«Идеальный» уровень кислорода

Интереснейшим фактом эволюции жизни является то, что очень многие современные группы сухопутных животных возникли в течение небольшого в геологическом смысле интервала — во времена позднего палеозоя, когда концентрации кислорода в атмосфере превышали современный его уровень. Так произошло со многими современными позвоночными, включая первых представителей семейств, в дальнейшем превратившихся в ящериц, черепах, крокодилов и млекопитающих. Однако не только эволюция сухопутных позвоночных отражает данный факт, но и бурное развитие сухопутных беспозвоночных — насекомых, паукообразных, сухопутных улиток, которое также началось в каменноугольном периоде, более 300 млн лет назад. Результаты экспериментов последних пяти лет показывают, что существует некий «волшебный» уровень кислорода, стимулирующий самый быстрый рост эмбрионов в яйцах сухопутных позвоночных и насекомых. Этот уровень кислорода — 27 % от общего объема газов в атмосфере.

Современный уровень — 21 % Наблюдения за аллигаторами и насекомыми свидетельствуют, что для наиболее успешного развития зародышей этих организмов оптимальными являются 27 % кислорода в атмосфере. Яйца, которые помещали в инкубаторы с содержанием кислорода либо ниже, либо выше данного уровня, демонстрировали более длительное развитие и более позднее появление детенышей. При уровне кислорода около 10–12 %, как в позднем триасе, многие или даже все яйца вообще не созревали, а если и происходило появление живых детенышей, то после такого долгого периода развития, что в естественных условиях, в живой природе, их просто давно бы съели хищники. Если к данному уравнению добавить еще температурную составляющую, а именно очень высокую температуру, то уровень выживаемости зародышей становится еще ниже, поскольку яйцам необходимы поры для проникновения внутрь кислорода, но чем больше пор, тем быстрее из яйца испаряется вода, что приводит к скорой гибели зародышей. Самым худшим для выживаемости зародышей в яйце можно считать сочетание, когда уровень атмосферного кислорода составляет 10–12 %, температура окружающей среды выше современных показателей, а воздух — намного суше. Такое время нам известно, это — поздний триас. Яйцекладущие существа того периода находились в очень трудном положении.

Проблема в том, что рептилии начали развиваться в мире с относительно высоким уровнем кислорода — карбоне, когда содержание кислорода в атмосфере составляло выше 27 %. Те первые рептилии стали первыми существами, у которых возникли амниотические яйца. Но с падением уровня кислорода и общемировым возрастанием температуры яйца первых пресмыкающихся могли оказаться смертельными ловушками: внутрь яйца поступало недостаточно кислорода, а наружу испарялось слишком много влаги. По-видимому, реакцией на такое изменение условий среды явилось развитие живорождения. Такое направление эволюции могло стать решением проблемы низкого уровня кислорода и жары (которая усугубляла последствия падения концентрации кислорода в атмосфере) в позднем пермском периоде. Несмотря на то что в Южной Африке, России и Южной Америке было найдено множество окаменелостей терапсид, в тех же породах ни разу не были обнаружены ни яйца, ни гнезда. Скорее всего, к тому времени терапсиды уже были живородящими, а в дальнейшем эта характеристика сохранилась и у их потомков — млекопитающих, самые древние останки которых относятся примерно к тому же времени, что и первые ископаемые динозавры. Предположительно многие группы динозавров стали яйцекладущими в позднем юрском периоде в ответ на повышение уровня кислорода. Формирование яиц с твердой скорлупой, которые потом закапывали, не представлялось возможным в интервале между поздним пермским периодом и до середины юры, поскольку содержание кислорода в атмосфере было очень невелико.

Недостаток кислорода и жаркий климат перми и триаса создали условия для эволюции живорождения, а также развития кожистых яиц — более приспособленных для газообмена, при котором кислород проникает внутрь, а углекислый газ выходит наружу. Позднее, в позднем юрском периоде и на протяжении мела, когда уровень кислорода вырос, а температура оставалась высокой, у динозавров стало возможным появление яиц с твердой кальцитной скорлупой, а также гнезд, в которые эти яйца закапывали.

Характерные особенности метаболизма, а также различные способы размножения — живорождение, откладывание яиц — являются важнейшими биологическими признаками древних организмов и в ближайшем будущем станут основными темами исследований в соответствующих областях знаний. К сожалению, проблема времени происхождения и распространения той или иной стратегии воспроизводства может оказаться неразрешимой, поскольку мы по-прежнему не располагаем ископаемыми образцами кожистых яиц.