Многие десятилетия исследователи полагают, что внезапную диверсификацию животного мира, произошедшую 540 миллионов лет назад, вызвало повышение уровня кислорода. Но нашёлся бунтарь, занявший прямо противоположную позицию: к повышению уровня кислорода и преобразованию всей биосферы, утверждает он, привело появление новых животных с новыми формами поведения.
Примерно 540 миллионов лет назад разнообразие живых организмов резко возросло. Это был кембрийский эволюционный скачок — биологический «Большой взрыв», в ходе которого появились почти все современные группы животных. Учёные долгое время пытаются определить причины кембрийского взрыва и объяснить, почему он не случился на миллиард лет раньше.
Наибольшей популярностью пользуется нарратив, ставящий во главу угла кислород. Данные геологических исследований указывают на то, что между ростом уровня кислорода и ранней эволюцией животных несомненно существует связь, которая, правда, зачастую имеет весьма тонкий и сложный характер. По мнению многих учёных, как совсем недавно сообщал онлайн-журнал Quanta Magazine, наличие данной связи свидетельствует о мощном влиянии уровня кислорода на диверсификацию животного мира: эволюция таких энергоёмких процессов, как локомоции, охота и усложнение морфологии, требовала всё больше и больше кислорода.
«Эта теория выглядит весьма привлекательно, она опирается на интуицию, — говорит Николас Баттерфилд (Nicholas Butterfield), палеобиолог из Кембриджского университета (University of Cambridge), — и тем не менее она ошибочна».
Данные об атмосферном кислороде Баттерфилд — «вопиющий в пустыне», как он себя именует, — использует так, что многие не могут не счесть его подход весьма необычным. По существу, он поставил господствующий нарратив с ног на голову. Согласно баттерфилдовской теории, изменения среды обитания были не причиной, а следствием миграции и возмущающего воздействия животных на биосферу. «Мы должны осознать чрезвычайно мощное влияние животных на углеродный цикл и на то, как идут все процессы в биосфере», — считает учёный.
В статье, опубликованной в январском выпуске Gebiology, Баттерфилд, рассматривая отношение эволюции животных и оксигенизации, стремится показать, что в данной паре ведущую роль играет не второй, а первый процесс. Для этого автор статьи подключил к решению вопросов палеоэкологии гидродинамику. И вот что, с точки зрения Баттерфилда, нужно отметить, прежде всего: если 1,6 миллиарда лет назад кислорода было столько, что его хватало для одноклеточных эукариот, — а это не вызывает сомнений, — то его хватало и для диверсифицированного животного мира. Биолог исходит из того, что ранние многоклеточные организмы состоят из жгутиковых клеток. Их отростки, двигаясь коллективно, в унисон, взбивают, будто ударами хлыста, воду и тем самым создают течения, облегчающие клеткам поглощение растворённого в воде кислорода. «Я показал, что если кислорода достаточно для одноклеточных эукариот, то его достаточно и для рыб, — говорит Баттерфилд. — Раз так, то, объясняя, почему в эволюции животных имела место пауза длиной в миллиард лет, не следует ссылаться на дефицит кислорода».
Взамен Баттерфилд фокусирует внимание на суточной вертикальной миграции, ежедневном процессе, в течение которого различные организмы, варьирующие по размеру и сложности от зоопланктона и губок до рыб и кальмаров, мигрируют между верхними и нижними слоями воды в поисках пищи и укрытий от хищников. Питаясь у поверхности и метаболизируя на глубине, животные чистят океан и способствуют его вентиляции, повышая концентрацию кислорода у поверхности и оттесняя аноксические области на глубину. Вдобавок такое перераспределение кислорода улучшает прозрачность водного столба, позволяя свету проникать глубже и увеличивая тем самым глубину, на которой охота хищников зависит от зрения. Эволюционируя, зрячие хищники становились более крупными и глубоководными, в результате чего верхняя граница «зон минимальной концентрации кислорода» опустилась ещё ниже и возникло кольцо обратной связи.
В конце концов, каскадное взаимодействие между нечаянной перестройкой животными структуры океана и их адаптивным приспособлением к этим переменам достигло своей кульминации. Говоря словами Баттерфилда, «система стала критической», что в кембрийский период вызвало внезапное извержение разнообразия и сложности в животном мире.
Таким образом, согласно кембриджскому палеобиологу, пауза в развитии водных животных была вызвана не дефицитом кислорода, а тем, что слепая дарвиновская эволюция нуждалась в значительном количестве времени, чтобы достичь указанной выше кульминации. «Генная сеть (gene regulatory network) для создания животного — это самый сложный алгоритм, который когда-либо производила эволюция, — утверждает Баттерфилд. — И это произошло лишь однажды, так же как у наземных растений». Помимо животных, отмечает учёный, только у растений возникло подобное древо организмов, получивших дифференцированные ткани, органы и системы органов. «И на это ушло ещё больше времени. У растений это произошло на 100 миллионов лет позже, чем у животных».
Не все согласны с доводами кембриджского палеобиолога. Тимоти Лайонса (Timothy Lyons), геолог из Калифорнийского университета в Риверсайде (University of California, Riverside), считает, что целый ряд разнородных фактов свидетельствует в пользу того, что именно кислород, а не какой-либо другой фактор, сыграл роль триггера для эволюционного каскада, о котором говорит Баттерфилд. Например, отмечает Лайонс, массовое вымирание животных в большинстве случаев связано с низкой концентрацией в палеобиосфере кислорода. Кроме того, на протяжении всего времени, предшествовавшего кембрию, (равно как и в более поздние эпохи) концентрация кислорода флуктуировала. Эпохи с низким уровнем кислорода создали почву для появления инноваций, позволивших некоторым организмам использовать данное вещество более эффективно. Когда позже содержание кислорода повысилось, естественный отбор благоприятствовал такого рода новшествам и обеспечил животным, сумевшим их освоить, расцвет и диверсификацию.
Более того, Лайонс и Чарльз Даймонд (Charles Diamond), аспирант в лаборатории Лайонса, обнаружили важные факты, идущие вразрез с баттерфилдовской гипотезой. Исследователи установили существенное обстоятельство, не связанное с активностью животных, которое могло повысить уровень кислорода как раз в то время, когда произошла стремительная диверсификация животных, описанная Баттерфилдом. В «Эпоху рыб» (девон), начавшуюся около 419 миллионов лет назад, когда на континентах появились деревья и другие сосудистые растения, скачкообразно возникло огромное разнообразие крупных рыб. Именно эти растения, подчёркивают Лайонс и Даймонд, сами по себе значительно увеличили количество кислорода и в атмосфере, и в океане. Указанные события, добавляет Даймонд, так соотносятся по времени, что нельзя не усомниться в справедливости баттерфилдовской точки зрения, согласно которой причину увеличения кислорода следует видеть в появлении новых рыб. Разумнее противоположная позиция: новые рыбы появились благодаря увеличению кислорода. «В противном случае всё очень похоже на чистое совпадение».
Баттерфилд возражает. «Да, распространение наземных сосудистых растений, возможно, повлияло на доступность кислорода. Это точка зрения из стандартного учебника, — написал он в электронном письме. — Но в её основе лежит набор неверифицированных предположений». Одним из них учёный считает мнение о том, что в указанный период уровень атмосферного кислорода был очень низким (согласно Баттерфилду, измерение концентрации кислорода в палеоатмосфере на основе косвенных данных по своей природе ошибочно: кислорода могло быть намного больше, чем принято считать) и что это мешало развитию крупных рыб. «Я утверждаю, что ни одно из этих предположений не выдерживает критики».
Несмотря на существенные разногласия с Баттерфилдом, Лайонс и Даймонд всё же находят его идею, согласно которой эволюция сложных организмов есть результат сугубо биологического развития, «случайное эволюционное блуждание», весьма ценной, если её использовать по отношению к наземным растениям. Их появление «не могло быть ответом на вызов со стороны кислорода или углекислого газа», говорит Лайонс. Однако по отношению к животным он и Даймонд считают баттерфилдовскую точку зрения неприемлемой.
Сейчас Баттерфилд, чтобы подкрепить свою теорию новыми фактами, собирается исследовать, как нынешнее вымирание водных животных влияет на вертикальную миграцию. По мере исчезновения наиболее крупных, способных к глубокому погружению хищников граница зон минимальной концентрации кислорода должна подниматься, ускоряя дальнейшее вымирание, говорит он. У него есть возможность исследовать эти процессы в современных океанах, ибо глобальное изменение климата нещадно разрушает морские экосистемы.
Что касается событий, происходивших в кембрии, миллионы лет назад, то вот мнение Лайонса:
«Кислород и животные связаны друг с другом. В наше время это не вызывает сомнений. Но снова возникла классическая дискуссия о курице и яйце».