Ученые различных дисциплин помогли решить дилемму Дарвина.
Ключевые выводы
- Работа Чарльза Дарвина «Происхождение видов» - одна из самых значительных вех в биологии, заложившая основу теорий эволюции и естественного отбора.
- Летопись окаменелостей бросила вызов теориям Дарвина. Сложная жизнь, казалось, возникла внезапно в кембрийский период, с небольшим количеством свидетельств биологических предков.
- Открытие докембрийских окаменелостей в основном разрешило дилемму Дарвина, но ученые все еще ищут ответы на одну из самых насущных загадок науки: как развивалась сложная жизнь?
Хотя может показаться, что многоклеточная жизнь доминирует на Земле, она является относительным новичком на планете, которую одноклеточные организмы называют домом более трех миллиардов лет. Современным людям, чье существование насчитывает всего лишь 300 000 лет, уже давно любопытно, как жизнь развилась из этих простых организмов и почему.
Кембрийский взрыв: внезапный всплеск жизни
Исследования, пытающиеся демистифицировать происхождение современной жизни, вращаются вокруг геологической и эволюционной точки опоры - кембрийского взрыва, всплеска эволюции, произошедшего около 530 миллионов лет назад. Названный в честь геологического периода, в котором он произошел, кембрийский взрыв заполнил Мировой океан сложными животными с твердым телом, населявшими разнообразные, процветающие экосистемы.
Темп эволюции был ошеломляющим, в пять раз превышающим скорость современной эволюции. Возникшая сложная жизнь сформировала план «планов тела» большинства современных животных и растений.
Кембрийский взрыв имеет общее прозвище: Биологический Большой Взрыв. Как и его астрономический тезка, этот термин фокусируется как на том, что произошло раньше, так и на том, что произошло в период экспансивной эволюции. Это подразумевает тихий период небытия, за которым следует внезапный взрыв жизни.
В 1859 году, когда Дарвин опубликовал «Происхождение видов», «ничто» не могло точно описать летопись докембрийских окаменелостей.
Дилемма Дарвина
Этот мрачный отчет не согласовывался с теорией Дарвина. Эволюция, утверждал Дарвин, происходит медленно и постепенно; кембрийскому взрыву должен был предшествовать период, полный жизни. Контраст богатой палеонтологической летописи кембрийского периода с бесплодным докембрием стал известен как «дилемма Дарвина» из-за его способности разрушить теорию.
Дарвин осознал загадку, к которой он обратился в часто цитируемом разделе своего шедевра: «[Что касается] того, почему мы не находим богатых ископаемых отложений, относящихся к этим предполагаемым ранним периодам до кембрийской системы, Я не могу дать удовлетворительного ответа. Случай в настоящее время должен оставаться необъяснимым; и может быть действительно выдвинут в качестве действительного аргумента против представленных здесь взглядов».
Не только летопись окаменелостей создала проблемы для Дарвина, но и быстрый темп эволюции после кембрийского взрыва. Если он был прав, как могла жизнь эволюционировать от простых одноклеточных организмов до сложных растений и животных в мгновение ока?
В течение десятилетий после публикации «Происхождения видов» в 1859 году дилемма Дарвина была одной из величайших и самых мучительных загадок биологии. Сегодня дилемма считается решенной, и доказательства получены в результате сосредоточенных усилий междисциплинарных ученых, которые часто сталкивались друг с другом в поисках священного Грааля биологии. Тем не менее, хотя новые данные ответили на некоторые вопросы, они также побудили ученых задать новые. Так часто бывает при изучении прошлого Земли.
Заполнение докембрийской палеонтологической летописи
Нет никаких сомнений в том, что Дарвин был прав относительно эволюции и естественного отбора. Он также был прав в отношении того, почему в 1859 году докембрий казался безжизненным - просто окаменелости еще не были найдены.
Раскрывая происхождение и эволюцию жизни, мы полагаемся на окаменелости, чтобы заглянуть в прошлое. Однако не все легко окаменевает. Мягкотелые, хрящевые формы жизни, которые, как считается, предшествовали твердотелым животным кембрия, имеют тенденцию легко распадаться.
Исследователей это не остановило. Настойчивые международные усилия были направлены на поиск окаменелых свидетельств докембрийской жизни за годы, прошедшие после публикации «Происхождения». Палеобиолог Джеймс Уильям Шопф предлагает историю этой охоты в своей основополагающей статье 2000 года «Решение дилеммы Дарвина: открытие пропавших без вести докембрийских записей о жизни».”
Здесь Шопф описывает, как самые ранние предполагаемые докембрийские окаменелости оказались змеевидным известняком, который, казалось, только содержал окаменелости. Таким образом, эти неверные выводы конца 1800-х годов, по словам Шопфа, «отравили колодец», поскольку «предметные уроки передавались от профессора к студенту, из поколения в поколение, чтобы стать частью общепринятых академических знаний».
Только в 1960-х годах докембрийские палеонтологи смогли отвлечься от своего зловещего начала. Открытие нитевидных микроокаменелостей в Австралии и окаменевших клеточных микробов возрастом почти 3 500 миллионов лет (самые старые из когда-либо известных окаменелостей, более чем три четверти возраста Земли) показало, что докембрийский период был «на удивление богаче и его было легче раскопать, чем кому-либо другому». осмелился представить.
Быстрый темп эволюции после кембрийского взрыва
Хотя работа Шопфа и других палеобиологов продолжает пополнять летопись докембрийских окаменелостей, остаются вопросы о темпах кембрийского взрыва. Что заставило жизнь так быстро развиваться?
Этот вопрос десятилетиями интересовал ученых многих дисциплин. Междисциплинарное сотрудничество принесло множество доказательств с разных точек зрения - геохимических, палеоэкологических, геологических, анатомических и таксономических - которые описывают, как биологические организмы эволюционировали в соответствии с изменяющимися условиями окружающей среды.
Этот накопленный массив данных подтверждает давнее убеждение: крупные геологические события изменили экологические условия и условия окружающей среды и подготовили почву для быстрой эволюции. Например, большинство ученых сходятся во мнении, что доступность кислорода как-то связана с кембрийским взрывом. Возможно, быстрое увеличение доступного кислорода в кембрийский период подготовило почву для быстрой эволюции.
Мы знаем, что доступность кислорода связана с геологическим процессом, называемым Великим несогласием - длительным периодом обширной континентальной эрозии и деградации, приведшим к паузе в окаменении и осадконакоплении. В 2021 году новое исследование показало, что Великое несоответствие было всемирным явлением, вызванным формированием и распадом древнего суперконтинента Родиния. Это тектоническое событие высвободило огромное количество кислорода в древние океаны и атмосферу Земли. Кроме того, связанное с этим повышение уровня моря могло создать новые экологические ниши на мелководье и обеспечить кальцием и фосфором, необходимыми для построения скелетов и твердых панцирей.
Собираем кусочки воедино
Мы знаем, что в докембрии была жизнь. Тем не менее, кембрийский взрыв был ошеломляющим, беспрецедентным периодом эволюции - скорость, которую дарвиновская теория эволюции сама по себе плохо объясняет.
Геологи помогли заполнить этот пробел, предоставив доказательства того, что большие тектонические сдвиги превратили мир с ограниченным доступом кислорода в инкубатор жизни. Освободившись от ограничений кислородного голодания, жизнь быстро разнообразилась. Новые гены будут подвергаться дарвиновскому естественному отбору, либо становясь более распространенными, либо исчезая из существования.
Загадки прошлого Земли
Изучение прошлого всегда сопряжено с некоторой неопределенностью. Как описал Шопф в своей истории охоты за докембрийскими окаменелостями, чрезмерно рьяные ученые запятнали поле, заявив, что нашли докембрийскую жизнь, только для того, чтобы другие исследователи быстро отвергли этот материал как неорганический. В 2014 году исследование показало, что ученые долгое время переоценивали, сколько кислорода присутствовало до кембрийского периода. Мы до сих пор не знаем, что вызвало Великое несогласие и связанные с ним тектонические сдвиги, хотя большинство исследователей считают, что здесь должно быть задействовано крупномасштабное оледенение. Не все ученые даже принимают идею о том, что кембрийский взрыв был необычайно быстрым эволюционным событием. Вместо этого они утверждают, что всплеск в летописи окаменелостей может просто отражать тот факт, что организмы с твердым телом окаменевают легче, чем их мягкотелые предшественники.
Оставшиеся вопросы подчеркивают постоянную проблему изучения прошлого. Открытие новой ископаемой или геологической подсказки может перевернуть десятилетия теорий. Любая претензия настолько сильна, насколько сильна наша способность интерпретировать ограниченные биологические и экологические данные.
Погоня так же соблазнительна, как и награда. Обнаружение и сбор подсказок о прошлом Земли отвечает жажде открытий, которую мы, люди, никогда не сможем удовлетворить.