Вымирание как двигатель прогресса: как глобальная катастрофа расчистила экологическую нишу для предков человека

Эволюция не терпит пустоты, но палеонтологическая летопись полна дыр. Самая загадочная из них зияет в начале нашей собственной истории. Речь идет о происхождении челюстноротых позвоночных — обширной группы, к которой относятся современные рыбы, амфибии, рептилии, птицы, млекопитающие и человек.

Генетический анализ и метод молекулярных часов (оценка времени расхождения видов по накопленным мутациям в ДНК) указывают на то, что первые челюстноротые появились еще в кембрийском периоде, около 520 миллионов лет назад. А вот палеонтологическая летопись — фактические находки в слоях земной коры — показывает совершенно другие результаты. В течение следующих 50-80 миллионов лет, на протяжении почти всего ордовикского периода, окаменелости наших предков практически отсутствуют.

Они появляются в заметном количестве лишь в силурийском периоде (около 420 миллионов лет назад). Этот временной разрыв получил название «пробел челюстноротых». Долгое время считалось, что все дело в плохой сохранности: у ранних рыб не было твердых костей, их скелеты состояли из хряща, который быстро разлагался и не оставлял следов в камне.

Новое исследование, проведенное учеными из Окинавского института науки и технологий (OIST) и опубликованное в журнале Science Advances, опровергает гипотезу о плохой сохранности. Авторы работы Вахей Хагивара и Лорен Саллан доказывают: пустота в летописи не является ошибкой поиска. Ранние позвоночные действительно были крайне редкими существами, подавленными более успешными конкурентами, пока глобальная катастрофа не изменила правила игры.

Миф о плохой сохранности

Чтобы разобраться в истинных причинах отсутствия находок, исследователи проделали масштабную аналитическую работу. Они составили наиболее полную на сегодняшний день базу данных, включающую 1157 записей о находках позвоночных палеозойской эры. Эти данные были сопоставлены с информацией о других обитателях древних морей того же периода.

Анализ показал, что аргумент о «мягкотелости» ранних рыб несостоятелен. В тех же геологических слоях, где ученые тщетно искали предков челюстноротых, в изобилии встречаются останки других организмов со схожим строением тканей. В частности, речь идет о конодонтах.

Эпоха конодонтов

Чтобы понять, почему наши предки не могли развиваться, нужно посмотреть на тех, кто занимал их место. В ордовикском периоде океанами правили не рыбы, а конодонты — примитивные бесчелюстные хордовые, внешне напоминающие угрей.

Их окаменелые ротовые элементы (зубные аппараты) находят по всему миру в огромных количествах. Конодонты были успешными в своем периоде: они быстро размножались, адаптировались к разным условиям и занимали все доступные экологические ниши — от прибрежного мелководья до глубоких вод.

Данные исследования Хагивары и Саллан показывают, что именно доминирование конодонтов сдерживало эволюцию челюстноротых. Экосистема была насыщена, и для появления новых крупных групп просто не оставалось ресурсов. Предки рыб существовали, но оставались в тени, будучи редкими и маргинальными видами.

Ордовикская катастрофа

Ситуация полностью изменилась в конце ордовикского периода, примерно 445 миллионов лет назад. Планета пережила одно из пяти крупнейших массовых вымираний в своей истории — Позднеордовикское вымирание.

Причиной катастрофы стало резкое изменение климата. Глобальное похолодание привело к образованию массивных ледников на суперконтиненте Гондвана. Связывание воды в ледниках вызвало сильное падение уровня моря. Обширные мелководные шельфы — самые богатые жизнью зоны океана — осушились или промерзли. Изменился и химический состав воды: в океанах стало меньше кислорода и необходимых микроэлементов.

Статистический анализ показал, что это событие нанесло самый большой удар именно по конодонтам. Будучи специализированными к теплым морям, они не смогли пережить резкое похолодание и потерю среды обитания. Их разнообразие рухнуло и больше никогда не восстановилось до прежнего уровня.

Для ранних челюстноротых это событие стало фактором «экологического высвобождения». Исчезновение доминирующего конкурента освободило жизненное пространство.

Разрыв Талимаа и география выживания

Восстановление жизни после вымирания не было мгновенным. Исследование подтвердило существование периода, известного как «Разрыв Талимаа» — интервала в начале силурийского периода длительностью в несколько миллионов лет, когда биоразнообразие на планете оставалось очень низким.

Однако восстановление шло неравномерно. Авторы работы применили методы палеобиогеографии, чтобы выяснить, где именно выжили предки челюстноротых. Результаты указали на конкретный регион: Южный Китай.

В начале силура Южный Китай представлял собой отдельный блок суши, расположенный на экваторе. Он был изолирован от других континентов глубокими океаническими проливами. Пока в других регионах (таких как Гондвана или Лаврентия) фауна была уничтожена или восстанавливалась крайне медленно, мелководья вокруг древнего Китая стали убежищем — рефугиумом.

Инкубатор новых видов

Именно в изоляции Южного Китая началась быстрая эволюция (радиация) челюстноротых. В отсутствии давления со стороны конодонтов и крупных хищных беспозвоночных, выжившие виды начали активно видоизменяться.

В китайском рефугиуме возникли и развились уникальные группы позвоночных:

1. Галеаспиды: бесчелюстные рыбы с характерными головными щитами, напоминающими шлем.
2. Ранние челюстноротые: именно здесь появляются первые достоверные окаменелости рыб с развитыми челюстями.

В течение первых 10-15 миллионов лет после вымирания эти новые формы оставались эндемиками — они обитали исключительно в водах Южного Китая, не проникая во внешний мир.

Глобальная экспансия

Механизм, благодаря которому позвоночные в итоге заселили всю планету, был реконструирован авторами следующим образом:

1. Стабилизация: к середине силурийского периода климат на Земле выровнялся, уровень моря поднялся, и глубоководные барьеры, изолировавшие Китай, стали преодолимыми.
2. Миграция: накопив разнообразие и выработав новые адаптации (такие как парные плавники, челюсти и более совершенный жаберный аппарат), позвоночные начали миграцию из китайского убежища.
3. Замещение: проникая в воды Сибири, Балтики и Лавразии, они сталкивались с ослабленными остатками ордовикской фауны. Новые, более совершенные формы быстро вытеснили древних конкурентов.

К концу силура океаны изменились до неузнаваемости. Место угреподобных конодонтов заняли панцирные рыбы (плакодермы) и колючие акулы (акантоды). Это подготовило почву для следующего геологического периода — девона, который в науке официально именуется «Эпохой рыб».

Выводы исследования

Работа Хагивары и Саллан меняет представление о механизмах эволюционного прогресса. Традиционный взгляд предполагал, что более сложные организмы (челюстноротые) вытеснили более простых (конодонтов) в прямой конкурентной борьбе благодаря своим анатомическим преимуществам.

Однако факты говорят об обратном. Анатомические преимущества не играли решающей роли на протяжении десятков миллионов лет. Челюстноротые оставались редкой группой, не способной потеснить конкурентов. Их успех стал возможен только благодаря внешнему фактору — климатической катастрофе, которая избирательно уничтожила господствующую группу.

Таким образом, становление современного типа фауны позвоночных — это результат стечения обстоятельств: наличия изолированного географического убежища в Южном Китае и глобального вымирания, которое расчистило экологическое пространство для экспансии.

Источник:Science