Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Остатки древнейших организмов

Основными компонентами первичной атмосферы 4 млрд. лет тому назад, кроме водной составляющей, были водород, аммиак и метан; или азот, углекислый газ и моноксид углерода. Какая группа из трех составляющих (плюс вода) и ни была бы, другие компоненты присутствовали в ничтожных количествах. Не важно, какие составляющие были доминантными, ясно, что свободный кислород отсутствовал. Не было и озонового слоя в верхах атмосферы, выполняющего в настоящее время роль щита от злостной радиации.

Начиная с 2 млрд. лет назад широкое распространение получили полосчатые железистые кварциты и сланцы, а также химически не окисленные минералы, такие как пирит и уранит. Многие считают, что если бы в атмосфере существовал кислород даже в количестве 0.1% (от современного), то такие отложения не смогли сформироваться.

Большинством исследователей принимается, что атмосфера оставалась почти такой же, как описано выше, до рубежа 1.5-2 млрд. лет назад. В это переходное время кислород, который, по-видимому, возник в результате биологической активности, вошел в состав атмосферы и океанов. Впервые в геологической летописи появляются красноцветные отложения, указывающие, что кислорода стало достаточно, чтобы окислить в осадках ионы железа. После этого времени уже не наблюдается широкого распространения не-окисленных осадков. Высокое содержание кислорода позволило появиться намного более разнообразным формам жизни, чем прежде, и это началось до рубежа 1.5 млрд. лет назад. Возможно, первое свидетельство о появлении жизни содержится в породах группы Варравон Западной Австралии, сформировавшихся почти 3.5 млрд. лет назад.

Начало жизни

Ученые, чтобы понять, с чего начинается жизнь, используют два пути. Один из них заключается в тщательном изучении ископаемых в докембрийских породах. Второй путь связан с химиками-органиками, которые пытаются в лабораторных экспериментах создать базисные блоки жизни из простых компонентов, которые, вероятно, составляли часть первичной атмосферы и гидросферы Земли более чем 3.5 млрд. лет назад. Один из знаменитых экспериментов был выполнен аспирантом Стенли Л. Миллером (Stanley L. Miller) в Чикагском университете в 1953 году. Он соорудил установку, через которую циркулировала смесь паров метана, аммиака и водорода. Через эту смесь он пропускал мощные электрические разряды, имитирующие молнии. Затем Миллер конденсировал пар, прежде чем снова запустить его в установку. К концу недели вода покраснела и стала клубиться. Он проанализировал смесь и нашел, что она содержит какое-то количество аминокислот, являющихся основными строительными кирпичиками протеинов. Продолжая эксперименты, Миллер перешел от простых составляющих к сложным молекулам, которые прямо связаны с живыми системами. Спустя годы после работ Миллера, в других экспериментах, в которых использовались разнообразные “атмосферные” компоненты, жесткая солнечная радиация, ураганные звуковые волны, высушивание и(или) замораживание, получили разнообразные сложные молекулы, включающие и наиболее важные нуклеоиды, структурные комплексы, которые формируют ДНК. Но до сих пор в лабораторных экспериментах не удалось создать молекулу ДНК, способную к репродукции. Экспериментальная работа убедительно показала, как могла возникнуть сложная молекула. Впереди еще долгий путь исследований, прежде чем мы поймем, как сложные молекулы превратились в клетки. Известно только, что под влиянием особых условий такие молекулы, находящиеся в воде во взвешенном состоянии, собираются в маленькие шарики, отделяясь от воды мембраной. Как и почему это происходит, пока не понятно.

“Канадская заря жизни”

Там, где когда-то была жизнь, возможно, сохранились ископаемые; проблема в том, как найти их. А, обнаружив, надо дать их интерпретацию. Что и кто они такие и как существовали? Что они говорят о развитии жизни в то весьма древнее время?

Первая серьезная попытка дать ответ на эти вопросы была предпринята в 1859 году. В тот год сэр Вильям Логэн (William Logan), директор Геологической службы Канады, представил экземпляр “вероятно органического происхождения” из пород несколько моложе, чем так называемая первичная кора. Логэн отдал найденных ископаемых своему другу, палеонтологу Дж. Вилльяму Досону (J. William Dawson). Он определил их как колониальных фораминифер, покрывших себя известковыми корочками. Досон назвал вид Eozoon canadense (от греч. eos — заря, zoon — животное, саnadense - из Канады, канадская).

Досон высказал такое суждение в 1864 году с одобрения одного из авторитетов по ныне живущим фораминиферам. Некоторые ученые встретили сообщение Досона с энтузиазмом, другие были более сдержанными, а часть отнеслась к этому враждебно. В 1866 году два ирландских минералога усомнились в “заре живого”, посчитав, что это просто смесь различных минералов, упорядоченных в результате диагенеза, превратившего известняк в мрамор. Другой критик сравнил эти предполагаемые фоссилии с глыбами известняка, считая, что они подобны глыбам, выброшенным древним вулканом.

Теперь рассмотрим аргументы и факты. С одной стороны имеется Досон и его сторонники, которые пытаются доказать, что Eozoon и подобные ему являются настоящими ископаемыми. А с другой стороны имеется оппозиция, включающая геологов и минералогов, которая утверждает, что все эти на ходки имеют неорганическое происхождение. Большинство критиков основывают свои суждения, изучая только шлифы, игнорируя утверждение Досона, что Eozoon надо видеть и изучать в целом, то есть в породе и полевых условиях. Один немецкий специалист даже пересек Атлантику, чтобы изучить досоновское животное в обнажениях обрывов реки Оттава, на той стороне, где находится Квебек. Его вердикт совпал с выводами его друзей: Eozoon - это просто структуры и текстуры пород, обусловленные диагенезом, и поэтому он - никакой не ископаемый организм.

Загадочные строматолиты

Если бы Досон не нашел еще и других ископаемых в породах округа Хэстинкг в Онтарио, напоминающих Eozoon, то победили бы его противники. Мало того, что эти эозооны практически не были изменены диагенезом, они еще удивительно напоминали то, что было описано под названием “строматолиты”, что в переводе означает “слоистые камни”.

Это сходство, тем не менее, не привело к немедленной реабилитации эозоонов в статусе настоящих фоссилий. Строматолиты были известны ученым на протяжении многих лет, и некоторые из них были описаны как известковые Protozoa. Такое мнение держалось недолго, и когда интерес к строматолитам благодаря ископаемым находкам снова возрос, они были включены в царство растений как водоросли. Но некоторые геологи настойчиво продолжали называть их неорганическими конкрециями, а некоторые авторитетные палеоботаники укрепляли такое мнение, утверждая, что только ископаемые, сохранившие клеточное строение, можно отнести к водорослям. Другие критики, не столь категоричные, считали, что все дискуссии о строматолитах являются “никчемными” и “неудачными”.

Неудачно или наоборот, но беспокойство оставалось. В настоящее время доказано, что строматолиты являются продуктами жизнедеятельности цианобионтов, хотя в образовании их также могут принимать участие бактерии, зеленые водоросли, фораминиферы и процессы осадконакопления. Цианобионты долгое время рассматривали как группу синезеленых водорослей или цианофитов на основании того, что у них, так же как у водорослей и других растений, кроме специфического синего компонента имеется и зеленый хлорофилл. Но в отличие от водорослей у цианобионтов клетки не имеют оформленного ядра, что заставляет их рассматривать вместе с бактериями в группе прокариот, то есть доядерных организмов. Растения, грибы и животные, в отличие от бактерий и цианобионтов, имеют оформленное ядро, ограниченное оболочкой; и они входят в группу эукариот, то есть ядерных организмов.

Строматолиты преимущественно состоят из углекислого кальция и магния, отлагающихся цианобионтами в виде слоистых корочек. Цианобионты обитают в настоящее время в озерах, морях и горячих источниках. В Западной Австралии в Акуловом заливе (Shark Вау) современные строматолиты были изучены Брайоном Логаном (Brian Logan). Там они представлены слоистыми продуктами жизнедеятельности цианобионтов и зеленых водорослей - хлорофитов, образующих разветвления и покровы - маты, покрытые слизью. Цианобионты и хлорофиты, извлекая двуокись кальция (carbon dioxide) из воды, создают с его помощью питательные вещества, отлагая известковый материал слоями поверх слизи. Таким образом, организмы, пока они живы, строят твердые “каменные” опоры для своих колоний, вовлекая в свои постройки также раковинки разных микроорганизмов. Таким способом и возникают слоистые осадочные структуры - строматолиты, которые обычно выступают над поверхностью осадка на несколько сантиметров или даже многих метров в виде шаровидных и холмистых тел.

Современные строматолиты встречаются в литорали и в начале верхней сублиторали, то есть в мелководье, примерно до 5-метровой глубины. Строматолиты также обнаружены в минеральных источниках. Характер роста и типы построек строматолитов могут рассказать об окружающей среде, в которой они обитали. Строматолиты, находящиеся в зоне волн, имеют головчатую форму, а растущие в спокойной воде образуют пластинчатые структуры. Современные колонии строматолитов в зоне течений образуют линейно вытянутые валики по направлению этих течений. Учитывая эту закономерность, можно восстановить направления течений в древних строматолитовых толщах. Внутренняя структура строматолитов также меняется в зависимости от глубины, количества дождей, эрозии, степени осушения во время отлива и субстрата, на котором они растут, а также от систематического состава видов, формирующих маты. Строматолиты служат местом обитания и прикрепления для микроскопических инкрустированных фораминифер, миниатюрных моллюсков и известковых трубочек червей. По мере роста строматолитов они оказываются замурованными и благодаря этому сохраняются в ископаемом состоянии вместе с ними.

Современные формы цианобионтов, тем не менее, возможно, не отражают все возможности разнообразия. В девонских отложениях Австралии (Canning Basin) гигантские строматолитовые рифы почти в 1.5 км шириной были сформированы на глубинах от 3.7 до 9 м. Вероятно, диапазон глубин, где формируются современные строматолиты, меньше, чем был в прошлом.

Вернемся теперь к Eozoon и другим древнейшим ископаемым. Eozoon был найден в обычных и мраморизованных известняках, названных сериями Гренвилл (Grenville Series), которые, возможно, образовались более чем 800 млн. лет назад. Ископаемые Eozoon имеют выпуклую или столбчатую форму. Они представлены изогнутыми или выпуклыми слоями, состоящими из образований, напоминающих слившиеся трубочки и прутики.

Строматолиты Hadrophycus представлены колониями разнообразной формы: лепешковидной, пластинчатой, головчатой и караваеобразной, их структура меняется в зависимости от сохранности и окружающей породы. В породах, где доломиты чередуются с грубозернистыми окремнелыми известняками (chert), ископаемые представлены только изгибающимися пластинами. Породы, состоящие из тонкозернистых окремнелых известняков, содержат как пластинчатые, так и неправильно-столбчатые строматолиты. Они лучше всего видны на сильно выветренной поверхности.

Строматолиты, состоящие из дуговидно изогнутых слоев, выполаживающихся к центру, получили название Collenia. Они образуют пластинчатые или столбчатые колонии, причем последние могут объединяться в одну общую большую колонию.

Наиболее красивые ископаемые строматолиты обнаружены в темно-красных железистых кварцитах, называемых джеспелитами. Из них можно изготовлять облицовочные плиты, а из наиболее красивых - брошки и камеи.

Внимательное изучение современных строматолитов Австралии и Персидского залива показало, что родовые и видовые названия, используемые для тех или иных форм, нереальны, так как они отражают экологические модификации, а не систематическую принадлежность. Лучше классифицировать строматолиты по морфотипам, связанным с определенными условиями обитания. Обозначение LLH-морфотип (Laterally Linked Hemespheroids - латерально связанные друг с другом полусферы) означает, что данные строматолиты образуют маты из био- и литокластического материала в морских илистых отложениях мелководья, преимущественно в защищенных участках, таких как пространства за барьерным рифом. Дополнительно к таким обозначениям морфотипа строматолитов можно давать родовые и видовые названия остаткам собственно цианобионтов и водорослей, найденных совместно с этими образованиями.

Строматолиты имеют важное стратиграфическое значение. Их используют для расчленения и корреляции верхнепротерозойских пород России, Северной Америки, Африки, Индии и Австралии, учитывая преимущественно их микроструктурные характеристики. Особенности микроструктурного строения строматолитов, по-видимому, в основном связаны с видовой спецификой цианобионтов. Строматолиты более многочисленны и разнообразны в позднем докембрии, чем в другое время. Это, вероятно, связано с широким распространением мелководных шельфовых морей в протерозое (в архее они были развиты незначительно), а также с отсутствием сверлильщиков и тех, кто использовал цианобионты и строматолиты в качестве пищи. Возможно, что массовое появление в кембрии карбонатных раковинных организмов привело к понижению кальция в морях и его стало недостаточно для цианобионтов.

Проявления ранней жизни: другие докембрийские ископаемые

Существуют две группы доказательств присутствия ранней жизни в докембрийских породах. Одна группа доказательств - это непосредственно остатки организмов; другая группа доказательств представлена физическими и биохимическими проявлениями жизнедеятельности организмов. Строматолиты являются продуктами жизнедеятельности цианобионтов; иногда они сохраняют и оболочки когда-то существовавших цианобионтов.

Древнейшим доказательством жизни служат строматолиты, образовавшиеся около 3.8 млрд. лет назад, хотя органическое происхождение этих слоистых структур из Западной Австралии до сих пор под сомнением.

Другие доказательства, что жизнь существовала, дают сложные карбонатные соединения, обнаруженные в породах группы Онвервахт (Onverwacht) в Южной Африке. Состав углеродов этих пород от подошвы до кровли был проанализирован Д.З. Элер (D.Z. Oehler). Она обнаружила, что в нижней и средней частях пород Онвервахт было непропорционально высокое количество углерода С13 относительно С12, в то время как в верхних частях наблюдалось заметное падение количества С13. Оба углерода, С13 и С12, являются естественными изотопами, где С13 имеет в ядре на один нейтрон больше. В атмосфере присутствует определенное соотношение С13 к С12, но когда зеленые растения поглощают углекислый газ - С02 из воздуха, они избирательно концентрируют более легкий углерод С12 в карбогидраты (carbohydrates), которые создаются во время фотосинтеза. Эти карбогидраты поглощаются другими организмами и вовлекаются в их жизненный цикл. В результате соединения углерода в живых системах обогащены С12. Таким образом, исследования Элер пород Онвервахт подтверждают, что фотосинтез начался в то давнее время, когда накапливались породы верхней части Онвервахт, и этот процесс зафиксирован в соотношении изотопов углерода (химические фоссилии или хемофоссилии).

Остатки первых клеток. На планете существует несколько местонахождений, где в докембрийских породах обнаружены одноклеточные организмы. Древнейшие из них несомненно органического происхождения; они найдены в кварцитах, сланцах и песчаниках Трансвааля Южной Африки. Эти породы образовались около 3.2 млрд. лет назад. В группе Фиг Три (Fig Tree) микроскопические ископаемые сохранились в окремнелом известняке. Их лучше всего исследовать в тонких срезах пород - шлифах, при очень большом увеличении в оптическом или электронном микроскопах. Если окремнелый известняк обработать плавиковой кислотой, то можно извлечь остатки ископаемых, обычно сильно деформированные. По крайней мере, извлекается два типа остатков: тоненькие прутикообразные формы (напоминающие оболочки современных бактерий по структуре стенок, размерам и облику) и сферические формы (напоминающие цианобионтов). Большинство из них размером не более 20 микрон! Все эти клеточные структуры, скорее всего, относятся к прокариотам, не имеющим оформленного ядра.

Окремнелые известняки (Ганфлинт) (Gunflint Chert) в северной Миннесоте и соседнем Онтарио возрастом около 1.9 млрд. лет и формация Биттер Спрингс Центральной Австралии (Bitter Springs Formation) возрастом 0.9 млрд. лет содержат намного более разнообразных прокариот, чем породы Фиг Три возрастом 3.2 млрд. лет назад. В породах Ганфлинта, содержащих также строматолиты, присутствуют: 1 — тонкие нитевидные образования, разделенные на участки стенкоподобными структурами, очень напоминающими современных нитевидных бактерий и цианобионтов; 2 - разнообразные сферические, звездчатые, зонтиковидные тельца неизвестного происхождения. Более молодые породы Биттер Спрингс содержат еще более разнообразные формы, большинство которых, видимо, относятся к цианобионтам. Некоторые исследователи утверждают, что разнообразие жизни было еще выше, так как часть “внешне сходных” видов могли возникнуть различными путями. Дальнейшие совместные исследования современных и ископаемых форм помогут решить эту запутанную проблему.

Являются ли какие-нибудь из этих ископаемых эукариотами, то есть организмами, имеющими оформленное ядро, до сих пор неясно. Некоторые клетки выглядят так, как будто они имеют ядро; но при внимательном изучении такое утверждение кажется сомнительным, так как “сгустки” в центре клеток оказываются кристаллами пирита или других неорганических включений, либо трещинами растрескивания. Первое достоверное появление эукариот произошло 700 млн. лет назад, когда появились первые многоклеточные организмы.

Многоклеточные организмы. Каким образом организмы, состоящие из многочисленных клеток, произошли от одноклеточных форм, до сих пор непонятно. Одна из теорий утверждает, что оболочки одноклеточных организмов, оказавшись внутри другого одноклеточного организма, оформились в ядро, митохондрии и хлоропласты. Митохондрии и хлоропласты осуществляют энергетические и окислительные процессы. У прокариот все эти функции выполняют клеточные оболочки. Другая теория утверждает, что определенные прокариоты внедрились в другие прокариоты (эндосимбиоз) и возникшее “содружество” стало функционировать как единое целое.

Каким бы способом это ни случилось, но уже около 700 млн. лет назад появились первые многоклеточные организмы. Они обнаружены в докембрийских породах почти всех континентов, причем их находки сконцентрированы в регионах, находящихся в настоящее время в зоне низких широт; но, по-видимому, наилучшей сохранностью обладают те, которые были обнаружены в Эдиакаре Южной Австралии в 1947 году. Ископаемые эдиакарского местонахождения послужили основанием для выделения временного отрезка под названием эдиакарского периода, охватывающего интервал от 670 до 550 млн. лет назад, который предшествовал кембрию. В России и странах СНГ этот временной отрезок соответствует вендскому периоду. В конце вендского периода и в самом начале кембрия произошло сильное похолодание и оледенение. В течение вендского периода появились почти все основные типы и большинство классов беспозвоночных.

В породах Эдиакары обнаружены беспозвоночные животные, которые можно отнести к кораллам (Charniodiscus), медузам (Ediacaria), червям (Dickinsonia), членистоногим (Praecambridium), а также к другим группам животных неясного или дискуссионного систематического положения, как, например, Tribrachidium. Все обнаруженные животные были мягкотелыми, они не имели минеральных скелетов и поэтому сохранились только в виде отпечатков, реже ядер. Они были несомненно более высокоорганизованными, чем их одноклеточные предшественники, хотя и сравнительно проще, чем большинство многоклеточных животных, сменивших их в кембрии. Некоторые эдиакарские животные, например часть червеобразных форм, были, очевидно, очень тонкотелыми. Так думают некоторые палеонтологии, считая, что дыхательная и кровеносная системы этих животных были слабо развиты, а необходимый кислород они получали через поверхность тела. Они поэтому не могли быть толстыми, так как кислород не смог бы проникать далеко внутрь тела от его внешней поверхности.

Эдиакарские животные, по-видимому, могли размножаться половым путем. Такой путь репродукции значительно увеличивал число комбинаций и разнообразие организмов. В свою очередь интенсивное формообразование служило тем исходным материалом, над которым “работал” естественный отбор, что приводило к дивергенции и формированию разнообразных жизненных форм, которые характеризуют последующее фанерозойское время, то есть следующие 550 млн. лет.

Долгое время эдиакарских животных объединяли с ныне живущими группами, такими как кольчатые черви и медузы. Другая точка зрения сводится к тому, что эдиакарские животные могли принадлежать к группам животных, не оставивших потомков. Тогда эдиакарские животные свидетельствуют об одной из попыток усложнения организмов, которая потерпела неудачу и окончилась вымиранием.

НАУЧНЫЙ ЦЕНТР МОНАШ ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ РАН
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФОНД ХАНСА РАУСИНГА
"КАМЕННАЯ КНИГА / Летопись доисторической жизни" - Кэрролл Лейн Фентон и Милдред Адамс Фентон
Переработали и дополнили Патриция Викерс Рич, Томас Хьювитт Рич и Милдред Адамс Фентон
Перевели и переработали О.Б. Бондаренко (зам. ответственного редактора ), В.Н.Голубев, Ю.М. Губин, Д.Н. Есин, Т.В. Кузнецова, Е.Н. Курочкин, И.А. Михайлова, С.В. Наугольных, А.Ю. Розанов (ответственный редактор )

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика