Біологія

Дарвін vs Трилобіти Чи вписується стрімка поява перших складних організмів у теорію еволюції?

В історії Землі було принаймні п’ять масових вимирань, і під час кожного зникало більше половини тогочасних видів. А от зворотній процес, коли різноманітних складних організмів стало набагато більше, відбувся лише один раз — це явище дістало назву кембрійський вибух. Під час цього еволюційного стрибка за відносно короткий термін на світ з'явилися майже усі сучасні типи тварин, зокрема і хордові, до яких належать люди. Ця подія розділяє геохронологічну шкалу на дві великі епохи, що називаються еони: докембрій, за якого організми були примітивними, і фанерозой, або епоха «явного життя», що продовжується і дотепер. Вона триває усього 1/9 частину часу існування планети. Тобто, впродовж мільярдів років живі істоти лишалися простими та малочисельними, і раптом за кілька десятків мільйонів років усе змінилося. Чому такі зміни сталися саме тоді, і досі до кінця не відомо, а те, як швидко вони відбулися, змусило Чарльза Дарвіна сумніватися у власній теорії еволюції. Розповідаємо про те, як вчені роками намагаються розв’язати «дарвінівську дилему» та з’ясувати причини Кембрійського вибуху.

Дарвін розводить руками

Сплющене сегментоване тіло з міцним хітиновим панциром, п’ять пар кінцівок на брюшній стороні та пара вусиків на головному щиті у деяких видів. Так виглядає трилобіт, далекий родич мокриці та мечохвоста, один з перших членистоногих на Землі. Це клас вимерлих тварин, які в минулому були чи не найбільш успішними серед усіх живих істот: вони протрималися більше 300 мільйонів років та налічували близько 50 тисяч видів. Трилобіти вперше з’являються серед скам’янілостей раннього кембрійського періоду, близько 520 мільйонів років тому.

Реконструкція трилобіта виду Triarthrus eatoni. Nobu Tamura / Wikimedia Commons

Реконструкція трилобіта виду Triarthrus eatoni. Nobu Tamura / Wikimedia Commons

Коли Чарльз Дарвін написав у 1859 році свою найвідомішу працю «Походження видів», у якій він заклав основи для еволюційної біології, саме трилобіти були найдавнішими з відомих копалин тварин. Вони зовсім не були схожі на примітивні форми, які очікував побачити вчений. Адже, за Дарвіном, усі живі організми пов'язані між собою спільним походженням та поступово розвиваються протягом значного проміжку часу завдяки природному добору. Такі складні істоти як трилобіти мають походити від іншого, простішого створіння, але науці на той час не було відомо жодних слідів таких створінь-предків. Про це Дарвін чесно зізнався у своїй роботі: «На питання про те, чому ми не знаходимо скам’янілостей з цих довгих первісних періодів, я не маю задовільної відповіді». У пізнішій редакції вчений називає ці періоди ранніми по відношенню до Кембрійської системи.

Відсутність докембрійських відкладень створило так звану «дарвінівську дилему». Якщо числені різноманітні види тварин, що належать до одних родів та родин, дійсно з’явилися раптово і майже одночасно, то повільна модифікація шляхом природного відбору не пояснює це явище. Описуючи ці слабкі сторони своєї теорії, Дарвін порівняв геологічну історію Землі із книгою у кількох томах. Нам, за цією аналогією, доступний лише останній, у якому збереглися декілька розділів, а на кожній сторінці — усього кілька рядків, які можна прочитати. Такою прогалиною, звичайно ж, скористалися критики еволюції, зокрема креаціоністи, які вважали наявність складних форм життя проявом божественної діяльності.

Життя до кембрію

Втім, виявилося, що трилобіти були не першими тваринами на Землі. Майже через десять років після того, як Дарвін написав «Походження видів», шотландський геолог Олександр Мюррей відшукав поблизу Ньюфаундленда дискообразну аспіделу, яка знаходилася на кілька кілометрів нижче за Кембрійський шар, а отже, існувала раніше цього періоду. Щоправда, знадобилося ще кілька років, щоб інший дослідник Елкана Білінгс визнав її копалиною живого організму. Не дивлячись на це, статус аспідели ще більше століття після першої згадки у науковій літературі про неї лишався невизначеним. Справа в тому, що вчені продовжували вірити, що в докембрійських відкладеннях не може бути макроскопічних істот за винятком залишків ціанобактеріальних матів, тож довгий час цій знахідці приписували небіологічне походження. Її вважали то осіданням породи, то місцем виходу газів на поверхню.

Диски аспідели. Martin Smith / Wikimedia Commons 

Диски аспідели. Martin Smith / Wikimedia Commons

Після аспідели докембрійські копалини знаходили ще кілька разів, проте вони так і не визнавалися світовою науковою спільнотою. Але у 1957 році світ нарешті дізнався про існування організму, який без сумніву походив не з фанерозойського еону — чарнію. Вона була схожа на листя папороті чи пір’їну та кріпилася до морського дна за допомогою ніжки. Історія її відкриття доволі драматична. Спершу її знайшла у Чарнвудському лісі британська школярка Тіна Негус, проте їй вчителька географії категорично заявила, що докембрійських скам’янілостей не існує. Через рік цю копалину знайшов інший школяр, Роберт Мейсон, який віддав її місцевому геологу, що підтвердив справжність знахідки. Мейсон, до речі, пізніше і сам став професором геології.

І аспідела, і чарнія належать до загадкової едіакарської біоти — багатоклітинних м’якотілих організмів, які мешкали у морі в едіакарському періоді 635-540 мільйонів років тому. Збереглося мало їхніх скам’янілостей, адже ці істоти ще не мали мінералізованих частин тіла: скелетів, панцирів чи мушлі. Таким чином, у розпорядженні палеонтологів є лише пласкі двовимірні відбитки цих створінь. Більшість із них вели малоактивний образ життя та були зовсім не схожі на сучасні організми. Настільки не схожі, що частину з них дослідники і досі не можуть віднести ані до рослин, ані до тварин, ані до грибів. Були навіть пропозиції вважати таку частину едіакарської фауни окремим царством, якого більше не існує. Проте цей підхід робить едіакарську біоту повністю відірваною від кембрійських наступників, але принаймні дикінсонію точно можна віднести до тварин, адже вона виробляла холестерол. Ця овальна сегментована істота також виділяється тим, що могла досягати значних розмірів — до 1,5 метра в довжину. Дикінсонія продовжувала пропорційно зростати усе своє життя та, схоже, не вмирала з природних причин. Лише раптова піщана лавина могла перервати її розвиток.

Таким чином, перші багатоклітинні організми з’явилися на світ ще до кембрійського періоду. Хоча більшість з них не лишила нащадків, вчені припускають, що деякі види все ж можна вважати пращурами сучасних тварин. Зокрема, будова тіла еоандромеди дає підстави відносити її до ранніх реброплавів, які існують і до тепер, а кімберелла, можливо, належить до молюсків. Втім, наявність едіакарської біоти ще не скасовує сам кембрійський вибух.

Різноманітні реконструкції кімберелли. Aleksey Nagovitsyn / Wikimedia Commons

Різноманітні реконструкції кімберелли. Aleksey Nagovitsyn / Wikimedia Commons

Була теорія, що намагалася спростити або навіть заперечити цю подію. Згідно з нею, довгий час складне життя було «прихованим», тобто воно існувало, але не залишило по собі слідів у геологічному літописі Землі. Таким чином, кембрійський період відзначився не значним еволюційним стрибком, а лише появою механізму, що дозволив формуватися скам’янілостям. Але після перевірок ця гіпотеза виявилася не правдоподібною.

Біологічний «Великий вибух», як його називають, дійсно мав місце. Втім, це не означає, що всі нові групи тварин з’явилися на світ одночасно. До того ж, їхня поява хоча й була доволі швидкою, але не раптовою. Кембрійський вибух відбувався поступово впродовж близько 40 мільйонів років. Як показує дослідження, він розпочався ще в едіакарії та проходив у два етапи. Їх розділяє ранньокембрійське вимирання, після якого давні групи фауни зникли, а нові продовжили розвиватися.

Таким чином, кембрійський вибух не заперечує фундаментальні тези теорії еволюції, проте залишає багато запитань. Зокрема, чому такі значні зміни фауни відбулися саме тоді?

Пошук винуватців

Причини кембрійського вибуху і досі до кінця не з’ясовані, але вчені продовжують висувати різноманітні гіпотези. Цілком імовірно, що швидкому розвитку тварин сприяло одразу декілька факторів.

Однією з рис зміни фауни була «скелетна революція» — поява у різних груп тварин мінерального скелету, що і зумовлює краще збереження скам’янілостей організмів того періоду. Пояснити біомінералізацію у той час можна наявністю великої кількості кальцію у воді. Дійсно, у ранньому кембрії концентрація цього елементу в морях збільшилася втричі. Зміни хімічного складу морської води відбувалися і раніше, але вперше досягли такого рівня. Втім, таке явище могло лише забезпечити біомінералізацією організми, які вже існували на той час, тож повністю пояснити кембрійський вибух таким чином не можна.

Едіакарська фауна. wildwildworld.net.ua

Едіакарська фауна. wildwildworld.net.ua

Вчені робили чимало спроб обґрунтувати кембрійський вибух геологічними змінами. Наприклад, дослідження 2014 року, засноване на зібраних з усіх п’яти сучасних континентів даних, пропонує передивитися мапу світу на межі едіакарського та кембрійського періодів. Згідно з ним, прадавня основа Північної Америки Лаврентія саме тоді відділилася від суперконтиненту Гондвани, з’єднавши Тихий океан та палеоокеан Япетус (зараз Атлантичний). Це призвело до збільшення глобального рівня води, а отже, надало мешканцям океанів більше можливостей для розвитку.

Ще одним імовірним пусковим механізмом для кембрійського вибуху слугувала зміна магнітних полюсів. На відрізку часу від 600 до 550 мільйонів років тому зареєстрований активний рух тектонічних плит, що, як вважають дослідники, пов’язаний з частими змінами магнітних полюсів Землі. У результаті планета на межі едіакарського та кембрійського періодів отримувала велику кількість ультрафіолетового випромінювання, що вплинуло на розвиток захисних механізмів у фауни, зокрема, біомінералізації.

Тектоніка плит також могла призвести до підвищення рівня кисню в атмосфері та океанах, який необхідний для збільшення розмірів і маси тіла. Внаслідок формування суперконтиненту Гондвана наприкінці останньої в докембрії неопротерозойської ери посилився вулканізм на межі між континентальними та океанічними тектонічними плитами. Через це в атмосфері збільшилася кількість вуглекислого газу, і на планеті значно потеплішало. Це, в свою чергу, призвело до посилення вивітрювання континентальних порід, які забезпечили океани фосфором, що стимулювало фотосинтез, а отже, і виробництво кисню.

Окрім змін середовища існування фауни, кембрійський вибух можна пояснити діяльністю самих організмів. Важливим кроком стала диверсифікація фітопланктону, яка призвела до появи зоопланктону, що ним харчується. Фільтруючи воду, зоопланктон зробив океани прозорими, отже, кисень зміг більше їх наситити.

Аномалокаріс, один з перших хижаків. Nick Pope / flickr

Аномалокаріс, один з перших хижаків. Nick Pope / flickr

Ще однією віхою кембрійського вибуху було закріплення взаємин «хижак-жертва». Едіакарський період іронічно називають «садами Едіакари» по аналогії з Едемом, адже тоді не існувало ані хижаків, ані їхніх рослиноїдних жертв. М’якотіла едіакарська біота просто «паслася» на ціанобактеріальних матах, навіть не об’їдаючи їх активно. Перші хижаки, що з’явилися ще в кінці докембрія, значно прискорили еволюцію, запустивши перегони озброєнь між ними та їхніми жертвами, змушуючи їх краще адаптуватися.

Хоча у науковій літературі періодично з’являються заяви про розв’язання дарвінівської дилеми та розгадку кембрійського вибуху, остаточного вирішення цих питань ще не відбулося. Але, повертаючись до аналогії з останнім доступним нам томом історії Землі, можна сказати, що людство потроху дописує пропущені рядки.


Фото в анонсі: Автор / сайт