Бактериальная палеонтология

Чт, 05/28/2015 - 11:40

Одонтогриф (желтые черви); морское перо (чарния); элдония; планктонные акритархи


Строматолиты («каменные ковры») — старейшие останки живых существ, очень тонкие прослойки в камне с особой микроструктурой


Желтый бактериальный мат из источника в Йеллоустоунском национальном парке


Современные (а) и раннекембрийские (б) цианобактерии. Фото из статьи А.Ю. Розанова «Ископаемые бактерии, седиментогенез и ранние стадии эволюции биосферы»



После того, как в первой четверти XIX в. англичанин Уильям Смит основал науку стратиграфию, его последователи создали довольно стройную картину постепенного развития жизни на Земле. Слой за слоем естествоиспытатели изучали найденные в породах окаменелые скелеты живых организмов, восстанавливая картины прошлого, пока не добрались до слоя, ниже которого подобные находки не попадаются. Эпоху, когда на нашей планете, очевидно, возникли первые существа с твердыми скелетами, способными сохраняться в породе, называют кембрийским геологическим периодом. Как установили со временем, он начался около 570 млн. лет назад. Выше этой временной границы ученые уже в XIX в. имели довольно богатый материал для исследований, тогда как ниже все терялось во мраке неизвестности. Однако кембрий едва ли мог считаться моментом возникновения жизни. Обнаруженные в этом слое организмы были слишком сложны и многообразны и явно были продуктом длительного развития. Другое дело, что, не имея твердых скелетов, предки кембрийских организмов истлевали, как тогда полагали, без следа.

В связи с этим рассуждением возникло два новых научных термина. Временной промежуток с начала кембрийского периода и до наших дней стали называть фанерозоем — эрой явной жизни, а предшествующую эпоху криптозоем — эрой скрытой жизни. То есть, на основе умозаключений делали вывод о том, что жизнь существовала, но прямого и наглядного подтверждения этому получить не надеялись, оперируя лишь косвенными свидетельствами и математическими моделями.

Но по мере того, как развивались технологии и методы исследований, термин криптозой все больше приобретал условный характер. Как выяснилось, следы в геологических породах способны оставлять и мягкие органические ткани, и даже бесскелетные одноклеточные организмы микроскопических размеров. Старейшие останки живых существ представляют собой находимые в камне очень тонкие прослойки с особой микроструктурой — строматолиты, в переводе с греческого — «каменные ковры». Наслаиваясь, они образуют колонки или холмики. Впервые эти характерные образования обратили на себя внимание ученых в 30-е годы XX в., однако выводы об их биогенной природе были сделаны не сразу. Лишь со временем исследователи пришли к заключению, что строматолиты возникли в результате жизнедеятельности микроорганизмов, населявших нашу планету миллиарды лет назад. Бактериальные пленки покрывали значительные участки дна первобытного океана, что отразилось в структуре сформировавшихся тогда осадочных пород.
Окончательно в этом мнении утвердились, когда выяснилось, что при наличии определенных условий бактериальные пленки, или, как их еще называют, «маты», формируются и в наши дни. Правда, теперь, когда вся земная экосистема претерпела грандиозные изменения, найти места, где они по-прежнему процветают, непросто. Одним из таких мест, где можно наблюдать эти живые окаменелости, является залив Шарк-Бей (Акулья бухта) на западе Австралии. Холмики, напоминающие по форме грибы, хорошо видны при отливе, по всей полосе прибоя от прибрежных вод глубиной до пяти метров до самого берега. Сверху они красноватого цвета. Сравнение структуры современных органических образований и древних строматолитов дает палеонтологам очень много информации к размышлению. Работа исследователей облегчается тем, что живые бактериальные маты фоссилизируются (превращаются в окаменелости) чрезвычайно стремительно. Иногда нескольких часов довольно, чтобы пронаблюдать весь процесс в действии. На пленку, состоящую из микроорганизмов, выпадает осадок мельчайших минеральных кристалликов, следующий слой одноклеточных нарастает уже поверх них. Когда органика окисляется, на минеральной прослойке остается ее точное рельефное изображение, которое сохраняется до тех пор, пока существует порода.

В 90-е годы XX в. бактериальная палеонтология сформировалась в отдельную отрасль науки. Признанным корифеем и одним из основоположников данной области является директор Палеонтологического института РАН Алексей Юрьевич Розанов.

Первое время считалось, что прекрасная сохранность характерна для микроорганизмов только в кремнистых породах. Электронная микроскопия для исследований ископаемых микроорганизмов почти не применялась, поскольку «кремнистые биоты» могли в основном изучаться в шлифах с помощью оптического микроскопа. Широкое использование сканирующего микроскопа началось с изучения микроорганизмов в кембрийских фосфоритах Монголии. Опыт предыдущей работы с фосфатными окаменелостями (так называемыми мелкими скелетными ископаемыми) из пограничных отложений докембрия и кембрия навел на мысль о необходимости предварительного непродолжительного (обычно несколько секунд или минут) травления породы слабыми кислотами. В результате резкой разницы в растворимости карбонатов, фосфатов и кремнистой составляющей образуется рельеф, позволяющий прекрасно рассматривать ископаемые объекты.


Желтый бактериальный мат из источника в Йеллоустоунском национальном парке


Современные (а) и раннекембрийские (б) цианобактерии. Фото из статьи А.Ю. Розанова «Ископаемые бактерии, седиментогенез и ранние стадии эволюции биосферы»

Несмотря на молодость бактериальной палеонтологии, в настоящее время человечество уже накопило немалые и весьма достоверные знания о микроорганизмах далекого прошлого. При изучении докембрийской эпохи строматолиты начинают играть роль окаменелостей-маркеров, позволяющих датировать те или иные слои. В пластах фанерозоя подобная роль отведена, как правило, моллюскам, имеющим прекрасно сохраняющийся внешний скелет. Отсутствие подобных определяющих окаменелостей долгое время очень затрудняло изучение редких находок многоклеточных организмов в докембрии.

О развитии самих одноклеточных тоже узнали довольно много. Так, можно считать установленным, что эукариоты — организмы с четко оформленным, отделенным мембраной клеточным ядром появились на Земле около 1,8-1,9 млрд. лет назад. К одноклеточным эукариотам относятся, к примеру, инфузории и амебы. До этого население нашей планеты составляли прокариоты — одноклеточные, не имеющие оформленного ядра. К ним относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. В ходе этого преобразования наблюдается любопытное явление: рост размера живых существ на 1…2 порядка. Размеры прокариотических клеток составляют в среднем 0,5…5 микрон, размеры эукариотических — в среднем от 10 до 50 мкм.

Что до старейших останков обнаруженных на сегодняшний день живых организмов, то ими являются пленки цианобактерий, которые имеют возраст 3,5…3,8 млрд. лет. Тут следует заметить, что посткембрийская эпоха, по старой памяти именуемая фанерозоем, составляет всего лишь приблизительно 1/8 времени существования Земли и всей Солнечной системы, возраст которых оценивается в 4,5 млрд. лет. Поэтому естествоиспытатели, имевшие дело только с останками минеральных скелетов, были склонны считать, что большую часть своей естественной истории Земля была абсолютно безжизненна, что первые органические образования возникли на планете после миллиардов лет бурления всяческих химических и физических процессов. Однако исследования бактериальных палеонтологов дали совсем другую картину. Как мы видим, возраст известных нам следов жизни на планете начинает опасно приближаться к возрасту самой планеты, так что можно уже предположить (пока только предположить), что, в тех или других формах, жизнь существовала на Земле изначально.

Помимо всего прочего, 3,8 млрд. лет — это возраст старейших геологических пород, сохранившихся до наших дней в неизменном виде. Т. е., если более древние живые организмы существовали, их окаменелые останки разрушились вместе с породой. Между тем имеющаяся в распоряжении ученых фоссилизированная цианобактерия (она же сине-зеленая водоросль), конечно, заслуживает название «простейшего» с точки зрения биолога, который сравнивает ее, скажем, с фламинго или панцирной рыбой. Но с точки зрения химика, начинающего описание картины мира с незамысловатых конструкций типа Н2О или СО2, это крайне сложное образование. Цианобактерия — одноклеточный организм, обладающий способностью к фотосинтезу, образованию высокомолекулярных органических соединений из простой воды и углекислого газа с использованием энергии света. Она имеет плотную оболочку затейливой структуры, наличие которой, кстати сказать, и позволяет ей фоссилизироваться. В ее состав входит множество атомов, расположенных в строгом порядке и задействованных в четко организованных процессах. Получить в лабораторных условиях хотя бы отдельные фрагменты подобной конструкции уже считается огромным научным достижением. Иными словами,

цианобактерия сама должна быть продуктом длительного развития. По крайней мере, так логично предполагать, если мы признаем, что продуктом развития является вышеупомянутый фламинго.

К тому же палеонтологи имеют дело не с одиночными организмами, а с бактериальными матами, колониями одноклеточных, формой жизни, достигшей определенной сложности организации.



Так выглядят современные цианобактерии под микроскопом (слева) и в обычном аквариуме (справа)


Найденный в Антарктиде метеорит ALH 84001 (верхний снимок). Внутри него были обнаружены крошечные (до 100 нанометров) образования, напоминающие окаменевшие бактерии (нижний снимок)

Эукориоты (одноклеточные) цианобактерии; трибрахидумы
(на переднем плане)

Строматолиты (пирамидки); кремнистые биоты (внизу); столбчатый строматолит (на переднем плане); красная водоросль

Итак, вооружившись новейшей техникой и нырнув с ее помощью на три миллиарда лет глубже в историю Земли, ученые смогли добыть массу занимательнейшей информации, но в конце концов уперлись в ту же проблему, что и при первых исследованиях нижней границы кембрия. Прямых и непосредственных следов более ранней жизни нет, но косвенные улики указывают на ее существование. Пожалуй, в наше время именно период ранее, чем 3,8 млрд. лет назад следовало бы называть криптозоем — эрой скрытой жизни.
Сейчас все больше укрепляет свои позиция теория, согласно которой химические процессы, приведшие к возникновению живой клетки, были запущены еще на стадии формирования солнечной системы, в газопылевом облаке, послужившем для нее материалом (см. статью академика В. Пармона «Новое в теории появления жизни», НиТ №11, 2011 г.). Не исключено, что уже на стадии планетарного облака в этом направлении были достигнуты впечатляющие успехи, и жизнь возникла не на Земле. В связи с этим хотелось бы подробнее остановиться на теме, которая всегда вызывает большой интерес у широкой публики, поговорить об исследовании метеоритов на предмет нахождения в них следов внеземной жизни.

На сегодняшний день целый ряд небесных камней, подозрительных на наличие остатков живых организмов, были исследованы специалистами. Среди них наиболее известны следующие:
Углистый метеорит «Мурчинсон», упавший 28 сентября 1968 г. близ одноименной деревни в Австралии в штате Виктория. Общий вес этого гостя из космоса составлял 108 кг, и его падение надолго запомнилось жителям деревни.

Углистый метеорит «Оргей», упавший в 1864 г. во Франции. Главные сюрпризы исследователям он преподнес спустя сто лет после своего падения.
В 1962 г. углистый метеорит весом 21 кг был найден в Казахстане на пахотном поле в шести километрах от села Ефремовка. Согласно обычаю он был назван по населенному пункту. Когда именно упал камень, точно неизвестно, но один из местных старожилов наблюдал, как в тридцатых годах «летом за селом с неба падал камень с громом и ярким светом». Поскольку метеорит длительное время пролежал в почвенном слое, при его изучении приходится учитывать возможность загрязнения метеорита земным веществом — как органическим, так и минеральным.

Крупнейшим углистым метеоритом, найденным на Земле, является метеорит «Альенде», упавший 8 февраля 1969 г. в Мексике. При падении он разбился на множество осколков, которые выпали на территории 50×10 км. По косвенным данным общую массу вошедшего в атмосферу небесного тела оценивают в 5 тонн, но суммарная масса обломков, которые удалось обнаружить, составляет 3 тонны. Ныне они находятся в различных музеях и институтах мира. В институте Вернадского РАН хранятся осколки общим весом 11740 граммов. «Альенде» — самый древний из обнаруженных метеоритов: он имеет возраст около 4,567 млрд. лет.

Особое место в этом ряду составляет обломок весом 1,93 кг, найденный в 1984 г. в Антарктиде — так называемый «марсианский метеорит ALH 84001». Он относится к очень редкому типу находок, представляющих собой обломки марсианской поверхности, выброшенные в космос мощнейшим вулканическим взрывом либо вследствие падения на Красную планету крупных космических тел. За всю историю изучения метеоритов обнаружено 34 подобных осколка. Установить их происхождение удалось, сравнивая изотопный состав газа, содержащегося в метеоритах в микроскопических количествах, с данными анализа марсианской атмосферы, сделанных аппаратами «Викинг».

Так вот, все вышеперечисленные метеориты, в том числе и ALH 84001, содержат в себе структуры сходные со следами ископаемых микроорганизмов в земных геологических породах. Первые публикации на эту тему появились еще в 60-е годы XX столетия, но широкая научная общественность первое время со скептицизмом восприняла идею о том, что вышеуказанные структуры являются следами внеземной жизни. Однако данные, накопленные за последние годы бактериальными палеонтологами, работают против скептиков. В частности, на сегодняшний день не вызывает сомнений, что исследователи имеют дело не с земными загрязнениями. Но спор еще не окончен. Противники теории биогенного происхождения этих образований указывают на сходства их структуры со структурой некоторых земных минералов, которые считаются абиогенными (имеющими неорганическое происхождение). Примером такого минерала является керит — разновидность углеродного битума. В качестве возражения на этот аргумент обычно высказывают сомнение в абиогенном происхождении керита. Если скептики не правы, то в метеорите «Альенде» мы имеем следы жизни, которые почти на миллиард лет древнее земных образцов, — и граница существования «явной жизни» снова существенно сдвигается.

В наше время наряду с теорией возникновения жизни в планетарном облаке существует также гипотеза, что жизнь появилась на какой-то неведомой планете земного типа в глубинах вселенной, и ее семена были занесены в Солнечную систему в анабиотическом состоянии в замороженных ядрах комет. Возможно, это действительно так, но тогда вопрос о принципиальных условиях появления во Вселенной живых организмов остается открытым.

Другие материалы рубрики


  • Они царствовали на Земле 160 миллионов лет. Для сравнения – история человека едва ли превышает 1 миллион лет. Они торжественно маршировали по нашей планете длительный промежуток времени даже по астрономическим понятиям. И исчезли практически мгновенно. Пришедших им на смену отделяло от этих монстров такая пропасть времени, которую трудно себе представить биологическому виду. Но вопрос о том, что стало истинной причиной исчезновения динозавров, будоражит умы не только публики, но и ученых, поскольку, как ни удивительно, разрешение этой загадки имеет самое непосредственное отношение к эволюции и происхождению млекопитающих, а значит, и к человеку.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Узнаете цитату? «Правый глазной (рабочий) зуб графа Дракулы Задунайского» (я не Кювье, но, судя по по этому зубу, граф Дракула Задунайский был человеком весьма странным и неприятным)». Так рассуждал про себя молодой программист Саша Привалов, герой знаменитой повести Стругацких «Понедельник начинается в субботу», рассматривая экспозицию музея при научно-исследовательском институте Чародейства и Волшебства.
    Упомянутый в этой цитате Жорж Кювье был одной из наиболее значимых фигур в науке первой половины XIX в. Для многих образованных людей этого блестящего столетия он стал фигурой культовой, почти сказочной. Будучи величайшим знатоком зоологии и cравнительной анатомии того времени, естествоиспытатель включил в сферу своих научных интересов также изучение ископаемых останков, находимых в земле. О Кювье рассказывали, что ему достаточно увидеть один зуб животного, чтобы воссоздать весь его облик. Если быть точным, то сам зоолог говорил о своем умении «распознавать род и различать вид по одному обломку кости».

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Еще полвека назад большинство антропологов рассматривало эволюцию человека как линейную последовательность видов: Homo habilis (человек умелый) — Homo erectus (человек прямоходящий) — Homo neanderthalensis (человек неандертальский) — Homo sapiens (человек разумный). Первый представитель рода «людей» Homo habilis появился в Африке на рубеже 2,5 млн лет назад. Около 2 млн лет назад часть популяций сменивших его Homo erectus покинула африканскую «колыбель» и вышла на просторы Евразии. Это была первая волна древних миграций человека. Около 600 тыс. лет назад с Черного континента в Евразию пришла вторая волна, приведшая к формированию в Европе вида, наиболее близкого к современному человеку, — неандертальцев.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Об этом открытии, сделанном на о. Флорес (небольшой остров в Индонезийском архипелаге между Явой и Тимором), вот уже три года говорит весь научный мир. Ну ладно, для тех, кто все еще не знает: группе австралийских исследователей удалось обнаружить в гроте Лианг Буа на глубине 6 м останки нескольких человекоподобных существ, геологический возраст которых составлял от 12 до 18 тысяч лет. Рост самого крупного из «найденышей» (взрослого!) достигал… примерно одного метра. Неудивительно, что им тут же было присвоено неофициальное название «хоббиты»!

    Общее число обнаруженных «хоббитов» колеблется, по разным подсчетам, в пределах 7–10 особей (некоторые останки разрознены, поэтому трудно определить, относятся найденные кости к одному или разным экземплярам). В тех же слоях были найдены каменные орудия, следы огня и остатки употреблявшихся в пищу животных. Нижняя граница этих находок, правда, отодвигается до 80 тыс. лет, а вот «потолок» никак не древнее тех же 12 тыс.; может быть, даже ближе к нашему времени..
    Собственно, человеческие останки такой древности — далеко не редкость. И малорослых групп (правда, не настолько малорослых!) среди Homo sapiens тоже немало. Проблема заключается в том, что обнаруженные существа НЕ принадлежат к виду Homo sapiens! К роду Homo, человек — да, несомненно. А вот все остальное…

    В публикациях, всколыхнувших научный мир, приводились фотографии хорошо сохранившегося черепа одного из первых «хоббитов», пол которого был определен как женский, а индивидуальный возраст — около 30 лет. Размер головы этой дамы лишь немного превышает величину крупного грейпфрута, а объем мозга составляет 380 см3: как у шимпанзе. Кроме «уменьшения», достаточно заметны и примитивные признаки: низкий свод черепа, развитые надбровные дуги и прогнатное (выступающее) лицо при скошенном подбородке.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Когда в позапрошлом веке ученые, одного за другим, начали извлекать из земли вымерших в незапамятные времена огромных животных: мегалозавра, игуанодона, гилеозавра и т. д., им прежде всего бросилось в глаза сходство в строении костей с современными рептилиями: ящерицами и крокодилами. Вот и получила эта группа ископаемых существ название «чудовищные ящерицы» — динозавры. Более столетия в ученых кругах господствовало мнение, что и по образу жизни, и по физиологическим своим особенностям динозавры ближе всего стояли к нынешним пресмыкающимся. Считалось, что они были холоднокровными, т. е. температура их тела зависела от температуры окружающей среды. При реконструкции внешнего облика динозавров их, как правило, изображали покрытыми голой чешуйчатой кожей. Но палеонтологические исследования в конце XX — начале XXI вв. внесли существенные коррективы в это устоявшееся представлени

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...Как считают китайские ученые, может случиться так, что все загадки древних рептилий будут разгаданы благодаря одной находке. На востоке Китая палеонтологи обнаружили самое крупное в мире «кладбище» динозавров, где более 54 тонн составляют останки утиноклювых динозавров. Последняя крупная находка большого количества окаменелых останков динозавров была совершена во время экспедиции, начавшейся в марте 2008 года. Основные открытия палеонтологов пришлись на район населенного пункта Лунду, где на участке длиной 300 и шириной 10 метров были обнаружены более трех тысяч окаменелых останков динозавров. Находки ученых помогут пролить свет на историю исчезновения древних животных...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Особенно популярна была такая причуда в Англии. Там возникла даже небольшая профессиональная группа, зарабатывающая на жизнь сбором и продажей окаменелостей. К этой категории принадлежала семья Эннинг, проживавшая в маленьком приморском городке Лайм-Реджис на юге Англии. Эннинги держали небольшую лавку, в которой торговали подобными диковинками. Товар для нее они собирали в прибрежных утесах, привлекая к этой весьма увлекательной работе своих многочисленных детей. Одна из девочек, по имени Мэри, проявила особый талант к поиску окаменелостей. Говорили, что ей достаточно постучать по скале, чтобы определить, не содержатся ли там останки древних животных или растений. Бытует мнение, что именно об этой девочке была придумана известная английская скороговорка: She sells sea-shells on the sea-shore. В 1811 г. двенадцатилетняя Мэри Эннинг обнаружила близ Лайм-Реджис вмурованный в прибрежную скалу скелет невиданного чудища. Чудище было 6 метров в длину и на первый взгляд напоминало хищную рыбу, но в действительности имело целый ряд характерных отличий в строении, указывающих на то, что это — гигантская рептилия.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Всю историю палеонтологической науки принято делить на два периода: додарвиновский и последарвиновский. Границей между этими двумя периодами считается 1859 г. — год опубликования знаменитой книги Чарльза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь». Этот эпохальный обобщающий труд произвел революцию в естественнонаучном мировоззрении. Теперь находка любого ископаемого организма осмысливалась на совершенно ином уровне.
    В 1859 г. Дарвину было 50 лет, и на большинстве широко известных портретов автора «Происхождения видов» мы видим солидного cедобородого ученого. Между тем Чарльз Дарвин отнюдь не был кабинетным затворником, проводящим все свое время в окружении книг. Его жизнь была полна захватывающих приключений. Кроме обобщающих работ, на счету Дарвина целый ряд интересных полевых исследований, в том числе и палеонтологических. Свою научную деятельность он начал с кругосветного путешествия.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • ...Динозавры, которые были раскопаны в Нигере, были так необычны, что понадобилось почти два года, чтобы классифицировать их. Первым было найдено существо с гребнем на спине и зубами, похожими на зубы крокодила, которое рыбачило в реках Западной Африки сто миллионов лет тому назад. Затем ученые открыли примитивного длинношеего ящера, который был "живым ископаемым" уже сто миллионов лет тому назад, когда он бродил по африканским болотам. Фактически, он выглядел на сорок миллионов лет старше. Последним был Нигерзавр, загадочный растительноядный ящер с головой, похожей на лопату, и сотнями зубов, который выглядел удивительно причудливым даже для видавших виды палеонтологов. С другой стороны, в Африке отсутствовали типичные для более северных районов формы рептилий, так что в некотором смысле это был "затерянный мир".

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Так, прославленный английский писатель Артур Конан Дойл в фантастическом романе «Затерянный мир» описывает встречу с ящерами-игуанодонами. Герои романа — профессора зоологии Челенджер и Саммерли, знаменитый охотник лорд Джон Рокстон и журналист Эдуард Меллоун совершили трудное и опасное путешествие через южноамериканские джунгли и обнаружили отрезанное от всего мира плато, где по сей день обитают животные, которые, как полагают ученые, исчезли с лица земли десятки, а то и сотни миллионов лет назад. Прекрасно осведомленный о достижениях современной ему биологической науки Конан Дойл описал в своем романе многих животных, известных лишь по окаменелым останкам.

    • Страницы
    • 1
    • 2