Палеонтология антрополога. Три эры под одной обложкой

Кембрий

541–485,4 миллиона лет назад: Планета-печка и Великая Революция

МЕЖДУНАРОДНАЯ ШКАЛА:

541 млн л.н. – терренувская эпоха: фортунский век – 529 – ярус 2 – 521 – отдел 2: ярус 3 – 514 – ярус 4 – 509 – отдел 3: ярус 5 – 504,5 – друмский век – 500,5 – гужанский век – 497 – фуронгская эпоха: паибский век – 494 – янгшанский век – 489,5 – ярус 10 – 485,4

РОССИЙСКАЯ ШКАЛА:

541 млн л.н. – немакит-далдынский век верхнего венда – 529 – ранний кембрий: томмотский век – 521 – атдабанский век – 514 – ботомский век – тойонский век – 509 – средний кембрий: амгинский век – 504,5 – майский век – 500 – аюсокканский век – 497 – сакский век – около 492 – аксайский век – около 489 – батырбайский век – 485,4

Кембрий – один из величайших периодов нашей истории. В это удивительное время появился весь наш мир, все главные группы живых существ. Строго говоря, описав кембрий, можно уже не тратить время на оставшиеся периоды, дальше были только бесконечные пересказы и вариации на тему. Единственное, чего не хватает для полноты картины – жизни на суше. Но и сейчас Земля – планета-океан, так что сухопутные экосистемы, в общем-то, являются экзотическим приложением к основным морским. А в кембрийских морях было весело; биоразнообразие даже превышало современное, так как, кроме почти всех современных типов, тогда плавали, копошились и колыхались самые фантастические создания. И чем больше исследователи изучают их, тем лучше осознают, что нам ведома лишь малая толика кембрийских чудес.

Африканская гляциоэра кончилась, Земля оттаяла, наступил кембрийский оптимум – самое жаркое время за весь фанерозой. Планета прыгнула из фазы снежка до фазы пирожка. Лавразия и Гондвана продолжали разъезжаться друг от друга и трескаться на куски. Мир радикально поменялся.

Перестройку фауны называют «кембрийским взрывом» или «кембрийской революцией». В геологической летописи это обычно действительно выглядит как волшебство: почти пустые камни докембрия сменяются изобилием кембрия. Дно морей заполоняют совершенно новые существа, большинство – с твёрдыми элементами тела: губки, моллюски, хиолиты, брахиоподы, приапулиды, онихофоры, членистоногие, щетинкочелюстные, иглокожие, полухордовые граптолиты и хордовые.

Такое преображение долгое время казалось крайне загадочным и даже использовалось креационистами как доказательство творения жизни. В настоящее время причины «кембрийского взрыва» подробно изучены и разобраны. Вырисовывается следующая картина.

В конце венда все указанные выше группы животных уже существовали, но были представлены мелкими планктонными формами, не имевшими твёрдых покровов. Дело в том, что кислорода на большой глубине всё-таки не хватало, тяжёлые существа тонули, погружались в анаэробные бездны и задыхались. Кислорода же около дна не хватало, так как на сравнительно большой глубине было темно, отчего там не жили фотосинтетики. Темно же было, так как вода была весьма мутная, поскольку гибнущие живые организмы (а мы помним, что продуктивность докембрийских морей была не меньше нынешней, тем более что в верхних слоях холодной воды ледникового периода кислорода растворялось более чем достаточно), особенно планктонные, превращались во взвесь, которая болталась в толще воды, закрывая солнце и не давая шансов придонным фотосинтетикам (неспроста некоторые исследователи считают вендобионтов анаэробными хемосинтетиками; это объясняет отсутствие у них пищеварительной системы и удивительную пассивность). В отсутствие хищников и эффективных падальщиков взвесь только накапливалась. Но появление потребителей этой органики было делом времени. Ключевым стало возникновение эффективных планктонных фильтраторов, вероятно схожих с современными рачками. По-видимому, помогло делу и потепление, из-за которого растаяли ледники, воды мирового океана опреснились, стали менее плотными, перестав держать на весу мало-мальски крупные частицы. Из-за этого планктонным существам пришлось обзаводиться всяческими отростками и лопастями для парения в воде, а побочным эффектом могло стать и появление фильтрующих органов. Фильтраторы стали отцеживать взвесь и склеивать её в пеллеты – попросту говоря, какашки. Параллельно возникновение сквозной пищеварительной системы, как уже говорилось, способствовало бодрости – возможности активно плавать, а не сидеть сиднем на дне, ускорению обмена веществ и росту потребления, а стало быть – и росту числа отходов. Пеллеты, будучи сравнительно большими – до 1 мм длиной, стали тонуть (между прочим, из них состоят многометровые толщи пеллетовых известняков по всему миру), вода стала прозрачнее, солнечные лучи начали достигать глубин, там завелись водоросли, которые обогатили придонные слои кислородом. Животные смогли жить на дне, а всем известно, что глубже дна не провалишься. Впрочем, и глубже не беда – возникли роющие твари, начавшие копать вертикальные норки, через которые кислород стал проникать в верхние слои придонного ила. Стало возможным быть крупным и тяжёлым, благо высокоэнергетичное аэробное дыхание позволяет производить твёрдые элементы тела (если задуматься, твёрдый предмет – такой, на разрушение которого надо потратить много энергии, а значит, по закону сохранения энергии, при его создании было потрачено не меньше энергии, вложенной в межмолекулярные связи).

Конечно, во всей этой цепи рассуждений есть тонкие моменты. Освободило ли эдиакаро-кембрийское вымирание вендобионтов дорогу новым существам, или появившиеся активные хищники сожрали предыдущую биоту и привели её к кризису? Байконурское оледенение или, напротив, последующее потепление с уменьшением растворимости кислорода в воде ответственно за вымирание и возникновение нового типа планктона? А может, наоборот, из-за вымирания массы продуцентов углерод стал меньше уходить в осадок, а ранее ушедший, погружаясь в зонах тектонических разломов в магму, высвобождался в атмосферу, создавая парниковый эффект и завершая африканскую гляциоэру? Где тут причина, а где следствие? Скорее всего, система работала с обратной связью, как цепная реакция, причины вызывали следствия, а те подстёгивали причины, наращивая эффект.

Кроме прочего, как ни парадоксально, одно из главных отличий поздневендской и раннекембрийской фауны заключается в том, что для венда характерны гигантские медузоиды до 30–40 см в диаметре и перистовидные колонии полипов величиной более 1 м, а в самом начале кембрия – томмотском веке – обнаруживаются лишь крошечные тварюшки, так называемая «мелкораковинная фауна».

Ещё стоит учитывать, что граница эонов не была такой уж резкой. Как ни странно, никто не знает, где лучше всего проводить линию. Лучшее этому свидетельство – расхождение российской и международной шкал: наш немакит-далдынский ярус верхнего венда болееменее соответствует «международному» фортунскому ярусу нижнего кембрия. А нижняя граница фортунского яруса определена даже не по нормальным ведущим ископаемым, а по ихнотаксону Trichophycus pedum (он же Treptichnus pedum) – окаменевшим норкам каких-то неведомых роющих животных, научившихся копать не только горизонтально, но и вертикально. Нормальные же, например, трилобиты появляются гораздо позже – в атдабанском ярусе. А вы ещё говорите: «Кембрийский взрыв, кембрийская революция»!..

В реальности все вышеуказанные события заняли огромный промежуток времени, ничто не случается мгновенно. Между надёжным исчезновением эдиакарских вендобионтов и появлением приличной фауны с узнаваемыми трилобитами и брахиоподами прошло не менее нескольких миллионов лет. Этот отрезок по длине сопоставим с теми, за которые из невнятных недоящериц возникли черепахи, из наземных копытных хищников – морские киты, из четвероногих древесных человекообразных обезьян – двуногие наземные люди.

Самые многочисленные и хорошо изученные местонахождения кембрия расположены в Якутии, отчего почти все ярусы этого периода носят якутские имена (что, конечно, не могло понравиться создателям Международной шкалы, которые часть названий заменили на китайские, а часть ярусов вообще оставили безымянными, просто пронумеровав их). Раннекембрийских отложений известно не так уж много, что печально, так как именно в это время происходило самое интересное. Наиболее информативные отложения с идеальной сохранностью фауны середины раннего кембрия – сланцы Маотяньшань в уезде Чэнцзян округа Юйси, а также Хайкоу в соседнем округе Куньмине в южнокитайской провинции Юннань с датировкой около 518 млн л. н. или несколько меньшей (конец атдабанского века; конечно, не обошлось без громких заявлений о возрасте в 560–534 или 525–520 млн л. н., но, как часто бывает с китайскими местонахождениями, позже Маотяньшань заметно помолодел), а также Сириус Пассет на крайнем севере Гренландии того же возраста. Чуть более поздние – ботомского века – Синские местонахождения в Якутии содержат отпечатки удивительно похожих организмов. Всего на несколько миллионов лет моложе, но формально уже среднекембрийского возраста одно из самых знаменитых мест – сланцы Бёрджес в Канаде с датировкой 510–505 млн л. н. (в среднем 508 млн л. н.).

Скелетные существа в Маотяньшань, Сириус Пассет и Бёрджес точно такие же, как в других среднекембрийских местонахождениях. Тем чудеснее, что «твёрдые» организмы составляют примерно одну седьмую от общего числа обнаруженных в сланцах видов, а все остальные – мягкотелые. Это показывает, насколько наши знания о древних экосистемах обрывочны. При этом в сланцах абсолютно преобладают донные формы, но почти не представлены планктонные (донных найдены десятки тысяч отпечатков, а некоторые виды свободно-плавающих животных обнаружены в единичных экземплярах), так что реальное разнообразие можно смело помножать ещё надвое.

Экосистемы кембрия по сравнению с докембрийскими имеют очевидный перекос в сторону эукариот. Конечно, строматолиты и прочие бактериальные плёнки никто не отменял – они существуют и поныне, – но «центр тяжести» определённо сместился. В частности, появляются первые фораминиферы Platysolenites antiquissimus, известные уже из немакит-далдынского века Якутии (вендского по российской шкале и раннекембрийского по международной). В последующем эти крошечные одноклеточные существа, строящие вокруг своего амебоидного тельца карбонатные раковинки, станут величайшими преобразователями планеты. Над дном морей возвысились биогермы – известковые постройки водорослей. Они всегда чётко отграничены от окружающего пространства и были своеобразными оазисами жизни.

Особой и главной группой рифостроителей кембрия стали археоциаты Archaeocyatha – особые кубкообразные существа, близкие к губкам или даже бывшие примитивными губками. Они возникли в самом начале томмотского века, то есть в начале кембрия, где ведущим ископаемым является Nochoroicyathus aunnaginick. Археоциаты чрезвычайно разнообразны – существовали маленькие и большие, одно- или двустенные, крупно- и мелкоячеистые, одиночные и колониальные, иногда они нарастали друг на друга, формируя огромные стены на дне моря. Археоциаты широко распространились почти по всему миру, они не найдены только в Скандинавии и Англии. Наибольший расцвет эти организмы получили в начале и середине кембрия, а потом стали очень редкими, хотя последние на Северном Урале дотянули, возможно, аж до лудловской эпохи позднего силура. Современные губки Petrobiona massiliana и Vaceletia crypta очень похожи на археоциат и даже рассматривались как «живые ископаемые».

Закат археоциат мог быть вызван разными причинами – конкуренцией с красными водорослями и нормальными губками, а возможно – повышением содержания магния в воде и другими гидро- и геохимическими изменениями.

Параллельно с археоциатами возникают и обычные губки Porifera (или Spongia). Судя по их многообразию в начале кембрия, появились они ещё в протерозое, а некоторые вендские микрофоссилии иногда прямо засчитываются за иглы губок. Интересно, что, судя по обрывкам генетического разнообразия современных губок, их древнейший предок мог быть более развитым, например, иметь нормальную пищеварительную систему, а в последующем заметно деградировать.

Как вы там, потомки?

Морфологически губки близки к той границе, перед которой назвать существо многоклеточным нельзя. Строение губок просто и незамысловато, ведь у них нет систем – ни двигательной, ни дыхательной, ни кровеносной, ни выделительной, ни половой, ни нервной, ни даже внятной пищеварительной; нет даже тканей в полном смысле этого слова; обмен веществ прост, как кирпич. С другой стороны, это обеспечивает живучесть: губки отлично почкуются. Антарктическая губка Scolymastra joubini способна жить до 5 – 15 тысяч лет, а Monorhaphis chuni – до 18 тысяч!

Конечно, самые показательные эксперименты в смысле поиска грани одно- и многоклеточности, когда губок протиранием через полотно разделяли на отдельные клетки, а потом эти клетки складывали в кучку. Они, оклемавшись, выпускали ложноножки и начинали сползаться обратно: уже через четыре часа во вполне плотную компанию, через три дня в решётчатый каркас, а через недельку – в полноценный организм. Жидкометаллический терминатор, собирающийся из капелек, не так уж оригинален. Более того, если смешать клетки некоторых губок (а для прикола можно их ещё покрасить в разный цвет), то они не перепутаются, а правильно распределятся по своим индивидам. Всё это доказывает, что, с одной стороны, клетки губок способны к самостоятельной жизни, а с другой – всё-таки стремятся жить единым организмом.

Специализация клеток достаточно велика, чтобы не считать губок колониальными существами, а самое главное – не все клетки могут превращаться в половые, а только археоциты. Впрочем, губки компенсируют это тем, что отдельные особи таки склонны собираться в колонии; более того, одиночные скорее представляют исключение.

Узнаваемая особенность губок – хоаноциты – клетки со жгутиком, создающие ток воды во внутренней полости. Существовала даже концепция происхождения нервных клеток нейронов из хоаноцитов, хотя при проверке она не подтвердилась. Амёбоциты активно двигаются по телу губок с помощью ложноножек. Есть и другие специфические варианты клеток.

Фишка губок – наличие в теле спикул – твёрдых элементов самой разной формы, образуемых клетками склероцитами. Форма спикул крайне специфична, а потому удобна для стратиграфии. Спикулы бывают сделаны из кальцита, диоксида кремния или органического рогового вещества. Соединены они непрочно, так что губки практически никогда не сохраняются в целом виде, а лишь в виде изолированных спикул. Тело между спикулами пронизано каналами и иногда полостями, благодаря чему губки во все времена использовались как, собственно, губки. Специфический вариант их использования – косметический: если натереть щёчки растёртой пресноводной губкой бадягой Spongilla, то спикулы вызывают капиллярное кровотечение, и личико розовеет. В прошлом этим злоупотребляли всяческие актёры, откуда и пошло выражение «разводить бодягу» – процесс размочаливания губки был довольно задумчивым.

Морфологически более совершенны, но в целом тоже крайне примитивны кишечнополостные Radiata (или Coelenterata). В кембрии известны оба их современных типа: гребневики Ctenophora и собственно кишечнополостные, или стрекающие Cnidaria. Вероятно, к гребневикам относится довольно большая группа Anabaritidae, включая древнейшего Anabarites trisulcatus и чуть позже появившегося Selindeochrea tripartita из немакит-далдынского века Якутии. В сланцах Маотяньшань обнаружены отличные отпечатки гребневиков Maotianoascus octonarius, стрекающих Xianguangia sinica, Archotuba conoidalis и многих других, в Бёрджес – двадцатисантиметровых морских перьев Thaumaptilon walcotti, причём последние до боли похожи на эдиакарских Charnia, хотя имеют не скользящую, а нормальную симметрию. Вытянутые отпечатки Mackenzia costalis из Бёрджеса не имеют внятных деталей, но ясно, что одним концом они крепились ко дну, а на другом был круглый рот. Скорее всего, маккензия была бесщупальцевой актинией, но некоторым исследователям хочется видеть в ней реликта эдиакарских вендобионтов.

Как вы там, потомки?

Гребневики – странные создания, по многим параметрам совершенно особенные. С одной стороны, они крайне примитивны (генетики даже высчитывают, что они примитивнее губок, но игнорировать морфологию тоже глупо), с другой – имеют крайне специфические черты, например, восемь мерцающих гребных рядов ресничек, светящиеся клетки фотоциты, два длинных щупальца с клейкими клетками коллобластами, частично сквозную пищеварительную систему и, самое удивительное, нервную систему, возникшую независимо от всех других многоклеточных.

Стрекающие пошли другим путём: они довели до идеала радиальную симметрию, обзавелись стрекательными клетками, многие стали колониальными. Правда в кембрии кишечнополостные ещё не строили рифов, уступая эту роль археоциатам и водорослям. Предки кораллов – Cambrophyllum, Вija и Protoaulopora – появились уже в раннем и среднем кембрии, но главной роли в экосистемах не играли.

Как вы там, потомки?

Стрекающие – образец примитивнейшего многоклеточного существа, уже обладающего тканями и хоть какими-то системами. Тело стрекающих состоит из двух слоёв клеток, между которыми находится полужидкая мезоглея. Тело втянуто само в себя, так что, как уже говорилось, кишечнополостные представляют собой взрослую гаструлу со ртом, обычно окружённым щупальцами. Полость одновременно и пищеварительная, и может использоваться для реактивного движения. Замечательно существование нервных клеток, образующих нервную сеть, которая даёт возможность реагировать на происходящее вокруг двумя основными способами: если к телу прикасается что-то маленькое, его надо срочно обстрекать стрекательными клетками и запихать в рот, если же рядом обнаружился кто-то очень большой, надо срочно сжаться в комочек и прикинуться ветошью. Органы передвижения и чувств крайне неразвиты, что, кстати, вызывает необходимость быть жутко ядовитым: ведь если отравленная добыча отплывёт-отползёт хоть на несколько сантиметров, её будет невозможно найти, так что убивать надо мгновенно; кстати, и мягкое тело самого кишечнополостного уязвимо для предсмертной агонии жертвы, так что лучше, чтобы та даже не трепыхнулась. Впрочем, некоторые гидромедузы имеют на щупальцах простейшие глазки, а иногда даже с подобием хрусталика.

Двигательная система несовершенна – движения обеспечиваются миоэпителием, а он слаб – компенсируется отличным чувством равновесия. Статоцисты устроены просто, но чрезвычайно надёжно, как будто их проектировал советский инженер: пузырёк с камушком-статолитом внутри, который, перекатываясь, задевает волоски чувствительных клеток. Благодаря этому медузы чутко улавливают усиление колебания волн и отлично предсказывают погоду: им это строго необходимо, ведь быстро уплыть от шторма они не могут, надо озаботиться спасением намного заранее. Эта способность у медуз развита лучше, чем у профессиональных синоптиков. Если рыбаки видят, что медузы у берега пропали – жди бури, надо или отплывать подальше в море, или вытягивать лодки подальше от берега. С другой стороны, если на берегу обнаруживается много выброшенных волнами медуз – это крайне странно, такие случаи достойны особого изучения.

Стрекающие могут размножаться почкованием и обычно так и делают, но у них есть и половое размножение, причём половая и бесполая стадии обычно чередуются в виде плавающих медуз и сидячих полипов, соответственно.

Среди стрекающих есть свои рекордсмены: медуза Cyanea capillata может иметь диаметр купола до 2,3 м, а длину щупалец – аж до 36,5 м! Коралл Colpophyllia natans живёт до 300 лет, Leiopathes glaberrima – 4265 лет, а медуза Turritopsis nutricula и вовсе бессмертна. Всем известно, что кораллы могут заниматься терраформингом, создавая острова-атоллы в океане. Среди стрекающих широко распространена колониальность, доходящая до того, что у кораллов платигир Platygyra несколько соседних полипов могут иметь общие щупальца, а у лобофиллий Lobophyllia и мозговиков Diploria может быть один рот на множество индивидов. Самые же замечательные – сифонофоры, например, португальские кораблики Physalia physalis. Внешне они похожи на медуз, но в реальности составлены из огромного количества особей со своими специализациями: есть большой красивый пузырь пневматофор, держащий всю колонию на плаву, есть питающие полипы гастрозоиды, есть плавательные нектофоры, отрывающиеся и разносящие по волнам полипы гонодендры с гроздьями медузоидов гонофоров, размножающихся половым путём. Таким образом, стрекающие, с одной стороны, очень примитивные многоклеточные, а с другой – некоторые шагнули на уровень дальше большинства, став сообществом не только клеток, но и индивидов.

В конце раннего и среднем кембрии появляются все главные типы современных билатеральных животных. Замечательно, что в строении кембрийских существ признаки современных типов часто перемешаны в странных сочетаниях. Даже при идеальной сохранности отпечатков мягких тканей и внутренних органов бывает очень трудно понять, к какой группе относится зверь. Очевидно, дело в том, что эволюционные линии разошлись ещё недостаточно и большие различия к этому времени не успели накопиться, а признаки общих предков явственно сквозят. В принципе, наследие этой ситуации видно и до сих пор: не всегда самые похожие существа – самые родственные.

Маленькая тонкость

Согласно комплексу исследований, современные беспозвоночные первичноротые животные делятся на две основные группы – спиральные Spiralia (они же Lophotrochozoa) и линяющие Ecdysozoa.