Почти убивший жизнь: благодаря или вопреки кислороду развились древнейшие животные

Считается, что многоклеточные животные появились на Земле благодаря возросшему уровню кислорода. Однако новое исследование показывает, что все может быть не так просто.

Газ, убивший почти всех

«Все живое дышит кислородом» — максима столь же расхожая, сколь и неверная. На планете и сегодня огромное количество микробов, которые не только не нуждаются в кислороде, но и боятся его как огня. А почти 4 млрд лет назад, когда жизнь только зародилась, этого газа вообще не было в атмосфере Земли.

Его источником стали цианобактерии. Это первые организмы, освоившие фотосинтез современного образца. Поглощая воду и углекислый газ, они превращали их в органику, которой питались и из которой строили свои микроскопические тела. А кислород — это «отход производства».

Углекислого газа на древнейшей Земле было более чем достаточно (атмосфера и состояла в основном из него), воды тоже. Цианобактерии размножились и заполонили поверхность океанов. В лице этих сине-зеленых малюток жизнь впервые широко расселилась по планете.

Около 2 млрд лет назад концентрация кислорода в атмосфере достигла 1%. По нынешним меркам это очень мало — сегодня его 21%. Но для тогдашних организмов кислородная революция обернулась катастрофой.

Химически активное вещество, попавшее в неприспособленный к нему организм — это слон в посудной лавке. Оно реагирует с чем попало, нарушая тонкие и чувствительные биохимические механизмы. 2 млрд лет назад большинство живых существ вымерло, отравившись незнакомым и очень активным газом. Вероятно, это было самое массовое вымирание в истории Земли.

Скорее всего, кислородное дыхание возникло как попытка обезвредить яд. Организмы тратили питательную глюкозу, «сжигая» ее в кислороде. Но быстро выяснилось, что так из глюкозы извлекается намного больше энергии, чем при «штатном» ее усвоении. Из вынужденной защитной меры кислородное дыхание превратилось в преимущество.

Энергия дала жизни шанс на усложнение. Именно во время кислородной революции появляются эукариоты. Это клетки со множеством «внутренних органов» (точнее, органелл), куда более сложные, чем бактериальные. Все эукариоты дышат кислородом, кроме немногих, потерявших эту способность при дальнейшей эволюции. Былой газ смерти стал для них газом жизни.

Именно эукариоты изобрели многоклеточность. Земля наконец перестала быть планетой микробов. В биосфере появилось что-то большое, пусть даже сначала это были водоросли.

Черновики Бога

Макроскопические животные появляются в палеонтологической летописи гораздо позже кислородной революции. Одно из древнейших сообществ многоклеточных животных на Земле (и древнейшее из детально изученных) — эдиакарская биота, существовавшая 575-542 млн лет назад.

Эти странные обитатели морского дна были похожи на широкие диски и ленты со вздутиями. Похоже, большинство не имело ртов и питалось через кожу. Долго считалось, что среди эдиакарцев не было хищников, и лишь недавно обнаружился претендент на эту роль.

Эдиакарская фауна вымерла, не оставив потомков. За это она получила меткое прозвище «черновики Господа Бога». Предки современных животных появились позже. Но откуда на планете, миллиарды лет не знавшей многоклеточных животных, вдруг возникла развитая фауна?

Один из возможных ответов в том, что никакого «вдруг» не было. Просто следы более древних животных не сохранились. В конце концов, уже 1,65 млрд лет назад фитопланктон обзавелся шипами — значит, его кто-то ел. А не менее 840 млн лет назад существовала плохо изученная хайнаньская биота. Эдиакарцам просто первым повезло хорошо сохраниться в окаменелостях — вот и вся «мгновенность».

Однако многие исследователи считают, что дело в скачке уровня кислорода. Необходимый многоклеточным газ наконец добрался до морского дна и подарил жизнь эдиакарской фауне.

Тем не менее новое исследование опровергает это мнение.

Перекройте кислород

Команда ученых из США, Дании, Норвегии, Канады и Омана стремилась выяснить содержание кислорода в глубине эдиакарских морей. К сожалению, природа не предусмотрела консервных банок, чтобы полмиллиарда с лишним лет хранить нетронутые образцы воды специально для любознательного человечества. Поэтому исследователи не могли напрямую измерить количество растворенного в тогдашней воде кислорода. Но кислород влияет на многие процессы, оставляющие химические следы в донных отложениях. По этим-то следам и можно судить, много было этого газа или мало.

Эксперты исследовали эдиакарские породы, добытые в двух районах Омана. Они измеряли содержание изотопов таллия, различных химических форм железа, а также количество ванадия, молибдена и урана. Все это — маркеры уровня кислорода.

Результат оказался обескураживающим.

«Наши измерения дают хорошее представление о средних концентрациях кислорода в Мировом океане в то время. И нам очевидно, что, когда более развитая фауна начала развиваться и доминировать на Земле, не было значительного увеличения количества кислорода. Фактически имело место небольшое снижение», — заявляет один из авторов исследования Кристиан Бьеррум.

В научной статье авторы просто констатируют этот факт. Они не пытаются ответить, как эдиакарская фауна развилась при низком уровне кислорода (в 5-10 раз ниже, чем сегодня). Это и понятно: официальный отчет об исследовании — не место для необоснованных гипотез. А вот в пресс-релизе ученые осторожно предполагают, что эдиакарская жизнь еще не успела толком приспособиться к кислороду. Так что небольшое снижение его концентрации пошло ей на пользу: дышать все еще можно было, а клетки (особенно стволовые) меньше страдали от окислительного стресса. Между прочим, этот стресс и сегодня — одна из основных причин старения.