“ЗНАНИЕ – СИЛА” № 6  2001

 

 

Одна из загадок палеонтологии - “внезапное” появление большинства типов животных в кембрийском периоде. Откуда взялось это буйство жизни? Что было до этого? Оказывается, “кембрийская попытка” была не единственной. Ей предшествовали менее удачные варианты “акта творения”, породившие к жизни пышную, но бесследно исчезнувшую фауну. Об этом в своей статье рассказывает сотрудник Палеонтологического института РАН Кирилл Еськов. Содержание статьи основано лишь на одной из глав недавно увидевшей свет книги К. Еськова “История Земли и жизни на ней”. Эта книга выгодно отличается тем, что посвящена не палеонтологии в узком смысле, а описывает эволюцию всей биосферы. Другое преимущество книги — широта и современность представлений. Первоначально может возникнуть предубеждение:

на обложке написано: “Учебное пособие для старших классов”. Ну какой может быть книга, адресованная школьникам? Однако, начав читать, понимаешь: книга скорее предназначена для настоящих мудрецов. Она интересна и полна образных сравнений. И помогает избавиться от “школярских” представлений, ответив на многие вопросы, не решенные при скупом знакомстве с палеонтологией в университете. Впрочем, сам автор считает, что это все-таки учебник, который заинтересует (и уже заинтересовал) школьную молодежь. Так же полагает и учитель Андрей Прокудин, мнение которого мы публикуем вместе со статьей.

Андрей Прокудин

Полемические заметки по поводу полемической книги

Книга Кирилла Еськова подкупила меня цитатой, приведенной в “Автор­ском предуведомлении”. Цитата заставила книгу купить и просмотреть, а про­смотр вынудил прочесть. В результате пришлось сделать два десятка закладок, которые отмечают места, показавшиеся мне неясными, спорными или невер­ными. Позволю себе привести цитату, которая теперь, видимо, навсегда вошла в мой арсенал:

- Глубокоуважаемые коллеги! Я категорически настаиваю на том, что Земля круглая. (Легкий шум в зале.) Я настаиваю также на том, что Земля вертится, а ось ее вращения наклонена относительно плоскости эклиптики. Из этих трех обстоятельств следует, как вам должно быть известно из курса географии для шестого класса средней школы, существование экваториально-полярного тем­пературного градиента, западного переноса в атмосфере и смены времен года. (Шум в зале сменяется полной тишиной.) Так вот, обращаю ваше внимание на то, что в подавляющем большинстве из представленных здесь палеоклиматических реконструкций нарушается по меньшей мере одно из этих исходных условий.

От того, что прописные истины постоянно повторяются, они не теряют сво­ей актуальности. С тем, что, например, школьный предмет “биология” отлича­ется от биологической науки, согласны, наверное, все. Однако не всем ясно, что из этого вытекает для практикующего учителя средней школы.

Подобно тому как существуют “образцово-показательные” естественные науки (в каждой науке столько истины, сколько в ней математики), так сущест­вуют и показательные школьные предметы: математика и русский язык -остальные должны подражать им, стремясь приблизиться к идеалу

Что же мешает довести до совершенства преподавание биологии? Русский язык и математика ставят своей целью прежде всего выработать у учащегося на­выки. Эти предметы построены на бесконечном повторении одних и тех же тем, что в идеале приводит к почти полному автоматизму Если вы изучили в на­чальной школе четыре основных действия, то до самого выпускного звонка они остаются с вами. Получение новых знаний никогда не отменяет предыдущие, а лишь дополняет, уточняет и достраивает их: “предметы для навыков” остаются на прочной базе.

В биологии такое надежное построение оказывается просто невозможным:

каждый век не только получал новые сведения о природе, но и отменял многие представления о ней века предыдущего. Что особенно важно, эти изменения затрагивают и те части биологии, которые рассматриваются в школьном курсе. Попробуйте прочесть не только Дарвина или Ламарка, а даже довоенную кни­гу - и соотнести их с представлениями молекулярной биологии и генетики. Последние десятилетия внесли путаницу даже в основные понятия. Невозможно, например, понять, что происходит в систематике, хотя бы на какие царства надо делить живую природу? (Разброс - от четырех до тридцати, а как было хорошо в XIX веке - только два царства: животные и растения!      

Образование среднего школьного возраста традиционно ориентируется на среднего (никакого) ученика. В процессе преподавания для этого возраста обычно легко удается возводить здания противоречащих друг другу теорий, и это происходит незаметно для абсолютного большинства учащихся. Люди этого возраста редко нуждаются в сложных объяснениях, их больше интересуют факты, которыми так изобилует описательная биология.

В старшем школьном возрасте, особенно если приходится работать с силь­ными отборными классами, приходится постоянно учитывать, что противоре­чия обнаружат себя и будут извлечены из-под груды рассуждении. Тогда, может быть, и не надо брать на себя неблагодарную задачу и пытаться доказать, что Вернадский и Опарин были единомышленниками? В конце концов, сейчас наша школа вроде бы освобождена от необходимости обосновывать всеми средствами верность единственно правильного мировоззрения.

Что может предложить юношеству человек, преподающий основы профессии, которая не может принести ни славы, ни благосостояния? Драму идей. Давайте честно признаемся себе и другим, что мы не владеем универсальной отмычкой ко всем тайнам Природы. Зато всю жизнь можно с огромным удовольствием и неиссякаемым интересом искать и находить смысл там, где большинство его не обнаруживает. Не случайно одна из самых обсуждаемых сейчас гипотез о зарождении жизни в пленках органического вещества на поверхности кристаллов пирита принадлежит не биологу, а юристу.

Конечно, среди подростков (как и среди взрослых) много людей, которые требуют от школьного курса твердых, надежных и неизменных знаний. Но ведь есть и другие. А если, как в нашей школе, они составляют заметную часть, то и преподавание становится достаточно увлекательным занятием и превращается в постоянный общий поиск истины. Кому нужны книги, подобные книге Еськова? Нам. В нашей школе она появилась у всех биологов (и породила немало споров в лаборантской на переменах), а также у части учащихся старших классов (не обязательно собирающихся идти в биологию). Вот лучшая рецен­зия, услышанная об этой книге из уст ученика: “Вместо того чтобы писать реферат по одной главе, я зачитался и прочел книгу до конца”.

Кризис в академической науке привел к тому, что многие исследователи были вынуждены прийти работать в школу В результате мы получили нетради­ционные учебные курсы, которые коллеги могут использовать в своей работе.

 

Кирилл Еськов

Черновики Господа Бога

В длинном ряду научных заслуг Чарльза Дарвина есть и такая: в опубликованном в 1859 году “Происхож­дении видов” им был честно и четко сформулирован ряд вопросов, на ко­торые его теория не давала удовлетворительного ответа (при тогдашнем уровне знаний).

Одним из самых серьезных вопро­сов основатель эволюционной теории считал “загадку кембрия”. Известно, что в кембрийских отложениях практически одновременно появляются ископаемые представители почти всех основных подразделений животного царства. По идее, их появление долж­но было предваряться длительным пе­риодом эволюции, однако реальные следы этого процесса почему-то от­сутствуют: в предшествующих кембрию (докембрийских) слоях ископае­мых остатков нет. Никаких. Ну чем тебе не “акт творения”?

На протяжении почти ста лет пос­ле публикации “Происхождения ви­дов” ясности в этом вопросе практи­чески не прибавлялось. В целом докембрий действительно оставался “Темными веками” палеонтологиче­ской истории, откуда практически не было “письменных источников”. Все представления об этом периоде (а это как-никак семь восьмых времени су­ществования нашей планеты!) пред­ставляли собой домыслы, проверка которых казалась невозможной.

Ситуация изменилась лишь в пос­ледние десятилетия: в изучении докембрийских ископаемых произошла настоящая революция, интересней­шие результаты которой (как уж во­дится!) остаются практически не из­вестными широкой публике. Частич­но закрасить это “белое пятно” и при­звана настоящая статья.

Идиллия “эдиакарского сада”

В 1947 году в местечке Эдиакара, в Южной Австралии, было сделано од­но из самых замечательных открытий за всю историю палеонтологии. Ока­залось, что в конце докембрия — вендском периоде (620-600 миллио­нов лет назад) существовала богатая фауна удивительных бесскелетных организмов, она получила название эдиакарской. Таким образом, период

достоверного существования на Земле многоклеточных животных удлинил­ся почти на 100 миллионов лет. В дальнейшем эдиакарскую фауну на­шли еще в нескольких районах мира (Намибия, Ньюфаундленд, Белое мо­ре); более того, выяснилось, что этих существ неоднократно находили и ра­нее (например, на Украине в 1916 го­ду), однако принимали за неоргани­ческие остатки.

Чем же примечательна эта фауна? Все многочисленные группы многоклеточных, появившиеся в начале кембрия, были представлены мелки­ми организмами (миллиметры или первые сантиметры), эдиакарская фа­уна состояла из крупных или очень крупных беспозвоночных размером до полутора метров. Среди них были как радиально-симметричные фор­мы, называемые “медузоидами”, так и двусторонне-симметричные; одни из них (петалонамы) внешне напомина­ют современные кораллы “морские перья”, другие (как дикинсония и сприггина) — кольчатых червей и чле­нистоногих. Первые исследователи эдиакарской фауны считали эти фор­мы реальными предками современ­ных кишечнополостных и червей и включали их в состав соответствую­щих типов и классов животных. Эта точка зрения имеет сторонников и поныне (“австралийская школа”). Од­нако большинство исследователей считают, что сходство тут чисто внеш­нее, и эдиакарские организмы (их на­звали вендобионтами) представляют собой нечто совершенно особенное и не связанное сколько-нибудь прямым родством с современными группами животных.

Прежде всего, вендобионты имеют отличный от привычных нам фанерозойских животных план строения. Почти у всех двусторонне-симметричных вендских организмов эта са­мая симметрия несколько нарушена;

у “членистых” форм правые и левые половинки “сегментов” смещены друг относительно друга, примерно так, как в застегнутой молнии или на автомобильном протекторе-елочке. Эту асимметрию принято было приписывать деформациям тел в процессе за­хоронения, пока М.А. Федонкин не обратил внимание на то, что наруше­ния подозрительно регулярны и еди­нообразны. Он доказал, что для вендобионтов характерен особый план строения, который математики назы­вают симметрией скользящего отра­жения; среди многоклеточных же жи­вотных этот тип симметрии встреча­ется крайне редко.

С другой стороны, Б. Раннегар ус­тановил, что у вендобионтов увеличе­ние размеров тела в ходе индивиду­ального развития организма достига­ется за счет изометрического роста, когда все пропорции тела остаются

неизменными (как при простом уве­личении изображения предмета). Между тем все известные многокле­точные, включая самых примитив­ных, таких как кишечнополостные и черви, обладают не изометрическим, а аллометрическим ростом с законо­мерной сменой пропорций тела (на­пример, у человека в ряду “зародыш — ребенок — взрослый” абсолютный размер головы увеличивается, тогда как относительный уменьшается).

Против отнесения эдиакарских организмов к современным таксонам животных есть возражения и более ча­стного характера. Под давлением этих аргументов сторонники прямого родства между эдиакарскими и фанерозойскими животными “сдавали” вендобионтов по одному (“Да, похо­же, что сприггина — все-таки не на­стоящее членистоногое...”), и это продолжалось до тех пор, пока А. Зейлахер (именно ему, кстати, и принад­лежит сам термин “вендобионты”) не предложил принципиально иное ре­шение этой проблемы. Суммировав особенности вендских животных, он привел и общую для них черту: они представляют собой различные вари­анты широкой ленты со вздутиями. Этот тип организации (Зейлахер на­звал его “стеганое одеяло”) совершен­но отличен от всех ныне существую­щих. Судя по всему, такой план стро­ения — это особый путь к достиже­нию больших размеров тела именно бесскелетными формами.

Зейлахер полагает, что форма тела вендобионтов (“стеганое одеяло”) с ее очень высоким отношением поверх­ности к объему позволяла им погло­щать из воды кислород и метаболиты всей поверхностью тела. Действи­тельно, у самых крупных эдиакарских организмов нет ни рта, ни даже подо­бия пищеварительной системы. Пи­таясь через поверхность тела (такой способ питания называют “осмотрофным”), эти существа не нуждались во внутренних органах.

Недавно, впрочем, Д.В. Гражданкин и М.Б. Бурзин предположили, что тела вендобионтов представляли собой вовсе не толстое “стеганое одеяло”, а тонкую гофрированную мемб­рану — ее по аналогии можно назвать “картонкой для яиц”. В захоронение попадает, собственно, не сама мемб­рана, а те “куличики из песка”, кото­рые получаются при засыпании ее “лунок” взмученным осадком. Эти “картонки для яиц”, имеющие иде­альное соотношение объема и поверх­ности, неподвижно лежали на дне, поглощая из морской воды раство­ренную в ней органику.

Кроме того, многие исследователи полагают, что эти плоские (и, видимо, прозрачные) существа были букваль­но нашпигованы симбиотическими одноклеточными водорослями, что делало их практически независимыми от внешних источников пищи. Их со­временным экологическим подобием могут служить так называемые автотрофные животные (подсчитано, что коралловые полипы получают до 70 процентов пищи от водорослей-сим­бионтов).

Итак, на мелководьях вендских морей существовала удивительная экосистема из “осмотрофных живот­ных”. Сейчас известны тысячи экзем­пляров различных представителей эдиакарской фауны, однако ни на од­ном из них нет повреждений и следов укусов; судя по всему, в это время не существовало хищников, да и вообще животных, питающихся крупными кусками пищи. Поэтому вендскую биоту часто называют “Сад Эдиакары” по аналогии с райским садом, где никто никого не ел. Ситуация райского сада, как ей и положено, просу­ществовала недолго: в конце венда вендобионты полностью вымерли, не оставив после себя прямых потомков. Эдиакарский эксперимент — первая в истории Земли попытка создать мно­гоклеточных животных — окончился неудачей.

Не были ли и мы “стегаными одеялами”?

Впрочем, по поводу судьбы эдиа­карской фауны есть и иные мнения. Помимо двух противоположных по­зиций — “австралийской школы” и Зейлахера — есть и “компромиссная”. Ее сторонники считают, что в составе эдиакарской фауны, помимо собст­венно вендобионтов, уникальных по своей организации и свойственных только этому времени (а также, воз­можно, и реликтов каких-то довендских фаун), имеются и отдаленные предки некоторых фанерозойских групп.

В этой связи, как ни странно, по­минают хордовых — группу, венчаю­щую “древо жизни”. Вспомним хара­ктерную для вендобионтов (и совер­шенно нетипичную для современных животных) симметрию скользящего отражения: элементы такой симмет­рии есть именно в строении прими­тивнейшего из хордовых — ланцетни­ка. При этом один из эдиакарских ор­ганизмов - ярнемния — с ее мешковидным телом и двумя “сифонами” очень напоминает близкого родствен­ника хордовых — асцидию; к тому же оказалось, что отпечатки этого орга­низма сильно обогащены ванадием, тем самым металлом, что служит основой дыхательного пигмента асцидий. Так что некоторые исследовате­ли не исключают, что мы с вами (как представители хордовых) ведем свой род прямиком от древнейших на Зем­ле многоклеточных — вендобионтов.

Это, впрочем, еще не самая экзо­тическая гипотеза относительно при­роды и родственных связей вендоби-онтов. Кем только их не объявляли, даже гигантскими морскими лишай­никами! Например, А.Ю. Журавлев предложил весьма остроумную гипо­тезу относительно родства некоторых эдиакарских организмов с гигантски­ми (до 20 сантиметров в диаметре) глубоководными   многоядерными амебами-ксенофиофорами.

Подобный разнобой в гипотезах может произвести на стороннего на­блюдателя удручающее впечатление, однако “в оправдание” ученых, изуча­ющих докембрийские организмы, не­обходимо сказать следующее. Решае­мая ими задача является, возможно, самой сложной во всей палеонтоло­гии, ибо актуалистический метод ре­конструкций (по аналогиям с совре­менностью) явно работает здесь на са­мом пределе своей разрешающей спо­собности. Палеонтологи фактически находятся в положении космонавтов, столкнувшихся с фауной чужой пла­неты, с тем лишь уточнением, что они вынуждены иметь дело не с самими инопланетными существами, а с соз­данным ими “театром теней”.

Эдиакарская биота:

“Не с нас началось, не нами кончится”

Недавно выяснилось, что эдиакарская попытка создания многоклеточ­ных животных была не первой по сче­ту, а в лучшем случае второй. В 1986 году Сун Вей-го обнаружил в докембрийских отложениях Китая (местечко Хайнань в провинции Аньхой) с воз­растом 840-740 миллионов лет назад богатую фауну макроскопических бесскелетных животных. Ее по тради­ции назвали хайнаньской биотой. Почти одновременно сходная фауна была найдена М.Б. Гниловской в Рос­сии, на Тиманском кряже. К сожале­нию, изучена она пока недостаточно. Известно лишь, что составляющие ее организмы уступают по размеру эдиакарским и являются не лентовидны­ми, а червеобразными, причем иногда

кажутся членистыми. Многие из них строят из органики сегментирован­ные трубки бокаловидной формы.

Очень важно то, что среди этих ор­ганизмов нет ни медузоидов (как в Эдиакаре), ни каких-либо форм, близких к губкам (примитивнейшим из современных групп животных); су­дя по всему, довендская хайнаньская биота не может считаться предковой ни для эдиакарской, ни для современ­ной (фанерозойской). Из этого, прав­да, не следует, что все представители хайнаньской биоты должны были вы­мереть до эдиакарской попытки: возможно, именно этим червеобразным формам принадлежит часть следов рытья в вендских осадках. Однако в целом хайнаньский эксперимент явно оказался столь же малоуспешным, как и эдиакарский.

Итак, мучивший Дарвина вопрос о появлении животных в начале кембрия — “всех и сразу” — вроде бы начал проясняться. Преподавателям теории эволюции на первый взгляд стало лег­че: как-никак этот рубеж сильно ото­двинулся вглубь времен (с 540 до 840 миллионов лет назад), а первые животные оказались действительно сильно не похожими на тех, что суще­ствуют, начиная с кембрия. Однако это только на первый взгляд: ведь новооткрытые фауны оказались непре­емственными между собой! Они вся­кий раз появляются, как чертик из ко­робочки, и туда же исчезают. Ситуа­ция, если вдуматься, складывается еще более скандальная, чем во време­на Дарвина: тот имел дело с одним “актом творения” — кембрийским, а мы — как минимум с тремя. М.Б. Бурзин дал эдиакарской и хайнань­ской попыткам остроумное определе­ние: “черновики Господа Бога”. Соз­дается впечатление, будто эти “черно­вики” были некими неудавшимися экспериментами...

Разгадка фокуса “кролик из шляпы”

Как же объяснить “кембрийскую революцию” — внезапное и одновременное, словно по мановению вол­шебной палочки, появление практически всех современных типов живот­ных? Вот как описывал его один из ведущих специалистов по кембрию А.Ю. Розанов: “Двигаясь вверх по разрезу от докембрийских пород к кембрийским, мы вдруг обнаружива­ем в какой-то момент, что порода на­сыщена многочисленными и разно­образными остатками организмов, облик которых уже более или менее привычен для нас. Здесь начинают встречаться обычные для всего фанерозоя остатки губок, моллюсков, брахиопод и других организмов. Непри­вычны только их размеры (первые миллиметры)”.

Можно, конечно, предположить, что животные и вправду появились в кембрии сразу и из ниоткуда, словно кролик из шляпы фокусника. Однако есть другое, причем куда более логич­ное объяснение. Скорее всего, в докембрии существовала богатая фауна мелких бесскелетных организмов (уровня простейших и коловраток). Ее представители периодически со­вершали “попытки” выйти в крупный размерный класс, но лишь последняя из этих попыток — кембрийская — оказалась вполне успешной. Шансов попасть в захоронение у таких су­ществ не было, ведь они лишены ске­лета, целлюлозной оболочки или хотя бы слизистого чехла (как водоросли и бактерии). Отсюда их отсутствие в па­леонтологической летописи. Послед­нее обстоятельство вроде бы делает данную гипотезу непроверяемой, а цена таких гипотез невелика... Одна­ко, если не сохранились отпечатки са­мих организмов, нельзя ли попытаться обнаружить какие-нибудь следы жизнедеятельности или иные косвен­ные указания на их существование?

Такие следы есть. В осадках докембрия часто находят мелкие или мель­чайшие гранулы, обогащенные орга­никой, трактуемые как фекальные пеллеты, то есть остатки пищи, про­шедшей через организм неких су­ществ. Этими существами, вероятно, и была искомая “мелочь”, подросшая в кембрии до более внушительных размеров. Есть еще косвенное свиде­тельство: в 1987 году М.Б. Бурзин пу­тем расчетов показал, что только при­сутствием “незримых” (не оставив­ших иных следов, кроме пеллет) су­ществ можно объяснить своеобразие эволюции древнего фитопланктона.

Выходит, что, изучая древнюю жизнь, мы отдали дань только круп­ным “солистам” из хайнаньской, эди­акарской и фанерозойской биоты, не замечая “кордебалет” из микроскопи­ческого зоопланктона. Именно в нем скорее всего и находились предки со­временных животных, которые еще в протерозое претерпели сложную эво­люцию, прежде чем грянула “кемб­рийская скелетная революция”. Поя­вление минеральных скелетов всего лишь “сняло с них шапку-невидим­ку”, сделав доступными для палеонто­логии.

Тут, правда, возникает новый воп­рос: а почему, собственно, именно то­гда, 540 миллионов лет назад, вдруг начали строить скелеты самые разные группы животные — от губок до чле­нистоногих и моллюсков, а также во­доросли и многие простейшие? Мо­жет быть, произошла внезапная смена химизма океанской воды? Или?.. Впрочем, как говаривали Стругацкие, “это уже совсем другая история”.

Самыми крупными подразделения­ми геохронологической шкалы яв­ляются эоны: фанерозой (от гре­ческого “фанерос” — видимый, явный, и “зоэ” -— жизнь; самый ранний период этого эона — кембрий) и криптозой (“криптон” — по-гречески “скрытый”), или докембрий.   Фундаментальное разделение геохронологической шкалы на фанерозой, самым ран­ним периодом которого является кембрий (начавшийся 0,54 милли­арда лет назад) и докембрий (0,54 — 4,5 миллиарда лет), осно­вано на наличии или отсутствии в соответствующих осадочных породах ископаемых останков организмов, имевших твердый скелет.