Похождения видов. Вампироноги, паукохвосты и другие переходные формы в эволюции животных
Можно даже ходячего робота построить, который будет оставлять на воображаемом иле точно такие же отпечатки лап, как одно из древних (раннепермских) наземных четвероногих позвоночных – оробат (Orobates), и убедиться, что он был еще тот ходок (в приличном смысле этого слова). Оробат не волочил пузо по земле, а центр масс этой ранней рептилии (или поздней амфибии?) располагался так, что на перемещение не приходилось затрачивать слишком много усилий.
Подобные исследования породили новую науку – палеобиотехнологию, задача которой состоит в использовании миллионолетних «наработок» эволюции на благо человеческого общества. Почему бы не создать робота, плавающего с помощью четырех гребных конечностей, как плиозавр? Или тонкую, гнущуюся, но не ломающуюся антенну, как многометровый стебель юрской морской лилии? Или платформу, способную лежать на илистом грунте, не утопая в нем, как гигантская меловая двустворка – иноцерамус?
Сегодня, конечно, нельзя обойтись без приборов для элементного анализа окаменелостей и вмещающей породы. Изучение биомаркеров и рамановская спектроскопия помогут разобраться с разного рода органическими веществами: что свое, что наносное (сформировалось в результате деятельности сапрофагов сразу после гибели организма или миллионы лет спустя). Разного рода минералогические исследования дадут представление о степени сохранности скелета и его первичном составе (рис. 6.5). Катодолюминесцентный анализ выделит остатки организма на фоне вмещающей породы, даже если они почти невидимы, и покажет ткани разного состава, если они есть (рис. 6.6). Конфокальная микроскопия очертит микрорельеф. Карта распределения элементов в сочетании с компьютерной томографией подскажет, где ткани и органы сохранились в виде органических пленок, а где заместились разными минералами (рис. 6.7).
Так, с момента открытия археоптерикса в 1861 г. велись споры о подделке первого и долгое время единственного его экземпляра. Сегодня, когда число образцов «древнекрыла» перевалило за десяток, а видов пернатых полудинозавров-полуптиц – за сотню, сам факт подделки не так уж и важен, но все-таки любопытно… И да поможет нам синхротронная рентгеновская флюоресценция, которая выявляет в породе присутствие элементов даже в мизерных концентрациях: под действием рентгеновских лучей высоких энергий атомы разных элементов начинают испускать световые волны – флюоресцировать, каждый в своем диапазоне. Сканируем в рентгеновском спектре весь образец, предварительно закрепив его на подвижной платформе, и получаем карту спектрограмм. Кальция много во вмещающей породе – морском известняке, когда-то накопившемся в обширной лагуне. Высокие концентрации цинка четко обрисовывают каждую косточку животного; фосфор накопился в перьевых стержнях и бородках. Эти мельчайшие структуры, которые, сцепляясь, превращают опахало пера в единую плоскость, пригодную для полета, без использования подобной аппаратуры вообще не были различимы. А молибден, сосредоточенный в минералах, образовавшихся по трещинам в породе, показывает, что это не швы от склейки, а древние образования. Все у археоптерикса свое, всамделишное.
Даже расцветка оперения определима. Лет 20 назад это высказывание показалось бы еретическим: в главе о цвете из «Энциклопедии динозавров» знающие специалисты Майкл Райан и Энтони Расселл из Университета Калгари с грустью отмечали: «Динозавры, вероятно, использовали цветовые узоры… но который из видов какие признаки имел, возможно, никогда не будет известно с определенностью»[36]. Современная наука может и это, хотя далеко не всегда и не везде. О цвете ископаемых организмов написаны сотни исследований, и это только начало. Проще всего с мумиями ледникового периода: у них можно найти даже гены, ответственные за окрас шерсти, и выяснить, например, что мамонты были немного похожи на неандертальцев, поскольку имели сходный аллель гена «рыжести» (рис. 6.8).
Все прочие цветовые вариации по большей части ограничены лагерштеттами, где у окаменелостей сохраняются клеточные структуры. В данном случае микроскопические (от 200 до 900 нм) пигментные тельца – клеточные органеллы меланосомы, содержащие меланин (рис. 6.9а). Именно меланин является основным пигментом позвоночных, поскольку необходим также для защиты от ультрафиолетового излучения и активных форм кислорода. (Вторые по распространенности – красно-желто-оранжевые каротиноиды, окрашивающие шкуру и перья тех, кто, например, ест много креветок или морковки, поскольку, в отличие от меланина, они попадают в организм позвоночного только с пищей.) Поскольку меланин должен быть устойчив, очень живучи и его молекулы: они плохо растворимы даже в щелочах и кислотах и сохраняются до 300 млн лет.
По размеру меланосом можно определить, преобладали в окрасе животного черные или рыжие тона, а по их распределению – были ли, например, перья переливчатыми, как у колибри. Радужное оперение создается структурными цветами, которые возникают при преломлении и отражении лучей от полых уплощенных меланосом, уложенных правильными слоями. (Теми же оптическими законами разложения белого света при многократном отражении от разных поверхностей обусловлена переливчатая окраска насекомых, которая тоже сохраняется в «веках» – по крайней мере, на 100–120 млн лет, если преломляющие свет чешуйки или ребрышки остались на месте; рис. 6.9б.) Так, четырехкрылый микрораптор был, на наш взгляд, черен. Однако не будем забывать, что, в отличие от птиц и динозавров, мы не можем похвастаться хорошим цветовым восприятием. У нас зрение трихроматическое (мы видим красный, синий, зеленый пики световых волн и их производные), у них – тетрахроматическое (с добавлением ультрафиолетового), к тому же усиленное особыми фильтрами (масляные капли в глазах). Поэтому микрораптор в глазах его партнерши выглядел не хуже павлина, а до наших узких зрительных возможностей динозаврам и птицам «ультрафиолетово». Наличие пигментных сгущений укажет на защитную полосатую или пятнистую окраску и позволит заключить, что в меловом периоде даже многометровые, закованные в броню панцирные динозавры не чувствовали себя в безопасности (рис. 6.9в). А изучение цвета пингвиньих перьев показало, что эти птицы не сразу приобрели свои благородные черные фраки: первые пингвины, появившиеся около 60 млн лет назад, были бурыми. Почернели они оттого, что научились плавать. Как это связано? Очень просто: в черных перьях меланосомы образуют гладкие, укрепленные кератином поверхности; гладкими становятся и сами перья, что снижает лобовое сопротивление воды при стремительном движении сквозь ее толщу.
Изучая странные особенности разных внутренних органов, даже если от самих органов, казалось бы, ничего не осталось, палеонтологи заметили, что в них есть меланины, которые еще в живом организме накапливали металлы, причем разные. Получилось, что, составляя карту распределения металлов в окаменелости, можно понять, где у нее располагался кишечник, где кровеносные сосуды и даже нервная система с мозгом. Конечно, все это возможно только при изучении лагерштеттов, которых на сегодняшний день найдено немало: более 700 для отложений возрастом 600 млн лет и моложе.
Если определение прижизненного окраса вымерших животных перестало быть чем-то из ряда вон выходящим, то выяснить, как звучало время, непросто: «ископаемые звуки» исключительно редки. Например, на левом надкрылье полосатого среднеюрского кузнечика архабойлуса музыкального (Archaboilus musicus) из Внутренней Монголии сохранился «смычок» – зазубренная стридуляционная жилка. Трение «смычка» о зеркальце на правом надкрылье – прозрачную перепонку, окруженную толстой жилкой, – и производит звуки. Сделав копию древнего инструмента (благо надкрылье оказалось большим – 7,2 см длиной), палеонтологи и биоакустики воспроизвели стрекотание, звучавшее 165 млн лет назад. В современном мире этот кузнечик привлек бы внимание и сверчков противоположного пола: он использовал спектр звуков, общий для предков и тех и других.
Даже не столь хорошо сохранившиеся надкрылья насекомых, клешни раков-щелкунов, косточки слухового аппарата разных позвоночных и другие приспособления для воспроизведения и восприятия акустических сигналов позволяют воссоздать мир живых звуков в его эволюции. В триасовом периоде зазвучало стрекотание (трели выводили титаноптеры – похожие на богомолов хищные прямокрылые), в юрском – кваканье, в меловом в общий хор влились писк гекконов, кряканье птиц и пение цикад. Крякали позднемеловые «куроутки» вегависы (Vegavis) – предки и утиных, и куриных. У них появился сиринкс, или «певчее горло», – голосовой орган птиц в виде хрящевой трубки, расположенный в основании трахеи.
Еще шире возможности у палеонтологов, изучающих фауну и флору ледникового периода (плейстоценовой эпохи). Растения этого времени удается прорастить, а ДНК и древние белки, выделенные из шкур, волос и костной ткани, особенно из зубной эмали (отнюдь не из мягких тканей!), северных животных позволяют судить об удивительных особенностях гемоглобина и бурого жира мамонтов, о генетическом разнообразии их популяций, о происхождении волосатого носорога, о множественности межвидовых гибридов между различными хоботными или медведями. На всякий случай: мамонты и слоны – отдельно, пещерные и прочие медведи – отдельно. Многие тут же задаются вопросом: когда клонируют мамонта? Никогда! Удачно клонировать даже обычных современных крупных животных удается нечасто. И никто (надеюсь) не решится уничтожить все поголовье слоних ради рождения одного полудохлого мамонтенка. В пробирке ведь его не вырастить, а удачи при клонировании даже современных животных, размером с овцу и больше, можно по пальцам пересчитать. Если уж поставить такую цель, проще генетически модифицировать индийского слона. Результат обойдется дешевле, и достичь его можно быстрее. Так, группа Джека Хорнера выводит кур с разными признаками динозавров…
Невнятными отпечатками окаменелости остаются только для тех, кто не знает возможностей современной техники, не умеет видеть, а главное – думать. Теперь, вооружившись всем этим арсеналом, попробуем разобраться, кто когда появился и из кого.
Часть II
От одинокой клетки до многоклеточности
Глава 7
Китайские стены. Провинция Аньхой
Поднебесная – это наше палеонтологическое все. Многоклеточные эмбрионы, мозговитые аномалокарисы, летающие пернатые динозавры и самые разные другие ископаемые – урожденные китайцы. Причем никто за стенами сокровища не прячет: приезжай и изучай. А ведь стен здесь хватает, не считая Великой. Они опоясывают очень немаленький Нанкин, и каждый кирпич имеет клеймо производителя (прямо в стене, благо ее толщина позволяет, даже есть музей кирпичных клейм). Очень практичная была традиция: если где-то постройка обвалилась, по знакам находили производителя, чтобы больше такие кирпичи никто не делал.
На правобережной, если считать от Янцзы, части провинции Аньхой тоже есть стены, но поменьше. Огораживают они небольшие – конечно, по местным меркам – деревеньки вроде Cиди. Каждый дом в Cиди тоже прячется за каменной стеной, потому деревня и стоит на своем месте вот уже четыре с лишним века, если считать по сохранившимся постройкам. (В 2000 г. она была внесена в список Всемирного наследия ЮНЕСКО.) Сами дома – деревянные, и высокие ступенчатые каменные перегородки с черепичными коньковыми навершиями спасали их от пожаров. Если где-то загоралось, огонь не мог быстро перекинуться на соседнее строение, а два больших пруда обеспечивали воду для тушения пожаров и орошения. Чтобы старинное поселение не казалось вымершим, в нем разрешили поселиться крестьянам со своим нехитрым скарбом: цепами для обмолота вручную, мотыгами, метлами и совками для сгребания высушенного на дворе зерна, бамбуковыми термосами для прохладной воды. Все эти предметы постоянно востребованы. (Вот только одного не учли: красный стручковый перец и желтые початки кукурузы придают яркий колорит улицам и дворам, но в Древнем Китае эти культуры не выращивали.)
Если внимательно присмотреться к домам, можно найти множество интересных деталей, выполненных из дерева и камня, даже остатки росписи на бытовые темы: решетка на окне в виде бамбуковых зарослей, медальон с драконом или тигром. Еще можно попробовать местные лакомства: свежие ростки бамбука и выпечку из черного риса с похожим на безвкусный финик плодом зизифуса. Все туристы делают селфи около высокой ажурной арки, но это бетонная реплика. Настоящие каменные ворота были разобраны на строительный камень во времена «культурной революции», символы которой – тарелки с изображением вождя, так мечтавшего остаться китайским «всегда», и его же бронзовые бюстики – продают местные старьевщики. Авось хоть приезжим он еще пригодится…
Холмы, окружающие Сиди и другие исторические деревни Аньхоя, – это, как водится, хорошо замаскированное море. Причем самая глубокая его часть, где в эдиакарском и даже в кембрийском периодах не было ни рифов, ни обильной мелководной живности. Местный разрез – тоже достопримечательность, куда стремятся попасть геологи и палеонтологи всего мира, – представляет собой одну из самых полных последовательностей начала эдиакарского периода, когда в морях Земли наконец обосновались сложные многоклеточные организмы. Для удобства требовательных посетителей здесь даже была проложена дорога и вырублены ступени в скалах.
Теперь на дороге расположилась пасека, а ступени заросли бамбуком. По счастью, пчелы на пасеке правильные и не особо любопытные, а бамбук – не крапива и не ежевика: протиснуться можно. Слои лежат практически горизонтально, и поэтому низ – внизу. (Бывает и сбоку, и сверху: геологические силы об удобстве ученых не беспокоятся.) Метровый пласт, залегающий в основании разреза, более всего похож на груду строительного мусора – глина с обломками камней разной величины, расцветки и степени угловатости. Так постараться мог только ледник, который катком прошелся по суше, содрав и протащив в своей подошве все, что попалось, сполз в море и растаял. Вытаявшие обломки попадали вниз и в беспорядке застряли в донном илу. Их так и называют дропстоуны (англ. упавшие камни), а вмещающую породу – тиллиты (от шотл. till – тилль, валунная глина). Случилось это около 635 млн лет назад, когда закончилось маринойское всесветное оледенение, а с ним и криогеновый период. Выше лежат желтоватые ноздреватые доломиты, осевшие на дне во время внезапного потепления. Их тоже накопилось не более метра. А поскольку воды в океане прибавилось, да еще и эта область южнокитайской части Гондваны просела, образовался довольно глубокий (несколько сотен метров) краевой прогиб, где 630–575 млн лет назад накапливались иссиня-черные кремнистые илы, насыщенные органическом веществом. Теперь же мы видим 200-метровую толщу тонкослоистых сланцев Ланьтянь (обособленные наслоения горных пород получают имена ближайших топонимов, например округов, как в данном случае). Точнее, должны были бы видеть, но вместо них – один бамбук, очень много бамбука. На естественных фосфатно-органико-кремнистых удобрениях этой древовидной траве хорошо растется. Лишь местами проглядывают жалкие сланцевые плитки.
– А где колотить-то? – вопрошаю я у Айхуа. На сей раз – она мой проводник и чинцэй.
Вопрос закономерный. Статей и даже книг о знаменитой ланьтяньской биоте каждый год печатается множество. Еще бы: в ней встречаются остатки, напоминающие многоклеточных животных, и, учитывая ее возраст (первая половина эдиакарского периода), достаточно древних. Значит, должны быть карьеры, выдолбленные палеонтологами, которые в поисках этих окаменелостей не могли не перелопатить всю горку. Саму горку, конечно, трогать нельзя – это музей и эталон, но пласт – на то и пласт, чтобы распространяться во все стороны весьма далеко. (На знании этого незамысловатого правила зиждется нечестный способ отъема денег у дачников так называемыми лозоходцами – жуликами, которые вращают веточки или проволочки. Будучи геологической породой, грунтовые воды тоже залегают пластами, поэтому можно ткнуть пальцем в любое место: на той или иной глубине вода обязательно есть.)
– Спросим в деревне, – отвечает Айхуа, и мы идем в Цяньчунь среди полей чайной хризантемы. (В отличие от чайной розы этот мелкий пушистый цветок действительно заваривают, хотя бы для запаха, но лично мне такой суп с цветами не по вкусу.)
Цяньчунь – небольшой поселок, который я поначалу принял за военную часть: одинаковые трехэтажные белые корпуса с яркими «серпомолотами» на торцах и немного китайского колорита – черепичные крыши с керамическими золотыми рыбками на коньках. Только на широких улицах грузовые скутеры вместо танков. Находим открытую дверь, за которой обедает обычная китайская семья – двое взрослых и девочка лет десяти (результат программы по сокращению населения). Нас приглашают за стол, но мы отказываемся – времени мало. Тогда проводить нас отправляют ребенка, который не расстается с куриной ногой. «Азазелло» в беленьком платье в крупный лотос ведет нас по закоулкам деревни и почти в ее центре тыкает обглоданной лапкой в небольшой холм. За холмом прячется карьер глубиной метра три, где явно поработало не одно поколение студентов и аспирантов. Мы отпускаем проводницу, выдав ей несколько юаневых червонцев, но девочка не уходит, а наблюдает за нами любопытными глазами. Поняв, что мы разбираем тонкие черные плитки и выискиваем на них блестящие загогулины, принимается нам помогать. У нее получается не хуже.
Загогулины сантиметрового размера – это и есть знаменитые ланьтяньские многоклеточные. Одни из них похожи на мелких сплющенных червячков, другие – на полосатые равнобедренные треугольники. Еще попадаются мелкие кустики, тоже плоские (рис. 7.2). Если бы я был палеонтологом прошлого или позапрошлого века, то описал бы увиденное как червяков, медуз (есть сейчас такие сидячие конические медузки) и многоклеточные водоросли. Их и сегодня пытаются так описывать. Но, увы, если у всех ископаемых сохранность и вещественный состав одинаковые и часть из них точно водоросли, то и все остальные – не животные. Впрочем, столь древние и разнообразные многоклеточные водоросли – это все равно интересно.
За полчаса удается набрать целую стопку плиток с окаменелостями, благо они тонкие и веса чемодану не добавят. При перевозке образцов ископаемых рифов за вес приходится частенько доплачивать…
Последовательность слоев продолжается вдоль дороги, ведущей на свеженасыпанную дамбу. Скошенные складки породы, которые случайным образом рассредоточены по всей придорожной выемке, указывают на то, что здесь когда-то был подводный склон материка, вдоль которого 540 млн лет назад сползали и сминались под собственной тяжестью набухшие водою темные илы. На поверхности напластования видны даже «русла», где жидкие осадки стекали по вязким. Сланцы становятся все более кремнистыми, их обломки теперь напоминают битое стекло. Зато их можно расшлифовать и рассматривать, как стеклянные препараты (потом – в лаборатории). В этом кремнеземе скрываются похожие на мелкие бусы ископаемые, название которым ученые придумали еще 45 лет назад – палеопасцихнус (Palaeopascichnus), но объяснить, что это, не смогли до сих пор.
Еще выше – в более молодых морских отложениях – появляются губки, причем в каких-то немыслимых количествах. На поверхности любого тончайшего слоя площадью в несколько десятков квадратных метров (возможно, и больше) виден правильный крестообразный рисунок: среди крестиков побольше (сантиметровых) лежат такие же элементы поменьше и совсем маленькие (миллиметровые). Из кремневых крестиков, скрепленных органическими тяжами, когда-то состояли тонкие ажурные скелеты бокаловидных губок.
Вот и кембрий наступил…
Правда, кембрий здесь, на глубине, не задался: губки, и губки, и губки. Ланьтяньские раннеэдиакарские организмы гораздо интереснее, пусть они «всего лишь» водоросли, но они сложные, многоклеточные и разные. А значит, их корни, хотя в отношении водорослей лучше говорить «ризоиды», уходят гораздо глубже в протерозой.
Глава 8
Как различить ископаемых животных, растения и грибы по одной клетке
Клетку прокариота (бактерии или археи) отличить от таковой эукариота очень просто. Хотя бы по размеру. Редкую бактерию можно «раскормить» до того, что она будет видна невооруженным глазом – 0,08 мм. Это существо – бесцветная серная бактерия тиомаргарита намибийская (Thiomargarita namibiensis) – даже удостоилось чести быть изображенным на почтовой марке Намибии, поскольку именно у берегов этой страны открыли тиомаргариту. Проживает «серная жемчужина» (так с греческого переводится ее название) в зоне апвеллинга, где холодные глубинные воды поднимаются к самой поверхности. Из-за этого купаться там даже в январе, в разгар южнополушарного лета, не хочется, а вот ловить рыбу и собирать морепродукты можно в свое удовольствие: эти же воды выносят к поверхности массу питательных веществ, в первую очередь – растворенные фосфаты. На них и откармливаются тиомаргариты, планктонные водоросли и так далее по всем ступеням пищевой пирамиды вплоть до китов и человека. (Первый вопрос, который задает пограничник в аэропорту Виндхука – столицы этого южноафриканского государства, увидев иностранный паспорт: «Вы моряк?» По-английски вопрос звучит поэтичнее: «Are you a sailor?»)
В большинстве же бактерии, даже нитевидные, не превышают 0,004 мм в ширину и 0,5 мм в длину (некоторые спирохеты). Археи и того мельче: считаные нанометры, а то и доли нанометров («гиганты» – 0,0015 мм). Поэтому резкий скачок размерности ископаемых от средней величины 10–5 мм3 до 102 мм3, т. е. в миллион раз, случившийся в середине палеопротерозойской эры (около 2 млрд лет назад), подсказывает: вот где началось время эукариот. Можно смело проводить на этом рубеже воображаемую линию и говорить: отсюда будем отмерять фанерозой. Ведь по-гречески «фанерозой» означает «открытая жизнь», т. е. жизнь, видимая невооруженным глазом, а все мельчайшие архейские ископаемые, даже если есть надежные изотопные и молекулярные свидетельства их живой природы, невидимы.
Да и как могло быть иначе, если эукариотическая клетка должна вместить различные органеллы (своего рода органы), включая самую крупную из них – ядро (отсюда и название всех этих существ: греч. εύ – совершенно и καρυον – ядро). В ядре в виде очень длинных линейных молекул ДНК (107–1010 пар нуклеотидных оснований), входящих в состав хромосом, хранится наследственный материал. У прокариот (греч. προ – прежде), предшественников эукариот, нет ни ядра, укрытого пористой мембраной, ни каких-либо других органелл, а генетический материал сосредоточен в кольцевой молекуле ДНК – нуклеоиде. Ее иногда называют бактериальной хромосомой. Также в цитоплазме разбросаны плазмиды – маленькие двухцепочечные молекулы ДНК, необходимые для повышения приспособляемости бактерий к изменчивой окружающей среде. (К этой среде теперь относятся и наши антибиотики.)
Если у прокариот цитоплазма, в которой растворены всевозможные вещества, свободно переливается внутри клетки, то у эукариот она разделена на сектора эндоплазматической сетью. Есть у эукариот и цитоскелет: трехмерная сетка из белковых (актиновых) нитей (5–6 нм в диаметре), филаментов (10 нм) и микротрубочек (25 нм). Крупная клетка не может существовать без внутренней опоры. Органеллы, как и настоящие органы, выполняют строго определенные функции и заключены в оболочки. Некоторые из них весьма причудливой формы. Так, эндоплазматическая сеть – это единая система уплощенных мешочков, сообщающихся посредством канальцев, а аппарат Гольджи напоминает тончайшие листы, сложенные в стопки, хотя каждый такой лист – тоже сосуд. (Сосуд по-гречески – κυτοσ; от этого слова и происходят названия многих клеточных структур, таких как цитоплазма и т. п.)
Есть и другие отличия прокариотической и эукариотической клеточных конструкций, но они не столь важны для палеонтологических изысканий, поскольку, увы, совершенно не оставляют следов. Прежде чем мы вплотную займемся поиском древнейших ископаемых эукариот, необходимо отметить, что, хотя они и потомки прокариот, но очень своеобразные, как если бы общие дети родились у дерева, сидевшей на нем белки, ну и жуков-короедов в придачу…
И здесь нельзя не назвать трех выдающихся ученых, которые поняли, что эукариотическая клетка не просто подросшая и усложнившаяся бактериальная.