Поиски жизни на Марсе, Европе и Энцеладе привлекают куда больше внимания, чем древние земные породы, хотя одна из главных загадок астробиологии скрывается на самой Земле. Учёные до сих пор не знают точно, когда появились первые эукариоты и сколько времени потребовалось простейшим клеточным формам, чтобы дать начало сложной многоклеточной жизни. Почти 90% истории жизни на планете прошли под господством микроорганизмов. Растения, животные и грибы возникли гораздо позже.
Первые известные формы жизни существовали более 3,5 млрд лет назад. Цианобактерии и кислородный фотосинтез появились не позднее 2,3 млрд лет назад. Эукариоты существовали как минимум 1,7 млрд лет назад. Водоросли известны по находкам возрастом не менее миллиарда лет, хотя их происхождение, вероятно, уходит глубже в прошлое. Животные появились значительно позже, по меньшей мере 570 млн лет назад, а некоторые данные допускают и более раннюю датировку.
Особенно важен период около 1,6 млрд лет назад. Примерно к тому времени относят последнего общего предка кроновой группы эукариот, то есть общего предка всех современных эукариотических линий и всех его потомков. В русскоязычной биологической литературе для английского crown group используется термин «кроновая группа». Из древних эукариотических линий позднее возникли организмы, сформировавшие привычный современный мир растений, животных и грибов.
Главное отличие эукариот скрывается внутри клетки. ДНК находится в ядре, отделённом от остального содержимого мембраной, а клетка содержит специализированные внутренние структуры — органеллы. К органеллам относятся митохондрии, которые участвуют в производстве энергии для клеточных процессов. Более сложная внутренняя организация дала эукариотам возможности, которых нет у типичной бактериальной клетки, а некоторые их линии впоследствии перешли к многоклеточности.
Найти древнейших представителей группы чрезвычайно трудно. Ранние эукариоты были микроскопическими и не имели минеральных раковин или других твёрдых частей, которые значительно повышают шансы организма попасть в палеонтологическую летопись. Твёрдые скелетные структуры появились у некоторых животных ещё в конце эдиакария, более 540 млн лет назад, поэтому проводить жёсткую границу по отметке 500 млн лет было бы неверно. Например, организм Cloudina жил примерно 550–522 млн лет назад и мог иметь кальцифицированный скелет. Для гораздо более древних эукариот палеонтологам приходится искать редкие породы, способные сохранить отдельные клетки и мягкие биологические структуры.
Пробел огромен. Между появлением первых известных организмов и распространением сложной многоклеточной жизни прошли миллиарды лет, однако от большей части этого периода сохранилось мало пригодных для изучения ископаемых. Чтобы восстановить последовательность событий, палеонтологи исследуют не только сами микрофоссилии, но и химический состав древних пород. Минералы и условия образования осадков помогают определить места, где хрупкие клетки имели больше шансов сохраниться.
Возраст создаёт ещё одну проблему. Микрофоссилия могла благополучно оказаться в осадке, но затем ей требовалось пережить сотни миллионов или даже миллиарды лет геологических изменений. Породы сжимались, нагревались и деформировались, через них проходили растворы, менялся минеральный состав. Каждый процесс мог стереть часть клеточной структуры. В результате от крошечного организма иногда остаётся лишь микроскопический контур или органический след, который ещё нужно отличить от структуры небиологического происхождения.
Переход к многоклеточности тоже не был единичным событием. Разные эволюционные линии независимо пришли к многоклеточности. Клетки начали работать совместно, делить функции и образовывать более сложные структуры. Исследователи пытаются понять, какие ступени привели одну из ветвей эукариот к огромному разнообразию животных.
Особенно насыщенный событиями отрезок приходится на границу эдиакария и кембрия около 540 млн лет назад. Эдиакарские сообщества включали множество мягкотелых организмов, часто мало похожих на современную фауну. На рубеже двух периодов число животных с твёрдыми частями тела начало быстро расти, а в раннем кембрии резко увеличилось разнообразие скелетных форм. Появлялось больше подвижных животных, усложнялись способы передвижения, питания и взаимодействия с окружающей средой. Палеонтологи называют масштабное увеличение разнообразия животных кембрийским взрывом. Ископаемые скелетных организмов, впрочем, известны уже из самого конца эдиакария.
Для истории эукариот кембрий находится почти у самого конца длинной временной шкалы. Первые представители группы появились как минимум за миллиард лет до кембрийского взрыва, поэтому основные поиски проходят в гораздо более древних породах. Особенно ценны бывшие мелководные моря и прибрежные зоны, где осадки могли быстро погребать микроскопические организмы.
Один из перспективных районов занимает около 100 кв. км в Арктике, примерно на 80-м градусе северной широты. Сейчас территория покрыта каменистыми полярными ландшафтами, а в далёком прошлом находилась под мелким морем. Древние морские осадки сохранились в горных породах и позволяют искать остатки организмов, населявших прибрежную среду более миллиарда лет назад.
Австралийские породы также принесли важные находки. Исследователи обнаружили там одни из древнейших известных эукариотических микрофоссилий возрастом около 1,75 млрд лет. Возраст находок приближается к периоду, когда в палеонтологической летописи уже уверенно прослеживаются ранние эукариоты, поэтому каждый хорошо сохранившийся образец помогает уточнять состав и разнообразие древней биосферы.
Прибрежные морские зоны привлекают палеонтологов по другой причине. Вода приносила в мелководные районы питательные вещества и органический материал, создавая благоприятную среду для разнообразных микроорганизмов. Богатая ресурсами экосистема могла поддерживать больше эукариотических форм и создавать условия, при которых многоклеточные организмы получали эволюционное преимущество.
Особый интерес вызывают мощные залежи глины. Очень мелкие частицы осадка способны быстро погребать клетки и мягкие ткани, а при благоприятных химических условиях замедляется их разрушение. Поэтому исследователи сначала ищут древние осадочные бассейны с подходящими породами, а затем уже извлекают образцы и проверяют их на микрофоссилии. Поиск в случайном месте почти не имеет смысла: сохранность ранней жизни слишком сильно зависит от геологической среды.
Многие удобные для работы участки сегодня находятся в пустынях и Арктике. Скудная растительность оставляет коренные породы открытыми, и геологи могут прослеживать древние слои непосредственно на поверхности. В районах с густой растительностью, мощным почвенным покровом или молодыми осадками пласты нужного возраста нередко скрыты на большой глубине.
Даже тщательно выбранное место не гарантирует находку. Размер древних эукариот измерялся микрометрами, мягкие клетки легко разрушались после гибели, а последующая геологическая история дополнительно повреждала сохранившиеся структуры. К трудностям добавляется слабая изученность многих пород нужного возраста. Огромные территории либо исследовали недостаточно подробно, либо вообще не проверяли специально на эукариотические микрофоссилии.
Поиск постепенно становится более прицельным. Палеонтологи лучше понимают, какие минералы, типы осадочных пород и древние среды повышают вероятность сохранения клеток. Вместо перебора случайных образцов можно выбирать конкретные геологические формации, где сочетание возраста и условий захоронения обещает более информативный материал. Новые находки помогают уточнять время появления разных эукариотических линий и восстанавливать биологическое разнообразие задолго до первых животных.
Та же геологическая логика пригодится при поиске жизни за пределами Земли. Перед учёными стоит не только задача найти среду, где организм когда-то мог жить. Нужна порода, способная сохранить биологический след спустя огромный промежуток времени. Если определённые глинистые минералы хорошо консервировали микроскопические клетки на Земле, участки с похожей минералогией становятся особенно интересными при изучении древних осадочных пород на других небесных телах.
Поэтому история первых эукариот напрямую влияет на астробиологию. Земная летопись позволяет оценить, сколько времени прошло между возникновением жизни, появлением сложной клетки и распространением многоклеточных организмов. Чем точнее учёные восстановят последовательность событий на Земле, тем обоснованнее смогут выбирать места для поиска древних биологических следов за её пределами.