Кембрийский парадокс

Рафаил Нудельман

Примерно 530 миллионов лет назад, в начале кембрийской эпохи, на Земле произошло уникальное событие - внезапно, быстро и почти одновременно возникло множество новых биологических форм, ставших предшественниками важнейших типов современных организмов вплоть до человека. Многим биологам до сих пор трудно примириться с мыслью о реальности этого кембрийского взрыва. В одном из стандартных учебников биологии для американских университетов можно, например, и сейчас прочесть утверждение, что "формы, жившие в тот (кембрийский) период, наверняка должны были произойти от предков, существовавших по крайней мере за сотни миллионов, а то и миллиарды лет до того". Но в том-то и загадка кембрийского взрыва, что никакие переходные, промежуточные формы не соединяли появившиеся тогда новые типы организмов с бактериями и простейшими водорослями, которые населяли земные океаны до них. И это отсутствие привычного "мостика" ставит перед биологами труднейшую задачу - объяснить, каким образом мог произойти такой загадочный эволюционный скачок.

Кембрийская эпоха была уникальной поворотной точкой в истории эволюции. Это означает, что и причины, вызвавшие этот неповторимый биологический взрыв, тоже должны были быть уникальными. Но что это за причины? Одна или много? Какого рода - чисто биологического? А может, физико-химического или геологического? Или того, и другого, и третьего вместе?

А был ли "взрыв"?

Необычайное внимание недавно привлекла статья профессора Калифорнийского технологического института Киршвинка и его сотрудников Риппердана и Эванса, в которой выдвигалось сенсационное утверждение, будто около полумиллиарда лет назад наша планета претерпела подлинный кувырок в космическом пространстве. По данным авторов, в ходе этого катаклизма наша планета повернулась на целых 90 градусов относительно своей оси, в результате чего основные материки Земли сменили свое прежнее местоположение - у полюсов - на нынешнее.

Разумеется, научные и научно-популярные журналы мира тотчас оповестили своих читателей о новой сенсационной гипотезе. Но что удивительно - все сообщения о ней шли под заголовками типа: "Поворачивающаяся Земля объясняет кембрийскую загадку", или "Кувырок планеты - причины кембрийского взрыва". Действительно, в завершение своей статьи авторы напрямую связывали результаты своих исследований с тем великим эволюционным скачком, который произошел на Земле те же полмиллиарда лет тому назад. Они писали, что обнаруженный ими древний планетарный катаклизм вполне мог стать исходным толчком, повлекшим за собой этот загадочный скачок.

Напомню и другую публикацию, посвященную кембрийскому "биологическому Биг Бэнгу": статью трех других американских ученых, на этот раз биологов - Валентина, Яблонского и Эрвина. И хотя статья была названа строго научно: "Происхождение телесной планировки многоклеточных организмов", подзаголовок не оставлял сомнений в том, что и эта работа имеет прямое отношение к кембрийской загадке. "Недавно обнаруженные окаменелости и новое понимание процесса развития организма, - писали авторы, - открывают неожиданные возможности для объяснения загадки взрывообразного возникновения новых видов в начале кембрийской эпохи".

Какие же причины порождают эти непрестанно возобновляющиеся попытки объяснения заурядного, казалось бы, эволюционного скачка, каким представляется кембрийский взрыв непосвященному человеку? Ведь история эволюции знает и другие, не менее катастрофические и не менее загадочные события - например, поголовное и почти одновременное исчезновение динозавров, произошедшее 65 миллионов лет тому назад, или так называемая Великая Смерть ("Пермская катастрофа", как ее еще называют) - массовое и стремительное вымирание живых организмов в земных океанах в пермскую эпоху, 245 миллионов лет назад, когда "разом" погибли около 95 процентов всей тогдашней морской фауны. Почему они не привлекают такого напряженного и непрестанного внимания? Почему именно кембрийский взрыв вызывает самые острые и незатихающие споры вот уже свыше ста пятидесяти лет, почти с самого момента его открытия?

Ответ состоит в том, что среди всех многочисленных загадок биологического прошлого Земли кембрийский взрыв занимает особое место. В отличие от всех прочих катастроф, неизменно связанных с вымиранием тех или иных живых видов, этот взрыв привел к стремительному появлению множества новых биологических форм.

Это рождение новых форм было совершенно внезапным. Нет никаких свидетельств, будто ему предшествовало длительное накопление постепенных изменений и усложнений.

Далее, это непонятное появление новых форм не растянулось на всю кембрийскую эпоху или хотя бы значительную ее часть, а произошло почти одновременно, в течение каких-нибудь трех-пяти миллионов лет. В геологических масштабах времени это совершенно ничтожный срок - он составляет всего одну тысячную от общей длительности эволюции, что и заставляет назвать этот эволюционный скачок "биологическим взрывом". Последствия этого взрыва имели уникальное значение для эволюции жизни на нашей планете - они разделили историю этой эволюции на две неравные части. Если до-кембрийская эпоха была временем единоличного господства одноклеточных организмов, то после-кембрийская стала эпохой многоклеточных форм. В ходе кембрийского взрыва впервые в истории эволюции возникли многоклеточные организмы современного типа, сложились все основные характеристики тех телесных "планов", по которым эти организмы строятся до сих пор, были заложены предпосылки будущего выхода этих организмов из морей на сушу и завоевания ими всей поверхности Земли.

Вот как это выглядело, исходя из нынешних научных представлений. Земля, согласно современным оценкам, образовалась около четырех с половиной миллиардов лет тому назад. Первые одноклеточные организмы в ее океанах появились около трех с половиной - четырех миллиардов лет назад. Иными словами, жизнь на Земле возникла почти сразу же после того, как возникли необходимые для этого условия - охлаждение планеты, образование земной коры и океанов. Тем не менее, сделав этот первый, самый важный шаг, эволюция почему-то затормозилась на целых три миллиарда лет. Перед нею как будто бы стоял некий невидимый барьер, которого она не могла преодолеть. Все это время она ограничивалась лишь изменением и совершенствованием уже существующих видов - микроскопических бактерий и простейших водорослей.

А затем за кратчайшее время, напомню - за три-пять миллионов лет, возникает "новая жизнь": прообраз и предтеча современной.

Так что же случилось тогда - 530 - 540 миллионов лет назад?

Уникальность и загадочность особенностей Кембрийского взрыва - вот что привлекает к нему неослабное внимание биологов на протяжении последних ста пятидесяти лет.

Сложность проблемы состоит, однако, не только в этой загадочности кембрийского "биологического Биг Бэнга" и причин, его породивших. Не менее важным толчком к острым и непрекращающимся спорам вокруг него служит тот факт, что проблема Кембрийского взрыва имеет еще и прямое отношение к дарвиновской теории эволюции. Точнее говоря, попросту ей противоречит. Первым, кто это осознал, был сам Дарвин. Он же был первым, кто предложил возможный выход из этого противоречия. Однако предложенная Дарвином гипотеза не удовлетворила многих его последователей, и в результате биологи-эволюционисты разделились на два враждующих лагеря, спор между которыми длится вот уже полтора столетия. Попробуем разобраться в этом споре.

Первооткрывателем Кембрийского взрыва был Роберт Мэрчисон - английский аристократ, который под влиянием своей честолюбивой жены решил заняться наукой. Изучая окаменелости древних эпох, обнаруженные в соответствующих отложениях, он обнаружил, что слои этих отложений разделены резкой границей. Ниже этой границы они крайне бедны биологическими останками и демонстрируют повсеместное распространение одних лишь простейших одноклеточных организмов - бактерий и водорослей, а затем, начиная с кембрийской эпохи, около 550 миллионов лет назад, внезапно обзаводятся невиданным богатством новых биологических форм. Будучи человеком верующим и разделяя убеждение великого Линнея, что "существует ровно столько видов, сколько их первоначально сотворил Создатель", Мэрчисон расценил открытое им явление как прямое свидетельство вмешательства Божьей руки в развитие жизни. Понятно, что такое креационистское (от слова creation - сотворение) объяснение было несовместимо с представлением о естественной эволюции биологических форм.

Мэрчисон опубликовал результаты своих исследований в тридцатые годы прошлого века. Несколько десятилетий спустя вышла в свет знаменитая работа Дарвина "Происхождение видов", в которой впервые последовательно излагалась и подробно аргументировалась теория развития жизни на Земле, основанная на представлениях о наследуемых изменениях и естественном отборе. Разумеется, Дарвин не принимал креационизма. Но он сразу же усмотрел, что Кембрийский взрыв является камнем преткновения для его теории в другом - не менее важном - аспекте.

Дело в том, что, по Дарвину, эволюция должна была происходить постепенно, плавно и непрерывно, то есть, как сегодня говорят, градуально. В своей книге он весьма недвусмысленно писал: "Естественный отбор ежедневно и ежечасно подвергает строжайшему придирчивому обследованию все происходящие в мире изменения, даже самые малейшие, отвергая то, что плохо, сохраняя и улучшая то, что хорошо... Мы не замечаем этих медленных изменений в их постепенном становлении и замечаем их лишь тогда, когда ход времени отмеряет огромные промежутки целых исторических эпох".

Понятно, что дарвиновский градуализм был несовместим с наличием столь резкого, кратковременного и стремительного явления, как Кембрийский взрыв. Градуализм покоится на убеждении, прекрасно сформулированном знаменитым популяризатором дарвинизма Т.Х.Хаксли: "Природа не терпит скачков". Противоречие с данными Мэрчисона настолько волновало Дарвина, что в предисловии к последнему изданию своей книги он специально отметил "В настоящее время это явление (Кембрийский взрыв. - Р.Н.) остается необъяснимым, и оно поистине может быть рассматриваемо как убедительный аргумент против взглядов, развиваемых в данной книге".

Как уже сказано, Дарвин попытался найти выход из возникшей ситуации. Возможно, предположил он, Кембрийский взрыв, на самом деле, не был настоящим "взрывом"; возможно, в действительности ему предшествовал длительный период постепенного накопления эволюционных изменений и становления новых биологических форм; но Мэрчисон попросту не сумел обнаружить эти предшествующие, промежуточные формы. Это объяснение позволяло сохранить тот непрерывный и плавный характер эволюции, который Дарвин постулировал на основе собранных им эмпирических данных и который был в его глазах стержневой особенностью всего эволюционного процесса.

Некоторые биологи-эволюционисты не согласились с дарвиновским толкованием кембрийской загадки. (Уже Хаксли в своем письме Дарвину накануне публикации "Происхождения видов" предупреждал: "Вы напрасно взвалили на себя совершенно ненужную трудность, приняв, что природа не терпит скачков".) Эти дарвинисты вообще не могли принять дарвиновского градуализма. Он казался им не столько выведенным из эмпирических фактов (ведь противоречил же он фактам Мэрчисона!), сколько привнесенным в биологию извне.

Не так давно известный современный биолог и популяризатор дарвинизма Стивен Дж. Гулд предположил в этой связи, что свою нерушимую веру в градуализм Дарвин заимствовал у своего предшественника, знаменитого основателя современной геологии Чарльза Лайелля, который был его близким коллегой и личным наставником (Дарвин делал свои первые научные шаги именно в геологии). Для самого же Лайелля, утверждает Гулд, градуализм был чем-то большим, чем просто эмпирическим научным принципом. Он представлялся ему необходимой основой подлинно научного понимания и подхода. По мнению Лайелля, утверждение, будто отдельные этапы развития могут быть разделены резкими, катастрофическими скачками, подспудно возрождает веру в сверхъестественные чудеса и в Божье вмешательство в историю, иными словами - возвращает человеческую мысль к донаучным, религиозным временам. (Тот же Гулд замечает, что это решительное неприятие скачков, катастроф и революций отчасти было также отражением общего духа викторианской эпохи с ее верой в плавный, постепенный и безостановочный прогресс.)

Напомним, однако, что уже во времена Лайелля и Дарвина существовала и другая точка зрения, которую наиболее энергично развивал французский натуралист Жорж Кювье и которая сегодня именуется "катастрофизмом". Согласно этой концепции, геологическая (и, как следствие, биологическая) история Земли развертывалась далеко не плавно, а, напротив, изобиловала скачками и разрывами катастрофического характера, которые, впрочем, не имели ничего общего со сверхъестественными чудесами или Божьим вмешательством, а поддаются вполне естественному, рациональному объяснению. Кембрийский взрыв прекрасно вписывался в эту концепцию, и именно это обстоятельство побудило многих эволюционистов оспорить гипотезу Дарвина, признать реальность кембрийского скачка и перейти на позиции "катастрофизма".

Так случилось, что кембрийская загадка с самого начала разделила дарвинистов-эволюционистов на два противостоящих лагеря, по-разному понимающих ход биологической эволюции. По одну сторону водораздела оказались убежденные "градуалисты", по другую - столь же убежденные "катастрофисты". (Третий лагерь, противостоящий и "градуалистам", и "катастрофистам" в своем полном отрицании эволюции вообще, составляют современные "креационисты").

Сторонники дарвиновского градуализма предлагают различные возможные объяснения отсутствию докембрийских промежуточных форм. Одни утверждают, что предшествующие кембрию биологические формы не сохранились потому, что не имели скелета или наружного панциря и были мягкими, желевидными (что, кстати, в основном соответствует истине). Другие объясняют отсутствие переходных форм в до-кембрийских отложениях чисто физическими причинами, утверждая, что до-кембрийские породы подверглись такому сильному нагреву и давлению, что в них не сохранились никакие биологические останки (что не вполне соответствует истине). Третьи выдвигают предположение, что до-кембрийская жизнь развивалась в озерах, а кембрийский взрыв - попросту следствие бурной и быстрой миграции уже сформировавшихся в этих озерах биологических форм в моря и океаны (эта гипотеза получила своеобразное развитие в упомянутой выше работе Киршвинка и сотрудников). Все эти гипотезы объединяет стремление показать, что переход от до-кембрийских форм к после-кембрийским был главным и непрерывным, только следы его по тем или иным причинам пока не найдены или вообще не сохранились.

И действительно, не так давно исследователям удалось обнаружить первые виды многоклеточных организмов, непосредственно предшествовавших кембрийским. Они были найдены в отложениях вблизи австралийского поселка Эдиакара и потому получили название "эдиакарских". Почти до самого последнего времени, до восьмидесятых годов, эдиакарские организмы трактовались в духе дарвиновского градуализма - как промежуточное звено в истории постепенного усложнения, или эволюции биологических форм от до-кембрийских к после-кембрийским.

Но около пятнадцати лет назад более тщательное изучение этих останков показало, что, на самом деле, они не имеют связи с современными биологическими формами. Возможно, они вообще представляли собой некую особую, тупиковую ветвь биологической эволюции, которая не дала никакого продолжения. Некоторые биологи полагают, что эта ветвь жизни была уничтожена в ходе какой-то катастрофы, предшествовавшей Кембрийскому взрыву. В ходе дальнейшего рассказа нам еще придется вернуться к таинственной эдиакарской фауне.

Разумеется, невозможно исключить, что надежды Дарвина и прочих "градуалистов" еще оправдаются и со временем будут найдены какие-то другие отложения с таким же, как на шельфе Бэрджесса или в Китае, богатством биологических форм, но только отложения эти будут до-кембрийские, а формы - промежуточные, предшествующие кембрийским. В этом случае дарвиновская теория эволюции сохранится вместе со всем ее градуализмом, постепенностью и плавностью развития. Но пока ничего подобного не обнаружено, и на этом основании биологи-"катастрофисты" все энергичнее настаивают на необходимости пересмотра дарвиновской теории. По их убеждению, Кембрийский взрыв (а также другие аналогичные скачкообразные явления, вроде быстрой гибели всех динозавров или упоминавшейся выше "Пермской катастрофы") диктует неизбежность такого расширения теории эволюции, которое допускало бы не только плавное, но и "взрывное" изменение биологического разнообразия, не только постепенность, но также "скачки" и "катастрофы" в развитии биологического мира. Особенную остроту этот затянувшийся спор обрел с начала 1970-х годов, когда уже упоминавшийся Стивен Гулд и его коллега, палеонтолог Ник Элдридж предложили радикальный вариант такого расширения дарвинизма - так называемую теорию "пунктирного равновесия".

Мы еще вернемся к этому новейшему развитию эволюционной теории и спорам вокруг него, но прежде следует, пожалуй, закончить наш прерванный рассказ о том, какими же причинами объясняют сегодня Кембрийский взрыв те, кто считает его эволюционной реальностью, какие физико-химические или биологические гипотезы выдвигаются сегодня для объяснения кембрийской загадки. Ведь за последние десятилетия таких гипотез было предложено немало, и упомянутые в начале статьи недавние работы Киршвинка и Валентина - только последние по времени в этом длинном ряду. Каждая из этих гипотез - своего рода "машина времени на логическом топливе", позволяющая заглянуть в далекое прошлое Земли. Используем же это фантастическое средство передвижения и отправимся в следующей статье в кембрийскую эпоху - к последним галлюцигениям и первым трилобитам.

Загадка "биологического Биг-Бэнга" - внезапного и одновременного появления всех современных биологических типов в кембрийскую эпоху - продолжает интриговать многих исследователей. Две из новейших гипотез - "кислородная" и "земного кувырка" - объясняют этот скачок эволюции резким изменением физико-химических условий на всей планете. В противоположность этому биологи выдвигают иные предположения, связывающие кембрийский взрыв с резкими экологическими или генетическими сдвигами.

Кувырок планеты?

Среди гипотез, предложенных для объяснения кембрийской загадки, наиболее серьезной до последнего времени считалась так называемая кислородная. Она основана на предположении, что кембрийский взрыв был вызван предшествовавшим ему резким изменением химического состава земной атмосферы и океанов.

Физико-химические условия влияют на темп биологической эволюции - это известно давно. Многие биологи убеждены, что необычайно медленное изменение биологических форм на протяжении первых трех миллиардов лет их существования было обусловлено недостатком свободного кислорода.

В первичной атмосфере Земли кислорода не было вообще, потому что он сразу же вступил в реакцию с другими элементами и остался связанным в земной толще и атмосфере в виде окислов. Но с появлением первых одноклеточных водорослей - примерно через полмиллиарда - миллиард лет после образования Земли - начался процесс фотосинтеза, при котором углекислота (поглощенная водорослями из воздуха) и вода при содействии солнечного света превращались в свободный кислород и органические вещества. Однако и тут кислороду "не повезло" - его жадно захватывало растворенное в океанской воде железо. Возникавшие в результате окислы железа медленно оседали на океанское дно, выбывая из химического кругооборота; мир, как выразился один из геохимиков, непрерывно ржавел; а свободного кислорода в нем не прибавлялось.

В отсутствие свободного кислорода организмы вынуждены были оставаться анаэробными. Это означало, что переработка продуктов в них, обмен веществ, или метаболизм происходили без участия кислорода - медленно и неэффективно. Именно это, как считают биологи, тормозило эволюцию первых организмов. Положение несколько изменилось только с того момента, когда растворенное в океанах железо насытилось кислородом и концентрация этого газа в атмосфере, благодаря все тому же фотосинтезу, стала наконец постепенно возрастать. Это сделало возможным появление первых аэробных организмов. Они все еще были одноклеточными, но их метаболизм шел куда эффективнее, и поэтому они быстрее размножались и плотнее заселяли океаны. Так прошли первые 3,5 миллиарда лет, к концу которых содержание кислорода в атмосфере достигло, как считается, около одного процента. В этот момент эволюция сделала следующий важный шаг - появились первые многоклеточные организмы. А затем, еще через полмиллиарда лет, наступил кембрийский взрыв и разом положил начало всему сложному разнообразию современной жизни.

Можно сказать, что история биологической эволюции была - в определенном смысле - историей кислорода. Так не был ли и кембрийский "скачок эволюции" следствием скачкообразного возрастания свободного кислорода в атмосфере?

Именно такое предположение высказали в 1965 году два американских физика, Беркнер и Маршалл. Они рассуждали следующим образом. Сложные многоклеточные организмы нуждаются в большом количестве кислорода, причем сразу в двух его видах - во-первых, в виде свободного кислорода, необходимого для дыхания (то есть для метаболизма) и построения коллагена, этого важнейшего элемента телесной структуры; и во-вторых, в виде озонового слоя, необходимого для защиты от вредоносного солнечного ультрафиолета. Поскольку такие организмы до кембрийской эпохи не появлялись, значит, их появление было задержано отсутствием необходимой концентрации кислорода в атмосфере. На этом основании можно допустить, что именно в кембрийскую эпоху такие количества впервые появились. Это уникальное событие - преодоление "кислородного рубежа", скачкообразное повышение уровня кислорода в атмосфере до нынешнего 21 процента - было, по Беркнеру и Маршаллу, основной причиной кембрийского взрыва.

Поначалу эта "кислородная гипотеза" не имела достаточного подтверждения. Но буквально в последние годы (1994 - 1996) положение резко изменилось. Причиной тому было открытие американского исследователя Кнолля. Изучая соотношение двух изотопов углерода, С-12 и С-13, в породах докембрийских и кембрийских времен, Кнолль получил неопровержимые свидетельства того, что в самом начале кембрийской эпохи это соотношение резко изменилось - изотопа С-12 "разом" стало меньше, чем раньше. А такой "углеродный скачок" должен был обязательно сопровождаться соответствующим "кислородным скачком", что как раз и соответствует предположению Беркнера - Маршалла.

После работ Кнолля наличие "кислородного скачка" в кембрийский период признается большинством ученых. Но остается неясным: что могло быть причиной того "невозвращения" С-12 в окружающую среду, которое привело к этому "кислородному скачку"?

Иная гипотеза была предложена американским геологом Муром в 1993 году. По Муру, причиной убыли С-12 были резкие тектонические сдвиги, типа перемещения материков, произошедшие в самый канун кембрийской эпохи. Такие сдвиги, говорит Мур, могли привести к раздроблению океанов на менее крупные и к тому же замкнутые водоемы - моря и озера, а это должно было уменьшить интенсивность циркуляции воды. В результате органические останки водорослей вместе с их углеродом оставались на морском дне и не поднимались к поверхности, где их могли бы разлагать бактерии. Тем самым углерод выходил из кругооборота, позволяя синтезированному водорослями кислороду быстро накапливаться в атмосфере.

"Тектоническая гипотеза" Мура тоже поначалу не имела фактического подтверждения. Но три года спустя она получила совершенно неожиданное, даже можно сказать - сенсационное развитие. В середине минувшего года научная, а затем и массовая печать внезапно заполнилась заголовками типа: "Кувырок Земли объясняет загадку кембрийского взрыва!" Самое удивительное, что пресловутый "кувырок" (или "кульбит", как его еще называли) не был каким-то журналистским преувеличением. Как следовало из текстов, речь шла о вполне серьезной (хотя и радикальной) научной гипотезе, объяснявшей кембрийскую загадку именно теми "тектоническими сдвигами", о которых мы только что говорили, только гораздо более грандиозного масштаба - чем-то вроде единовременного сдвига всей земной коры. Поистине "кувырок"!

Автор этой радикальной идеи, известный американский геолог Киршвинк, пришел к своим выводам на основании данных, собранных за время двадцатилетних исследований.

Его работы позволили построить наглядную картину геологических изменений, происходивших на Земле в начале кембрийской эпохи - 550 - 500 миллионов лет тому назад. Картина эта оказалась весьма неожиданной и поистине сенсационной. Вот как, по Киршвинку, развертывались тогдашние геологические события.

Незадолго до начала кембрийской эпохи завершился раскол древнейшего суперконтинента, состоявшего из большинства современных материков (палеогеологи дали этому суперконтиненту имя Родиния). Почти сразу же вслед за этим разделившиеся материковые массы начали перегруппировываться, объединяясь в новый суперконтинент - Гондвана. На последних стадиях образования Гондваны возник резкий дисбаланс в распределении континентальных масс относительно земной оси. Земной "волчок" потерял устойчивость. Вращающееся тело наиболее устойчиво, когда образующие его массы сосредоточены на экваторе (что дает ему максимальный момент инерции) или распределены относительно него более или менее равномерно; между тем Гондвана располагалась слишком близко к полюсу.

Восстановление устойчивости Земли потребовало быстрого перераспределения континентальных масс. Поэтому вся твердая оболочка планеты стала соскальзывать по мантии как единое целое, пока не сместилась на девяносто градусов относительно оси вращения. Как показывают данные Киршвинка, материковые плиты Австралии и Америки, находившиеся прежде в районе полюсов, совершили этот поворот и перемещение к экватору за какие-нибудь пятнадцать миллионов лет - срок в геологических масштабах ничтожный (три десятитысячных общего возраста Земли). То был настоящий "кувырок" всей планеты. Его результатом было то, что ось ее вращения, сохраняя прежнее направление в пространстве, повернулась теперь на 90 градусов относительно твердой оболочки. Вращение земного волчка снова стало устойчивым.

Согласно палеомагнитным данным Киршвинка, собранным в скалах Америки и Австралии, обе эти материковые плиты (составляющие в сумме почти две трети всей земной коры) совершили свое перемещение относительно земной оси практически одновременно, между 534 и 518 миллионами лет тому назад. Такие грандиозные геологические события - крайняя редкость. Во всяком случае, за последние двести миллионов лет, с конца пермской эпохи, они наверняка не происходили ни разу. Киршвинк, однако, не исключает, что нечто подобное описанному им геологическому катаклизму могло повториться в промежутке между кембрийской и пермской эпохами.

Как ни непривычна нарисованная Киршвинком картина, она весьма солидно обоснована данными автора, а кроме того, сразу же получила ряд независимых подтверждений, так что геологи в целом выразили готовность ее принять. Но эта картина заинтересовала и биологов. Как уже было сказано в самом начале, по мнению авторов, именно этот "кувырок" планеты мог быть основной причиной кембрийского биологического взрыва. "Быстрое перемещение материков, - говорит один из соавторов Киршвинка Риппердан, - не могло не привести к закрытию одних и образованию других водных бассейнов - этих единственных тогда ареалов жизни, к изменению тогдашних океанских течений, к резким переменам климата и к другим, столь же катастрофическим явлениям. Все эти катастрофы должны были дать толчок к повышению новых форм жизни, приспособленных к изменившимся условиям. Но именно такое быстрое возникновение новых форм и было характерно для "кембрийского взрыва".

По мнению самого Киршвинка, быстрые изменения акватории океана, вызванные соскальзыванием материков, должны были привести к довольно частым и резким сменам океанских течений. "Каждое такое изменение имело глобальный характер, - говорит он. - Оно разрушало сложившиеся региональные экосистемы на более мелкие ареалы. В этих мелких ареалах новые формы жизни имели больше шансов на выживание, чем в больших регионах. Наши данные говорят, что такие изменения течений происходили тогда чуть ли не каждый миллион лет или около того. За миллион лет эволюция успевала отобрать самое лучшее из уцелевшего от последнего цикла и создать новые региональные системы. Но затем этот процесс начинался снова, и так полтора-два десятка раз за время всего катаклизма. Это наилучшие условия для возникновения большого биологического разнообразия, тем более что все это происходило вскоре после появления тех генов, которые управляют главными этапами эмбрионального развития многоклеточных организмов".

Обратим внимание на последнюю фразу. На первый взгляд - взгляд непосвященного человека - она звучит довольно загадочно: что это за "гены, управляющие главными этапами эмбрионального развития", и какое отношение они имеют к кембрийскому взрыву? Были, однако, люди, которые услышали в этой фразе долгожданное признание тех радикальных биологических идей, которые они выдвигали в течение последних двух лет, надеясь привлечь к ним внимание научного мира. И не просто признание, но и вполне прозрачный намек на возможность сочетания этих идей со столь же радикальными геологическими идеями "планетарного кульбита" в рамках новой физико-биологической теории кембрийского взрыва.

Рассказу об этих биологических объяснениях кембрийской загадки мы и посвятим заключительную часть нашего очерка.

Первой из "чисто биологических" гипотез, выдвинутых для объяснения кембрийского взрыва, была "гипотеза жнеца", сформулированная в 1973 году американцем Стивеном Стенли. Стенли исходил из хорошо известного в экологии "принципа прореживания". Было замечено, что внедрение в искусственный пруд хищной рыбешки ведет к быстрому увеличению разнообразия зоопланктона в этом пруду. И напротив, достаточно удалить из скопления разнообразных водорослей питающихся ими морских ежей, как это разнообразие начинает уменьшаться. Иными словами, "прореживание" экологической ниши "жнецом-хищником", питающимся ее обитателями, необходимо для поддержания или расширения ее биологического разнообразия.

На первый взгляд, это противоречит здравому смыслу. Представляется, что такой "жнец", истребляя население ниши, будет уменьшать число населяющих ее видов, а некоторые, самые малочисленные, и вообще сведет на нет. Но, как видим, действительность опровергает это интуитивное рассуждение. И вот почему. Во всякой нише, населенной так называемыми первичными производителями (то есть организмами, получающими свою пищу напрямую - из фотосинтеза, а не посредством поедания других), один или несколько видов неизбежно становятся "монополистами" - они захватывают все жизненное пространство и питательные вещества ниши и не дают развиваться другим видам. Появившийся в этих условиях "жнец" будет скорее всего питаться этими господствующими видами (хотя бы потому, что они способны обеспечить его наибольшим количеством пищи) и, стало быть, будет в первую очередь уменьшать именно их биомассу. Но благодаря этому он расчистит часть жизненного пространства и тем самым освободит место новым видам. А это приведет к увеличению биологического разнообразия всей ниши. Тот же принцип, как видно из приведенных выше примеров, действует и в других экологических системах. Стенли же применил "принцип прореживания" для объяснения загадки кембрийского взрыва.

Легко видеть, что этот взрыв вполне укладывается в данную схему. В предкембрийскую эпоху земные океаны почти монопольно заселяли одноклеточные бактерии и водоросли нескольких немногих видов. Целые миллиардолетия их никто не "прореживал", и потому они не имели возможности быстро эволюционировать. Если бы в такой среде внезапно появился какой-нибудь одноклеточный растительноядный "хищник", он обязательно должен был бы - по "принципу прореживания" - вызвать быстрое появление новых видов. Это, в свою очередь, должно было привести к появлению новых, более специализированных "жнецов", расчищающих место для следующих новых видов, так что разнообразие биологических форм начало бы нарастать как снежный ком - а это и есть ситуация кембрийского взрыва.

Таким образом, по Стенли, "триггером" кембрийского взрыва было случайное появление некого "хищника" в среде простейших одноклеточных организмов предкембрийской эпохи. А тот факт, что этот взрыв имел характер резкого скачка, не представляет собой никакой особой загадки. Точно такой же характер имеет развитие многих биологических систем в условиях наличия достаточно свободного жизненного пространства и достаточно обильного количества пищи. Если, например, высадить небольшую колонию бактерий на питательную среду в лабораторной чашке Петри, она будет размножаться по тому же закону "снежной лавины", и это скачкообразное размножение прекратится лишь с заполнением всего доступного пространства и исчерпанием питательных веществ. Кембрийские океаны и были такой природной "чашкой Петри" для новых биологических видов. Когда же они заполнили собою эти океаны, условия для скачка исчезли и более никогда уже не повторялись, чем и объясняется, по Стенли, уникальность кембрийского взрыва.

Совершенно иное биологическое объяснение кембрийского взрыва предложили в 1994 - 1997 годах американские биологи Валентин, Эрвин и Яблонский. По их мнению, этот взрыв произошел в силу того, что у некоторых примитивных предкембрийских организмов в результате случайных генетических изменений появилась способность резко расширить спектр возможных телесных структур. Действительно, одной из важнейших особенностей кембрийского эволюционного скачка.было как раз такое вот внезапное появление множества биологических форм с совершенно новыми телесными признаками. Некоторые из этих новых организмов обрели четко выраженные головы и хвосты, у других отчетливо выделились сегменты и брюшко, у третьих возникли конечности, еще какие-то оделись в панцири, некоторые обзавелись усиками-антеннами или жабрами - и так далее. В общей сложности исследователи насчитывают целых 37 новых телесных планов, возникших - и притом почти одновременно - в ту эпоху бурной эволюционной активности. И все основные принципы телесной архитектуры современных организмов зародились именно тогда.

При чем тут, однако, гены? На мысль о связи этого "архитектурного скачка" с генами авторов новой гипотезы натолкнули последние достижения так называемой биологии развития. Уже ранее было известно, что в ходе зародышевого развития любого многоклеточного организма его клетки проходят специализацию - из одних получаются, например, ноги, из других, скажем, мускулы, жабры или глаза. Было известно также, что команды на специализацию клеткам дают те или иные гены. Но в последние годы было установлено: для того, чтобы развитие шло по определенному плану - например, глаз не вырос там, где должна быть нога, - необходимо, чтобы эти гены "включались" в определенной последовательности, один за другим, в нужное время, и управляют таким планомерным включением особые, так называемые регулировочные гены. Наиболее изученной их разновидностью являются гены группы "hox". Они были впервые открыты при изучении дрозофил.

Было установлено, что гены этой группы регулируют процесс закладки самых основных и самых общих принципов телесной структуры организма. Восемь генов этой группы, имеющихся у дрозофил, расположены в одной из хромосом друг за другом, последовательно. Так же последовательно они и работают: первый по счету ген дает команду на построение головы, второй приказывает строить следующий сегмент тела вдоль его оси и так далее, до хвоста. Когда исследователи искусственно меняли последовательность этих генов, они получали мушек, у которых, например, ноги росли из головы.

Гены группы hox изучены также у лягушек. Это изучение показало, что, хотя лягушки и дрозофилы располагаются на двух разных ветвях эволюционного дерева (эти ветви различаются способом образования рта у эмбриона), шесть из их генов hox поразительно сходны. Например, один из них в дрозофиле отличается от своего аналога в лягушке только "знаком": у дрозофилы он регулирует появление брюшка, а у лягушки - спинки. Если пересадить его от дрозофилы лягушке, то ход развития совершенно не нарушится, только лягушачьи спинка и брюшко поменяются местами. Видимо, это различие возникло в результате мутации. Подсчитав, сколько таких мутационных различий накопилось в сходных генах hox за время раздельного существования мышей и лягушек, и зная среднее количество мутаций, происходящих за каждую сотню лет, исследователи определили, как давно жил общий предок лягушек и дрозофил. Это время оказалось настораживающе близко к времени кембрийского взрыва - порядка 565 миллионов лет.

Как мы уже сказали, у дрозофилы всего восемь hox генов; у млекопитающих, например, их целых 38. Но обнаружилось, что все эти 38 генов являются лишь слегка измененными дубликатами восьми первичных. Что же касается самих этих восьми первичных генов, то они оказались весьма сходными у всех современных типов организмов - от млекопитающих до насекомых. Как и в случае лягушки и дрозофилы, это сходство позволило вычислить, когда именно впервые появились эти восемь исходных hox генов, определивших (и до сих пор определяющих) самые общие принципы телесного строения всех современных организмов (конкретные различия в этом строении и форме их тел - скажем, между Мэрилин Монро и мушкой-дрозофилой - порождены различием в регулировочных генах других групп, появившихся позже, в ходе последующей эволюции).

Эти расчеты привели к тем же результатам, что и сравнение этих генов у лягушек и дрозофил. Оказалось, что первичные гены группы hox, сходные у всех современных организмов, восходят к общим предкам этих организмов, возникшим примерно 565 миллионов лет тому назад, то есть в эпоху, непосредственно предшествовавшую кембрийскому эволюционному взрыву. Как мы уже знаем, те планы строения тела, которые сохранились по сей день в виде самых общих принципов телесной архитектуры современных организмов, возникли в кембрийскую эпоху. А теперь мы видим, что регулировочные гены, ответственные за такие общие планы, появились незадолго до этого. Вполне естественно предположить, что именно появление первой полной группы генов hox (состоявшей из восьми первичных генов) сыграло роль триггера того уникального взрыва форм, который мы называем кембрийским взрывом.

Поначалу Валентин и его соавторы утверждали, что история развивалась следующим образом: до поры до времени существовали только простейшие организмы, у которых вся группа hox исчерпывалась одним-единственным геном, в предкембрийскую эпоху возникли первые многоклеточные, у которых число этих генов постепенно возросло до пяти-шести (у плоских червей); а в кембрийскую эпоху это число скачком увеличилось до восьми, и именно этого оказалось достаточно для возникновения поразительного разнообразия форм.

Более поздний вариант их теории выглядит намного сложнее. Теперь они считают, что появление всего необходимого набора регулировочных генов произошло уже в докембрийскую эпоху, 565 миллионов лет назад. Но при всей биологической фундаментальности этого события оно, тем не менее, было всего лишь необходимым, но недостаточным условием кембрийского взрыва. Вполне возможно, что даже при наличии одного из тех генов, его первый обладатель, какой-нибудь плоский червь, обладал не глазом, а всего лишь "потенцией глаза" - чем-то вроде светочувствительного пятна на голове.

Организмы - не механические игрушки, которые достаточно толкнуть, чтобы получить автоматический ответ; скорее всего потребовалось сложное сочетание различных условий, чтобы возможность стала действительностью и произошел скачок эволюции, подобный кембрийскому взрыву.

Иными словами, в кембрийскую эпоху должно было произойти что-то дополнительное, сыгравшее роль "триггера" для запуска этих генов в работу, то есть для создания множества разнообразных форм и типов, столь характерное для того времени. Валентин и его коллеги не уточняют, что могло быть таким "дополнительным триггером". Они только пишут, что "предположения варьируются от резкого роста атмосферного кислорода выше некоторого критического уровня до экологической "гонки вооружений", в которой эволюционное взаимодействие хищников и жертв могло породить целый спектр различных новых видов".

В этих словах легко распознать намеки на "кислородную гипотезу" Беркнера - Маршалла и "гипотезу хищника-жнеца" Стенли. С другой стороны, создатель "гипотезы земного кувырка" Киршвинк считает, что и его объяснение кембрийского взрыва одновременным сползанием всех земных материков тоже может сочетаться с теорией "скачка регулировочных генов", предложенной Валентином, Яблонским и Эрвином. Поэтому, подводя итоги, можно сказать, что новейшие теории кембрийского взрыва имеют тенденцию объединять в себе несколько разных гипотез и тем самым объяснять это уникальное и загадочное явление не одной какой-либо причиной, а взаимодействием нескольких различных факторов, как физико-химического, так и биологического характера.

На этом мы могли бы подвести черту под рассказом о загадках кембрийского взрыва и попытках их объяснения. Но в нашем перечне этих загадок осталась еще одна нерешенная проблема.

Как мы уже говорили, кембрийский эволюционный скачок составляет принципиальную трудность для "ортодоксальной" теории Дарвина, в которой эволюция считается обязательно "плавной" и "непрерывной". Чтобы обойти эту трудность, одни биологи вообще отрицают реальность кембрийского взрыва, а другие предлагают внести довольно радикальные изменения в "ортодоксальный дарвинизм". В самые последние годы каждая из сторон выдвинула новые доводы в свою пользу, и это резко обострило спор вокруг основ дарвинизма. Спор этот определенно заслуживает отдельного рассказа.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://vivovoco.nns.ru/