На сушу: как водоросли колонизировали мир

У древних римлян была забавная поговорка о невежах: «Он не умеет ни читать, ни плавать». Все верно, ведь все человеческие цивилизации возникали лишь там, где был доступ к живительной влаге. И гигантский Шанхай, и деревня Косые ложки стоят у источника пресной воды – на реке. Только наши почки пропускают через себя 1000 л воды ежегодно, а сердце – около 7600 л в день. В среднем за всю жизнь человек выпивает около 75 тыс. л воды, а каждое поколение людей – половину годового стока рек всего мира. Вода – это второй наш «наркотик» после воздуха. И мы не уникальны – все животные на Земле прочно «подсажены» на эту жидкость. А некоторые – например, морские и даже наземные, вроде амфибий, – не могут прожить без нее ни дня. И так было большую часть истории жизни на планете. Все изменилось примерно 400 млн лет назад – совсем недавно по биологическим меркам, ведь первая жизнь (в виде одноклеточных), согласно современным данным, зародилась около 4 млрд лет назад, а первые многоклеточные появились около 1,8–1,6 млрд лет назад. И все они плескались исключительно в воде, совсем как мы в утробе у матери. Зачем же наши предки покинули гостеприимный океан? Впрочем, первыми покинули его вовсе не наши прадеды, а растения. Точнее – древние водоросли, которые относятся не к растениям, а к отдельному царству хромистов. Они-то и стали предками всех наземных растений. С одной стороны, водоросли нуждались в воде, с другой – в солнечном свете. Морских организмов, которые лакомились ими в силурийскую эпоху – 443–419 млн лет назад, – было уже предостаточно. Спасаться от пожирателей глубоко на дне – не вариант, ведь на глубину свыше 180 м свет не проникает совсем. Но главное зло – это планктон, расплодившийся еще в ордовикский период – 485–443 млн лет назад. Наглые одноклеточные закрывали собой и без того тусклый солнечный свет. Единственным выходом было – уходить в прибрежную зону. Тем более что водоросли и до этого кучковались, в основном, по берегам водоемов, где есть и вода, и солнечные лучи. Правда, в те времена с озоновым слоем, защищавшим сушу от смертоносного ультрафиолета, была большая напряженка – кислорода в атмосфере, из которого состоит озон, тогда фактически не было. Приходилось выкручиваться, благо, кое-какой навык в этом деле у водорослей уже был. Ведь, произрастая по берегам водоемов, они вынуждены были переживать приливы и отливы. А в те времена они были куда сильнее, чем сейчас, поскольку Луна находилась на 10 % ближе к Земле, чем сегодня, то есть не в 384,4 тыс. км, а всего в 38,4 тыс. – чуть менее длины экватора. Так что приспосабливаться к условиям негостеприимной суши приходилось как-то сразу, дважды в сутки находясь на открытом воздухе. Не удивительно, что преуспели в ее освоении именно мелководные виды водорослей – бурые и зеленые. Последние и стали предками всех наземных растений (бурые продолжили жить на мелководье, а желтые так и остались глубоко под водой). Интересно, что поначалу такой шанс был, видимо, не у зеленых водорослей, а у бурых, которые имеют более прочные покровы и более крупные размеры. Зеленые же – слишком нежные, зато более «хитрые». Ученые предполагают, что они, скрываясь под толщами своих бурых соплеменников, прятались от жгучего солнца. И так постепенно завоевали сушу. Почему именно зеленые водоросли? Возможно, потому что их бурые собратья облюбовали, в первую очередь, полярные и умеренные области, а зеленые – тропики. В холодном же климате процессы метаболизма всегда более медленные, чем в южном. Не говоря уже о том, что зимой жители севера и вовсе пребывают в анабиозе – ни живые, ни мертвые. И такие зимы в случае оледенения могут длиться десятилетиями. Поэтому одно поколение бурых водорослей может очень неспешно сменять другое, в то время как зеленые собратья эволюционируют ярко и стремительно. А еще в тропиках банально выше разнообразие животных, которые только и ждут, чтобы ухватить сочную водоросль за бочок. Первые водоросли вышли на сушу еще в ордовикскую эпоху – 470 млн лет назад. Почти одновременно или чуть позже шаг в неизвестность сделали грибы. Они-то и стали помогать водорослям – не только выкачивать драгоценную воду с отмелей, но и перерабатывать их самих, образуя «вкусную» почву. Куксония, реконструкция Иллюстрация: Matteo De Stefano/ MUSE, muse.it А в конце силура – 427–419 млн лет назад – миру явились первые несомненные растения. Несомненные, но не настоящие – в том смысле, что непохожие на современные, ведь у них еще не было ни корней, ни листьев. Взять хотя бы куксонию (род вымерших примитивных растений), что вырастала не более 5 см в высоту, с ветвящимися стеблями-рогатками с круглыми бляшками (спорангиями – органами, производящими споры) на концах. Этой малютке приходилось выживать на голом песке и камнях, ведь и почвы тогда еще не было. Редуценты, которые ее создают, – в первую очередь грибы – тогда еще тоже жили по большей части в воде, да и что им было перерабатывать на суше? Но от воды первые растения отходили недалеко, произрастая лишь во влажных низинах и фактически отмирая в засушливый период. Между тем, их становилось все больше – началась в буквальном смысле борьба за место под солнцем. Отодвинуться от живительной влаги – не вариант, выход один – тянуться вверх. Но как, если ты представляешь собой хилую веточку – ни опоры, ни гидравлики, чтобы поднять спасительную воду к кроне? И тогда растения научились убивать часть своих клеток и изобрели прочные высокие трубы – сосуды. А примерно 411 млн лет назад «додумались» и до корней. Так представляют леса Девонского периода Иллюстрация: Mikko H. Kriek naturedocumentaries. Ведь грунт в те времена был подвижный, а воды в нем не было совсем (даже в самой жаркой современной пустыне влаги несравнимо больше, чем в «почве» тех лет). Растениям приходилось бурить безжизненный песок, цепляясь за него всеми правдами и неправдами, и буквально «прошивать» неустойчивый грунт своими корнями. Со временем получалась настоящая «армированная» земля (кстати, французский садовник Жозев Монье подсмотрел принцип открытого им железобетона именно у растений). Так со временем появлялись стабильные морские берега, которые больше не обрушивались в воду, и – самое главное – нормальные реки. Отныне они не растекались по всей поверхности суши, а формировали устойчивые русла. Это значит, что растениям можно было уходить в глубь континентов, без оглядки на океаны и моря. А вот листья (а вы знали, что по-научному их называют макрофиллы?) получились в результате сильного разрастания стеблей около 380 млн лет назад. С их помощью стало еще удобнее получать «вкусный» солнечный свет. Постепенно растения расселились по всей планете и стали новой геологической силой, которая оказалась способна преобразовать Землю не хуже вулканов! Миллионы лет растения поглощали углекислый газ и выделяли кислород в атмосферу, подготавливая среду обитания для нас. Но – экая наглость! – на сушу снова вышли не мы, а пауки, многоножки, ракоскорпионы и прочая членистоногая нечисть, устремившаяся прочь от водных хищников и учуявшая кислород. Кстати, из-за его избытка в атмосфере (растения постарались на славу) ткани этих существ снабжались кислородом лучше, чем сегодня, поэтому членистоногие начали расти как на дрожжах. Чего только стоит жившая от 303 до 298 млн лет назад меганевра – стрекоза, достигавшая в размахе крыльев 65 см, или гигантская многоножка артроплевра, выраставшая до 2,5 м в длину. И хотя исполинами членистоногие стали позже, даже некрупная жужжащая братия явно привлекала на сушу наших непосредственных предков – рыб. А вот и меганевра. К счастью, на улице мы ее уже не встретим. Иллюстрация: RTL Club, port.hu Между тем, растения продолжали шагать по планете, превращаясь из папоротников-кустов в папоротники-деревья и давая всему живому драгоценную тень. Но вот беда – леса разрастались, а редуценты не могли за ними угнаться. В итоге множество древесины в буквальном смысле валялось без дела – немногочисленные тогда еще грибы и бактерии просто не успевали ее перерабатывать. Деревья падали в водоемы, образуя запруды и болота. Рыбам становилось тесно, душно и грустно. Тем более что эти водоемы в жарком климате девона (419–358 млн лет назад) то и дело пересыхали, да и корни растений еще не успели основательно укрепить берега – вода нередко уходила в песок. А если влага и оставалась, то в теплой воде, которая плохо растворяет кислород, рыбы начинали задыхаться и потихоньку умирать, еще больше засоряя водоемы. Радости выжившим это не прибавляло. Нужно было срочно что-то предпринимать – и они предприняли: изобрели легкие. А как же жабры? Они, видимо, оставались на месте (ведь рано или поздно водоемы все равно наполнялись водой), хотя есть мнение, что легкие могли возникнуть и на основе жабр. Тогда же появилась и шея – чтобы не только дышать над водой, но и хватать на лету вкусных насекомых. Их обилие на суше было еще одной из причин того, почему наших водолюбивых предков поманила муза дальних странствий. Но главное достижение девонских рыб… ноги. Точнее, их зачатки. Нашими предками были лопастеперые (или, как их раньше называли, кистеперые) – крупнейшие хищники мелких пресных водоемов. Их родовое название говорит за себя: плавники стали длиннее и толще, чем у других «нормальных» рыб. Такие новшества лопастеперым понадобились, чтобы шлепать по илистому дну, перешагивая плауны и хвощи, ведь в болоте особо не поплаваешь. Именно в те далекие времена и сформировалась наша походка с поочередной перестановкой конечностей, то есть вовсе не для того, чтобы ходить по суше, а чтобы шагать сквозь болотную растительность. Кстати, наш лопастеперый предок жив до сих пор. Точнее, его близкий родственник – целакант, относящийся к лопастеперым рыбам. А ведь до 22 декабря 1938 года полагали, что они приказали долго жить еще 70 млн лет назад! В этот день в ЮАР одну из таких рыб достали из сетей. Весила она 57,5 кг, в длину равнялась 1,5 м, отливала синим цветом и злобно щелкала челюстями, пытаясь укусить ошарашенных рыбаков. Первая встреча целакантообразной рыбы и человека, 2010 г. Фото: Laurent Ballesta futura-sciences.com Сегодня целакантов можно встретить не так уж редко – правда, живут они на глубине около 100 м у берегов ЮАР. Но стоят того, чтобы на них посмотреть, ведь движения их плавников точно повторяют движения большинства современных наземных позвоночных, включая нас с вами: сначала двигается пара грудных и брюшных плавников в противопоставленном порядке (то левые, то правые), а затем – правый грудной и левый брюшной. Кстати, именно потому, что наш мозг пытается двигаться, как будто мы четвероногие, мы инстинктивно двигаем руками при ходьбе. Позже лопастеперые научились сгибать эти плавники, и у них появились зоны плеча, предплечья и кисти, бедра, голени и стопы. Если кистеперая рыба – лишь родственница нашей прабабки, что зашлепала по девонским болотам, то кто же был самой прародительницей? Сказать сложно. В таких случаях обычно находят лишь самых близких пращуров «переходного звена», но, поскольку это звено уж слишком важное – как-никак, предок всех наземных позвоночных, – ученые ищут особенно тщательно. И бесспорные кандидаты на роль первопредков – так называемые рипидистии. Это самая разнообразная группа лопастеперых рыб, живших в девонскую эпоху. Некоторые из представителей этих животных достигали пяти метров в длину. А вот останки самой древней рипидистии, жившей 409 млн лет назад и не превышавшей в длину 20 см, нашли в Китае и назвали Tungsenia paradoxa. Все потому, что, несмотря на древность, она обладала некоторыми особенностями, которые сближали ее с наземными четвероногими, – увеличенными и удлиненными полушариями конечного мозга. Из этого палеонтологи делают вывод, что приспособления к наземному образу жизни появились еще в водной среде (ведь Tungsenia paradoxa жила не в болотах, а в воде), а позже они просто усилились. А еще ученым известно, что рыбы пытались освоить сушу не один раз. Об этом свидетельствуют находки, среди которых встречаются рыбы с разным числом зачатков пальцев. Но выжила только одна линия – пятипалая. Доказательство тому – то, что абсолютно у всех наземных четвероногих пятипалые конечности (даже у лягушек, один из пальцев которых попросту редуцирован). Некоторые исследователи, впрочем, считают, что у четвероногих можно разглядеть торчащие уши – точнее, пальцы – каких-то других лопастеперых. Tungsenia paradoxa Иллюстрация: N. Tamura spinops.blogspot.com Ясно одно: если бы нашей прабабкой стала Acanthoostega gunnari, этот текст печатали бы не десять, а 16 пальцев, ведь у рыбины было по восемь «пальцев» на каждой передней лапе. Но Tungsenia paradoxa – очень ранняя форма первопредка, которая еще не покидала воду. Прорыв был совершен в среднем и начале позднего девона. И самым известным претендентом на роль пионера суши стал тиктаалик, живший 375 млн лет назад и найденный в 2004 году в Канаде. На языке эксимосов тиктаалик означает «большая пресноводная рыба». Но рыба ли? И да, и нет. Тиктаалик – классическая переходная форма: у него есть жабры и чешуя, как у рыб, но при этом подвижная шея и легкие, как у земноводных. Тиктаалик прекрасен, но сегодня обнаружена и вся цепочка предков. Начинает ее Kenichthys cambelli – скромная рыбка, жившая 395 млн лет назад, не обладавшая солидными размерами (всего два сантиметра в длину) и без каких-либо зачатков конечностей. За «хвост» ее кусает более нескромный предок – Eusthenopteron: еще один вид лопастеперых рыб, обитавший на территории современной Канады 385 млн лет назад. Он и выглядел внушительнее, и уже отрастил себе короткие конечности-плавники, хотя и не использовал их для ползания. Его догоняет Gogonasus andrewsae, который приобрел внутреннее ухо и еще более удлиненные плавники. Trinirau clacae, жившая 387 млн лет назад, внешне все еще похожа на рыбу, но по строению конечностей – это, скорее, четвероногое. Panderichthys rhombolepis – уже существо с треугольной головой, конечностями, которые заканчиваются плавниками и рыбьим хвостом. У него уже нет анальных плавников и чешуи на основании плавников, хотя само тело чешуйчатое. А вот Elpistostege watsoni – это фактически тиктаалик, только чуть более ранний, из конца девона. Следующим звеном между рыбами и рептилиями стал новый класс животных – амфибии, которые все еще были зависимы от воды, но куда меньше, чем рыбы. Первого представителя звена зовут ихтиостегалией – она стала одной из первых позвоночных и отрастила уже настоящие лапы, хотя все еще была не прочь поплавать со своими рыбными предками. Но это – совсем другая история, ведь суша наконец была покорена: оставалось лишь эволюционировать и множиться.