У ХІХ столітті, почавши з’ясовувати послідовність подій в історії Землі, перші геологи швидко встановили їх приблизну хронологію. І хоча наступникам цих фахівців довелося почекати ще майже століття до появи радіоізотопного методу визначення дат, який пролив світло на час походження тих зразків, що їх вивчали піонери геології, вчені ХІХ століття зуміли визначити відносний вік знахідок.
Створена ними хронологія ґрунтувалася на еволюції організмів, викопні рештки яких знайдено в породах. Належать вони переважно тваринам, найчастіше морським і таким, що мали тверді частини, як-от черепашки, котрі легко зберігаються. Метод ХІХ століття був ефективний, але тільки до певної міри. Нижче рівня, названого кембрійським, скам’янілості зникають, а докембрійське минуле — це незвідані, позбавлені життя віки. Скидалося на те, ніби якийсь майже біблійний акт творення заселив Землю за одну ніч після невизначеного періоду пустки.
Цей період, як тепер відомо, тривав 4 млрд років, тобто близько 90% історії планети. Але, як засвідчили відкриття другої половини ХХ століття, планета не була настільки мертвою, як вважали раніше. Хоча початок кембрію став такою радикальною зміною в планетарній біології, що часто його називають кембрійським вибухом: за якихось 20 млн років уся світова фауна диверсифікувалася
із простих, ранніх форм у щось схоже на сучасне складне розмаїття. Анеліди, артроподи, брахіоподи, голкошкірі, молюски та безхребетні предки хребетних — усі вони з’явилися в цей період. На землі тварини ще не жили, але в морі їх раптом з’явилося без ліку. І досі невідомо чому.
Що ховається під черепашкою?
Частина загадки в тому, що для самого вибуху знадобилося так багато часу. Невідомі науковцям Вікторіанської епохи викопні рештки свідчать, що бактеріальні форми життя існували принаймні 3,5 млрд років тому, а сліди хімічних процесів у породах віком 3,8 млрд років деякі вчені пояснюють існуванням життя навіть тоді. Приблизно 2 млрд років тому поряд із бактеріями з’явилися складніші (але все ще одноклітинні) істоти, яких назвали евкаріотами. Згодом, трохи більше ніж 760 млн років тому, деякі з останніх об’єднались, і виникли крихітні губки. Це були перші тварини, хоча й не дуже складні.
Сліди істот зі складнішою будовою з’являються 632 млн років тому в формації Душантуо (Китай) відразу після початку періоду під назвою «едіакарій» (див. «Скам’яніла історія»). Деякі (хоча не всі) палеонтологи вважають ці ранні скам’янілості яйцями або ембріонами на ранній стадії розвитку. Не відомо, як вони росли й розвивалися надалі, бо у формації Душантуо немає дорослих тварин. Але істоти до 1 м в діаметрі, можливо, медузи, морські пера і якісь черви (див. зображення), відомі як едіакарська фауна, з’явились і почали множитися приблизно 575 млн років тому. Проте вони не мали черепашок, тож збереглося їх дуже мало, і це одна із причин, чому їх не зауважили перші мисливці за скам’янілостями.
А потім тварини стали раптом вбиратися в обладунки. Знайдені викопні рештки цих панцирних істот, відомих як дрібна черепашкова фауна, належать до початку кембрійського періоду — 542 млн років тому. І хоча такі викопні тварини представлені переважно розчленованими шматочками й уламками, ці фрагменти належали їх різним типам і складаються з різноманітних матеріалів. Тому ймовірно, що вони результат паралельної еволюції, а не одної-єдиної інновації, яка подарувала нащадкам нагоду завоювати світ.
Там, де першими прийшли на світ представники дрібної черепашкової фауни, за ними слідом швидко поширилися інші. Голкошкірі (сьогодні це морські зірки та морські їжаки) існують уже 540 млн років. Брахіоподи (плечоногі) з’явилися 530 млн років тому, а найтиповіші для кембрію викопні організми — трилобіти — мають вік 521 млн років. Протягом лише однієї миті (у геологічних масштабах) відбувся справжній вибух.
Утім, і тут не все відбувалося так просто. Розмаїття форм перших відомих трилобітів, наприклад, наводить на думку, що вони еволюціонували мільйони років, перш ніж усі одночасно вдяглися в панцир. А деякі вчені стверджують, що едіакарський викопний організм аркаруа (Arkarua) належить до голкошкірих, хоча й не має твердого зовнішнього скелета, характерного для цієї групи. Крім того, певні добре збережені шари, як-от Берджеські сланці на заході Канади, свідчать, що вибух не був пов’язаний лише з еволюцією твердих частин організму. Диверсифікація торкнулась і м’якотілих істот. Одне з пояснень кембрійського вибуху — якісь зміни у фізичному середовищі. Можливо, збільшення вмісту кисню, яке дало змогу пристосуватися дихальній системі більших тварин. Або ж істотніша насиченість морської води кальцієм, який став будівельним матеріалом для черепашок, адже вони часто складаються з карбонату кальцію, фосфату кальцію чи обох цих сполук.
Читайте також: Антон Цайлінґер: «Наука не може бути мотивована застосуванням винаходу в майбутньому»
Доказів на підтримку тієї чи тієї версії небагато, але, не виключено, вони якось пов’язані з явищем, відомим як «Земля-сніжка». Це був період кількох послідовних гігантських зледенінь, знаних у науці як кріогеній — час, коли льодовики сковували Землю подеколи аж до екватора. Коли льодовики розтанули, різко оголилися величезні площі кам’янистої суші й під впливом ерозії мінерали почали змиватися в океан. Це могло підняти вміст кальцію (оскільки в породах його дуже багато) або кисню (змиванням поживних речовин у морську воду, що стимулювало ріст здатних до фотосинтезу водоростей), або те й те водночас.
Цій версії суперечить факт, що останнє зі згаданих гігантських зледенінь закінчилося 635 млн років тому. Тож вони могли відіграти певну роль в еволюції тварин едіакарію, але пояснювати ними кембрійський вибух було б занадто.
Альтернативні версії зосереджуються на біології, конкретніше — на ідеї про те, що з початком кембрію тварини перейшли якийсь еволюційний поріг. Історія ускладнення їхньої будови, звичайно, це підтверджує. Губки — прості агломерації клітин, але медузи й морські пера належать до групи диплобластів, які мають значно досконалішу структуру. Диплобласти розвиваються зі спеціалізованих ембріонів, у яких два клітинні зародкові листки — ентодерма й ектодерма. У дорослих особин справжні тканини (наприклад, нервові системи) і правильна, променевосиметрична будова тіла. Проте найскладніші з усіх триплобласти. Їхні ембріони між ентодермою та ектодермою мають третій зародковий листок — мезодерму, у них значно більше видів тканин, ніж у диплобластів, а також є окремі органи. До того ж ці істоти двобічносиметричні (принаймні в молодому віці). І переважно саме триплобласти «відповідальні» за кембрійський вибух.
Двобічна симетрія — це крок уперед у поясненні кембрійського вибуху, бо привела до появи передньої та задньої частин тіла у тварин. А отже, вони можуть цілеспрямовано рухатися в певному напрямку, що не так легко для організмів із променевою симетрією. Тоді органи чуттів та відповідні нерви зазвичай зосереджуються в передній частині, де вони найкорисніші. Цей процес, знаний як цефалізація, сприяє появі у двобічносиметричних тварин мозку — для інтерпретації та обробки сигналів від органів чуттів. Також представники фауни із двобічною симетрією мають лінійну будову органів травлення, з ротом й анусом. Це набагато ефективніший устрій, ніж у диплобластів, які викидають нестравні часточки їжі назад через ротову порожнину.
Читайте також: Країна без науки не має майбутнього
Із цього погляду двобічна симетрія — крок уперед, подібний до виникнення крил. Вона відкрила раніше недосяжні можливості, однією з яких стало активне полювання за допомогою керованого руху та цефалізованої нервової системи. Це могло б пояснити раптову появу панцирних скелетів у різних видів тварин — захист здобичі від мисливців. Можна було б припустити, що двобічна симетрія сама собою і спричинила вибух, якби не незручний факт: деякі едіакарські скам’янілості (як на фото) вже мають двобічну симетрію.
Вигоди перехідного періоду
Проте є ще й інша думка, що кембрійський вибух не становить фундаментальної таємниці, якою здається. Насправді таємниця — едіакарій. Якраз тварини цього періоду, схоже, з’явилися нізвідки і зникли з невідомих причин іще до початку кембрію.
Скам’янілі викопні рештки постійно ілюструють подібні раптові зміни «дійових осіб», відомі як масові вимирання. Найвідоміше — зникнення динозаврів (та багатьох інших рептилій) наприкінці мезозойської ери. Із часом їм на зміну прийшла доти непомітна група — ссавці. Багато в чому думка про унікальність кембрійського вибуху зумовлена панівним у ХІХ столітті переконанням про те, що докембрійського життя не існувало. Але, як свідчить едіакарська фауна, це не так.
За масового вимирання багато шматочків із тарілки життя змітає якась зовнішня подія, як-от зіткнення з астероїдом (у випадку з динозаврами). Після цього потрібно кілька мільйонів років, щоб їм на зміну еволюціонували інші тварини з тих, що зосталися. Ці залишки, можливо, у попередній ситуації були малопомітними (як мезозойські ссавці). У випадку з едіакарієм, з огляду на його давність і незначну кількість доступних для вивчення скам’янілостей, вони можуть просто залишитися поза увагою палеонтологів. Одним із прикладів таких «застиглих у чеканні» тварин може бути аркаруа, відома за єдиним місцем знахідки в Австралії.
Так, у породах едіакарію і кембрію не було виявлено слідів події, яка могла б спричинити вимирання, але й кілька пізніших масових загибелей організмів не мають пояснення. І якщо таке справді трапилося, то цілком можна припустити, що якісь невідомі едіакарські триплобласти відіграли роль мезозойських ссавців, виринувши з невідомості після зникнення конкурентів. У хаосі, що настав після вимирання, вони змогли розмножитися, диверсифікуватись і взаємно стимулювати свою еволюцію (полюючи одні на одних), як це роблять звірі сучасного світу.
© 2011 The Economist Newspaper Limited. All rights reserved
Переклад з оригіналу здійснено «Українським тижнем», оригінал статті опубліковано на www.economist.com