Когда впервые жизнь начала охотиться друг на друга?
Термин «хищничество» применительно к первым организмам, которые начали поедать других, может показаться неожиданным. Это были не смертоносные хищники, а мелкие одноклеточные формы, плававшие в первичном океане. У них не было ни рта, ни пищеварительной системы — только мягкая клеточная мембрана, позволявшая поглотить другую, более мелкую клетку.
Добыча не «съедалась» в привычном смысле, а скорее инкапсулировалась, но всё равно снабжала хищника питательными веществами и энергией. После этого возврата к миру без хищников уже не было. Но когда это произошло?
Первые примитивные формы жизни
Этим вопросом занимается профессор экологии Университета Южной Дании Дональд Э. Кэнфилд. Его интересует, какие биологические, химические и геологические условия позволили жизни развиться на Земле.
«Этот вопрос неразрывно связан с тем, когда и как эволюция жизни изменила экосистемы океанов», — сказал он.
Ответ важен не только для удовлетворения любопытства о нашем происхождении, но и для понимания взаимодействия химии и биологии в современных морских экосистемах, чтобы лучше прогнозировать их реакцию на деятельность человека и изменение климата.
В мирном первичном океане доминировали примитивные прокариоты (от греч. pro — до и karyon — ядро), не имевшие клеточного ядра. Затем появились эукариоты (от греч. eu — истинный и karyon), обладающие ядром и органеллами со специализированными функциями. Они всё изменили:
«Они могли питаться другими организмами. А когда в экосистеме появляется поедание одних организмов другими, это радикально меняет динамику системы», — пояснил Дон Кэнфилд.
Современные эукариоты включают растения и животных, но тогда это были одноклеточные организмы. Их «трюк» заключался в способности поглощать клетки меньшего размера: добыча прикреплялась к клетке эукариота, вокруг неё формировался мешочек, и хищник абсорбировал жертву. Это давало больше энергии, что позволяло расти в размерах.
Крупные окаменелости возрастом 1,7 млрд лет
Некоторые подсказки дают окаменелости. Начиная примерно с 1700 миллионов лет назад, древние эукариоты были крупными — от 100 до 400 микрон (толщина человеческого волоса около 70 микрон). Для сравнения, большинство прокариот в океане имеют размер менее 1 микрона.
Не такой уж дружелюбный океан
Используя экосистемную модель, разработанную Кеном Андерсеном из Датского технического университета, морской биолог Лиза Экфорд-Сопер вместе с Доном Кэнфилдом, Триной Фрисбек Хансен и Кеном Андерсеном выяснила, что экосистема, содержащая такие крупные организмы, должна была содержать и эукариотных хищников.
Более того, моделирование предполагает, что эукариоты, вероятно, были многочисленны в этих древних экосистемах. Таким образом, комбинация новых исследований биомаркеров и моделирования показывает, что активные экосистемы эукариот, содержащие водоросли и хищников, населяли океаны уже 1700 миллионов лет назад.
«Это на миллиард лет раньше, чем считалось ранее, — сказала Лиза К. Экфорд-Сопер. — Миллиард лет, в течение которых морские организмы могли питаться друг другом, а значит, океаны были не такими дружелюбными, как мы себе представляли».
Как исследователи нашли скрытые подсказки в горных породах
Осадочные породы часто содержат останки морских организмов. Органический материал в древних породах ранее выявил химические следы эукариот в образцах возрастом до 780 миллионов лет, но не старше. Это наводило на мысль, что эукариоты стали доминировать в морских экосистемах к этому времени.
Однако органическое вещество в породах со временем может терять разрешающую способность. Обычно в древних породах ищут стерановые биомаркеры — химические остатки древних эукариот. Их экстрагируют из пород с помощью химических растворителей; такие экстракты называются битумами. Этот метод выявил эукариот в породах возрастом до 780 миллионов лет.
Органическое вещество, не удалённое растворителями и оставшееся в породе, известно как кероген. Оно может содержать важную информацию о природе организмов в древней среде, но доступ к нему сложнее.
Дональд Кэнфилд и его коллеги из Petrochina в Пекине проанализировали осадочные породы возрастом около 1,4 миллиарда лет из формации Сямалин в Китае, сосредоточившись на керогене. Они растворили всю породу кислотой, чтобы остался только органический материал. После экстракции органическим растворителем, не показавшей стеранов, оставшийся кероген поместили в золотую трубку и нагрели. Это разложило кероген на компоненты, которые затем можно было экстрагировать. В этих экстрактах были обнаружены стераны от водорослей, которых не было в битумных экстрактах. Это указывает на то, что эукариотные водоросли были частью древней морской экосистемы 1,4 миллиарда лет назад.
Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.