Ископаемые известны людям еще с античных времен: о них писал Аристотель, а ископаемые останки динозавра Protoceratop s, имевшего клюв, возможно, породили древнегреческий миф о грифоне. Однако подлинную значимость ископаемых человечество оценило значительно позже. Даже в начале XIX в., обнаружив окаменелости, их объясняли просто действием сверхъестественных сил, объявляли, что это животные, погибшие во время Потопа, или же ныне существующие, но диковинные и редкие звери из неисследованных частей света.

Однако эти окаменелые останки хранят в себе историю жизни. Как нам расшифровать историю? Первым делом, конечно, нужны сами ископаемые, и побольше. Затем эти ископаемые нужно расположить в определенном порядке. А потом необходимо точно установить, когда именно они образовались. И каждая из этих стадий работы предъявляет исследователю свои задачи.

Процесс формирования ископаемых прост, но для него требуется особое сочетание обстоятельств и факторов. Во‑первых, останки животного или растения должны каким‑то образом оказаться в воде, опуститься на дно и затем быстро покрыться осадком, чтобы их не тронуло разложение или падальщики. Мертвые растения и животные, обитающие на суше, редко оказываются на дне озера или океана. Вот почему большая часть ископаемых, которые удается обнаружить, относится к морским организмам: они или живут на дне океана, или естественным путем опускаются на дно после смерти.

Как только ископаемое оказывается надежно покрыто осадочными отложениями, его твердые части пропитываются или заменяются растворенными минералами[1]. В итоге остается слепок животного или растения, который вдавливается в породу под тяжестью покрывающего его осадка. Поскольку мягкие части животных и растений плохо сохраняются в ископаемом состоянии[2], это обстоятельство сильно сужает нашу базу данных о вымерших видах. Ученые обнаруживают множество костей и зубов, а также раковин и панцирей насекомых и ракообразных. Но черви, медузы, бактерии и хрупкие создания наподобие птиц встречаются в ископаемом виде гораздо реже, точно так же как и сухопутные виды встречаются реже, чем водные. Более 80 % времени существования жизни на Земле все живые существа были мягкотелыми, поэтому о самых ранних и наиболее интересных этапах эволюции у нас есть лишь туманное представление, а о зарождении жизни – тем более.

После того как ископаемое сформировалось, ему предстоит выдержать бесконечные сдвиги, складкообразование, нагревы и разломы земной коры, и в ходе этих процессов большая часть ископаемых безвозвратно утрачивается. Затем ископаемое нужно обнаружить. Большая часть ископаемых таится так глубоко под поверхностью земли, что нам они недоступны. Только когда осадочные породы поднимаются на поверхность и подвергаются выветриванию под воздействием ветра и дождя, до них может добраться геологический молоток палеонтолога. Но тут палеонтологу важно не опоздать, поскольку, оказавшись на поверхности, ископаемое быстро разрушается под воздействием того же ветра, дождя и иных погодных факторов.

С учетом всех этих обстоятельств понятно, что палеонтологическая летопись наверняка далеко не полна. Но насколько неполна? По приблизительным подсчетам, общее число видов, когда‑либо существовавших на Земле, составляет от 17 млн (возможно, это число сильно занижено, учитывая, что ныне здравствующих видов по меньшей мере 10 млн) до 4 млрд. Поскольку ученым удалось обнаружить около 250 000 разных видов ископаемых, можно предположить, что у нас есть ископаемые доказательства примерно для 0,1–1 % всех видов – вряд ли этого достаточно для изучения истории жизни! Множество поразительных существ, которые, возможно, когда‑то существовали на Земле, для нас навек утрачены. Тем не менее в нашем распоряжении достаточно ископаемых останков, чтобы мы могли составить четкое представление о ходе эволюции и определить, как основные группы отделялись одна от другой.

По иронии судьбы палеонтологическую летопись изначально начали составлять и упорядочивать вовсе не эволюционисты, а геологи, которые при этом были креационистами и считали, что жизнь зародилась так, как описано в Книге Бытия. Эти ранние геологи попросту упорядочили разные обнаруженные ими слои горной породы, исходя из принципов, основанных на здравом смысле. (Большая часть находок была сделана во время прокладки каналов, сопровождавшей индустриализацию Англии.) Поскольку ископаемые находили в осадочной горной породе, некогда бывшей илом в океанах, реках и озерах (реже находки обнаруживались в песчаных дюнах или в ледниковых отложениях), то более глубокие уровни, или «пласты», геологи по логике вещей считали старше, чем более поверхностные залегания. Более молодые пласты горной породы залегают поверх старых. Однако не все слои горных пород залегают одинаково во всех местах, иногда вода, при посредстве которой формируется осадок, отсутствует.

Следовательно, чтобы создать четкую иерархию пластов горной породы, нужно установить взаимную корреляцию пластов в разных точках света. Если слой одного типа горной породы, содержащий одно и то же ископаемое, встречается в двух разных местах, резонно предположить, что в обоих местах возраст этого слоя одинаков. Поэтому если, предположим, вы нашли четыре слоя горной породы в одном и том же месте (назовем их от поверхностного к самому глубокому АВDE), а потом обнаружили два из этих слоев в другом месте, где они перемежаются другим слоем, BCD, то вы вправе заключить, что эта геологическая летопись включает по меньшей мере пять слоев породы и порядок от недавнего к самому старому – ABCDE. Этот принцип суперпозиции был впервые выведен в XVII в. датским эрудитом Николасом Стено[3], который позже стал архиепископом, а в 1987 г. был беатифицирован папой Иоанном Павлом II, – наверняка единственный в истории случай, когда будущий святой сделал важный вклад в науку. Благодаря опоре на принцип Стено в течение XVIII и XIX вв. геологическая летопись была с великим трудом выстроена по порядку от самого кембрия до голоцена[4]. Пока все идет нормально. Но такая летопись сообщает вам только относительный возраст горной породы (какая порода старше, какая моложе), а не точный их возраст.

Примерно с 1945 г. мы получили возможность установить точный возраст некоторых горных пород при помощи радиоизотопного метода. Некоторые радиоактивные элементы (радиоизотопы) включаются в горную породу вулканического происхождения, когда эта порода кристаллизуется из магмы. Затем изотопы постепенно распадаются с образованием других элементов с постоянной скоростью, которую обычно называют периодом полураспада – это время, в течение которого распадается половина данного количества ядер радиоактивного изотопа. Если нам известны период полураспада, то, какая часть изотопа была в горной породе, когда эта порода сформировалась (геологи способны точно вычислить этот показатель), и то, сколько осталось от изотопа к настоящему времени, то определить возраст горной породы будет сравнительно легко. Разные изотопы распадаются каждый со своей скоростью. Старые горные породы обычно датируют, используя уран‑235, обнаруживаемый в обычном минерале цирконе. У урана‑235 период полураспада составляет около 700 млн лет. Углерод‑14, у которого период полураспада составляет 5730 лет, используют для определения возраста более молодых пород или даже рукотворных артефактов, таких как Кумранские рукописи[5] (они же Свитки Мертвого моря). Несколько изотопов обычно встречаются в горной породе вместе, поэтому можно провести перекрестную проверку датировки, и она неизменно совпадает. Однако горные породы, в которых обнаруживаются ископаемые, – это породы не вулканического происхождения (магматические), а осадочные, и прямая их датировка невозможна. Но в наших силах определить возраст ископаемого, сопоставив осадочные слои с датировкой прилегающих вулканических слоев, содержащих изотопы.

Противники эволюции зачастую оспаривают эти датировки, утверждая, что уровни радиоактивного распада могли измениться или со временем, или вследствие физического воздействия на горную породу. Это возражение, как правило, выдвигают креационисты, отстаивающие идею молодой Земли, которой, по их словам, якобы не более 6000–10 000 лет. Но эта аргументация неверна. Поскольку разные изотопы в горной породе распадаются с разной скоростью, то, если бы скорость распада изменилась, они бы не давали сопоставимой датировки. Более того, период полураспада изотопов не меняется под воздействием экстремальных температур и давления в лабораторных условиях. А когда радиоизотопную датировку можно сопоставить с датировкой по исторической летописи, например как в случае с радиоуглеродным методом, то они неизменно совпадают. Именно благодаря радиоизотопной датировке метеоритов мы знаем, что Земле и Солнечной системе 4,6 млрд лет. (Самые старые горные породы Земли чуточку моложе – образцы из Северной Канады насчитывают 4,3 млрд лет, потому что породы постарше были разрушены при сдвигах земной коры.)

Да, существуют и другие способы проверить точность радиоизотопной датировки. В одном из них применяется биологический метод, и построен он был на оригинальном исследовании ископаемых кораллов. Исследование провел Джон Уэллс из Корнеллского университета. Радиоизотопная датировка показала, что эти кораллы относятся к девонскому периоду, т. е. им 380 млн лет. Однако Уэллсу также удалось выяснить, когда жили эти кораллы, просто внимательно присмотревшись к ним. Уэллс учел тот факт, что трение, производимое океанскими приливами, со временем замедляет скорость вращения Земли. Каждые сутки – т. е. каждый оборот Земли вокруг своей оси – чуть длиннее предыдущих. Не настолько, чтобы вы это заметили: если быть точным, сутки удлиняются примерно на две секунды в 100 000 лет. Поскольку продолжительность года, т. е. период, за который Земля делает один оборот вокруг Солнца, с течением времени не изменяется, это означает, что количество дней в году со временем должно уменьшаться. Зная темп снижения скорости вращения, Уэллс заключил, что, когда жили исследуемые им кораллы (380 млн лет назад, если радиометрическая датировка была верна), каждый год состоял примерно из 396 суток и каждые сутки продолжались 22 часа. Если бы ископаемые каким‑то образом могли сообщить, какова была продолжительность суток при их жизни, мы могли бы проверить, действительно ли она совпадает с 22 часами, спрогнозированными радиоизотопной датировкой.

Однако кораллы и впрямь могут поведать нам об этом, потому что в процессе роста ведут в своих телах летопись того, сколько дней проживают за каждый год. У живых кораллов имеются и годовые, и суточные кольца. У кораллов ископаемых можно увидеть, сколько суточных колец насчитывается между годовыми, т. е. сколько дней было в каждом году, прожитом кораллом. Зная скорость замедления вращения Земли, вызванную приливом, мы можем сравнить «приливной» возраст коралла с «радиоизотопным». Подсчитывая кольца у своих девонских кораллов, Уэллс обнаружил, что эти образцы проживали в год примерно по 400 дней, а это означает, что каждые сутки длились 21,9 часа. Совсем небольшое расхождение с предполагаемыми 22 часами. Эта хитроумная биологическая калибровка позволяет с уверенностью говорить о том, что радиометрическая датировка точна.

Теперь, когда мы знаем, о чем нам может поведать палеонтологическая летопись и чем она ограничена, давайте посмотрим, какие доказательства эволюции она приводит.

Факты

Что в палеонтологической летописи может служить доказательством эволюции? Таких доказательств несколько типов. Во‑первых, наличие широкой эволюционной панорамы: обзор всей последовательности пластов горной породы должен показать, что ранние формы жизни очень просты, а более сложные виды возникли только по прошествии некоторого времени. Кроме того, самые молодые ископаемые, которые мы находим, должны быть ближе всего к ныне существующим биологическим видам.

Мы также должны суметь увидеть случаи эволюционных изменений в ряду поколений, т. е. то, как со временем меняется какое‑нибудь растение или животное, превращаясь в нечто иное. Более поздние виды должны обладать чертами, которые делают их похожими на потомков более ранних видов. И, поскольку история жизни включает в себя разделение видов, происходящих от общих предков, мы должны увидеть это разделение в палеонтологической летописи и найти в ней этих предков. Например, анатомы XIX в., основываясь на физиологическом сходстве, выдвинули гипотезу, что млекопитающие произошли от рептилий. Поэтому мы должны найти ископаемые останки рептилий, у которых имеются признаки млекопитающих. Конечно, поскольку палеонтологическая летопись неполна, не стоит надеяться на то, что удастся документировать каждый переход между основными формами жизни. Но по крайней мере часть их мы должны обнаружить.

Когда Дарвин работал над «Происхождением видов», он жаловался на то, что палеонтологическая летопись крайне скудна. В те времена нам не хватало переходных форм ископаемых, недостающих звеньев между основными группами живых организмов, доказывающих существование эволюции. Некоторые группы, такие как киты, возникли в палеонтологической летописи из ниоткуда, и предки их были неизвестны. Но какие‑то палеонтологические доказательства эволюции у Дарвина все‑таки были. В их число входило наблюдение, согласно которому древние растения и животные разительно отличались от современных видов, и облик их приближался к современным по мере перехода к более поверхностно залегающим, т. е. более поздним пластам горной породы. Дарвин также отметил, что между ископаемыми в соседних пластах больше сходства, чем у тех, которые разделены множеством пластов, и это позволяет предположить, что в прошлом имел место постепенный и длительный процесс дивергенции. Более того, в любом месте ископаемые, найденные в поздних пластах, обнаруживали больше сходства именно с местными современными видами, а не с современными обитателями других краев. Например, ископаемых сумчатых в изобилии находили только в Австралии, а именно там в большинстве своем и обитают современные сумчатые. Это позволяло предположить, что современные виды произошли от ископаемых. (Среди ископаемых сумчатых встречаются самые невероятные млекопитающие, которые когда‑либо жили на Земле: например, гигантский трехметровый кенгуру с плоской мордой, грозными когтями и единственным пальцем на каждой задней лапе[6].)

Чего Дарвину не хватало, так это достаточного количества ископаемых, чтобы предъявить четкое доказательство того, как постепенно менялся каждый биологический вид и какие у видов были общие предки. Но со времен Дарвина палеонтологи успели обнаружить множество ископаемых и подтвердили все прогнозы, которые были перечислены выше. В наши дни мы можем показать длительные процессы изменений в ряду поколений; нам хватает доказательств того, что у разных видов были общие предки и переходные формы (например, были обнаружены те самые недостающие звенья в родословной китов); и мы копнули достаточно глубоко, чтобы добраться до самого зарождения сложных форм жизни.

Общие закономерности

Теперь, когда мы расположили все пласты по порядку и провели их датировку, мы можем прочитать палеонтологическую летопись снизу доверху. На рис. 3 показана упрощенная временная шкала истории жизни. На ней отражены главные биологические и геологические события, которые произошли за последние 3,5 млрд лет{6}. Эта шкала показывает четкую эволюционную картину перехода от простых форм к более сложным. Хотя на рисунке указаны моменты возникновения разных групп, например рептилий и млекопитающих, это не означает, что современные формы появились в палеонтологической летописи внезапно, как бы из ниоткуда. На самом деле мы видим, как начиная с ранних форм происходит постепенная эволюция в большинстве групп (скажем, птицы и млекопитающие миллионы лет назад произошли от рептилиеподобных предков). Существование постепенных переходов между основными группами живых существ, о которых я расскажу ниже, означает, что дата возникновения этих групп может быть проставлена довольно‑таки условно.

Первые организмы, простые фотосинтетические бактерии, появляются в осадочных породах, насчитывающих около 3,5 млрд лет, т. е. миллиард лет спустя после того, как сформировалась планета Земля. Эти одиночные клетки были единственными обитателями Земли на протяжении следующих двух миллиардов лет, по прошествии которых возникают первые простые эукариоты – организмы, у которых были настоящие клетки с ядром и хромосомами. Затем, примерно 600 млн лет спустя, появляется целый спектр относительно простых, но многоклеточных организмов, в том числе черви, медузы и губки. Эти группы в течение последующих нескольких миллионов лет эволюционируют, порождая многообразие форм живых существ, и 400 млн лет назад появляются земные растения и тетраподы (четвероногие животные, самыми первыми из которых были кистепёрые рыбы[7]). Конечно, более ранние группы зачастую сохранялись: фотосинтетические бактерии, губки и черви появляются в самом начале палеонтологической летописи, и они до сих пор с нами.

Спустя 50 млн лет мы уже видим первых настоящих амфибий, а по прошествии еще 50 млн лет появляются и рептилии. Первые млекопитающие выходят на сцену около 250 млн лет назад (как и прогнозировалось, они происходят от предков‑рептилий), а первые птицы, которые также происходят от рептилий, появляются на 50 млн лет позже млекопитающих. После своего появления первые млекопитающие наряду с насекомыми и земными растениями становятся все более разнообразными, и, по мере того как мы приближаемся к верхним пластам породы, ископаемые все больше напоминают современные виды. Люди на этой сцене совсем новички: наша родословная ответвилась от других приматов всего 7 млн лет назад, и на шкале эволюции это узенькая полоска. Чтобы заострить внимание на этом моменте, проводились самые разные и изобретательные аналогии, но его нелишне будет подчеркнуть еще раз. Если весь ход эволюции представить себе как один год, то самые первые бактерии появятся в конце марта, но первых предков человека мы увидим только в 6 часов вечера 31 декабря[8]. Золотой век античной Греции, около 500 г. до н. э., наступит лишь за 30 секунд до полуночи.

Хотя палеонтологическая летопись растений довольно скудна (ведь у них мало твердых частей, которые превращались бы в окаменелости), но характер эволюции в целом прослеживается сходный. Самые древние растения – это мхи и водоросли, следом появляются папоротники, потом хвойные, затем покрытосеменные (цветковые) растения.

Как показывает палеонтологическая летопись, появление биологических видов разворачивалось далеко не случайным образом. Сложным организмам предшествовало появление простых, предполагаемые предки появились раньше потомков, а самые недавние ископаемые больше всех похожи на современные виды. Многие крупные группы, как выяснилось, связаны между собой переходными формами. И никакой теорией особого сотворения – вообще никакой теорией, помимо эволюционной – эти закономерности не объяснишь.

[1] Процесс, при котором происходит превращение останков умерших животных и растений в ископаемые путем замещения органических веществ минеральными, называется фоссилизация (от лат. fossilis – ископаемый). – Прим. ред.

[2] Для сохранения мягких частей тела или тонких структур (таких как перья или лапки членистоногих) требуются особые условия – животные должны были быть моментально погребены (например, под илом или пеплом) в бескислородной среде. Такие типы захоронений называются лагерштетты (например, знаменитые сланцы Бёрджес). – Прим. науч. ред.

[3] Николас Стено, также называемый Нильс Стенсен и Николай Стенон (1638–1686), – датский анатом и биолог. – Прим. пер.

[4] Голоцен – последняя эпоха четвертичного периода (2,588 млн лет назад – настоящее время). – Прим. науч. ред.

[5] Кумранские рукописи – совокупность древних религиозных манускриптов, обнаруженных в пещерах Кумрана, а также в ряде других пещер Иудейской пустыни. Хранятся в так называемом Храме Книги в Иерусалиме. – Прим. ред.

[6] Прокоптодон (гигантский короткомордый кенгуру) – род вымерших плейстоценовых сумчатых, открытый Ричардом Оуэном. – Прим. науч. ред.

6

Обратите внимание на то, что на протяжении первой половины истории жизни на Земле единственным биологическим видом были бактерии. Сложные многоклеточные организмы появились лишь в последние 15 % истории жизни. Чтобы увидеть эволюционную временную шкалу в подлинном масштабе, показывающую, насколько недавно появились многие знакомые нам формы жизни, пройдите по ссылке htpp://andabien.com/html/evolution‑time‑line.htm и проматывайте вниз.

[7] Кистепёрые рыбы – надотряд лопастепёрых рыб. Почти полностью вымерли, и только семейство латимериевые представлено ныне живущим видом. Имеют парные плавники, основанием которых служит мясистая, вытянутая, покрытая крупной чешуей лопасть, на конце которой располагаются лучи плавника. Плавники снабжены внутренним скелетом, состоящим из нескольких разветвленных в форме кисти костей. Кистепёрые большую часть времени проводили на дне, по которому передвигались, опираясь на плавники. До начала XX в. кистепёрые считались вымершей группой В 1938 г. в устье реки в Южной Африке была поймана живая кистепёрая рыба, которую назвали латимерией. Позже была открыта популяция из 500 особей кистепёрых рыб близ Коморских островов. Латимерий в научно‑популярной литературе могут называть целакантами. – Прим. ред.

[8] Подобную схему «Эволюция, сжатая до трех дней», излагает главный герой романа Джона Апдайка «Кентавр» на уроке биологии. – Прим. пер.