Многоклеточные организмы, возможно, появились свыше 2 млрд лет назад

Изображения новооткрытых древних организмов, полученные при помощи рентгеновской томографии. Вверху — вид сверху, внизу — продольный срез. Белые пятна — пиритовые включения. Длина масштабной линейки 1 см. Фото из обсуждаемой статьи в Nature
Изображения новооткрытых древних организмов, полученные при помощи рентгеновской томографии. Вверху — вид сверху, внизу — продольный срез. Белые пятна — пиритовые включения. Длина масштабной линейки 1 см. Фото из обсуждаемой статьи в Nature

Большая международная группа палеонтологов обнаружила в Габоне в отложениях возрастом 2,1 млрд лет ископаемые остатки живых существ сантиметрового размера, напоминающих плоских червей. С большой вероятностью эти организмы были многоклеточными эукариотами. До сих пор древнейшими свидетельствами существования многоклеточной жизни считались спиралевидные углеродистые ленты Grypania возрастом до 1,9 млрд лет, трактуемые как водоросли.

Во времена Дарвина древнейшими известными ископаемыми организмами были обитатели морей кембрийского периода, который, как мы теперь знаем, начался 542 млн лет назад. Докембрийские толщи считались «мертвыми», и Дарвин видел в этом факте серьезный аргумент против своей теории. Он предполагал, что кембрийскому периоду должна была предшествовать длительная эпоха постепенного развития жизни, хотя и не мог объяснить, почему следы этой жизни до сих пор не найдены. Может быть, просто плохо искали?

Развитие палеонтологии в XX веке блестяще подтвердило догадки Дарвина. В докембрийских осадочных толщах обнаружилось множество недвусмысленных признаков существования живых организмов. Подавляющее большинство докембрийских находок — это окаменелые остатки микробов и разнообразные следы их жизнедеятельности.

Самым ранним свидетельством жизни считается облегченный изотопный состав углерода из графитовых включений в кристаллах апатита, найденных в Гренландии в отложениях возрастом 3,8 млрд лет. Древнейшие окаменелости, очень похожие на бактерий, и первые строматолиты — слоистые минеральные образования, возникшие в результате жизнедеятельности микробных сообществ — имеют возраст 3,55–3,4 млрд лет. Следы микробной жизни становятся многочисленнее и разнообразнее по мере уменьшения возраста пород (М. А. Федонкин, 2006. Две летописи жизни: опыт сопоставления (палеобиология и геномика о ранних этапах эволюции биосферы)).

Вопрос о времени появления первых эукариот и первых многоклеточных остается спорным. Большинство современных типов животных стали бурно развиваться только в начале кембрия, однако еще раньше — в вендском, или эдиакарском периоде (635–542 млн лет назад) в морях появились разнообразные и многочисленные мягкотелые существа, в том числе довольно крупные, которые большинством специалистов трактуются как многоклеточные животные (Я. Е. Малаховская, А. Ю. Иванцов. Вендские жители земли; Тайна эмбрионов Доушаньтуо раскрыта, «Элементы», 12.04.2007). Еще раньше, в криогеновом периоде (850–635 млн лет назад), обнаружены химические следы присутствия примитивных многоклеточных животных — губок.

До-эдиакарские находки макроскопических ископаемых весьма редки и вызывают бурные споры (о некоторых из этих находок рассказано в заметке Животные появились свыше 635 миллионов лет назад, «Элементы», 09.02.2009; там же приведена подборка ссылок по теме). Как правило, чем древнее такие находки, тем они сомнительнее. До сих пор самым древним ископаемым существом, которое можно более или менее уверенно интерпретировать как многоклеточное, считалась грипания (Grypania). Этот организм сохранился в виде спиралевидных углеродистых лент, напоминающих какую-то водоросль; возраст находок — до 1,9 млрд лет (М. А. Федонкин. Геохимический голод и становление царств; Размер живых существ увеличивался скачками, «Элементы», 31.12.2008). Впрочем, некоторые авторы считают, что грипания могла быть очень крупной и сложной колонией цианобактерий.

В последнем номере журнала Nature большая группа палеонтологов из Франции, Швеции, Дании, Бельгии, Канады и Германии сообщила о новой уникальной находке, сделанной в раннепротерозойских морских отложениях на юго-востоке Габона. Возраст осадочной толщи, в которой заключены окаменелости, был определен с большой точностью при помощи нескольких независимых радиометрических методов. Он составляет 2100±30 млн лет, то есть на 200 млн лет старше самой древней грипании.

Авторы извлекли из породы более 250 образцов с окаменевшими остатками странных существ продолговатой или почти округлой формы. Их длина варьирует от 7 до 120 мм, ширина — от 5 до 70 мм, толщина — от 1 до 10 мм. Плотность организмов достигает 40 штук на квадратный метр, причем вместе встречаются экземпляры разного размера и ориентации.

Общий вид находок. Внизу — отдельный организм и оставленный им в породе отпечаток. Длина масштабных линеек 1 см. Изображения из обсуждаемой статьи в Nature
Общий вид находок. Внизу — отдельный организм и оставленный им в породе отпечаток. Длина масштабных линеек 1 см. Изображения из обсуждаемой статьи в Nature

При помощи компьютерной рентгеновской томографии авторы получили красивые объемные изображения древних организмов. На них хорошо видна уплощенная волнистая «кайма» с радиальной складчатостью. Складчатая область обычно доходит до внешнего края тела, но у некоторых экземпляров складки заметны только на внутренней части каймы, а у некоторых отсутствуют вовсе.

Четыре экземпляра, демонстрирующие вариабельность формы и строения габонских организмов: a — общий вид образца, b–d — реконструкции, полученные при помощи рентгеновской компьютерной томографии. Длина масштабных линеек 5 мм. Изображения из обсуждаемой статьи в Nature
Четыре экземпляра, демонстрирующие вариабельность формы и строения габонских организмов: a — общий вид образца, b–d — реконструкции, полученные при помощи рентгеновской компьютерной томографии. Длина масштабных линеек 5 мм. Изображения из обсуждаемой статьи в Nature

У многих крупных экземпляров в средней части тела присутствуют включения пирита двух типов: плоские «листы» и округлые гранулы. Анализ изотопного состава серы в этих пиритовых образованиях показал, что «листы» образовались вскоре после смерти организмов в результате деятельности сульфат-редуцирующих бактерий, причем концентрация сульфата в окружающей воде должна была быть довольно высокой. Округлые гранулы образовались на более поздних этапах диагенеза и поэтому не несут информации о форме и строении ископаемых существ. Различия в концентрации стабильного изотопа углерода 13C в остатках организмов и в окружающей породе дополнительно подтвердили, что эти окаменелости не являются какими-то неорганическими образованиями. В породе обнаружены стераны — органические молекулы, происходящие от эукариотических мембранных стеролов. Это надежный признак присутствия эукариотической жизни.

По мнению авторов, найденные остатки принадлежат колониальным организмам, скорее всего колониальным эукариотам. Колонии бактерий могут иметь похожую форму и фестончатые края, но габонские находки имеют более сложную структуру, чем известные бактериальные колонии. По мнению авторов, структура этих организмов указывает на то, что они росли за счет координированного деления клеток, обменивавшихся сигналами между собой, как это происходит в ходе развития многоклеточных эукариот. К тому же присутствие стеранов недвусмысленно указывает на эукариотическую природу древних существ.

Химический анализ породы показал, что эти морские осадки формировались в присутствии заметных количеств свободного кислорода. Поэтому вполне возможно, что габонские организмы были аэробными (дышали кислородом), как и положено нормальным эукариотам. По современным данным, первое существенное увеличение концентрации кислорода в гидросфере и атмосфере (Great oxygenation event) произошло 2,45–2,32 млрд лет назад, то есть примерно за 200 млн лет до времени жизни габонских организмов.

Авторы воздержались от попыток более точного определения родственных связей новооткрытых существ. Известно, что разные группы эукариот независимо переходили к многоклеточности десятки раз, и найденные в Габоне существа, возможно, представляют собой одну из самых ранних попыток такого рода.

Источник: Abderrazak El Albani, et al. Large colonial organisms with coordinated growth in oxygenated environments 2.1 Gyr ago // Nature. 2010. V. 466. P. 100–104.

См. также:
1) Анимация, показывающая детали томографической реконструкции раннепротерозойского организма.
2) М. А. Федонкин, 2006. Две летописи жизни: опыт сопоставления (палеобиология и геномика о ранних этапах эволюции биосферы).
3) М. А. Федонкин. Геохимический голод и становление царств.
4) Животные появились свыше 635 миллионов лет назад, «Элементы», 09.02.2009.
5) Размер живых существ увеличивался скачками, «Элементы», 31.12.2008.

Александр Марков


7
Показать комментарии (7)
Свернуть комментарии (7)

  • kbob  | 12.07.2010 | 06:40 Ответить
    А есть многоклеточные которые не дышат кислородом?
    Ответить
    • biarmia > kbob | 12.07.2010 | 16:16 Ответить
      Как отмечает доктор наук, профессор В. Зубаков, два миллиарда лет назад в биосфере произошла катастрофа, из-за которой жизнь на Земле совершенно изменилась. Причиной стали лидеры эволюции того времени – цианобактерии. Это одна из самых древних, достоверно известных науке форм жизни на Земле. Ей больше 2,8 миллиарда лет. Цианобактерии дышали углекислым газом и азотом (кислорода тогда не было) и в качестве продукта выделяли кислород – яд для всех архибактерий, покрывавших сплошным ковром поверхность Земли. В результате соседи по планете быстро вымерли. Однако с уменьшением интенсивности вулканических процессов и увеличением кислорода в атмосфере цианобактерии тоже вымерли. Опустевшая экологическая ниша в течение многих миллионов лет была заполнена мутантами. Постепенно возникла принципиально новая форма жизни – клетка с ядром, так была запущена гонка развития новой жизни на Земле.
      Ответить
    • Andrey_Vedenin > kbob | 16.07.2010 | 00:21 Ответить
      Как-то biarmia не очень ответил на ваш вопрос. Есть, и довольно много. Это разнообразные нематоды, живущие где-то в анаэробной толще ила среди сульфатредукторов, это очень многие глисты (те же цепни, когда в кишечнике сидят). Причем, что интересно, у всех этих многоклеточных анаэробов (которые, конечно, все-таки исключение из правил) есть митохондрии, только не вполне понятно, чем они там у них занимаются :))
      Ответить
  • biarmia  | 12.07.2010 | 11:10 Ответить
    На ранней стадии процесса зачатия жизни появились мембраны – тонкие перепонки или оболочки, состоящие из органических молекул, которые позволили некоторым из этих органических молекул концентрироваться и накапливаться в ячейках среды, слегка отличающихся от частей ее, находящихся по другую сторону мембранной оболочки, т.е. возникли первые клетки, не имеющие ни ядра, ни других важных внутриклеточных структур, свойственных более развитым формам жизни. Их называют прокариотами.
    В протерозое произошел момент, когда прокариотная клетка поглотила другую, как полагают, пытаясь "съесть ее". Тем самым произошло возникновение эукаритовых клеток, или эукаритов. Но поглощенная клетка не поддалась и продолжала жить внутри поглотившей ее в счастливом симбиозе, постепенно меняясь и приспосабливаясь к такому существованию. Примером такой внутриклеточной клетки является хлоропласт. Клетки, имеющие внутреннюю структуру, впервые появились, по мнению некоторых ученых, около 1,4 миллиарда лет назад.
    Ответить
  • Combinator  | 12.07.2010 | 12:13 Ответить
    Александр, спасибо за обзор весьма интересной статьи.
    Пара небольших уточнений по тексту:
    1. В последнее время появляется всё больше данных, что породы с древнейшими следами облегчённого углерода в Гренландии являются позднейшими загрязнениями, просочившимися из более молодых слоёв, наподобии того, как это было недавно признано относительно считавшихся древнейшими пород, содержащих биомаркеры эукариот, в Австралии.
    2. Что касается первых строматолитов и отпечатков предпологаемых бактерий, то максимальный возраст соответствующих пород в настоящее время оценивается в 3.49-3.50 млрд. лет. Цифра 3.55 по видимому появилась из статьи Шопфа и др. 2002-го года, но, судя по его более поздней обзороной статье 2006-го года (Fossil evidence of Archaean life) позже возраст этих пород был пересмотрен в сторону уменьшения.
    Ответить
  • Kostja  | 13.07.2010 | 08:10 Ответить
    Может они содержали в себе фотосинтезирующих симбионтов чтобы иметь собственный источник кислорода? А может искали богатые кислородом места.
    Ответить
  • dudenkov  | 06.08.2010 | 17:39 Ответить
    Таким образом, окончательно назрела проблема объяснения очень длительного (возможно, до 1,5 млрд. лет) временного периода между первыми редкими разрозненными отпечатками мягкотелых многоклеточных эукариот, пока не обнаруживающих явных признаков родства с современными формами, и "внезапным" появлением при "кембрийском взрыве" множества их развитых скелетных форм, имеющих бесспорные преемственные связи с современными формами многоклеточных. Попытаемся рассмотреть возможные причины того, что сложилась такая ситуация:
    1. Среда, химически совместимая с жизнью новых групп организмов, первоначально возникала в небольших географических областях (подземных или подводных), обмен веществ между которыми и атмосферой или остальной гидросферой по объективным причинам был весьма затруднён, подобно существованию анаэробной сероводородной среды в глубинной части современного Черного моря (на глубинах более 100-200 м при типичном расстоянии до дна примерно 2000 км) или адаптированных к особым химическим условиям экосистемам подводных горячих источников типа "черных курильщиков". В результате могла сложиться ситуация, когда многие этапы эволюции многоклеточных форм проходили исключительно на небольших участках дна океанов, которые за короткое время (не более 200 млн. лет, судя по данным о современных скоростях дрейфа океанических плит) с очень высокой вероятностью, почти гарантированно оказались уничтожены при затягивании океанического дна в мантию в зонах океанических желобов.
    2. Химизм части древней гидросферы мог препятствовать образованию скелетных форм в течение большей части ее истории (подобно тому, как в современных карбонатных осадках присутствуют почти исключительно известняки - из металлов они содержат только кальций, в отличие от ряда прошлых эпох, способствовавших осаждению доломитов, необходимым дополнительным компонентом которых является магний). Альтернативно, появление скелетов многоклеточных могло быть обязано единственной ключевой мутации, которая быстро распространилась путем горизонтального переноса генов по нескольким группам уже существовавших многоклеточных. В обоих случаях, сохранность окаменелостей предшествовавших форм многоклеточных на порядки худшая, и оказывается удовлетворительной только в особо благоприятных условиях.
    3. Главной движущей силой "кембрийского взрыва" стало появление многоклеточных хищников. До этого практически все мутации, изменяющие морфологию многоклеточных, приводили к жизнеспособным формам - они могли выживать благодаря кожному дыханию и питанию с помощью клеток типа стрекательных даже при полной потере подвижности, находившейся в жесткой причинно-следственной связи с прежним, отобранным эволюцией планом строения тела, а далее могли эволюционно возникнуть новые формы подвижности и новые структуры нервных систем и органов чувств, адаптированные уже для нового плана строения тела. После появления первых многоклеточных хищников, находящих добычу с помощью органов чувств и расчленяющих и поедающих ее с помощью жестких (скелетных, хрящевых или др.) ротовых органов, мутации, радикально меняющие план строения тела, стали летальными для всех видов, кроме скелетных, ведущих прикрепленный образ жизни. Появление биохимических механизмов скелетообразования оказалось крайне важно как для защиты (панцири), так и для нападения (челюсти), что способствовало быстрому распространению скелетов и истреблению типов организмов, не успевших приобрести достаточную пространственную подвижность (как медузоидные кишечнополостные и гребневики) или импортировать важные для скелетообразования гены. И именно поэтому от кембрийского времени идёт строгая постепенная преемственность планов строения организмов, без "резких движений".
    4. Значительная часть многоклеточных организмов, живших во времена, предшествовавшие криогенному периоду (когда Земля, по имеющимся данным, временами покрывалась сплошной ледяной корой, покрывающей и материки, и океаны вплоть до экваториальных широт), не смогли адаптироваться к новым климатическим условиям - когда лёд не пускал в воду кислород и свет, и для жизни организмов, не переносящих низких температур или высоких давлений больших глубин, на Земле не осталось места. Вымершие в этот период организмы были "мягкотелыми", и именно у них произошли ключевые изменения планов строения тела, соответствовавшие появлению современных таксонов многоклетночных животных.
    5. Не исключено, что важные промежуточные этапы эволюции многоклеточных животных соответствовали микроскопическим организмам, которые, несмотря на довольно сложное анатомическое строение, имели типичные размеры не более современных нематод и коловраток. В этом случае обнаружение окаменелостей таких переходных форм может быть особенно затруднено.
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»