Внезапное появление множества скелетных животных около 540 млн лет назад принято называть Кембрийским взрывом. Креационисты до сих пор приводят это как аргумент в пользу божественного происхождения жизни на Земле. Но что же происходило с фауной на самом деле? Елена Наймарк, докт. биол. наук, вед. науч. сотр. Палеонтологического института РАН, попыталась экспериментально ответить на этот вопрос.
Елена Наймарк родилась в 1964 году в Москве. В 1988 году окончила биологический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова. В 1993 году получила степень кандидата биологических наук. С 1993 года работает в Палеонтологическом институте Российской академии наук. В 2000 году получила степень доктора биологических наук. Лауреат премии Раусинга и медали Российской академии наук по биологии. Автор более 150 научных статей по палеонтологии, эволюционной биологии и биогеографии. Член Международной комиссии по стратиграфии кембрия. Участвовала в научных экспедициях в Сибири, Казахстане, Китае, Западной Европе, Америке. Около 20 лет занимается научной популяризацией. Автор научно-популярных текстов для радио «Свобода», портала elementy.ru, журнала «Новый мир». Научный редактор популярных книг в издательствах Corpus, «АСТ», «Альпина нон-фикшн». В 2015 году за перевод книги «Трилобиты» удостоена Беляевской премии.
Вместе с мужем Александром Марковым номинирована на премию «Просветитель» за книгу «Эволюция: классические идеи в свете новых открытий».
— Елена, недавно Вы опубликовали в журнале Paleontology статью с итогами необычного эксперимента. Но Вы же занимаетесь вымершей много лет назад фауной. Какие могут быть у палеонтологов эксперименты? Разве палеонтология — это не длительные экспедиции и медленные раскопки?
— Это немножко устаревший взгляд: геолог или палеонтолог — бородатый мужик, с рюкзаком, в палатке у костра, а в рюкзаке пятьдесят килограммов камней. На самом деле сейчас наука совсем другая. И палеонтологи, и геологи большую часть времени отдают аналитической науке. Хотя, конечно, в основе всей нашей науки всегда камни. Но нам же нужно не только найти их, но и понять, откуда окаменелости взялись, как образовались, что представлял собой мир в древности, не говоря уже о более практических задачах.
— Расскажите подробнее о вашем эксперименте. Какова была его цель?
— Она касается кембрийской проблематики. Кембрийский период начался около 540 млн лет назад, закончился 485 млн лет назад. У нас очень мало прямых данных о том, как мир был устроен тогда, какими были моря, атмосфера, что было на дне моря, было ли море вообще. И одна из загадок кембрия — так называемый Кембрийский взрыв.
— Что там взорвалось?
— В начале XIX века знаменитый геолог Родерик Мерчисон постулировал, что в геологических слоях до кембрия нет никаких ископаемых, а потом появляется сразу очень много самых разных типов животных: и трилобиты, и моллюски, и брахиоподы; они сразу оказываются в кембрийских слоях в большом изобилии. Как будто бы это был акт единовременного творения. Мерчисон назвал это Кембрийским парадоксом, или Кембрийским взрывом. И очень долго, примерно до середины XX века, люди так и продолжали думать: все животные, все растения, все водоросли, всё живое появилось именно тогда, на границе докембрия и кембрия. Но с тех пор наука, конечно, очень много всего узнала.
— Больше палеонтологи так не думают?
— Сейчас Кембрийский взрыв называется у нас Кембрийской скелетной революцией. Оказалось, что в докембрии, в слоях, которые лежат ниже кембрия, есть остатки мягкотелых животных, что-то типа медуз, актиний, червяков нашего мира. Но у них нет минерального скелета, того, что обычно остается в ископаемом виде: зубы, кости, ракушки и другие твердые части. А до кембрия были животные и водоросли, их, вероятно, тоже было очень много, но у них не было скелетов.
— Почему?
Никто так и не решил эту загадку. Однако у нас есть подсказка, которую тоже дает палеонтологическая летопись: так называемые лагерштетты. Сложное немецкое слово означает места, в которых сохраняются остатки мягкотелых животных. Это своего рода уникальные гробницы. Самое удивительное, что большинство их тоже появляется где-то на границе докембрия и кембрия. На самом деле имеются и существенно более ранние лагерштетты, возрастом 1,00–1,03 млрд лет, благодаря им изучают остатки грибов и микрофлоры.
— Что такого удивительного в этих гробницах?
— По логике вещей если мягкотелое животное, какой-нибудь червяк или медуза, попадает в осадок или на дно моря, он разлагается. Мягкие ткани не сохраняются долго. Они обычно исчезают, растворяются за неделю, две недели, в крайнем случае месяц. После этого не остается вообще ничего. Как могли они сохраниться в ископаемой летописи? Они должны по идее не разлагаться достаточно долго, чтобы мягкие ткани приобрели новую, минеральную вещественную структуру. Это великая загадка. На остатках мягкотелых животных найдены бактериальные окаменевшие формы. Значит, бактерии там были, и деструкция шла. Почему же не происходило разложение? Чтобы ответить на этот вопрос, мы решили поставить эксперимент.
Он длился два года и продолжается сейчас. Таких длительных экспериментов пока что единицы. Никаких аналогов у западных коллег нет. Нужно ведь успеть уложиться в обычный трехлетний грант, а потом еще и опубликовать результат. На это уходит много времени. Так что для экспериментальной тафономии, как называется эта область, характерны, как правило, эксперименты длительностью от месяца до четырех.
— И в чем суть вашего эксперимента?
— Фауну лагерштеттов на 80% составляют членистоногие. Поэтому мы поместили современных членистоногих, у которых нет минерализованных частей скелета, очень мелких рачков, в высокие пробирки со слоем осадка и залили их водой, чтобы воссоздать давление столба воды над дном. Палеонтологический анализ говорит о том, что все лагерштетты сформировались в результате катастрофических событий: лавин или штормовых выбросов. Это видно по сортировке размеров частиц осадка по толщине слоя. Мы смоделировали такое катастрофическое захоронение в высоких пробирках, закупорили, оставили в темноте (в толще осадка ведь нет света, и фотосинтез там останавливается) на два года. Нам осталось в серии пробирок постоянно фиксировать результаты.
охотящееся на трилобитов Yunnanocephalus yunnanensis. Илл.: «Википедия»
— Вы описываете очень простой эксперимент. Почему палеонтологи не провели его давно?
— Сейчас кажется, что суть эксперимента очевидна. Но на самом деле нужно было преодолеть некий догмат, который почему-то утвердился в голове у большинства палеонтологов. Бытовало упрощенное представление: окаменелость может образовываться, если она пропитывается солями из морской воды или из окружающих поровых вод. И поэтому все эксперименты проводились так: брался сосуд с морской водой, в которую добавляли определенное количество той или иной соли, например фосфорной или кальциевой, а дальше смотрели, будет идти образование окаменелости (фоссилизация) или не будет.
Почему-то осадок не участвовал в этих экспериментах. Я не знаю почему, так как напрямую об этом ни в одном экспериментальном протоколе не сказано. Возможно, считалось, что присутствие осадка будет лишь усложнять картину фоссилизации, но не менять ее основных принципов. Во всех учебниках написано, что фоссилизация должна происходить именно так, за счет пропитывания солями и замещения органических биологических тканей минералами.
— Вы сломали стереотип?
— Да, нам удалось продемонстрировать, что в определенных осадках за счет специфических химических процессов в пространстве вокруг захороненных остатков образуется очень кислая среда и появляется обилие дубильных веществ, так что процесс разложения останавливается. Кроме того, появляются в большом количестве и растворенные фоссилизирующие агенты. И это всё производные осадка, а не морской воды. Так что наши рачки за два года, вместо того чтобы разложиться, превратились в окаменелость, в нашем случае — сложенную из глинистых минералов, каолинита или бентонита.
— Можно ли говорить о том, что благодаря вашему эксперименту загадка Кембрийской революции решена?
— Конечно, нет. Это только начало большой работы. Перспективной, как мне кажется, так как есть наглядный метод изучения формирования фоссилий мягкотелых; можно подобрать условия, наиболее благоприятствующие этому процессу, сравнить с тем, что нам удается реконструировать по составу и строению кембрийских слоев. Отсюда появятся экспериментально проверяемые гипотезы, что для палеоэкологии и эволюции не частое дело. Это один из реальных путей для разгадки природы Кембрийской скелетной революции.
— А можно ли сказать, что вашим экспериментом вы вбили очередной гвоздь в крышку гроба креационизма?
— Ну, он был вбит уже очень давно, гораздо раньше наших экспериментов. Кембрийский взрыв перестал казаться чудом в 1950-х годах, когда стали находить ископаемые в докембрийских породах, всё более и более древние. Потом стали находить бактерии в древнейших протерозойских и даже архейских породах. Ведь возраст древнейших палеонтологических находок, ископаемых бактерий — это примерно 3,5 млрд лет. Какой уж тут Кембрийский взрыв, когда 3,5 млрд лет назад были бактерии. Сначала думали, здесь какая-то ошибка. Как может бактерия сохраниться в ископаемом состоянии? Это казалось абсурдом. Бактерия — она же такая маленькая, эфемерная, дунешь — и ее уже нет. Какая окаменелость? А оказалось, всё не так. Было в экспериментах показано (опять-таки, вот вам эксперименты вместо экспедиций и рюкзаков с камнями), что бактерии могут окаменеть очень быстро, в течение 15 минут — часа, в зависимости от условий. Так что микроразмеры обернулись на пользу фоссилизации: активный метаболизм, большая поверхность относительно объема, особые свойства наружной полисахаридной оболочки бактерий, способной осаждать на себя катионы Ca, Fe и других металлов — золота, серебра, марганца, мышьяка и т.д, какие имеются в избытке в окружающей среде, — всё это факторы скорейшей фоссилизации бактерий.
— Помимо научной работы Вы занимаетесь популяризацией. Скажите, Вас не напрягает разрыв между специалистами и широкой публикой с полностью перпендикулярными представлениями о мире?
— Совершенно не напрягает. Я считаю, что у каждого человека есть своя жизненная задача, которую он и выполняет тем или иным способом. Если у человека есть задача разработать лекарство от опасных болезней, или выяснить, почему возрастает резистентность бактерий к антибиотикам, или, например, выяснить, почему фрукты и овощи в овощехранилище гниют, то он будет придерживаться научной точки зрения, потому что с помощью молитв он не решит эту проблему. Ему нужно обзавестись пробирками, аппаратурой и встать на определенную позицию с определенной системой знаний.
— Вас лично не пугает, что мракобесие побеждает?
— Да, меня это, естественно, пугает. Я бы хотела, чтобы это было не так. Но я считаю, что на своем рабочем месте я делаю всё, что могу, чтобы этого не случилось.
— А какую самую удивительную находку сделала палеонтолог Елена Наймарк?
— Самую удивительную вещь я нашла на шкафу у нас в лаборатории. Это была каменная плита, которая за 15 лет лежания на шкафу покрылась очень тонким идеально ровным слоем пыли. Чтобы разглядеть на камне окаменелых трилобитов того же цвета и текстуры, что и сама порода, их обычно покрывают тонким слоем магниевой пыли. Но такое ровное напыление, как от хранения на шкафу, нам так и не удалось воссоздать потом, как мы ни старались. И под этим идеальным напылением стали прекраснейшим образом видны все самые мельчайшие трилобитики, которые на этой плитке отпечатались. Там нашлось около 3 тыс. экземпляров, включая самые ранние стадии их развития. И это было удивительно, до этого никто не находил настолько полные возрастные серии для этой группы трилобитов. И благодаря одной этой плитке, покрытой пылью и пролежавшей на шкафу 15 лет, я написала монографию и несколько статей.
— О чем вы больше всего мечтаете?
— Я хотела бы на машине времени отправиться в кембрий и увидеть, как это всё было на самом деле, а не то, что мы представляем себе. Ну хоть на одну секундочку, хоть одним глазком бы увидеть тот мир.
Э… Насколько удаётся понять, вышеописанный эксперимент потенциально проясняет механизм образования лагерштеттов, а вовсе не механизм или причину появления скелетов. Следственно, причём тут вообще Кембрийский взрыв?
На Кембрийский взрыв грант получить легче.
Но эксперимент интересный.
Надо же както наперчить хвост всяким прочим мракобесам. вот и стараются.
Вобще внимание креационистам, уделенное в статье, огорчило -остается ощущение что это главная цель работы.
Если делать работу с идеей кому-то «наперчить хвост», то она никогда не получится. Хорошую работу можно сделать только в том случае, если видишь перспективу решения какой-то загадки. А хвост — это не загадка, а мелкие дрязги.
Максимальное число известных лагерштеттов приходится на именно на кембрий. Имеет смысл полагать, что механизм формирования лагерштеттов связан с какими-то специфическими условиями, возможно, абиотическими, набравшими силу именно тогда. Тогда же появляются и скелеты. Такая синхронность может указывать на единые факторы, прямые или косвенные, их образования. Но со стороны лагерштеттов легче подобраться к этой разгадке, чем со стороны самих скелетов: ведь лагерштетты представляют собой целые куски каких-то экосистем со своими условиями.
«Такая синхронность может указывать на единые факторы»
Но, наверное, может и не указывать… Всё-таки непонятно, какого рода могли бы быть эти факторы… Ежели «химические», то как они могли повлиять на появление скелетов? С точки зрения здравого смысла, казалось бы, скелет — продукт конкуренции; может ли такое быть, что скелеты появились как приспособление к изменившейся среде?
«Такая синхронность может указывать на единые факторы»
Она на это и указывает.
Я возьму две цитаты из интервью, которые, на мой взгляд, являются важными:
1. нам удалось продемонстрировать, что в определенных осадках за счет специфических химических процессов в пространстве вокруг захороненных остатков образуется очень кислая среда и появляется обилие дубильных веществ, так что процесс разложения останавливается. Кроме того, появляются в большом количестве и растворенные фоссилизирующие агенты. И это всё производные осадка, а не морской воды.
2. микроразмеры обернулись на пользу фоссилизации: активный метаболизм, большая поверхность относительно объема, особые свойства наружной полисахаридной оболочки бактерий, способной осаждать на себя катионы Ca, Fe и других металлов — золота, серебра, марганца, мышьяка и т.д, какие имеются в избытке в окружающей среде, — всё это факторы скорейшей фоссилизации бактерий.
Воспользуюсь выводом, что «это всё производные осадка, а не морской воды».
Если «во всех учебниках написано, что фоссилизация должна происходить именно так, за счет пропитывания солями и замещения органических биологических тканей минералами», тогда надо переходить к монографиям.
Учту, что «что в определенных осадках за счет специфических химических процессов в пространстве вокруг захороненных остатков образуется очень кислая среда» и «большую поверхность относительно объема», а эти процессы характерны при выращивании кристаллов в гелях.
Елена говорит, что они смоделировали такое катастрофическое захоронение в высоких пробирках, закупорили, оставили в темноте (в толще осадка ведь нет света, и фотосинтез там останавливается) на два года, а это классический эксперимент при выращивании кристаллов в гелях, только поставленный со специфической целью. Поэтому я бы порекомендовал Елене монографию Г. Гениша «Выращивание кристаллов в гелях». Много чего интересного оттуда можно узнать. Только не надо зацикливаться на гелях, т.к. Гениш подчеркивает, что используя различные кислоты и соли металлов, можно получить множество других кристаллов. Среди кристаллов, которые хорошо образуются и растут в гелях, можно назвать следующие: тартраты аммония, меди, кобальта, стронция, железа и цинка; оксалаты кадмия и серебра; вольфрамат кальция; иодид свинца; сульфат кальция; кальцит и арагонит; сульфиды свинца и марганца; металлический свинец; медь, золото и многое другое. Для нас имеет значение то, что второй реагент не обязательно должен быть в виде раствора. Можно использовать газообразные реагенты при различных давлениях. Кроме того, не обязательно, чтобы гель был кислым, а основу его не обязательно должен составлять метасиликат натрия; может быть использован, например, силикагель разных марок или гели агар-агара. Существует множество примеров роста кристаллов в других вязких средах, как природных, так и искусственных. Например, льда в мороженом, тартратов в сыре, серы в резине, солей цинка в сухих элементах, рост кристаллов тиомочевины в соединительных тканях и костях организма человека. Но, кристаллы могут образовываться не только в гелевой среде. Драпер вместо обычных гелей использовал мелкий песок и одиночную капиллярную трубку; оказалось, что и в таких системах можно получать кристаллы».
Гениш Г. Выращивание кристаллов в гелях. М., Мир,1973 – 104 с.
Иными словами, при желании и умением управлять данными процессами можно получить какую угодно «окаменелость» за наперед заданное время, а какая будет там примесь: виде рачка или еще чего-нибудь не так и важно.
На мой взгляд, куда важнее узнать имеют ли место такие процессы в геологии?
С этой точки зрения очень любопытна гипотеза Л.И.Шабалина, которая изложена в работе:
«Система самоорганизации природы», Новосибирск, 1998.
Из анонса следует, что на основании новых научных идей, разработанных автором, изложена система самоорганизации природы. Она включает пять основных положений: контактно-соударительный закон, принцип устойчивости-энергоподвижности, микропородиффузионный каталитический эффект (МДК-эффект), механизм диффузионного флюидозамещения и молекулярно-кинетический механизм формирования поверхностного слоя жидкости. Цель книги — привлечь внимание ученых разных специальностей (геологов, физиков, химиков, биологов, математиков, социологов) и объединить их усилия в решении проблемы саморазвития природы, как неорганической, так и органической, т.е. неживой и живой. Показано, что на основе этого может быть разработана новая концепция магмо- и рудообразования, формирования земной коры и предпринята разработка новых подходов к защите человечества от таких бедствий как катастрофические землетрясения и неизлечимые пока болезни типа рака и др.
http://stratonomik.ru/seruch/SamoOrgn.html
Я отмечу только одно место, где автор упоминает роль пор в процессе самоорганизации:
«В процессе разработки отмеченного принципа автор обратил внимание на то, что в геологической науке нет удовлетворительного объяснения причины поддержания проницаемости горных пород земной коры на определенном уровне, необходимом для постоянного протекания длительных метасоматических процессов. Почему поры, сквозь которые идет весь поток вещества, не закупориваются при любых температурах и давлениях земной коры, хотя их ширина такова, что достаточно слоя толщиной в несколько диаметров молекул, чтобы они прекратили свое существование. Автором была выдвинута гипотеза о существовании нового физического явления — микропородиффузионного каталитического эффекта (Шабалин, 1993, 1995). Причем автор выдвинул эту гипотезу, не будучи знаком с некоторыми положениями физики и химии в области диффузии веществ, кинетики химических реакций, теориями гетерогенного катализа. После этого знакомства оказалось, что гипотеза не соответствует некоторым классическим представлениям молекулярно-кинетической теории газов и жидкостей. Но в то же время объяснение с ее помощью причин поддержания проницаемости пород при метасоматозе оказалось чрезвычайно простым.»
Но надо быть осторожным с данной гипотезой, т.к. там, по всей видимости, сидит ошибка. Автор сам подчеркивает, что выдвинул эту гипотезу, не будучи знаком с некоторыми положениями физики и химии в области диффузии веществ, кинетики химических реакций, теориями гетерогенного катализа.
На мой взгляд по этой причине он не получил ответа на свой вопрос из коллоидной химии о том, почему поры, сквозь которые идет весь поток вещества, не закупориваются при любых температурах и давлениях земной коры, хотя их ширина такова, что достаточно слоя толщиной в несколько диаметров молекул, чтобы они прекратили свое существование.
Он живьем не видел проявления эффекта Ребиндера в пористых средах, поэтому был вынужден придумывать теорию для описания наблюдаемых процессов.
На мой взгляд, даже с такими существенными недостатками, работа очень интересна и актуальна. Я считаю, что на нее следует обратить внимание, т.к. там может быть очень важное рациональное зерно.
А если интересует роль бактерий в этих процессах, то это надо рассматривать работы А.А.Кораго и в частности «Введение в биоминералогию». После чего уже можно будет рассматривать процесс образования таких физиогенных биоминералов, как кости, в основе которых используется карбонат кальция.
При постоянной концентрации ионов кальция в сыворотке крови и росте углекислого газа в атмосферном воздухе, тем выше риск получить «окаменелость» тех или иных органов в организме человека с очень кислотной средой при кальцификации (кристаллизации). Можно предположить, что при определенных условиях процесс кальцификации может сопровождаться локальными мутациями, но это уже другая задача.
Любопытно, что мы можем получить при переходе из прошлого, например, с кембрийского периода в наше будущее?
Если чисто условно считать процесс, например, образования карбоната кальция в косном веществе процессом неуправляемым и тот же самый процесс, связанный с образованием и ростом костей в живом веществе процессом управляемым биологией, тогда возникает один очень интересный вопрос: возможен ли переход управляемого процесса кальцификации в организме человека в неуправляемый? Если такой переход возможен, то при какой концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе это может произойти?
Известно, что процесс кальцификации запускается только по одному закону. Это когда произведение концентраций ионов кальция и карбонат-ионов превышают произведение растворимости.
Известно, что концентрация ионов кальция в организме поддерживается на постоянном уровне, а концентрация карбонат-ионов с ростом концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе должна возрастать. По этой причине произведение концентраций неизбежно должно превысить произведение растворимости.
Какова вероятность того, что генетическая программа, заложенная в организме, позволит удержать этот процесс под контролем? Не получим ли мы неуправляемый процесс, к которому, возможно, можно попытаться отнести «Каменные мышцы»?
55-летний англичанин Роберт Кингхорн страдает редким генетическим заболеванием, при котором организм формирует вторичный скелет и превращает мышцы в кости. Медики называют это заболевание прогрессирующей оссифицирующей фибродисплазией (ПОФ).
На сегодняшний день методы лечения этого заболевания, которым в мире страдает около 2,5 тысячи человек, отсутствуют. У таких больных происходит спонтанный рост костной ткани в районах суставов и мышц, в результате чего человек теряет способность к передвижению и попросту «каменеет» – прямо как в страшных сказках, которыми нас пугали в детстве.
http://www.km.ru/zdorove/2012/09/12/otkrytiya-v-oblasti-meditsiny-i-zdorovya/692044-10-samykh-neobychnykh-zabolevanii
Чем не «окаменелость»? Случайно после себя мы не оставим новые лагерштетты?
Я правда не специалист, но у меня сложилось впечатление, что лагерштетты это довольно редкое явление в палеонтологической летописи. Причем чуть ли не большинство обнаруженных лагерштеттов именно кембрийского и докембрийского возраста, и со временем их становится все меньше и меньше. Самые молодые, кажется в ордовике…
Так ли это?
А если так, то есть ли у авторов какое то объяснение редкости лагерштеттов после кембрия, если останки там замечательно захораниваются в осадках и в современных условиях?
Первые лагерштетты протерозойского возраста, в них находят остатки грибов и микроводорослей. В кембрии их максимальное количество (сейчас известно около 50), затем становится все меньше, в девоне известны единицы. В мезозое отложения с отпечатками или теми или иными остатками неминерализованных анатомических частей вновь становятся обычны, но теперь уже это не морские, а пресноводные отложения. Озерные или эстуарные наносы. Вспомните знаменитые находки оперенных динозавров в Китае…. это же из озерных лагерштетов.
То есть морских лагерштеттов моложе девона ни одного не нашли, только пресноводные в мезозое? А в кайнозое лагерштеттов не находят?
Ну и опять таки: у вас получились эксперименты с морской водой в современных условиях,есть предположения, почему лагерштетты могли возникать образовывались в морях раннего палеозоя, а в позднем палеозое и позже не могли?
То есть по сути она доказала что все окаменелости могли за год — два возникнуть после Потопа под слоем воды. Ну правильно правильно, верной дорогой идете, товарищи.