В поисках недостающих звеньев эволюции

В истории жизни время от времени случаются радикальные перемены: возникает челюсть, взлетают птицы, предки человека отделяются от шимпанзе... Чтобы знать, как происходили эти повороты, нужны так называемые переходные ископаемые, то есть недостающие звенья.

Тед Дэшлер из Академии естественных наук и Нил Шубин из Чикагского университета (оба — США) занимались вопросом происхождения сухопутных животных. Считалось, что около 375 млн лет назад плавники некоторых костистых рыб превратились в конечности, но ископаемых доказательств тому ключевому шагу в истории эволюции не было найдено. Дуэт тщательно проштудировал геологические карты в поисках пород нужного возраста и остановился на острове Элсмир в Канадской Арктике. Раскопки увенчались успехом только на четвёртый год: удалось обнаружить рыбу с четырьмя конечностями. Ей дали название тиктаалик.

Открытие, о котором объявили в 2006 году, произвело сенсацию. Натуралистов очаровала не только сама находка, но и методика, с помощью которой она была сделана. Подавляющее большинство подобных открытий носит случайный характер, а здесь оно стало результатом систематического, целенаправленного поиска.

И сегодня охотники на недостающие звенья всё чаще применяют такую же тактику: сначала делают прогноз (на основании секвенирования генов или передовых методов визуализации), а потом уже ищут ископаемые свидетельства.

Тиктаалик (изображение авторов открытия).

Жизнь зародилась свыше 3 млрд лет назад: соотношение изотопов углерода в гренландской породе возрастом 3,8 млрд уже несёт её отпечаток. Но дело даже не в том, что найти ископаемое тех лет трудно: быть может, самое первое звено эволюции не сохранилось вовсе, а если оно и осталось в палеонтологической летописи, то может кардинальным образом отличаться от нынешних форм жизни, и мы его просто не заметим. Поэтому старейшими физическими следами жизни предлагается считать микроскопические образования в австралийских породах возрастом 3,4 млрд лет, хотя далеко не все с этим согласны.

Благодаря генетическому анализу у нас есть важная информация о другом переходном периоде. Породы возрастом около 2,4 млрд лет содержат оксиды железа, которые свидетельствуют о появлении фотосинтезирующих организмов, выделявших кислород. Долгое время считалось, что эти организмы — цианобактерии — зародились в море. Но когда Кэррин Блэнк из Университета штата Монтана (США) секвенировала геномы современных цианобактерий, чтобы составить фамильное древо, она нашла убедительные доказательства того, что все их предки жили в пресной воде, где и начался фотосинтез 2,5-3 млрд лет назад. Опираясь на этот вывод, г-жа Блэнк и её коллеги изучают теперь осадочные породы древних озёр и ручьёв в поисках ископаемых видов цианобактерий.

Первые фотосинтезирующие организмы были одноклеточными, лишёнными ядра. Первым ископаемым эукариотам около 1,8 млрд лет. Следующим трюком эволюции стало появление многоклеточных. Исследования скорости генетических изменений говорят о том, что первые животные появились 0,6–1 млрд лет назад. Окаменелости тех времён очень редки, к тому же трудно различить многоклеточные организмы и колонии одноклеточных.

Примерно 585 млн лет назад возникла так называемая эдиакарская биота, состоявшая в основном из губчатых, морщинистых существ, похожих на коврик. Вероятно, они жили, прикрепившись к морскому дну.

Эдиакарская биота внезапно исчезает 542 млн лет назад в порыве эволюционных изменений, известных как кембрийский взрыв. К этому периоду восходит большинство основных групп современных животных. Именно тогда возникли первые существа с твёрдыми частями и первые хищники. Жизнь изменилась настолько сильно, что эволюционные связи между фауной кембрия и эдиакария остаются загадкой.

Около 100 млн лет спустя в глубинах морей появилась следующая важнейшая инновация — челюсть. Разрыв между бесчелюстными и челюстными позвоночными — ещё одна неразгаданная тайна эволюции. Челюсть потребовала перестройки всего черепа и стала залогом успеха акул, динозавров, человека и др. В 2011 году Чжикунь Гай из Института палеонтологии позвоночных и палеоантропологии (КНР) объявил о том, что с помощью синхротронного рентгеновского микроскопа, который дает 3D-изображения с субмикронным разрешением без повреждения образцов, ему удалось найти промежуточную форму.

Он занимался экземплярами галеаспид, которые уже изучались под оптическим микроскопом, и рентген показал, что кое-что ускользнуло от внимания исследователей. Вместо одной ноздри, обычной для других бесчелюстных рыб, г-н Гай увидел пару ноздрей — по одной с каждой стороны черепа. У более развитых рыб пространство между парными ноздрями позволяет эмбриональным клеткам, образующим челюсти, занимать правильное положение. Таким образом, хотя галеаспиды ещё оставались бесчелюстными, они уже обладали чертой, снимавшей барьер на пути к появлению челюсти.

Идём дальше и на этот раз проскакиваем 70 млн лет. Рыбы делают ещё один шаг вперёд. Тиктаалик и иже с ним отращивают конечности, с помощью которых можно разгуливать по берегу. Несколько десятков миллионов лет привыкания, и возникают первые земноводные. Увы, об этом этапе мы не знаем практически ничего, ибо в палеонтологической летописи наступает перерыв (345–360 млн лет назад), названный именем американца Альфреда Ромера, который первым его заметил. Зато известно, что он следует за хангенбергским событием — массовым вымиранием в конце девона, которое уничтожило множество примитивных рыб. В числе прочих исчезла акантостега — потомок тиктаалика. Её примеру последовали архаичные панцирные рыбы (плакодермы), среди которых был десятиметровый дунклеостей. После этого пробела в морях доминируют лучепёрые рыбы и акулы, а по земле бродят земноводные с конечностями, как у саламандр.

Недавно в Великобритании обнаружили несколько месторождений ископаемых, относящихся к разрыву Ромера. Дабы окончательно демистифицировать вопрос возникновения земноводных, палеонтологи нацелились на дерзкий проект: они собираются пробурить 500-метровую скважину и добраться до отложений позднего девона. Инициатива, названная TW:eed в честь буровой площадки близ реки Твид на границе Шотландии и Англии, обойдётся почти в £400 тыс. Что и говорить, подобное в палеонтологии случается нечасто.

Пока они готовятся, мы переместимся во времена самого страшного вымирания в истории планеты — пермского. 252 млн лет назад исчезло до 96% всех морских видов и около 70% сухопутных позвоночных. В течение последующих 20 млн лет наиболее активно развивались архозавры, породившие динозавров, птерозавров, крокодилов и птиц. Первые окаменелости архозавров относятся к началу триаса, и вскоре после этого группа разделяется на линии, ведущие к динозаврам и крокодилам, но этот момент покрыт туманом. Только в 2011 году Ctenosauriscus, живший 247 млн лет назад, удостоился звания раннего предка крокодилов. Следы то ли динозавров, то ли динозавроморфов, найденные в Польше в 2010 году, ещё старше. Но старейшим останкам динозавров пока всего 230 млн лет.

В прошлом году «всплыл» образец, который на 10–15 млн лет старше. Ньясазавр несколько десятков лет пролежал в запасниках лондонского Музея естественной истории, не привлекая особого внимания. Лишь благодаря растущей базе данных древних динозавров и компьютерным программам, сравнивающим анатомические черты, стала возможной классификация спорных экземпляров. Так, Ctenosauriscus выделяется «парусом» на спине, но компьютерный анализ выявил множество менее очевидных черт, которые позволили считать его предком крокодилов. Аналогичным образом ньясазавр был отнесён к ранним динозаврам или их близким родственникам.

Автор анализа Стерлинг Несбитт из Филдсовского музея естественной истории (США) отмечает, что взяться за этот образец ему помог... сервис Google Earth. Он и его коллеги проводили полевые работы в геологической формации Манда (Танзания) и прошли мимо интересного обнажения, которое располагалось всего в 30 м от учёных, но было скрыто густой травой. Его удалось разглядеть только благодаря интернет-сервису, и там учёные обнаружили множество окаменелостей, заставивших задуматься и по-новому взглянуть на ньясазавра.

На сегодня самой загадочной группой среди потомков архозавров остаются птерозавры. Они обладали полыми костями, а их предки были чрезвычайно малы, поэтому останки, относящиеся к началу и середине триаса, очень редки.

Столь же непонятно происхождение млекопитающих, набравших силу в первые 10 млн лет после мел-палеогенового вымирания, выкосившего динозавров (около 66 млн лет назад). Недавняя находка лодыжки намекнула на то, что самый ранний из приматов Purgatorius лазил по деревьям нынешней Монтаны ещё 65 млн лет назад. Но в остальном картина по-прежнему не проглядывается. Старейшие окаменелости летучих мышей и китов появляются в палеонтологической летописи намного позже. Как они связаны с первыми млекопитающими — бог весть.

Нельзя обойти вниманием и вопрос о предке человека. В 2009 году в Месселе близ Дармштадта (ФРГ) нашли образец Darwinius masillae по прозвищу Ида. Его поспешили объявить недостающим звеном в линии, ведущей к человеку, но потом выяснилось, что это представитель вымершей боковой ветви. Тем не менее экземпляр улучшил наши знания об анатомии ранних приматов.

Свет на тайну нашей эволюции проливает и генетика. Например, выяснилось, что раскол между человеком и шимпанзе произошёл гораздо раньше, чем было принято считать. Молекулярные часы (скорость генетических мутаций) говорят о том, что наш общий предок жил 7–13 млн лет назад, а не 4–6 млн. Раньше окаменелости, напоминавшие человеческие, но превосходившие по возрасту этот устаревший рубеж, считались ненадёжными. Возможно, теперь они снова привлекут к себе внимание учёных.

Самым большим достижением в области геномики можно считать определение видовой принадлежности скудного набора останков. Сами по себе фрагменты костей и зубы, найденные в Денисовой пещере, едва ли могли что-то поведать о владельцах, живших около 40 тыс. лет назад в Сибири. Но расшифровка ДНК показала, что это совершенно новый, неизвестный доселе вид, деливший с неандертальцами и нами Евразию во время последнего ледникового периода. Более того, около 5% его генома живёт по сей день в обитателях Папуа — Новой Гвинеи. Известно также, что мы все, за исключением коренных африканцев, — немножечко неандертальцы.

Старомодные методы тоже продолжают преподносить сюрпризы. На индонезийском острове Флорес обнаружен «хоббит» (Homo floresiensis), живший по крайней мере 17 тыс. лет назад. В прошлом году выяснилось, что в Китае совсем недавно существовал неизвестный вид, пока условно названный «людьми Пещеры благородного оленя». С нетерпением ждём результатов анализа ДНК тех и других.

Короче говоря, сегодня мы вооружены лучше, чем когда бы то ни было. И это не только новые высокотехнологичные инструменты, но и огромная база данных, накопленная несколькими поколениями палеонтологов. То, что раньше отбрасывалось в сторону во время раскопок, теперь имеет больше шансов привлечь обоснованное внимание. Например, г-н Несбитт приметил как-то 10-сантиметровый фрагмент, который оказался бедренной костью архозавра и повлёк за собой обнаружение целого скелета раннего крокодила под названием Xilousuchus.

«Почти каждый день появляется что-то интересное — новое ископаемое или новая статья, — отмечает Стивен Брузатте из Эдинбургского университета (Великобритания). — Это золотой век!»

Подготовлено по материалам NewScientist.