Использование слова "хищничество" может показаться удивительным, когда мы говорим о первых организмах, которые намеревались поедать другие организмы, поскольку они были не смертельно опасными хищниками с острыми зубами и когтями, а маленькими одноклеточными формами жизни, которые плавали в первобытном море. У них не было ни рта, ни кишечной системы; все, что у них было, - это клеточная мембрана, настолько мягкая, что они могли поглотить другой, меньший организм, который они встретили на своем пути.

Таким образом, добыча не была съедена так, как мы обычно думаем; вместо этого она была скорее инкапсулирована — но, тем не менее, она обеспечивала своего хищника питательными веществами и энергией. После того, как это произошло, возврата в мир без хищников уже не было. Но когда это произошло?

Первая примитивная жизнь

Этот вопрос занимает профессора экологии биологического факультета Университета Южной Дании Дональда Э. Кэнфилда, который большую часть своей карьеры посвятил изучению того, как развивалась жизнь на Земле. Его интересует, какие биологические, химические и геологические условия позволили зародиться жизни на Земле.

"Этот вопрос неразрывно связан с вопросом о том, когда и как эволюция жизни изменила экосистемы океанов", - сказал он.

Кэнфилд добавляет, что ответ не только удовлетворит наше любопытство по поводу нашего изначального происхождения:

"Речь также идет о понимании того, как химия и биология взаимодействуют для управления современными морскими экосистемами, чтобы мы могли лучше прогнозировать, как океаны будут реагировать на антропогенную деятельность и глобальное изменение климата".

Давайте начнем с мирного первобытного моря, где организмы еще не начали питаться друг другом. Доминирующими формами жизни были примитивные прокариоты. Они получили это название, потому что у них нет клеточного ядра (pro означает "до", а кариот - производное от греческого слова, обозначающего ядро; карион).

Затем на поле вышел новый игрок. Эукариоты. В отличие от прокариот, эукариоты имеют ядро и органеллы со специализированными функциями. Их название образовано от двух греческих слов, обозначающих подлинный (ес) и карион (ядро). Эукариоты изменили все:

"Они могли бы питаться другими организмами. И когда вы вводите в экосистему поедание других организмов, это радикально меняет динамику системы", - сказал Дон Кэнфилд.

К эукариотам сегодня относятся формы жизни, которые мы называем развитыми: растения и животные (включая людей), но тогда, в первобытном море, они все еще были одноклеточными организмами.

"Но у них был такой трюк: они могли поглощать организмы, которые были меньше их самих. Жертва прикрепляется к клетке эукариота, после чего вокруг клетки-жертвы образуется небольшой мешочек. Таким образом, одноклеточный хищник-эукариот поглощает свою добычу", - сказал Кэнфилд.

"Они могли бы получить больше энергии с помощью этого процесса, и что происходит, когда вы получаете больше энергии? Вы можете увеличиваться в размерах, и именно это произошло с эукариотами".

Итак, когда эукариоты начали питаться другими организмами и каковы были последствия для морских экосистем? Это несколько важных вопросов для понимания истории жизни на Земле.

Крупные окаменелости возрастом 1,7 миллиарда лет

Некоторые подсказки приходят из окаменелостей; осязаемое доказательство того, что какая-то форма жизни действительно существовала, но какую форму жизни представляют окаменелости древних эукариот?

"По правде говоря, очень трудно разгадать, какой тип образа жизни представляют ископаемые древние эукариоты, но в одном мы можем быть уверены, так это в их размерах, и начиная примерно с 1700 миллионов лет назад окаменелости древних эукариот были большими. Ну, может быть, не большие по сравнению с тем, что вы могли бы считать большими, но при размере от 100 до 400 микрон (толщина человеческого волоса составляет около 70 микрон) они большие по стандартам одноклеточных организмов. Учтите, что большинство прокариот в океане имеют размер менее 1 микрона", - сказал Дон Кэнфилд.

Тем не менее, размер этих окаменелостей может рассказать нам кое-что о природе древних экосистем, где жили эти организмы.

Не дружелюбный океан

Используя экосистемную модель (разработанную Кеном Андерсеном из Датского технологического университета), морской биолог SDU Лиза Экфорд-Сопер вместе с Доном Кэнфилдом, Трине Фрисбек Хансен и Кеном Андерсеном обнаружили, что экосистема, содержащая крупные организмы, обнаруженные в летописи окаменелостей, также должна была содержать хищников-эукариот.

Более того, моделирование предполагает, что эукариоты, вероятно, были в изобилии в древних экосистемах, где водятся крупные эукариоты. Итак, сочетание новой работы с биомаркерами (см. Ниже) и моделирования показывает, что активные экосистемы эукариот, содержащие водоросли, но также и хищников, населяли океаны еще 1700 миллионов лет назад.

"Это на миллиард лет раньше, чем считалось ранее", - сказала Лиза К. Экфорд-Сопер. "Миллиард лет, когда морские организмы могли питаться друг другом, и, следовательно, океаны были не такими дружелюбными, как мы себе представляли ранее".

Как исследователи нашли скрытые ключи в скале

Осадочные породы часто содержат остатки мертвых морских организмов. Если у вас есть старая порода и вы используете правильные методы, вы даже можете извлечь часть древнего органического материала.

Этот органический материал в старых породах выявил химические следы эукариотических организмов в образцах возрастом до 780 миллионов лет — но не старше этого. Следовательно, разумно сделать вывод, что эукариоты стали доминирующими в морских экосистемах 780 миллионов лет назад. Но как насчет до этого времени? Что, если органический материал в горных породах со временем теряет свою разрешающую способность и не рассказывает всей истории?

По словам профессора Дональда Кэнфилда, вполне возможно, что данные об органическом веществе не раскрывают реальной важности морских экосистем эукариот до 780 миллионов лет назад.

То, что вы обычно ищете в старых породах, чтобы выявить присутствие эукариот, - это биомаркеры стеранов, где стераны представляют собой химические остатки древних организмов эукариот. Эти стераны обычно извлекаются из горных пород вместе с другими органическими молекулами с использованием химических растворителей. Эти экстракты называются битумом.

Этот метод позволил выявить эукариот в горных породах максимум 780 миллионов лет назад. Органическое вещество, не удаляемое органическими растворителями и оставшееся в горных породах, известно как кероген. Кероген может содержать важную информацию о природе организмов в древней среде, где впервые отложились отложения, но к ним труднее получить доступ.

Тем не менее, Дональд Кэнфилд и его коллеги из Petrochina в Пекине проанализировали около 1,4 миллиарда лет осадочных пород из формации Сямалинг в Китае, сосредоточив внимание на керогене. Для этого они растворили всю породу кислотой, так что в итоге остался только органический материал.

После экстрагирования органическим растворителем и выявления отсутствия стеранов оставшийся кероген переносили в золотую трубку, которую нагревали, расщепляя кероген на компоненты, которые затем можно было дополнительно удалить в органических растворителях. Эти экстракты выявили стераны из водорослей, которые не были обнаружены в битумных экстрактах, что указывает на то, что эукариотические водоросли были частью древней морской экосистемы 1,4 миллиарда лет назад.

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.