Когда Земля покрылась льдом, ранняя жизнь могла укрыться в талых водоемах

Фото из открытых источников

Когда Земля замерзла, где укрылась жизнь? Ученые Массачусетского технологического института говорят, что одним из убежищ могли быть озера растаявшего льда, усеивающие ледяную поверхность планеты.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, ученые сообщают, что 635–720 миллионов лет назад, в периоды, известные как «Земля-снежок», когда большая часть планеты была покрыта льдом, некоторые из наших древних клеточных предков могли пережидать события в прудах с талой водой.

Ученые обнаружили, что эукариоты — сложные клеточные формы жизни, которые в конечном итоге эволюционировали в разнообразную многоклеточную жизнь, которую мы видим сегодня, — могли пережить глобальное замораживание, живя в мелких водоемах. Эти небольшие водные оазисы могли сохраняться на относительно мелких ледяных покровах, присутствующих в экваториальных регионах.

Там ледяная поверхность могла накапливать темную пыль и мусор снизу, что усиливало ее способность таять в бассейны. При температурах около 0 градусов по Цельсию образовавшиеся талые водоемы могли служить пригодной средой обитания для определенных форм ранней сложной жизни.

Команда сделала свои выводы на основе анализа современных талых водоемов. Сегодня в Антарктиде небольшие бассейны растаявшего льда можно найти вдоль границ ледяных щитов. Условия вдоль этих полярных ледяных щитов похожи на те, которые, вероятно, существовали вдоль ледяных щитов вблизи экватора во времена «Земли-снежка».

Исследователи проанализировали образцы из различных водоемов с талой водой, расположенных на шельфовом леднике Мак-Мердо в районе, который участники экспедиции Роберта Фолкона Скотта 1903 года впервые описали как «грязный лед». Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили явные следы эукариотической жизни в каждом водоеме.

Сообщества эукариот различались от пруда к пруду, что выявило удивительное разнообразие жизни в окружающей среде. Команда также обнаружила, что соленость играет ключевую роль в типе жизни, которую может вместить пруд: пруды, которые были более солоноватыми или солеными, имели более похожие сообщества эукариот, которые отличались от сообществ в прудах с более пресной водой.

«Мы показали, что талые водоемы являются подходящими кандидатами на роль мест, где ранние эукариоты могли укрыться во время этих оледенений планетарного масштаба», — говорит ведущий автор Фатима Хусейн из Массачусетского технологического института (EAPS). «Это показывает нам, что разнообразие присутствует и возможно в таких условиях. Это действительно история устойчивости жизни».

«Земля-снежок» — разговорный термин для обозначения периодов времени в истории Земли, в течение которых планета покрывалась льдом. Его часто используют в качестве ссылки на два последовательных многомиллионных оледенения, которые произошли в криогенный период, который геологи называют временем между 635 и 720 миллионами лет назад.

Была ли Земля больше похожа на затвердевший снежный ком или на более мягкий «слякотный ком», все еще остается предметом споров. Но ученые уверены в одном: большая часть планеты погрузилась в глубокую мерзлоту со средней глобальной температурой минус 50 градусов по Цельсию. Вопрос был в следующем: как и где сохранилась жизнь?

«Мы заинтересованы в понимании основ сложной жизни на Земле. Мы видим доказательства существования эукариот до и после криогена в палеонтологической летописи, но у нас по большей части нет прямых доказательств того, где они могли жить в это время», — говорит Хусейн. «Величайшая часть этой тайны в том, что мы знаем, что жизнь выжила. Мы просто пытаемся понять, как и где».

Существует ряд идей о том, где организмы могли укрыться во время «Земли-снежка», в том числе в определенных участках открытого океана (если такие среды существовали), внутри и вокруг глубоководных гидротермальных источников и под ледяными щитами. Рассматривая талые водоемы, Хусейн и ее коллеги придерживались гипотезы о том, что поверхностные талые воды также могли поддерживать раннюю эукариотическую жизнь в то время.

«Существует множество гипотез о том, где жизнь могла выжить и укрыться во время криогена, но у нас нет превосходных аналогов для всех из них», — отмечает Хусейн. «Надледные водоемы с талой водой встречаются на Земле и сегодня, и они доступны, что дает нам возможность по-настоящему сосредоточиться на эукариотах, которые живут в этих средах».

Для своего нового исследования ученые проанализировали образцы, взятые из талых водоемов в Антарктиде. В 2018 году Саммонс и его коллеги из Новой Зеландии отправились в регион шельфового ледника Мак-Мердо в Восточной Антарктиде, где, как известно, находятся небольшие водоемы с талым льдом, каждый из которых имеет глубину всего несколько футов и ширину в несколько метров.

Там вода замерзает до самого морского дна, в процессе захватывая темные отложения и морские организмы. Унос льда с поверхности ветром создает своего рода конвейерную ленту, которая со временем выносит этот захваченный мусор на поверхность, где он поглощает солнечное тепло, заставляя лед таять, в то время как окружающий его свободный от мусора лед отражает входящий солнечный свет, что приводит к образованию неглубоких прудов с талой водой.

Дно каждого пруда выстлано скоплениями микробов, которые за годы накопились и образовали слои липких клеточных сообществ.

«Эти коврики могут быть толщиной в несколько сантиметров, разноцветными и иметь очень четкую слоистую структуру», — говорит Хусейн.

Эти микробные маты состоят из цианобактерий — прокариотических одноклеточных фотосинтезирующих организмов, у которых отсутствует клеточное ядро или другие органеллы.

Хотя известно, что эти древние микробы выживают в самых суровых условиях на Земле, включая водоемы с талой водой, исследователи хотели узнать, могут ли эукариоты — сложные организмы, у которых в процессе эволюции развилось клеточное ядро и другие связанные с мембраной органеллы — также выдерживать столь же сложные условия.

Чтобы ответить на этот вопрос, понадобится нечто большее, чем просто микроскоп, поскольку определяющие характеристики микроскопических эукариот, присутствующих в микробных матах, слишком тонки, чтобы их можно было различить невооруженным глазом.

Чтобы охарактеризовать эукариот, группа проанализировала маты на предмет наличия в них специфических липидов, называемых стеринами, а также генетических компонентов, называемых рибосомальной рибонуклеиновой кислотой (рРНК). Оба эти компонента можно использовать для идентификации организмов с различной степенью специфичности.

Эти два независимых набора анализов предоставили дополнительные отпечатки для определенных эукариотических групп. В рамках липидного исследования команды они обнаружили много стеролов и генов рРНК, тесно связанных с определенными типами водорослей, простейших и микроскопических животных среди микробных матов.

Исследователи смогли оценить типы и относительное содержание липидов и генов рРНК в разных прудах и обнаружили, что в прудах обитает удивительное разнообразие эукариотической жизни.

«Ни один пруд не был похож на другой», — говорит Хусейн. «Есть повторяющиеся наборы признаков, но они присутствуют в разной степени. И мы обнаружили разнообразные скопления эукариот из всех основных групп во всех исследованных прудах. Эти эукариоты являются потомками эукариот, которые выжили на «Земле-снежке». Это действительно подчеркивает, что водоемы с талой водой во времена «Земли-снежка» могли служить надледниковыми оазисами, которые питали эукариотическую жизнь, способствовавшую диверсификации и распространению сложных форм жизни, включая нас, в будущем».