понедельник, 7 октября 2013 г.

Кембрийский взрыв и его причины

Развитие жизни на земле. Знаменитая спираль.
Картинка американская - на это указывает признанные
только в США периоды Пенсильваний и Миссисипий
Все знают Чарльза Дарвина. Все любят Чарльза Дарвина. Ведь эта глыба, этот мощный бородатый старик - тот кто навсегда изменил науку, предложив теорию эволюции.
До Дарвина каждому образованному человеку было известно: бог создал все живое на земле за 7 дней раз и навсегда. С тех пор животные не менялись, а ископаемые кости в земле - это то что осталось от тех, кого Ной не взял на свой ковчег во время великого потопа. Доходило до смешного - хорошо сохранившейся скелет гигантской саламандры объявили остатками Адама и чуть не канонизировали.
После знаменитой работы Дарвина "Происхождение видов" настаивать на теории сотворения жизни Богом могли уже только совсем упоротые мракобесы и религиозные фанатики.
Однако был в прошлом Земли один факт, который сам Дарвин рассматривал как аргумент против своей теории эволюции - знаменитый кембрийский взрыв, произошедший более полумиллиарда лет назад. Уникальное явление для развития жизни: в абсолютно до того пустых и не содержащих следов жизни породах внезапно появилось огромное разнообразие организмов. Раз - и в геологической летописи практически одномоментно появляются все основные типы ныне живущих животных.
Сейчас то мы знаем, что жизнь существовала задолго до кембрийского периода и палеонтологическая летопись это весьма красноречиво подтверждает. Например в предшествовавшем кембрийскому вендском периоде была обнаружена богатая мягкотелая фауна. Но отрицать колоссальный эволюционный скачок, произошедший в начале кембрия невозможно, и он входит в противоречие с классической теорией эволюции, которая считает что накопление изменений происходит плавно и постепенно. Ясно, что для взрывного роста биологического разнообразия нужны были изменения планетарного масштаба. Палеонтологи и геологи всего мира искали их. И нашли, причем несколько.

Кислородный скачок в кембрийском периоде

Первый из них - кислородный скачок, который был вызван деятельность хорошо нам известных строматолитов -  как я уже писал первыми существами, способными к фотосинтезу были цианобактерии жившие в таких бочкообразных колониях, как на фото. Миллиарды лет выделяли они кислород, прежде чем тот привел к колоссальным изменениям для всего живого.
Первые генераторы кислорода - строматолиты
Дело в том, что по отношению к кислороду есть два типа микроорганизмов: анаэробные, то есть способные жить без кислорода и аэробные, использующие кислород в своих обменных процессах. Кислородное окисление, лежащее в основе метаболизма аэробных организмов куда эффективнее анаэробного, но развернуться в полный рост несколько миллиардов лет им не давало почти полное отсутствие свободного кислорода на планете. Это сильно угнетало аэробные организмы и заставляло ютится в прямой близости от цианобактериальных матов, иначе бы им просто нечем было дышать. И вот настал переломный момент - кислорода в атмосфере стало достаточно. Все эти прозябающие в своих резервациях организмы вырвались на волю, став доминирующими во всем первобытном океане. Теперь изгоями неожиданно (особенно для них самих) стали анаэробные организмы. Они поменялись местами, и как индейцы Северной Америки были загнаны в бесплодные резервации: на дно океанов, в геотермальные и попросту ядовитые для всех организмов источники. Массовая гибель одних и практически неограниченное размножение других - что может быть лучшее для эволюции?

Кувырок Земли: раскол Роднии и образование Гондваны

Супер континент Родния - тогда вся суша
располагалась возле экватора
А тут еще новая напасть - недавно обнаруженный палеогеографами "кувырок Земли". Этим хлестким эпитетом назвали кардинальную смену расположения континентов тогдашней Земли аккурат перед началом кембрийского периода. Как же это произошло?
 Как раз перед самым кембрийским периодом древнейший супер континент названный палеогеографами Родния треснул и раскололся на части. Осколки Роднии начали перегруппировываться в новый континент - Гондвану. В результате более тяжелые и толстые материковые литосферные плиты оказались у южного полюса Земли. К несчастью для них и всех тогдашних обитателей этим дело не ограничилось. 
Место для точки сбора оказалось неудачным - вращение земли из - за смещения центра массы стало неустойчивым. Вмешалась чистая физика - в результате вращения Земли континенты поплыли обратно, к экватору. Произошло
Расположение континентов в раннем кембрии
это с геологической точки зрения практически одномоментно - всего через 15 миллионов лет дрейф закончился и континенты вернулись назад к экватору, повернувшись относительно своего прежнего положения на 90 градусов.
Грандиозный дрейф континентов вызвал глобальные изменения на планете. Появлялись и исчезали океаны, менялись течения, ветра и климат. Каждое такое изменение вело к гибели бесчисленного множества организмов с экосистемами и появлению новых.
Столь резкая смена обстоятельств: вымирание одних и бурное развитие других организмов тоже ведет к сильному ускорению процесса эволюции. Сильному, но недостаточному для столь серьезных изменений.

Раковины и скелеты: главное эволюционное достижение кембрия

Твердая оболочка - то, что помогает увидеть нам
ископаемые организмы в палеонтологической
летописи
Что же приобрели живые организмы в раннем кембрии? Главное изменение, которое произошло неожиданно разом со всеми - на картинке. Это раковина, панцирь, скелет - иными словами твердый каркас который за какие то 7 миллионов лет появился у практически всех групп организмов. На заре кембрия раковины были длиной всего несколько миллиметров, однако к окончанию кембрийского периода приобрели вполне современные размеры. Зачем вдруг огромному количеству животных - от простейших до сложно устроенных понадобилась броня? Ведь миллиарды лет они превосходно без нее обходились. Чтобы объяснить смысл возникновения раковины палеонтологи использовали свой излюбленный прием под названием "посмотри зачем это нужно современным животным и распространи наблюдение на вымерших".
Итак для чего нужна раковина улитке и панцирь черепахе? Ну конечно же для защиты от хищников! Может  быть все дело в появлении хищников? Действительно в конце вендского периода находят остатки животного клоудина, на котором остались "следы зубов и когтей" пока неизвестного науке хищника. Значит хищничество все же сыграло свою роль в ускорении процесса эволюции. Ведь хищник в природе - санитар, безжалостный молох естественного отбора, который съедает недостаточно приспособленных, расчищая дорогу более эффективным.
Однако, не отрицая важности хищников для естественного отбора остается невыясненным вопрос: если скелет, неважно снаружи он или внутри нужен для защиты от хищников, зачем тогда он самим хищникам, в том числе и самым крупным? И почему вдруг все группы животных озаботились необходимостью завести себе "каркас"?

Изменение химического состава океана и великое несогласие

Тот самый большой каньон - одна из самых известных достопримечательностей США

Ответ  на этот вопрос дан недавно, в Большом Каньоне штата Колорадо, и имя ему - Великое несогласие.
Назван этот эффект не потому, что осадочные породы расположенные на границе кембрий - венд с чем то несогласны, о потому что залегают несогласованно. Этим нарушается общий принцип накопления осадков в геологии: внизу залегают более старые породы, вверху более молодые - разрез плавно и постепенно "молодеет" от слоя к слою. Однако очень часто этот принцип нарушается. Типовая ситуация: осадочные породы накапливаются в течении длительного времени, потом раз - и на многое миллионы лет осадконаколение прекращается. Объясняется это просто: произошли геологические процессы, которые остановили процесс накопления осадочной толщи: например сначала на месте нынешней скалы плескалось море, оставившее после себя известняки да песчаники, а потом неожиданно земля поднялась, море ушло и начался процесс выветривания.
Великое несогласие хорошо видно на фото, где соприкасаются
скальные породы возрастом 2.9 млрд лет и кембрийские
возрастом 510 млн лет
Для локальных регионов Земли это объяснимо, но как объяснить Великое несогласие а именно залегание пород кембрийского (560 млн лет) сразу над древнейшими породами возрастом более 1 млрд лет, которое прослеживается практически повсеместно, а особенно четко в Большом каньоне штата Колорадо.
Куда делись осадочные породы, накопленные в течение столь длительного периода?
Скрупулезные исследования позволили выяснить, что столь сильное рассогласование возраста пород было вызвано масштабным подтоплением континентов, из-за чего накопленные породы стали размываться, изменяя химический состав океана. Резкое изменение химического состава океана заставило столь же резко перестроиться живые организмы. Для того, чтобы сохранить баланс ионов внутри себя прежним при изменении состава океана организмы должны были научиться выводить их излишки наружу и лучшим способом было -сформировать кристалл на поверхности тела. Из этих кристаллов в процессе эволюции сформировались все эти скелеты и раковины.
Это открытие проливает свет но столь резкое ускорение эволюции. Речь шла даже не о защите от хищников - каждый организм, который не сформировал раковину, скелет или хотя бы кристалл немедленно был бы разорван осмотическим давлением.


Согласно ископаемым данным, три ключевых биоминерала — фосфат кальция, из которого состоят кости позвоночных, слагающий раковины карбонат кальция, а также двуокись кремния, слагающая скелетики радиолярий, — начинают более или менее одновременно накапливаться в то же самое время, в какое формировалось Великое несогласие, притом у самых разных и относительно неродственных организмов.

Итак, современные исследования немного приоткрывают завесу тайны над кембрийским взрывом - глобальные изменения в масштабах планеты, изменение состава мирового океана и увеличение кислорода в атмосфере просто заставили организмы изменится - те кто не смог этого сделать погибли. В результате кардинальным образом изменилась биохимия клеток и принципы обмена веществ - чем не повод для появления абсолютно новых, доселе невиданных видов?

P. S. Чтобы получать самую свежую информацию о новых статья, пожалуйста подпишитесь на обновления.

2 комментария:

  1. Все очень понятно и логично. Но чтоб дойти до таких выводов, ученым приходится "попотеть".

    ОтветитьУдалить