Когда Земля покрылась льдом, ранняя жизнь могла укрыться в талых прудах
Когда Земля замерзла, где могла укрыться жизнь? Ученые MIT предполагают, что одним из убежищ могли быть лужицы талой воды на ледяной поверхности планеты.
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, сообщается, что 635–720 миллионов лет назад, в периоды «Земли-снежка», когда большая часть планеты была покрыта льдом, некоторые из наших древних клеточных предков могли пережить эти времена в талых прудах.
Ученые выяснили, что эукариоты — сложные формы клеточной жизни, которые в конечном итоге эволюционировали в разнообразную многоклеточную жизнь, — могли пережить глобальное оледенение, обитая в мелких водоемах. Эти небольшие водные оазисы могли сохраняться на поверхности относительно неглубоких ледников в экваториальных регионах.
Там на поверхность льда могла попадать темная пыль и обломки пород снизу, что усиливало его способность таять и образовывать лужи. При температурах около 0 °C образовавшиеся талые пруды могли служить обитаемой средой для определенных форм ранней сложной жизни.
Команда пришла к таким выводам, проанализировав современные талые пруды. Сегодня в Антарктиде небольшие лужи талой воды можно найти по краям ледников. Условия вдоль этих полярных ледников схожи с теми, что, вероятно, существовали вдоль ледников у экватора во времена Земли-снежка.
Исследователи проанализировали образцы из различных талых прудов на шельфовом леднике Мак-Мердо в районе, который участники экспедиции Роберта Фолкона Скотта 1903 года описали как «грязный лед». Ученые MIT обнаружили четкие признаки эукариотической жизни в каждом пруду.
Сообщества эукариот различались от пруда к пруду, демонстрируя удивительное разнообразие жизни. Команда также обнаружила, что соленость играет ключевую роль в том, какая жизнь может обитать в пруду: в более солоноватых или соленых прудах сообщества эукариот были более схожими и отличались от тех, что были в прудах с пресной водой.
«Мы показали, что талые пруды — это возможные кандидаты на роль убежищ для ранних эукариот во время этих планетарных оледенений», — говорит ведущий автор Фатима Хусаин. «Это показывает нам, что разнообразие в таких условиях присутствует и возможно. Это действительно история о жизнестойкости жизни».
Полярное погружение
«Земля-снежок» — разговорный термин для периодов в истории Земли, когда планета покрывалась льдом. Часто он относится к двум последовательным многомиллионным оледенениям, произошедшим в криогеновый период между 635 и 720 миллионами лет назад.
Была ли Земля больше похожа на твердый снежок или на мягкий «слякоть», еще обсуждается. Но ученые уверены в одном: большая часть планеты погрузилась в глубокую заморозку со средней глобальной температурой около –50 °C. Вопрос в том, как и где выжила жизнь?
«Нас интересует понимание основ сложной жизни на Земле. Мы видим свидетельства существования эукариот до и после криогения в летописи окаменелостей, но нам в значительной степени не хватает прямых доказательств того, где они могли жить в этот период», — говорит Хусаин. «Самое интересное в этой загадке то, что мы знаем: жизнь выжила. Мы просто пытаемся понять, как и где».
Существует ряд идей о том, где организмы могли укрыться во время Земли-снежка: в определенных участках открытого океана, вблизи гидротермальных источников и под ледниками. Рассматривая талые пруды, Хусаин и ее коллеги проверили гипотезу, что поверхностные талые воды также могли поддерживать раннюю эукариотическую жизнь.
«Существует множество гипотез о том, где жизнь могла выжить и укрыться во время криогения, но у нас нет отличных аналогов для всех них», — отмечает Хусаин. «Надледные талые пруды существуют на Земле сегодня и доступны, что дает нам возможность действительно сосредоточиться на эукариотах, которые живут в этих условиях».
Маленький пруд, большая жизнь
Для своего нового исследования ученые проанализировали образцы, взятые из талых прудов в Антарктиде. В 2018 году Саммонс и коллеги из Новой Зеландии отправились в район шельфового ледника Мак-Мердо в Восточной Антарктиде, где, как известно, находятся небольшие пруды талой воды глубиной в несколько футов и шириной в несколько метров.
Там вода замерзает до самого морского дна, захватывая темные осадки и морские организмы. Ветровая эрозия льда с поверхности создает своего рода конвейер, который со временем выносит этот захваченный мусор на поверхность, где он поглощает солнечное тепло, вызывая таяние льда, в то время как окружающий чистый лед отражает солнечный свет, что приводит к образованию мелких талых прудов.
Дно каждого пруда выстлано матами микробов, которые накапливались годами, образуя слои липких клеточных сообществ.
«Эти маты могут быть толщиной в несколько сантиметров, цветными и иметь четкую слоистость», — говорит Хусаин.
Эти микробные маты состоят из цианобактерий — прокариотических, одноклеточных фотосинтезирующих организмов, лишенных клеточного ядра или других органелл.
Хотя известно, что эти древние микробы выживают в одних из самых суровых сред на Земле, включая талые пруды, исследователи хотели выяснить, могут ли эукариоты — сложные организмы, у которых есть клеточное ядро и другие мембраносвязанные органеллы — также выдерживать подобные сложные условия.
Ответ на этот вопрос требовал большего, чем микроскоп, так как определяющие характеристики микроскопических эукариотов среди микробных матов слишком тонкие, чтобы различить их на глаз.
Чтобы охарактеризовать эукариотов, команда проанализировала маты на наличие специфических липидов, которые они производят, — стеролов, а также генетических компонентов, называемых рибосомной рибонуклеиновой кислотой (рРНК). Оба могут использоваться для идентификации организмов с разной степенью специфичности.
Эти два независимых набора анализов дали дополнительные «отпечатки пальцев» для определенных групп эукариотов. В ходе исследования липидов команда обнаружила множество стеролов и генов рРНК, тесно связанных с определенными типами водорослей, протистов и микроскопических животных в микробных матах.
Исследователи смогли оценить типы и относительное количество липидов и генов рРНК от пруда к пруду и обнаружили, что пруды содержат удивительное разнообразие эукариотической жизни.
«Ни один пруд не был похож на другой», — говорит Хусаин. «Есть повторяющиеся наборы персонажей, но они присутствуют в разном количестве. И мы обнаружили разнообразные сообщества эукариотов из всех основных групп во всех изученных прудах. Эти эукариоты — потомки тех эукариотов, которые пережили Землю-снежок.
Это действительно подчеркивает, что талые пруды во времена Земли-снежка могли служить надледными оазисами, которые питали эукариотическую жизнь, позволившую позже диверсифицироваться и распространиться сложной жизни — включая нас».