Сонное царство? Древняя жизнь до кембрийского взрыва. Интервью с научным сотрудником Геологического института РАН А.В. Колесниковым

Эдиакарский период в истории Земли начался 635 млн лет назад и продолжался почти 100 млн лет. Появление загадочных крупных организмов в эдиакарии (их еще называют вендобионтами) 580 млн лет назад ознаменовало распространение многоклеточной жизни на нашей планете. Ученые пытаются понять, как именно появилась эта подводная многоклеточная сложноустроенная жизнь и остались ли в мире потомки морских эдиакарских животных, внезапно исчезнувших с лица Земли. Об этих исследованиях «Научной России» рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории стратиграфии верхнего докембрия Геологического института РАН Антон Колесников.

Справка. Антон Владимирович Колесников ― кандидат геолого-минералогических наук, популяризатор науки, ведущий научный сотрудник лаборатории стратиграфии верхнего докембрия Геологического института РАН Антон Колесников.

― Эдиакарий часто сравнивают с неким райским местом наподобие библейского Эдема, в том числе из-за отсутствия хищников. Правда ли, что до кембрийского взрыва, случившегося вслед за эдиакарием, хищничества на Земле действительно не существовало?

― В учебниках часто пишут, что в докембрии, в частности в эдиакарском периоде, у животных еще не сформировались скелеты, в их среде обитания отсутствовали хищники и на Земле был практически рай ― этакие сады Эдема, где организмы жили спокойно и очень медленно эволюционировали из-за отсутствия внутривидовой конкуренции. На самом же деле наука уже ушла далеко вперед, и последние данные говорят о том, что это не совсем так, хотя эдиакарские организмы действительно демонстрируют очень низкую скорость видообразования, низкие темпы эволюции.

Гипотезы о «райских садах» эдиакария строились на неполноте палеонтологической летописи.

Остатки эдиакарских организмов все еще очень редки и каждое такое местонахождение ― это уникальный случай. Однако в последние годы были открыты новые многочисленные местонахождения остатков эдиакарской фауны, в том числе появились технические возможности увидеть остатки плохой сохранности ― так называемые палеонтологические фантомы, которые при дневном свете в условиях научных экспедиций практически незаметны.

Новые данные показали, что в эдиакарском периоде существовали примитивные скелетные организмы ― палеопасцихниды — и что, вероятно, хищничество в том или ином виде уже присутствовало в природе.

― Ведутся ли споры о хронологии кембрийского взрыва?

― Раньше считалось, что кембрийский взрыв начался приблизительно 550–545 млн лет назад и длился около 5–10 млн лет. Действительно, некоторые факты говорят в пользу этой концепции, ведь примерно на уровне 550 млн лет назад из геологических разрезов во всем мире (в рамках актуальной парадигмы) выпадают остатки мягкотелых организмов. Исчезновение эдиакарских организмов из разрезов, как считают исследователи, связано с  вымиранием фауны, сопровождавшимся широкой экспансией роющих организмов и появлением первых минеральных скелетов.

На текущий момент принято считать, что эдиакарская биота населяла не весь временной интервал эдиакария, или венда, а появилась примерно 580 млн лет назад и 550 млн лет назад исчезла. Но что последовало далее? Что именно происходило на протяжении 10–12 млн лет до начала кембрийского взрыва? Это по-прежнему остается загадкой. Однако тщательные и скрупулезные исследования разрезов докембрия с применением новейших методов, в том числе разработанных нами, постепенно заполняют эти «пустые» интервалы палеонтологическими находками. Буквально недавно считалось, что кембрийский период начался 542 млн лет назад, но в 2022 г. мы получили новые датировки из Намибии, немного «омолодившие» эту границу. Теперь кембрийский период в международной шкале начинается от 538 млн лет назад.

Таким образом, международная шкала приближается к российской шкале кембрия и мы видим на ней некий загадочный интервал, который пока называют немым палеонтологическим отрезком, или котлинским кризисом, ― временем массового вымирания эдиакарских организмов и, вероятно, первым масштабным вымиранием в истории Земли. Считается, что этот кризис, собственно, и привел к кембрийскому взрыву.

Нашему коллективу удалось найти остатки эдиакарских организмов в разрезах, которые считаются кембрийским, то есть относятся к кембрийскому периоду в истории Земли, следующему после эдиакарского. Удивительными находками для нас стали поверхности пород с множественными следами ползания организмов. Мы обнаружили следы ракушек, появление которых принято относить к кембрию, и вместе с ними в одном разрезе ― отпечатки эдиакарских организмов! Мы показывали этот материал самым авторитетным и опытным палеонтологам России и западных стран. Коллеги подтвердили, что найденные нами следы ползания животных относятся к эдиакарской биоте. Тогда остается открытым вопрос: а когда же появились ракушки? Может быть, начало кембрия не связано с их появлением на Земле, как принято считать, и найденные нами ракушки наравне с другими следами принадлежат к эдиакарию, а значит, граница эдиакария может быть сдвинута в пользу более молодого возраста? Мы уже работаем над научной статьей по итогам этих исследований и планируем отправить ее в один из самых престижных журналов по геологии.

― Эдиакарская фауна вымерла, не оставив потомков?

― Это открытый вопрос. Эдиакарская фауна исчезла из ископаемой летописи практически полностью, и пока нет никаких однозначных свидетельств в пользу того, что она могла пережить возникновение биоминерализации (формирования скелетов у активно перемещающихся организмов) на рубеже 555–550 млн лет назад.

На текущий момент существуют три гипотезы, объясняющие исчезновение эдиакарских организмов и возможность существования их потомков. Первая гласит, что эдиакарская биота была своеобразным ответвлением эволюции и попыткой создать подобие рая на Земле. Это была сбалансированная замкнутая система, которая вдруг нарушилась появлением каких-то новых организмов. Оказалось, что гораздо выгоднее перемещаться и питаться уже готовыми веществами, и эдиакарские организмы, будучи не в состоянии адаптироваться к этим изменениям, исчезли с лица нашей планеты навсегда, не оставив никаких потомков.

Вторая гипотеза заключается в том, что эдиакарская биота никуда не исчезла, а канули в лету лишь наиболее яркие представители, такие как дикинсонии, кимбереллы, трибрахидиумы. В целом описано около 300 видов эдиакарских организмов, которые разделены на девять групп. Самые неприметные из них могли пережить котлинский кризис и эволюционировать дальше: в их развитии, согласно этой гипотезе, произошел скачкообразный процесс и они превратились в хищников. Тогда мы действительно можем быть их потомками.

Есть еще третья гипотеза, самая молодая и весьма перспективная. Ее сейчас активно пытаются проверять различными способами. Согласно этой концепции, эдиакарская биота никуда не исчезла и живет среди нас до сих пор. Нужно только создать условия, чтобы ее увидеть.

― Что это за условия?

― Этот вопрос пока тоже остается открытым, но могу привести пример из моей практики, отчасти проливающий свет на эту проблему. В западной части Франции существует сеть так называемых соляных болот (салин), использующихся для производства соли. Во время прилива вода поступает в специальные ячейки. Люди перекрывают выход воды обратно в море и ждут, когда она испарится, ― так называемый эвапорационный способ получения соли. Таким образом выращиваются кристаллы соли. Подобные условия губительны для большинства организмов, но есть микробы-экстремофилы, любящие столь высокий уровень солености. Так вот, дно этих салин выстлано очень толстыми (несколько десятков сантиметров) наростами биологических пленок, образованных бактериями, ― бактериальными матами. Мой научный руководитель Дмитрий Владимирович Гражданкин, прогуливаясь со мной в этой местности, как-то подметил, что если не смотреть по сторонам, а только под ноги, то именно так и выглядел эдиакарий.

Если сделать срез дна этих салин, мы увидим тончайшую бактериальную слоистость (биоламинацию), образованную в результате биологической активности микроорганизмов и поступающего осадка из морской воды. Ежедневно вода испаряется и на ее место поступает новая. Каждый день образуются колонии микроорганизмов, выстилающие этот субстрат, которые захораниваются в этот же день. Все это происходит веками, и за последние 700 лет в наиболее древних салинах накопились метровые участки таких прослоек. Когда мы начали изучать современные биоматы методами минералогии, петрографии с помощью оптических и электронных микроскопов, то увидели, насколько поразительно их сходство с горными породами, имеющими докембрийский возраст! Напомню, что эдиакарий ― это последний этап докембрийского периода. В конечном итоге это и породило нашу идею о том, что губительные для остальных видов условия были прекрасны для эдиакарских бактерий. Они, скорее всего, служили «пастбищем» для крупных, загадочных эдиакарских организмов, таких как дикинсонии, трибрахидиумы, кимбереллы, палеопасцихниды и др. Более того, нам с Д.В Гражданкиным удалось обнаружить в этих соляных болотах два современных объекта, один в один похожих на докембрийских животных, ― арумберий и цикломедуз. В 2017 г. мы опубликовали статью об этом открытии.

― Похожих в каком смысле?

― Они схожи не только внешне, но и анатомически. Что касается генетического сходства, то, к сожалению, у нас, как и в мире в целом, нет ни одной эдиакарской ДНК, с которой можно было бы сравнить наши находки. Нет исходного образца, никаких клеток, которые могли бы дать нам однозначный ответ, к какой эволюционной ветке относятся те или иные найденные нами существа. Напомню, что мы исследуем древние эдиакарские организмы по их отпечаткам в геологических разрезах.

Когда мы обнаружили на западе Франции формы, морфологически похожие на древние, мы, конечно, подключили микробиологов и получили ответ, что это грибные кольцевые колонии и колонии фотосинтезирующих бактерий.

― Может быть, эдиакарская фауна была на самом деле не фауной, а грибными сообществами?

― Такая точка зрения действительно существует. Эта гипотеза была высказана известным палеонтологом Грегори Реталлаком из Орегонского университета (США). Ему удалось найти в Австралии остатки эдиакарских организмов, поразительно похожих на современные лишайники! Ученый также провел анализ условий, в которых жили эти организмы, и они оказались весьма благоприятными для роста и размножения грибов. Пока это лишь одна из версий. Тем не менее она опубликована в журнале Nature ― самом авторитетном международном научном издании. На текущий момент никто не смог ни доказать, ни опровергнуть его гипотезу. Пока это чисто умозрительная концепция, но объясняющая очень многие вопросы.

Реталлак считает, что все эдиакарские организмы ― грибы или лишайники. Многие коллеги с ним не согласны, в том числе и я. Дело в том, что с помощью его теории сложно объяснить нехарактерную для грибов, но присущую эдиакарской фауне трехлучевую симметрию. Существует ряд других причин, также подвергающих сомнению эту теорию. Скорее всего, в эдиакарии грибы уже были, но они не заменяли собой фауну, а сосуществовали с ней.

― Когда в ископаемой летописи впервые появляются грибы?

― Как минимум 1 млрд лет назад. Таким образом, они существовали на Земле еще до появления крупных эдиакарских организмов. Но все, что мы видим в геологической летописи, ― это микроскопические остатки древних грибов. Крупных форм грибов на планете тогда еще не было.

Привычные нам грибы, которые можно увидеть невооруженным глазом, появились около 400 млн лет назад.

― А что привело к гибели эдиакарской фауны?

― Точно не известно. Одна из интересных гипотез принадлежит Андрею Валерьевичу Шацилло, научному сотруднику Института физики Земли РАН. Массовое вымирание эдиакарской биоты он связывает с временным отключением магнитного поля Земли и его разворотом на 90° ― так называемая концепция блуждающего диполя и неактуалистическая модель магнитного поля Земли. Это явление, согласно его гипотезе, могло спровоцировать магнитное поле Солнца, тоже претерпевавшее сильные аномалии в тот период. Если магнитное поле действительно было развернуто на 90–100°, то намагниченность пород из-за вращения Земли происходила ежесуточно: каждые сутки осадок пород оседал в морских бассейнах, формируя новый материал с разной намагниченностью. Других объяснений пока нет. Эта концепция очень свежая. Она была опубликована в виде серии статей в российских журналах, однако западные коллеги пока не приняли эту гипотезу. Тем не менее тот факт, что в истории ранней Земли происходили гиперинверсии, не вызывает сомнений, и, вероятно, эти явления могли как-то повлиять на организмы, живущие на планете. Это удивительным образом охватывает тот самый загадочный временной интервал от 550 до 540 млн лет назад. Случайное совпадение или нет? Пока вопрос остается открытым.

― Если западные коллеги отвергают эту гипотезу, то что они предлагают взамен?

― Есть разные научные школы, работающие в этом направлении. Одна из них развивает идею о том, что эдиакарская биота вымерла, не оставив потомков, и одной из причин массового вымирания стало сокращение пищевых ресурсов: появились роющие организмы, стали пропадать бактериальные маты, служившие пищей для крупных эдиакарских животных. Организмы активно размножались и, достигнув определенного предела, просто умерли от голода. Правда, у западных коллег есть существенное ограничение: разрезы эдиакария на острове Ньюфаундленд, в Канаде и Намибии отличаются неполнотой. Конечно, их можно достаточно точно коррелировать, однако наиболее полный и непрерывный разрез всего эдиакарского периода находится в Сибири. Это лакомый кусочек для любого геолога и палеонтолога! Нам, и мне в частности, очень повезло, что этот разрез находится в нашей стране. Мне уже удалось поработать там в течение двух полевых сезонов. Очень надеемся снова попасть туда в 2023 г. Несмотря на то что разрез крайне информативен, работы предстоит еще очень много.

― На какой глубине океана жили эдиакарские организмы?

― На этот счет ведутся споры. Вероятнее всего, эдиакарская биота населяла глубины в пределах фотической зоны (освещаемой солнцем верхней толщи воды). В современных морях и океанах глубина фотической зоны достигает 200 м ― до такой глубины возможен фотосинтез. Главная загадка, на которую до сих пор нет четкого ответа: насколько был мутен океан в эдиакарии? Сейчас нам кажется, что вода в нашем океане более или менее прозрачная. Но в условиях эдиакария, когда все было покрыто исключительно бактериальными матами, вода могла напоминать мутный раствор, похожий на смесь молока с водой, что препятствовало глубокому проникновению солнечных лучей: соответственно, и глубины расселения эдиакарских организмов могли быть другими.

― К тому же чистильщиков океана, таких как рачки, поглощающие растворенную вокруг органику и упаковывающие свои отходы в пеллеты, еще не было?

― Да, фильтраторов океана тогда еще не существовало. Планктон уже был в докембрии, однако нет надежных данных, позволяющих сделать выводы о наличии в это время организмов-фильтраторов. Пока достоверно установлено, что фильтрующий планктон (зоо- и фитопланктон) появляется в кембрийском периоде ~ 530 млн лет назад.

― А какой была поверхность Земли в то время?

― На Земле была другая конфигурация континентов, другие океаны, моря и другое горообразование. Уже были низины и вершины. Но чего не было, так это лесов и привычных нам рек с постоянным руслом. Растений тоже не было, а значит, берега рек нечем было скреплять. Мир суши в тот период мог напоминать поверхность Марса или Гранд-каньона в Америке, пустыню Аризону или Сахару.

― Напоследок расскажите, пожалуйста, какие еще неразрешенные загадки остались в изучении эдиакария, помимо тех, что мы перечислили.

― Их немало, но самый главный вопрос таков: от кого могли произойти эдиакарские организмы? Дело в том, что они резко появляются и так же резко исчезают из ископаемой летописи. Словами «ушли» и «пришли» мы обозначаем тот факт, нашли ли мы их следы в геологическом разрезе или нет. Несмотря на то что в изучении эдиакария остается еще много вопросов, для нас, геологов, эти организмы ― настоящий кладезь информации, ведь по ним мы определяем возраст горных пород. Например, удалось установить, что агглютинированные раковины палеопасцихнид существовали во всем вендском периоде, а ассоциация из четырех определенных видов (мы это называем биозоной) населяла исключительно узкий интервал от 560 до 550 млн лет назад. Это очень удобно для геологических корреляций и быстрого определения возраста горных пород. Ранее считалось, что геологическая корреляция в докембрии хоть и возможна, но с огромными погрешностями. В этом году ситуация кардинально изменилась: нам удалось добиться увеличения почти на порядок разрешающей способности для геологической корреляции эдиакарских разрезов. Исследования проводятся в рамках гранта Российского научного фонда. Я уверен, что впереди нас ждет еще много научных открытий, имеющих важное фундаментальное, а также более практическое значение, — в частности, в области стратиграфии и геологической корреляции докембрийских горных пород.