Ископаемые бактерии – история жизни

Для понимания истории становления жизни на Земле необходимо суммировать известные палеонтологические данные.

Должны быть рассмотрены три группы докембрийских фоссилий: хемофоссилии, или биомаркеры; собственно остатки организмов и ископаемые следы. Существует множество публикаций на эту тему. Однако хотелось бы выделить две крупные сводки В. Шопфа, в которых на то время были подведены итоги изучения микрофоссилий и строматолитов докембрия. Ключевые моменты, отмеченные Шопфом и его соавторами, показаны на рисунке (см.ниже).

Что же стало известно за последние 10-15 лет и насколько изменились наши знания и представления о начальных этапах развития жизни?

Биомаркеры. Интенсивное изучение хемофоссилий, или биомаркеров, привело к тому, что стали появляться данные о находках стеролов и о существовании эвкариот около 2.7 млрд. лет тому назад. При этом количество кислорода в атмосфере должно было быть не менее 1 % от его количества в настоящее время. Как замечают в этой связи другие американские коллеги, появление в это время одноклеточных эвкариот само по себе должно было также повлиять на процесс увеличения кислорода и, соответственно, на окисление железа в водах морей.

Собственно остатки организмов. Среди этих фоссилий следует остановиться на трех разных группах: 1) остатках эвкариотных многоклеточных организмов, 2) остатках эвкариотных одноклеточных организмов, 3) остатках прокариот.

Остатки многоклеточных эвкариот. Идя вниз по стратиграфической шкале от широко известных ископаемых вендо-эдиакарского типа, прежде всего следует указать на рифейские аннелидоподобные организмы севера Европейской России и Китая и на Udokania problematica Leites, описанную много лет назад из удоканской серии Сибири. Поначалу не вызывавшая сомнений находка удоканий, по мнению В.В. Меннера, Б.С. Соколова, Р.Ф. Геккера и других, была сочтена за остатки либо кишечнополостных, либо кольчатых червей. Некоторые исследователи эти образования посчитали абиогенными, и они были выброшены из палеонтологической летописи. Однако никто не опубликовал никаких серьезных аргументов в пользу такой точки зрения. Специальное переизучение многочисленных дополнительных образцов позволило убедительно показать их биогенную природу. Т.А. Саютина и Е.С. Вильмова описали два вида Udokania и дали четко аргументировали невозможность считать эти образования псевдоморфозами по скаполиту, как это полагал Л.И. Салоп. Но даже после этого зарубежные авторы обзоров и статей по эволюции жизни в докембрии и ряд российских исследователей игнорировали эти данные. Неудивительно, когда это делают англоязычные авторы, но плохое знание русской литературы российскими специалистами обескураживает.

Еще в конце 70-х – начале 80-х годов З. Валенчак опубликовал первые результаты исследования дефектных структур и псевдоморфоз в древних породах методом темного поля под оптическим микроскопом. Выяснилось, что в метаморфических породах органическое вещество влияет на образование кристаллов, создавая дефектные структуры. Таким образом, была обнаружена возможность распознавания «теней» биологических объектов, находившихся в породе до момента перекристаллизации. Все эти работы были опубликованы на польском языке и остались незамеченными. Хотя позже краткая заметка Валенчака в «Палеонтологическом журнале» была опубликована по-русски и переведена на английский язык, эта информация была вновь проигнорирована. В этой заметке описывались остатки возможных грибов из амфиболитов фундамента Восточно-Европейской платформы и графитовых мраморов слюдянской серии Южного Прибайкалья.

Крайне интересны так называемые Grypania из протерозойских отложений Северной Америки и Китая. Обычно их находили в верхах протерозоя. Однако Хен и Раннигер описали грипаний из формации Негауни Айрон Мичигана, возраст которой ~ 2.1 млрд. лет. Похоже, большинство исследователей сходится на том, что грипании несомненно принадлежат многоклеточным эвкариотным организмам, вероятнее всего, водорослям.

Следующую группу ископаемых, относимых к эвкариотам, представляет ассоциация Chuaria-Tawuia. Особенно подробно этих ископаемых исследовал Г. Хофман. Последняя его сводка опубликована в сборнике под редакцией С. Бенгтсона.

Одноклеточные эвкариоты. К числу вероятных одноклеточных эвкариотных организмов следует прежде всего отнести разнообразные акритархи. Можно достаточно уверенно полагать их присутствие уже в ганфлинтской биоте.

Прокариоты. О находках прокариот было написано выше. Но все же имеются достаточно интересные данные из раннего архея. В раннем проторозое количество находок очень велико. Рифей же просто напичкан остатками прокариот. Однако наибольший интерес представляют находки, достаточно обоснованно интерпретируемые как цианобактерии. Вероятно, что учитывая время появления кислорода, первые же находки строматолитов можно смело считать временем достоверного появления цианобактерий.

Ископаемые следы. В обширной литературе по этому вопросу главное внимание обращалось на изменение характера ископаемых следов при переходе от докембрия к кембрию. Действительно, картина распределения следов в докембрии и кембрии достаточно контрастная. Эта резкая разница привела к тому, что целый ряд исследователей пришел к выводу о возможности использования следов для фиксации границы кембрия и докембрия. В результате чего выбранная граница стала неопределимой за пределами типового района на Ньюфаундленде. Однако применительно к данной статье представляется, что увлечение данным пограничным переходом привело к снижению внимания к докембрийским следам и особенно к их поиску в архейских и нижнепротерозойских отложениях. Вместе с тем, совсем недавно были описаны интереснейшие следы (возможно, слепки), названные Horodyskia и интерпретированные как следы колониальных тканевых организмов. Возраст этих следов ~ 1.5 млрд. лет. Еще ранее были упомянуты следы, обнаруженные Б. Шишкиным (Новосибирск) на Сибирской платформе (Игарский район) в чернореченской свите нижнего рифея. По своей форме (и, следовательно, характеру движения) они несомненно принадлежат целоматным червеобразным организмам, а некоторые из них, возможно, даже артроподам.

Таким образом, на основе палеонтологических данных намечается весьма логичная последовательность появления (обнаружения) разных групп организмов: бактерии ~ 3.8-4.0 млрд. лет (при этом, вероятно, правильно, что вначале появились или начали широко функционировать анаэробные бактерии и несколько позднее аэробные), цианобактерии ~ 3.5-3.8 млрд. лет, одноклеточные эвкариоты ~ как минимум 2.7 млрд. лет, грибы не позднее ~ 2.4 млрд. лет (а вероятно, древнее), многоклеточные водоросли и низшие Metazoa (ацеломаты) древнее ~ 2.1 млрд. лет) а целоматы древнее ~ 1.5-1.6 млрд. лет.

С большой долей уверенности можно считать, что наша биосфера, как полагают многие, сначала была прокариотной. Затем очень продолжительное время она находилась в «промежуточном» состоянии, когда постепенно появлялись прокариоты (внутри этого периода можно наметить более мелкие этапы, например, появление целомат и т.д.). И, наконец, в фанерозое биосфера приобретает современный вид, когда решающую роль уже играют эвкариоты.

Теперь несколько слов о составе древней атмосферы и времени появления кислорода. В.И. Виноградов на основе исследований изотопов серы уже довольно давно высказал предположение, что кислородная атмосфера, сходная с современной, существует практически с архея. Эти представления были встречены, мягко говоря, прохладно, и до сих пор существует устойчивое убеждение, что в архее атмосфера долгое время была восстановительной.

Данные, которые обсуждатся в настоящей статье, недвусмысленно указывают на достаточно раннюю оксигенацию атмосферы. Ранее уже говорилось о стеролах с возрастом 2.7 млрд. лет, свидетельствующих о наличии в этом времени эвкариот. Добавив сюда грибы из амфиболитов фундамента Восточно-Европейской платформы и графитовых сланцев Сибири, удоканий, вероятных кишечнополостных, следы целоматных животных и эвкариотный планктон (акритархи) из ганфлинта и его аналогов, получим совершенно иную картину. К выводам такого толка, исходя из самых разных фактов, приходят сейчас многие исследователи. Интересны, например, исследования Я. Ватанабе и Х. Омото цериевых аномалий из древних палеопочв Южной Африки, возраст которых составляет 2.4-2.6 млрд. лет. Эти авторы настаивают на существовании в то время кислородной атмосферы.

Из архейских пород Канады (~ 2.7 млрд. лет) исследовались изотопы кислорода в гематитовых кристаллах. Полученные результаты позволяют считать, что в это время атмосфера была кислородной.

Гораздо более ранняя, чем обычно считалось, оксигенация атмосферы подкрепляет представление о достаточно раннем появлении цианобактерий и цианобактериальных матов. Во всяком случае, не исключено, что ископаемые Шопфа из Австралии, и Велш и Весталл из Южной Африки могут оказаться цианобактериями (3.5 млрд. лет), тем более, что Весталл описала ископаемых бактерий и стромалитоподобные образования.