Молекулярные окаменелости показывают, как жизнь выжила на Земле-снежке

Фото из открытых источников

Несколько раз в истории Земли планета замерзала. Лед покрывал всю планету от полюса до экватора, а температура опускалась до –50°C. Каким-то образом жизнь выжила. Теперь учёные сообщают о первых проблесках этого сурового существования во время последнего из этих эпизодов «Земли-снежка», который произошёл между 651 и 635 миллионами лет назад.

Результаты, представленные на прошлой неделе на конференции Goldschmidt в Праге, получены из молекулярных ископаемых, химических биомаркеров в отложениях морского дна, которые были погребены, превратились в камень и сохранились в древних породах в керне, пробуренном в Австралии.

«Удивительно видеть, как жизнь продолжает существовать в «Земле-снежке», — говорит Алан Коллинз, геолог из Университета Аделаиды, присутствовавший на презентации. Биомаркеры хрупкие, поэтому найти породы, охватывающие весь эпизод «Земли-снежка», «и фактически извлечь из них биомаркеры — это просто невероятно», — говорит он.

Биомаркеры указывают на мир, где микробы цеплялись за жизнь в темноте на бедном кислородом морском дне, питаясь органическим материалом, дрейфующим вниз со льда. В верхней части ядра тонкие слоистые структуры запечатлели то, что произошло миллионы лет спустя, когда ледники начали отступать, и дневной свет наконец проник в мелководные моря: скопления фотосинтезирующих бактерий, которые, возможно, напоминали те, что сегодня можно обнаружить на дне покрытых льдом озер Антарктиды. Эукариоты — клетки, более сложные, чем микробы, — практически полностью отсутствовали, хотя и появились более миллиарда лет назад.

Исследование не только позволяет заглянуть в жизнь подо льдом, но и подкрепляет новую гипотезу, предполагающую, что эукариотические зелёные водоросли начали процветать только после «Снежка», когда они стали источником пищи, позволившим, наконец, появиться первым в мире животным. «Это будет иметь большое значение», — говорит геохимик Фред Бойер из Лидсского университета, также присутствовавший на лекции.

Одно из любимых мест учёных для поиска биомаркеров криогена, ледникового периода от 720 до 635 миллионов лет назад, когда произошли два последних эпизода программы «Земля-снежок», — это Оман. Однако Йохен Брокс, геобиолог из Австралийского национального университета, представивший новые результаты, столкнулся с трудностями при поиске качественных образцов для поиска биомаркеров. Он поручил своему аспиранту Калебу Бишопу, седиментологу, поиск образцов в Австралии.

Год спустя Бишоп вернулся с давно забытым керном, пробуренным десятилетиями ранее Геологической службой Западной Австралии, который просто лежал в архиве. Когда Брокс впервые увидел фрагменты 1700-метрового керна, он подумал, что они слишком светлые для биомаркеров, которые часто бывают тёмными. «Выглядит очень плохо», — вспоминает он свой рассказ Бишопу. «Но докажите, что я ошибаюсь».

Бишопу потребовалось несколько лет, чтобы доказать неправоту своего советника. Как и окаменелости, захороненные биомолекулы иногда могут сохраняться в горных породах сотни миллионов лет. Но со временем они разрушаются, теряя важные детали. Хуже того, керн был загрязнён нефтепродуктами, возможно, буровым раствором, который пришлось тщательно удалить.

Но в конце концов, используя инструменты, разделяющие молекулы и разделяющие фрагменты по весу, Бишоп смог увидеть сигналы, характерные для сохранившихся углеродных скелетов жирных молекул, подобных холестерину. Эти молекулы различаются в зависимости от того, откуда они происходят – от бактерий, животных или водорослей. Наиболее распространенными в образцах были молекулы, называемые гопанами, которые являются маркерами бактерий.

Поначалу Брокс отнесся к этому скептически. Биомаркеры были очень похожи на те, что были обнаружены в более древних кернах, относящихся к раннему криогению и даже более раннему периоду, и он считал, что молекулы могли просто произойти из старого материала, соскобленного с континентов наступающими ледниками Сноубола. Но керн продемонстрировал чёткую зависимость между глубиной образца и степенью «окаменения», которую претерпели молекулы. Это, наряду с наличием неповреждённых микробных матов в верхней части керна, убедило Брокса в том, что керн действительно представляет собой осадок, постепенно отложившийся на дне океана во время Сноубола. Он и Бишоп выдвигают гипотезу, что сохранившиеся в нём гопаны представляют собой остатки мира, где доминировали микробы: обитатели дна и дрейфующие в тёмных морях, питающиеся остатками светособирающих цианобактерий. Эти микробы жили бы наверху, во льду, в трещинах или отверстиях, образовавшихся там, где тёмная грязь или сажа нагревались на солнце и плавали сквозь ледник.

Одной из самых поразительных особенностей новых данных является полное отсутствие биомаркеров эукариотических зелёных водорослей. Биомаркеры, как правило, отражают только наиболее многочисленные и важные группы, поэтому, даже если зелёные водоросли выжили в эпоху «Земли-снежка», они, вероятно, были оттеснены на экологическую обочину.

Их отсутствие имеет значение, поскольку «появление и разнообразие водорослей напрямую связано с эволюцией сложных животных», – говорит Джулиана де Мораес Леме, палеонтолог из Университета Сан-Паулу, присутствовавшая на лекции. На протяжении большей части истории Земли пищевая цепь держалась на крошечных «спинках» цианобактерий. Некоторые исследователи считают, что сложные животные не могли возникнуть, пока крупные и питательные зелёные водоросли окончательно не свергли бактерии с позиции ведущих фотосинтезирующих организмов в мире.

Это, очевидно, произошло к середине эдиакарского периода, сразу после криогена, когда в летописи горных пород внезапно появляются первые крупные окаменелости животных — странных созданий, напоминающих папоротники и коврики для ванной. Возможно, оледенения на Земле-снежке способствовали их развитию, выбрасывая питательные вещества в море и способствуя фотосинтетическому расцвету.

Однако, согласно эпохальному исследованию 2009 года, проведенному геохимиком Гордоном Лавом и его коллегами из Калифорнийского университета в Риверсайде, записи из Омана, датируемые теплым периодом между двумя криогеновыми периодами «снежного кома», позволяют предположить, что экосистема водорослей и ранних животных уже существовала.

«Теперь у нас гораздо больше данных», — говорит Брокс, и, по его мнению, новые данные указывают на более простую картину: зелёные водоросли не размножались до эдиакарского периода. Он подозревает, что оманские биомаркеры были загрязнены нефтью, просочившейся из более молодых эдиакарских отложений. Нефть сама по себе является ископаемым органическим материалом, поэтому она содержит молекулы биомаркеров. «Она выглядела точь-в-точь как нефть», — говорит Брокс. «Идентична».

Лав не согласен. Биомаркеры в Омане были получены из твёрдого органического материала, который остаётся в породе, где он образовался, а не из нефти, которая может перемещаться. Он утверждает, что эта критика «скорее пустые мечты, чем научный аргумент».

Повторный анализ керна Омана помог бы установить окончательный счёт. Но он принадлежит нефтяной компании Petroleum Development Oman, и никому не предоставлен доступ для повторного анализа, говорит Бойер. «Это большая проблема». В следующем году исследователи начнут бурение скважин для получения новых образцов снежной земли в Омане в рамках Международной программы континентального научного бурения. Брокс и Лав планируют параллельно анализировать полученные образцы.

Несмотря на сохраняющуюся неопределенность, Коллинз утверждает, что новая работа — это захватывающий шаг к пониманию загадочного периода в истории Земли, который можно с полным основанием назвать началом мира, каким мы его знаем. Он отмечает, что между криогеновым и средним эдиакарским периодами атмосфера стала пригодной для дыхания, появились яркие животные экосистемы, а моря, возможно, даже изменили цвет, поскольку начали бурно развиваться зеленые водоросли.

«Я считаю, что история, представленная Броксом, гораздо убедительнее и, во многих отношениях, гораздо интереснее», чем старая история о более раннем появлении водорослей, говорит Коллинз. Если Брокс прав, добавляет он, «появление зелёных водорослей гораздо ближе к тому моменту, когда мы впервые наблюдаем эволюцию животных».