Кембрийский взрыв - Возможные причины «взрыва.

Ястребов С.А.

(«ХиЖ», 2016, №10)

Вендская прелюдия

Эпоха «Земли-снежка» закончилась 635 миллионов лет назад. Начался последний период протерозоя — эдиакарий (635-542 миллионов лет назад). Теперь нам будет удобнее вести счет времени не на миллиарды лет, а на миллионы - это наглядно показывает, насколько события ускоряются. Хотя, возможно, дело просто в том, что они к нам ближе и от них сохранилось больше следов. Раньше эдиакарий называли вендом, в честь древних славянских племен - венедов (от них же произошло название города Венеция). К сожалению, сейчас это красивое название сохранилось лишь как нестрогий синоним.

Главным событием эдиакария (нельзя не добавить: с нашей антропоцентричной точки зрения) следует назвать появление многоклеточных животных. Датировать это событие нелегко. В палеонтологической летописи эдиакария хватает свидетельств перехода к многоклеточности животного типа - правда, чем они более ранние, тем более спорные («Nature», 2014, 516, 7530, 238-241, см. также статью Александра Маркова, http://elementy.ru/novosti_nauki/431720). Во второй половине эдиакария в изобилии появляются вендобионты - крупные, до метра длиной загадочные существа с плоским дисковидным или листовидным телом, состоящим из множества однотипных повторяющихся «сегментов». «Сегменты» здесь поставлены в кавычки, потому что сегментация вендобионтов почти наверняка не имеет ничего общего с сегментацией настоящих многоклеточных животных. Сам термин «вендобионты» придумал немецкий палеонтолог Адольф Зейлахер, который считал этих существ совершенно особой формой жизни - гигантскими многоядерными клетками («Planetary Systems and the Origins of Life», Cambridge University Press, 2007, 193-209). Действительно, есть основания считать, что вендобионты были во многих отношениях ближе не к многоклеточным животным, а к амебам или грибам (между прочим, и у тех и у других большие многоядерные клетки не редкость). Они совершили попытку выхода в крупный размер, которая сначала привела к успеху, но завершилась неудачей: в конце эдиакария вендобионты вымерли.

С другой стороны, надо учитывать, что вендобионты были очень разнообразны. Не факт, что их вообще можно хоть в каком-то приближении считать единой группой. Это скорее эволюционный уровень. И несмотря на то, что большинство вендобионтов никаких потомков не оставило, от некоторых из них вполне могли напрямую произойти современные животные - например, пластинчатые и гребневики («Evolution and Development», 2011, 13, 5, 408-414). В эдиакарских корнях этих эволюционных ветвей нет ничего невероятного.

Самое древнее абсолютно бесспорное ископаемое многоклеточное животное называется Kimberella quadrata . Это двусторонне-симметричное существо длиной до 15 сантиметров, ползавшее по морскому дну. Характер изменений формы тела найденных кимберелл (а найдено их много, в разных частях света) вместе с отпечатками следов не оставляет сомнений, что они активно ползали, растягиваясь, сжимаясь и изгибаясь с помощью мышц. Характерные признаки кимбереллы - вытянутое, но компактное тело с ногой (мускулистой нижней поверхностью) и мантией (складкой, окаймляющей туловище). По этим признакам она очень похожа не на кого-нибудь, а на моллюсков («Paleontological Journal», 2009, 43, 601, doi:10.1134/S003103010906001X). Есть мнение, что у кимбереллы была даже радула - свойственный моллюскам «язык» с хитиновыми зубцами, приспособленный для соскребания водорослей (PALAIOS, 2010, 25, 565-575, doi: 10.2110/ palo.2009.p09-079r). Так или иначе, это уже по всем статьям настоящее многоклеточное животное.

Кимберелла жила 555 миллионов лет назад («Science», 2000, 288, 5467, 841-845). И примерно в это же время впервые появляются многочисленные ископаемые следы животных, явно активно ползавших по дну («Philosophical Transactions of the Royal Society B», 2008, 363, 1496, doi: 10.1098/rstb.2007.2232). Надо заметить, что «настоящие многоклеточные животные» - не очень строгий термин; здесь достаточно договориться, что мы называем так животных с мышцами, ртом и кишкой. У вендобионтов, насколько можно судить, ничего этого не было. Они питались в лучшем случае микроскопическими водорослями, а скорее всего - просто веществами, растворенными в морской воде («Trends in Ecology & Evolution», 2009, 24, 1, 31-40). Только в конце эдиакария появились многоклеточные существа, способные активно отыскивать добычу и захватывать ее крупными кусками, чтобы переварить внутри. Вендобионты были перед такими чудовищами беззащитны - неудивительно, что их «золотой век» на этом закончился. В истории донных сообществ началась совершенно другая эпоха.

«Большой взрыв жизни»

Конец эдиакарского периода является в то же время рубежом двух эонов - протерозоя и фанерозоя; и вот тут нужно небольшое пояснение. «Фанерозой» буквально значит «явная жизнь». Это эпоха, к которой относится подавляющее большинство изучаемых палеонтологами ископаемых остатков. Все предыдущие времена, включая протерозой, архей и катархей, собирательно называют криптозоем - «скрытой жизнью». Фанерозой же, в свою очередь, делится на три эры, названия которых большинству из нас скорее всего знакомы: палеозой, мезозой и кайнозой. «Палеозой» значит «древняя жизнь», «мезозой» - «средняя жизнь», «кайнозой» - «новая жизнь». Каждая из этих эр делится на периоды. Период, с которого начинается палеозой (и тем самым весь фанерозой), называется кембрием. Как и многие другие геологические периоды, кембрий получил свое имя из географии: Кембрия - это римское название Уэльса, кельтской страны на западе Британии. Соответственно очень распространенный синоним криптозоя - докембрий.

Чтобы правильно видеть перспективу, будем помнить следующее: весь фанерозой составляет (округленно) всего лишь примерно 1/9 как от времени существования Земли, так и от истории жизни на ней. Остальные 8/9 - это докембрий. Иное дело, что в фанерозое события очень сгущаются.

В 1845 году великий шотландский геолог Родерик Мурчисон предложил назвать все времена до начала кембрия азойской эрой, то есть - буквально - безжизненной. Долго это название не продержалось: уже палеонтологи XIX века показали, что в толще докембрийских пород есть следы жизни («The Journal of Geology», 1927, 35, 8, 734-742). А сейчас мы точно знаем, что жизнь была на Земле в течение большей части докембрия, и можем датировать многие докембрийские ключевые события - например, кислородную революцию или появление многоклеточности.

Главное отличие фанерозойской жизни от докембрийской - колоссальное обилие многоклеточных животных, подавляющее большинство которых относится уже к современным типам. В кембрии появляются губки, гребневики, стрекающие кишечнополостные, всевозможные черви, членистоногие, моллюски, брахиоподы, иглокожие, полухордовые и хордовые. Внезапное появление этих животных в палеонтологической летописи принято называть кембрийским взрывом. В более древних слоях их остатков нет (по крайней мере, определяемых однозначно и бесспорно). Кембрий - это время рождения фауны, близкой к современной. Кембрийский взрыв дал такой эффект и произошел так быстро, что его часто называют «эволюционным Большим взрывом» - по аналогии с тем самым Большим взрывом, в котором родилась Вселенная.

Еще кембрийский взрыв иногда называют «скелетной революцией». Действительно, многие появившиеся в этот момент группы животных приобрели твердые скелеты, причем совершенно разные и на разной основе: например, между спикулами губок, раковинами моллюсков и хитиновыми панцирями членистоногих нет буквально ничего общего. Такая одновременность никак не может быть случайной. Тем не менее «кембрийский взрыв» и «скелетная революция» не синонимы. Во-первых, твердые скелеты были далеко не у всех кембрийских животных (например, у первых хордовых их не было). Во-вторых, и в докембрии иногда попадаются явные скелетные структуры - например, непонятно кому принадлежавшие жилые трубки («Природа», 2006, 2, 37-40). В целом понятие «кембрийский взрыв» - куда более определенное, и неудивительно, что современные авторы чаще говорят именно о нем.

А был ли взрыв ?

Но вот вопрос: был ли кембрийский взрыв на самом деле? Существует мнение, что многие современные группы животных появились еще в глубоком докембрии, однако долгое время почти не оставляли ископаемых остатков, а потому были палеонтологически «невидимы» («Science», 2011, 334, 6059, 1091-1097, doi: 10.1126/science.1206375). Причины этого могли быть разными: маленький размер животных, отсутствие у них твердых скелетов или просто неподходящие для захоронения физические условия. Гипотеза «долгой скрытой докембрийской эволюции» неплохо поддерживается молекулярной систематикой, то есть сравнением аминокислотных и нуклеотидных последовательностей белков и генов разных животных (конечно, современных - со времен кембрия ни белков, ни ДНК не осталось). Реконструкции, сделанные исключительно по молекулярным данным, зачастую уводят корни современных типов животных даже не в эдиакарий, а в предыдущий период - криогений («Systematic Biology», 2013, 62, 1, 93-109). Тогда выходит, что кембрийский взрыв - не столько эволюционное событие, сколько артефакт сохранности. На рубеже кембрия эволюционные ветви животных просто «проявились», обретя твердые скелеты и начав захораниваться в осадочных толщах; а возникли они гораздо раньше.

Однако тщательной проверки, когда молекулярно-биологические данные шаг за шагом объективно сопоставляются с палеонтологическими, гипотеза «долгой скрытой докембрийской эволюции» не выдерживает («Current Biology», 2013, 23, 19, 1889-1895). И получается, что кембрийский взрыв - никакой не артефакт. Большинство крупных эволюционных ветвей животных действительно возникло в ближайшей временной окрестности границы кембрия (плюс-минус несколько миллионов лет). Есть и математические модели, подтверждающие, что погруженные в докембрий «стволы» эволюционных деревьев современных типов животных должны быть короткими («Philosophical Transactions of the Royal Society B», 2016, 371, 1685, doi: 10.1098/rstb.2015.0287). Время их существования - считанные миллионы лет, может быть, первые десятки миллионов, но уж никак не сотни. В общем, на данный момент у нас хватает оснований, чтобы считать гипотезу «долгой скрытой докембрийской эволюции» скорее неверной, а кембрийский взрыв - реальностью, как это, собственно говоря, и следует напрямую из палеонтологических данных.

Чтобы ослабить категоричность, добавим: вывод, который мы только что сделали, безусловно, обладает свойством фальсифицируемости. Это означает, что можно сформулировать четкие условия, при которых он будет опровергнут. Например, для этого вполне достаточно найти хотя бы одного достоверно определимого скорпиона (или сороконожку, или улитку) криогениевого возраста. Но пока такого не было, и вероятность, что это когда-нибудь случится, с каждым годом уменьшается.

Причины взрыва

Итак, в начале кембрия уникально быстро возникло множество новых крупных эволюционных ветвей животных. Такого не случалось больше никогда, ни раньше, ни позже. Даже после катастрофических массовых вымираний (о которых речь впереди) животный мир восстанавливался за счет нарастания разнообразия уже существовавших больших групп, а не за счет появления новых. Вот почему кембрийский взрыв обязательно требует объяснения.

Правда, «быстро» все же не значит «моментально». Новые группы животных отнюдь не появляются все разом в полном составе, как актеры после поднятия занавеса. Кембрийский взрыв был хоть и сильно сжатым во времени, но все же постепенным; скорость эволюционных процессов в нем вполне можно измерить, и такие исследования есть. Кембрий длился примерно 57 миллионов лет (542-485 млн лет назад), при этом в самом его начале (первые шесть миллионов лет) морская фауна еще довольно бедна. Новые группы животных появляются там действительно быстро по меркам истории Земли, но не мгновенно.

С чем это все-таки было связано? За полтора века, прошедших с тех пор, как ученые (и в том числе Чарльз Дарвин) осознали загадку кембрийского взрыва, предлагались разнообразнейшие объяснения этого события, от генетических до космических. Одна современная обзорная статья на эту тему так и называется - «По ту сторону кембрийского взрыва: от галактики до генома» («Gondwana Research», 2014, 25, 3, 881-883, doi: 10.1016/j.gr.2014.01.001). Например, тенденция к массовому образованию минеральных скелетов - знаменитая «скелетная революция», она же «биоминерализация» - в начале кембрия охватила не только самых разных многоклеточных животных, но и одноклеточных эукариот, и некоторые водоросли. Напрашивается предположение, что это связано с глобальным изменением химического состава внешней среды, то есть в данном случае морской воды. И в самом деле, показано, что в начале кембрия по каким-то чисто геологическим причинам примерно в три раза выросла концентрация в морской воде кальция (Ca2+) - иона, который нужен для создания твердых скелетов как никакой другой («Geology», 2004, 32, 6, 473-476). Минеральная основа скелетов животных - чаще всего карбонат кальция (раковины моллюсков, иглы и чашечки коралловых полипов, спикулы губок), а иногда фосфат кальция (кости позвоночных).

Проблема в том, что объяснить скелетную революцию - не значит объяснить сам кембрийский взрыв. Скелетная революция всего лишь снабдила твердыми минерализованными тканями ряд животных, уже существовавших к моменту ее начала. Причем это даже не всех их коснулось. В тех кембрийских местонахождениях, тип сохранности которых допускает захоронение бесскелетных существ, сразу же обнаруживается, что немалая часть кембрийской фауны была вполне «мягкотелой». Так что дело не в скелетах. Явление, которое надо объяснить в первую очередь, - это уникальное ускорение эволюции многоклеточных животных, очень быстро (в конце эдиакария - начале кембрия) создавшее много новых крупных групп, не важно, скелетных или нет.

В дальнейшем рассказе мы будем исходить из сценария, который кратко изложил еще в начале 1970-х годов американский палеонтолог Стивен Стэнли. Конечно, палеонтология - очень быстро развивающаяся наука; работы сорокалетней давности в ней всегда требуют поправок, и мы эти поправки по ходу разговора внесем. Правда, на самом деле это будут скорее дополнения. Главная идея Стэнли исключительно хорошо выдержала проверку временем. Сумма фактов, известных на данный момент, прекрасно в нее вписывается.

Начнем с начала. В скобках заметим: решить, что именно стоит принять за «начало», при разборе любого исторического процесса - задача непростая, ведь причинно-следственные цепочки могут тянуться в прошлое едва ли не до бесконечности, сбивая неосторожного исследователя с толку. В нашем случае «началом» будет эдиакарская биота. Что она собой представляла?

В экологии принято выделять организмы-средообразователи, активность которых определяет собой структуру целых сообществ. Такие организмы называются эдификаторами.

Например, в современной дубраве эдификатором является дуб, в маленьком тихом пруду им вполне может быть ряска и т. д. Так вот, в эдиакарских морях эдификаторами были покрывавшие дно «ковры» нитчатых водорослей - так называемые водорослевые маты (PALAIOS, 1999, 14, 1, 86-93, doi: 10.2307/3515363). На этих «коврах» жили уже знакомые нам вендобионты. Большинство из них вело прикрепленный образ жизни; как они питались - не совсем понятно, но скорее всего - осмотрофно, всасывая из воды растворенные вещества всей поверхностью тела. Таким способом до сих пор питаются некоторые морские простейшие, например крупные - до 20 сантиметров! - многоядерные ксенофиофоры, похожие на гигантских амеб. Вендобионты вполне могли быть близки к ним по образу жизни.

Есть и другие версии. В 1986 году палеонтолог Марк Мак- Менамин предположил, что вендобионты были экологическими аналогами современных погонофор - глубоководных кольчатых червей, лишенных рта и кишечника. Погонофоры живут в океане на такой глубине, куда солнечный свет не проникает. Зато там встречаются горячие источники, выделяющие в воду сероводород (H 2 S). Тело погонофоры набито симбиотическими бактериями, которые окисляют сероводород до серы и полученную при этом энергию используют для фиксации углекислоты, как при фотосинтезе. За счет этого процесса питаются и бактерии, и червь, в котором они живут. Вендобионтам было проще: они часто жили на мелководье, где солнечного света для фотосинтеза хватало, и вполне могли питаться за счет наполнявших их тело симбиотических одноклеточных водорослей. Это тоже вполне реально, есть современные черви и моллюски, которые так и делают, - правда, для них этот источник питания дополнительный. Но почему бы ему не быть и основным? Мир вендобионтов, где никто никого не ел, Мак-Менамин назвал «садом Эдиакары», с явной шуточной аллюзией на сад Эдема (PALAIOS, 1986, 1, 2, 178-182, doi: 10.2307/3514512). Большой недостаток этой гипотезы в том, что ее пока трудно проверить; к тому же она заведомо не может распространяться на всех вендобионтов без исключения - некоторые из них жили в море глубже уровня, куда проникает достаточно света для фотосинтеза («Proceedings of the National Academy of Sciences USA», 2009, 106, 34, 14438-14443). Но, в конце концов, в разных условиях они могли питаться и по-разному.

Парадокс в том, что концепция «сада Эдиакары» представляется близкой к истине при любом сколько-нибудь реалистичном предположении о способе питания вендобионтов. Тут уж и не имеет особого значения, жили в них водоросли или нет. В эдиакарском мире действительно никто никого не ел (не считая одноклеточных объектов, но одноклеточные эукариоты могут и сами пожирать друг друга). Принципиально важно, что в эдиакарских сообществах до некоторого момента не было не только хищников (которые питались бы другими животными), но и «травоядных» (которые соскребали бы водоросли или еще как-то активно их выедали). Таким образом, водорослевым матам никто не мешал расти.

Все изменилось, когда повышение концентрации кислорода в морской воде (судя по геологическим данным, оно шло постепенно в течение всего эдиакария) позволило некоторым многоклеточным существам ускорить обмен веществ настолько, чтобы начать вести по-настоящему активный образ жизни. Появились «сборщики урожая» - крупные животные с двигательной системой и ртом, которые перемещались по водорослевым матам и выедали их значительные участки. Одним из таких «сборщиков» была знакомая нам кимберелла. По образу жизни и по скорости передвижения первые эдиакарские животные-водорослееды, скорее всего, напоминали современных улиток; для нас это выглядит безобидно, но «с точки зрения» эдиакарских жителей появление таких существ было настоящей катастрофой. Водорослевые маты немедленно перестали быть сплошными; животные не только соскребали их сверху, но и объедали снизу, освоив для этого проникновение в грунт (у зоологов принято называть такие действия «минированием»). Тут досталось и вендобионтам, которые в конце эдиакария просто исчезли.

С этого момента начала работать общая закономерность, установленная экологами уже давно и проверенная разными способами, вплоть до прямых экспериментов: в условиях давления хищника разнообразие его жертв повышается по сравнению с сообществом, где хищников нет вовсе («Proceedings of the National Academy of Sciences USA», 1973, 70, 5, 1486- 1489). Если раньше донные сообщества насыщались очень немногочисленными доминирующими видами водорослей, то теперь равновесие рухнуло и началась бурная эволюция. А между тем набор экологических ниш, доступных животным, тоже расширялся. Появились активные грунтоеды, приспособленные к тому, чтобы постоянно жить в норах, пропуская донный грунт сквозь кишечник и извлекая из него питательные вещества; так до сих пор живут многие морские черви - пескожил, например. Черви-грунтоеды впервые стали рыть в морском дне не только горизонтальные, но и вертикальные ходы, вызывая обогащение грунта кислородом и тем самым дополнительно облегчая его заселение другими животными. Эти события получили название «субстратной революции» («GSA Today», 2000, 10, 9, 1-7, ftp://rock.geosociety.org/pub/ GSAToday/gt0009.pdf). Таким образом, эволюционирующие животные не только занимали готовые экологические ниши, но и активно создавали новые, превращая процесс в автокаталитический (самоускоряющийся).

Некоторые жители поверхности дна стали расширять свои экологические ниши не в сторону грунта, а наоборот, в сторону водной толщи. В результате возник зоопланктон - сообщество мелких животных, пребывающих взвешенными в воде и дрейфующих вместе с ней. Как правило, представители зоопланктона питаются, фильтруя воду и отцеживая из нее фитопланктон, то есть находящиеся в той же водной толще одноклеточные водоросли (таких к моменту кембрийского взрыва было уже сколько угодно). И действительно, в раннем кембрии в палеонтологической летописи появляются первые планктонные фильтраторы - жаброногие рачки («Paleobiology», 1997, 23, 2, 247-262). Жаброноги, как и все ракообразные, - обладатели членистых конечностей, исходно предназначенных для хождения по грунту, то есть по дну. Поэтому нет никаких сомнений, что ранние этапы своей эволюции они провели на дне, а к планктонному образу жизни обратились только потом.

Последствия появления зоопланктона оказались глобальными. Дело в том, что животные-планктеры отфильтровывают из воды не только водоросли, но и любую взвесь, в которой могут быть хоть какие-то питательные вещества. В основном это распыленные остатки мертвых организмов. Отфильтровав взвесь и всосав из нее полезные молекулы, планктеры (в первую очередь этим отличаются ракообразные) аккуратно «упаковывают» в своем кишечнике остальное в плотные комки - фекальные пеллеты, которые быстро тонут и отправляются на дно. Пеллетная транспортировка взвеси - важнейший фактор, понижающий мутность воды в океане. Таким образом, после появления планктонных фильтраторов вода стала прозрачной, свет проникал в нее на бо́льшую глубину, и в ней повысилась концентрация кислорода (часть его раньше расходовалась на окисление той же мертвой взвеси). Первый фактор увеличил глубину зоны, в которой возможен фотосинтез, второй - улучшил условия для придонной фауны. По всем данным, прозрачный насыщенный кислородом фанерозойский океан резко отличается от мутного докембрийского океана («Geobiology», 2009, 7, 1, 1-7). Заодно повысилась концентрация кислорода и в атмосфере. Естественно, что в новых условиях разнообразие как растений, так и животных дополнительно выросло. Замкнулась еще одна автокаталитическая петля.

Пришествие хищника

Все животные, о которых мы до сих пор говорили, были в самом наиширочайшем смысле «травоядными». Они питались или фотосинтезирующими организмами, или на худой конец чьими-то мертвыми остатками. При этом собственная биомасса «травоядных» представляла собой ценный (и до какого-то момента совершенно невостребованный) ресурс для животных, питающихся другими животными, то есть для хищников. Поначалу никаких хищников просто не существовало. Но при наличии таких атрибутов активной жизни, как нервная система, мускулатура и ротовой аппарат, их появление было всего лишь вопросом времени. Первые крупные хищники, уже совершенно определенно специализированные на питании другими многоклеточными животными, появляются примерно 520 миллионов лет назад; это динокариды - хорошо плавающие существа, родственные членистоногим («Gondwana Research», 2014, 25, 896-909, doi, 10.1016/j.gr.2013.06.001). Самый известный представитель динокарид - аномалокарис, стройное сегментированное создание длиной около метра со сложными фасеточными глазами и мощными членистыми околоротовыми конечностями, явно служившими для захвата подвижной добычи. В самом начале кембрия подобных хищников нет. «Скелетная революция», несомненно, в какой-то степени стала ответом на их появление; изменение химического состава морской воды только облегчило ее. А появление скелетов, в свою очередь, запустило освоение новых экологических ниш. Стивен Стэнли совершенно правильно писал, что для объяснения кембрийского взрыва вполне хватает чисто биологических причин; факторы, действующие на биосферу извне, могли повлиять на скорость того или иного процесса, но все главные события можно объяснить и без них. Вспышка разнообразия многоклеточных животных была естественным результатом серии автокаталитических процессов, запущенных появлением первых «травоядных» (вроде кимбереллы) и происходивших на уровне сообществ, иначе говоря, экосистем. Вне экологии объяснить кембрийский взрыв действительно невозможно.

С появлением хищников процесс образования новых жизненных форм стал понемногу тормозиться. Репертуар экологических ниш сложился, почти все они уже были распределены и заняты. Разумеется, расширение сообществ продолжалось и дальше - просто медленнее. Например, только после окончания кембрийского периода появились лопатоногие моллюски, занявшие довольно-таки экзотическую нишу роющих хищников («Advances in Marine Biology», 2002, 42, 137-236). Но такого размаха, как на рубеже эдиакария и кембрия, крупномасштабная эволюция животных больше никогда не достигала.

С точки зрения событийной истории началом кембрийского взрыва можно считать появление первых эффективных водорослеедов (кимберелла), а концом - появление первых эффективных хищников (аномалокарис). Кимберелла появилась 555 миллионов лет назад, аномалокарис - 520 миллионов лет назад, интервал между ними - 35 миллионов лет. Не так уж и быстро.

Известный английский биолог Питер Холланд считает, что древняя вспышка эволюции многоклеточных животных, обычно называемая кембрийским взрывом, частично объясняется генетическими причинами . Необходимой предпосылкой для бурной эволюции двусторонне-симметричных животных была генная дупликация (или серия дупликаций), в результате которой возникли гены Hox и ParaHox - важные регуляторы индивидуального развития. Это не исключает действия экологических факторов на раннюю эволюцию животных, но заставляет обязательно учитывать также вклад чисто генетических новшеств.

Одной из самых больших загадок в истории жизни на Земле давно считается так называемый кембрийский взрыв - внезапное появление множества крупных групп животных примерно 540 миллионов лет назад, в начале кембрийского периода (слева вверху на рисунке). Иногда встречается мнение, что кембрийский взрыв - это артефакт, иллюзия, связанная не столько с появлением новых эволюционных ветвей, сколько с изменением условий захоронения ископаемых остатков. Но последние исследования подтверждают, что резкое ускорение эволюции на границе кембрия вполне реально. Кембрийский взрыв действительно был.

Чем он был вызван? Эта проблема вполне может соперничать по популярности, например, с проблемой вымирания динозавров или появления человеческого прямохождения. Есть много гипотез, объясняющих кембрийский взрыв внешними факторами: например, повышением уровня океана (с появлением множества мелководных продуктивных окраинных морей) или изменением химического состава морской воды (с повышением содержания кислорода, кальция, фосфатов). Однако за сто лет ни одна из этих версий не получила настолько надежного подтверждения, чтобы оказаться вне конкуренции.

Есть объяснения более сложные, многоступенчатые. Например, американский палеонтолог Дуглас Эрвин (Douglas Erwin) считает, что на границе кембрия некоторые животные научились активно рыться в морском дне, это вызвало насыщение грунта кислородом, расширило набор экологических ниш и привело к «цепной реакции видообразования». Но у этой гипотезы тоже есть слабые места. И самое главное - она упускает из виду начальный этап процесса. Животные, способные перерывать морское дно, должны были сначала возникнуть.

Знаменитый британский эволюционный генетик Питер Холланд (Peter Holland) предлагает для разнообразия поискать внутренние причины кембрийского взрыва, заключенные не в окружающей среде, а в самой структуре эволюционирующих организмов. Разумеется, Холланд прекрасно понимает, что и про экологические причины тоже нельзя забывать: такое сложное событие, как кембрийский взрыв, наверняка было вызвано многими факторами, а не одним. Скорее всего, там имел место каскад взаимосвязанных перемен. Тем не менее очевидно, что реакция любой системы на внешнее воздействие зависит не только от характера этого воздействия, но и от свойств самой системы. Что, если подойти к проблеме с этой стороны?

Правда, о внутреннем устройстве раннекембрийских, а тем более докембрийских животных мы пока знаем маловато. Но кое-что можно попытаться вычислить по косвенным данным, анализируя «поведение» организмов в макроэволюционном масштабе времени.

Что, собственно, на границе кембрия «взорвалось»? Стоит обратить внимание, что большая часть событий, в сумме составляющих кембрийский взрыв, связана с эволюцией не просто животных, а двусторонне-симметричных животных. Есть только четыре современных типа животных, которые не относятся к двусторонне-симметричным: губки, гребневики, пластинчатые, стрекающие (в прошлом году предположительно был найден представитель пятого типа, но эта находка еще толком не описана). Все остальные животные, включая червей, улиток, морских ежей, бабочек и нас самих, относятся к огромной группе двусторонне-симметричных (билатерий). Именно очень быстрое - в данном случае это значит «за считанные миллионы лет» - появление большого числа крупных ветвей двусторонне-симметричных животных делает начало кембрия совершенно уникальным моментом земной истории.

Что в этих животных особенного? Билатерии исключительно разнообразны, поэтому любая их краткая характеристика рискует погрешить неточностью. Тем не менее можно назвать четыре главных признака, отличающих билатерий от «небилатерий».

Передне-задняя ось. Типичное двусторонне-симметричное животное проводит жизнь в поступательном движении, при этом его тело имеет четко выраженные передний и задний конец - попросту говоря, голову и хвост. На переднем конце обычно находятся органы чувств и ротовой аппарат.

Центральная нервная система. У «небилатерий» нервной системы или нет вообще (губки, пластинчатые), или она относительно простая (гребневики, стрекающие). У билатерий нервная система, как правило, более мощная, часто она собрана в единую цепочку или тяж. Кроме того, для нее очень характерно продольное подразделение на отделы, самый передний из которых принято называть головным мозгом.

Сквозной кишечник. Билатериям свойствен кишечник в виде трубки, которая начинается ртом (обычно вблизи переднего конца тела) и оканчивается анальным отверстием (обычно вблизи заднего конца тела). Такой кишечник, как и нервная система, имеет продольное подразделение на отделы, например на переднюю, среднюю и заднюю кишку. Пища все время движется по сквозной кишке в одном направлении - от рта к анальному отверстию. Среди билатерий есть случаи отсутствия сквозного кишечника, но большинство их наверняка связано с вторичной потерей. У «небилатерий» сквозного кишечника в виде трубки не бывает никогда. Даже если их кишечная полость и имеет другие отверстия, кроме рта (у гребневиков, например), система однонаправленного протока пищи там отсутствует.

Три зародышевых листка. Зародыш многоклеточного животного, как правило, делится на слои клеток, называемые зародышевыми листками. У билатерий четко описано три зародышевых листка. У «небилатерий» зародышевые листки или вообще выделяются с трудом (губки, пластинчатые), или их скорее два, чем три (гребневики, стрекающие). По этой причине билатерий еще с XIX века принято считать трехслойными животными (триплобластами), а «небилатерий» двухслойными (диплобластами). Трехслойные животные отличаются от двухслойных наличием среднего зародышевого листка - мезодермы, из которой развивается, в частности, мышечная система. Поэтому такие животные способны к гораздо более активным и разнообразным движениям.

Известнейший британский палеонтолог Саймон Конвей Моррис (Simon Conway Morris) еще в 1993 году высказал мнение, что главное эволюционное содержание кембрийского взрыва заключалось в переходе с уровня двухслойных животных на уровень трехслойных, то есть двусторонне-симметричных . По Конвею Моррису, кембрийский взрыв в основном и состоял во «вторжении» в биосферу Земли трехслойных животных. Накопившиеся с тех пор палеонтологические данные вовсе не противоречат этой идее.

Как выглядел последний общий предок всех современных двусторонне-симметричных животных (latest common ancestor of all living bilaterians, LCAB)? Сравнительная анатомия и генетика развития дают достаточно оснований думать, что у этого общего предка была центральная нервная система, сквозной кишечник и расположенные по сторонам от него мышцы (возможно, даже сегментированные). Сокращения этих мышц давали возможность сложным образом менять форму тела, обеспечивая ползание, плавание или рытье - во всех случаях головой вперед.

Двусторонне-симметричные животные гораздо лучше приспособлены к активному перемещению в трехмерном пространстве, чем «небилатерии». Причем трехмерным пространством для них может быть не только толща воды, но и толща грунта. Не исключено, что именно рытье в грунте сыграло ключевую роль в эволюции ранних билатерий (как это и предполагает гипотеза Эрвина). Роющему двусторонне-симметричному существу удобно использовать грунт для питания: ил поступает в рот, проходит кишечную трубку, отдавая по пути питательные вещества, и выбрасывается через анус, оставаясь позади. Продвигаться сквозь грунт ему тоже удобно: для этого есть сильные мышцы, а кроме того, в мезодерме может образоваться еще и целомическая (вторичная) полость, которая заполнена жидкостью и выполняет функцию гидростатического скелета. В зоологии давно есть идея, что целом возник именно при переходе к рытью, в качестве гидроскелета, который стал тогда необходим .

Если этот сценарий соответствует действительности, то прекрасным образцом древней жизненной формы билатерий может послужить не кто иной, как дождевой червь. Он сменил морскую среду на почву, но сохранил в самом ярком виде все перечисленные признаки: сквозная кишка с ртом на переднем конце тела и анусом на заднем, сильные мышцы (сегментированные) и целом с явной опорной функцией.

В любом случае, о появлении двусторонне-симметричных животных можно сказать, что оно: (1) произошло во временной окрестности границы кембрия (никаких убедительных свидетельств намного более раннего существования билатерий нет) и (2) произвело настоящую революцию как в анатомии животного мира, так и в глобальной экологии.

Но что все-таки вызвало эту революцию? Вот тут-то и стоит подумать о том, какие внутренние изменения в организмах сделали ее возможной.

Как ни парадоксально, на нынешнем уровне развития биологии мы зачастую знаем больше про гены, которые были у древних животных, чем про анатомию этих животных. В таком случае с генов и стоит начать.

В первую очередь нас должны интересовать гены, контролирующие развитие (1) нервной системы, (2) кишечника и (3) мезодермальных структур, к которым относятся мышцы и целом (слева внизу на рисунке). Таких генов сейчас известно достаточно много. Как правило, они кодируют белки, способные включать или выключать другие гены, то есть являющиеся факторами транскрипции. К генам факторов транскрипции, способным влиять на развитие животных, относятся, например, Fox-гены, Pax-гены, гомеобоксные гены, T-боксные гены и гены «цинковых пальцев».

Поскольку «нельзя объять необъятное», Питер Холланд выбрал для исследования только одну из этих пяти групп генов - гомеобоксные гены. Они неплохо изучены, и, судя по всему, именно от них сильнее всего зависит развитие интересующих нас систем органов.

Когда заходит речь о гомеобоксных генах, многие биологи (и небиологи, интересующиеся научной литературой, тоже) первым делом вспоминают про гены семейства Hox. Строго говоря, это неправильно. Hox-гены - действительно важные регуляторы развития животных, они могут, скажем, определять отличия между разными сегментами тела. Но далеко не все гомеобоксные гены являются Hox-генами. Например, в геноме мухи-дрозофилы гомеобоксных генов больше сотни, а к семейству Hox из них относятся только восемь. В геноме человека гомеобоксных генов больше двухсот, а к семейству Hox из них относятся только 39. По выражению Холланда, Hox-гены - это «верхушка гомеобоксного айсберга».

Гомеобоксные гены, эволюция которых особенно интересна с точки зрения сравнительной анатомии, называются ANTP-генами (от мутации antennapedia). Это один из нескольких классов гомеобоксных генов, который, в свою очередь, делится на генные семейства. Кроме уже упомянутых Hox-генов, к ANTP-генам относятся ParaHox-гены, NK-гены, Dlx-гены, Evx-гены, Emx-гены, Dbx-гены, Msx-гены и ряд других.

Важная особенность генов семейства Hox состоит в том, что они склонны располагаться в хромосомах рядом друг с другом, образуя плотные группы - кластеры. Например, у дрозофилы все восемь Hox-генов собраны в один кластер. У человека таких кластеров четыре. У некоторых животных Hox-кластеры распадаются, но гораздо чаще они остаются более или менее целыми. Эта особенность имеет огромное значение и для регуляции работы Hox-генов, и для их эволюции. Именно расшифровка принципа работы Hox-кластера была главным достижением великого американского генетика Эдварда Льюиса (Edward B. Lewis), получившего за это в 1995 году Нобелевскую премию.

В 1990-х годах было открыто еще несколько генов, очень близких к Hox-генам по нуклеотидной последовательности, но не входящих в Hox-кластер и, по-видимому, имеющих какие-то другие функции. Эти гены получили общее название ParaHox. Более того, для трех таких генов - Gsx, Xlox (он же Pdx) и Cdx - было показано, что по своим последовательностям они даже ближе к некоторым Hox-генам, чем многие Hox-гены между собой. Откуда же они взялись? Эту загадку удалось частично решить в 1998 году, когда Питер Холланд с коллегами обнаружили, что ParaHox-гены тоже собраны в кластер - свой собственный. Правда, ParaHox-кластер намного меньше Hox-кластера: например, у ланцетника есть 15 Hox-генов и всего три ParaHox-гена. Но они наверняка имеют общее происхождение. Первую статью на эту тему так и назвали: «Кластер ParaHox - эволюционная сестра кластера Hox» .

Напрашивающийся здесь эволюционный сценарий выглядит так. У общего предка большинства современных животных был единый небольшой генный кластер, «предковый» и для Hox-генов, и для ParaHox-генов. Этот древний кластер называют ProtoHox-кластером. В некоторый момент ProtoHox-кластер удвоился вместе с частью хромосомы, в которой он находился. Такое генетическое событие называется тандемной дупликацией. Так возникли два родственных кластера, эволюция которых в дальнейшем пошла по-разному. Один из них стал Hox-кластером, а другой ParaHox-кластером (в середине рисунка вверху).

Есть и третье семейство ANTP-генов, склонных «кластеризоваться». Они называются NK-гены. У мухи-дрозофилы их пять, и они собраны в компактный кластер, совершенно отдельный от кластеров Hox и ParaHox. Эти гены - очень древние (они наверняка возникли раньше, чем животные стали двусторонне-симметричными) и очень консервативные, то есть они сохраняются у самых разных организмов, мало изменяясь. У ланцетника и у позвоночных NK-кластер распался, но входившие в него гены сохранились по отдельности. Более того, сравнительная геномика позволяет предположить, что NK-кластер дрозофилы (с пятью генами) является остатком более крупного кластера, который существовал в начале эволюции билатерий и включал не меньше восьми генов. Сейчас он находится в процессе медленного распада, и некоторые «отколовшиеся» от него гены уже давно существуют самостоятельно.

Что во многом связано с фиксацией нового типа отношений в природе: «хищник - жертва» . Собственно, первые достоверные следы хищничества известны ещё из позднего эдиакарского периода, к этому же времени относится и появление в палеонтологической летописи первых живых организмов с минерализованным наружным скелетом, предназначенным для защиты (рифообразующие клаудины) . Однако в кембрии эти новые принципы взаимоотношений между животными распространяются повсеместно, на их основе начинают строиться все основные экосистемы. В результате начинается новый виток эволюции, связанный с выработкой приспособлений к хищничеству и защите от хищников. В частности, значительное развитие получают органы чувств - у многих животных появляются довольно совершенные глаза (например, у аномалокариса и опабинии) и мозг .

Термин «взрыв» был введён до открытия докембрийских хайнаньской и эдиакарской биот , по мнению некоторых учёных являющихся связующими звеньями [ ] между наиболее примитивными многоклеточными живыми организмами, известными начиная с палеопротерозоя (например, франсвильская биота), и уже достаточно сложно организованными кембрийскими [ ] . Однако установление прямого родства между отдельными группами докембрийских и кембрийских организмов всё ещё весьма проблематично. В некоторых местах ископаемые эдиакарского типа обнаруживаются ещё вплоть до середины кембрия (510-500 млн лет назад), то есть, докембрийские экосистемы продолжали существовать спустя десятки миллионов лет после «взрыва», соседствуя с типичной кембрийской фауной, подобной фауне сланцев Бёрджесс .

Первооткрывателем кембрийского взрыва был Родерик Мурчисон . Изучая окаменелости древних эпох, обнаруженные в соответствующих отложениях, он обнаружил, что слои этих отложений разделены резкой границей. Ниже этой границы они крайне бедны биологическими останками и демонстрируют повсеместное распространение одних лишь простейших одноклеточных организмов - бактерий и водорослей, а затем, начиная с кембрийской эпохи, около 550 миллионов лет назад, внезапно обзаводятся невиданным богатством новых биологических форм .

В целом ранняя проблематика «кембрийского взрыва» состояла в попытках объяснить внезапное появление окаменелостей на нижней границе кембрия и их отсутствие в более древних отложениях - как свидетельствах существования или несуществования жизни в предшествующий период истории Земли .

Современный интерес к данной теме был подогрет работой Гарри Уиттингтона (англ. ) и его коллег, которые в 1970-х годах повторно проанализировали ряд окаменелостей из сланцев Бёрджесс и заключили, что большинство из них являются останками организмов, принципиально отличных от любых ныне существующих животных (см. вендобионты) . Ставшая популярной работа Стивена Гулда «Удивительная жизнь» открыла эту тему для широкой публики и вновь сделала актуальной проблему существования и природы кембрийского взрыва. Хотя и существенно расходясь в деталях, как Уиттингтон, так и Гулд предположили, что все современные типы животного царства возникли на границе кембрия почти внезапно, не будучи потомками ранее существовавшей фауны.

Некоторые исследования (в том числе непрямые ), как относящиеся к 1970-м годам, так и более поздние, отмечают, что некоторые, предположительно сложные животные (например Кимберелла ) могли возникнуть и до начала кембрия.

По результатам исследований 1996 года были сделаны следующие выводы:

Более позднее исследование 1998 года обнаружило пробелы в работе 1996 года. Согласно новым данным, первичноротые отделились от вторичноротых позднее - около 670 млн лет назад, а хордовые (предки птиц , рыб и зверей) отделились от иглокожих (предки морских звёзд) около 600 млн.лет назад.

Анализ, проведённый в 2003 году , привёл к заключению, что первичноротые и вторичноротые разошлись ещё позднее - 582 ± 112 млн лет назад.

Исследование, опубликованное в апреле 2004 , привело авторов к выводу, что последний общий предок билатеральных животных возник в интервале от 656 до 573 млн назад (в самом начале эдиакарского периода).

В исследовании ноября 2004 года делается вывод, что все три предыдущих результата были ошибочны и что первичноротые и вторичноротые разошлись гораздо раньше - между 976 ± 190 млн лет назад.

Несмотря на то, что изначально кембрийские ископаемые обнаружились в Уэльсe (Кембрийские горы , Великобритания), существует четыре основных источника кембрийских находок: Сланцы Бёрджес (Британская Колумбия , Канада), Сириус Пассет (Гренландия), Маотяньшаньские сланцы (Юньнань , Китай) , (Швеция) .

В кембрийском периоде основная жизнь была сосредоточена в морях. Самые известные обитатели кембрийских морей это донные хищные панцирные трилобиты , которые обнаруживаются в отложениях, датируемых возрастом 530 млн лет. Длина их тела доходила до 1 метра. Они относились к типу членистоногих (родственники насекомых, раков и пауков). К этому типу также относят марреллу . Самым большим морским членистоногим (до 2 м в длину) считается охотник на трилобитов Аномалокарис , которого относят к классу динокаридов («ужасных креветок»). Также в кембрийских морях обитала гусеницеобразная Галлюцигения и Опабиния . Наиболее странными организмами были Pambdelurion и Kerygmachela . Их длинное тело, состоящее из мягких сегментов, с парой широких «плавников» на большинстве сегментов и парой сегментированных придатков сзади делают их схожими с аномалокаридами . При этом наружные части верхней поверхности «плавников» имели рифлёные поверхности, которые могут быть жабрами . Под каждым «плавником» имеется короткая бескостная нога. Такое строение позволяет связать их с членистоногими . Не менее загадочны рыбообразные Ветуликолии , которых также по некоторым особенностям строения сближают с членистоногими. В результате кембрийского взрыва появились первые ракообразные (Ercaia )

Ещё одним знаменательным представителем кембрийских морей были Бесчелюстные червеобразные рыбки Хайкоуихтис и Пикайя (предки миног), принадлежащие по биологической классификации к «нашему» типу хордовых

Кембрийская фауна широко представлена ракушками, создателями которых были как моллюски , так и плеченогие . Среди них особенно выделяются хиолиты . Они получили известность как «мелкая раковистая фауна» (англ. small shelly fossils ) .

Весьма загадочна небольшая виваксия , которая имела хитиновый панцирь, состоящий из длинных вертикальных и коротких перекрывающих горизонтальных игл. Также она обладала чем-то, схожим с радулой (хитиновый зубастый «язык»), ранее наблюдавшаяся только у моллюсков . Некоторые исследователи полагают, что такие особенности приближают Wiwaxia к кольчатым червям .

Последние находки свидетельствуют о том, что по меньшей мере некоторые трёхслойные билатеральные организмы существовали до начала кембрия: Kimberella можно рассматривать как ранних моллюсков, а царапины на скальных породах возле этих ископаемых позволяет предположить моллюскоподобный же метод питания (555 млн.лет назад). Если же предположить, что Vernanimalcula (англ.) имела трёхслойный билатеральный целом , это отодвигает возникновение сложных животных ещё на 25-50 млн.лет назад. Обнаружение отверстий в оболочке Cloudina также позволяет предположить наличие развитых хищников в конце эдиакарского периода. Кроме того, некоторые следы в ископаемых, относящихся к середине эдиакарского периода (около 565 млн лет назад), могли быть оставлены животными, более сложными, чем плоские черви и имеющими кожно-мускульный мешок .

Задолго до этого длительный закат строматолитов (начавшийся около 1,25 млрд лет назад), говорит о раннем возникновении животных, достаточно сложных для их «обгрызания» . Рост же изобилия и разнообразия шипов у акритархов в это же время приводит к выводу, что уже тогда существовали хищники, достаточно крупные для того, чтобы такая защита была необходима. На другом конце временной шкалы, относящейся к кембрийскому взрыву, нужно отметить отсутствие в палеонтологической летописи ряда основных типов нынешней фауны вплоть до конца кембрия, а типичных палеозойских экосистем - вплоть до ордовика . Тем не менее, подавляющая часть современных типов впервые [ ] появилась в кембрии (за исключением моллюсков , иглокожих и членистоногих , возможно, возникших в эдиакарский период). Либо просто увеличилось количество видов, оставляющих явные следы в палеонтологической летописи, предки которых существовали в докембрии, но их остатки до нас не дошли, либо ещё не найдены. [ ]

При более близком изучении обнаруживается другой сюрприз - некоторые современно выглядящие [прояснить (не указан комментарий) ] животные, например раннекембрийские ракообразные [ ] , трилобиты [ ] и иглокожие , находятся в более ранних отложениях, чем некоторые «дяди» или «пра-дяди» ныне живущих групп, не оставившие прямых потомков. Это может являться результатом разрывов и вариаций формирования ископаемых отложений, либо означать, что предки современных организмов эволюционировали в разное время и, возможно, с разной скоростью. [ ]

Несмотря на то, что довольно сложные трёхслойные животные существовали (возможно, задолго) до кембрия, эволюционное развитие в раннем кембрии представляется исключительно быстрым. Предпринималось множество попыток объяснить причины подобного «взрывного» развития.

Самая ранняя атмосфера Земли вообще не содержала свободного кислорода. Тот кислород, которым дышат современные животные - как содержащийся в воздухе, так и растворённый в воде - является продуктом миллиардов лет фотосинтеза , главным образом - микроорганизмов (таких как цианобактерии). Примерно 2,5 миллиарда лет назад концентрация кислорода в атмосфере резко возросла. До этого времени весь вырабатываемый микроорганизмами кислород полностью тратился на окисление элементов с высоким сродством к кислороду, таких как железо. Пока не произошло их полное связывание на суше и в верхних слоях океана, в атмосфере существовали лишь локальные «кислородные оазисы».

Нехватка кислорода могла длительное время препятствовать развитию крупных сложных организмов. Проблема состоит в том, что количество кислорода, которое животное может абсорбировать из окружающей среды, ограничено площадью поверхности (лёгких и жабр у наиболее сложных животных; кожи - у более простых). Количество же кислорода, требуемое для жизнедеятельности, определяется массой и объёмом организма, которые по мере увеличения размеров растут быстрее, чем площадь. Рост концентрации кислорода в воздухе и в воде мог ослаблять или вовсе устранять это ограничение.

Нужно отметить, что достаточное количество кислорода для существования крупных вендобионтов присутствовало уже в эдиакарский период. Однако дальнейший рост концентрации кислорода (между эдиакарским и кембрийским периодами) мог предоставить организмам дополнительную энергию для производства веществ (таких как коллаген), необходимых для развития принципиально более сложных структур тела, в том числе - используемых для хищничества и защиты от него.

Существуют многочисленные доказательства того, что в позднем неопротерозое (включая ранний эдиакарский период) Земля подвергалась глобальному оледенению, в ходе которого большая часть её была покрыта льдом, а температура поверхности была близка к точке замерзания даже на экваторе. Некоторые исследователи указывают, что это обстоятельство может быть тесно связано с кембрийским взрывом, поскольку самые ранние из известных ископаемых относятся к периоду вскоре после конца последнего полного оледенения.

Однако довольно трудно указать причинно-следственную связь таких катастроф с последующим ростом размеров и сложности организмов. Возможно, низкие температуры увеличивали концентрацию кислорода в океане - его растворимость в морской воде растёт почти вдвое при падении температуры с 30 °C до 0 °C.

В отложениях на границе докембрия и кембрия наблюдается очень резкое снижение, а вслед за ним - необычно сильные колебания соотношения изотопов углерода 13 C/ 12 C в течение всего раннего кембрия.

Многие учёные предполагали, что исходное падение связано с массовым вымиранием непосредственно перед началом кембрия. . Можно также предположить, что вымирание само стало следствием предшествовавшего распада клатратов метана . Широко известно, что эмиссия метана и последующее насыщение атмосферы диоксидом углерода вызывает глобальный парниковый эффект , сопровождающийся различными экологическими катастрофами . Подобная картина (резкое падение соотношения 13 C/ 12 C с последующими колебаниями) наблюдалась в триасе , когда жизнь восстанавливалась после массового Пермского вымирания .

Ряд исследователей предполагал, что каждое кратковременное снижение доли 13 C/ 12 C в раннем кембрии представляет высвобождение метана, которое, благодаря вызванному им небольшому парниковому эффекту и повышению температуры, приводило к росту морфологического разнообразия.

Отпечаток кимбереллы - эдиакарского организма, предположительно имевшего билатеральную симметрию. Иногда считается примитивным моллюском с неминерализованной органической раковиной.

Хокс-гены у различных групп животных столь схожи, что, к примеру, можно трансплантировать человеческий ген «формирования глаз» в эмбрион дрозофилы , что приведёт к формированию глаза - но это будет глаз дрозофилы, благодаря активации соответствующих «рабочих» генов. Отсюда видно, что наличие сходного набора хокс-генов вовсе не означает анатомического сходства организмов (раз одни и те же хокс-гены могут управлять формированием столь разных структур, как глаза человека и насекомого). Поэтому возникновение подобной системы могло повлечь резкий рост разнообразия - как морфологического, так и таксономического.

Поскольку одни и те же хокс-гены управляют дифференциацией всех известных билатеральных организмов, эволюционные линии последних должны были разойтись до того, как у них начали образовываться какие-либо специализированные органы. Таким образом, «последний общий предок» всех билатеральных организмов должен был быть небольшим, анатомически простым и, вероятнее всего, подверженным полному разложению без сохранения в окаменелостях. Это обстоятельство делает его обнаружение крайне маловероятным. Однако целый ряд организмов эдиакарской фауны, например кимберелла , возможно, имел билатеральное строение тела, насколько это позволяют судить их отпечатки. Таким образом, подобная система развития могла возникнуть, по меньшей мере, за несколько десятков миллионов лет до кембрийского взрыва. В этом случае для объяснения «взрыва» необходимы какие-то дополнительные причины.

При этом для большинства организмов эдиакарской биоты (так называемых вендобионтов) была характерна либо радиальная (Arkarua , «диски»), либо не встречающаяся у ныне живущих групп скользящая симметрия , при которой правые и левые сегменты тела смещены друг относительно друга (наподобие двух половинок застежки-молнии), либо же определить характер симметрии на имеющемся палеонтологическом материале затруднительно ( (примером такого эффекта служит конвеевская игра «Жизнь» , где сложные формы и сложное поведение демонстрируются клетками, действующими по исключительно простым правилам). Возможное появление полового размножения или его существенное развитие в период кембрийского взрыва для очень примитивных и похожих существ может означать то, что существовала возможность их межвидового и более далёкого [ ] скрещивания. Это резко увеличивало изменчивость. Лишь с развитием генома появляются по настоящему изолированные виды, не скрещивающиеся с другими. Пример современных существ такого рода - кораллы .

Некоторые учёные предполагают, что по мере усложнения организмов, на эволюционные изменения общего строения тела накладываются вторичные изменения в сторону лучшей специализации его сложившихся частей. Это снижает вероятность прохождения естественного отбора новыми классами организмов - из-за конкуренции с «усовершенствованными» предками. В итоге, по мере складывания общего (на уровне таксономического класса) строения, формируется «колея развития», а пространственная структура тела «замораживается». Соответственно, формирование новых классов происходит «легче» на ранних стадиях эволюции основных клад , а их дальнейшая эволюция идёт на более низких таксономических уровнях. Впоследствии автор этой идеи указывал, что такое «замораживание» не является основным объяснением кембрийского взрыва.

Окаменелости, которые могли бы подтвердить эту идею, неоднозначны. Отмечено, что вариации организмов одного класса зачастую наиболее велики на самых первых стадиях развития клады. Например, некоторые кембрийские трилобиты сильно варьировали по количеству грудных сегментов , причём впоследствии подобное разнообразие существенно снизилось. Однако обнаружено, что образцы силурийских трилобитов обладают столь же высокой вариативностью строения, что и раннекембрийские. Исследователи предположили, что общее снижение разнообразия связано с экологическими или функциональными ограничениями. Например, можно ожидать меньшей вариативности числа сегментов после того, как у трилобитов (напоминавших современную мокрицу) сформировалось выпуклое строение тела, являющееся эффективным способом его защиты.

Такие объяснения сосредоточены на взаимодействии между различными видами организмов. Некоторые из подобных гипотез имеют дело с изменениями пищевых цепей; другие рассматривают гонку вооружений между хищниками и жертвами, которая могла вызвать эволюцию жёстких частей тела в раннем кембрии; ещё какое-то число гипотез сосредоточено на более общих механизмах коэволюции (наиболее известен более поздний пример коэволюции цветковых растений с насекомыми-опылителями).

Хищничество по определению предполагает гибель жертвы, в силу чего оно становится сильнейшим фактором и ускорителем естественного отбора. Давление на жертв в направлении лучшей адаптации должно быть более сильным, чем на хищников - поскольку, в отличие от жертвы, хищник имеет шанс сделать новую попытку (эта асимметрия известна как принцип «жизнь против обеда» - хищник рискует потерей только обеда, в то время как жертва рискует жизнью). и должно было привести к росту разнообразия организмов. Однако, сегодня известно, что «обгладывание» возникло более 1 млрд лет назад, а угасание строматолитов началось около 1,25 млрд лет назад - задолго до «взрыва».

Геохимические наблюдения чётко показывают, что общая масса планктона стала сравнима с нынешней уже в раннем протерозое. Однако до кембрия планктон не вносил существенного вклада в питание глубоководных организмов, поскольку их тела были слишком малы для быстрого погружения на морское дно. Микроскопический планктон поедался другим планктоном или разрушался химическими процессами в верхних слоях моря задолго до проникновения в глубоководные слои, где мог бы стать пищей для нектона и бентоса (плавающие организмы и обитатели морского дна соответственно).

В составе же ранних кембрийских ископаемых был обнаружен мезозоопланктон (планктон средних размеров, различимый невооружённым глазом), который мог отфильтровывать микроскопический планктон (главным образом, фитопланктон - планктонную «растительность»). Новый мезозоопланктон мог служить источником останков, а также выделять экскременты в форме капсул, достаточно крупных для быстрого погружения - они могли быть пищей для нектона и бентоса, вызывая рост их размеров и разнообразия. Если же частицы органики достигали морского дна, в результате последующего захоронения они должны были повышать концентрацию кислорода в воде при одновременном снижении концентрации свободного углерода. Другими словами, появление мезозоопланктона обогатило глубокие участки океана как пищей, так и кислородом, и, тем самым, сделало возможным появление и эволюцию более крупных и разнообразных обитателей морских глубин.

Наконец, возникновение среди мезозоопланктона фитофагов могло сформировать дополнительную экологическую нишу для более крупных мезозоопланктонных хищников, чьи тела, погружаясь в море, вели к дальнейшему его обогащению пищей и кислородом. Возможно, первыми хищниками среди мезозоопланктона были личинки донных животных, чья дальнейшая эволюция стала результатом общего роста хищничества в морях эдиакарского периода.

Модель Валентайна хорошо объясняет факт уникальности кембрийского взрыва - почему он случился только один раз и почему его длительность была ограничена.

Эпоха «Земли-снежка» закончилась 635 миллионов лет назад. Начался последний период протерозоя - эдиакарий (635–542 миллионов лет назад). Теперь нам будет удобнее вести счет времени не на миллиарды лет, а на миллионы - это наглядно показывает, насколько события ускоряются. Хотя, возможно, дело просто в том, что они к нам ближе и от них сохранилось больше следов. Раньше эдиакарий называли вендом, в честь древних славянских племен - венедов (от них же произошло название города Венеция). К сожалению, сейчас это красивое название сохранилось лишь как нестрогий синоним.

Главным событием эдиакария (нельзя не добавить: с нашей антропоцентричной точки зрения) следует назвать появление многоклеточных животных. Датировать это событие нелегко. В палеонтологической летописи эдиакария хватает свидетельств перехода к многоклеточности животного типа - правда, чем они более ранние, тем более спорные (Nature , 2014, 516, 7530, 238–241, см. также статью Александра Маркова «Диверсификация животных началась задолго до кембрийского взрыва» , «Элементы», 13.12.2011). Во второй половине эдиакария в изобилии появляются вендобионты - крупные, до метра длиной загадочные существа с плоским дисковидным или листовидным телом, состоящим из множества однотипных повторяющихся «сегментов». «Сегменты» здесь поставлены в кавычки, потому что сегментация вендобионтов почти наверняка не имеет ничего общего с сегментацией настоящих многоклеточных животных. Сам термин «вендобионты» придумал немецкий палеонтолог Адольф Зейлахер, который считал этих существ совершенно особой формой жизни - гигантскими многоядерными клетками (Planetary Systems and the Origins of Life, Cambridge University Press, 2007, 193–209). Действительно, есть основания считать, что вендобионты были во многих отношениях ближе не к многоклеточным животным, а к амебам или грибам (между прочим, и у тех и у других большие многоядерные клетки не редкость). Они совершили попытку выхода в крупный размер, которая сначала привела к успеху, но завершилась неудачей: в конце эдиакария вендобионты вымерли.

С другой стороны, надо учитывать, что вендобионты были очень разнообразны. Не факт, что их вообще можно хоть в каком-то приближении считать единой группой. Это скорее эволюционный уровень. И несмотря на то, что большинство вендобионтов никаких потомков не оставило, от некоторых из них вполне могли напрямую произойти современные животные - например, пластинчатые и гребневики (Evolution and Development , 2011, 13, 5, 408–414). В эдиакарских корнях этих эволюционных ветвей нет ничего невероятного.

Самое древнее абсолютно бесспорное ископаемое многоклеточное животное называется Kimberella quadrata . Это двусторонне-симметричное существо длиной до 15 сантиметров, ползавшее по морскому дну. Характер изменений формы тела найденных кимберелл (а найдено их много, в разных частях света) вместе с отпечатками следов не оставляет сомнений, что они активно ползали, растягиваясь, сжимаясь и изгибаясь с помощью мышц. Характерные признаки кимбереллы - вытянутое, но компактное тело с ногой (мускулистой нижней поверхностью) и мантией (складкой, окаймляющей туловище). По этим признакам она очень похожа не на кого-нибудь, а на моллюсков (Paleontological Journal , 2009, 43, 601, doi:10.1134/S003103010906001X). Есть мнение, что у кимбереллы была даже радула - свойственный моллюскам «язык» с хитиновыми зубцами, приспособленный для соскребания водорослей (PALAIOS, 2010, 25, 565–575, doi: 10.2110/palo.2009.p09-079r). Так или иначе, это уже по всем статьям настоящее многоклеточное животное.

Кимберелла жила 555 миллионов лет назад (Science , 2000, 288, 5467, 841–845). И примерно в это же время впервые появляются многочисленные ископаемые следы животных, явно активно ползавших по дну (, 2008, 363, 1496, doi: 10.1098/rstb.2007.2232). Надо заметить, что «настоящие многоклеточные животные» - не очень строгий термин; здесь достаточно договориться, что мы называем так животных с мышцами, ртом и кишкой. У вендобионтов, насколько можно судить, ничего этого не было. Они питались в лучшем случае микроскопическими водорослями, а скорее всего - просто веществами, растворенными в морской воде (Trends in Ecology & Evolution , 2009, 24, 1, 31–40). Только в конце эдиакария появились многоклеточные существа, способные активно отыскивать добычу и захватывать ее крупными кусками, чтобы переварить внутри. Вендобионты были перед такими чудовищами беззащитны - неудивительно, что их «золотой век» на этом закончился. В истории донных сообществ началась совершенно другая эпоха.

«Большой взрыв жизни»

Конец эдиакарского периода является в то же время рубежом двух эонов - протерозоя и фанерозоя; и вот тут нужно небольшое пояснение. «Фанерозой» буквально значит «явная жизнь». Это эпоха, к которой относится подавляющее большинство изучаемых палеонтологами ископаемых остатков. Все предыдущие времена, включая протерозой, архей и катархей, собирательно называют криптозоем - «скрытой жизнью». Фанерозой же, в свою очередь, делится на три эры, названия которых большинству из нас скорее всего знакомы: палеозой, мезозой и кайнозой. «Палеозой» значит «древняя жизнь», «мезозой» - «средняя жизнь», «кайнозой» - «новая жизнь». Каждая из этих эр делится на периоды. Период, с которого начинается палеозой (и тем самым весь фанерозой), называется кембрием. Как и многие другие геологические периоды, кембрий получил свое имя из географии: Кембрия - это римское название Уэльса, кельтской страны на западе Британии. Соответственно очень распространенный синоним криптозоя - докембрий.

Чтобы правильно видеть перспективу, будем помнить следующее: весь фанерозой составляет (округленно) всего лишь примерно 1/9 как от времени существования Земли, так и от истории жизни на ней. Остальные 8/9 - это докембрий. Иное дело, что в фанерозое события очень сгущаются.

В 1845 году великий шотландский геолог Родерик Мурчисон предложил назвать все времена до начала кембрия азойской эрой, то есть - буквально - безжизненной. Долго это название не продержалось: уже палеонтологи XIX века показали, что в толще докембрийских пород есть следы жизни (The Journal of Geology , 1927, 35, 8, 734–742). А сейчас мы точно знаем, что жизнь была на Земле в течение большей части докембрия, и можем датировать многие докембрийские ключевые события - например, кислородную революцию или появление многоклеточности.

Главное отличие фанерозойской жизни от докембрийской - колоссальное обилие многоклеточных животных, подавляющее большинство которых относится уже к современным типам. В кембрии появляются губки, гребневики, стрекающие кишечнополостные, всевозможные черви, членистоногие, моллюски, брахиоподы, иглокожие, полухордовые и хордовые. Внезапное появление этих животных в палеонтологической летописи принято называть кембрийским взрывом. В более древних слоях их остатков нет (по крайней мере, определяемых однозначно и бесспорно). Кембрий - это время рождения фауны, близкой к современной. Кембрийский взрыв дал такой эффект и произошел так быстро, что его часто называют «эволюционным Большим взрывом» - по аналогии с тем самым Большим взрывом, в котором родилась Вселенная.

Еще кембрийский взрыв иногда называют «скелетной революцией». Действительно, многие появившиеся в этот момент группы животных приобрели твердые скелеты, причем совершенно разные и на разной основе: например, между спикулами губок, раковинами моллюсков и хитиновыми панцирями членистоногих нет буквально ничего общего. Такая одновременность никак не может быть случайной. Тем не менее «кембрийский взрыв» и «скелетная революция» не синонимы. Во-первых, твердые скелеты были далеко не у всех кембрийских животных (например, у первых хордовых их не было). Во-вторых, и в докембрии иногда попадаются явные скелетные структуры - например, непонятно кому принадлежавшие жилые трубки («Природа» № 2, 2006 , с. 37–40). В целом понятие «кембрийский взрыв» - куда более определенное, и неудивительно, что современные авторы чаще говорят именно о нем.

А был ли взрыв?

Но вот вопрос: был ли кембрийский взрыв на самом деле? Существует мнение, что многие современные группы животных появились еще в глубоком докембрии, однако долгое время почти не оставляли ископаемых остатков, а потому были палеонтологически «невидимы» (Science , 2011, 334, 6059, 1091–1097, doi: 10.1126/science.1206375). Причины этого могли быть разными: маленький размер животных, отсутствие у них твердых скелетов или просто неподходящие для захоронения физические условия. Гипотеза «долгой скрытой докембрийской эволюции» неплохо поддерживается молекулярной систематикой, то есть сравнением аминокислотных и нуклеотидных последовательностей белков и генов разных животных (конечно, современных - со времен кембрия ни белков, ни ДНК не осталось). Реконструкции, сделанные исключительно по молекулярным данным, зачастую уводят корни современных типов животных даже не в эдиакарий, а в предыдущий период - криогений (Systematic Biology , 2013, 62, 1, 93–109). Тогда выходит, что кембрийский взрыв - не столько эволюционное событие, сколько артефакт сохранности. На рубеже кембрия эволюционные ветви животных просто «проявились», обретя твердые скелеты и начав захораниваться в осадочных толщах; а возникли они гораздо раньше.

Однако тщательной проверки, когда молекулярно-биологические данные шаг за шагом объективно сопоставляются с палеонтологическими, гипотеза «долгой скрытой докембрийской эволюции» не выдерживает (Current Biology , 2013, 23, 19, 1889–1895). И получается, что кембрийский взрыв - никакой не артефакт. Большинство крупных эволюционных ветвей животных действительно возникло в ближайшей временной окрестности границы кембрия (плюс-минус несколько миллионов лет). Есть и математические модели, подтверждающие, что погруженные в докембрий «стволы» эволюционных деревьев современных типов животных должны быть короткими (Philosophical Transactions of the Royal Society B , 2016, 371, 1685, doi: 10.1098/rstb.2015.0287). Время их существования - считанные миллионы лет, может быть, первые десятки миллионов, но уж никак не сотни. В общем, на данный момент у нас хватает оснований, чтобы считать гипотезу «долгой скрытой докембрийской эволюции» скорее неверной, а кембрийский взрыв - реальностью, как это, собственно говоря, и следует напрямую из палеонтологических данных.

Чтобы ослабить категоричность, добавим: вывод, который мы только что сделали, безусловно, обладает свойством фальсифицируемости. Это означает, что можно сформулировать четкие условия, при которых он будет опровергнут. Например, для этого вполне достаточно найти хотя бы одного достоверно определимого скорпиона (или сороконожку, или улитку) криогениевого возраста. Но пока такого не было, и вероятность, что это когда-нибудь случится, с каждым годом уменьшается.

Причины взрыва

Итак, в начале кембрия уникально быстро возникло множество новых крупных эволюционных ветвей животных. Такого не случалось больше никогда, ни раньше, ни позже. Даже после катастрофических массовых вымираний (о которых речь впереди) животный мир восстанавливался за счет нарастания разнообразия уже существовавших больших групп, а не за счет появления новых. Вот почему кембрийский взрыв обязательно требует объяснения.

Правда, «быстро» все же не значит «моментально». Новые группы животных отнюдь не появляются все разом в полном составе, как актеры после поднятия занавеса. Кембрийский взрыв был хоть и сильно сжатым во времени, но все же постепенным; скорость эволюционных процессов в нем вполне можно измерить, и такие исследования есть. Кембрий длился примерно 57 миллионов лет (542–485 млн лет назад), при этом в самом его начале (первые шесть миллионов лет) морская фауна еще довольно бедна. Новые группы животных появляются там действительно быстро по меркам истории Земли, но не мгновенно.

С чем это все-таки было связано? За полтора века, прошедших с тех пор, как ученые (и в том числе Чарльз Дарвин) осознали загадку кембрийского взрыва, предлагались разнообразнейшие объяснения этого события, от генетических до космических. Одна современная обзорная статья на эту тему так и называется - «По ту сторону кембрийского взрыва: от галактики до генома» (Gondwana Research , 2014, 25, 3, 881–883, doi: 10.1016/j.gr.2014.01.001). Например, тенденция к массовому образованию минеральных скелетов - знаменитая «скелетная революция», она же «биоминерализация» - в начале кембрия охватила не только самых разных многоклеточных животных, но и одноклеточных эукариот, и некоторые водоросли. Напрашивается предположение, что это связано с глобальным изменением химического состава внешней среды, то есть в данном случае морской воды. И в самом деле, показано, что в начале кембрия по каким-то чисто геологическим причинам примерно в три раза выросла концентрация в морской воде кальция (Ca 2+) - иона, который нужен для создания твердых скелетов как никакой другой (Geology , 2004, 32, 6, 473–476). Минеральная основа скелетов животных - чаще всего карбонат кальция (раковины моллюсков, иглы и чашечки коралловых полипов, спикулы губок), а иногда фосфат кальция (кости позвоночных).

Проблема в том, что объяснить скелетную революцию - не значит объяснить сам кембрийский взрыв. Скелетная революция всего лишь снабдила твердыми минерализованными тканями ряд животных, уже существовавших к моменту ее начала. Причем это даже не всех их коснулось. В тех кембрийских местонахождениях, тип сохранности которых допускает захоронение бесскелетных существ, сразу же обнаруживается, что немалая часть кембрийской фауны была вполне «мягкотелой». Так что дело не в скелетах. Явление, которое надо объяснить в первую очередь, - это уникальное ускорение эволюции многоклеточных животных, очень быстро (в конце эдиакария - начале кембрия) создавшее много новых крупных групп, не важно, скелетных или нет.

В дальнейшем рассказе мы будем исходить из сценария, который кратко изложил еще в начале 1970-х годов американский палеонтолог Стивен Стэнли. Конечно, палеонтология - очень быстро развивающаяся наука; работы сорокалетней давности в ней всегда требуют поправок, и мы эти поправки по ходу разговора внесем. Правда, на самом деле это будут скорее дополнения. Главная идея Стэнли исключительно хорошо выдержала проверку временем. Сумма фактов, известных на данный момент, прекрасно в нее вписывается.

Начнем с начала. В скобках заметим: решить, что именно стоит принять за «начало», при разборе любого исторического процесса - задача непростая, ведь причинно-следственные цепочки могут тянуться в прошлое едва ли не до бесконечности, сбивая неосторожного исследователя с толку. В нашем случае «началом» будет эдиакарская биота. Что она собой представляла?

В экологии принято выделять организмы-средообразователи, активность которых определяет собой структуру целых сообществ. Такие организмы называются эдификаторами. Например, в современной дубраве эдификатором является дуб, в маленьком тихом пруду им вполне может быть ряска и т. д. Так вот, в эдиакарских морях эдификаторами были покрывавшие дно «ковры» нитчатых водорослей - так называемые водорослевые маты (PALAIOS, 1999, 14, 1, 86–93, doi: 10.2307/3515363). На этих «коврах» жили уже знакомые нам вендобионты. Большинство из них вело прикрепленный образ жизни; как они питались - не совсем понятно, но скорее всего - осмотрофно, всасывая из воды растворенные вещества всей поверхностью тела. Таким способом до сих пор питаются некоторые морские простейшие, например, крупные - до 20 сантиметров! - многоядерные ксенофиофоры, похожие на гигантских амеб. Вендобионты вполне могли быть близки к ним по образу жизни.

Есть и другие версии. В 1986 году палеонтолог Марк Мак-Менамин предположил, что вендобионты были экологическими аналогами современных погонофор - глубоководных кольчатых червей, лишенных рта и кишечника. Погонофоры живут в океане на такой глубине, куда солнечный свет не проникает. Зато там встречаются горячие источники, выделяющие в воду сероводород (H 2 S). Тело погонофоры набито симбиотическими бактериями, которые окисляют сероводород до серы и полученную при этом энергию используют для фиксации углекислоты, как при фотосинтезе. За счет этого процесса питаются и бактерии, и червь, в котором они живут. Вендобионтам было проще: они часто жили на мелководье, где солнечного света для фотосинтеза хватало, и вполне могли питаться за счет наполнявших их тело симбиотических одноклеточных водорослей. Это тоже вполне реально, есть современные черви и моллюски, которые так и делают, - правда, для них этот источник питания дополнительный. Но почему бы ему не быть и основным? Мир вендобионтов, где никто никого не ел, Мак-Менамин назвал «садом Эдиакары», с явной шуточной аллюзией на сад Эдема (PALAIOS, 1986, 1, 2, 178–182, doi: 10.2307/3514512). Большой недостаток этой гипотезы в том, что ее пока трудно проверить; к тому же она заведомо не может распространяться на всех вендобионтов без исключения - некоторые из них жили в море глубже уровня, куда проникает достаточно света для фотосинтеза (, 2009, 106, 34, 14438–14443). Но, в конце концов, в разных условиях они могли питаться и по-разному.

Парадокс в том, что концепция «сада Эдиакары» представляется близкой к истине при любом сколько-нибудь реалистичном предположении о способе питания вендобионтов. Тут уж и не имеет особого значения, жили в них водоросли или нет. В эдиакарском мире действительно никто никого не ел (не считая одноклеточных объектов, но одноклеточные эукариоты могут и сами пожирать друг друга). Принципиально важно, что в эдиакарских сообществах до некоторого момента не было не только хищников (которые питались бы другими животными), но и «травоядных» (которые соскребали бы водоросли или еще как-то активно их выедали). Таким образом, водорослевым матам никто не мешал расти.

Все изменилось, когда повышение концентрации кислорода в морской воде (судя по геологическим данным, оно шло постепенно в течение всего эдиакария) позволило некоторым многоклеточным существам ускорить обмен веществ настолько, чтобы начать вести по-настоящему активный образ жизни. Появились «сборщики урожая» - крупные животные с двигательной системой и ртом, которые перемещались по водорослевым матам и выедали их значительные участки. Одним из таких «сборщиков» была знакомая нам кимберелла. По образу жизни и по скорости передвижения первые эдиакарские животные-водорослееды, скорее всего, напоминали современных улиток; для нас это выглядит безобидно, но «с точки зрения» эдиакарских жителей появление таких существ было настоящей катастрофой. Водорослевые маты немедленно перестали быть сплошными; животные не только соскребали их сверху, но и объедали снизу, освоив для этого проникновение в грунт (у зоологов принято называть такие действия «минированием»). Тут досталось и вендобионтам, которые в конце эдиакария просто исчезли.

С этого момента начала работать общая закономерность, установленная экологами уже давно и проверенная разными способами, вплоть до прямых экспериментов: в условиях давления хищника разнообразие его жертв повышается по сравнению с сообществом, где хищников нет вовсе (Proceedings of the National Academy of Sciences USA , 1973, 70, 5, 1486–1489). Если раньше донные сообщества насыщались очень немногочисленными доминирующими видами водорослей, то теперь равновесие рухнуло и началась бурная эволюция. А между тем набор экологических ниш, доступных животным, тоже расширялся. Появились активные грунтоеды, приспособленные к тому, чтобы постоянно жить в норах, пропуская донный грунт сквозь кишечник и извлекая из него питательные вещества; так до сих пор живут многие морские черви - пескожил, например. Черви-грунтоеды впервые стали рыть в морском дне не только горизонтальные, но и вертикальные ходы, вызывая обогащение грунта кислородом и тем самым дополнительно облегчая его заселение другими животными. Эти события получили название «субстратной революции» (David J. Bottjer et al. The Cambrian Substrate Revolution // GSA Today , 2000, 10, 9, 1–7). Таким образом, эволюционирующие животные не только занимали готовые экологические ниши, но и активно создавали новые, превращая процесс в автокаталитический (самоускоряющийся).

Некоторые жители поверхности дна стали расширять свои экологические ниши не в сторону грунта, а наоборот, в сторону водной толщи. В результате возник зоопланктон - сообщество мелких животных, пребывающих взвешенными в воде и дрейфующих вместе с ней. Как правило, представители зоопланктона питаются, фильтруя воду и отцеживая из нее фитопланктон, то есть находящиеся в той же водной толще одноклеточные водоросли (таких к моменту кембрийского взрыва было уже сколько угодно). И действительно, в раннем кембрии в палеонтологической летописи появляются первые планктонные фильтраторы - жаброногие рачки (Paleobiology , 1997, 23, 2, 247–262). Жаброноги, как и все ракообразные, - обладатели членистых конечностей, исходно предназначенных для хождения по грунту, то есть по дну. Поэтому нет никаких сомнений, что ранние этапы своей эволюции они провели на дне, а к планктонному образу жизни обратились только потом.

Последствия появления зоопланктона оказались глобальными. Дело в том, что животные-планктеры отфильтровывают из воды не только водоросли, но и любую взвесь, в которой могут быть хоть какие-то питательные вещества. В основном это распыленные остатки мертвых организмов. Отфильтровав взвесь и всосав из нее полезные молекулы, планктеры (в первую очередь этим отличаются ракообразные) аккуратно «упаковывают» в своем кишечнике остальное в плотные комки - фекальные пеллеты, которые быстро тонут и отправляются на дно. Пеллетная транспортировка взвеси - важнейший фактор, понижающий мутность воды в океане. Таким образом, после появления планктонных фильтраторов вода стала прозрачной, свет проникал в нее на бо льшую глубину, и в ней повысилась концентрация кислорода (часть его раньше расходовалась на окисление той же мертвой взвеси). Первый фактор увеличил глубину зоны, в которой возможен фотосинтез, второй - улучшил условия для придонной фауны. По всем данным, прозрачный насыщенный кислородом фанерозойский океан резко отличается от мутного докембрийского океана (Geobiology , 2009, 7, 1, 1–7). Заодно повысилась концентрация кислорода и в атмосфере. Естественно, что в новых условиях разнообразие как растений, так и животных дополнительно выросло. Замкнулась еще одна автокаталитическая петля.

Пришествие хищника

Все животные, о которых мы до сих пор говорили, были в самом наиширочайшем смысле «травоядными». Они питались или фотосинтезирующими организмами, или на худой конец чьими-то мертвыми остатками. При этом собственная биомасса «травоядных» представляла собой ценный (и до какого-то момента совершенно невостребованный) ресурс для животных, питающихся другими животными, то есть для хищников. Поначалу никаких хищников просто не существовало. Но при наличии таких атрибутов активной жизни, как нервная система, мускулатура и ротовой аппарат, их появление было всего лишь вопросом времени. Первые крупные хищники, уже совершенно определенно специализированные на питании другими многоклеточными животными, появляются примерно 520 миллионов лет назад; это динокариды - хорошо плавающие существа, родственные членистоногим (Gondwana Research , 2014, 25, 896–909, doi, 10.1016/j.gr.2013.06.001). Самый известный представитель динокарид - аномалокарис, стройное сегментированное создание длиной около метра со сложными фасеточными глазами и мощными членистыми околоротовыми конечностями, явно служившими для захвата подвижной добычи. В самом начале кембрия подобных хищников нет. «Скелетная революция», несомненно, в какой-то степени стала ответом на их появление; изменение химического состава морской воды только облегчило ее. А появление скелетов, в свою очередь, запустило освоение новых экологических ниш. Стивен Стэнли совершенно правильно писал, что для объяснения кембрийского взрыва вполне хватает чисто биологических причин; факторы, действующие на биосферу извне, могли повлиять на скорость того или иного процесса, но все главные события можно объяснить и без них. Вспышка разнообразия многоклеточных животных была естественным результатом серии автокаталитических процессов, запущенных появлением первых «травоядных» (вроде кимбереллы) и происходивших на уровне сообществ, иначе говоря, экосистем. Вне экологии объяснить кембрийский взрыв действительно невозможно.

С появлением хищников процесс образования новых жизненных форм стал понемногу тормозиться. Репертуар экологических ниш сложился, почти все они уже были распределены и заняты. Разумеется, расширение сообществ продолжалось и дальше - просто медленнее. Например, только после окончания кембрийского периода появились лопатоногие моллюски, занявшие довольно-таки экзотическую нишу роющих хищников (Advances in Marine Biology , 2002, 42, 137–236). Но такого размаха, как на рубеже эдиакария и кембрия, крупномасштабная эволюция животных больше никогда не достигала.

С точки зрения событийной истории началом кембрийского взрыва можно считать появление первых эффективных водорослеедов (кимберелла), а концом - появление первых эффективных хищников (аномалокарис). Кимберелла появилась 555 миллионов лет назад, аномалокарис - 520 миллионов лет назад, интервал между ними - 35 миллионов лет. Не так уж и быстро.

Кембрий или Кембрийский период — первый период эры и фанерозойского эона. Продолжался, начиная с 541 миллиона лет назад и заканчивая 485 миллионами лет назад, то есть на протяжении 56 миллионов лет. Чтобы не запутаться в эонах, эрах и периодах, используйте в качестве визуальной подсказки геохронологическую шкалу, которая находится .

Считается, что именно кембрий разделил всю историю Земли на «до и после». Вся история Земли до кембрия называется , история во время и после кембрийского периода называется . Учёные разделили историю таким образом потому, что в кембрии произошло необычное явление, которое известно как «». Данное явление заключается в том, что именно с этого периода археологи стали находить невероятно огромное количество останков доисторических животных. Некоторое время вообще считалось, что жизни до кембрия не существовало или существовало крайне мало (только в виде простейших бактерий), и только в кембрийском периоде, за относительно короткий промежуток времени, появилось великое многообразие животных. Это породило немало мифов, которые, что уж скрывать, ходят до сих пор. Кембрийским взрывом объясняют некоторые религиозные представления, а также различные мистификации или даже заселение Земли инопланетным разумом. Однако все эти мифы и мистификации не оправдывают себя с научной точки зрения, так как дальнейшие исследования вполне легко их разрушили и представили главную причину такого необычного явления.

Причины кембрийского взрыва

При дальнейших исследованиях оказалось, что кембрийский взрыв является не загадочным явлением порождения огромного многообразия жизни на Земле, что показывают большие скопления останков доисторических животных данного периода, а банальное появление у животных скелетной и костной системы. По этой причине кембрийский взрыв также называют «скелетной революцией» и «взрывом скелетной фауны». Дальнейшие раскопки и исследования показали, что жизнь в виде червей, полипов, медуз и других беспозвоночных животных в большом количестве существовала на протяжении многих миллионов лет до кембрия. Однако из-за того факта, что у этих животных не было твёрдых элементов тела, после гибели они практически полностью исчезали, не оставляя о себе никаких упоминаний. Исключения составляют лишь редкие отпечатки и вкрапления.

В кембрийском периоде у животных появились твёрдые элементы (минерализованные ткани) — скелет, кости, панцирь, раковины и так далее. Минерализованная ткань хорошо сохраняется на протяжении практически неограниченного количества времени, поэтому археологи стали находить останки животных в виде одних лишь скелетов. Отпечатков бескостных организмов и мягких тканей костных животных в кембрии также мало, как и в предыдущие периоды.

Взрыв скелетной фауны или биоты в кембрийском периоде создал совершенно новый мир на планете Земля. Твёрдые элементы предоставили животным абсолютно новые, уникальные возможности. Такие животные стали гораздо крепче, обладали большей выживаемостью, большей возможностью защиты и успешнее охотились. По этой причине, в ближайшие десятки миллионов лет именно организмы с костной системой вытеснили со своей ниши бескостные организмы и стали полноправными хозяевами планеты. При этом можно увидеть необычайно богатую эволюцию кембрия, когда развивающиеся организмы, которые осваивали всё новые и новые ниши, получили множество видов и разновидностей.

Основная жизнь в кембрии была сосредоточена в морях. Наибольшее распространение получили трилобиты. Также в этом периоде обитали «ужасные креветки», одним из ярких представителей которых является охотник на трилобитов Аномалокарис, гастроподы (брюхоногие), брахиоподы (плеченогие), головоногие моллюски, членистоногие, иглокожие и другие.

Животные кембрийского периода:

Marrella splendens

Аномалокарис

Виваксия

Галлюцигения

Опабиния

Трилобит

Хайкоуихтис

Лучшую мебель для вашего дома вы найдёте в «MannGroup». Заходите на сайт manngroup-trade.ru , чтобы ознакомиться с каталогом продукции, стильная итальянская мебель для спальни высокого качества.