Ще п'ять «еволюційних» старих новин

Вернанималькуля — перша з нас
Чарльз Дарвін вважав швидке виникнення більшості типів тварин на початку кембрійського періоду (близько 570 мільйонів років тому) одним із необґрунтованих для його теорії обставин. Сьогодні «кембрійський вибух» здається не менш дивовижним. У сучасній фауні налічується 30–35 типів багатоклітинних тварин; а в кембрії, ймовірно, їх з’явилося близько 100! Після цього нові типи не виникали, а багато старих зникли.
Для більшості типів тварин характерна двостороння симетрія. Їх передній і задній кінці, а також спинна і черевна сторони влаштовані по‑різному, а ось права і ліва сторони тіла є відображенням одна одної. Задати таку полярність у ході розвитку — непроста задача. У всіх таких тварин (від плоских черв’їв до людини) визначення полярності тіла пов’язане з дією однієї й тієї ж групи генів‑перемикачів. Отже, двостороння симетрія була «винайдена» один раз! Поки механізм розвитку складного плану будови тіла не був оптимізований, виникали різні його варіанти — типи тварин. Потім розвиток більшості типів стабілізувався, але до нашого часу, після жорстких випробувань, збереглися лише кращі з кращих.
Кілька десятиліть тому в докембрійських (вендських) відкладеннях були описані різноманітні, іноді досягали десятків сантиметрів організми. Перші їх знахідки зроблені в місцевості Едіакара в Австралії, багато їх і на Білому морі в Росії. Спочатку в цих організмах хотіли побачити наших предків. На жаль, їх навіть важко вважати тваринами. Їх особливості: відсутність ротових отворів; симетрія ковзного відображення (як у блискавці); зріст без зміни пропорцій; живлення завдяки населенню їхнього тіла бактеріям. На межі венд‑кембрій їм на зміну приходять тварини нашої еволюційної групи. Вони двосторонньо‑симетричні, змінюють пропорції у міру росту, складаються з різноманітних органів і тканин, живляться через рот і, головне, надзвичайно різноманітні. Але звідки вони з’явилися?

І ось нещодавно китайські та американські палеонтологи знайшли невеликих (0,2 мм) вендських двосторонньо‑симетричних тварин, що жили 580–600 мільйонів років тому. Реконструкція такої істоти (названої Vernanimalcula — «весняна маленька тварина») і шліф однієї з її окам’янілостей показані на рисунку. Вона мала рот, внутрішні органи та порожнину тіла! Таким чином, кембрійські тварини виникли не на порожньому місці, просто їх предки були дрібними і малозначущими. Коли хімізм води став сприяти розвитку організмів з твердими покривами, збільшилася кількість розчиненого в воді кисню і зникли домінанти вендського періоду, родичі вернанималькулі почали експериментувати з планом будови тіла. Ми — наслідок одного з таких експериментів.

Про братів наших менших
Перед тим як піднятись до зірок, корисно добре подивитися собі під ноги. Зараз, коли підрахунок відомих нам зірок з планетними системами доходить до десятків, треба зрозуміти, як розпізнати ті, у яких існує життя.
Більш‑менш ясно, як слід шукати цивілізацію, що посилає радіосигнали для пошуку однодумців (або хоча б транслює поп‑музику). Однак вік Землі обчислюється мільярдами років, а радіостанціям від народження трохи більше століття, і невідомо, як довго ще вони триматимуться? Чотири п’ятих історії життя на Землі припало на час панування прокаріотичних (бактеріальних) екосистем. Бактерії поступаються нам у володінні радіотехнікою, але зато дуже переважають за різноманіттям біохімічних реакцій, які вони виконують. Результати таких реакцій мають відбиватися у складі атмосфер обитаємих планет. На щастя, склад газів у планетних оболонках піддається дистанційному вивченню (на основі аналізу спектрів поглинання та випромінювання). Наприклад, хоча людство послало на Марс чимало дослідницьких апаратів і отримало в свої руки зразки речовини Червоний планети (у вигляді марсіанських метеоритів), досі головні аргументи у спорі про існування життя на Марсі пов’язані саме з детальним вивченням складу атмосфери.
На жаль, спеціалісти з позаземного життя не дуже‑то і знають, що саме вони мають шукати. Хімізм ранньої біосфери вивчений явно недостатньо. Прагнучи заповнити цей прогал у знаннях, американське аерокосмічне агентство NASA розпочало дослідження сучасних бактеріальних екосистем у мексиканській пустелі Чіхуахуа.
Складність вивчення стародавніх екосистем полягає в тому, що в наш час їх практично не залишилося. Після того як бактерії змінили характер земної атмосфери з відновлювальної на окислювальну і накопичили достатньо органічної речовини, настала пора еукаріот (рослин, тварин і грибів). Хоча це і ранить наше самолюбство, еукаріоти — лише одна з гілок на древі прокаріот, яка вбудувалась у біосферу, створену бактеріями. Проте еукаріоти — дуже агресивна гілка: там, де вони знаходять підходящі умови, бактеріальні екосистеми руйнуються. Ці релікти існують лише там, де концентрація солей або токсинів стає нестерпною для домінуючої зараз групи (як солі кобальту у джерелах Чіхуахуа).

Для протерозою характерно утворення шаруватих порід, названих строматолитами (буквально — «каменними килимами», фото 1). У минулому столітті були відкриті сучасні екосистеми, що виробляють такі структури. Це бактеріальні плити (мати), що відкладуючи у міру росту шари мінеральних речовин у своєму підґрунті. Як видно на фото 2, зовні вони нагадують слизові комки, що обгортають тверду основу. У їх склад входять представники груп бактерій, які є значно більш далекими родичами, ніж людина і, скажімо, евкаліпт!

Для опису таких бактеріальних спільнот потрібен інший підхід, ніж для опису еукаріотичних організмів. І людина, і евкаліпт — клони нащадків однієї клітини (заплідненої яйцеклітини). У міру розвитку таких організмів їхні клітини набувають функціональної спеціалізації та відповідних особливостей будови, але в біохімічному плані функціонують практично однаково. На відміну від організму, строматолит — багатовидова система. Майже однакові за зовнішньою будовою клітини можуть мати принципово різний тип обміну речовин. Багато зі строматолитоутворювальних бактерій неможливо виростити на штучному середовищі в чашці Петрі — вони не хочуть жити поза бактеріальним матом. А їхні аналоги змінювали атмосферу ранньої Землі і можуть зараз впливати на газові оболонки інших обитаємих планет!
Навіть просте розпізнавання тих чи інших компонентів бактеріального мата — нетривіальна задача, що вимагає, наприклад, використання ДНК‑зондів, що селективно зв’язуються з генетичним апаратом шуканих бактеріальних клітин. А вивчення їх фізіології в маті, у надрізноманітному оточенні, і підвищено ускладнене: біохімічні процеси там можуть бути значно складнішими, ніж всередині цілісної екосистеми, населеної рослинами, тваринами і грибами. Ось у цій неймовірній складності й вирішило розібратися NASA.
Ну що ж, навіть якщо інопланетян не знайдуть, то хоча б розвитку мікробіології допоможуть!

Янтарне безсмертя
Кілька років тому шахтар з мексиканського штату Ч’япас знайшов шматок янтаря з вмурованою в нього жабою. Знахідка потрапила до колекціонера, а той через якийсь час дав згоду на її наукове дослідження. Тепер мексиканські біологи встановили, що вік жаби — 25 млн років. Приблизно вона жила в епоху переходу від оліґоцену до міоцену. У той час світ був зовсім іншим. Північна Америка ще не зустрілася з Південною, Африка лише починала «наїжджати» на Євразію, утворюючи Альпи, а результатом зіткнення Індії та Азії стало виникнення Гімалаїв. Землю населяли неймовірні носороги індрикотерії (найбільші наземні ссавці) і малі коні, що жили в лісах. В Африці в той час з’явилися найдавніші людиоподібні мавпи, не великі деревні жителі з коротким хвостом, подібні до єгиптопітеків. А жаби, принаймні зовні, з того часу практично не змінилися!

Проблема нерівномірності темпів еволюції досі не знайшла остаточного вирішення. Характерні для класичного дарвінізму уявлення про повільні і практично безперервні зміни значимих ознак пішли в минуле. Як сказав один з біологів, життя видів, як і життя солдат, складається з тривалих проміжків нудьги (відносної стабільності) і коротких періодів страху (швидких змін). Крім того, самі зміни різняться за своєю суттю. Ті, що пов’язані з виникненням нових планів будови (конструктивних рішень), як нищо дивно, протікають відносно швидко, тоді як стійкі та успішні варіанти шліфуються (то швидше, то повільніше) протягом тривалого часу. Еволюційний «вік» будь‑якої істоти один і той самий — від виникнення життя на Землі до наших днів. Але різні гілки дерева життя проходили через горнило еволюційних змін у різний час. Жаби ось «перековувалися» досить давно…
У природних екосистемах, особливо лісових, у вимерлих організмів майже немає шансів потрапити в геологічну летопись. Померле живе створіння поверне матеріал, з якого воно створене, у екосистемний кругообіг. Уникнути загальної долі можуть лише «щасливці», що потрапили в надзвичайне переплетення (наприклад, потрапили в деревну смолу). Знахідки хребетних у янтарі надзвичайно рідкі і, ймовірно, можуть дати багато цінної інформації. Як було б добре, якби власник янтаря дозволив просвердлити в ньому дірочку і взяти зразок ДНК стародавньої жаби! Генетична індивідуальність, збережена протягом 25 млн років, могла б розповісти дуже багато — якщо вона збереглася. На жаль, навіть дії радіаційного фону за такий термін можуть бути достатніми, щоб стерти молекулярну «пам’ять».
На протязі величезних проміжків часу всі істоти зникали безслідно або залишали після себе скромні залишки (зуби, кістки, сліди на вологій ґрунті). Десь глибоко під шаром осадових порід сховані безцінні знахідки майбутнього, які (якщо все буде добре) можуть просунути наше розуміння вперед. На жаль, це фрагментарний і обмежений ресурс. Значна частина минулого зникла без сліду…

Ми їм повинні
«Ні за що не повірю», — сказала одна гідна дама, побачивши в зоопарку жирафа. Палеонтологічна летопись зберігає сліди ще більш неймовірних створінь. Відтворити їхній вигляд, спираючись на наявні залишки, — нелегка задача, адже часто їх не з ким порівнювати. Пригадайте, як відрізняються динозаври на старих і сучасних реконструкціях. Їх просто почали порівнювати не з ящірками, а зі слонами, носорогами, жирафами та страусами! Одні з надзвичайно складних для реконструкції створінь — птерозаври, літаючі ящери. Чи справедливо їх порівнювати з птахами і кажанами?
Чим більше тварина, тим важче їй злетіти. Наприклад, крихітна тля («мішок» з крилами) летить цілком успішно, тоді як птах розміром з альбатроса (3,5 м розмаху крил, трохи більше 20 кг ваги) має повністю підкорити свою будову задачі підйому в повітря. Маленький павучок летить, випустивши в повітря павутину — спробуйте піднятись, розмотавши бухту канату! Зі збільшенням розмірів тварини площа її крил і пов’язана з поперечним перерізом м’язів м’язова сила зростає пропорційно квадрату лінійних розмірів, а вага, що залежить від об’єму тіла, — значно швидше, пропорційно кубу розмірів. Тому чим більше літаюча тварина, тим економічніше і «інженерніше» вона сконструйована.
Рекордсмен серед літаючих птахів — тераторніс, гігантський родич кондорів, що жив в Америці в неогеновий період. Розмах його крил становив 7,5 м. У птерозаврів же розмах досягав 12, а можливо, і 15 м, — це були найвдосконаліші літаючі організми.
Як реконструювати таких створінь? Наприклад, ми знаємо, що вони підтримували постійну температуру, оскільки дрібні птерозаври були покриті шерстю. А як вони розмножувалися — відкладаючи яйця, як птахи, чи народжуючи живих потомків, як кажани? До недавнього часу яйця птерозаврів були невідомі. І ось з невеликим інтервалом часу в Китаї та Аргентині нарешті знайдені яйця літаючих ящерів.
Особливо цікава аргентинська знахідка — залишки колонії незначних птерозаврів — Pterodaustro віком близько 100 млн років. Ці фантастичні створіння мали довгий вигнутий вгору дзьоб, у якому розташовувалися тисячі тонких зубів (див. рис.). На щастя, нам простіше зрозуміти спосіб життя Pterodaustro завдяки його сучасному аналогу — фламінго. Птерозаври жили на березі солоного озера і, як фламінго, харчувалися водоростями та водними безхребетними, які відціджували з води дзьобами. Отже, автори «Прогулянок з динозаврами», знятих BBC, не помилилися, реконструюючи птерозаврові базари за аналогією з сучасними пташиними.

А уявіть собі, що на Землі не виникли б люди і нікому не було б візуалізувати минуле нашої планети. Ось тоді вимерлі види зникли б остаточно…

Видатні родичі
Гігантський олень (Megaloceros giganteus) вважається одним із найвражаючих викопних. Це величезна тварина, що досягала трьох з половиною метрів у розмахі рогів, вимерла всього 8 тисяч років тому і слугувала одним із об’єктів полювання стародавньої людини. Важко знайти яскравіший приклад марнотратності статевого відбору: немає сумнівів, що розкішні роги самців, призначені для турнірних боїв і приваблення самок, значно заважали в повсякденному житті. Вимирання цього виду, ймовірно, пов’язане як з активністю наших предків, так і з поширенням густих лісів, через які власник найбільших у історії життя рогів просто не міг прорватися.

Хоча цей вид став класичним прикладом дії статевого відбору, його генеалогія залишалася до останнього часу незрозумілою. Ситуацію виправили дослідники Лондонського університетського коледжу. Вивчення отриманої з викопних залишків мітохондріальної ДНК показало, що найближчими родичами мегалоцероса є не самі олені (Cervus), а значно менші та скромніші лані (Dama dama). Ці не великі тварини протягом усього життя зберігають «дитячу» плямисту окраску. Примітно, що лані мають відносно потужний хребет, що дозволяє нести більші та важчі роги, ніж ті, що мають зараз.
Натхненні успіхом, британські дослідники хочуть уточнити родинні зв’язки знайденого минулого року в Індонезії карликового людини, Homo floresiensis. Можливо, переглянути уявлення про свою генеалогію доведеться не лише оленям.

Д. Shabanov. Vernanimalcula – perша z nas // Kompyuterrа, M., 2004. – № 24 (548). – S. 14–16
Д. Shabanov. Pro bratín nashykh menshykh // Kompyuterrа, M., 2005. – № 15 (587)
Д. Shabanov. Yantarne bezzmertia // Kompyuterrа, M., 2007. – № 8 (676)
Д. Shabanov. My im povynni // Kompyuterrа, M., 2004. – № 47 (571). – S. 16–17
Д. Shabanov. Vydatni rodyny // Kompyuterrа, M., 2005. – № 35 (607)