Didysis evoliucijos sprogimas: kaip suklestėjo gyvybė Žemėje

Po slėnį aidėjo kaltu trupinamos uolienos garsas. Aukštai Kanados Uolėtuosiuose kalnuose pustuzinis paleontologų kantriai skaldo skalūno gabalus. Saulėje įdegę, dulkini, pūslėtomis nuo darbo rankomis, jie nelengvomis sąlygomis jau keturias savaites gyvena netoliese Marmuro kanjono. Sezonas trumpas ir beveik kiekvieną šviesos valandą jie praleidžia maždaug 4 metrų gylio karjere. Bet jų pastangos atsiperka.

Netrukus, perskilęs blokas atskleidžia kone idealiai išsaugotą pusės milijardo metų nariuotakojį – tolimą dabartinių vabzdžių ir vėžiagyvių pusbrolį. Valanda po valandos atradimai kaupiasi – kol kas daugiau, nei 3000. O turtingiausias sluoksnis dar net nepasiektas. „Nuo dabar tikimės daugybės naujų gyvūnų,“ sako projektui vadovaujantis Jean-Bernard Caronas iš Kanados Karališkojo Toronto muziejaus.

Marmurinis kanjonas atrastas vos prieš porą metų. Tai dalis garsiųjų Burgesso skalūnų, tikriausiai gausiausio informacijos šaltinio apie ankstyvuosius Žemės gyvūnus. Skalūnai pasakoja apie staigų, dramatišką gyvūnų diversifikaciją, vadinamąjį kambro sprogimą, evoliucinį italų renesanso ekvivalentą. Šios būtybės atrodo taip keistai, kad prieš 25 metus paleontologas Stephenas Jay Gouldas savo knygojeWonderful Life teigė, kad jie rodo nevykusį eksperimentą, iš kurio dabartiniame pasaulyje liko nedaug palikuonių. Nuo tada dauguma Burgesso faunos buvo atpažinta, kaip dabartinių gyvūnų grupių nariai – nors ir keisti, eksperimentiniai. Tai reiškia, kad vos per keletą dešimčių milijonų metų – geologine prasme akimirksnį – pirmą kartą pasirodė praktiškai visų dabar žinomų stambiųjų gyvūnų grupių fosilijos, ir planetos ekologija pakito amžiams.

Pirmieji Burgesso skalūnai Kanados Yoho nac. parke buvo atrasti seniau nei prieš šimtmetį, ir registruota apie 200 gyvūnų rūšių. Marmurinis kanjonas, panašu, pralenks netgi šį rezultatą, ir pernai metų kanjono komanda pranešė, kad kai kurie jų rasti sutvėrimai atitinka rastus Kinijos Chengjiang fosilijų radimvietėse, kas rodo, kad kai kurios kambro laikų rūšys buvo paplitusios visame pasaulyje (Nature Communications, l. 5, p. 3210).

Mokslininkams iki šiol sunkiai sekėsi paaiškinti, kas sukėlė tą staigų inovacijų pliūpsnį. Dar neseniai daugelis stengėsi aptikti vieną priežastį, bet per pastaruosius metus ar porą, pradėjo ryškėti kitas paaiškinimas. Kambro sprogimas buvo idealios audros gyvybės ekvivalentas. Buvo ne viena, o visa puokštė vienas kitą stiprinančių priežasčių, sukūrusių tokį gyvūnų evoliucijos inkubatorių, kokio pasaulis nematė iki tol ar paskui.

Net ir be šių nuostabių fosilijų aišku, kad kambro periodo pradžioje, prieš 542 milijonus metų, atsitiko kažkas dramatiško. Didžiąją dalį iš tuometinių 3 mlrd istorijos metų, gyvybė buvo vienaląstė. Pirmieji daugialąsčių gyvūnų ženklai randami ~750 milijonų metų amžiaus uolienose, kuriose yra fosilizuotos biomolekulės, dabar randamos tik pintyse. Tada prabėgo dar 150 milijonų nenuotykingų metų, kol pasirodė Ediakaro fauna. Ši paslaptingoji daugialąsčių organizmų grupė tik neaiškiais ryšiais siejama su kitomis gyvybės formomis, klestėjo vandenynuose iki kambro periodo pradžios. O tada prasidėjo jaudinami dalykai.

„Kažkas nutiko pačioje kambro pradžioje,“ sako Caronas. Ediakarai staiga prapuolė per, ko gero, pirmąjį masinį išmirimą. Kas užėmė jų vietą, paslaptis, nes iš ankstyviausių periodo dalių yra nedaug vientisų gyvūnų fosilijų. Bet pėdsakų fosilijos liekanos – išlikę urvai, pėdsakai ir panašiai, – aiškiai rodo vykus svarbius pokyčius (Proceedings of the Royal Society, B, DOI: 10.1098/rspb.2014.0038).

Ediakaro periodu urveliai buvo paprasti, ne ką daugiau, nei jūros dugne išrausti seklūs grioveliai. Paleontologai išskiria septynis skirtingus tipus, kurie atitinka keletą skirtingų kūno formų – besiganantys kirminai, aktyviai maisto ieškantys kirminai, kirminai, maitinęsi vandenyje pakibusiais maisto gabalėliais ir paviršių grandantys į moliuskus panašūs gyvūnai. Kambro pradžių jų staiga padaugėjo iki 22.

„Kalbant apie pagrindines formas, jų skaičius labai greitai patrigubėjo. Tai nepaprastai svarbus įvykis,“ pažymi Gabriela Mangano iš Saskatchewano universiteto Saskatoone, Kanadoje. To laiko pėdsakų fosilijos yra kuo įvairiausios: gilūs, vertikalūs, klajojantys, U formos – netgi pirmyn ir atgal vigiuojantys urveliai, sistemingai šukuojantys žemės plotelį. Tuo pat metu smarkiai pagausėjo kriauklelių, spyglių ir kitų kietų kūno dalių fosilijų. Tai rodo, kad kambro periodo pradžioje išsivystė įvairūs gyvūnai.

Kai maždaug 520 milijonų metų skalūnuose pasirodo pirmosios viso kūno fosilijos, jau randamos beveik visos pagrindinės gyvūnų grupės. Kitaip tariant, praktiškai visos dabartinės grupės atsirado prieš 540 – 520 milijonų metų. „Nuo praktiškai nieko iki visko pereinama per keletą milijonų metų,“ sako Kevinas Petersonas, molekulinis paleobiologas iš Dartmoutho koledžo New Hampshire'e.

Kodėl šis staigus evoliucijos sprogimas įvyko būtent tada? Viena galimybė yra, kad tiek truko kol gyvūnams išsivystė genetiniai įrankiai, būtini persitvarkymui į sudėtingesnes, mobilias formas. „Mano galva, visų kūno planų susidarymui ir įsivažiavimui, 200 milijonų metų turėjo kaip tik pakakti“, sako Nickas Butterfieldas, Kembridžo universiteto paleontologas. Genų tinklus, kontroliuojančius vystymąsi iš kiaušinio į daugialąstį gyvūną, jis vadina sudėtingiausiais kada nors sukurtais algoritmais. „Kažkuriuo metu, viskas sutampa ir prasideda. Vadinu tai kambro sprogimu.“

Bet šis paaiškinimas gali būti pernelyg paprastas. „Molekulinių laikrodžių“ – kurie naudoja laipsnišką genetinių pokyčių kaupimąsi konkrečių evoliucijos atšakų atsiskyrimo laikui įvertinti – tyrimai rodo, kad gyvūnų sudėtingumas atsirado prieš kambro periodą (Science, l. 334, p. 1091). Pavyzdžiui, žmonių ir jūros žvaigždžių bendras protėvis gyveno ediakaro periode, o tai rodo, kad bendros jų biologijos detalės – kūno ertmės, žarnynas, nervų sistemos, etc – taip pat jau tada turėjo egzistuoti. „Vystymosi požiūriu, viskas buvo jau gerokai iki kambro,“ sako Petersonas.

Tai kodėl kambro sprogimas neįvyko anksčiau? Jei genetiniai įrankiai vietoje, kam delsti? „Tai būtina, tačiau nepakankama sąlyga. Tai nėra varomoji jėga,“ sako Douglasas Erwinas iš Smithsonian Gamtos istorijos muziejaus Vašingtone. Kitaip tariant, reikėjo ir kitų postūmių. Jis nurodo dvi milžiniškas ekologines inovacijas, pasirodžiusias kambro fosilijose.

Pirmoji – gebėjimas raustis į jūros dugną. Tokios landos sujudino ediakaro jūrų dugnuose dominavusius stagnavusių mikrobų kilimus ir leido deguonies prisotintą vandenį į nuosėdas, stimuliavusį produktyvumą. „Ventiliuodami nuosėdas, iš esmės gamina maistą,“ sako Erwinas. Įvairūs urveliai taip pat sudaro sudėtingesnę aplinką, tad gyvūnams atsirado daugiau išgyvenimo būdų.

Antra inovacija tapo plėšrumas. Kambro periodo pradžioje atsiranda pirmieji plėšrūnų fosilijų pavyzdžiai – gyvūnų, kurie gaudo ir ėda kitus gyvūnus. „Nemanau, kad tai sutapimas,“ pabrėžia Petersonas. Su plėšrumu atsiranda daug turtingesnis ir intensyvesnis evoliucinių spaudimų rinkinys, kadangi prasideda plėšrūnų ir grobio dvikova. Tai paskatino greičiau judančių gyvūnų, grobio kietą kūną, stipresnių plėšrūnų, geresnių rausėjų, jautresnių jutimo organų ir panašiai, vystymąsi.

Drauge šios priežastys greičiausiai sukėlė evoliucinį sniego kamuolio efektą, kai vienas originalus dizainas sukėlė kitą ir didesnė įvairovė sukėlė dar didesnę įvairovę – ir per keletą milijonų metų lėmė naujų kūno planų ir gyvensenos paplitimą, matomą Carono Marmurinio kanjono fosilijose. Iš esmės, greitai besivystantys kambro gyvūnai išradinėjo visiškai naujas ekologines nišas, sako Erwinas.

Toks kūrybingumas mūsų pasaulyje, kur knibžda visokio dydžio ir rūšių gyvūnų, būtų menkai tikėtinas. Bet ekologine prasme skurdžiame kambro pasaulyje būta mažiau konkurencijos ir tai leido gyvūnams išgyventi su radikaliais pertvarkymais neišvengiamai susijusius „augimo skausmus“. Erwinas pažymi, kad panašūs evoliuciniai eksperimentai vyksta po masinių išmirimų. Pavyzdžiui, po didžiojo permo išmirimo prieš 252 milijonus metų, kai išnyko daugiau, nei 90 procentų visų gyvūnų rūšių, sekė daug stuburinių inovacijų, iš kurių kilo dinozaurai, vėžliai ir kiti.

Mintis apie ekologinį postūmį svarstoma jau keletą metų, bet jis vis vien nepaaiškina tikslaus gyvūnų rūšių sprogimo laiko. Kas įžiebė pagrindines biologiniam suklestėjimui būtinas inovacijas? Ko dar laukė šie ankstyvieji padarai?

Fantastiška trąša

Intriguojanti galimybė, – jie laukė trąšų. Geologiniai duomenys rodo, kad kambro periodu kilęs jūros lygis galėjo paspartinti eroziją, padidindamas tokių maistinių medžiagų, kaip kalcis, fosfatai ir kalis, lygį okeanuose. Toks tręšimas būtų paspartinęs produktyvumo augimą, suteikęs daugiau išteklių, sukūręs ilgesnes, sudėtingesnes maisto grandines ir paleidęs ekologinio teigiamo grįžtamojo ryšio atsiradimą. Bet ši idėja turi savo problemų. „Vien maistingosios medžiagos neparodo ekologinės įvairovės ir sudėtingumo atsiradimo,“ sako Erwinas. „Į dabartines ekosistemas tiekiant maistines medžiagas, gaunamas milžiniškas vos kelių rūšių populiacijos pagausėjimas.“ Tarkime, dabartiniai poliariniai okeanai yra vienos produktyviausių ir mažiausiai diversifikuotų jūrinių ekosistemų.

Kaip bebūtų, kalcis buvo vienos kambro inovacijos pagrindas: dėl aukšto jo lygio, ištirpusios vandenynuose, drauge su karbonato jonais, gyvūnams pasidarė lengviau formuoti kietus šarvus ir skeletus, įžiebusius ekologines rankų lenkim rungtynes. Tiesą sakant, gali būti, kad dėl aukšto kalcio lygio Burgesso skalūnų fosilijos taip gerai išsilaikė. Bet dauguma per kambro sprogimą atsiradusių rūšių buvo visiškai minkštakūnės. „O tai kaip atsirado kiti gyvūnai?“ klausia Caronas. Reikia dar kitų ingredientų.

Vienas iš tikėtinų kandidatų – deguonis. Didžiąją Žemės istorijos dalį deguonies dujų buvo labai mažai. Pernai spalį publikuotame tyrime daroma išvada, kad iki 800 milijonų metų iki mūsų dienų, deguonies lygis buvo mažesnis, nei 0,1% dabartinio lygio, dėl to bet kokių aktyvių gyvūnų egzistavimui kelias buvo užkirstas (Science, l. 346, p. 635). Paskui atmosferinio deguonies lygis palengva augo. Ir nors geochemikai dar nesutaria dėl konkrečių detalių, kažkuriuo metu deguonies lygis okeanuose pakilo tiek, kad tapo įmanomas aktyvus, plėšrūniškas gyvenimo stilius.

Siekdamas sužinoti daugiau, kur šis taškas pasiektas, Erikas Sperlingas iš Harvardo universiteto su kolegomis pažvelgė į dabartinių jūrų dugno gyventojus. Nenuostabu, vietose, kur deguonies praktiškai nebuvo, plėšrūnų irgi buvo labai mažai, tuo tarpu, ten, kur deguonies yra, laikėsi įvairesnės plėšrūnų bendruomenės, pranešė jie 2013 m. (PNAS, l. 110, p. 13446). Lemiamas slenkstis buvo tarp 1 ir 5 procentų dabartinio deguonies lygio. Pagal geriausius geochemikų spėjimus, senovės vandenynai šį tašką pasiekė maždaug prieš 550 milijonų metų – kaip tik tinkamu metu atsirasti plėšrūnams ir iš to kylančiam ekologiniam grįžtamajam ryšiui. „Maždaug to ir galima tikėtis, jei deguonies lygis buvo kambro sprogimo postūmis,“ sako Sperlingas.

Dauguma biologų mano, kad laipsnišką deguonies lygio kilimą sukėlė fotosintetinantis planktonas. Tačiau pernai keletas mokslininkų ėmė teigti, kad prie šio postūmio prisidėjo ir gyvūnai (Nature Geoscience, l. 7, p. 257). Ši Butterfieldo idėja skelbia: ikikambriniai okeanai buvo kupini vienaląsčių dumblių ir bakterijų. Žūdamos šio mažos ląstelės skendo, iro – o kadangi irimui reikia deguonies, okeanų vandenyje deguonies praktiškai nelikdavo. Prieš ediakarą išsivysčiusios maistą iš vandens košiančios pintys tada pradėjo valyti šias ląsteles iš vandens prieš šioms žūstant ir suyrant. Kadangi pačios pintys didesnės, joms daugiau galimybių būti užkastoms nuosėdose, taip deguoniui liekant vandenyje. Todėl ilgainiui vis didesnėje okeano dalyje radosi vis daugiau deguonies. „Pintys iš esmės žygiuoja iš seklesnių vandenų į gilesnius, pakeliui praturtindamos vandenį deguonimi,“ apibendrina Erwinas.

Kaip ir bet kuri gera paslaptis, kambro sprogimas turi keletą aiškių įtariamųjų. Kuo toliau, tuo aiškiau, kad jie veikė drauge, bet vis dar tiksliai nežinome, būtent kaip tai vyko. „Labai sunku atskirti, kas yra priežastis, o kas – pasekmė,“ sako Caronas. Tačiau paleontologams randant vis daugiau fosilijų, ir vystant daugiau technikų, leidžiančių ištirti praeities aplinkas iš geologinių užuominų, atsakymai gali rastis jau greitai. „Tai aiškinasi tiek daug išties nuostabių žmonių,“ sako Erwinas. „Nuostabu, kaip greitai reikalai keičiasi.“

Caronas ir jo komanda Marmuriniame kanjone yra šio progreso avangarde. Vos per du trumpus kasinėjimo sezonus jie rado tūkstančius fosilijų, priklausančių ~80 rūšių, iš kurių 10 – 15 niekada nematytos. Jų radiniai geriau nušvies kambro sprogimą sukėlusius faktorius, bet Caronui vis vien labai įdomu, kas jį įžiebė. „Manau, tai milijono vertas klausimas,“ sako jis. Ir retkarčiais nerimauja, kad gali būti neįmanoma į jį vienareikšmiškai atsakyti. „Gali būti, kad tai, ko ieškome, buvo atsitiktinis įvykis.“