В докембрии из живых
организмов были только микроорганизмы. Собственно, докембрий — это то, что было
до кембрия. Получается, это период существования Земли примерно от 500
миллионов до 4,5 миллиардов лет тому назад. Это фактически около четырех
миллиардов лет, и если посмотреть на время существования Земли, это 90% ее
существования в целом. Получается, что большую часть своей истории Земля была
населена только микроорганизмами, а появление трилобитов, динозавров и других
многоклеточных – это с точки зрения микробиологов очень недавняя история.
 |
|
Микробы
докембрия
|
1.
Какие основные события происходили в течение докембрия? Сначала появилась Земля
путем агрегации из различных относительно небольших протопланет. Но нужно
сказать, что условия в то время были очень негостеприимные. Когда Земля уже
«собралась» в планету, она продолжала сталкиваться с другими протопланетами и
метеоритами. Есть очень интересное исследование, которое позволяет оценить
масштабы этой бомбардировки. Ученые предположили, что на поверхность Луны
падало примерно то же количество метеоритов, что и на поверхность ранней Земли.
Это вполне логично – Земля и Луна находятся довольно близко друг от друга.
Потом они наложили получившуюся схему кратеров на карту современной Земли, и,
представьте себе, кратер размером со всю территорию Бразилии. То есть можно
предположить, что вся Южная Америка и Западное полушарие были бы полностью
разрушены.
- Grieve R.A.F., Cintala M.J., Therriault A.M. (2006) Large scale impacts and the evolution of the Earth’s crust: the early years. Geological Society of America Special Paper, v. 405, p.23-31.
2.
Эта ранняя бомбардировка Земли и других планет метеоритами приводила к огромным
катаклизмам и, возможно, даже частичной стерилизации планет, но она же могла
приводить и к переносу жизни между планетами. Представьте себе такой сценарий:
огромный метеорит падает на поверхность Марса, взрыв, и куски метеорита на
поверхности Марса разлетаются в космосе, а потом какой-нибудь кусочек Марса
падает на поверхность Земли. Если этот кусок Марса не перегревался в момент
столкновения, то есть все шансы, что он мог переносить живые организмы между
планетами. Сейчас развивается очень интересное направление — это исследование
мельчайших следов жизни в метеоритах, поиск в них окаменелостей
микроорганизмов, сдвигов изотопного состава, аномалий химического состава и
т.д. И эти следы нужно сравнить с теми следами, которые оставляют
микроорганизмы в современной обстановке, и тогда можно понять, как эти процессы
происходили раньше. В этом направлении микробиологи очень плотно сотрудничают с
геохимиками и палеонтологами.
- Жмур С.И., Розанов А.Ю., Горленко В.М. Литифицированные остатки микроорганизмов в углистых хондритах // Геохимия. 1997. № 1. С. 66–68.
3.
В истории Земли, с моей точки зрения, было несколько важнейших событий, и
первое из них – это, конечно, появление жизни на планете. Как это произошло я
говорить не буду, потому что это выходит за рамки микробиологии. Мы работаем с
микробами, а не с проблемами добиологической эволюции. Гораздо интереснее
вопрос о том, какой могла быть жизнь в самом начале. Есть очень много теорий о
том, каким был самый древний микроорганизм. С точки зрения микробиологии,
вопрос, мягко говоря, довольно странный. Почему? Давайте рассмотрим этот вопрос
на примере теории «первичного бульона» Опарина. Это очень интересная и важная
теория, но со своими слабыми местами. Опарин предположил, что был «первичный
бульон» из органических молекул, и был организм, который потихонечку эти
молекулы поедал. И представьте себе такую ситуацию, что этот организм полностью
съел «бульон», и тогда жизнь должна остановиться. Но этого не произошло, потому
что существуют организмы с различными функциями. У каждого свои обязанности,
должны существовать организмы, которые создают этот «бульон» и организмы,
которые едят этот «бульон», и так далее. Это должно быть кооперативное сообщество.
Впервые об этом сказал Вернадский еще в 1931 году, и только сейчас
биологическое сообщество начинает понимать эту логику. Но вопрос о том, как из
какой-то первичной формы образовалось сообщество микроорганизмов, остается не
решенным. Вернадский считал, что этот вопрос находился «вне эволюционного
порядка».
- Вернадский В.И. Об условиях появления жизни на Земле // Известия Академии наук СССР. VII серия. Отделение математических и естественных наук, 1931, № 5, 633–653.
- Woese C. The universal ancestor. Proceedings of the National Academy of Science 1998, 95, p. 6854--6859
4.
Жизнь в Докембрии была скорее всего чисто микробной, а особенностью микробов
является то, что они должны расти на поверхности. На поверхности Земли, там,
где была вода, существовала тонкая, местами, возможно, до нескольких
сантиметров, биопленка. Сейчас ближайший аналог этих систем – так называемые
«микробные маты». Их можно увидеть в экстремальных системах: горячих
источниках, соленых и содовых озерах и в других местах, где высшие растения
жить не могут, но могут жить микроорганизмы. И когда мы видим микробные маты,
то мы можем рассматривать их как аналог тех времен, когда на Земле существовали
только микроорганизмы. Эти пленки созданы большим количеством разных
микроорганизмов, которые вместе очень кооперативно осуществляли все необходимые
биохимические функции. Кто-то из них, например, осуществлял фотосинтез,
производил органическое вещество, затем другие группы разрушали это
органическое вещество, и получался такой круговорот. Такая система может
существовать очень долгое время, миллиарды лет.
- Заварзин Г.А. Эпиконтинентальные содовые водоемы как предполагаемые реликтовые биотопы формирования наземной биоты // Микробиология. 1993. Т. 62. С. 789-800.
- Сергеев В.Н., Семихатов М.А., Федонкин М.А., Вейс А.Ф., Воробьева Н.Г. Основные этапы развития докембрийского органического мира: сообщение 1. Архей и ранний протерозой биосферы и новейшие данные о развитии прокариот, протист и многоклеточных животных в рифее и венде Стратиграфия. Геологическая Корреляция. 2007. Т. 15. № 2. С. 25-46.
5.
Эта тонкая биопленка изменила планету. Благодаря ее деятельности, в истории
Земли произошло второе важнейшее событие — появление кислорода в атмосфере.
Раньше атмосфера в основном состояла из углекислоты, благородных газов, азота и
в небольших количествах метана. То есть это была восстановленная атмосфера без
кислорода. Но в какой-то момент у микроорганизмов появилась возможность
производить кислород из воды, осуществлять так называемый оксигенный
фотосинтез. Эта способность появилась у цианобактерий или каких-то предков
цианобактерий, о которых мы не знаем. Они, в ходе фотосинтеза, стали
образовывать побочный продукт – кислород, который им, в принципе, не был нужен.
Им нужен был водород из воды, а кислород – это побочный продукт. Но этот
побочный продукт изменил все на поверхности Земли. Примерно 2.4-2.2 миллиарда
лет тому назад количество кислорода, производимого цианобактериями, стало
настолько велико, что свободный кислород появился в атмосфере. Он изменил
полностью атмосферу, геохимические реакции на поверхности Земли, и в итоге
получилось, что та анаэробная жизнь, которая жила на поверхности и была
приспособлена к восстановленным условиям Земли, теперь живет только в очень
ограниченных местах, где нет доступа кислорода. Но зато появилось множество
организмов, которые могут использовать кислород, создались условия для
массового развития эукариотических организмов и появления более сложных форм
жизни.
- Kump L. R., C. Junium, M. A. Arthur, A. Brasier, A. Fallick, V. Melezhik, A. Lepland, A. E. Crne, and G. M. Luo. Isotopic Evidence for Massive Oxidation of Organic Matter Following the Great Oxidation Event. Science. 2011,V. 334, no 6063, p. 1694-1696.
6.
Третье важнейшее событие — появление эукариотических и многоклеточных
организмов — это огромная загадка. Есть предположения, что они появились еще до
появления кислорода в атмосфере (около 2.7 миллиардов л.н.), но большинство
предположений склоняются к тому, что они все-таки появились уже после появления
кислорода в атмосфере (в диапазоне от 2.2 до 1.9 миллиардов л.н.). Каким
образом образовались эукариоты, из каких «строительных блоков», тоже непонятно,
и на этот счет существует масса гипотез. Практически доказанным можно считать
происхождение некоторых органелл у эукариот. Митохондрии — «энергетические
фабрики клетки» — произошли от альфа-протеобактерий, близких к Рикеттсиям, а
хлоропласты растений и водорослей произошли от цианобактерий. Кстати, идею о
том, что хлоропласты произошли от цианобактерий в ходе симбиоза, высказал наш
соотечественник Константин Мережковский еще в 1909 году. Личностью он был,
мягко говоря, противоречивой, гипотеза его была принята «в штыки» и
основательно забыта, но современные данные ее подтверждают.
- Keeling P. The endosymbiotic origin, diversification and fate of plastids. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B, Biological Sciences2010;365:729-748.
7.
Когда кислород уже появился в атмосфере, Земля была покрыта «микробными
матами», которые были сформированы в основном цианобактериями, но по ним уже
начали ползать различные эукариотические организмы, которые постепенно
подъедали эти маты. Сначала эти древнейшие многоклеточные были не очень
активны, но в какой-то момент цианобактерии подняли концентрацию кислорода до
такого уровня, что эти животные стали гораздо более активными. Они стали более
активно съедать микробные маты. Кроме того, появились первые водоросли — предки
нынешних растений. Они тоже стали конкурировать с цианобактериями за свет, за
питательные вещества, и в итоге получилось, что где-то около 700 миллионов лет
тому назад разнообразие микробных матов стало резко сокращаться. В итоге
получилось, что век доминирования микроорганизмов на Земле как бы закончился и
лицо планеты стали определять растения и животные. Но, тем не менее, нельзя
сказать, что микроорганизмы потеряли свое значение. Наоборот, весь этот мир все
так же функционирует благодаря микроорганизмам. И животные, и люди, и растения
вписаны в систему биогеохимических циклов, которые поддерживаются.
Зоригто Намсараев,
кандидат биологических
наук