§ 49. Эра скрытой жизни

Определения и обозначения

Докембрий — огромный промежуток истории Земли от её образования около 4,6 млрд лет назад до начала кембрийского периода около 541 млн лет назад. Его называют эрой скрытой жизни, потому что организмы той поры оставили сравнительно мало хорошо различимых ископаемых остатков. Понятие нужно, чтобы объединить древнейшую историю планеты до появления разнообразных животных с твёрдыми частями тела.

Архей — древнейшая часть докембрия, во время которой на Земле возникла жизнь. Находки указывают на существование простых клеточных организмов, но точно восстановить их облик и образ жизни трудно. Этот термин помогает выделить ранний этап, когда жизнь только осваивала планету.

Протерозой — более поздний этап докембрия, в течение которого изменился состав атмосферы и появились более сложные формы жизни. К нему относятся возникновение клеток с ядром и ранних многоклеточных организмов. Понятие нужно, чтобы описывать переход от простых клеток к организмам, заметным в ископаемой летописи.

Ископаемые остатки — сохранившиеся в породах останки организмов или следы их жизнедеятельности. Мягкие тела разлагаются быстрее твёрдых оболочек, поэтому ранние микробы часто представлены лишь косвенными признаками, например структурами в породах. По таким находкам учёные восстанавливают историю жизни даже тогда, когда целых скелетов нет.

Как это устроено

Земля сформировалась раньше, чем появились известные следы жизни, и сначала её поверхность была крайне горячей. По мере остывания образовались земная кора и водоёмы, где могли возникать устойчивые условия для химических процессов. Именно постепенное появление жидкой воды и более стабильной среды сделало возможным длительное развитие ранних организмов.

Первые известные организмы были простыми клетками без оформленного ядра — прокариотами. Такие клетки могли существовать без кислорода, поскольку свободного кислорода в атмосфере почти не было. Это объясняет, почему самые ранние сообщества могли жить в среде, непригодной для многих современных организмов.

Позднее некоторые бактерии освоили фотосинтез — процесс, при котором энергия света используется для образования органических веществ. Фотосинтезирующие бактерии выделяли кислород, но он не сразу накапливался в воздухе: сначала кислород вступал в реакции с веществами океана и земной коры. Когда таких реакций стало недостаточно, кислород начал поступать в атмосферу, изменяя условия существования организмов.

Рост содержания кислорода был одновременно вызовом и возможностью. Для организмов, не приспособленных к нему, кислород мог быть вреден, поэтому некоторые формы жизни сохранялись в местах без кислорода. Другие организмы постепенно использовали кислородное дыхание, которое даёт клетке больше энергии и помогает поддерживать более сложное устройство.

В протерозое распространились эукариоты — организмы, клетки которых имеют оформленное ядро. Появление ядра и других внутренних структур связано с усложнением организации клетки и разделением её функций. Позднее возникли многоклеточные организмы: взаимодействие специализированных клеток позволило им быть крупнее и устроенными сложнее, чем одноклеточные формы.

Окаменелостей этого времени меньше, чем можно было бы ожидать по длительности докембрия. Большинство организмов были микроскопическими или мягкотелыми, а мягкие ткани обычно быстро разрушаются после гибели. Древние породы также могли измениться под действием давления, нагрева и движения земной коры, поэтому учёные сопоставляют разные виды свидетельств, а не полагаются на одну находку.

Основные этапы докембрия

Таблица показывает общую последовательность перемен, а не точные даты появления каждого вида: границы этапов условны, а научные оценки уточняются. Сравнивайте время с событиями, чтобы увидеть, как от простых клеток происходил переход к более сложной жизни. Не воспринимайте этапы как мгновенные перевороты: многие изменения занимали очень длительное время.

Разбор задач

Условие. Исследователь обнаружил в древней породе признаки фотосинтезирующих бактерий, возраст которых оценивается примерно в 2,4 млрд лет. Нужно определить, к какому крупному этапу докембрия относится находка и можно ли заключить, что к этому времени атмосфера уже была богата кислородом. Задача проверяет, умеем ли мы отличать появление источника кислорода от его накопления в атмосфере.

Решение. Сначала установим, где на временной шкале находится указанная дата. Затем соотнесём находку с известными изменениями среды и отдельно проверим, что именно доказывает наличие фотосинтеза. Наличие организма, способного выделять кислород, не означает автоматически, что весь этот кислород сразу оставался в воздухе.

1. Сопоставляем возраст породы с этапами в таблице: 2,4 млрд лет назад относится к протерозою, который начался около 2,5 млрд лет назад. Значит, речь идёт о раннем протерозое. Дата находится близко к началу этого этапа, поэтому округлённые границы не следует понимать как точность до года.

2. Определяем, что означает находка: признаки фотосинтеза говорят о способности организмов использовать свет и выделять кислород. Это позволяет считать такие организмы одним из источников кислорода в среде. Находка сама по себе не сообщает, какова была концентрация газа в атмосфере.

3. Учитываем химические реакции в океане и земной коре: кислород сначала расходовался на окисление других веществ. Поэтому между появлением фотосинтеза и заметным накоплением кислорода мог пройти длительный промежуток. Верный вывод должен учитывать эту задержку.

4. Формулируем вывод без преувеличений: находка свидетельствует о фотосинтезе в раннем протерозое и вносит вклад в объяснение источников кислорода. Однако утверждать, что уже 2,4 млрд лет назад атмосфера была богата кислородом, только на её основании нельзя. Для такого заключения потребовались бы дополнительные данные о составе древней атмосферы и пород.

Ответ. Находка относится к раннему протерозою. Она указывает на существование фотосинтезирующих бактерий, но не доказывает, что атмосфера уже была богата кислородом, поскольку выделенный газ сначала расходовался в химических реакциях.

Типичные ошибки

• Считать, что докембрий был временем без жизни. Так думают, потому что находок организмов меньше, чем для последующих эпох, и слово «скрытая» звучит как «отсутствующая». Проверьте себя: докембрий — это время жизни с трудной для обнаружения летописью, а не безжизненный период.

• Смешивать появление фотосинтеза с мгновенным насыщением атмосферы кислородом. Ошибка возникает, если пропустить реакции кислорода с веществами океана и коры. Проверьте причинную цепочку: сначала кислород выделяется, затем расходуется, и лишь после этого может накапливаться.

• Считать, что все организмы докембрия были одинаковыми простыми бактериями. Из-за малого числа окаменелостей разнообразие ранней жизни легко недооценить. Проверяйте, к какому времени относится событие: в протерозое появились эукариоты и многоклеточные формы.

• Воспринимать даты границ этапов как совершенно точные. Геологическая шкала обобщает результаты исследований, а границы и оценки могут уточняться. При ответе указывайте «примерно» и сначала определяйте крупный этап, а не подгоняйте событие под одну точную дату.

Связь с другими темами

История докембрия связана с происхождением жизни: изучение древних пород помогает искать признаки ранних клеток и условий их существования. Она также объясняет развитие клетки — переход от прокариот к эукариотам предшествовал появлению сложных организмов. Накопление кислорода связывает тему с фотосинтезом, дыханием и изменением атмосферы. Наконец, докембрийская история показывает, как геологические процессы влияют на сохранность ископаемых и на то, что мы можем узнать о прошлом.

Что запомнить

• Докембрий — время до кембрийского периода; его часто называют эрой скрытой жизни.
• В архее существовали первые известные простые клеточные организмы.
• Фотосинтезирующие бактерии выделяли кислород, но он накапливался в атмосфере не сразу.
• В протерозое появились эукариоты и ранние многоклеточные организмы.
• Скудость окаменелостей объясняется микроскопическими размерами и мягким телом многих древних форм, а также изменением пород.