Древнейшие следы эукариот и цианобактерий на Земле признаны поздним загрязнением

Спиралевидные Grypania, макроскопические углеродистые ленты из формации Негауни (США, штат Мичиган), — это, вероятно, древнейшие найденные эукариотные организмы на Земле. Фото с сайта www.peripatus.gen.nz
Спиралевидные Grypania, макроскопические углеродистые ленты из формации Негауни (США, штат Мичиган), — это, вероятно, древнейшие найденные эукариотные организмы на Земле. Фото с сайта www.peripatus.gen.nz

Древнейшими следами эукариот и цианобактерий на Земле считаются биомаркеры, выделенные из западноавстралийских сланцев возрастом 2,7 млрд лет. Бесспорные палеонтологические находки цианобактерий и эукариот имеют возраст 2,15 и 1,8 млрд лет соответственно. Между этими двумя ориентирами помещается точка 2,4 млрд лет, отмечающая формирование кислородной атмосферы и гидросферы. Одновременное существование продуцентов кислорода и восстановительной (бескислородной) атмосферы в течение как минимум 300 млн лет представляло серьезный вопрос для ученых. Австралийские ученые с помощью новейшей аппаратуры перепроверили породы с древнейшими биомаркерами, породившими этот вопрос. Сравнение микропроб углеводородов привело ученых к заключению, что эти биомаркеры имеют более молодой возраст и привнесены в архейские породы уже после их остывания.

В 1999 году австралийские ученые опубликовали в журнале Science результаты изучения архейских сланцев в Австралии. Место, откуда пришли образцы, — Западная Австралия, кратон Пилбара (Pilbara craton), формация Джерина (Jeerinah) — сразу стало широко известным среди палеонтологов. Из этих сланцев были выделены биомаркеры (органические молекулы, однозначно указывающие на метаболизм определенной группы животных или растений; см. также biosignature) — молекулы углеводородов гопанов (hopanoid) и стеранов (sterane). Гопаны (2а-метилгопаны) не встречаются ни у каких организмов, кроме цианобактерий, а предшественники стеранов характеризуют исключительно эукариот. Так как возраст сланцев формации Джерина — 2,69 млрд лет, то обнаруженные биомаркеры датировали появление эукариот и цианобактерий именно этим возрастом.

Таким образом, датировка 2,7 млрд лет была принята учеными как самое древнее свидетельство существования эукариот и цианобактерий на планете. Присутствие фотосинтезирующих цианобактерий предполагало также формирование в это время кислородной атмосферы. Косвенно на это указывало и появление на данном рубеже эукариотных организмов: все без исключения эукариотные организмы используют кислород для дыхания.

Найденные биомаркеры возрастом 2,7 млрд лет серьезно «состарили» и эукариот, и цианобактерий. Ученые располагают несомненными палеонтологическими остатками эукариот (акритархов) возрастом 1,68–1,78 млрд лет и цианобактерий возрастом 2,15 млрд лет. Множество независимых геохимических данных говорят о формировании кислородной атмосферы на рубеже 2,4 млрд лет. Получается внушительный разрыв по крайней мере в 300 млн лет между данными палеонтологии и геохимии с одной стороны и датировками биомаркеров с другой. Почему при функционировании цианобактерий кислород в атмосфере и в воде не накапливался? Где он мог в течение 300 млн лет храниться и какие геохимические признаки могут указывать на это хранилище? В течение почти десяти лет ученые пытались ответить на эти вопросы.

Тем временем группа ученых из Австралийского технологического университета имени Кэртена в Бентли, Австралийского национального университета в Канберре и Западноавстралийского университета в Кроули под руководством Йохена Брокса (Jochen J. Brocks), автора датировок 2,7 млрд лет, продолжала исследования архейских сланцев из кратона Пилбара. За прошедшее время существенно усовершенствовалась техника исследования. Теперь в распоряжении ученых имеется современная аппаратура — ионный микрозонд NanoSIMS 50 фирмы Cameca. С помощью этого микрозонда можно просканировать поверхность образца с разрешением до 50 нанометров и измерить количество изотопов углерода прямо в шлифе, не выделяя растворимые фракции углеводородов для исследования. Таким образом ученые получили картину распределения изотопов в образцах сланцев. За счет высокого разрешения удалось оценить изотопные соотношения углерода 12С/13С в органическом матриксе (фоновой органике) сланцев — керогенах и частицах пиробитумов (керогены и пиробитумы являются продуктом разложения и трансформации отмершей органики).

Известно было, что в позднеархейских породах изотопный состав органического углерода уникален. В растворимой углеводородной фракции тяжелых изотопов 13С относительно много: показатель δ13С составляет от –29 до –26‰. (Относительное содержание тяжелого изотопа углерода 13С рассчитывается по формуле: δ13С = 1000{[(13C/12C)sample/(13C/12C)standard] – 1}. Отрицательное число получается, если в образце отношение 13C/12C меньше, чем в современности, и это число тем меньше, чем больше в образце легкого изотопа углерода 12С.) В керогенах — нерастворимой фракции углеводородов — изотопный состав существенно облегчен: показатель δ13С < –39‰. Относительно большая доля легких изотопов 12С в керогенах характерна для всех позднеархейских пород. Эту особенность связывают с деятельностью метанотрофных бактерий. Метанотрофы продуцируют очень легкую органику с изотопным соотношением δ13С от –42 до –85‰. В более поздних (фанерозойских) породах картина обычно обратная, то есть в керогенах тяжелых изотопов обычно немного больше, чем в растворимых углеводородах сланцев. Загадка древнейших биомаркеров состояла в том, что их изотопный состав не содержал этой уникальной архейской «подписи» — облегченного изотопного состава.

У этой загадки могло быть два решения. Во-первых, признать измененный изотопный состав результатом нагревания и других метаморфических преобразований керогенов. Во-вторых, признать найденные биомаркеры более поздним загрязнением. Если принять первое объяснение (как и было сделано в 1999 году при обнародовании древнейших датировок), то и у других продуктов термического преобразования углеводородов эта подпись должна стереться. Таким термически измененным продуктом являются пиробитумы. Но оказалось, что они вполне соответствуют по своему изотопному составу уникальному позднеархейскому «стандарту». Значит, придется признать правильным, хоть это и очень обидно, второе объяснение: биомаркеры в позднеархейских породах — это загрязнение более молодыми по возрасту нефтями.

Этот печальный вывод подтверждается и тонкими петрологическими исследованиями. В шлифах выделяются жилы, содержащие органический углерод, по которым, видимо, и осуществлялся транспорт переработанной органики по материнской породе.

Датировки древнейших биотических событий. Вопросительными знаками помечены спорные находки и интерпретации. Схема из статьи в Nature с небольшими корректировками по статье Сергеев и др., 2007
Датировки древнейших биотических событий. Вопросительными знаками помечены спорные находки и интерпретации. Схема из обсуждаемой статьи в Nature Woodward W. Fischer с небольшими корректировками по статье Сергеев и др. «Основные этапы развития органического мира: Сообщение 1. Архей и ранний протерозой» // Стратиграфия и геологическая корреляция. 2007. Т. 15. Вып. 2. С. 25-46

Какими фактами, помимо биомаркеров, располагают ученые по ранним следам цианобактерий и эукариот? В западной Австралии в серии Фортескью (возраст 2,76–2,63 млрд лет), на юге кратона Пилбара, найдены вертикально ориентированные слепки тонких нитей. Это могли быть с равной вероятностью и цианобактерии, и серобактерии. В Южной Африке в надсерии Трансвааль (возраст 2,52–2,51 млрд лет) присутствуют крупные широкие неветвящиеся чехлы (остатки полисахаридных оболочек) и кокки. Интерпретация этих ископаемых неоднозначна: либо это цианобактерии, либо псевдофоссилии (то есть минеральные образования, внешне напоминающие останки живых существ; когда речь идет о микронном или тем более наноразмерном уровне, часто невозможно точно сказать, имеем ли мы дело с настоящими ископаемыми или с обманками; именно с этим и связана, кстати, неопределенность в распознавании марсианских «бактерий»). На Балтийском щите (возраст 2,3–2,06 млрд лет) найдены остатки цианобактериальных нитей и, возможно, эукариот. В криворожской серии на Украине (2,5–2,0 млрд лет) — цианобактерии и вероятные эукариоты. В Канаде в надсерии Белчер (возраст 2–1,96 млрд лет), на островах Белчер в Гудзоновом заливе, — разнообразная флора цианобактерий. США, серия Минномини, формация Негауни (возраст 1,87 млрд лет), из района озера Верхнего, — низшие эукариотные водоросли. Сибирь, удоканская серия (возраст 2,18–1,87 млрд лет) — водоросли удокания (Udokania).

Недавно описанная Печенгия (Pechengia) из Кольских пород возрастом 2,1 млрд лет признана авторами открытия А. Ю. Розановым и М. М. Астафьевой эукариотным организмом из группы зеленых водорослей. Основанием для отнесения печенгии к ядерным организмам послужила видимость на некоторых снимках кусочков двойной клеточной мембраны. А это всё же является признаком эукариотных организмов. Если это так, то печенгия окажется самым древним ископаемым свидетельством эукариотной жизни на планете. Но существуют опасения, что двойная мембрана в данном случае может быть просто сколом складки смятой одиночной мембраны. Пока специалисты опасаются выносить печенгии безоговорочный вердикт.

Помимо палеонтологических находок также имеются и сведения об архейских биомаркерах эукариот и цианобактерий, например в Канаде, в породах возрастом 2,45 млрд лет.

Как мы видим, бесспорные данные говорят о появлении цианобактерий 2,3–2,0 млрд лет назад, а эукариот 1,8 млрд лет назад. Эти данные обрисовывают следующий сценарий. До 2,4 млрд лет на Земле развивались анаэробные бактерии, в том числе и большое количество анаэробных метанотрофов. В результате их деятельности в породах накапливалась облегченная по изотопам углерода органика керогенов, а в атмосфере — парниковые газы. В результате в позднеархейское время на планете поддерживался парниковый эффект. Цианобактерии возникли непосредственно перед рубежом 2,4 млрд лет. Их развитие привело к формированию окислительной атмосферы и угнетению метанотрофов. Концентрация парниковых газов резко понизилась и наступило похолодание. И вслед за этим планета вступила в эпоху длительного — так называемого Гуронского — оледенения (см. Huronian glaciation).

Так или иначе, ученые вновь вернулись к прежним ключевым датировкам в эволюции — 2,4 млрд (формирование кислородной атмосферы и гидросферы), 2,15 млрд (находки первых цианобактерий) и 1,8 млрд лет (находки первых эукариот). В связи с этим придется перенастраивать молекулярные часы эволюции, в которых время появления эукариот и цианобактерий заведено на 2,7 млрд лет.

Источники:
1) Birger Rasmussen, Ian R. Fletcher, Jochen J. Brocks, Matt R. Kilburn. Reassessing the first appearance of eukaryotes and cyanobacteria // Nature. V. 455. P. 1101–1104 (23 October 2008); doi:10.1038/nature07381.
2) Woodward W. Fischer. Biogeochemistry: Life before the rise of oxygen // Nature. V. 455. P. 1051–1052 (23 October 2008); doi:10.1038/4551051a. Published online 22 October 2008

Елена Наймарк


8
Показать комментарии (8)
Свернуть комментарии (8)

  • Александр Марков  | 30.10.2008 | 17:10 Ответить
    Замечательный пример того, как должен вести себя настоящий ученый. Брокс сначала объявил об открытии древнейших биомаркеров, а потом, обнаружив новые факты, сам же "закрыл" свое открытие. Как это непохоже на поведение тех, кто строит свои убеждения не на науке, а на религии, идеологии и прочих "вечных истинах". Казалось бы, Брокса убить мало: он 9 лет держал весь мир в заблуждении! Однако каждый имеет право на ошибку, главное - найти мужество ее признать.
    Ответить
    • Ka > Александр Марков | 30.10.2008 | 21:44 Ответить
      При этом ошибка была опубликована в Science, а исправление - в Nature. Многие ради таких исправлений и ошибиться будут рады)))
      Ответить
      • Александр Марков > Ka | 30.10.2008 | 22:01 Ответить
        Это вы точно подметили )))
        Ответить
  • glagol  | 02.11.2008 | 20:59 Ответить
    А как же утверждения К.Еськова, что следы фотосинтеза обнаружены в осадочных породах формации Исуа возрастом 3,8 млрд лет? Или предполагается, что это был бескислородный фотосинтез? Кстати, принятое в книге Еськова и других источниках объяснение, согласно которому кислород в течение длительного времени расходовался на окисление восстановленных минералов и осаждение из воды двухвалентного железа в виде джеспилитов представляется довольно логичным. Тогда разрыв между временем появления кислородного фотосинтеза и кислородной атмосферы не представляет загадки. Или это не общепринято?
    В самой статье есть два очень странных места.
    "Косвенно на это указывало и появление на данном рубеже эукариотных организмов: все без исключения эукариотные организмы используют кислород для дыхания." Среди эукариот (как протистов, так и многоклеточных животных и грибов) есть масса нестрогих и немало строгих анаэробов. Это и организмы тиобиоса, и обычные дрожжи, и кишечные паразиты, и многие другие формы. Более того - сам тип энергетического обмена цитоплазмы эукариот(гликолиз), по-моему, с очевидностью указывает на то, что "уркариоты" появились (и, вероятно, долгое время эволюционировали)в анаэробных условиях.
    "Основанием для отнесения печенгии к ядерным организмам послужила видимость на некоторых снимках кусочков двойной клеточной мембраны. А это всё же является признаком эукариотных организмов." Непонятно, о какой мембране идет речь - может быть, о ядерной оболочке? Термин "двойная" неоднозначен - и наружная мембрана двойная (двойной слой липидов),но она характерна и для прокариот, и ядерная оболочка двойная (состоит из двух мембран). Вероятно, это нужно уточнить.
    Ответить
    • Александр Марков > glagol | 04.11.2008 | 12:15 Ответить
      По поводу обсуждения остатков из Исуа прочитайте статью Сергеева и др, 2007, ссылка имеется в статье. Там же вы найдете и ответ на вопрос об общепринятости версии об осаждении джаспелитов. Кроме того, общепринятость гипотезы расходования первичного кислорода на окисление металлов и согласование возраста залегания джаспелитов с точкой 2, 6-2, 4 млд. лет вы можете обсудить с Еськовым (наверняка Вы имеете контакт с ним). Мнение относительно Печенгии уточните в статье Астафьевой и было Розанова (ссылка имеется). Академик Розанов - автор Печенгии - пишет в статье именно то, что я и написала. Если Вас интересуют подробности, могу Вам дать его е-мэйл. У специалистов к определению и истолкованию данных остатков имеются некоторые претензии. Относительно происхождения эукариот из анаэробных организмов - это весьма спорная гипотеза. Но вы можете отстаивать ее, раз считаете нужным.
      Новость, которую я написала в Элементы, представляется мне чрезвычайно важной для современной науки. Также важен и метод, с помощью которого проведено исследование. Вполне вероятно, что с помощью него можно будет перепроверить и других кандидатов на роль древнейших остатков. Что же касается употребления термина "двойная мембрана", то из нас двоих специалист явно Вы. Я передам академику А.Ю.Розанову, что Глаголев настивает на более корректном употреблении этого словосочетания.
      Если Вам понадобятся копии статей, то я перешлю Вам, какие сама имею.
      с уважением, Елена Наймарк
      Ответить
  • GENVELES  | 02.11.2008 | 23:50 Ответить
    Не на вашем ли сайте было написано, что уже 2,6 млрд лет назад кислорода в атмосфере было 0,2%. А прокариоты могли попадать на Землю из космоса, причём неоднократно.
    Ответить
    • Александр Марков > GENVELES | 04.11.2008 | 12:21 Ответить
      Формирование кислородной атмосферы определяют как 2.6-2,4 млд.лет. Точнее трудно что-либо определить. В действительности, нет четких показателей, по которым бы определялось наличие кислорода в атмосфере. Прокариоты и вправду могли попасть из космоса. Только доказать это пока не удается, и все остается на уровне "могли бы" .
      Ответить
  • Скеп-тик  | 08.04.2011 | 20:42 Ответить
    Только в этом году дорвался до интернета и читаю "Элементы" по направлению к рошлому. И вот замечание.
    Метаболизм метанотрофных (водородо-, сульфидо-, сульфито-) в принципе невозможен без свободного кислорода! Хотя бы 0,05% в атмосфере. Современные анаэробы используют как энергоисточник углеводы,а это совсем другой "керосин". Так что "светоеды" и метанотрофы должны образовывать симбиотические биоценозы. А Солнце светило тогда на 12% (25% меньше - 4,5 млрд. назад), а Земля находиться на дальнем краю "зоны жизни". Сложите все это, и получите, что основным лимитирующим фактором для жизни станет наличие жидкой воды. 2,4 млрд. лет назад произошел перелом - из-за роста светимости Солнца и роста плотности атмосферы появились лужи ( пусть временные) и эукариоты вырвались на свободу из геотермальных заповедников. Думаю, это простое объяснение.
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»