Академик А.М.Федонкин: "Жизнь - неизбежное явление ". "В мире науки" №5-6, 2019
Мы знаем, что когда-то Земля была пуста и что в какой-то момент на ней зародилась жизнь. Но так ли это? О том, каким образом формировалась жизнь на нашей планете, почему древние организмы совсем не похожи на современные и почему жизнь неизбежна, — наш разговор с академиком Михаилом Александровичем Федонкиным, главным научным сотрудником Геологического института РАН, заведующим лабораторией докембрийских организмов Палеонтологического института РАН.
Михаил Александрович, вы — геолог и биолог в одном лице и всю свою жизнь в науке занимались темой происхождения животного мира нашей планеты. Наверное, загадок здесь уже не осталось?
Как раз осталось, и немало! Моя научная жизнь началась в этом институте. когда я студентом кафедры исторической геологии геологического факультета МГУ поехал в экспедицию в Якутию.
Вместе с геологами из этого института мы проплыли от верховьев Лены до самых ее низовьев. Наш геологический отряд, в который входили профессор Б.М. Келлер и доктор геологических наук И.Н. Крылов, мои учителя, прошел через множество удивительных мест, где в долине этой великой реки местами обнажены весьма древние горные породы. Именно там меня ввели в тему ранней истории Земли. Эта тема была тогда новой не только для меня. Про историю жизни в так называемом протерозое мало кто знал. Это был малоизвестный в то время отрезок истории жизни на нашей планете.
И в университете вам об этом не рассказывали?
Мало рассказывали. В исторической геологии очень неплохо изучены последние полмиллиарда лет. Этот период называется фанерозоем — временем явной жизни. А вот предшествующие 3 млрд называются криптозоем. Это время скрытой жизни.
Почему же она была скрыта?
Дело в том, что фанерозойские отложения, которые начинаются с кембрийского периода, буквально наполнены окаменелостями, остатками различных морских организмов— фауны, флоры, простейших и т.д. А вот когда мы опускаемся ниже по этой последовательности земных слоев, то видим более древние толщи. И к удивлению всех, кто изучал этот интервал геологической летописи (а это удивление длилось века), переход от кембрийских отложений в более древние толщи сопровождался утерей какой бы то ни было палеонтологической информации. Точнее, ее просто не видели, не могли обнаружить. Эта проблема мучила Чарлза Дарвина. Для него это был совершенно необъяснимый факт, поскольку он придерживался концепции постепенного эволюционного развития от предков к потомкам. И вдруг— провал. Как обрезано.
Это, видимо, был удар по его теории эволюции?
Совершенно верно. Поэтому Дарвин сочувственно относился к суждениям геологов, в том числе Чарлза Лайеля и других, о неполноте геологической летописи. Они объясняли отсутствие палеонтологических свидетельств жизни ниже кембрийских отложений тем, что древние толщи уничтожались эрозией, изменялись процессами метаморфизма. В истории накопления осадков были и длительные перерывы при высоком стоянии суши материков и низком уровне моря. Они предполагали, что более древние организмы могли быть мелкими, без твердых частей тела. Такие делались суждения о причинах неполноты геологической летописи криптозоя. Она действительно крайне неполна. В ней много пробелов разной природы. И на момент выхода книги Дарвина «Происхождение видов» в 1859 г. эта ситуация казалась неразрешимой.
Но в дальнейшем стали появляться первые находки окаменелостей в докембрийских отложениях. Сначала на Ньюфаундленде еще в конце XIX в. нашли дисковидные отпечатки, потом в Намибии (Южная Африка) обнаружили очень странные крупные слепки неясной природы. Это было уже начало XX в. Потом — находки в Южной Австралии, где в середине прошлого века начались серьезные исследования. Интересно, что эти первые находки древних окаменелостей, совсем непохожих на известных кембрийских животных, сначала считались кембрийскими. В сложные формы жизни в докембрии никто не верил.
А в России что-то находили?
Да, геологи находили единичные отпечатки в керне глубоких скважин и в естественных обнажениях протерозоя Белого моря. Множество дисковидных слепков было известно из древних толщ Украины, в тех местах, где они выходят на поверхность в районах тектонических поднятий. Ведь земная кора, можно сказать, дышит — она всегда подвижна, и эти процессы подчас циклически обратимы. Есть формы поднятий, когда две континентальные плиты сходятся и. вздымая древние толщи, выводят их на поверхность.
Какого типа эти находки? Что это за существа?
Первое, что казалось странным. — те окаменелости, которые находили тогда, оказались совсем не крошечными, как думали до этого. Размеры их были вполне ощутимыми — до 30 см и больше. Потом оказалось, что среди них встречались и двухметровые существа. Второе, что удивляло. — эти окаменелости не имели никаких следов минерализованных частей: ни панцирей, ни костей, ни зубов, ни раковин. Это были явно отпечатки каких- то пластичных, эластичных организмов.
Черви?
И черви, и медузы, и так называемые морские перья— так их тогда интерпретировали. Внешне они очень напоминали некоторых современных животных. Причем они неплохо сохранились. Видны были морщинки смятия, причудливые деформации, которые присущи только мягкому телу. Все это говорило о том, что это были какие-то бесскелетные организмы. Если же говорить о скелете, то он мог быть только гидростатическим, когда морская вода или полостные жидкости поддерживают форму тела и тургор.
Но первая реакция: вот, нашли мы все-таки предков! И первые палеонтологические описания однозначно указывали, что мы имеем дело с животными. Да, они странные. Они действительно мягкотелые, без следов минерализации. Их относили к существующим ныне классам кишечнополостных— к тем же медузам или мягким кораллам, каннелидам (это кольчатые черви). Некоторые формы относили к предкам членистоногих. Попытка привязать их к уже известным нам типам животных казалась весьма естественной. Именно таким путем несколько десятилетий шло исследование этих ископаемых организмов. Но по мере изучения новых обширных коллекций накапливались противоречия, которые не позволяли относить их к известным нам классам и типам животных. Оказалось, что у них необычные черты, необычная симметрия, которая не так часто встречается в животном мире. У них иные способы роста, морфология, форма, анатомия...
То есть это другие?
Другие, да. Сейчас мы знаем, наверное, более 300 их видов. Выделение нового вида или рода — всегда процесс непростой, потому что организмы могут быть и очень маленькими, и большими, сложными, и сохраняются они разными способами. Например, есть организмы, у которых сохраняется прикрепительный диск. Он сидит глубоко в осадке. Есть также стебель и огромное перо, по форме напоминающее папоротник. И могут сохраниться отдельно этот диск, отдельно перо. Может сохраниться слепок внутренней полости и отпечаток поверхности тела. Зачастую мы имеем дело с разными частями, которые описываются отдельно. Не всегда удается связать эти описания и понять, что они принадлежат одному виду. Однако когда мы собрали все эти новые знания воедино, возникла совершенно парадоксальная картина. Ощущение, что мы прилетели на нашу планету 550 млн лет назад — и ее не узнали.
Как на машине времени?
Да, и это было удивительно, потому что совершенно расходилось с нашими предыдущими представлениями. Мы «увидели» огромные моря на разных континентах, которые в то время располагались не так, как сейчас. И там мы могли бы наблюдать формы жизни крупные, явные, весьма сложные по своей морфологии, но ничего общего не имеющие с современными. Мы ничего не знаем ни об их предках, ни о потомках, потому что подобные организмы ни в кембрии, ни далее не встречаются.
Выходит, название «скрытая жизнь» не так уж верно?
Да, она была скрытой от нас, но на самом деле оказалась явной. Поэтому и сам этот термин начал разрушаться. Это была сложная, разнообразная жизнь. Конечно, первые миллиарды лет — это преимущественно бактериальная жизнь. Но уже где-то 1,5 млрд лет назад начали появляться первые организмы, видимые невооруженным глазом. Например, я описывал в США и Австралии организмы из отложений, жившие 1,5 млрд лет назад, которые напоминают ожерелье, — это так называемая хородиския. Она похожа на нить, на которой нанизаны бусины. Такие организмы тысячами разбросаны под ногами, когда идешь по песчаникам. Это бывшее дно древнего моря. Удивительное чувство, когда идешь по этой поверхности и видишь отпечатки морской ряби и эти ожерелья, существа, которые когда-то здесь жили, росли, питались, а потом почему-то исчезли. Возможно, это был один из первых экспериментов живой природы, попытка выйти в большой размер, в многоклеточность. И такие попытки предпринимались, наверное, неоднократно.
Но что-то пошло не так?
Видимо, да, и эти организмы вымерли. Но жизнь продолжалась, и довольно сложная. Мы пока очень мало о ней знаем. Эти позднепротерозойские мягкотелые организмы сейчас называют «вендобионты». Они появились в самом конце протерозоя. Период, который непосредственно предшествовал кембрию, называется вендским периодом. Наш соотечественник академик Б.С. Соколов фактически обосновал существование такого периода, предшествующего фанерозою. Тогда на многих континентах сформировались обширные моря, как, например, в европейской части России. Это море покрывало всю сушу, судя по осадкам, которые прослеживаются от Кольского полуострова до Черного моря. Мы видим эти отложения с помощью скважин и естественных обнажений. Под Москвой эти отложения могут быть на глубине 2 км. Но они выходят на поверхность вблизи Кольского полуострова по Белому морю. Они есть и в восточной части европейского фрагмента России на Урале.
Это был период наступления морей на континенты?
Да, мы называем это периодом трансгрессии, которая была связана прежде всего с тем. что таяли гигантские ледники. Дело в том, что вендскому периоду предшествовал период, который сейчас называется криоген. Это период начался приблизительно 800 млн лет назад и закончился где-то около 650 млн лет назад. В этом интервале было зафиксировано четыре или пять крупных оледенений. Последнее из плейстоценовых оледенений, валдайское оледенение, завершилось около 12 тыс лет назад, и оно было не самым крупным. Были и такие, что льды доходили до широты Полтавы. Там до сих пор находят бивни мамонтов. Но те оледенения, которые предшествовали вендскому периоду, были гораздо серьезнее. Их следы мы находим на всех континентах.
Что это за следы?
Мы видим особый тип отложений, когда ледники, как бульдозеры, идут с севера на юг, все стирая на своем пути. В эти льды вморожены огромные глыбы горных пород, которые стирают другие породы. Когда ледник отступает и тает, мы видим эти камни. Они похожи на гигантские утюги с отшлифованными боками. Есть следы, которые указывают на оледенения в морских отложениях, где толщи не возмущены штормами. И вдруг ты видишь камень, который прошел, как бомба, сквозь осадок. Это ледники таяли, айсберги уходили в океан, из них вытаивали камни и падали на морское дно. Это тоже сигнал, что океан был холодным. У нас в Геологическом институте много лет работает профессор Н.М. Чумаков. Он всю жизнь занимается проблемой формирования древних оледенениий, очень много сделал для того, чтобы описать историю этих процессов, которые предшествовали взрыву жизни в вендском периоде.
То есть в то время, когда наступали эти гигантские оледенения, всех этих древних организмов еще не существовало?
Видимо, нет. Ряд специалистов полагают, что в те времена Земля напоминала снежный ком. Ледники доходили до экватора. Есть сторонники гипотезы о том, что Земля замерзала целиком, и не раз. Бактериальная жизнь, конечно, существовала. Но фотосинтез на какое-то время останавливался. А если нет фотосинтеза, значит и кислород не вырабатывается. Но, скорее всего, все-таки в океане оставались значительные участки, куда солнечный свет проникал и где фотосинтез существовал. У нас нет сигналов, что жизнь совсем прекращалась.
Она все время каким-то образом поддерживалась?
Да. Были оледенения, потом ледники отступали, но климат все еще оставался прохладным во многих местах. И это, наверное, пошло на пользу формированию сложной жизни, а может быть даже спровоцировало взрыв жизни в вендском периоде. Дело в том, что холодные воды отличаются от теплых тем, что в них растворяется больше кислорода. Это на руку аэробным организмам, которые дышат кислородом, — так называемым эукариотным одноклеточным. И еще одна очень важная вещь: в холодном океане вся толща воды холодная. Вблизи наших полярных областей мы это видим. И там океану ничто не препятствует перемешиваться. Поэтому отмершие части организмов, отходы жизнедеятельности, продукты фильтрации— все это падает на дно. Но все это окисляется течениями и снова выносится на поверхность. Это нутриенты для фитопланктона — основы пищевой пирамиды. Холодные воды отличаются высокой продуктивностью. А вот теплый океан, который предшествовал этому ледниковому периоду криогена, очевидно, сдерживал развитие высокоразвитой жизни.
Казалось бы, должно быть все наоборот.
А вот и нет. В теплом океане — следующая картина. Верхний слой, прогретый солнцем, имеет относительно высокую температуру. Нижний слой, куда не доходит солнце, — низкую. Таким образом, возникает стратификация, то есть он не перемешивается. И это значит— все, что захороняется на дне, даже на мелководных участках, остается там. Это голодный океан, который нуждается в жизни фитопланктона, но не способен ее кормить. Так что именно холодный океан дал толчок жизни.
Михаил Александрович, но сейчас, как известно, благодаря антропогенному фактору температуры растут, воздух, как и океан, нагревается. Может быть, это говорит о затухании жизни?
Роль человека здесь надо выяснять, это все-таки спорный вопрос. Природные процессы продолжают играть немалую роль в изменениях климата. Не только на суше, но и в океане, в рифтовых долинах идет активная вулканическая деятельность, выделяются гигантские массы двуокиси углерода и других парниковых газов. Периоды потепления и похолодания были всегда, и когда мы изучаем древние оледенения, мы понимаем: это был циклический, естественный процесс. Такое колебание весьма характерно для истории планеты. Общий тренд сейчас — действительно повышение температуры. Но при этом существуют колебания погоды. Поэтому я бы не стал однозначно утверждать, что человечество перегрело планету и это стало угрозой для жизни.
Вы не видите такого риска?
Конечно, опасность есть. Ведь существуют куда более опасные парниковые газы, чем углекислый газ, — метан, например. Но смотрите, какая парадоксальная вещь. С потеплением климата увеличивается объем осадков, включая снег. Его так много, что вечная мерзлота медленнее оттаивает в начале лета в полярных областях.
То есть природа все время придумывает какие-то шаги для самоспасения?
Похоже, это так.
Как вы думаете, те древние организмы, которые почему-либо вымерли на Земле, могли продолжать свое развитие на какой-то другой планете?
В принципе, если это существует на Земле, значит возможно и где-то еще. Жизнь — это не случайное явление. Она неизбежна. Существуют процессы самостоятельного усложнения материи, ведущие к формированию все более сложных соединений и структур. Физики называют это неравновесностью. Скажем, если вы сделаете наклон, вода потечет вниз. Поставите плюс и минус — пойдет электрический ток. Эти вещи, создающие градиент, всегда существовали в природе. Они вызывают поток энергии или вещества. И вот этот поток сам по себе может формировать упорядоченность и высокую сложность. Я всегда привожу пример, который меня глубоко трогает. Этот образ, который показывает, что такое жизнь, оставил нам Жорж Кювье. Он был палеонтологом, занимал высокие должности при Наполеоне. И он сказал, что живой организм подобен смерчу или торнадо. Оно имеет определенную форму, как многие организмы, — коническую. Оно движется, растет, как все организмы, вбирает в себя и выбрасывает. Оно может даже делиться. Но это «существо» живет, только пока дует ветер. Вот это — суть жизни. Еда, дыхание, питание, обмен веществ для нас — тот самый «ветер».
Иначе говоря, если создается комплекс условий, то жизнь неизбежна? И она всегда усложняется?
Совершенно верно. Она начинается на атомном, на молекулярном уровне в разных условиях, но всегда идет по пути усложнения. Но мы начали наш разговор с животных. Посмотрите, как много потребовалось первым животным — почти 3 млрд лет, чтобы возникнуть из ничего. Видите, какова цена высокой сложности и как непроста эта история! Среди этих существ, о которых мы говорим, пока известны только морские животные. Мы ничего еще не знаем о жизни на суше. Мы описывали и по-новому интерпретировали удивительных животных— кимбереллу, например, которая во многом напоминает моллюсков. Это билатеральные животные, у них был некий хоботок, с помощью которого они питались на бактериальных матах. Эта статья была опубликована в Nature. Потом мы определили возраст отложений с этими окаменелостями, и кимберелла стала древнейшим видом билатеральных многоклеточных животных, который используют для калибровки молекулярных часов (это метод сравнительной геномики, позволяющий реконструировать эволюционные события и филогентические связи). Статья об этом вышла в Science. Сейчас мои коллеги И.М. Бобровский и А.Ю. Иванцов с соавторами напечатали статью, которая также опубликована в Science: на примере вендской дикинсонии они доказали, что эти существа содержат липиды, свойственные только животным. Эта статья цитировалась в числе главных достижений естествознания года, потому что была подтверждена идея о том, что мы имеем дело с древнейшими животными.
А до этого сомневались?
Да, было много гипотез, которые уходили от животной природы этих существ. Одни полагали, что это вымерший тип совсем неизвестно чего. Другие говорили, что это водоросли. Третьи — что это лишайники, симбиоз грибов и водорослей или цианобактерий. Четвертые — что это гигантские многоядерные одноклеточные. Эти споры будоражили научную общественность много лет. А тем временем шла большая систематическая работа, ежегодные экспедиции. Мои первые экспедиции на Белое море были отсюда, из Геологического института. Сейчас наша лаборатория докембрийских организмов в Палеонтологическом институте проводит экспедиции на Белом море, в Сибири, на Урале, не раз бывали с полевыми работами в Намибии, Австралии и других странах. Но, конечно, самое уникальное — это по-прежнему Белое море. Там на протяжении береговой линии более 400 км выходят древние толщи, где отпечатки такой сохранности, что можно ставить изучение биохимии этих существ. В работах А.Ю. Иванцова показано, что они могли передвигаться, оставляли следы, ползали. Мы находим массу следов питания. Все это вместе складывается в картину довольно разнообразного животного мира. При этом, повторюсь, основная часть этих существ — не наши предки.
Михаил Александрович, а как вам нравится гипотеза о том, что некоторые динозавры могли быть разумными?
Ну, если есть мозг, должен быть и разум.
Неожиданно! А древние животные, о которых мы сегодня говорим, могли что-то соображать?
Ну вот смотрите. У современной медузы по краю зонтика есть много таких «глазок». Мы с вами смотрим глазами, а видим мозгом. Мы слушаем ушами, а слышим и расшифровываем мозгом. У медузы нет мозга, но есть глаза. Как она их использует? Как она обрабатывает информацию? На 97% она состоит из воды, это желеобразное существо. Мои коллеги исследовали полуизолированную экосистему кальдеры, в которой живет множество медуз. Стенки там довольно высокие, солнце туда заглядывает косо, оно движется, а ткани медуз наполнены симбиотическими водорослями, которым нужен солнечный свет. Они сами — фактически фотосинтетики. И эти медузы все время мигрируют всей своей толщей за солнечными лучами. Вот разум это или нет?
Станислав Лем создал мыслящий океан. Чем он соображает, неизвестно.
Сейчас рассказывают о кооперации в мире бактерий и архей. Это наиболее примитивные существа, но у них действительно довольно сложные отношения. Там есть и конкуренция, и кооперация, и то. что можно было бы назвать обманом, хитростью, коварством. Это удивительно. Это сложное сообщество из разных культур с очень пластичным геномом, обеспечивающим обмен веществ между разными членами этого сообщества. Много поразительного можно сказать про муравьев и пчел. Говорят, что это рассеянный мозг. Как пчела, например, передает своим коллегам по улью, где можно взять нектар? Она прилетает и на вертикальной стенке рисует знак, а другие пчелы внимательно наблюдают. И вот положение этого знака, в котором учитывается земное тяготение, как-то обозначает азимут, дает им понять, куда лететь. Понимаете?
Не очень.
Вот именно. А танцы пчел, с помощью которых они тоже передают информацию? Поэтому, когда мы говорим о разуме, надо понимать, что он может иметь очень разные проявления.
Вы рассказали о животных, которые не были нашими предками. Может быть, через несколько миллионов или миллиардов лет новые жители Земли найдут наши останки и будут гадать, были мы существами животного происхождения или нет. А может быть, мы водоросли или лишайники?
Возможно, такое будет в какой-то длительной перспективе. Геологические летописи весьма разнообразны. Все меняется, кроме бактерий или архей. Их называют самыми примитивными формами жизни, но при ближайшем рассмотрении они оказываются совсем не примитивными. Они сумели преодолеть все катаклизмы. Они живут в невероятных условиях — начиная от горячей воды и до высокой радиации. Они выдерживают экстремальные давления и сверхнизкие температуры. Они способны переключаться на разные типы питания, входят в симбиозы. Они не могут поглощать кого-то, как это делаем мы, но эта их, казалось бы, примитивность — залог выживания.
Михаил Александрович, зачем нужно изучать историю древних организмов, тем более вымерших?
Это чрезвычайно важно. Когда мы начали исследовать эту фауну, я был в командировке в США и ко мне подошел биолог, который спросил: «Послушай, а глаза у них были?» Я говорю: «Ты знаешь, пока не установлено. А почему ты спрашиваешь?» Оказывается, они занимались происхождением родопсина, основного зрительного пигмента, который ответственен за восприятие света. И выяснение, когда сформировалось то или иное вещество, тот или иной орган, чрезвычайно важно во многих отношениях. Чем древнее тип молекулы, тем прочнее ее место на древе жизни. Это трогать нельзя — все рухнет. Потому что организм — это предельно связная система. Тронешь одно— потревожишь все остальное. Нужно быть чрезвычайно осторожными с этими вещами. Нужно знать их историю, тогда поймешь смысл жизни, как говорил И.А. Бродский. Смысл не только философский, но и сугубо практический, утилитарный.
В палеонтологии и в геологии, в стратиграфии отпечатки животных служат знаком времени. Эволюция необратима. И в этой ископаемой летописи мы видим, что разнообразие то растет, то гаснет, то мы наблюдаем массовые вымирания. Но в целом виды сменяют друг друга. При этом каждый вид представляет собой индекс определенного периода. Пока не было изотопных методов датирования горных пород, у нас существовала относительная геохронология. Более века назад появилось изотопное датирование, которое сейчас активно развивается. Мы извлекаем минералы, которые содержат радиоактивные элементы, их дочерние продукты, и по их соотношению измеряем возраст. Таким образом окаменелости получают датировку, исчисляемую в годах. В практической геологии это чрезвычайно важная вещь.
Для нас важны еще биогеография и палеобиогеография. Вот, допустим, до каких-то пор животный мир Южной Америки и Африки был однородным, пока это был один континент. А как только они разошлись, начала работать изоляция — и эволюционные пути пошли по-разному. Сегодня мы используем органические остатки для того, чтобы реконструировать палеогеографию, то есть географию планеты миллионы и миллиарды лет назад. Мы видим, как Земля была заселена видами в разное время. Это позволяет нам реконструировать положение континентов и находить подчас очень важные вещи — в том числе и для практической, прикладной науки.
■
Беседовала Наталия Лескова
