Происхождение майской природы

Те из читателей, кому на майские праздники посчастливилось выехать на дачу, не могли не заметить там природу. Когда я говорю «природа», у меня в голове возникает определенная картинка, и у читателя она тоже возникает. Природа выглядит так: солнышко светит, листики зеленеют, жучок ест листик*, птичка ест жучка, киска (прямо в первый же дачный день, заметьте, хищная тварь) ест птичку. Все — на каком-то жизненном этапе — счастливы и сыты. Улитка в саду, Бог в небесах, все хорошо**.

Между тем когда-то природа выглядела совсем по-другому. Вместо листика были такие осклизлые зеленоватые валуны, образованные цианобактериями. Вместо улитки — некие доисторические черви, которые по этим валунам ползали и ели бактерий. А кто был вместо птички, киски, жучка? А никого не было.

Тут-то и кроется очень любопытная проблема истории жизни на земле.

Дело в том, что примерно 540 миллионов лет назад совершенно внезапно возникло колоссальное разнообразие животного мира. Поверхностно образованные люди говорят даже, что вдруг, ни с того ни с сего сразу возникли все современные типы животных («планы строения», как любят выражаться эти люди, воспитанные на научной литературе столетней давности). А до этого, если верить палеонтологическим данным, животный мир был на удивление скуден. Что, собственно, такого произошло 540 миллионов лет назад, что буквально ниоткуда появилась «природа» в более-менее узнаваемом виде — с ножками, жвалами и глазками, жадно пожирающая сама себя?

Ученые вовсе не пытаются притворяться, что они это точно знают. Однако кое-какие идейки у них есть. И одна из основных идей состоит в том, что все дело в кислороде.

Что делает жучок с листиком, а киска с птичкой? Ответ: переваривают. Другими словами, постепенно окисляют с помощью кислорода, превращая в энергию (а также — в значительно меньшей степени — в собственную плоть). А что именно они могут переварить, зависит от количества кислорода. Обратимся опять же к дачным первомайским аналогиям: чтобы сжечь сухие березовые дрова, достаточно поднести спичку. А вот чтобы сжечь садовый мусор или, например, разжечь отсыревший прошлогодний уголь для барбекю, надо на него дуть или махать специальной фанеркой-разжигалкой. Потому что чем больше кислорода, тем нам проще что-то сжечь. Стало больше кислорода — появилась возможность сжечь то, что до этого никак не горело, хоть тресни.

Это относится и к перевариванию киской птички. В докембрийскую эпоху количество кислорода в атмосфере (точнее, в океане) составляло около процента от нынешнего. Этого хватало червяку, чтобы съесть бактерию. Но на то, чтобы кому-то потом съесть червяка, этого было уже мало. Мягкотелый безглазый червяк жил не тужил, никого не боясь.

Все экологические модели единодушны в том, что чем больше у вас кислорода, тем более эффективно вы осваиваете запасенную в пище энергию. Когда кислорода мало, пищевая цепь может состоять максимум из пары звеньев: то, что остается третьему в очереди, уже просто несъедобно, или его очень мало. Больше кислорода — больше нахлебников пристраиваются в конец цепочки: число звеньев в современных пищевых цепях нередко превышает пять. Другими словами, если есть кислород, могут появиться хищники.

И в какой-то момент цианобактерии, которых безмятежно ел наш докембрийский червяк, наделали достаточно кислорода, чтобы изменить ситуацию и сделать существование хищников осмысленным. Для червяка это была плохая новость: его тотчас съели. Ископаемые останки свидетельствуют, что прямо на границе кембрия вдруг появляется много разных существ, защищенных прочным панцирем. Страшно им было, наверное, жить тогда, на границе кембрия, потому что среди этих ископаемых панцирей попадаются и кем-то погрызенные.

Но для природы — вот этой самой, с капельками росы и неумолчным щебетом, как мы любим, — это отличная новость. Смотрите: раз есть хищники, от них надо убегать. То есть плыть вперед. Если тебе не от кого убегать и не на кого охотиться, тебе в общем-то безразлично, где у тебя «перед». Тебе логично иметь осевую симметрию, различающую только верх и низ, как у губки или актинии. А как только появляется «перед», ты сразу же можешь оценить достоинство билатеральной симметрии: верх и низ различаются с помощью земного тяготения***, а зад и перед — твоим собственным предпочтительным направлением убегания. Появляется брюхо, спина, голова, хвост — как у нас и у большинства знакомой нам природы.

Далее: хорошо бы видеть того, от кого надо убегать. Преимущество наличия глаз в такой ситуации невозможно переоценить. И действительно, именно в кембрии у живых тварей — вдруг, как по команде — появляются развитые глаза всех возможных типов. Это было так похоже на революцию, что британский биолог Эндрю Паркер даже поставил все с ног на голову: появление глаз, сказал он, как раз и было причиной возникновения хищников. Это, кстати, вполне авторитетная гипотеза (хотя, по мне, она какая-то странная: асцидии или губке глаза совершенно ни к чему, с чего бы им быть поддержанными отбором еще до того, как асцидию кто-то решил съесть?) Тем не менее появление глаз, которыми мы как раз и любуемся на все эти капли росы на зеленых листочках, и которыми с сожалением рассматриваем задушенную птичку, так или иначе связано с возникновением хищничества.

Ну и наконец, появление сложных пищевых цепей, в которых каждому надо найти свое место, привело к специализации, усложнению, гонке вооружений между хищником и жертвой, откуда и возник весь тот волшебный кембрийский мир, который мы с интересом рассматриваем на картинках из популярных книжек по палеонтологии.

(Здоровенные валуны на этой картинке — это как раз скопища цианобактерий, которые наделали необходимый для хищничества кислород и осложнили жизнь всем тварям, плавающим и ползающим вокруг.)

Возможно, изображенный на картинке мир и не кажется вам родным, но подумайте вот о чем: все, что составляет нашу радость бытия, — движение и зрение, свежий воздух и сочный стейк, кошачье брюхо и спина, которые надо гладить от головы к хвосту, — все это было заложено в тот далекий и прекрасный момент эволюции.

Таково видение мира у автора этих научно-популярных заметок, и он просто не мог не поделиться им с читателем в эти майские дни. Однако автор не выполнил бы свой долг, если бы не упомянул о неувязках в этой картинке. Вот, например, прошлой весной Эрик Сперлинг из Калифорнии проанализировал образцы эдиакарских и кембрийских пород и пришел к выводу, что никакого скачка концентрации кислорода в тот момент не было. Было несколько колебаний вверх-вниз, был некий плавный прирост, но картина, тешившая палеонтологов, — лавинообразный рост почти от нуля до современного уровня — абсолютно ничем не подтверждается.

Буквально несколько месяцев назад еще сильнее все испортил Дональд Канфилд из Дании. Он показал, что 4% от нынешней концентрации кислорода — вполне достаточно для существования животных — присутствовало в океанской воде аж полтора миллиарда лет назад. Для нормального хищничества этого, возможно, и маловато. Но для пищевой цепи из двух звеньев — для нашего кембрийского червяка, пожирающего бактерий, — более чем достаточно. А между тем червяк отчего-то не появлялся еще полмиллиарда лет, то есть столько же, сколько прошло от «кембрийского взрыва» до нас с вами.

Как именно связано изобилие кислорода с эволюцией животного мира, ученые непременно разберутся, и очень скоро, раз уж за один год вышло сразу две таких важных статьи. Нас же этот пример должен научить вот чему: одно дело — просто валяться на шашлычной лужайке и тупить на свежую зелень, другое — иметь при этом в голове цельную картину эволюции жизни от кембрия до наших дней. Между этими формами мышления лежит пропасть, как между цианобактерией и докембрийским червяком. Но есть и вторая пропасть: между удобной и эффектной картинкой мира, на каждый день, чтобы рассказывать детям (как у автора этой заметки), и реальной наукой со всей ее сложностью и множеством нерешенных вопросов. Это буквально такая же разница, как между червяком и вершинами человеческой цивилизации. Но путь до червяка тоже ведь надо пройти, так что не будем преуменьшать наших заслуг.

Примечания:

* На самом деле все еще сложнее: жучок, возможно, ест других членистоногих или даже останки мертвой птички, недоеденные кошкой. Пищевые цепи, даже простейшие, очень трудно описать в простых категориях потребления энергии: экологи этим занимаются без устали, но дел еще невпроворот.

** «Песенка Пиппы» Роберта Браунинга еще ждет своего идеального переводчика, и это точно не я.

*** Мелкие водные твари, для которых влияние земного тяготения пренебрежимо мало, предпочитают не различать даже верх и низ, выбирая сферическую симметрию.

О сложностях и перипетиях истории с концентрациями кислорода и их ролью в эволюции можно прочитать по-английски в Nature.