Tajemnica ewolucji zachowana w skale. Jak z mikroorganizmów życie ewoluowało w złożone formy?

Na południowo-wschodnim wybrzeżu Nowej Fundlandii – sięgającej najdalej na wschód części Ameryki Północnej – leży skalisty, urwisty cypel o nazwie Mistaken Point. Miejsce to skrywa szereg dowodów, które mogą pomóc w rozwikłaniu jednej z największych i najbardziej zdumiewających tajemnic dotyczących życia na Ziemi. Przez ponad 3 mld lat życie na naszej planecie oznaczało maleńkie, głównie jednokomórkowe organizmy.

Dlaczego nagle nastąpiła istna eksplozja najrozmaitszych złożonych stworzeń – wielokomórkowych, dużych, niezwykłych? Pojawiły się co najmniej 570 mln lat temu i rozprzestrzeniły po świecie, ale ich najstarsze ślady znaleziono tylko w jednym miejscu: na Mistaken Point. Paleontolodzy jeżdżą tam już od dekad, ale to, co dostrzegają teraz, w drobnych detalach prowadzących do daleko idących wniosków, oznacza coś zupełnie nowego, radykalną zmianę – o ile się nie mylą. Pewnego chłodnego jesiennego dnia i ja się tam wybrałem, a towarzyszyli mi Mark Laflamme z Uniwersytetu Toronto w Mississauga i jego kolega Simon Darroch, Anglik zatrudniony na Uniwersytecie Vanderbilta w Nashville. Kiedy dotarliśmy do Mistaken Point, niebo było błękitne, a słońce świeciło jasno.

Pan Laflamme powiedział mi, że taka pogoda rzadko się tam zdarza. Silne światło padające z ukosa, szczególnie późnym popołudniem, pomagało wyodrębnić wzrokiem słabo wyróżniające się skamieniałości, które przyjechaliśmy zobaczyć. Znalazłszy się w Rezerwacie Ekologicznym Mistaken Point, ruszyliśmy żwirową drogą nad stromy brzeg oceanu i zeszliśmy na dół. Laflamme wskazał charakterystyczną, pochyloną pod kątem mniej więcej 30 stopni szaropurpurową skałę o gładkiej powierzchni. Widniał na niej jakiś obraz, niczym zaskakująco misterny cień. Wyglądał jak szkielet metrowej długości węża: wzór z podobnych do siebie żeber i kręgosłup.

Tylko że nie było ani odrobiny kości, a jedynie odcisk stworzenia o miękkim ciele, które znieruchomiało na dnie oceanu bardzo, bardzo dawno temu. Nie pływało ani nie pełzało, nie mogło żyć w podobny sposób jak którykolwiek z istniejących dziś organizmów. Przynależało do słabiej znanego okresu, w którym świat zamieszkiwały zagadkowe istoty niczym z innej planety. – Właśnie wtedy po raz pierwszy powstały duże formy życia – oznajmił Laflamme. Tajemnicza historia owych form życia znanych jako fauna ediakarańska zaczyna się w Górach Flindersa na południu Australii.

Tam młody geolog Reginald Sprigg, któremu zlecono dokonanie ponownej oceny opuszczonych kopalń Ediacara Mines, zwrócił w 1946 r. uwagę na dziwne odciski w odsłoniętych pokładach piaskowca. Przypominały mu meduzy. Nie były to jednak meduzy. Można było dostrzec także inne kształty, niektóre z nich nie były podobne do żadnych znanych organizmów, ani żywych, ani wymarłych. Jeden wyglądał jak odcisk palca w piasku. Sprigg nie zdawał sobie sprawy, że te skamieniałości pochodziły sprzed mniej więcej 550 mln lat, a zatem o co najmniej 10 mln lat wyprzedziły słynną kambryjską eksplozję. Dotąd naukowcy sądzili, że to właśnie ona była chwilą, kiedy życie na naszej planecie wybuchło i nagle pojawiły się na niej zadziwiające stwory: wymyślne i pokaźnych rozmiarów.

Nazywamy je zwierzętami, a wiele potomków zwierząt z tamtego okresu żyje obecnie. Waga odkrycia Sprigga polegała na tym, że po raz pierwszy okazało się, iż to nie w kambrze, ale w bezpośrednio poprzedzającym go okresie obecnie nazywanym ediakarem rozpoczęła się historia dużych, złożonych organizmów. W 1967 r. student o nazwisku S.B. Misra zobaczył w Mistaken Point na Nowej Fundlandii mułowcową płytę obfitującą w skamieniałości.

Niektóre z pradawnych form przypominały meduzy i były takie jak te z południowej Australii, inne podobne były do pierzastych liści, jeszcze inne nie kojarzyły się w ogóle z niczym znanym nauce. Okazało się, że na powierzchniach znajdujących się w pobliżu wyraźnie widocznych, niczym w gigantycznym torcie, warstw skalnych też rozmaite skamieniałości zachowały się całymi koloniami. Skamieliny z Mistaken Point pochodzą sprzed nawet 570 mln lat i stanowią najstarsze na Ziemi dowody istnienia dużych, złożonych biologicznie stworzeń. Obecnie znamy ponad 50 ediakarańskich form życia. Zostały znalezione w prawie 40 miejscach, na wszystkich kontynentach oprócz Antarktydy.

Co pozwoliło faunie ediakarańskiej urosnąć i opanować Ziemię, po tym jak przez miliardy lat zamieszkiwały ją jedynie mikroorganizmy? Zanim na Ziemi pojawiła się obficie fauna ediakarańska, ewolucja „produkowała” głównie mikroskopijne formy. Ich rozmiary ograniczała niewielka ilość tlenu, pierwiastka stanowiącego podstawę metabolizmu zwierząt. Żyjące w morzach bakterie wytwarzały tlen w procesie fotosyntezy, dzięki czemu mniej więcej 2 mld lat temu zawartość tego pierwiastka w powietrzu wzrosła, ale jeszcze przez miliard lat pozostawała względnie niewysoka. Wreszcie, w okresie między 717 a 635 mln lat temu, miał miejsce szereg kolejnych zlodowaceń o tak ogromnym zasięgu i tak silnych, że być może cała Ziemia pozostawała zamarznięta.

Niektórzy naukowcy nazywają tę sytuację Ziemią-Śnieżką. Ilość tlenu podniosła się w tamtym okresie jeszcze bardziej, z do dziś niejasnych powodów. Wielkie zlodowacenie zakończyło się, kiedy wybuchy wulkanów wyrzuciły do atmosfery tyle dwutlenku węgla, że nastąpił efekt cieplarniany i powierzchnia planety się ogrzała, a oceany stopniały. Jakieś 580 mln lat temu nastąpiło kolejne krótkie zlodowacenie, znane pod nazwą Gaskiers. Być może nie miało globalnego zasięgu, w każdym razie Nowa Fundlandia należała wówczas do obszarów skutych lodem. Najstarsze skamieniałości fauny ediakarańskiej datują się po tych wszystkich zmianach.

Czy przyczyniły się one do tego, co stało się później? Czy koniec zlodowaceń, wzrost poziomu tlenu i ewolucja bardziej złożonych komórek umożliwiły rozkwit ediakarańskich organizmów? Być może tak było. Równie niejasny pozostaje związek tamtych form życia z dzisiejszymi.
Słynny niemiecki paleontolog Adolf Seilacher przypisał im osobne królestwo, nie zaliczając ich do zwierząt z powodu, jak twierdził, wyjątkowego typu ich biologicznej konstrukcji przypominającej pikowany dmuchany materac, bardzo różnej od tej, jaką spotykamy u większości wielokomórkowych stworzeń. Jak się zdaje, efekt „dmuchanego materaca” nadawał organizmom ediakarańskim sztywność, choć nie miały one szkieletów. Być może jak gdyby „pikowane”, pierzaste formy tamtych stworzeń oznaczały również możliwie największą ich powierzchnię, która ułatwiała absorpcję składników odżywczych przez skórę.

Wydaje się, że odżywianie mogło stanowić dla tych istot problem, ponieważ o ile można to wywnioskować ze skamieniałości, prawie żadne z nich nie miały otworów gębowych. Ani jelit, ani odbytu. A także głów, oczu czy ogonów. Niektóre miały za to na jednym z końców rodzaj guza czy tarczy, za pomocą której trzymały się dna morskiego.

„Pierzasty liść” stworzenia unosił się pod wodą ku górze. Wiele obszarów dna pokrywały w tamtym okresie grube maty mikrobiotyczne, które przyczyniały się do stabilizacji osadów.

Przypominające liście paproci organizmy nie były roślinami – nie mogły odżywiać się dzięki fotosyntezie, ponieważ wiele spośród nich żyło w głębinach, co najmniej 1 km pod powierzchnią wody, gdzie nie docierało światło. Jak się zatem żywiły, skoro nie mogły ani jeść, ani fotosyntetyzować? Wiodąca hipoteza jest taka, że odżywiały się na drodze osmotrofii: wchłaniania rozpuszczonych składników odżywczych przez osmozę, czyli przepuszczanie ich przez zewnętrzną powłokę organizmu. Trudno jednak w taki sposób obficie się posilić.

Część naukowców skupiła uwagę na kolejnym fascynującym aspekcie wielu ediakarańskich organizmów – szczegółach ich budowy. Na pierwszy rzut oka przypominają może pikowane kołdry, ale dokładne oględziny pozwalają dostrzec fraktalną strukturę tych istot: podobne wzory powtarzają się w coraz mniejszej skali. Duży, przypominający liść paproci organizm składał się z mniejszych „liści”, a te z jeszcze mniejszych, i wszystkie one były podobne do siebie nawzajem, tylko w różnych skalach. Kształt całego stworzenia powtarzał się na trzech czy czterech coraz drobniejszych „poziomach” jego budowy.

Być może taka fraktalna struktura wyjaśnia, dzięki czemu organizmy te mogły osiągać znaczne rozmiary. Zapewniała im pewną sztywność, możliwie dużą powierzchnię – i być może była efektem genetycznego „pójścia na skróty”. Zapisana w genomie prosta formuła mogła nakazywać wytworzenie małego, przypominającego pióro „listka”, a potem parokrotne powtórzenie tej operacji, tak by cały organizm stał się duży.

Właśnie takiego rodzaju fraktalna struktura wężowatego stworzenia, którego odcisk zobaczyliśmy z Markiem Laflamme’em w szaropurpurowej skale na Mistaken Point, ukazała się naszym oczom. Można ją też dostrzec u całego szeregu innych gatunków fauny ediakarańskiej, nazywanych zbiorczo rangeomorfami, od ich pochodzącego z Namibii charakterystycznego przykładu nazwanego Rangea.
W dniu spędzonym przeze mnie na nowofundlandzkich skałach Mark Laflamme pokazał mi o wiele więcej rangeomorfów, które z odległości 3 m nie zwracały na siebie uwagi, ale oglądane z bliska budziły niepokój. Zobaczyłem m.in. Beothukis mistakensis, formę w kształcie wiosła, która otrzymała swoją nazwę ze względu na miejsce odkrycia. Widziałem także wrzecionowatego, zwężającego się ku obu końcom fractofususa. Ten żył, leżąc płasko na dnie.

Rangeomorfy przez miliony lat dominowały w ekosystemie podmorskich głębin w miejscu dzisiejszego Mistaken Point i rozwijały się także gdzie indziej, w nieco płytszej wodzie. Wszystkie jednak odeszły w przeszłość, nie pozostawiając znanych potomków. Wraz z początkiem kambru, ok. 541 mln lat temu – lub niewiele później – stworzenia te niemal całkowicie zanikły. Przynajmniej tak wskazują skamieliny.

Dlaczego fauna ediakarańska nagle znikła? Czy organizmy te zupełnie wymarły, czy jednak miały potomków o innych formach? A jeżeli nie wymarły nagle całkiem, to co zakończyło trwanie poszczególnych, ustalonych wcześniej form ich gatunków? Jedną z możliwych odpowiedzi podał mi Simon Darroch. Tego samego popołudnia na Mistaken Point wyciągnął z plecaka małe, płaskie, brązowe kamyki pochodzące z badanych przez niego osadów z okresu ediakaru znajdujących się w Namibii. Przywiózł kamyki ze swojego laboratorium na Uniwersytecie Vanderbilta, żeby pokazać mi pewne skamieniałości śladowe. Są to utrwalone w skale ślady działalności życiowej zwierząt – ich poruszania się, przeżuwania, wydalania. Zapis ich funkcjonowania, zachowań, a nie kształtów ciał. Wszelkie ślady tego rodzaju pochodzące z ediakaru są godne uwagi, ponieważ większość gatunków fauny ediakarańskiej nie przemieszczała się, nie przeżuwała ani nie wydalała.

– To jest bardzo statyczny ekosystem, złożony z osiadłych organizmów – mówił Darroch, spoglądając na słynne, obfitujące w skamieliny osady z wczesnego ediakaru, na których staliśmy.

Jak się okazało na podstawie skał odkrytych w Namibii, późny ediakar znacznie różnił się od wczesnego. Simon Darroch tłumaczył mi, że podstawowa różnica polegała na tym, że w późnym ediakarze „po raz pierwszy pojawiły się zwierzęta drążące w bardziej skomplikowany sposób”. Znalezione skamieniałości śladowe oznaczają, że na przełomie ediakaru i kambru zaszły głębokie zmiany. Po morskim dnie już od dawna wiły się robakowate stwory, ale teraz zaczęły także drążyć w nim tunele. Darroch pokazał mi płaski kamyk poznaczony śladami w formie jakby kropkowanych linii.

– To znajdują się na powierzchni, to się chowają, to wysuwają znowu – opisywał.

Patrzyłem na ślady życia organizmu wyposażonego w mięśnie na tyle skomplikowane, że poruszał się w trzech wymiarach. Skoro robił to w taki a nie inny sposób, to znaczy, że miał przód i tył. I zapewne miał z przodu otwór gębowy, wewnątrz którego mógł mieć zęby. W tamtych czasach były to nowe, niezwykłe narzędzia stwarzające wyjątkowe możliwości.

Robaki wpełzały pod powierzchnię dna, wypełzały z niej, dziurawiąc maty mikrobiotyczne, a być może zjadając przedstawicieli fauny ediakarańskiej. W niedawno opublikowanym artykule pod redakcją Jamesa Schiffbauera Darroch i inni współautorzy nazwali ów okres wczesnego kambru „światem robaków”. Nie był to świat odpowiedni dla fauny ediakarańskiej. „Robaki” nie były jedynym czynnikiem, który doprowadził do zagłady ediakarańskich organizmów oraz zapoczątkował kambryjską eksplozję.

Zaszły też zmiany w składzie chemicznym oceanów umożliwiające zwierzętom wytworzenie twardych części ciała – bogatych w wapń szkieletów, zębów i muszli. Nastąpił także ogólny rozwój sposobów poruszania się, nie tylko drążenia. Wreszcie – rozwinęło się drapieżnictwo. Być może jednak to właśnie rozwój robakokształtnych organizmów pod koniec ediakaru odegrał w tym przypadku kluczową rolę. Parę tygodni po naszym wypadzie na Mistaken Point rozmawiałem z jednym z czołowych specjalistów od okresu ediakaru, Jamesem Gehlingiem.

– Proszę się wybrać w Góry Flindersa na południu Australii, dokładniej chodzi o wzgórza Ediacara, i popatrzeć na formacje pierwszych warstw kambryjskich skał osadowych. Wyglądają jak szwajcarski ser. Całe podziurawione przez robakokształtne stworzenia, które przemieszczały się w piasku i żywiły miękkimi okazami fauny ediakarańskiej. Właśnie tak zaczął się kambr – tłumaczył mi Gehling. – Pojawiły się mięśnie umożliwiające drążenie.

Guy Narbonne z Queen’s University w prowincji Ontario w dużym stopniu zgadza się z tym, że drążenie odegrało ważną rolę. Ale postąpił o krok dalej, jeśli chodzi o kwestię „świata robaków”. Razem ze swoją studentką Callą Carbone analizowali skamieniałości śladowe z końca ediakaru oraz z początku kambru i dostrzegli znaczącą różnicę w sposobie, w jaki ówczesne robakowate stworzenia zmieniały kierunek ruchu. Wraz z początkiem kambru drążące zwierzęta zaczęły poszukiwać pożywienia w bardziej usystematyzowany sposób i stały się lepiej umięśnione. Zapuszczały się dalej, wydajniej poszukując zasobów, rzadziej zaś przecinały własne ślady.

– To świadectwo ewolucji mózgu – oznajmił mi Narbonne. – Nasza interpretacja jest taka, że kambryjska eksplozja nastąpiła wtedy, gdy zachowanie zwierząt zaczęło być kodowane w genach – dodał. Narbonne i Carbone zatytułowali swój artykuł Kiedy życie stało się inteligentne. Większość ekspertów zgodziłaby się ze stwierdzeniem, że inteligencja nie należała do cech charakteryzujących faunę ediakarańską.

Genomy organizmów z okresu ediakaru zawierały może przepis na fraktalne powtarzanie pewnego schematu budowy, przynajmniej w przypadku w pewnym stopniu złożonych rangeomorfów. Ale reagowanie na różne warunki już je przerastało. Mimo wszystko błędem byłoby uznawanie fauny ediakarańskiej za nieudane organizmy z góry skazane na zagładę. Bo przecież odniosły sukces – przez ponad 30 mln lat rozwijały się w niełatwych do życia środowiskach. Obyśmy my, ludzie, okazali się równie wytrwali i mieli tyle szczęścia co one.