LUCA (Last Universal Common Ancestor) ist der letzte gemeinsame Vorfahre aller lebenden Organismen. Sein genauestes Porträt der Bioinformatik entstand 2016. Über die Ergebnisse ihrer Arbeit haben wir kurz im Artikel "Das ist alles von Lukas" geschrieben. Wie genau Biologen Familienbande zwischen Tieren identifizieren und die Pfade ihrer Evolution wiederherstellen, finden Sie in dem Buch „Das Evangelium von LUCA. Auf der Suche nach der Genealogie der Tierwelt “(Verlag“Alpina Sachbuch “), sagt der Biologe Maxim Vinarsky. Das Organisationskomitee des Aufklärerpreises hat dieses Buch in eine „lange Liste“von 25 Büchern aufgenommen, unter denen die Finalisten und Preisträger des Preises ausgewählt werden. N + 1 lädt seine Leser ein, sich mit einem Auszug über den Aufbau des Fossilienbestandes der Erde und die Entstehung der ersten Vertreter moderner Tierarten vertraut zu machen.
Und die Bastard-Meer-Unterwasserpassage
Ich habe den Meeresboden studiert
Es ist verlassen und dunkel
Und für ihn, von Sehnsucht umarmt,
Nur eine Seeschabe kriecht,
Dort brennt der Seestern,
Da zischt die Seeschlange…
Leonid Martynow. Meeresgrund
Seit mehr als zwei Jahrhunderten wird die steinerne Chronik der Erdkruste mit den Überresten lebender Organismen (Fossilien) studiert. Eine der ersten wichtigen Entdeckungen ganz am Anfang dieses Weges war die Erkenntnis, dass sich Fossilien in den Schichten der Erdkruste nicht irgendwie, sondern in einer strengen Reihenfolge befinden. In Schichten, die einer bestimmten geologischen Periode entsprechen, beispielsweise dem Devon oder der Kreidezeit, finden sich nur genau definierte Fossilientypen, die nie oder fast nie in Schichten unterschiedlichen Alters vorkommen. Dies war viktorianischen Herren mit geologischen Hämmern bekannt, wie Charles Smithson, einer Figur in John Fowles' Roman "The French Lieutenant's Woman". Dieses Merkmal des Fossilienbestandes ist von kolossaler praktischer Bedeutung, denn es ermöglicht durch das Studium von Fossilien festzustellen, zu welcher geologischen Epoche die Wirtsgesteine gehören. Damit beschäftigt sich eine besondere wissenschaftliche Disziplin - die Biostratigraphie. Seine Bedeutung wird von Geologen, die sich auf die Erkundung von Mineralien spezialisiert haben, gut verstanden. Das Sammeln und Studieren von Fossilien wird nicht nur von Amateurgeologen wie dem fiktiven Smithson, sondern auch von ganzen geologischen Prospektionsinstituten betrieben.
Der Grund für diese Anordnung ist, dass in der Erdgeschichte nach und nach Sedimentgesteine in zeitlicher Abfolge abgelagert wurden, die so etwas wie einen kolossalen Flockenkuchen aus Sandstein, Kalkstein, Mergel und anderen Gesteinen bildeten. Obwohl mächtige tektonische Kräfte immer wieder die oberen Horizonte der Erdkruste verformten und die richtige Abfolge alternierender Schichten durcheinanderbrachten, waren die jahrhundertealten Bemühungen der Geologen nicht umsonst. Es gelang ihnen, ein einziges Schema für den gesamten Planeten der Abfolge geologischer Epochen und Perioden zu erstellen - eine geochronologische Skala, die Daten des Beginns und des Endes jeder seiner Teilungen zu bestimmen und auch die für sie spezifische Flora und Fauna zu beschreiben.
Obwohl es auf der Erde nichts dergleichen gibt und geben wird, stellen wir uns für eine Weile vor, dass es irgendwo eine sehr tiefe Schlucht gibt, deren Wände von Sedimentgesteinen gebildet werden, die sich in den letzten Milliarden Jahren gebildet haben. Nehmen wir an, der Sedimentationsablauf sei hier schon lange nicht mehr unterbrochen worden. In diesem Fall speichert unser imaginärer Supercanyon den gesamten Fossilienbestand für die angegebene Zeit.
Beginnen wir unseren mentalen Abstieg zum Grund der gigantischen Schlucht. Die der Erdoberfläche am nächsten liegenden Schichten müssen sich während der aktuellen geologischen Periode (Holocän) gebildet haben. Die darin präsentierten Überreste von Tieren und Pflanzen werden ausschließlich zu den derzeit existierenden Arten gehören. Tatsächlich sind dies unsere Zeitgenossen, obwohl sie vor mehreren Jahrtausenden gelebt haben. Die im Quartär gebildeten Schichten gehen etwas tiefer. Machen wir noch eine Annahme. Lass unsere Schlucht irgendwo im Süden Sibiriens liegen. In diesem Fall liefern uns die Quartärschichten Fossilien, die zu den zweifellos ausgestorbenen Arten der Eiszeit gehören - Mammuts, Wollnashörner, Höhlenhyänen und andere.
Je tiefer wir also hinabsteigen, desto älter und ungleicher werden die Kreaturen auf unserem Weg begegnen. Die Rede ist natürlich von ihren versteinerten Knochen, Zähnen, Schuppen und Muscheln. Ungefähr ein Drittel unseres Abstiegs werden die Überreste großer Säugetiere verschwinden und den Überresten riesiger mesozoischer Reptilien weichen - die Mongolen nannten sie Moon Yas, was "Drachenknochen" bedeutet. In diesen Schichten werden wir neben den Knochen von Ichthyosauriern und Plesiosauriern sicherlich versteinerte Ammonitenschalen und "Teufelsfinger" finden - die Überreste der inneren Skelette ihrer Verwandten, Belemniten, die an die heutigen Tintenfische erinnern (sowohl erstere als auch letztere gehören.) zur Klasse der Kopffüßer). Auch darunter werden die Überreste von Reptilien durch die Knochen von Amphibien ersetzt und verschwinden dann, so dass die einzigen Wirbeltiere in diesen Schichten Fische sind (in vielerlei Hinsicht im Gegensatz zu modernen). Wenn wir schließlich etwa zwei Drittel des Abstiegs hinter uns haben, was einer Sedimentansammlung von etwa 515 Millionen Jahren entspricht, werden unsere Begleiter hauptsächlich relativ primitive und nicht sehr große Wirbellose sein - Trilobiten, Weichtiere, Archaeocyaten. Es wird überhaupt keine Wirbeltiere geben.
Wenn wir noch ein paar hundert Meter absteigen, ändert sich alles um uns herum dramatisch. Wie durch eine Welle des Zauberstabs eines bösen Zauberers werden versteinerte Skelette - Muscheln, Muscheln, Häuser - verschwinden, und alles, was wir finden können, sind die Überreste einer seltsamen Art von Kreaturen, die versteinerten Blättern ähneln. Natürlich werden Sedimentgesteine sicherlich mikroskopische Fossilien enthalten, aber ihr Nachweis erfordert ein gutes Mikroskop, vorzugsweise ein elektronisches.
Es war diese scharfe Grenze, die durch das plötzliche Verschwinden der Überreste von Tieren des modernen Typs gekennzeichnet war, die die Spezialisten einst dazu zwang, die gesamte geochronologische Skala in zwei Teile von ungleicher Dauer zu unterteilen. Das obere, in dem große Fossilien reichlich vertreten sind, wurde als Phanerozoikum bezeichnet (wörtlich "die Ära des expliziten Lebens"). Seine Anfangszeit ist das Kambrium, das vor etwa 540 Millionen Jahren begann und etwa 55 Millionen Jahre dauerte.
Alle Schichten, die sich vor dem Kambrium bildeten, wurden Kryptozoikum ("Ära des verborgenen Lebens") genannt, auch bekannt als Präkambrium. Alle evolutionären Ereignisse, die in den vorherigen Kapiteln diskutiert wurden, vom Erscheinen von LUCA bis zu den ersten Metazoen, fanden genau im Präkambrium statt, das etwa 4 Milliarden Jahre dauerte.
Der abrupte Übergang vom Kryptozoikum zum Phanerozoikum hat Paläontologen schon immer fasziniert. Charles Darwin, der sich sehr professionell mit geologischen Forschungen beschäftigte, gab zu, dass er dieses Phänomen nicht zufriedenstellend erklären konnte. Dies beunruhigte ihn, denn so "plötzlich", wie aus dem Nichts, wurde das Auftauchen einer ganzen Reihe neuer und voll ausgebildeter Tierarten und -klassen oft als Argument gegen seine Evolutionstheorie angeführt. Zur Zeit Darwins waren in den präkambrischen Sedimenten überhaupt keine tierischen Überreste bekannt, und erst 1947 wurde bekannt, dass die ältesten Metazoiden in der Gegend von Ediacara in Südaustralien gefunden wurden. Dies wurde zu einer der wichtigsten paläontologischen Entdeckungen des letzten Jahrhunderts.
Jetzt wissen wir mit Sicherheit, dass das Leben auf der Erde lange vor dem Kambrium existierte und florierte, aber die "kambrische Explosion", wie Paläontologen und Popularisierer der Wissenschaft sie gerne nennen, bleibt immer noch eines der am heißesten diskutierten evolutionären Mysterien. Wie kam es eigentlich, dass innerhalb von etwa 25-30 Millionen Jahren (was nach den Maßstäben der geochronologischen Skala sehr schnell ist) Vertreter fast aller modernen Tierarten mit Skelettstrukturen und dank dessen auf den Seiten der Steinchronik, erschien im Weltmeer? Dies sind Weichtiere und Arthropoden und Chordaten und Stachelhäuter sowie zahlreiche Übergangsformen, deren Typ nicht einmal klar ist. Die einzige klare Ausnahme ist die Art der Bryozoen, die zu Beginn der geologischen Periode nach dem Kambrium entstanden ist - dem Ordovizium. Dieser gesamte reichste Zoo (Hunderte Arten und Gattungen werden beschrieben!), bestehend aus schwimmenden, kriechenden und im Boden grabenden Kreaturen, erschien vor 550 bis 515 Millionen Jahren auf den Seiten der Chronik.
Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass Vertreter der Hauptarten der Wirbellosen schon lange vor der „Explosion“im Präkambrium entstanden sind, aber vorerst klein, unscheinbar und ohne äußeres oder inneres Skelett blieben. Daher konnten sie nicht zur Beute von Paläontologen werden. Aber was hat sie in diesem Fall "in einem schönen Moment" (jedoch über mehrere Millionen Jahre) dazu bewogen, Muscheln, Häuser, Chitinschalen und ähnliche feste Strukturen zu erwerben? Diese große Skelettrevolution war eine der auffälligsten Manifestationen der kambrischen Explosion.
Es gibt zwei Ansätze, um all diese wissenschaftlichen Rätsel zu lösen. Die erste, traditionelle, besteht in einer detaillierten Untersuchung fossiler Überreste sowie der Merkmale der anatomischen Struktur und der embryonalen Entwicklung moderner Tiere. Der zweite, wie Sie sich vorstellen können, besteht darin, das gesamte Arsenal der neuesten molekulargenetischen Werkzeuge zu nutzen.
Beide Ansätze haben sich bewährt und ermöglichten viele interessante Hypothesen aufzustellen, obwohl sich die Ergebnisse dieser unabhängigen Methoden wie so oft als widersprüchlich erweisen.
Rätsel Nummer 1. Wie und wann erschienen die ersten Vertreter moderner Tierarten?
Molekulare Daten, die in verschiedenen Labors und mit unterschiedlichen Methoden gewonnen wurden, belegen einstimmig, dass vielzellige Tiere (Metazoa) eine monophyletische Gruppe sind, die einst in der Evolution und von einem Vorfahren, sei es der Mechnikov-Phagocytella oder einer anderen uns unbekannten Kreatur, entstanden ist. Leider hat es der Einsatz molekularer Uhren noch nicht möglich gemacht, dieses Ereignis mehr oder weniger genau zu datieren. In einer der jüngsten und gründlichsten Studien wurde nur eine grobe Schätzung erhalten, wonach Metazoide vor 833 bis 650 Millionen Jahren auftraten. Das Auftauchen der ersten Vertreter moderner Tierarten sollte auf einen Zeitraum von 746 bis 578 Millionen Jahren datiert werden, also lange vor der "Kambrischen Explosion". Die Skelettrevolution war also ein relativ spätes Ereignis in der Evolution der Tiere, da die meisten Arten mehrzelliger Organismen zu Beginn 100 Millionen Jahre oder älter waren.
Reis. 6.1. Rekonstruktion der Unterwasserlandschaft im späten Präkambrium.
Die Daten des Fossilienbestandes liegen diesbezüglich weit hinter den Schätzungen der Genetiker zurück. Die ersten Fossilien, zweifellos Metazoa, sind ungefähr 570 Ma groß. Dies sind die sogenannten Rankomorphs, die zur berühmten Ediacara-Fauna gehören, die oben erwähnt wurde. Diese Fauna ist erstens für ihre Antike und zweitens für die extrem ungewöhnliche Struktur der meisten ihrer Tiere berühmt. Schauen Sie sich Abb. 6.1, der den Boden des späten Präkambrischen Meeres darstellt. Von allen darauf präsentierten Kreaturen werden uns nur Quallen bekannt vorkommen. Der Rest gehört höchstwahrscheinlich zu einer völlig anderen Art (oder Arten) von alten Tieren, die bereits zu Beginn des Kambriums spurlos verschwanden. Kein einziger Vertreter der ediacaranischen (oder vendischen, wie es in der russischsprachigen Literatur oft genannt wird) Fauna hatte bisher ein mineralisiertes Skelett. Ediacara-Tiere sind in Form von Abgüssen oder Abdrücken von Körpern, die in den Schichten von Bodensedimenten vergraben sind, überliefert, und oft sind diese Fossilien so gut erhalten, dass es möglich ist, sowohl äußere als auch innere Anzeichen von Organismen zu rekonstruieren.
Doch selbst die erstaunliche Erhaltung der Ediacara-Biota erlaubt es nicht, viele der wichtigsten Probleme eindeutig zu lösen. Immer wieder wurde versucht, in diesen Lebewesen die Begründer der uns wohlbekannten Arten des Tierreichs zu sehen, zum Beispiel Gliederfüßer oder Ringelwürmer. Aber jede solche Interpretation stieß unweigerlich auf Einwände. Hier eine Kimberella (Abb. 6.2), die zunächst als Qualle galt, dann als uralte Molluske angenommen wurde, und jetzt kann man auf die Meinung stoßen, dass dieser Organismus mit keinem der modernen Arten zu tun hat von Metazoen …
Reis. 6.2. Kimberella: Wie sie den Augen von Paläontologen erscheint (links) und Rekonstruktion ihres möglichen Lebenserscheins (rechts).
Mehrere Paläobiologen entwickeln die Idee, dass die Ediacara-Biota ein Überbleibsel eines frühen - und nicht ganz erfolgreichen - evolutionären Experiments von Mutter Natur ist. Im Zuge der "Ediacaran-Explosion" wurden mehr als ein Dutzend verschiedene Pläne der Struktur erstellt und unter realen Bedingungen getestet - so nennen Morphologen die Grundstrukturen, die den Aufbau des Tierkörpers bestimmen. Es ist allgemein anerkannt, dass jede Art von vielzelligen Tieren ihren eigenen einzigartigen Strukturplan oder konstruktiven Prototyp hat, aus dem die anatomischen Merkmale aller ihrer Vertreter abgeleitet werden können. Zum ersten Mal wurde diese Idee vor mehr als 200 Jahren von dem großen Georges Cuvier zum Ausdruck gebracht und begründet.
Einige der Baupläne, die im späten Präkambrium entstanden, haben sich bewährt. Ein bedeutender Teil der ediacaraanischen Vielfalt ist jedoch verschwunden und hat keine direkten Nachkommen hinterlassen. Viele Ediacaraner starben im Zuge des sogenannten Kotlin-Massenaussterbens, das vor etwa 550 Millionen Jahren ausbrach, und diejenigen, die es bis zum Beginn des Kambriums schafften, konnten offenbar der Konkurrenz mit fortgeschritteneren Skeletten nicht standhalten -ausgestattete Vertreter moderner Typen. Die versteinerten Überreste erfolgloser Bauten fielen in die Regale der Depots paläontologischer Museen. "Entwürfe des Herrn Gottes" - wie sie den russischen Paläontologen Mikhail B. Burzin treffend nannten.
Die ediacaranische Fauna existierte etwa 30 Millionen Jahre oder etwas länger in den Ozeanen. Dem ersten Fund in Australien folgten schnell die Entdeckung fossiler Tiere dieser Art auf allen Kontinenten, auch bei uns in Russland (Küste des Weißen Meeres, Mittlerer Ural, Sibirien). Das weit verbreitete Vorkommen der Ediacara und ihre hohe Artenvielfalt zeigen, dass es sich um eine für ihre Zeit recht wohlhabende Gruppe handelte, die heute nur im Nachhinein als "erfolglos" bezeichnet werden kann. Einst waren die mehrzelligen Organismen von Ediacara die Herren der Meere und Ozeane.
Es wird angenommen, dass die üppige Blüte der Ediacara-Vielzeller irgendwie mit dem schnellen Anstieg der Sauerstoffkonzentration im Ozeanwasser vor etwa 560 Millionen Jahren in Verbindung gebracht wurde. Große und komplex organisierte Metazoiden haben eine viel höhere Stoffwechselrate als Protisten, sogar koloniale. Der Sauerstoffreichtum im Wasser schafft eine zuverlässige Energiequelle für Tiere, die eine Voraussetzung für die Entstehung von Ediacara-Organismen auf der Evolutionsstufe werden könnte.
Allerdings müssen die allerersten Metazoen, die nach dem Ticken einer molekularen Uhr lange vor dem Erscheinen der ediacaranischen Fauna entstanden sind, unter viel härteren Bedingungen existiert haben. Das Leben hat sie überhaupt nicht verdorben. Nicht nur die Sauerstoffkonzentration war viel niedriger, auch das globale Klima war alles andere als ein Erholungsort. Als Kryogen bezeichnen Geologen den Zeitraum zwischen 720 und 635 Millionen Jahren. Der Name ist „sagend“: Diese Ära war die kälteste in der Erdgeschichte, Eisschilde von den Polen reichten damals fast bis zum Äquator. Wie dies die Entstehung vielzelliger Tiere stimuliert haben könnte, ist schwer zu sagen, aber viele Paläobiologen fühlen sich von der Möglichkeit angezogen, ein bedeutendes evolutionäres Ereignis mit den extremsten Bedingungen, die jemals auf dem Planeten herrschten, in Verbindung zu bringen. Beweisen Sie, dass dies kein Zufall ist. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Wassers, seiner hohen Wärmekapazität, trifft die globale Abkühlung Meerestiere nicht so stark wie auf Landtiere, aber wenn die Realität den radikalsten paläoklimatischen Szenarien entsprach, dann sollten auch im Ozean des kryogenen Zeitalters die Bedingungen waren sehr hart. Es ist möglich, dass in den kältesten Perioden das antike Leben nur in bestimmten Bereichen der Hydrosphäre erhalten blieb, zum Beispiel in Unterwasser-Hydrothermalquellen oder in deren Nähe. Nachdem sie in solchen Schutzräumen extreme Kälte überlebt hatten, konnten sich die Organismen anschließend im ganzen Ozean ansiedeln. Aber die geringe Sauerstoffkonzentration im Wasser wirkte sich offenbar nicht dämpfend auf die allerersten Metazoiden aus, da ihre Größe sehr klein war und sie kein Bedürfnis nach intensiver Sauerstoffaufnahme verspürten.
In den letzten Jahren wurden zwei weitere fossile Gemeinschaften aktiv diskutiert, die möglicherweise älter als die Ediacara sind und möglicherweise echte vielzellige Tiere umfassen. Beide werden aus den präkambrischen Lagerstätten Chinas beschrieben. Dies sind die sogenannten Lantian- und Wenyang-Biota. Enthusiasten finden in ihnen nicht nur angebliche Überreste von Metazoiden, sondern sogar Fossilien, gedeutet als "präkambrische Embryonen" vielzelliger Tiere. Skeptischere Paläobiologen weisen darauf hin, dass die Daten immer noch nicht ausreichen, um endgültige Schlussfolgerungen zu ziehen: „Keines der Merkmale, die verwendet werden, um [den tierischen Ursprung dieser Fossilien] zu bestätigen, … sind einzigartig bei Tieren“, und obwohl die vorgeschlagene Interpretation „nicht abgelehnt werden kann“., ihre Verwandtschaft mit anderen Eukaryoten, einschließlich der Algen- und Protistengruppen, sind ebenso möglich und bedürfen weiterer Forschung."
