3. ПЕРВЫЙ ШАГ СДЕЛАН

ОКАМЕНЕВШИЕ ЗАПИСИ РАННЕЙ ЭВОЛЮЦИИ

Криптозойский эон очень беден остатками организмов, но открытия последних лет свидетельствуют о постепенном нарастании разнообразия. Сведения о начальных 1-1,5 млрд. лет истории Земли чрезвычайно скудны. Причина этого не только в том, что породы образовались на самом раннем этапе истории планеты, когда развивались лишь зародыши жизни - пробионты. Летопись не ясна и из-за глубокого метаморфизма пород, который уничтожил следы первых живых существ. Поэтому трудно определить и достаточно обоснованно охарактеризовать переход от химической эволюции к биологической. Вероятнее всего, этот переход совершился около 3,5 млрд. лет назад. Об этом свидетельствуют находки окаменевших микроорганизмов в ранних криптозойских (архейских) породах возрастом 3,5-3,8 млрд. лет. Находки первых молекулярных окаменелостей могут помочь объяснению этого знаменательного перехода и особенностей жизни в его начале. Как отмечает Рутен, среди древнейших окаменелостей встречаются молекулы щелочного изопренового ряда (фитан и пристан), которые, вероятно, представляют фрагменты молекулы хлорофилла. Это позволяет предположить, что процесс фотосинтеза начался еще на самых ранних стадиях развития жизни.

Какие палеонтологические данные имеются о периоде ранней эволюции?

Древнейшие, отчасти проблематичные окаменелости были обнаружены несколько лет назад в Гренландии в кварцитах возрастом 3,8 млрд. лет. При микроскопическом исследовании препаратов из этих кварцитов западногерманские ученые обнаружили мелкие круглые или овально-удлиненные тельца, содержащие углеродные соединения. Тельца имели фрагменты капсулы, вероятно остатки внешней оболочки, характерной для микроорганизмов. Но неужели возможно, чтобы древние биологические макромолекулы сохранились в породе миллиарды лет? Это возможно по следующим причинам: некогда, как это происходит и сегодня, многие одноклеточные организмы становились зародышем образования мелких шариков (конкреций) кремнистого вещества. Позже эти кремнистые шарики увеличиваются, кристаллизуются и превращаются в прочные герметичные «ковчеги». Поэтому все древнейшие окаменевшие микроорганизмы обнаруживаются в кремнистых породах. Среди сотен одноклеточных организмов, погребенных в кварцитах, обнаруживаются такие, которые находятся в стадии деления. В те далекие времена, как и сегодня, разделению на материнскую и дочернюю клетки предшествовало образование двойной перегородки. Находки в гренландских кварцитах являются настолько древними проблематичными микроорганизмами, что позволяют возродить споры вокруг гипотезы космического посева. Как отмечалось ранее, проблема возникновения жизни не становится яснее, если перенести появление первых организмов в далекий космос. Все научные данные подтверждают правоту Дж. Бернала, что «...нам необходимо рассматривать возникновение жизни в пределах Солнечной системы в целом, а не исключительно на Земле. Однако именно на Земле мы можем изучить эволюцию жизни, особенно ее поздние стадии». В ряде замечательных работ, и особенно в классической работе М. Келвина о химической эволюции, показано постепенное усложнение углеродных соединений на первичной Земле и появление первых молекулярных ископаемых.

Кроме гренландских находок, являющихся проблематичными, древнейшие достоверные окаменевшие микроорганизмы обнаружены в Южной Африке, в так называемой системе Свазиленд возрастом 3,0-3,5 млрд. лет.

Система Свазиленд имеет мощность несколько тысяч метров и подразделяется на две серии: нижнюю - Онвервахт и верхнюю - Фиг-Три. Серия Онвервахт преимущественно вулканогенная и вулканогенно-осадочная, в ее породах обнаружены как молекулярные ископаемые, так и истинные окаменевшие микроорганизмы. Особый интерес представляет обнаружение такого характерного полимера, как спорополенин, который входит в состав древних и современных микроорганизмов, а также мелких телец, вероятно, бактериального происхождения. Возраст пород - около 3,5 млрд. лет. Изотопные соотношения ¹²С/¹³С позволяют допустить, что в период 3,8-3,5 млрд. лет назад уже появились первые фотосинтезируюшие аутотрофные организмы, которые вместе с древними гетеротрофными пробионтами жили в атмосфере, почти полностью лишенной свободного кислорода.

Биогенные образования (стро-матолиты) в докембрийской серии Доломит, Южная Африка (по Рутен, 1973)

Среди осадочных пород вышележащей серии Фиг-Три (черные глинистые сланцы и кремнистые породы) обнаружены первые наиболее четкие остатки микрофоссилий с двухслойной клеточной оболочкой, подобной клеточной оболочке многих современных бактерий. Нитевидные представители этих древних микроорганизмов были названы Eobacteriumisolatum (длиной 0,7 мк), а сфероидальные, названные Archaeosphaeroidesbarbertonensis (диаметром 17-20 мк), отнесены к сине-зеленым водорослям (цианеям). По данным рубидиево-стронциевого метода возраст серии Фиг-Три более 3,1 млрд. лет.

В Зимбабве (область Булавайо) обнаружены древ-нейшие биогенные осадочные породы - строматолиты, представленные слоистыми известняками серии Доломит. Строматолиты представляют собой продукт жизнедеятельности сине-зеленых водорослей и бактерий. Возраст этих биогенных образований более 2,7 млрд. лет, вероятно 2,9 - 3,0 млрд. лет.

В сланцах железорудных формаций Соуден (Северная Америка) и Витватерс-ранд (Южная Африка) обнаружены довольно разнообразные окаменелости, представленные одноклеточными организмами со сложной внутренней структурой. Возраст этих формаций - около 2,7 млрд. лет. Породы знаменитого золото-уранового бассейна Витватерсранд переполнены бактериями и одноклеточными водорослями, которые были способны образовывать колонии клеток. Вероятно, характерная «углеродная субстанция» пород данного бассейна образовалась за счет этих древних организмов вследствие радиогенной полимеризации первично биогенных углеводородов.

В это же время, в начале протерозоя усиливается жизнедеятельность так называемых ферробактерий, в результате которой образуются крупные железорудные месторождения в СССР (Кривой Рог), Канаде, Австралии, Африке и др.

В черных кремнистых породах формации Ганфлинт (Онтарио, Канада) обнаружены хорошо сохранившиеся остатки представителей различных групп растений: от округлых одиночных одноклеточных форм до сложных расчлененных образований. Они представляют собой настоящие скопления водорослей, которые позже были пропитаны кремнистым веществом. Морфологическое разнообразие достаточно велико: среди них выделено 8 родов и 12 видов древних микроорганизмов. Широко представлены цианеи, бактерии и, по-видимому, первые губки (мицеталии). Возраст формации Ганфлинт - около 2 млрд. лет.

Видный советский ученый академик Б. С. Соколов подчеркивает, что уже в раннем архее происходило параллельное развитие сине-зеленых водорослей и бактерий. Эти организмы (вероятно, не связанные общим происхождением от одного ствола) не имели обособленного ядра (прокариоты), но обладали развитой системой обмена веществ, способностью к размножению и примитивным аппаратом фотосинтеза. Появление последнего открыло один из путей, вероятно, специфически земной, образования свободного кислорода. Однако энергетика этих примитивных организмов была основана на медленно протекавших процессах ферментации, так что освобожденный кислород быстро поглощался при неорганических окислительных реакциях. 2,8 - 3,0 млрд. лет назад появляются и первые колониальные водоросли. Конечно, уникально сохранившиеся остатки окаменевших водорослей встречаются не часто, однако известны многие находки в Африке, Канаде, Австралии и Советском Союзе.

Если иметь в виду, что семь восьмых геологической истории Земли занимает криптозойский (докембрийский) эон, то понятно быстрое развитие в последние годы палеонтологии того далекого времени, когда сама жизнь еще оставалась большой проблемой.

В XVIII в. во Франции часто рассказывали о чуде Дени, который после казни прошел 9 км, неся голову в руках. Маркиза Дю Дефан в ответ на учтивый упрек Даламбера, что она позволяет в своем знаменитом салоне рассказывать небылицы, написала известному математику и философу: «Расстояние не имеет значения. Важен первый шаг». Эволюция удивляет нас своими изящными и волнующими «решениями», потому что это реальность, а не миф. И при органической эволюции также самым важным был первый шаг. Его фундаментальное значение в том, что появились первые примитивные организмы, способные к дальнейшей эволюции. Их жизненная активность обеспечивалась автономными биоэнергетическими механизмами. Сине-зеленые водоросли и бактерии быстро распространялись и к концу архея (2,6-2,7 млрд. лет назад) стали хозяевами планеты.

Многие авторы отмечают, что эти древние водоросли весьма похожи на современные. Например, в породах верхнего докембрия (возрастом около 1 млрд. лет) встречаются водоросли, которые трудно отличить от современных. По этой причине некоторые делают вывод о консервативном характере древних водорослей, которые не развивались во времени. Это не соответствует истине. В эволюции сине-зеленых водорослей изменялись размеры клеток, длина и толщина нитей, изменялась морфология. Но эта эволюция осуществлялась в течение очень длительного времени - около 3,5 млрд. лет. К концу протерозоя, т. е. 1 млрд. лет назад, сине-зеленые водоросли достигают своего расцвета. Потом начинается их закат, что, вероятно, было связано с появлением эукариотов (одноклеточных с ядром), а также с возникновением в мире организмов полового размножения.

Этапы эволюции сине-зеленых водорослей все еще изучаются, но уже определенно установлена их связь с образованием таких биогенных построек, как строматолиты. Благодаря исследованиям советских ученых (Р. Бутина, В. Соколова, И. Крылова и др.) установлено, что в докембрийских комплексах на различных уровнях встречаются различные по структуре и морфологии строматолиты, которые не повторяются в разрезе. Следовательно, по характерному облику строматолитов можно определять возраст содержащих их комплексов пород. Эти выводы, сделанные при исследованиях в Карелии, на Урале и в Сибири, были подтверждены исследованиями в Канаде, Австралии и Африке, где распространены древние комплексы.

В начале позднего протерозоя (рифея) возрастает породообразующая роль водорослей. Повсеместно карбонатные породы этой системы содержат строматолиты. Установлено, что микроорганизмы, которые образуют строматолиты, представлены прокариотами: однообразными цианофитами, одноклеточными сферическими формами и целым рядом бактерий.

Рифей с точки зрения эволюции имеет особое значение. На рубеже раннего и среднего рифея (около 1,35 млрд. лет назад) появляются первые микроорганизмы, имеющие ядро - эукариоты. В доломитах Биг-Спринг (Калифорния) обнаружены одноклеточные эукариотные зеленые водоросли возрастом 1,3 млрд. лет.

В серии Белт (США) найдены остатки сине-зеленых водорослей и губок возрастом 1,1 млрд. лет.

С точки зрения биохимии особенно интересны находки биогенных молекул, производных хлорофилла, в глинистых сланцах формации Нонсач (США), возраст которых около 1 млрд. лет. Это убедительное доказательство активного фотосинтеза, существовавшего 1 млрд. лет назад.

Исключительный интерес представляет обнаружение Дж. Шопфом (1968) позднерифейских микроорганизмов в формации Биттер-Спрингс (Центральная Австралия). Там присутствуют сине-зеленые водоросли, сфероидальные примитивные зеленые водоросли, вероятно, красные водоросли, бактерии и губки. Возраст 0,8 - 0,9 млрд. лет. Эта исключительно богатая ископаемая микрофлора позволила достаточно обоснованно восстановить характер клеточного деления древних организмов. Было установлено наличие у них не только простого клеточного деления, но также митоза и даже мейоза, характерных для половых клеток. Дж. Шопф и другие справедливо отмечают, что возникновение процесса полового размножения у эукариот - значительный скачок в эволюции.

Отпечаток медузы из Эдиакары, Австралия		Следы кольчатых червей из Эдиа-кары, Австралия

Б. С. Соколов на материалах Сибирской и Русской платформ приводит новые яркие примеры коренных цитогенетических измен-ений, происходивших у эукариот-ных организмов в позднем рифее (1,0 - 0,7 млрд. лет назад). Отме-чается четкая последовательность в появлении определенного типа кле-точного размножения.

Большой интерес представляют находки богатых комплексов одно-клеточных и многоклеточных жи-вотных, сделанные в Эдиакаре (Австралия) и в отложениях того же возраста на Русской и Сибирской платформах. На них мы остановимся позже.

Краткий обзор находок ископаемых остатков древних микроорганизмов позволяет высказать надежду, что расширение исследований постепенно будет дополнять картину жизни на ранних этапах ее эволюции. Пока же хронология того далекого времени очерчена лишь схематично.

Реконструкция докембрийской фауны из Эдиакары, Ав­стралия (по Глесснеру и Уэйду из работы Рутен, 1973). Показаны следующие животные: кишечнополостные (1-10), кольчатые черви (11-14), членистоногие (15, 16), другие организмы (17,18)