в интервале между поздним пермским периодом и до середины юры, поскольку содержание кислорода в атмосфере было очень невелико.

Недостаток кислорода и жаркий климат перми и триаса создали условия для эволюции живорождения, а также развития кожистых яиц — более приспособленных для газообмена, при котором кислород проникает внутрь, а углекислый газ выходит наружу. Позднее, в позднем юрском периоде и на протяжении мела, когда уровень кислорода вырос, а температура оставалась высокой, у динозавров стало возможным появление яиц с твердой кальцитной скорлупой, а также гнезд, в которые эти яйца закапывали.

Характерные особенности метаболизма, а также различные способы размножения — живорождение, откладывание яиц — являются важнейшими биологическими признаками древних организмов и в ближайшем будущем станут основными темами исследований в соответствующих областях знаний. К сожалению, проблема времени происхождения и распространения той или иной стратегии воспроизводства может оказаться неразрешимой, поскольку мы по-прежнему не располагаем ископаемыми образцами кожистых яиц.