Новая история происхождения жизни на Земле

Киршвинк Джозеф

Итак, наиболее интересным аспектом всех этих показателей является то, что с тех пор, как оба графика были представлены к обсуждению, результаты работы Вернера и его группы (да и других исследователей тоже), в которых оцениваются уровни кислорода и углекислого газа, представляются весьма неоднозначными. Так же, собственно, как и многочисленные кривые Элроя. Каждая группа исследователей выдала результаты (с одной стороны, касательно кислорода и углекислоты, с другой — численности родов живых организмов), которые получались из теоретических моделей с совершенно различными исходными данными. Ни один из множества показателей модели GEOCARB (круговорота углерода) или модели GEOCARBSULF (круговорота углерода-серы) не имеет никакого отношения к тому, сколько видов существовало в определенный период. И модель Элроя также совершенно не зависима от показателей уровней кислорода и углекислого газа. И тем не менее мы видим почти невероятное соотношение, возможно, случайное, но вряд ли — нет там никаких случайностей. По-видимому, уровни углекислого газа и кислорода (особенно кислорода) являются самыми важными факторами развития биологического разнообразия. Две независимые кривые на графиках в совокупности обеспечивают обсуждаемым здесь научным результатам самое главное требование к научному исследованию — наличие достоверности.

Динамика биоразнообразия

Совершенно очевидно, что освоение организмами сухопутных пространств открыло дорогу для бурного развития как видового разнообразия, так и морфологической диспропорции. В нашем понимании ситуация в отношении биоразнообразия

такова: сегодня на Земле существует больше форм жизни — больше видов и больше путей развития новых видов, чем в прошлые периоды. Так ли это? Не вкралась ли ошибка?

Каждая уважающая себя научная теория имеет нулевую гипотезу, поэтому установим: морские животные на Земле достигли современного уровня разнообразия и численности в конце кембрийского периода. Такова была позиция Стивена Гулда в 1970-х годах, и его взгляды на сей предмет послужили мощным толчком к развитию серьезных научных направлений.

Ответ на вопрос, как развивалось разнообразие видов — резко и быстро или медленно и постепенно — вплоть до наших дней, связан с тем, насколько способны современные организмы сохраняться в виде ископаемых по сравнению с кембрием. Сегодня примерно одно из трех морских животных имеет твердые части, которые могут дать окаменелости, например, раковины, кости, панцири. А если в кембрийском периоде это соотношение было один к десяти? В таком случае, возможно, в кембрийских океанах обитало приблизительно столько же животных по численности, сколько и сегодня. Эта мысль подкрепляется работами Маршалла и Элроя, появившимися уже после Сепкоски. В их данных, демонстрирующих возрастание разнообразия в период после кембрия, не отмечаются тенденции ускорения в развитии видов, которые усматривал Сепкоски [136] во времена, следующие за пермским периодом Работа Элроя в дальнейшем несколько раз дополнялась новыми данными [137] .

136

J. Sepkoski, «Alpha, Beta, or Gamma; Where Does All the Diversity Go?» Paleobiology 14 (1988): 221–34.

137

J. Alroy et al., «Phanerozoic Diversity Trends,» Science 321 (2008); 97.

Существуют и другие сведения об ошибочных и сомнительных гипотезах в моделях динамики биоразнообразия. Например, что делать с неравными объемами собранных образцов? Критики теорий развития биоразнообразия, какой бы теория ни была, указывают на то, что образцы пород кайнозоя или плейстоцена куда более многочисленны, чем образцы кембрийского периода. Более того, гораздо больше палеонтологов изучают кайнозой и плейстоцен, чем кембрий. Этот аспект исследований получил заметное освещение в независимых друг от друга работах Эндрю Смита из Британского музея [138] , Майка Бентона из Университета Бристоля [139] и Шанана Питерса из Университета Висконсина [140] .

138

A. B. Smith, «Large-Scale Heterogeneity of the Fossil Record: Implications for Phanerozoic Biodiversity Studies,» Philosophical Transactions of the Royal Society of London 356, no. 1407 (2001): 351–67; A. B. Smith, «Phanerozoic Marine Diversity: Problems and Prospects,» Journal of the Geological Society, London 164 (2007): 731–45: A. B. Smith and A. J. McGowan, «Cyclicity in the Fossil Record Mirrors Rock Outcrop Area,» Biology Letters 1, no. 4 (2005): 443–45; A. B. Smith, «The Shape of the Marine Paleodiversity Curve Using the Phanerozoic Sedimentary Rock Record of Western Europe,» Paleontology 50 (2007): 765–74; A. McGowan and A. Smith «Are Global Phanerozoic Marine Diversity Curves Truly Global? A Study of the Relationship between Regional Rock Records and Global Phanerozoic Marine Diversity,» Paleobiology, 34, no. 1 (2008): 80–103.

139

M. J. Benton and B. C. Emerson, «How Did Life Become So Diverse? The Dynamics of Diversification According to die Fossil Record and Molecular Phylogenetics,» Paleontology 50 (2007): 23–40.

140

S. E. Peters, «Geological Constraints on the Macroevolutionary History of Marine Animals,» Proceedings of the National Academy of Sciences 102 (2005): 12 326-31.

Оказалось, что существует весьма простое доказательство того, что со времен кембрийского взрыва наблюдается увеличение числа групп морских животных, независимо от того, говорим мы о видах, родах или семействах, и в основе его — изучение ископаемых следов жизнедеятельности с учетом времени. Следы жизнедеятельности являются результатом активности организмов, и мы продемонстрировали в главе, посвященной кембрийскому взрыву, что каждый отпечаток следа, найденный в породе, если он хоть немного отличается от прочих, неизменно относится к другому типу строения тела. Образцы следов жизнедеятельности отражают ту же картину разнообразия, что и окаменелости. Сегодня общепринятой является теория, что давно зафиксированная палеонтологами на примере беспозвоночных картина разнообразия организмов действительно дает нам вполне правдивые сведения о развитии биоразнообразия.

Большинство морских сред обитания, от шельфа до глубин, было освоено к концу девонского периода. Но этому морскому разнообразию предстояло вскоре уступить первенство по числу и формам намного более обширному сообществу живых существ на планете — животным и растениям суши.

Ордовикское массовое вымирание

Ордовик был периодом, в котором произошло первое из пяти крупных массовых вымираний. Все пять коснулись и растений, и животных. Разумеется, вымирания происходили и до ордовика, например, во время кислородной катастрофы или в периоды «Земли-снежка». Но в ордовикском периоде животные находились на подъеме развития разнообразия видов, как вдруг нечто резко прервало этот процесс. Самым простым объяснением может быть то, что это событие произошло, когда Земля находилась в «малом ледниковом периоде», что привело к массовой гибели кораллов из-за внезапного падения температуры. Однако причины этого события по-прежнему остаются загадкой, поскольку вымирание имело два отдельных этапа: в начале и в конце последнего временного интервала ордовикского периода, названного хирнантским оледенением.

Существуют и другие, более фантастические предположения о причинах ордовикского массового вымирания. Самое интересное заключается в том, что в ордовике Земля подверглась мощному потоку космического излучения, называемого гамма-излучением [141] . Это самая драматическая из всех возможных причин, но нет ни малейшего доказательства, чтобы подтвердить подобную гипотезу, сколько бы об этом ни писали журналисты. До 2011 года причиной этого массового вымирания принято было считать отсутствие причин [142] . Большинство пояснений сводилось к некоему быстрому похолоданию. В рамках одной из распространенных теорий предполагалось, что, возможно, в результате вулканической деятельности атмосфера наполнилась выбросами, содержащими серу [143] , как это случилось при извержении Кракатау в XIX веке, когда Европа провела «год без лета». Впрочем, недавно геологи и геохимики

Калифорнийского технологического института [144] пересмотрели теорию позднего ордовикского оледенения, использовав данные, полученные на основе хорошо сохранившихся пород на острове Антикости в отдаленной области Канады, в заливе Святого Лаврентия, который когда-то располагался в тропиках. Применив новый тип геохимического термометра, они с очень высокой точностью сумели измерить и относительный объем льда, и температуру. И вдруг выяснилось, что, хотя объем льда менялся очень медленно на протяжении хирнантского века, а тропическая температура оставалась очень высокой, но вполне предсказуемой — 32–37 °C, тем не менее в начале и в конце указанного временного интервала произошли резкие изменения обоих показателей. Напомним, что начало и конец хирнантского века связаны с двумя этапами ордовикского массового вымирания. Тропическая температура упала примерно до 5–10 °C, объем же льда в мире достиг или даже превысил максимум последнего оледенения в плейстоцене, а изотопы углерода продемонстрировали положительный скачок, что указывает на сильное возмущение мирового круговорота углерода — вероятно, в этом случае увеличилось накопление органического углерода.

141

Это один из наших любимых моментов в палеонтологии, к которому можно применить фразу «А король-то голый». Команда исследователей из Института Канзаса выдвинула гипотезу, что события в ордовике могли быть вызваны гамма-излучением из глубокого космоса. Подобные случаи действительно существуют, огромное количество энергии рождается из малых звезд, полных энергии, подобно пульсарам и магнитарам из далеких от нас областей галактики. Но довольно странным кажется предположение, что подобная энергетическая вспышка (гамма-всплеск) могла «поджечь» Землю, вызвав при этом ордовикское массовое вымирание. С таким же успехом виновниками данного события можно считать вулканы или, скажем, разозленного Дарта Вейдера (впрочем, было ли у бедняги Вейдера хоть какое-то другое настроение?). A. L. Melott and B. C. Thomas, «Late Ordovician Geographic Patterns of Extinction Compared with Simulations of Astrophysical Ionizing Radiation Damage,» Paleobiology 35 (2009): 311–20. См. также www.nasa.gov-vision-universe-starsgalaxies-gammaray_extinction.html.

142

R. K. Bambach et al., «Origination, Extinction, and Mass Depletions of Marine Diversity,» Paleobiology 30, no. 4 (2004): 522–42.

143

S. A. Young et al., «A Major Drop in Seawater 87Sr-86Sr during the Middle Ordovician (Daniwilian): Links to Volcanism and Climate?» Geology 37, 10 (2009): 951–54.

144

S. Finnegan et al., «The Magnitude and Duration of Late Ordovician-Early Silurian Glaciation,» Science 331, no, 6019 (2011): 903–906.

Новые данные сужают круг предположений о реальных механизмах вымирания до двух возможных объяснений: либо это быстрое изменение климата, либо быстрое изменение уровня Мирового океана. В следующей своей статье участники той же исследовательской группы [145] приводили результаты изучения двух огромных баз данных по Северной Америке: одна база показывала распределение окаменелостей, а другая — объем пород, в которых можно найти окаменелости (очень полезное дополнение к открытиям в области ископаемых!). Оба направления работ помогли объяснить вымирания: потеря среды обитания из-за понижения уровня моря и падение температуры оказались основными факторами. Однако неясно, являются ли эти пояснения исчерпывающими. Хронологические показатели климатических изменений, включая скачки уровня углерода, удивительно схожи с некоторыми событиями, связанными с истинным перемещением полюсов, описанным ранее. Краткое истинное перемещение полюсов могло вызвать краткий период глобального похолодания и, возможно, оледенения. Это остается проблемой, которая все еще ждет своего решения, и наверняка оно окажется нетривиальным, но мы и назвали нашу книгу новой историей.

145

S. Finnegan et al., «Climate Change and the Selective Signature of the Late Ordovician Mass Extinction,» Proceedings of the National Academy of Sciences 109, no. 18 (201a): 6829–34.

Глава 10

Род ископаемых рыб тиктаалик и покорение суши:

475–300 миллионов лет назад

Долгое время споры между сторонниками эволюционной теории и креационистами по вопросу о происхождении видов вращались вокруг предполагаемой несхожести первых амфибий и их непосредственных предшественников — ископаемых рыб, поскольку последние были очень уже «рыбообразными», а первые амфибии были чересчур «нерыбы», и это вполне удовлетворяло сомневающихся в эволюционной теории. Действительно, кое в чем креационисты были правы: до недавнего времени самый древний образец существа, которое признали земноводным [146] (организм девонского периода, названный ихтиостегой, что означает «рыбоамфибия»), имел рыбообразное тело (в том числе вполне нормальный рыбий хвост) и четыре лапы. Его непосредственный предок представлялся существом с подобным телом, но без лап. Эта рыба, которую палеонтологи предлагали считать истинным предком ихтиостеги и других ранних сухопутных (или хотя бы часть своей жизни проводящих на суше) позвоночных, относится к группе лопастеперых, у них есть предшественники лап [147] — плавники, которые находятся на широком мясистом основании.

146

Кратко о ранних четвероногих организмах, а также о процессе их эволюции можно прочитать на сайте: www.devoniantimes.org-opportunity-tetrapodsAnswer.html, или обратиться к следующему источнику: S. E. Pierce et al., «Three-Dimensional Limb Joint Mobility in the Early Tetrapod» Ichthyostega Nature 486 (2012): 524–27, and P. E. Ahlberg et al., «The Axial Skeleton of the Devonian Tetrapod» Ichthyostega Nature 437, no. 1 (2005): 137–40.

147

J. A. Clack, Gaining Ground: The Origin and Early Evolution of Tetrapods, 2nd ed. (Bloomington: Indiana University Press, 2012).

Живое ископаемое латимерия (рыба целакант) считается, по крайней мере, похожей на непосредственного предка первых земноводных, включая ихтиостег. Критики эволюционистов спрашивали: «Где недостающие звенья?» Все представления по данному вопросу изменило открытие нового ископаемого в Арктике, в слое девонского периода. Ископаемое получило название «тиктаалик». Оно настолько соответствует представлениям о переходном звене, что нашедшие его дали ему прозвище «рыбоногое» [148] . Это открытие является одним из важнейших не только потому, что помогает заполнить огромную пустоту в общей картине нашего понимания истории происхождения жизни (и дыру в цепи перехода от рыб к наземным позвоночным), но и позволяет укрепить позиции теории эволюции в целом.

148

E. B. Daeschler et al., «A Devonian Tetrapod-Like Fish and the Evolution of the Tetrapod Body Plan,» Nature 440, no. 7085 (2006): 757–63; J. P. Downs et al., «The Cranial Endoskeleton of Tiktaalik roseae,» Nature 455 (2008): 925–29. Выводы: P. E. Ahlberg and J. A. Clack, «A Firm Step from Water to Land,» Nature 440 (2006): 747–49.