Жизнь на Земле развивалась очень медленно и постепенно. До появления лесов, рыб и динозавров существовали крошечные клетки, называемые эукариотами. Эти клетки впоследствии дали начало растениям, животным и грибам.
Ученые давно задавались вопросом, где обитали эти древние клетки. Новое исследование из Австралии предполагает, что они оставались у морского дна в богатых кислородом водах, а не плавали у поверхности океана. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Примерно 1,7 миллиарда лет назад в океанах Земли преобладали микробы. Среди них были первые эукариоты — организмы, представлявшие собой крупный эволюционный скачок.
В отличие от бактериальных клеток, эукариоты содержали мембранные компартменты. Их ДНК была заключена внутри ядер, а митохондрии вырабатывали энергию внутри клетки. Эти нововведения впоследствии позволили организмам стать крупнее и сложнее.
Однако окаменелости этой эпохи встречаются редко. Учёные знали о существовании первых эукариот, но не могли определить, где именно они обитали в древних океанах.
«Мы обнаружили, что самым древним эукариотам, которых мы видели до сих пор, кислород в той или иной степени уже был необходим», — сказала Ли Энн Ридман, палеонтолог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. «Мы смогли определить, что они жили на морском дне или внутри него, по тому, как они были распределены по образцам».
Чтобы разгадать эту загадку, исследователи объединили несколько линий доказательств, полученных из горных пород, возраст которых составляет от 1,75 до 1,4 миллиарда лет.
Они исследовали окаменелости, сохранившиеся в горных породах, изучали окружающие осадки и анализировали химические соединения, запечатленные в слоях.
Ископаемые остатки показали, какие организмы там обитали. Осадочные породы выявили, была ли эта территория когда-либо мелководной береговой линией, лагуной или более глубоководной прибрежной зоной. Геохимические данные показали, существовал ли кислород вблизи морского дна в тот период.
В совокупности эти данные позволили ученым реконструировать морские экосистемы, существовавшие почти два миллиарда лет назад.
Исследовательская группа сосредоточила внимание на бассейнах МакАртур и Бирриндуду на Северной территории Австралии. Около 1,7 миллиарда лет назад этот регион был покрыт мелководным внутренним морем с илистыми отмелями, лагунами и спокойными прибрежными водами.
Уровень кислорода был крайне низким по сравнению с уровнем на современной Земле. Содержание кислорода в атмосфере, возможно, составляло всего один процент от нынешнего уровня.
«Мы бы не смогли дышать», — сказала ведущий автор исследования Сюзанна Портер из Департамента наук о Земле Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Океаны также были химически нестабильны. В одних регионах присутствовал кислород, в то время как другие были полностью лишены его.
Исследователи заметили поразительную закономерность в палеонтологической летописи.
Ранние эукариоты появились во многих морских средах, от мелководных прибрежных районов до более глубоких прибрежных зон. Однако они практически полностью отсутствовали в отложениях, образовавшихся в бескислородных придонных водах. Там, где кислород присутствовал вблизи морского дна, эукариоты выживали. Там, где кислород исчез, исчезли и окаменелости.
Полученные данные убедительно свидетельствуют о том, что выживание этих организмов зависело от кислорода.
Современные эукариотические клетки используют митохондрии для извлечения энергии из кислорода. Новые данные свидетельствуют о том, что даже самые ранние известные эукариоты уже обладали этими энергопроизводящими структурами.
Сами окаменелости подтверждают эту идею. Их размер и форма соответствуют организмам, которые, вероятно, содержали митохондрии внутри своих клеток.
Возможно, морское дно также представляло собой идеальную среду для эволюции митохондрий. Ученые считают, что митохондрии изначально были свободноживущими бактериями, которые в конечном итоге были поглощены другой клеткой в результате взаимовыгодных взаимоотношений.
Проживание вблизи бактериальных сообществ означало, что ранние эукариоты находились в постоянном контакте с этими организмами.
Один из самых больших сюрпризов исследования касается того, где именно обитали эти клетки.
Если ранние эукариоты свободно плавали в виде планктона у поверхности океана, то их останки должны были бы обнаруживаться как в богатых кислородом, так и в бедных кислородом отложениях. Мертвый планктон опускается вниз по толще воды независимо от условий на дне. Но окаменелости такой закономерности не подтвердили.
Вместо этого они были тесно связаны с насыщенными кислородом придонными водами. Это говорит о том, что организмы жили на самом морском дне или внутри него, а не дрейфовали в открытой воде.
«Меня поражает, насколько ограничены возможности эукариот в настоящее время», — сказал Портер. «Поверхностные воды кажутся таким очевидным местом обитания, особенно если им необходим кислород; на поверхности много кислорода».
На протяжении большей части протерозойской эры эукариоты, по-видимому, занимали лишь узкую экологическую зону вдоль насыщенных кислородом морских дна.
Они не доминировали в океанах и не распространялись быстро в новые места обитания. Ископаемые, датируемые 800 миллионами лет назад, часто напоминают окаменелости, датируемые 1,7 миллиардами лет назад.
Эволюция протекала медленно, потому что окружающая среда накладывала строгие ограничения. Большие участки глубоководного океана оставались химически неблагоприятными, что препятствовало распространению этих организмов на новые территории.
Эта закономерность в конечном итоге изменилась в неопротерозойскую эру, примерно от одного миллиарда до 540 миллионов лет назад.
На этом этапе эукариоты начали переходить к планктонному образу жизни и колонизировать открытый океан. Этот переход может объяснить, почему ученые иногда обнаруживают химические следы эукариот в горных породах, даже когда окаменелости тел встречаются редко.
Если бы ранние эукариоты обитали преимущественно на морском дне , их химические следы не распространились бы широко по морским отложениям.
Исследование показывает, что в основе истории лежит скорее терпение, чем быстрый прогресс.
Более миллиарда лет первые сложные организмы Земли занимали небольшую экологическую нишу на планете. Они зависели от кислорода и оставались тесно связанными с морским дном, в то время как большая часть океана оставалась непригодной для жизни.
Их последующее распространение в открытом океане навсегда изменило жизнь. Этот сдвиг открыл двери для новых экологических взаимодействий, большей специализации и, в конечном итоге, для появления животных, растений и грибов.
Каждый коралловый риф, лес и млекопитающее, живущие сегодня, ведут свое происхождение от этих древних микроскопических сообществ.
«Подобные исследования дают нам возможность понять этих маленьких существ как организмы», — говорит Ридман. «Вместо того чтобы рассматривать их просто как имя или часть коллекции марок, мы можем представить, где они жили, чем занимались и кем были».
Древние горные породы Австралии помогают ученым с большей ясностью взглянуть на эти затерянные миры. Они показывают, что возникновение сложных организмов не было внезапным, а представляло собой медленный процесс, разворачивавшийся в океанах, сильно отличающихся от тех, которые мы знаем сегодня.
