Сергей Ястребов - От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни

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 криптозой, или докембрий, которому посвящена предыдущая глава. Иное дело, что в фанерозое события очень сгущаются.

В 1845 году 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 [468] Gregory J. W., Barrett B. H. The major terms of the pre-Paleozoic // The Journal of Geology , 1927, V. 35, № 8, 734–742. . А сейчас мы точно знаем, что жизнь существовала на Земле на протяжении большей части докембрия, и можем датировать многие ключевые события докембрийской истории — например, кислородную революцию или появление многоклеточности. И о том и о другом мы вкратце говорили в предыдущей главе.

Главное отличие фанерозойской жизни от докембрийской — колоссальное обилие многоклеточных животных. Причем подавляющее большинство этих животных с самого начала относится уже к современным типам. В кембрии появляются губки, гребневики, стрекающие, круглые и кольчатые черви, членистоногие, моллюски, брахиоподы, иглокожие, полухордовые и хордовые. Внезапное появление всех этих животных в палеонтологической летописи принято называть кембрийским взрывом . В более древних слоях их остатков нет (по крайней мере, определяемых однозначно и бесспорно). Таким образом, 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 Большим взрывом, в котором родилась Вселенная [469] Shu D. On the phylum Vetulicolia // Chinese Science Bulletin , 2005, V. 50, № 20, 2342–2354. .

Еще кембрийский взрыв иногда называют скелетной революцией . Действительно, многие появившиеся в этот момент группы животных приобрели твердые скелеты, причем совершенно разные по структуре и на разной биохимической 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 [470] Журавлев А. Ю. Скелетный докембрий // Природа. 2006. № 12. . В общем, понятие «кембрийский взрыв» куда более определенное, и неудивительно, что современные авторы чаще говорят именно о нем.

Но вот вопрос: произошел ли кембрийский взрыв на самом деле? Существует мнение, что многие современные группы животных появились еще в глубоком докембрии, но долгое время не оставляли ископаемых остатков, а потому были палеонтологически «невидимы» [471] Erwin D. H. et al. The Cambrian conundrum: early divergence and later ecological success in the early history of animals // Science , 2011, V. 334, № 6059, 1091–1097. . Причины этого могли быть разными: мелкий размер животных, отсутствие у них твердых скелетов или просто неподходящие для захоронения физические условия. Гипотеза «долгой скрытой докембрийской эволюции» неплохо поддерживается молекулярной филогенетикой, основанной на сравнении аминокислотных и нуклеотидных последовательностей белков и генов разных животных (разумеется, современных — ведь 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 [472] Wheat C. W., Wahlberg N. Phylogenomic insights into the Cambrian explosion, the colonization of land and the evolution of flight in Arthropoda // Systematic Biology , 2012, V. 62, № 1, 93–109. . Тогда выходит, что кембрийский взрыв — это не столько реальное эволюционное событие, сколько артефакт сохранности. На рубеже кембрия животные просто «проявились», обретя твердые скелеты и начав захораниваться в осадочных толщах. А возникли они гораздо раньше.

Однако есть впечатление, что тщательной проверки, при которой молекулярно-биологические данные аккуратно шаг за шагом сопоставляются с палеонтологическими, гипотеза «долгой скрытой докембрийской эволюции» все же не выдерживает. В 2013 году группа исследователей под руководством австралийского палеонтолога Майкла Ли попыталась провести такую проверку, использовав материал по самому многочисленному типу животных — членистоногим [473] Lee M. S. Y., Soubrier J., Edgecombe G. D. Rates of phenotypic and genomic evolution during the Cambrian explosion // Current Biology , 2013, V. 23, № 19, 1889–1895. . Были рассмотрены и морфологические признаки, изучаемые палеонтологами, и последовательности ядерных генов, изучаемые генетиками. Специальная компьютерная программа построила по всему этому массиву данных единое эволюционное древо (причем молекулярные последовательности она учитывала наравне с морфологией). Назовем его для краткости «древом Ли». Программа, использованная для построения древа Ли, могла определить скорость эволюции на каждом отрезке этого древа и в результате вычислить наиболее вероятные даты расхождений эволюционных ветвей. Это и было целью исследователей.

Теперь давайте следить за цифрами. Считается, что кембрийский период начался 542 миллиона лет назад. Согласно древу Ли, расхождение двух главных эволюционных ветвей членистоногих — Chelicerata (мечехвосты и паукообразные) и Mandibulata (многоножки, ракообразные и насекомые) — произошло 543 миллиона лет назад. А расхождение двух подгрупп внутри Mandibulata, многоножек и ракообразных, произошло 538 миллионов лет назад. Как видим, граница кембрия попадает точно между этими датами: Chelicerata и Mandibulata разошлись перед самым началом кембрия, а многоножки и ракообразные — сразу после него. Понятно, что точность таких датировок не абсолютна, но уж случайным совпадением они не могут быть никак. Итак, мы видим, что рождение главных эволюционных ветвей членистоногих произошло в ближайшей временной окрестности нижней границы кембрия. На этот момент действительно пришелся пик изменений.

Получается, что кембрийский взрыв — никакой не артефакт. Вероятно, большинство крупнейших 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 древес современных типов животных должны быть короткими [474] Budd G. E., Jackson I. S. C. Ecological innovations in the Cambrian and the origins of the crown group phyla // Philosophical Transactions of the Royal Society of London, B: Biological Sciences , 2016, V. 371, № 1685, 20150287. . Время существования этих докембрийских «стволов» — считаные миллионы лет, может быть, первые десятки миллионов, но уж никак не сотни миллионов. В общем, на данный момент у нас достаточно оснований, чтобы считать гипотезу «долгой скрытой докембрийской эволюции» скорее неверной, а кембрийский взрыв — реальностью, как это, собственно говоря, и следует напрямую из палеонтологических данных.