Вернанималькуля — первая из нас
Чарльз Дарвин считал быстрое возникновение большинства типов животных в начале кембрийского периода (около 570 миллионов лет назад) одним из необъяснимых для его теории обстоятельств. Сейчас «кембрийский взрыв» кажется не менее удивительным. В современной фауне насчитывают 30–35 типов многоклеточных животных; а в кембрии, вероятно, их появилось около 100! После этого новые типы не возникали, а многие старые исчезли.
Для большинства типов животных характерна двусторонняя симметрия. Их передний и задний концы, а также спинная и брюшная стороны устроены по-разному, а вот правая и левая стороны тела являются отражением друг друга. Задать такую полярность в ходе развития — непростая задача. У всех таких животных (от плоских червей до человека) определение полярности тела связано с действием одной и той же группы генов-переключателей. Значит, двусторонняя симметрия была «изобретена» один раз! Пока механизм развития сложного плана строения тела не был оптимизирован, возникали разные его варианты — типы животных. Потом развитие большинства типов стабилизировалось, но до нашего времени, после жестких испытаний, сохранились лишь лучшие из лучших.
Несколько десятилетий назад в докембрийских (вендских) отложениях были описаны разнообразные, иногда достигавшие десятков сантиметров организмы. Первые их
И вот недавно китайские и американские палеонтологи нашли небольших (0,2 мм) вендских двустороннесимметричных животных, обитавших 580–600 миллионов лет назад. Реконструкция такого существа (названного Vernanimalcula — «весеннее маленькое животное») и шлиф одной из его окаменелостей показаны на рисунке. Оно имело рот, внутренние органы и полость тела! Таким образом, кембрийские животные возникли не на пустом месте, просто их предки были мелкими и малозаметными. Когда химизм воды стал способствовать развитию организмов с твердыми покровами, увеличилось количество растворенного в воде кислорода и исчезли доминанты вендского периода, родственники вернанималькули начали экспериментировать с планом строения тела. Мы — следствие одного из таких экспериментов.
О братьях наших меньших
Перед тем как воспарять к звездам, полезно хорошенько посмотреть себе под ноги. Сейчас, когда счет известных нам звезд с планетными системами идет на десятки, надо понять, как опознать те из них, где существует жизнь.
Более или менее ясно, как следует искать цивилизацию, посылающую радиосигналы для поиска собратьев по разуму (или хотя бы транслирующую
Увы, специалисты по внеземной жизни не очень-то и знают, что именно они должны искать. Химизм ранней биосферы изучен явно недостаточно. Стремясь заполнить этот пробел в знаниях, американское аэрокосмическое агентство NASA начало исследования современных бактериальных экосистем в мексиканской пустыне Чихуахуа.
Сложность изучения древних экосистем заключается в том, что в наше время их практически не осталось. После того как бактерии изменили характер земной атмосферы с восстановительного на окислительный и накопили достаточно органического вещества, настало время эукариотов (растений, животных и грибов). Пусть это и ранит наше самолюбие, но эукариоты — лишь одна из ветвей на древе прокариот, которая встроилась в биосферу, созданную бактериями. Впрочем, эукариоты — очень агрессивная ветка: там, где они находят подходящие для себя условия, бактериальные экосистемы оказываются разрушены. Эти реликты существуют лишь там, где концентрация солей или токсинов оказывается непереносимой для господствующей сейчас группы (как соли кобальта в источниках Чихуахуа).
Для протерозоя характерно образование слоистых пород, называвшихся строматолитами (буквально — «каменными коврами», фото 1). В прошлом веке были открыты современные экосистемы, производящие такие структуры. Это бактериальные пласты (маты), откладывающие по мере роста слои минеральных веществ в своем основании. Как видно на фото 2, внешне они напоминают слизистые комки, окутывающие твердую основу. В их состав входят представители групп бактерий, являющиеся гораздо более дальними родственниками, нежели человек и, скажем, эвкалипт!
Для описания таких бактериальных сообществ необходим иной подход, чем для описания эукариотических организмов. И человек, и эвкалипт — клоны потомков одной клетки (оплодотворенной яйцеклетки). По мере развития таких организмов их клетки приобретают свою функциональную специализацию и соответствующие особенности строения, но в биохимическом плане функционируют практически одинаково. В отличие от организма, строматолит — многовидовая система. Почти одинаковые по своему внешнему строению клетки могут иметь принципиально различный тип обмена веществ. Многие из строматолитообразующих бактерий невозможно вырастить на искусственной среде в чашке Петри, — не хотят они жить вне бактериального мата. А ведь их аналоги меняли атмосферу ранней Земли и могут сейчас влиять на газовые оболочки иных обитаемых планет!
Даже простое опознание тех или иных компонентов бактериального мата — нетривиальная задача, требующая, например, использования ДНК-зондов, избирательно связывающихся с наследственным аппаратом искомых бактериальных клеток. А изучение их физиологии в мате, в сверхразнообразном окружении, и подавно затруднено: биохимические процессы там могут быть гораздо сложнее, чем внутри целой экосистемы, населенной растениями, животными и грибами. Вот в этой невообразимой сложности и решило разобраться NASA.
Ну что ж, даже если инопланетян не найдут, так хоть развитию микробиологии помогут!
Янтарное бессмертие
Несколько лет назад шахтер из мексиканского штата Чьяпас нашел кусок янтаря с вмурованной в него лягушкой. Находка попала к коллекционеру, а тот через какое-то время дал согласие на ее научное исследование. Теперь мексиканские биологи установили, что возраст лягушки - 25 млн. лет. Ориентировочно она жила в эпоху перехода от олигоцена к миоцену. В это время мир был совсем иным. Северная Америка еще не встретилась с Южной, Африка только начинала «наезжать» на Евразию, образуя Альпы, а результатом столкновения Индии и Азии стало возникновение Гималаев. Землю населяли невероятные носороги индрикотерии (самые крупные наземные млекопитающие) и мелкие лошади, обитавшие в лесах. В Африке в это время появились древнейшие человекообразные обезьяны, некрупные древесные жители с коротким хвостом, наподобие египтопитеков. А лягушки, по крайней мере внешне, с тех пор практически не изменились!
Проблема неравномерности темпов эволюции до сих пор не нашла окончательного решения. Характерные для классического дарвинизма представления о медленных и практически непрерывных изменениях значимых признаков ушли в прошлое. Как выразился один из биологов, жизнь видов, как и жизнь солдат, состоит из длительных промежутков скуки (относительной стабильности) и коротких периодов страха (быстрых изменений). Кроме того, сами изменения отличаются по своей сути. Те, что связаны с возникновением новых планов строения (конструктивных решений), как ни странно, протекают относительно быстро, тогда как устойчивые и удачные варианты шлифуются (то быстрее, то медленнее) в течение длительного времени. Эволюционный «возраст» любого существа один и тот же - от возникновения жизни на Земле до наших дней. Но разные ветви древа жизни проходили через горнило эволюционных изменений в разное время. Лягушки вот «перековались» достаточно давно…
В естественных экосистемах, особенно лесных, у погибающих организмов почти нет шансов попасть в геологическую летопись. Погибшее живое существо вернет материал, из которого создано, в экосистемный круговорот. Избежать общей участи могут лишь «счастливчики», попавшие в экстраординарный переплет (например, влипшие в древесную смолу). Находки позвоночных в янтаре чрезвычайно редки и, вероятно, могут дать много ценной информации. Как было бы хорошо, если бы хозяин янтаря разрешил высверлить в нем дырочку и взять пробу ДНК древней лягушки! Генетическая индивидуальность, сохранившаяся в течение 25 млн. лет, могла бы рассказать очень многое - если она сохранилась. Увы, даже действия радиационного фона в течение такого срока может быть достаточно, чтобы стереть молекулярную «память».
На протяжении огромных промежутков времени все существа исчезали бесследно или оставляли после себя скудные останки (зубы, кости, следы на влажной почве). Где-то глубоко под слоем осадочных пород спрятаны бесценные находки будущего, которые (если
Мы им должны
«Ни за что не поверю», — сказала одна достойная дама, увидев в зоопарке жирафа. Палеонтологическая летопись хранит следы еще более невероятных существ. Воссоздать их облик, основываясь на имеющихся остатках, — нелегкая задача, ведь зачастую их не с кем сравнить. Вспомните, как отличаются динозавры на старых и современных реконструкциях. Их попросту начали сравнивать не с ящерицами, а со слонами, носорогами, жирафами и страусами! Одни из чрезвычайно сложных для реконструкции существ — птерозавры, летающие ящеры. Справедливо ли сравнивать их с птицами и летучими мышами?
Чем крупнее животное, тем труднее ему взлететь. Например, крохотная тля («мешок» с крылышками) летает вполне успешно, тогда как птица размером с альбатроса (3,5 м в размахе крыльев, чуть более 20 кг веса) должна полностью подчинить свое строение задаче подъема в воздух. Маленький паучок летит, выпустив в воздух паутинку, — попробуйте-ка взлететь, размотав бухту каната! С увеличением размеров животного площадь его крыльев и связанная с поперечным сечением мускулов мышечная
Рекордсмен среди летающих птиц — тераторнис, гигантский родственник кондоров, обитавший в Америке в неогеновом периоде. Размах крыльев у него был 7,5 м. У птерозавров же размах достигал 12, а возможно, и 15 м, — это были самые совершенные летающие организмы.
Как реконструировать таких существ? Например, мы знаем, что они поддерживали постоянную температуру, поскольку мелкие птерозавры были покрыты шерстью. А как они размножались — откладывая яйца, как птицы, или рожая живых детенышей, как летучие мыши? До недавнего времени яйца птерозавров были неизвестны. И вот с небольшим промежутком времени в Китае и Аргентине наконец найдены яйца летающих ящеров.
Особенно интересна аргентинская находка — остатки колонии некрупных птерозавров — птеродаустро (Pterodaustro) возрастом около 100 млн. лет. Эти фантастические существа имели длинный изогнутый кверху клюв, усаженный тысячами тонких зубов (см. рис.). К счастью, нам проще понять образ жизни преродаустро благодаря его современному аналогу — фламинго. Птерозавры обитали на берегу соленого озера и, как фламинго, питались водорослями и водными беспозвоночными, которых отцеживали из воды клювами. Значит, не ошиблись авторы «Прогулок с динозаврами», снятых BBC, реконструируя птерозавровые базары по аналогии с современными птичьими.
А представьте себе, что на Земле не возникли бы люди и некому было бы воссоздавать прошлое нашей планеты. Вот тогда-то вымершие виды исчезли бы окончательно…
Выдающиеся родственники
Гигантский олень (Megaloceros giganteus) считается одним из самых впечатляющих ископаемых. Это громадное животное, достигавшее трех с половиной метров в размахе рогов, вымерло всего 8 тысяч лет назад и служило одним из объектов охоты древнего человека. Трудно найти более яркий пример расточительности полового отбора: нет сомнений, что предназначенные для турнирных боев и привлечения самок роскошные рога самцов изрядно мешали в повседневной жизни. Вымирание этого вида, по всей видимости, связано как с активностью наших предков, так и с распространением густых лесов, через которые обладатель самых больших рогов в истории жизни попросту не мог продраться.
Хотя этот вид стал классическим примером действия полового отбора, его генеалогия оставалась до последнего времени неясной. Ситуацию исправили исследователи Лондонского университетского колледжа. Изучение полученной из ископаемых остатков митохондриальной ДНК показало, что ближайшими родственниками мегалоцероса являются не собственно олени (Cervus), а значительно более мелкие и скромные лани (Dama dama). Эти некрупные животные на протяжении всей жизни сохраняют «детскую» пятнистую окраску. Обращает на себя
Вдохновленные успехом, британские исследователи хотят уточнить родственные связи найденного в прошлом году в Индонезии карликового человека, Homo floresiensis. Возможно, пересматривать представления о своей генеалогии придется не только оленям.
Д. Шабанов. Вернанималькуля – первая из нас // Компьютерра, М., 2004. – № 24 (548). – С. 14–16
Д. Шабанов. О братьях наших меньших // Компьютерра, М., 2005. – № 15 (587)
Д. Шабанов. Янтарное бессмертие // Компьютерра, М., 2007. – № 8 (676)
Д. Шабанов. Мы им должны // Компьютерра, М., 2004. – № 47 (571). – С. 16–17
Д. Шабанов. Выдающиеся родственники // Компьютерра, М., 2005. – № 35 (607)