Текст книги "Новая история происхождения жизни на Земле"

Автор книги: Джозеф Киршвинк

Соавторы: Питер Уорд
сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 31 страниц)

Ордовикское массовое вымирание

Ордовик был периодом, в котором произошло первое из пяти крупных массовых вымираний. Все пять коснулись и растений, и животных. Разумеется, вымирания происходили и до ордовика, например, во время кислородной катастрофы или в периоды «Земли-снежка». Но в ордовикском периоде животные находились на подъеме развития разнообразия видов, как вдруг нечто резко прервало этот процесс. Самым простым объяснением может быть то, что это событие произошло, когда Земля находилась в «малом ледниковом периоде», что привело к массовой гибели кораллов из-за внезапного падения температуры. Однако причины этого события по-прежнему остаются загадкой, поскольку вымирание имело два отдельных этапа: в начале и в конце последнего временного интервала ордовикского периода, названного хирнантским оледенением.

Существуют и другие, более фантастические предположения о причинах ордовикского массового вымирания. Самое интересное заключается в том, что в ордовике Земля подверглась мощному потоку космического излучения, называемого гамма-излучением[141]141
  Это один из наших любимых моментов в палеонтологии, к которому можно применить фразу «А король-то голый». Команда исследователей из Института Канзаса выдвинула гипотезу, что события в ордовике могли быть вызваны гамма-излучением из глубокого космоса. Подобные случаи действительно существуют, огромное количество энергии рождается из малых звезд, полных энергии, подобно пульсарам и магнитарам из далеких от нас областей галактики. Но довольно странным кажется предположение, что подобная энергетическая вспышка (гамма-всплеск) могла «поджечь» Землю, вызвав при этом ордовикское массовое вымирание. С таким же успехом виновниками данного события можно считать вулканы или, скажем, разозленного Дарта Вейдера (впрочем, было ли у бедняги Вейдера хоть какое-то другое настроение?). A. L. Melott and B. C. Thomas, «Late Ordovician Geographic Patterns of Extinction Compared with Simulations of Astrophysical Ionizing Radiation Damage,» Paleobiology 35 (2009): 311–20. См. также www.nasa.gov-vision-universe-starsgalaxies-gammaray_extinction.html.


[Закрыть]. Это самая драматическая из всех возможных причин, но нет ни малейшего доказательства, чтобы подтвердить подобную гипотезу, сколько бы об этом ни писали журналисты. До 2011 года причиной этого массового вымирания принято было считать отсутствие причин[142]142
  R. K. Bambach et al., «Origination, Extinction, and Mass Depletions of Marine Diversity,» Paleobiology 30, no. 4 (2004): 522–42.


[Закрыть]. Большинство пояснений сводилось к некоему быстрому похолоданию. В рамках одной из распространенных теорий предполагалось, что, возможно, в результате вулканической деятельности атмосфера наполнилась выбросами, содержащими серу[143]143
  S. A. Young et al., «A Major Drop in Seawater 87Sr-86Sr during the Middle Ordovician (Daniwilian): Links to Volcanism and Climate?» Geology 37, 10 (2009): 951–54.


[Закрыть], как это случилось при извержении Кракатау в XIX веке, когда Европа провела «год без лета». Впрочем, недавно геологи и геохимики Калифорнийского технологического института[144]144
  S. Finnegan et al., «The Magnitude and Duration of Late Ordovician-Early Silurian Glaciation,» Science 331, no, 6019 (2011): 903–906.


[Закрыть] пересмотрели теорию позднего ордовикского оледенения, использовав данные, полученные на основе хорошо сохранившихся пород на острове Антикости в отдаленной области Канады, в заливе Святого Лаврентия, который когда-то располагался в тропиках. Применив новый тип геохимического термометра, они с очень высокой точностью сумели измерить и относительный объем льда, и температуру. И вдруг выяснилось, что, хотя объем льда менялся очень медленно на протяжении хирнантского века, а тропическая температура оставалась очень высокой, но вполне предсказуемой – 32–37 °C, тем не менее в начале и в конце указанного временного интервала произошли резкие изменения обоих показателей. Напомним, что начало и конец хирнантского века связаны с двумя этапами ордовикского массового вымирания. Тропическая температура упала примерно до 5–10 °C, объем же льда в мире достиг или даже превысил максимум последнего оледенения в плейстоцене, а изотопы углерода продемонстрировали положительный скачок, что указывает на сильное возмущение мирового круговорота углерода – вероятно, в этом случае увеличилось накопление органического углерода.

Новые данные сужают круг предположений о реальных механизмах вымирания до двух возможных объяснений: либо это быстрое изменение климата, либо быстрое изменение уровня Мирового океана. В следующей своей статье участники той же исследовательской группы[145]145
  S. Finnegan et al., «Climate Change and the Selective Signature of the Late Ordovician Mass Extinction,» Proceedings of the National Academy of Sciences 109, no. 18 (201a): 6829–34.


[Закрыть] приводили результаты изучения двух огромных баз данных по Северной Америке: одна база показывала распределение окаменелостей, а другая – объем пород, в которых можно найти окаменелости (очень полезное дополнение к открытиям в области ископаемых!). Оба направления работ помогли объяснить вымирания: потеря среды обитания из-за понижения уровня моря и падение температуры оказались основными факторами. Однако неясно, являются ли эти пояснения исчерпывающими. Хронологические показатели климатических изменений, включая скачки уровня углерода, удивительно схожи с некоторыми событиями, связанными с истинным перемещением полюсов, описанным ранее. Краткое истинное перемещение полюсов могло вызвать краткий период глобального похолодания и, возможно, оледенения. Это остается проблемой, которая все еще ждет своего решения, и наверняка оно окажется нетривиальным, но мы и назвали нашу книгу новой историей.

Глава 10
Род ископаемых рыб тиктаалик и покорение суши:
475–300 миллионов лет назад

Долгое время споры между сторонниками эволюционной теории и креационистами по вопросу о происхождении видов вращались вокруг предполагаемой несхожести первых амфибий и их непосредственных предшественников – ископаемых рыб, поскольку последние были очень уже «рыбообразными», а первые амфибии были чересчур «нерыбы», и это вполне удовлетворяло сомневающихся в эволюционной теории. Действительно, кое в чем креационисты были правы: до недавнего времени самый древний образец существа, которое признали земноводным[146]146
  Кратко о ранних четвероногих организмах, а также о процессе их эволюции можно прочитать на сайте: www.devoniantimes.org-opportunity-tetrapodsAnswer.html, или обратиться к следующему источнику: S. E. Pierce et al., «Three-Dimensional Limb Joint Mobility in the Early Tetrapod» Ichthyostega Nature 486 (2012): 524–27, and P. E. Ahlberg et al., «The Axial Skeleton of the Devonian Tetrapod» Ichthyostega Nature 437, no. 1 (2005): 137–40.


[Закрыть] (организм девонского периода, названный ихтиостегой, что означает «рыбоамфибия»), имел рыбообразное тело (в том числе вполне нормальный рыбий хвост) и четыре лапы. Его непосредственный предок представлялся существом с подобным телом, но без лап. Эта рыба, которую палеонтологи предлагали считать истинным предком ихтиостеги и других ранних сухопутных (или хотя бы часть своей жизни проводящих на суше) позвоночных, относится к группе лопастеперых, у них есть предшественники лап[147]147
  J. A. Clack, Gaining Ground: The Origin and Early Evolution of Tetrapods, 2nd ed. (Bloomington: Indiana University Press, 2012).


[Закрыть] – плавники, которые находятся на широком мясистом основании.

Живое ископаемое латимерия (рыба целакант) считается, по крайней мере, похожей на непосредственного предка первых земноводных, включая ихтиостег. Критики эволюционистов спрашивали: «Где недостающие звенья?» Все представления по данному вопросу изменило открытие нового ископаемого в Арктике, в слое девонского периода. Ископаемое получило название «тиктаалик». Оно настолько соответствует представлениям о переходном звене, что нашедшие его дали ему прозвище «рыбоногое»[148]148
  E. B. Daeschler et al., «A Devonian Tetrapod-Like Fish and the Evolution of the Tetrapod Body Plan,» Nature 440, no. 7085 (2006): 757–63; J. P. Downs et al., «The Cranial Endoskeleton of Tiktaalik roseae,» Nature 455 (2008): 925–29. Выводы: P. E. Ahlberg and J. A. Clack, «A Firm Step from Water to Land,» Nature 440 (2006): 747–49.


[Закрыть]. Это открытие является одним из важнейших не только потому, что помогает заполнить огромную пустоту в общей картине нашего понимания истории происхождения жизни (и дыру в цепи перехода от рыб к наземным позвоночным), но и позволяет укрепить позиции теории эволюции в целом.

Упомянутая огромная окаменелость служит великолепным лекарством от креационизма. Она была обнаружена в канадской Арктике международной группой исследователей, возглавляемой Нилом Шубином из Чикагского университета, и когда ее кости наконец с большим трудом извлекли из похожего на саркофаг участка осадочной породы, то сперва приняли за рыбу, так как сохранились следы чешуи и жабр, а также плоская голова и плавники с тонкими лучевыми костями, то есть обычные рыбьи плавники. Однако у этой новой рыбы был крепкий внутренний костяк, необходимый животным подобного размера (в данном случае около 90 см), чтобы ползать по мелководью, используя плавники как опоры – подобно образу передвижения четвероногих животных. Тиктаалик обладает совокупностью черт, демонстрирующих великолепное пошаговое движение эволюции: от рыбы к четвероногому строению тела[149]149
  N. Shubin, Your Inner Fish: A Journey into the 3.5-Billion-Year History of the Human Body (Chicago: University of Chicago Press, 2008); B. Holmes, «Meet Your Ancestor, the Fish That Crawled,» New Scientist, September 9, 2006.


[Закрыть].

Первое появление позвоночных на суше – замечательное событие в последовательном освоении суши водными существами и растениями, тем не менее позвоночные самыми последними выбрались из воды и присоединились к освоению сухопутных территорий. А если по порядку, то начать следует с растений.

Распространение растений на суше

Все исследователи солидарны в том, что величайшим этапом всей истории развития жизни на планете, если не считать само зарождение жизни, было появление фотосинтеза – процесса, в результате которого выделяется кислород. Именно данное явление позволило жизни двинуться из темных и влажных мест к освоению мелководных областей моря и пресных водоемов, используя при этом самый большой источник энергии, который может предложить наша планетарная система – Солнце. И вот благодаря кислороду, этому всего лишь побочному продукту реакции фотосинтеза, на нашей планете кардинальным образом изменился состав атмосферы, что привело к неожиданным неприятным последствиям для самих растений – появлению травоядных животных. Впрочем, как ни значительны были последствия возникновении фотосинтеза, еще более судьбоносным для всей планеты стал переход растений на сушу. Если исходить из геологических представлений, то скорость, с которой произошло освоение растениями суши, была просто бешеной: за период меньший, чем 1 % от всего времени существования жизни на Земле, сухопутные растения полностью изменили правила игры и всю историю развития жизни.

Ранее мы уже отмечали, что есть множество доказательств существования на суше примитивных форм, способных к фотосинтезу, еще за сотни миллионов лет до появления первых сухопутных животных. Наличие таких форм могло даже послужить основной причиной последнего периода «Земли-снежка» 700–600 млн лет назад. Мы не имеем ни малейшего представления о том, что это были за организмы: возможно, просто синезеленые водоросли, или же действительно формы, хорошо приспособленные к обитанию на суше, например, обладающие способностями сохранять постоянное местоположение, добывать питательные вещества, размножаться, получать из окружающей среды и затем сохранять для себя воду. Подобными организмами вполне могут оказаться существующие сегодня одноклеточные зеленые водоросли.

Однако даже эти растения возрастом 700 млн лет могут быть не первыми, кто выбрался из моря на сушу. Все больше палеобиологов приходят к заключению, что сухопутная жизнь намного старше – первыми были одноклеточные фотосинтезирующие бактерии, совершившие переход из моря на сушу по крайней мере 2,6 млрд лет назад. Если это так, то они являются настоящими пионерами суши, тогда как более развитые растения и животные стали сухопутными гораздо позднее.

Вот что нам известно: менее чем через 100 млн лет после появления морских животных некоторые виды зеленых водорослей, вероятно все еще обитающие в пресных водоемах, отказались от жизни в воде и перебрались на сушу. Здесь они быстро эволюционировали от простых, похожих на прутики, растений без листьев, наподобие многих современных мхов, до настоящих гигантов благодаря очередному нововведению эволюции – листьям.

Период 475–425 млн лет назад следует рассматривать как время необходимых, но медленных и постепенных изменений в природе растений, причем следов этих изменений почти не осталось. В начале этого периода у водных зеленых водорослей начали происходить значительные эволюционные изменения, которые позволили им получать пищу и воспроизводиться в среде, где соединялись воздух и почва, а не исключительно в водном пространстве. Конец этого периода отмечен ископаемыми, в которых отчетливо прослеживаются прекрасно сохранившиеся останки первых настоящих растений, обладающих сосудистой системой, корнем и стеблем. Переход этих первых безлистных растений к формам с листьями занял еще 40 млн лет. Но как только листья возникли, произошла настоящая революция: к периоду 370–360 млн лет назад уже появились деревья высотой до 7,5 м.

Многоклеточным растениям понадобилось почти сто миллионов лет, чтобы разрастись из маленьких морских форм в обширные леса, покрывшие весь мир в девонском периоде. В некотором отношении эти растения имели намного большее воздействие на развитие жизни на суше, чем микробы, обитавшие там уже очень давно, поскольку многоклеточные сухопутные растения полностью изменили почвы и форму ландшафта. Также изменилась и степень прозрачности атмосферы, поскольку с распространением растений по суше трансформировались бесконечные дюны из песка и пыли, составлявшие доминирующую часть ландшафта планеты: гранулы песка и частички пыли теперь удерживались корнями растений намного крепче, чем это могли сделать наземные бактерии, ведь последние, будучи одноклеточными, даже распространяясь тонким покрывалом, не имели большой силы. Примитивные растения погибали и начинали гнить, толще становился слой почвы, и изломанные линии скалистых земных видов, которые существовали испокон веков, начали постепенно смягчаться. Очистился воздух, и впервые очертания континентов и морей, больших озер и рек можно было видеть не только вблизи, но и с больших расстояний, в том числе из космоса.

К концу девона леса покрыли планету почти целиком, изменив русла рек. Кроме того, из-за воздействия растений на атмосферу уровень содержания атмосферного кислорода достиг показателей, превышающих сегодняшние (21 %), до 30–35 %. Это позволило рыбам, у которых были конечности, но не было легких, выползти на сушу и выживать в течение сотен тысяч лет, потребовавшихся для формирования полноценного, способного дышать кислородом легкого. Все эти достижения жизни и изменения, вызванные растениями, стали возможны благодаря единственному морфологическому новшеству эволюции – наличию листьев.

Суша и море

Завоевание суши животными похоже на плохо подготовленную высадку десанта: несколько боевых групп появляются на берегу, при этом действуют нескоординированно, непоследовательно, бойцы плохо вооружены и не приспособлены к бою в данных условиях, поэтому многие погибают. Стандартное объяснение данного этапа истории развития жизни следующее: поэтапные попытки животных выйти на сушу стали возможны благодаря развитию у животных соответствующих качеств, основными движущими факторами для этого послужили наличие неосвоенных ресурсов, невысокая конкуренция и малое – до некоторого времени – количество хищников. Другими словами, следующий эволюционный шаг членистоногих, моллюсков, кольчатых червей, а затем и позвоночных – крупнейшего типа, развившегося в процессе освоения суши, – произошел случайно и только потому, что животные достигли уровня развития, позволившего им вылезти из воды. Однако мы считаем, что животные сделали первый шаг на сушу, как только уровень атмосферного кислорода позволил им это.

Давайте же рассмотрим условия, благоприятствовавшие освоению растениями и животными сухопутных сред обитания, и потребовавшиеся для этого эволюционные приспособления. Начнем с растений, поскольку без наличия источника пищи на суше никакое животное не станет даже пытаться.

Уже около 600 млн лет назад эволюция растений привела к существованию большого разнообразия многоклеточных растений, некоторые известны нам и сегодня: зеленые, бурые и красные водоросли – обычные обитатели любого побережья на планете[150]150
  A. K. Behrensmeyer et al., eds., Terrestrial Ecosystems Through Time: Evolutionary Paleoecology of Terrestrial Plants and Animals (Chicago and London: University of Chicago Press, 1992); P. Kenrick and P. R. Crane, The Origin and Early Diversification of Land Plants. A Cladistic Study (Washington: Smithsonian Institution Press, 1997).


[Закрыть]. Но это были растения, обитавшие в морской воде, где необходимые для жизни компоненты – углекислый газ и пищевые элементы – были легкодоступны, и размножение в жидкой среде происходило легко. Выход на сушу требовал серьезных эволюционных изменений для поглощения углекислого газа, пищи, развития средств поддержки тела в пространстве, в системе размножения. Каждый из этих аспектов предполагал значительные модификации в строении тела всего водного типа организмов.

Большинство этапов данного периода истории развития жизни вызывает жаркие дискуссии, особенно на предмет того, насколько многочисленны и разнообразны были группы организмов в протерозойском эоне, даже перед периодом «Земли-снежка» в протерозое[151]151
  S. B. Hedges, «Molecular Evidence for Early Colonization of Land by Fungi and Plants,» Science 293 (2001): 1129–33.


[Закрыть]. Хотя, конечно, пресса любит слова типа «древнейший», «крупнейший» и прочее в превосходной степени, следует признать, что есть некоторый дисбаланс между скоростью открытия и классифицирования новых наземных растений и необходимостью их более точной датировки. Например, в 2010 году вызвало ажиотаж сообщение об открытии очередного «древнейшего» сухопутного растения в ископаемых отложениях в Аргентине, а на деле оказалось, что это растение относится к обычным печеночным мхам, датированным 472 млн лет[152]152
  C. V. Rubenstein et al., «Early Middle Ordovician Evidence for Land Plants in Argentina (Eastern Gondwana),» New Phytologist 188, no. 2 (2010): 365–69. С докладом на данную тему можно ознакомиться здесь: www.dailymail.co.uk-sciencetech-article-1319904-Fossils-worlds-oldest-plants-unearthed-Argentina.html.


[Закрыть]. Однако ошибка в датировке таких древних пород чревата серьезными последствиями. Кроме того, хотя это действительно очень древние «сосудистые» растения, имеющие сложные внутренние системы передвижения веществ, дело осложняет проблема определения того, что считать растением. Задолго до периода, датируемого 472 млн лет назад, присутствовало множество видов фотосинтезирующих организмов с разнообразными строениями тела, которые мы можем называть растениями. Многие палеобиологи предполагают, что большое разнообразие грибов, а также зеленых фотосинтезирующих микробов и многоклеточных растений могло существовать на суше раньше, чем принято думать, и даже миллиард лет назад, возможно, процветали необычайно многочисленные сообщества форм, которые в совокупности можно называть растениями, если отнести к этой категории лишайники, грибы, а также зеленые микробы, тонким покровом устилавшие болота и влажные участки земли[153]153
  J. T. Clarke et al., «Establishing a Time-Scale for Plant Evolution,» New Phytologist 192, no. 1 (2011): 266–30; M. E. Kotyk et al., «Morphologically Complex Plant Macrofossils from the Late Silurian of Arctic Canada,» American Journal of Botany 89 (2002): 1004–13.


[Закрыть].

Фотосинтезирующие многоклеточные растения, в принадлежности которых именно к растениям никто не сомневается, произошли в конечном итоге от зеленых водорослей (харовые водоросли, Charophyceae). На этом пути было немало препятствий, и первым из них, вероятно, являлся слишком сухой климат. Зеленые водоросли, попадая из подводной среды обитания на воздух, очень быстро обезвоживаются и погибают ввиду отсутствия защитных покровов, однако порождают способные к воспроизведению зиготы, покрытые надежной мембраной-кутикулой, которая может служить на воздухе защитным покровом для всего растения. Впрочем, в процессе эволюции этой кутикулы возникла другая проблема: оберегая наполненные жидкостью клетки, она отсекала доступ углекислого газа. В океане углерод находится в виде растворенного в воде углекислого газа и поглощается просто сквозь стенки клетки. На суше, чтобы обеспечить доступ углекислого газа внутрь, в эволюционирующих наземных растениях образовались отверстия, называемые устьицами – это своеобразные порталы для доступа в организм газообразной углекислоты из воздуха.

Растение также должно было как-то прикрепляться к месту, и, вероятно, это происходило путем симбиоза с грибами, который также обеспечивал способ добывания воды из почвы.

Переход на сушу также требовал физического поддержания тела организма в пространстве. К тому же растения нуждались в больших пространствах, хорошо освещенных солнцем. Один из способов решения обеих проблем заключался в том, что растение может просто лежать на земле, и скорее всего первые растения такими и были – лежачими. Сегодня подобным образом ведут себя мхи, ковром покрывающие землю. Ордовикский мир являлся, вероятнее всего, миром мхов, в котором самое высокое «дерево» было не более 6–7 мм. Однако подобное положение дел не являлось решением проблемы: преимущество в росте позволяет получить намного больше света, особенно в экосистеме, где существует большая конкуренция среди многочисленных низкорослых растений. И вот у ранних растений развились первые твердые компоненты, появились стебли, а затем и древесные стволы. Сопутствующим эволюционным процессом развития транспортной системы растений стало появление корней и листьев. В конце концов возникли и репродуктивные части, которые могли противостоять засушливым периодам и обеспечивать воспроизводство в наземных условиях.

Таким образом, переход растений из воды на сушу состоялся, а вместе с образованием первых больших запасов углерода в земле стало возможно и быстрое появление на суше животных. Новые ресурсы стимулировали новые направления эволюции. Если первые сухопутные растения эволюционировали из небольшой группы пресноводных зеленых водорослей, как это принято предполагать, они оставили об этом переходном этапе очень мало свидетельств весьма фрагментарного характера. Раскопки (и в прямом, и в переносном смысле) в это области следует проводить тщательно и аккуратно.

Серьезные исследования окаменелостей первых многоклеточных растений начинаются с одной новаторской работы 1937 года. Мы же используем как фундамент для обсуждения вопросов палеоботаники в нашем сочинении работу, предложенную нашим блестящим, хотя и довольно едким в высказываниях коллегой из Университета Шеффилда Дэвидом Бирлингом. В своей замечательной книге The Emerald Planet («Изумрудная планета») он совершенно обоснованно жалуется на то, что его область исследований – палеоботаника – приходится науке нелюбимой падчерицей. Он прав, поскольку динозаврам посвящена львиная (динозавровая?) доля научных работ, тогда как растения остаются до сих пор мало обсуждаемым предметом, а между тем именно они являются ключевыми организмами на Земле в вопросах влияния на историю развития жизни. Книга, посвященная изменениям нашей планеты с течением истории развития жизни, должна на самом деле содержать одну главу о животных и все остальные – о растениях. Наше описание той роли, которую сыграли растения в развитии жизни на планете, полностью основывается на работах Дэвида Бирлинга, особенно на его книге.

И все же истоки палеоботаники – в работах Вильяма Ландера, в которых описано, как растения завоевали сухопутные экосистемы и изменили природу жизни на Земле, повлияв на мировой температурный режим, химический состав океанов и атмосферы. Именно Ландер впервые показал эту роль растений, а также обнаружил самое древнее (на тот момент) сухопутное ископаемое растение в породах возрастом 417 млн лет в Уэльсе. Однако оно недолго оставалось самым древним, поскольку вскоре в том же Уэльсе были обнаружены ископаемые растения и в более древних породах, возраст которых позднее был датирован 425 млн лет.

То первое «древнейшее» растение получило название «куксония». Со времен своего первого появления сухопутные растения прошли долгий и удивительный путь эволюции, а в период 424–360 млн лет назад испытали даже нечто наподобие кембрийского взрыва у животных. Развитие растений было не только долгим, но и по большей части медленным. Согласно новым данным, в течение по меньшей мере 30 млн лет со времени своего возникновения растения не имели листьев. Представляется, что растения с листьями появились не раньше чем 360 млн лет назад.

До сих пор непонятно, почему эволюция листьев заняла так много времени. Даже после того как листья наконец появились, прошло еще 10 млн лет, пока они не стали широко распространенными – разнообразными и многочисленными – на всей планете. Необычайно медленное развитие сухопутных растений, от первого появления до широкого распространения растений с листьями, особенно хорошо заметно по сравнению с такой же необычной по своей быстроте эволюцией млекопитающих. После вымирания динозавров 65 млн лет назад млекопитающим потребовалось менее 10 млн лет, чтобы распространиться по Земле в больших количествах, демонстрируя огромное разнообразие размеров и типов.

Обратимся снова к теории «эво-дево» и генетике для описания этого непонятного этапа эволюции растений. Чтобы появились листья, необходимо было сперва обзавестись генетическим инструментом для их развития, а потом требовалось еще некоторое время, чтобы этот инструмент можно было использовать. На сегодняшний день мы располагаем данными, что у древних растений были гены, позволявшие создавать листья, но окружающая среда оказалась неподходящей для подобного эволюционного действия. В данном случае речь не об уровне кислорода, как в случае животных, – растения ждали уменьшения количества углекислого газа в атмосфере, так, по крайней мере, говорится в самых последних исследованиях XXI века по палеоботанике.

Данная ситуация – еще один пример того, как события древнейшей истории развития жизни объясняются с помощью наблюдений над современными организмами: в ходе экспериментов с современными растениями была установлена их чрезвычайная чувствительность к уровню углекислоты в среде обитания. Все растения нуждаются в углекислом газе для фотосинтеза, при этом растение поглощает углекислый газ из окружающей атмосферы. Если есть листья, то углекислый газ проникает через отверстия-устьица, но происходит еще один – обратный – процесс: выделение воды через те же устьица. В ходе эволюции постоянно присутствует один момент, общий для сухопутных растений и животных: и те и другие очень живо реагируют на недостаток воды, что является одним из самых серьезных препятствий развитию жизни. В условиях с высоким содержанием углекислого газа в организмах образуется очень мало устьиц, но как только содержание углекислоты снижается, число устьиц увеличивается.

Можно подумать, что большое количество углекислого газа было бы оптимальным условием для жизни сухопутных растений, и с точки зрения физиологии это так. Однако известно, что углекислый газ – один из основных парниковых газов. Времена высокого содержания углекислого газа в атмосфере – это времена очень высоких температур на Земле.

У растений есть тонко настроенная система ощущений, которая позволяет полностью сформированным зрелым листьям посылать сигналы еще только начавшим формироваться, в том числе информацию об оптимальном количестве устьиц для той среды обитания, в которой они находятся. Если мы оценим объемы углекислого газа в атмосфере периода появления первых сухопутных растений (около 400 млн лет назад), то обнаружим крайне высокий уровень углекислоты и соответственно планету с крайне жарким климатом. Именно эта жара, вероятно, и стала главной причиной приостановки эволюции растений. Устьица пропускали в растения углекислый газ, но через них же уходила из растений вода – этот процесс остужает организм.

Незначительная потеря воды охлаждает растение, но большая потеря ведет к его гибели. Успешное существование возможно, если уметь соблюдать баланс. В очень жарком климате необходимо серьезное охлаждение. Но если в атмосфере очень много CO₂, растению требуется совсем немного устьиц для удовлетворения своих потребностей. С другой стороны, то же количество устьиц, необходимых для проведения углекислого газа внутрь растения, может оказаться слишком малым для охлаждения, особенно если устьица располагаются на большой, плоской поверхности, например, листе. В таком случае наличие больших листьев с малым количеством устьиц может привести к сильному перегреву и гибели растения. Таково новое объяснение долговременности эволюции листьев. Растения располагали необходимым для формирования листьев инструментом, но в атмосфере содержалось так много углекислого газа, что растения просто не осмелились этим инструментом воспользоваться.

Новые исследования Дэвида Бирлинга и других ученых показали, что потребовалось значительное падение уровня углекислого газа в атмосфере, чтобы стала возможной эволюция листьев. До этого времени появление любого листа означало для растения смертный приговор. Таким образом, только через 40 млн лет после появления куксонии возникли растения с листьями, а также с более развитой транспортной системой, включающей корни. Способность пускать корни подальше и поглубже дала растениям два дополнительных преимущества. Во-первых, при наличии глубоких корней растение более устойчиво и лучше закреплено в почве. Во-вторых, глубокие корни позволяют эффективнее использовать почвенные запасы воды и питательных веществ. Первые растения имели слабые, исключительно поверхностные корневые системы, но как только появились листья, корни также стали меняться и развиваться, проникая все дальше вглубь.

Мы располагаем данными, что к началу девонского периода растения уже обладали корневыми системами, уходившими в землю на глубину до одного метра. Более глубокие корневые системы заметно усилили физическое и химическое выветривание пород, на которых располагались растения. Чем больше растений появлялось и чем больше их погибало, тем больше органического материала добавлялось в почву. Все это имело большое значение для атмосферы и температурных режимов на Земле.

Возможно, самым важным фактором снижения количества углекислого газа в атмосфере было выветривание кремниевых пород, гранитов, а также осадочных и метаморфических пород с составом, близким к граниту, – с высоким содержанием кремния. Реакция химического выветривания кремнийсодержащих пород приводит к удалению из атмосферы углекислого газа. Это называется биотическим фактором выветривания, и начался данный процесс, как только на планете появились леса с высокими деревьями, – около 380–360 млн лет назад. Корни проникали все глубже в кремнийсодержащие породы, граниты и подобные им породы подвергались все более интенсивному по сравнению с периодом до возникновения лесов выветриванию, а это привело к быстрому снижению уровня углекислого газа в атмосфере.

Результатом снижения уровня углекислоты также стало появление льда на континентах, сначала только в высоких широтах, но потом и в более низких. Неумолимый ход эволюции предпочитал более высокие деревья, а вместе с большой высотой развивались и более глубокие корневые системы, климат на планете становился все более прохладным. Эволюция сухопутных растений в конце концов обернулась одним из самых длительных ледниковых периодов в земной истории, который начался в каменноугольный период. Но до этого мир был теплым и ласковым, в атмосфере присутствовало благоприятное для буйного развития растений содержание углекислого газа. Подводя краткий итог, скажем, что континенты, впервые зазеленевшие благодаря распространению сосудистых растений, напоминали огромный овощной магазин с широчайшим ассортиментом, вот только покупателей в нем пока не было. Бесплатная еда, только зайди! А в нашем случае – вылезай из воды на сушу и… оставайся.