Расцвет крупных форм жизни. Эдиакарский и кембрийский периоды

Многоклеточные стали бурно развиваться лишь около миллиарда лет назад. Первыми из них, вероятно, были примитивные фотосинтезирующие водоросли, которые образовывали структуры, похожие на ламинарию. Но в конце протерозойского эона, около 600 млн лет назад, начался расцвет крупных форм жизни, когда миллионы метазоа стали осваивать многочисленные новые ниши и экспериментировать с образом жизни, что им позволяла их многоклеточность.

Развитие крупных форм жизни протекало в условиях экстремальных колебаний климата в конце протерозойского эона. Вероятнее всего, в результате роста уровня кислорода еще дважды образовывалась Земля-снежок. Около 700 млн лет назад началось такое серьезное похолодание, что в 1990 году геологи добавили к своей хронологии еще один период – криогений. Он стартовал около 720 млн лет назад и длился 85 млн лет. Ледники толщиной в километр расползлись по суше и океану; температуры на поверхности упали, возможно, до – 50 °C, а фотосинтез в основном остановился. Судьба всех живых организмов вновь висела на волоске.

Почему Земля замерзла? Возможно, примитивные водоросли, распространяясь по суше, сильно сократили количество углекислого газа[99], но свою роль могли сыграть и изменения в конфигурации материков. С начала протерозойского эона тектонические плиты периодически собирались в громадные суперконтиненты. Суперконтинент Колумбия достиг максимального размера около 1,8 млрд лет назад[100]. Миллиард лет назад большинство материков соединились в другой суперконтинент, который сегодня называют Родинией. Распад Родинии привел к усложнению мировой географии и ускорил выветривание, а это могло вызвать падение содержания углекислого газа. Не исключено, что действовали и более бурные процессы. Так, возможно, внезапно сместилась ось вращения Земли, что должно было изменить положение всех материков относительно полюсов. Это называется катастрофическим сдвигом полюсов, и такие сдвиги за последние 3 млрд лет случались не меньше 30 раз. Геологическую икоту такого масштаба мог вызвать внезапный сдвиг огромных масс расплавленной магмы внутри Земли, а может быть, падение астероида[101].

Какой бы ни была причина, эти резкие изменения должны были подстегнуть ход эволюции жизни. Выжившие организмы снова сгрудились подо льдом возле трещин в земной коре, откуда просачивалась горячая магма. В этих биологических лагерях беженцев эволюция могла исследовать нестандартные дорожки, потому что в маленьких изолированных популяциях новые гены способны быстро распространяться. Определенно, эти странные миры могли быть свидетелями первых опытов с многоклеточностью.

Экстремальные холода закончились около 635 млн лет назад, и закончились внезапно. Парниковые газы из вулканов скопились подо льдом, а затем резко вырвались в атмосферу. Количество углекислого газа подскочило, а уровень кислорода упал гораздо ниже нынешнего. Поднялась температура, лед растаял, биосфера изменилась. В холодном темном мире криогения вызрело множество биологических новинок, благодаря которым стали возможны многоклеточные формы жизни, и теперь эти новинки вышли в теплеющий мир.

Первые надежные свидетельства о большом количестве многоклеточных относятся к эдиакарскому периоду, который начался примерно 635 млн лет назад и окончился около 540 млн лет назад. Здесь мы впервые видим три знакомые нам группы крупных организмов: растения, которые живут за счет фотосинтеза и потому обычно могут спокойно оставаться на месте и впитывать солнечный свет; грибы, которые питаются отходами, разлагая органические вещества; и животных, которым приходится быть внимательными и подвижными, потому что они выживают, охотясь и поедая другие организмы. С появлением огромного количества существ, которые получают энергию, употребляя другие организмы, биосфера стала более сложной, разнообразной и иерархичной, потому что энергия солнечного света теперь передавалась по разным трофическим уровням, от растений животным и грибам. Животным, например человеку, она достается бывшей в употреблении. Мы используем то, что сначала захватили растения, и к нам энергия попадает уже с большими утечками. Экологи говорят о пищевой цепочке, своеобразной очереди потребителей, в начале которой стоят растения, за ними травоядные (или существа, которые потребляют растения), затем хищники, которые могут есть травоядных, затем грибы, которые замыкают цепь, трапезничая мертвыми. Весь этот процесс приводит энтропию в полный восторг, потому что она на каждом этапе взимает мусорный налог. При переходе с одного трофического уровня на другой теряется около 90 % энергии, полученной при фотосинтезе, так что каждому следующему звену пищевой цепи ее достается гораздо меньше. Вследствие этого животных на Земле не так много, как растений, а хищников меньше, чем травоядных. Но грибы в любом случае не бедствуют, ведь они перерабатывают трупы.

Скорее всего, первые многоклеточные были растениями, потому что в их клетках были хлоропласты, и они могли проводить фотосинтез. Многоклеточные животные появились позже, поскольку находятся на более высоком уровне пищевой цепи, где энергии меньше, а им ее нужно больше, чтобы охотиться на пищу. Первые признаки многоклеточных животных можно найти в океанах эдиакарского периода.

Эдиакарский период назван в честь Эдиакарских холмов в Южной Австралии, где в 40-х годах XX века нашли первые останки этого времени. Палеонтологи обнаружили не менее сотни различных эдиакарских родов. Эти находки тогда стали неожиданностью, поскольку более века биологи считали, что первые крупные организмы появились в кембрийском периоде, который начался 540 млн лет назад и завершился 490 млн лет назад. Биологи пропустили эдиакарских существ, так как тела большинства из них были мягкими, как у нынешних губок, медуз и актиний, и они плохо каменели. Сегодня мы знаем о них в основном благодаря следам и тоннелям, которые они оставили за собой, пробираясь по дну эдиакарских морей, ползая по нему и прокапывая в нем норки. Вероятно, по океанам этого времени курсировали первые стрекающие и ктенофоры (считайте, что речь идет о медузах, хотя ими эти группы не ограничиваются). Для нас они важны, потому что это первые крупные организмы с нервными клетками, хотя еще и не собранными в единую нервную систему или мозг, а распределенными по всему телу, как нервная система современных беспозвоночных.

Биологи называют внезапное появление большого количества новых видов адаптивной радиацией. Это важное понятие. Нашлось новое биологическое приспособление – многоклеточность, – и теперь ее возможности испытывает множество разных эволюционных родов. Как это часто бывает с прототипами (вспомните первые безлошадные экипажи с двигателями внутреннего сгорания), многие новые модели не сохранились. Сегодня явные потомки есть лишь у нескольких эдиакарских видов, а большинство из них исчезли около 550 млн лет назад. Если вам кажется, что это говорит об эволюционной неудаче, стоит вспомнить, что человек пока что провел на Земле всего около 200 000 лет.

Можно сказать, что в эдиакарии прошли испытания многоклеточности. Последовавший за ним кембрийский период открывает фанерозойский эон, как его называют биологи, эон крупных форм жизни, который продолжается и в наши дни. В кембрийском периоде случилась вторая адаптивная радиация многоклеточных.

Окаменелости кембрийского периода первым определил английский ученый Адам Седжвик в середине XIX века. На тот момент кембрийские слои были самыми старыми из тех, в которых находили какие бы то ни было признаки жизни. В них встречалось много крупных окаменелостей, в основном трилобитов. Трилобиты были членистоногими, модулярными организмами с наружным скелетом, как современные насекомые и ракообразные. Кембрийские окаменелости хорошо сохранились, потому что у многих организмов имелись скелеты и раковины. Палеонтологам XIX века казалось, что живые существа возникли неожиданно, полностью сформировавшимися – к восторгу тех, кто верил в бога-творца. Теперь мы знаем, что жизнь на планете существовала уже 3,5 млрд лет, просто свидетельства этого было сложно увидеть. Кембрием открывается не жизнь на Земле, а пышная адаптивная радиация ее многоклеточных форм.

Разработки кембрийского периода оказались успешнее, чем эдиакарского, как будто здесь устранили несколько серьезных изъянов. Одним из самых удачных приемов этого времени оказалась модулярность. Соединяете модули тела, довольно похожие друг на друга, и получаете, скажем, существо вроде червя. Затем мастер-гены начинают модифицировать каждый модуль, так что один выпускает лапки или крылья, а другой превращается в голову со ртом, или усиками, или, может быть, мозгом. Даже у нас с вами тела модулярные, хотя наши модули уже настолько специализированны, что между ними трудно найти сходство.

Кембрийские разработки были так успешны, что все крупные группы (или филумы) крупных организмов, существующие сейчас, возникли в кембрийском периоде. Большинство из них показались на свет в течение захватывающего промежутка длиной в 10 млн лет, который начался 530 млн лет назад. Этот период (с точки зрения палеонтологии это доли секунды) вобрал в себя, пожалуй, время самых стремительных биологических нововведений за последние 600 млн лет[102].

В число кембрийских видов входят первые хордовые, или позвоночные. Это большой филум животных, к которому относимся и мы. Позвоночное похоже на трубку. У него всегда есть спинной мозг, передняя (где находится рот) и задняя часть (где находится анус). Есть и зачатки нервной системы. У первых позвоночных не было клубка нейронов, который мы называем мозгом, но были нервные системы с сотнями или тысячами переплетенных в сеть нервных клеток, способных обрабатывать большое количество информации от клеток органов чувств, а затем передавать решения другим органам, которые могли бы предпринимать соответствующие действия. Даже многоклеточные с простой нервной системой могут считывать гораздо больше информации, чем одноклеточные организмы, и реагировать на нее. Таким образом, кембрий также открывает эру, когда обработка информации стала сложнее и важнее. Современные морские беспозвоночные, ланцетники, у которых есть нервная система, но нет настоящего мозга, возможно, чем-то напоминают древнейших из наших позвоночных предков.

Удивительный темп эволюции в кембрийском периоде можно объяснить нестабильным климатом. Уровень кислорода снова стал расти и дал часть энергии, необходимой, чтобы образовались многоклеточные организмы. Но содержание углекислого газа росло гораздо быстрее и достигало значительно больших значений, чем сегодня. Это был теплый, влажный парниковый мир. Какие бы конкретно изменения ни происходили, резкие климатические и геологические перепады должны были ускорить эволюцию, привести к вымиранию многих видов и стимулировать развитие множества новых типов крупных организмов.