Как различные виды животных получили возможность выращивать кости и раковины

Один из первых образцов биоминерализации - "скелет" одноклеточного жившего 810 миллионов лет назад

Крошечные окаменелости, недавно обнаруженные в Канаде, оказались древнейшими случаями биоминерализации. Они отодвинули предполагаемое время ее начала до 810 млн лет назад. Эта находка может дать представление о местонахождении окаменелостей на других планетах, ​​пролить свет на то, как формы жизни и экосистемы планет развиваются с течением времени. Исследователи подробно изложили свои выводы в журнале Science Advances.

Биологическая минерализация – это образование организмами минеральных структур. Раковины, панцири, кости, коралловые рифы – все создано посредством сложных метаболических процессов в живых существах. Палеонтологические образцы (за исключением мягких тканей, сохранившихся в мерзлоте) – это также продукт биоминерализации. Как и целые пласты некоторых осадочных пород.

Ученые выделяют два способа биологической минерализации: биостимулируемая и биоконтролируемая. В первом случае минеральное вещество появляется из насыщенного раствора, а живое существо лишь подталкивает, как бы катализирует этот процесс. Так появляются, например, жемчужины в раковинах моллюсков. Но чаще животные проводят биоминерализацию под контролем. Так создаются сложные неорганические формы (зубы, кости и пр.) Ученые считают, что такие структуры «выращиваются» на неких матрицах, которые живые существа составляют из эпителиальных тканей.

Материалами для биоминерализации сейчас являются соединения кальция и бария, поликремниевые кислоты, композиты белков (для одноклеточных). «Чемпион» среди подобных материалов, конечно, кальций. На его долю приходится половина всех известных науке биоминералов. Но так было не всегда.

Многоклеточные организмы, такие как животные, растения и грибы, являются примерами эукариот, то есть форм жизни, чьи клетки обладают ядрами. Эволюция биоминерализации была ключевой вехой в истории эукариот и Земли в целом. Биоминеральные структуры, такие как коралловые рифы, оказали огромное влияние на геологию планеты. Тем не менее, ранние признаки эукариотической биоминерализации в летописи окаменелостей всегда были редкими и неясными. Это затрудняло определение времени и изучение условий, в которых эти структуры впервые появились.

Чтобы определить, как поначалу эволюционировала эукариотическая биоминерализация, ученые собрали образцы из приблизительно 200 футового (60-метрового) слоя извести и черно-серого сланца возле горы Таппер в канадской части Юкона близ границы с Аляской.

«Мы были там в конце июня, но все еще было очень холодно», - говорит глава исследовательской группы Фиби Коэн, палеобиолог в колледже Уильямса в Уильямстауне (Массачусетс). Исследователи сосредоточили свое внимание на поиске в скале микроскопических окаменелостей, живших в эпоху неопротерозоя (между 541 млн. и 1 млрд лет назад).

«Горный склон, в котором найдены окаменелости, очень крут. Поэтому мы потратили много времени, сидя в неустойчивых положениях на крутых склонах. Мы разбивали камни нашими скальными молотками в поисках образцов», - вспоминает Ф.Коэн.

Микроокаменелости, обнаруженные Коэн и ее командой, - это одноклеточные морские эукариоты, имеющие самые разнообразные формы. «Каждую из крошечных окаменелостей, которые мы нашли, мы считаем не отдельным организмом, а частью клетки. Представьте себе круглую клетку, окруженную этими маленькими бронированными пластинами », - сказал Коэн.

Используя электронные микроскопы, Коэн и ее коллеги обнаружили, что найденные микроокаменелости состояли в основном из затейливо переплетенных волокон кристаллов минерала апатита. По словам исследователей, сложный характер этих переплетений подтвердил, что они были созданы биологическим, а не геологическим процессом.

Кроме того, анализ изотопов элементов рения и осмия в скале показал, что эти ископаемые возрастом примерно 810 млн лет. Таким образом, они представляют собой самые старые экземпляры эукариотической биоминерализации, обнаруженные на сегодняшний день. Ф.Коэн определила, что они старше всех ранее найденных образцов не меньше, чем на 200 млн лет. «Эукариоты строили очень сложные биоминерализованные структуры намного раньше, чем мы думали», - сказала она.

Эти организмы жили в мире, совершенно непохожем на наш сегодняшний. Тогда почти вся жизнь существовала в воде, и еще не было разделения видов на растения и животные. Но в тот период уже существовало большое разнообразие микроскопических эукариот. Некоторые из этих организмов были похожи на красные и сине-зеленые водоросли. Другие тогдашние формы жизни не имеют современного аналога. Это относится и к таинственным окаменелостям, найденным командой Коэн.

Анализ пород, окружающих аляскинские микроокаменелости, говорит о том, что в воде, где жили микроскопические эукариоты, постепенно увеличивалось количество фосфатных соединений. Это объясняет, почему эти организмы создавали структуры из апатита. Он является фосфатным минералом. Также это говорит о том, что биоминерализованные организмы развивались и эволюционировали параллельно с изменениями окружающей среды. «В воде стало много фосфора? Тогда, вероятно, стоит ожидать появления организмов, которые используют этот элемент для биоминерализации», - говорит об этом д-р Коэн.

Это исследование может пролить свет на то, где стоит искать ископаемые на других планетах. Например, если найденные окаменелости состоят в основном из фосфатов, то исследователям стоит обратить максимум внимания на те области, которые были ранее или в настоящее время богаты растворенными фосфатами.

«Мы узнали больше об условиях, при которых можно найти ранние виды биоминеральных окаменелостей. Это может быть полезно, когда мы начнем изучать такие места, как Марс. Изучать и искать там ископаемые и ныне существующие формы жизни», - сказала Коэн. По ее словам, поиск древнейших микроокаменелостей весьма перспективен и в других частях мира.

«Я стараюсь понять, почему эти ископаемые здесь сохранились, и что поможет нам найти их в другом месте. Нам нужно в общем составить представление о том, как биоминеральные окаменелости сохраняются в древних скалах… Также есть много вопросов о том, почему мы больше не наблюдаем подобной эукариотической биоминерализации почти 200 миллионов лет», - сказал Коэн, - «Потому, что эти организмы вымерли? Тогда почему другие организмы не развили похожую способность? Возможно, из-за изменившегося состава океанской воды. Есть много интересных вопросов, пока оставшихся без ответов». - сказала также д-р Коэн.

Поделиться с друзьями: