Из-за чего ископаемые раковины меняют направление завитка каждые несколько тысячелетий?

Тайна фораминифер, внезапно меняющих вектор закручивания раковин, может указывать на масштабный эволюционный феномен глобального характера

На протяжении тысячелетий, а порой и миллионов лет, морской планктон по всему земному шару формировал свои спиралевидные панцири в едином направлении. Однако в определенный момент спираль синхронно меняла ориентацию везде и сразу, чтобы спустя эпохи вновь совершить обратный поворот.

Речь идет о фораминиферах — микроорганизмах, населяющих все океаны планеты от тропиков до полярных областей и составляющих основу биомассы эукариотов. Эти одноклеточные протисты строят прочный минеральный каркас, пронизанный микроскопическими порами. Хотя большинство видов обитает на бентали, планктонные представители дрейфуют вместе с течениями. После гибели их раковины оседают на дно, формируя уникальную летопись климатической истории Земли, насчитывающую около 560 миллионов лет.

Анализируя видовое разнообразие и геохимический состав этих окаменелостей, ученые реконструируют прошлое океанов и климата. Со временем исследователи обратили внимание на любопытную деталь: многие спиральные фораминиферы демонстрируют четкое предпочтение левой или правой закрутки. У некоторых таксонов до 97% популяции обладают идентичной ориентацией панциря. Тем не менее, в геологической истории фиксируются моменты, когда новый тип закручивания стремительно захватывает мировой океан. С момента открытия этого феномена в 1950-х годах научное сообщество безуспешно пытается разгадать, что заставляет квадриллионы простейших одновременно перестраивать геометрию раковин.

Недавно группа микропалеонтологов сопоставила данные о хиральности нескольких видов фораминифер за последние 56 миллионов лет. Ранее предполагалось, что подобные сдвиги вызваны температурными колебаниями или климатическими перестройками. Однако авторы нового изыскания выдвинули иную гипотезу: сама по себе форма закрутки не является адаптацией к среде, а служит лишь случайным индикатором глобального эволюционного сдвига, который зарождается в небольшой локальной группе, а затем охватывает все океанические бассейны.

«Пожалуй, это первый случай, когда специалисты по биостратиграфии далекого прошлого объединили свои усилия с биологами, изучающими современные организмы», — отмечает Жюли Мейян из французского института Cerege, не принимавшая участия в проекте. По ее словам, синергия палеонтологических архивов и современных генетических данных открывает принципиально новые перспективы для исследований.

Эта работа проливает свет на давнюю загадку, предоставляя уникальную возможность проследить за тем, как именно новые биологические признаки распространяются среди гигантских популяций.

Летопись спиральных метаморфоз

Данный феномен впервые привлек внимание ученых на заре 1950-х годов, когда развитие глубоководного бурения позволило извлекать и изучать стратиграфические колонки донных отложений. Швейцарский микропалеонтолог Ханс Болли заметил, что некоторые группы планктонных фораминифер тяготеют к определенной ориентации раковин, которая со временем способна меняться.

Классическое объяснение этой аномалии было предложено в исследовании 1959 года. Морской геолог Дэвид Эриксон из Ламонт-Доэрти исследовал сотни раковин вида Neogloboquadrina pachyderma из Северной Атлантики и пришел к выводу, что в ледниковые эпохи панцири закручивались влево, а в межледниковья — вправо.

Не зная точных причин такой корреляции, он связал ее с температурным фактором. Однако по мере накопления новых образцов из разных уголков планеты и развития генетики эта гипотеза начала трещать по швам.

В 2006 году Кейт Дарлинг из Стерлингского университета доказала с помощью генетического анализа, что за N. pachyderma скрываются два самостоятельных вида, каждый из которых обладает собственной хиральностью. Позднее, в 2013 году, палеобиолог Юрика Удзииэ выяснила, что геометрия раковин не коррелирует напрямую с температурой воды.

Каждое новое открытие ставило под сомнение выводы Эриксона. Кроме того, оставалось неясным, какую эволюционную выгоду может давать одноклеточному организму определенное направление закрутки. Проблема вновь погрузилась в туман неопределенности.

Ситуация изменилась, когда за дело взялась команда Бриджет Уэйд из Университетского колледжа Лондона. Проанализировав многолетние керны, исследователи обнаружили удивительную закономерность: сразу несколько видов фораминифер меняли направление спирали синхронно в разных океанах и на разных широтах. Столь масштабный характер процесса исключал температурную версию как единственно верную.

Чтобы верифицировать догадку, группа Уэйд обобщила полувековой массив данных. Выяснилось, что Paragloborotalia siakensis около 15 миллионов лет назад перешла на левостороннее закручивание, а Globorotalia scitula продемонстрировала две смены вектора за тот же период. Подобная стабильность на протяжении миллионов лет сменялась мгновенными, с геологической точки зрения, перестройками.

Особенно показательна история Pulleniatina obliquiloculata, до сих пор обитающей в тропических водах. Последние 860 тысяч лет ее панцирь закручен вправо, но до этого вид пережил целую череду стремительных глобальных инверсий.

Скорость этих изменений исключает сценарий медленной эволюции. По словам Уэйд, масштаб явления указывает на глобальные механизмы перестройки популяций.

Эволюционный подтекст

Как объяснить планетарный масштаб смены хиральности? Океан представляет собой мозаику биотопов с различными параметрами среды. Точно так же за видимым единообразием вида может скрываться множество криптических (скрытых) таксонов. Ранее генетический анализ неоднократно доказывал, что организмы с идентичной морфологией раковин на деле принадлежат к разным видам.

Гипотеза команды Уэйд заключается в следующем: если один из таких скрытых подвидов приобретает ключевое адаптивное преимущество, океанические течения и эволюционный успех разносят его по всему свету, вытесняя конкурентов. В результате доминирующим становится и новое направление закрутки панциря.

«Смена направления свидетельствует о процессе видообразования», — убеждена профессор Дарлинг.

Будь то появление нового вида или генетической вариации, успех мутации обеспечил организмам колоссальное превосходство. Уэйд проводит параллель с распространением штаммов COVID-19: удачная мутация позволяет варианту вируса стремительно вытеснять конкурентов на глобальном уровне.

Тем не менее, Юрика Удзииэ призывает не делать преждевременных выводов о прямой связи между генотипом и хиральностью. Генетическая база у этого признака, безусловно, есть, но право- и левозакрученные особи не обязательно формируют изолированные популяции.

Остается открытым и вопрос, почему феномен асимметрии характерен лишь для части планктонных видов, тогда как другие демонстрируют равновесие 50 на 50 в распределении форм. Единого мнения в научном сообществе пока не сформировалось.

Мейян, исследующая культивируемые образцы в лаборатории, отмечает несоответствие лабораторных данных природным показателям. По ее мнению, механизмы хиральности многофакторны и включают генетику, рекомбинацию, влияние среды и элемент чистой случайности.

Хотя глобальная смена геометрии раковин кажется загадочной, исследователи напоминают: события, кажущиеся мгновенными в масштабах геологии, в реальности могли занимать тысячелетия — срок, вполне достаточный для циркуляции вод Мирового океана.

Вполне вероятно, что аналогичные эволюционные процессы происходят и у других морских обитателей, однако зафиксировать их без столь явных маркеров, как панцири фораминифер, крайне сложно. Именно поэтому изучение спиральных инверсий открывает уникальное окно в динамику макроэволюции.

 

Источник