На основании открытий последних лет ученые пришли к выводу, что эволюция живых организмов протекала не совсем так, как считалось раньше.

К моменту опубликования Чарльзом Дарвином теории эволюции самые ранние окаменелые останки живых организмов относились к силурийскому периоду (443--416 млн лет назад). Что же касается более поздних геологических периодов, то в них никаких следов древних животных найдено не было. Дарвин пребывал в недоумении, прекрасно понимая, что внезапное появление сложных живых организмов типа трилобитов не очень вписывалось в его теорию постепенной эволюции.

«У меня нет ответа на вопрос, почему мы не можем обнаружить отложения, содержащие значительное количество останков ископаемых организмов, которые относились бы к... периодам, предшествовавшим кембрийскому», -- написал Чарльз Дарвин во вступлении к первому изданию «Происхождения видов».

Великий английский ученый так и не нашел ответа на мучивший его вопрос, который со временем получил название «дилемма Дарвина».

За прошедшие с тех пор полтора века наука сделала колоссальный шаг вперед. Конечно, ученые нашли великое множество ископаемых останков живых организмов и в более ранних периодах. Современная наука считает, что первая жизнь зародилась на Земле как минимум 3,8 млрд лет назад. Первым бактериям не меньше 3,5 млрд лет, а многоклеточным растениям типа красных и зеленых водорослей -- около 1 млрд лет. 575 млн лет назад появились первые многоклеточные живые организмы.

Эмбрионы Доушаньто

Несмотря на множество открытий, белых пятен теории эволюции по-прежнему остается немало. Почему живые организмы появились так поздно и почему они, предки современных животных, появились в очень короткий по геологическим меркам промежуток времени в раннем кембрийском периоде 542--520 млн лет назад?

Серия открытий в последние годы помогла найти правдоподобные ответы на эти вопросы. Эти находки позволяют предположить, что самые ранние многоклеточные живые организмы появились намного раньше, чем думали ученые, возможно, больше чем 850 млн лет назад. Самое удивительное заключается в том, что ранние многоклеточные живые организмы могли полностью изменить планету и подготовить почву для появления более крупных и сложных животных, последовавших за ними.

Самые, пожалуй, большие и важные находки были сделаны на дне древнего моря, в так называемой формации Доушаньто, геологическом слое ископаемых, найденном в китайской провинции Гуйчжоу, где необычные природные условия позволили хорошо сохраниться ряду удивительных окаменелых останков. Их возраст -- 550--580 млн лет, т.е. они появились во время последней части эдиакария, непосредственно перед кембрием. Одной из самых интересных находок в ископаемых отложениях стали крохотные останки круглой формы, состоящие из 1--12 разных клеток и очень напоминающие ранние эмбрионы животных, возможно, губок. Ряд ученых предположил, что они могут быть останками гигантских сернистых бактерий, которые можно разглядеть невооруженным глазом. Однако исследования, проведенные в последние годы, поставили точку в споре -- эти формы все же являются эмбрионами животных.

Леймин Йин, старший научный сотрудник Нанкинского института геологии и палеонтологии, нашел в 2007 году эмбрионы в твердых раковинах с шипами, т.е. формы, абсолютно отличные от бактерий или водорослей. Более того, точно такие же раковины, отличающиеся от доушаньтских лишь наличием сохранившихся эмбрионов, были найдены в ископаемых отложениях возрастом до 632 млн лет, т.е. в начале эдиакария. Это позволяет предположить, что это скорее всего зародыши губок, а следовательно, и сами губки существовали как минимум уже 632 млн лет назад.

Другие находки отодвинули время появления первых живых организмов еще дальше в глубь эпох. Роджер Саммонс и Гордон Лав из Массачусетского технологического института проанализировали коричневые керны, которые были добыты из скважин, пробуренных на глубину до 4 км под песками Омана. Мертвые организмы медленно опускались на дно древнего океана и разлагались там без доступа кислорода. Никаких видимых окаменелостей древних живых организмов не осталось, но в извлеченных образцах удалось обнаружить, если можно так выразиться, молекулярные «окаменелости», т.е. химические вещества, когда-то содержавшиеся в древних организмах. В отложениях, образованных 635--713 млн лет назад, Саммонс и Лав нашли 24-изопропилхолестан (24-IPC), стабильную форму холестерина, которую сейчас можно обнаружить лишь в клеточных мембранах определенных видов губок.

«Биомасса губок должна была быть довольно существенной, -- считает Гордон Лав. -- В экологии того периода они занимали очень значительное место».

Узоры жизни

Очередное открытие палеонтологов и геологов, еще больше «состаривших» самые ранние живые организмы, было сделано в канадских горах Маккензи, в ископаемых отложениях, возраст которых исчисляется 850 млн лет. Канадские ученые исследовали остатки массивного рифа из строматолитов, созданного цианобактериями, и нашли в строматолитах странные, похожие на сетки узоры серого карбоната кальция вперемешку с окаменелой глиной. Палеонтолог Элизабет Тэрнер пришла к выводу, что эти коллагеновые сети-ячейки могли создать только живые существа.

По мере гниения мертвых организмов, напоминавших губки, коллагено-протеиновый каркас, не дававший клеткам распасться, постепенно замещался определенными минералами карбоната кальция, а глина заполняла пространство между ними. Тэрнер даже удалось получить похожие «узоры» из мертвых губок в лаборатории.

«Этот организм был даже проще губок, -- говорит Элизабет Тэрнер. -- Возможно, это были базовые метазоа, простейшая форма живых организмов, которая состоит из нескольких типов разных клеток, обитающих в общей коллагеновой матрице».

Сравнивая геномы разных живых организмов, биологи могут получить представление не только о том, каким мог быть их общий предок много лет назад, но и определить время их жизни. Молекулярные анализы позволяют заключить, что первыми живыми организмами были губки или какие-то другие организмы, похожие на них.

Но если первые живые организмы действительно появились так давно, почему они оставили после себя так мало следов? Ключ к ответу на этот вопрос дают эмбрионы Доушаньто, прятавшиеся в раковинах с шипами. Они очень напоминают спящих эмбрионов или цисты в состоянии диапаузы, которые сейчас можно найти у морских звезд, актиний, медуз, губок и других морских животных, попавших в неблагоприятные условия. К примеру, когда в воде слишком мало кислорода.

Недавние исследования минералов со дна древних морей по всему свету показывают, что океан оставался враждебной для живых организмов средой гораздо дольше, чем считалось ранее. Примерно 2,5 млрд лет назад ядовитые отходы, вырабатываемые фотосинтетическими бактериями, накапливались в атмосфере и попадали в верхний слой океанов. Ученые опровергли и еще одну распространенную много лет теорию и доказали, что уже на глубине нескольких метров кислорода было крайне мало. То обстоятельство, что кислород находился в атмосфере, а не в океане, создавало еще одну проблему для живых организмов в те далекие времена. Окисление серосодержащих минералов на суше с последующими дождями и процессами эрозии приводило к тому, что сера в огромных количествах попадала в океаны. Бактерии, живущие ниже небольшого слоя у поверхности, содержавшего кислород, превращали серу в сульфид водорода. Этот токсичный газ крайне отрицательно действует на сложные клетки, называемые эукариотами и содержащие ядра, из которых состоят все растения и животные.

Спасительные оледенения

Комбинированная угроза отсутствия кислорода и присутствия сульфида водорода могла заставить эукариоты обитать лишь в тонком поверхностном слое океанов глубиной считанные метры. При этом любой шторм или волнение поднимали с глубины на поверхность ядовитую воду, убивавшую все живое.

Сернистые соединения очень сильно тормозили эволюцию эукариотов. Сульфиды создавали для них еще одну серьезную проблему. Они соединялись с растворенными в воде молибденом, медью и цинком и образовывали нерастворимые минералы, которые осаждались на дне. Целые экосистемы испытывали сильный недостаток питательных веществ. Особенно доставалось эукариотам.

С другой стороны, большинство бактерий в таких неблагоприятных для жизни условиях чувствовали себя превосходно. В те далекие времена именно они были истинными хозяевами океанов.

Серьезнейшие изменения произошли в достаточно продолжительный период времени между 900 и 500 млн лет назад. Жизнь на планете спасли многочисленные... гигантские оледенения, во время которых планета полностью покрывалась льдом. Сейчас считается, что именно эти оледенения позволили ранним живым организмам закрепиться на планете и победить бактерий. Кстати, и 24-изопропилхолестан, по мнению Гордона Лава, далеко не случайно появился после очередного, очень сильного Стертовского оледенения (710--680 млн лет назад).

Главным, что сделали глобальные оледенения для жизни на планете, является запуск химических реакций в океанах. Ледяные панцири, сковавшие континенты, остановили доступ серы в океаны и выработку сульфида водорода. С другой стороны, начало повышаться содержание кислорода, молибдена и цинка, которые позволили эволюционировать сначала эукариотам, а позднее и метазоа.

Первыми многоклеточными живыми организмами в «новых» океанах стали губки и похожие на них существа без нервной системы и системы кровообращения. Ученые не исключают и возможности появления ранних видов медуз. Несмотря на большие перемены, жизнь первых живых организмов была суровой и изобиловала опасностями.

Кстати, именно недостаток кислорода и объясняет дилемму Дарвина. Ученые находят так мало доказательств существования ранних живых организмов, потому что они были без панцирей. Чем больше и толще они были, тем труднее им было получать достаточно кислорода. Любое твердое покрытие тоже значительно ограничивало доступ кислорода к примитивным живым организмам, не имевшим еще ни жабр, ни кровеносной системы.

Поэтому первые живые организмы скорее всего были очень маленькими и мягкотелыми и не могли оставить окаменелых останков. Несмотря на свою слабость, они сделали огромное дело -- навсегда изменили океаны, поглотив бактерий. После того как жизнь начала меняться к лучшему, возник обратный механизм отбора -- животные должны были становиться больше, чтобы не быть съеденными.

Победители бактерий

Поступление кислорода в глубины океанов и другие перемены постепенно создали благоприятную обстановку для эволюции простейших живых организмов в более сложные. Мысль о том, что повышение содержания кислорода сыграло ключевую роль в эволюционном взрыве в кембрийском периоде, не нова, но большинство ученых объясняли его увеличением содержания кислорода в атмосфере. На самом же деле все было наоборот -- дополнительный кислород живые организмы забирали у бактерий. Т.е. кислородизация атмосферы не вызвала ускорения эволюции живых организмов, а оказалась ее последствием.

Огромные клетки высасывали все больше двуокиси углерода из атмосферы. Это приводило к одному оледенению за другим и в конце концов позволило живым организмам отвоевать океаны у бактерий. Оледенения, похоже, тоже были не причиной эволюции живых организмов, а ее последствиями.

Какое-то время жизнь нашей планеты напоминала гигантские качели: в теплые периоды процветали и развивались сложные формы жизни, захватывавшие двуокись углерода и приводившие к длительным оледенениям. Во время оледенений содержание двуокиси углерода в атмосфере повышалось, и Земля постепенно вновь нагревалась. Эти качели перестали раскачиваться лишь в конце эдиакария, когда на планете появились животные с кишечником, которые уже жили в норах. Пропуская через себя органический материал, оседающий на морском дне, они стабилизировали климат за счет сокращения поглощения двуокиси углерода. После появления крупных живых организмов период «качелей» изменился и стал меньше зависеть от деятельности живых существ.

Здесь неизбежно возникает вопрос: если именно эволюция живых организмов действительно вызвала глобальные оледенения и кислородизацию океанов, а не наоборот, то почему же живые организмы не появились намного раньше? Ведь одноклеточные эукариоты, из которых они развивались и состояли, точно существовали уже около 1,5 млрд лет назад, а может, и еще раньше.

Главная причина относительно позднего появления многоклеточных живых организмов состоит в том, что механизмы сплачивания клеток и их совместной работы крайне сложны и возникли поздно. Темпы эволюции резко ускорились после того, как эти механизмы заработали в полную силу.

Совместный анализ последних находок ученых рисует картину ранней эволюции, которая сильно отличается от той, что много лет господствовала в науке. Океаны не сразу распахнули объятия для крупных живых организмов. Живые организмы тоже далеко не внезапно появились в раннем кембрии. Напротив, первые живые формы появились намного раньше кембрийского периода, но были вынуждены жить у самой поверхности, а в океанах господствовали бактерии. Отсутствие кислорода, недостаток питательных веществ и регулярные массовые истребления поднимающейся с глубин ядовитой водой заставляли первые организмы быть маленькими и мягкотелыми.

Однако гибель крошечных живых организмов не была напрасной. Их тела погружались на дно токсичных морей и океанов, забирая из атмосферы часть двуокиси углерода. Возникавшие из-за уменьшения углекислого газа оледенения стали своего рода катализатором реакций. Выжившие живые организмы, если можно так сказать, воспользовались подвернувшейся возможностью. Они отняли у бактерий океаны и очистили воду. Постепенно в богатой кислородом воде начали появляться более крупные и сложные формы жизни. Эти изменения подготовили почву или, точнее, воду для эволюционного взрыва в кембрии.

Хронология важнейших событий в эволюции живых организмов

3,8 млрд лет назад -- начало жизни на Земле в виде бактерий и археев.

3,5 млрд лет назад -- появление одноклеточных организмов.

2,3 млрд лет назад -- первое глобальное оледенение.

2 млрд лет назад -- появление эукариотических клеток.

1,5 млрд лет назад -- эукариоты разделились на три большие группы: предшественников современных растений, грибков и животных.

900 млн лет назад -- первые формы многоклеточной жизни.

540--530 млн лет назад -- появление первых простейших хордовых животных и эволюционный взрыв в кембрийском периоде.

520 млн лет назад -- первые позвоночные (трилобиты).

500 млн лет назад -- начинается освоение животными суши.

465 млн лет назад -- колонизация суши растениями.

400 млн лет назад -- появление первых насекомых.

365 млн лет назад -- первые четвероногие животные, тетраподы.

320--250 млн лет назад -- появление пеликозавров, зверообразных пресмыкающихся.

210 млн лет назад -- первые динозавры.

65 млн лет назад -- исчезновение многих видов животных, в т.ч. и гигантских рептилий.

53 млн лет назад -- деление приматов на две группы, из которых произошли современные лемуры и человекообразные обезьяны с людьми.

6 млн лет назад -- предки современных людей отделяются от шимпанзе и бонобо, своих ближайших родственников, и вскоре начинают передвигаться на двух ногах.