Кембрийский взрыв — загадка эволюции

Около 540 миллионов лет назад на Земле произошло событие, которое изменило правила игры для живой природы. В геологических масштабах времени, буквально за мгновение, планета заполнилась хищниками, бронированными чудовищами и морскими животными со сложными раковинами. Этот период геологи и палеонтологи называют кембрийским взрывом (англ. Cambrian explosion).

Часто первооткрывателем явления называют британского геолога Родерика Мурчисона. В первой половине 19 века, изучая окаменелости в геологических слоях в различных регионах мира, он заметил резкую границу: ниже неё — почти одни лишь простейшие (бактерии, водоросли), а начиная с кембрийского периода (около 540 млн лет назад) в отложениях вдруг появляется огромное разнообразие новых биологических форм — трилобиты, моллюски, брахиоподы. Это породило ощущение «парадокса»: будто бы новые формы жизни возникли вдруг, единым актом. Чарльз Дарвин в своём главном труде «Происхождении видов путём естественного отбора» в 1859 году прямо называл кажущееся внезапное появление трилобитов без явных предшественников одной из серьёзнейших трудностей для своей теории естественного отбора.

Он предполагал, что более ранние моря кишели жизнью, но её следы просто не сохранились в виде окаменелостей. Со временем геологи стали находить всё более древние ископаемые организмы в докембрийских породах. Стало ясно: в докембрии была жизнь, просто в основном это были мягкотелые существа без твёрдых скелетов. Поэтому сегодня «кембрийский взрыв» часто называют «скелетной революцией». Это ключевой этап кембрийского взрыва, в ходе которого у множества организмов впервые появились минерализованные наружные скелеты (раковины, панцири) из карбоната кальция, кремния или фосфата. Скелетами обзаводятся простейшие (радиолярии и фораминиферы), губки, моллюски, плеченогие, головоногие, брюхоногие, кораллы, трилобиты, известковые водоросли. Это событие произошло примерно 540–530 миллионов лет назад и радикально изменило облик биосферы.

Несмотря на то, что сложные организмы существовали до кембрия, эволюционное развитие в раннем кембрии представляется исключительно быстрым. Предпринималось множество попыток объяснить причины подобного «взрывного» развития и до настоящего времени – это загадка эволюции. Причины такого скачка, возможно, были комплексными. В конце эдиакарского периода (около 550 млн лет назад) начали появляться первые активные хищники. Для жертв минеральный скелет стал жизненно необходимой защитой от поедания. В свою очередь, хищникам твердый покров был нужен для нападения на добычу с защитной броней, а также для удержания жертвы. Так возникла «эволюционная гонка вооружений», которая резко ускорила естественный отбор. Первыми животными со скелетами стали именно те, кому требовалась защита, например, рифообразующие клаудины (лат. Сloudina), однако вскоре минерализованный покров появился и у активных охотников.

К началу кембрия концентрация кислорода в воде достигла критического порога, позволившего животным тратить энергию не только на движение и размножение, но и на строительство тяжелых минеральных структур. Кроме того, высокая концентрация кислорода сделала среду менее агрессивной химически: до этого момента растворенные в океане металлы находились в токсичных восстановительных формах, препятствовавших росту сложных многоклеточных существ. В начале кембрия изменился баланс углерода и насыщенность вод кальцием. Океан стал пересыщенным по отношению к карбонату кальция (CaCO3), что сделало энергетически выгодным процесс извлечения минералов прямо из воды для построения раковин. Развитие регуляторных генов, управляющих планом строения тела, позволило создавать принципиально разные морфологии. Одновременно рост экологических ниш и усложнение пищевых сетей поддерживали появление новых форм. Таяние ледников после масштабных оледенений в конце докембрия могло привести к поступлению в океаны большого количества питательных веществ, стимулируя продуктивность экосистем и рост биоразнообразия.

Последствия скелетной революции оказались глобальными. Твердые части тел гораздо лучше сохраняются в палеонтологической летописи, поэтому геологические слои начинают изобиловать окаменелостями. Кроме того, наличие экзоскелета позволило животным вырастать до больших размеров, активно перемещаться и строить сложные экосистемы современного типа, включая коралловые рифы.