Существует много споров о том, когда возникли самые ранние многоклеточные организмы. В новой работе палеонтологов рассматривается смелая гипотеза, которая помогает объяснить разногласия в этой области.
Согласно этой гипотезе, первые экосистемы многоклеточных организмов (включая так называемые перевернутые бентосные организмы) возникли в суровых условиях позднего протерозоя, когда Земля была покрыта льдом по меньшей мере дважды от полюсов до экватора, то есть гораздо раньше, чем принято считать.
Появление первых животных (metazoa на латыни) и других многоклеточных организмов — один из ключевых моментов в эволюции биосферы. Хотя первые следы жизни были обнаружены более 3,4 миллиарда лет назад, самые ранние животные (или что-то похожее на них) появились лишь 600-800 миллионов лет назад, возможно, чуть раньше.
Другими словами, на протяжении большей части своей истории биосфера Земли состояла исключительно из прокариот и одноклеточных эукариот. Однако позже эта «планета микробов» преобразилась иным образом, и в ней появились многоклеточные организмы, такие как животные, различные грибоподобные организмы, водоросли и растения.
Спустя две-три сотни миллионов лет, уже в раннем палеозое, они начали расселяться по суше, внося разнообразие в наземные и почвенные экосистемы. В чем же заключался переход жизни к многоклеточной организации. Это сложный вопрос, который преследует биологов и палеонтологов по сей день.
Геологические данные свидетельствуют о том, что первые многоклеточные животные появились между 572 и 602 миллионами лет назад. Однако, опираясь на биоинформатику (метод молекулярных часов), которая реконструирует эволюцию на основе последовательностей ДНК современных животных, многоклеточные организмы появились еще 250-286 миллионов лет назад. Налицо расхождение во времени, причем значительное.
Кроме того, открытие того, что некоторые губки и некоторые другие организмы старше 800 миллионов лет, вызывает вопросы — и вопрос о том, как давно они были обнаружены. Чтобы разобраться с этими неопределенностями и с вопросом о ранней эволюции многоклеточных организмов в целом, британские исследователи обратили свое внимание на роль факторов окружающей среды в этих ранних событиях.
В частности, они рассмотрели превращение Земли в «снежную Землю» в двух случаях в конце протерозойской эры. Хорошо известно, что детальные и разнообразные многоклеточные организмы появились в последнюю протерозойскую эпоху — эдиакарскую (541-635 млн лет назад). Это были очень странные существа, напоминающие плетеный коврик, скрученного трилобита или фрактал из живой плоти, называемый вендобионтом. В отличие от более поздних землян, эдиакаранцы не имели скелета и выживали только за счет следов мягких тканей.
Происхождение эдиакарских людей
Происхождение эдиакарских людей также окутано тайной. Около 600 миллионов лет назад они уже существовали в разных частях света — от Белого моря до побережья Намибии и Ньюфаундленда, Канада (хотя места их обитания сильно отличаются от тех, которые мы привыкли видеть на современных картах). До «классической» биоты Эдиакарского моря существовала гораздо менее похожая, но гораздо более крупная биота Лантиана, известная только по китайским отложениям. Когда в однообразном мире бактерий и других микроорганизмов появились многоклеточные организмы.
Возможно, это неопротерозой, период, предшествующий эдиакарану. Однако криогенный период (от 635 до 720 миллионов лет назад) был нелегким временем для организмов. Почти весь этот период Земля была «снежной землей» под глобальным ледником. Лед рос от полюсов до средней толщины в 1 км, в конце концов приблизившись к экватору. Этот лед должен был содержать полинию или, по крайней мере, истончаться в некоторых местах.
Криогенный период начался с Великого Стурцианского ледникового периода, который начался 720 миллионов лет назад и продолжался 50-60 лет. За ним последовал Малинский ледниковый период, длившийся 15 млн лет. Таким образом, Земля находилась в состоянии глубокой заморозки до 75 миллионов из 85 миллионов лет своего существования. Газообразные ледники последующего ледника Эдиакара скромны по сравнению с огромным морозом криогенного периода в 340 000 лет твердого льда в субтропиках. Этот ледник также известен под названием «Земля слякоти».
Замерзшая Земля позднего протерозойского периода кажется, мягко говоря, не очень подходящим местом для роста новых форм жизни. Но это не совсем так. Авторы новой статьи в журнале Global Change Biology подробно объясняют это. После обсуждения драматических событий на Земле при криогенных температурах, они отмечают, что это могло стать местом беспрецедентного эволюционного скачка — появления многоклеточности.
Негостеприимная окружающая среда могла стать одним из факторов, способствовавших этому. В качестве своеобразной модели авторы обратились к примеру современных полярных экосистем, а именно Антарктиды (которая существует под двухкилометровым слоем льда уже более 15 миллионов лет) и окружающих ее ледяных шельфов и плавучих льдов.
Эти экстремальные среды и их обитатели напоминают экстремальный холод и даже ледник Гаскайлас эдиакарского периода. Под толстым слоем льда (более 20 метров) фотосинтез невозможен, а поступление кислорода сильно затруднено. Однако микробиота, связанные с ней неподвижные фильтраторы и активные хищники процветают в таких условиях Антарктиды.Такие экосистемы формируются даже в темноте, в сотнях километров от ближайшей полыньи.
Они либо питаются органическими веществами (детритом), переносимыми гидрологическим циклом, либо используют энергию химических превращений прокариот, которые являются независимыми трофическими организмами, для осуществления химического синтеза. То же самое могло происходить и в позднем протерозое. Эта гипотеза может в какой-то степени объяснить сомнительную хронологию «молекулярных часов», в которых многоклеточные организмы уже присутствовали и активно формировали новые филогенетические группы.
Эдиакарская экосистема
В статье также высказывается оригинальное предположение о том, что часть эдиакарской экосистемы могла сформироваться в воде у подстилающей поверхности льда. Не исключено, что к ней прикреплялись некоторые фильтрующие организмы, такие как Charnia (Charnia sp.), другие морфы чины и другие удивительные вендобионты. Такие сообщества можно условно назвать «беспозвоночными бентосными сообществами», при этом «верхний» лед играет роль «нижнего».
Подобные экосистемы были обнаружены в современной Антарктиде, где анемон Edwardsiella andrillae и некоторые изоподовые ракообразные прикреплены ниже поверхности льда. Там также присутствуют бактериальные сообщества, которыми питаются планктонные хищники. Кроме того, дно Эдиакарского моря может быть заселено за счет притока кислорода из поверхностной солености.
Местные бентосные организмы могли питаться погруженными органическими веществами. Это позволяет предположить, что глубоководные участки моря были более безопасным местом для ранних животных, отчасти потому, что там было меньше опасности быть раздавленными льдом. Возможно, именно отсюда началось расселение животных в другие места обитания.
Результаты также свидетельствуют о том, что океаны позднего протерозоя активно перемешивались на больших глубинах. Конечно, можно, с оговорками, переносить происходящее в современной Антарктиде на замерзшие моря древности. Однако не стоит забывать, что основные законы экологии, законы, описывающие взаимоотношения организмов с окружающей средой, универсальны и действуют в самых разных регионах Земли и в разные периоды геологической истории.
Более того, эта «антарктическая модель» может также хорошо подойти для объяснения того, что происходит за пределами нашей планеты. Как вы знаете, многие луны газовых гигантов имеют обширные океаны под толстым слоем льда. К ним относятся спутники Юпитера — Европа, Каллисто и Ганимед, а также луна Сатурна Энцелад.
Даже в далеких космических океанах могут быть условия, подходящие для зарождения примитивной жизни. Некоторые из этих лун напоминают древние «снежные земли», где известны вулканическая активность, гейзеры и присутствие биогенных элементов, являющихся необходимыми ингредиентами для «рецепта живой клетки».