Если же обратиться к ископаемой летописи, то окажется, что предки всех позвоночных были активно плавающими хищниками с фосфатными зубами, а позднее и другими деталями скелета. Их образу жизни мы — потомки этих первых хищников — и обязаны своим слаборастворимым, прочным и в то же время удивительно гибким скелетом. А вот, скажем, ближайшие скелетные родственники позвоночных — иглокожие — предпочли в те же времена облегчить себе жизнь, соорудив скелет из магнезиальнокальцитовых пластинок. С тех пор и ползают неспешно по дну, не освоив ни суши, ни даже слегка опресненных водоемов.
И первые позвоночные, и иглокожие, и практически все другие скелетные организмы (моллюски, брахиоподы, членистоногие, кораллы, губки) обрели минеральный скелет по геологическим меркам единовременно — за какие-то 35 миллионов лет. Можно было бы связать всеобщую ске-летизацию с очередным изменением состава океанических вод, но подобные события происходили и до, и после, не особенно влияя на количество скелетных организмов. Да и невозможно объяснить какими-либо внешними причинами единовременное появление скелетов и наружных, и внутренних, и известковых, и фосфатных, а если добавить губок — то и кремневых.
Но в природе ничего случайно не происходит. До сих пор мы обращали внимание на состав скелета. А в чем его предназначение? Самое простое объяснение: изначально скелет был свалкой лишних ионов, от которых сложно было совсем избавиться, удалив во внешнюю среду. Да и про запас их можно было вполне оставить: дополнительные ионы кальция и фосфата время от времени требуются для различных нужд организма. К тому же с помощью скелетных отложений можно избавиться от неприятных инородных тел — в результате такого процесса в раковинах дву-створок появляются жемчужины — слоистые оболочки из арагонитовых пластинок.
Конечно, не в последнюю очередь скелет — это опорная конструкция, на которой крепятся мышцы. Не будь такой внутренней или внешней опоры, многие организмы (позвоночные, членистоногие, улитки, морские ежи, которые ходят на иглах) не смогли бы двинуться с места. Опора нужна и тем из них, кто всю жизнь, наоборот, сидит на одном месте: благодаря скелету кораллы выдерживают шторма, а губки приподнимаются над поверхностью морского дна, чтобы перепад давления в водяном столбе вызвал восходящие течения в организме, необходимые для их питания. «А еще я им ем», — можно было бы перефразировать высказывание одного из анекдотических персонажей. Ведь зубы и челюсти позвоночных, клешни и прочие «ногоконечности» ракообразных, радула хитонов и других моллюсков, ажурный, но очень прочный жевательный аппарат морских ежей (аристотелев фонарь) — это тоже скелет. Без таких важных скелетных частей ротового аппарата пищу не добыть и не измельчить.
Скелет помогает видеть, хотя и не всем. Магнезиаль-нокальцитовые линзы в сложных глазах давно вымерших членистоногих — трилобитов — и современных морских звезд и змеехвосток благодаря высокой чистоте и форме уменьшают искажения и рассеивание. У рыб и некоторых бесчелюстных позвоночных часть скелета — жаберные дуги — это еще и элементы дыхательной системы. Костные выросты черепа — рога и воротники — динозавры, вероятно, использовали для демонстрации во время брачных игр, так же как ныне используют бивни хоботные. Костные пластины, протянувшиеся вдоль хребта стегозавра, возможно, служили для отвода тепла, охлаждая кровь этих гигантов. Нанокристаллы магнетита позволяют тунцам, морским черепахам, китам, голубям и пчелам ориентироваться в пространстве, используя естественную карту магнитного поля Земли. А отолиты — известковые микростяжения, расположенные в органах равновесия у рыб, — помогают им определить, где верх и низ в водной тоще.
И конечно, скелет — это надежная защита. Не случайно выражения «спрятаться в раковину» или «вжаться в панцирь» означают «найти укрытие». Любая часть скелета, скажем пластинка хитона или чешуя рыбы, — это многослойный, то есть многоуровневый, элемент защиты. Благодаря различному взаимному расположению, а иногда и минералогическому составу микрокристаллов в такой пластинке, как показали исследования биохимиков Кристин Ортиз и Мэри Бойс из Массачусетского технологического института, образуются микрослои, одни из которых устойчивы к сдавливанию, другие — к скручиванию, третьи — на излом. Самый внешний слой обычно еще противостоит растворению. Каждый отдельный микрокристалл одет в органическую оболочку, а расположены микрокристаллы спиральными столбиками. И все это усиливает скелет. Но и сам микрокристалл — это не единое целое, а конструкция из мириад наноразмерных кристаллитов. Такие наногранулы тоже имеют свои органические оболочки, которые позволяют им вращаться или раздвигаться. Благодаря высокой пластичности кости и раковины и оказываются такими прочными: сила нажима или удара гасится органическими оболочками и обратимым смещением пластин и наногранул, а развитие трещин тормозится. Например, арагонитовый перламутр оказывается в тысячу раз прочнее и в десять раз тверже, чем природные кристаллы арагонита.
Такие качества существенно помогают экономить на толщине скелета: ведь увеличение массы скелета в два раза, согласно расчетам зоолога Ричарда Палмера из Университета Альберты, ведет к троекратному повышению затрат на его перемещение (скелет дома не оставишь). Некоторые стеклянные губки, чтобы закрепиться на дне, создают спикулы до метра длиной и притом всего миллиметр в диаметре. Благодаря многочисленным органическим прослойкам такое стеклянное волокно можно свернуть кольцом, и оно не порвется. Основа прочности биокомпозитов в их многоуровневом — иерархическом — строении, благодаря которому каждая степень защиты не просто дублируется, а дублируется тысячекратно. Вот где скрываются подлинные нанотехнологии!
Благодаря деятельности бактериальных сообществ, населявших Землю миллиарды лет назад, человечество оказалось обеспечено железной рудой. Этот период в истории планеты называется сидерий — буквально: «железный век». Теперь люди хотят приспособить мельчайших существ к созданию высокотехнологичных материалов. Один из видов пресноводных бактерий—Magnetospirillum magneticum — выделяет микрокристаллы магнитного железняка и поглощает ионы железа, а затем использует их для ориентации в магнитном поле Земли, как компас. Группа биохимика Сары Стэйнайленд из Университета Лидса и Токийского университета сельского хозяйства и технологии смогла «приручить» подобных бактерий. Им удалось получить наночастицы магнетита на основе бактериального белка, контролирующего минерализацию при комнатной температуре. Белок выполнял в опытах двойную функцию — контролировал образование частиц определенного размера и формы, а также их укладку на поверхности закономерным образом. Разглядывая совершенные биокомпозиты (а они еще и удивительно красивы: перламутр ведь используется в дорогих ювелирных украшениях), ученые пытаются хоть отчасти воссоздать их качества в искусственной керамике и полимерах. И тогда, чтобы защититься от порезов, достаточно будет нанести на пальцы тончайшее, практически невидимое покрытие из органокристаллических чешуек; дантисты и производители зубных паст станут безработными, от пули спасет бронежилет весом в несколько граммов, а бесполезная масса космических ракет, в отличие от их полезной массы, сократится в разы. Да и в починку в случае чего биокомпозит нести не нужно: сам восстановится.
Но почему все эти минеральные изыски понадобились животным именно в начале кембрийского периода? Ответ достаточно прост: в океане появились макрофаги — крупные хищники. И если первые раковинки, скажем, моллюсков состояли всего из двух-трех разных по микроструктуре слоев, то к концу следующего, ордовикского, периода таких слоев насчитывалось до пяти-семи. Но и хищники не отставали: их зубы и клешни тоже становились прочнее и совершеннее. И если жертвы довольствовались известковой или кремневой защитой, выдерживающей давление 1–5 тысяч атмосфер (тоже немало), хищники взламывали ее фосфатными орудиями, достаточно жесткими, чтобы не сломаться и при 600 миллионах атмосфер! Даже зубы жвачных животных — это орудие нападения, от которого травы пытаются защищаться с помощью кремневых фитолитов.
Так началась эскалация вооружений — одна из важнейших составляющих мировой эволюции.
Кто быстрее всех бегает? Из всем известных животных гепард (120 километров в час) и гончая (110 километров в час). А в остаточных прериях Северной Америки обитает вилорог — нечто среднее между антилопой, жирафом и оленем. Американский вилорог — самое резвое животное этого континента, причем быстро бегать он научился не сейчас, а несколько сотен тысяч лет назад, когда вилорогов «тренировал» мирациноникс (Miracinonyx), вымерший родственник гепарда и пумы.
Кто быстрее всех плавает? Рыба-меч (90 километров в час), марлин — герой повести Эрнеста Хемингуэя «Старик и море» (80 километров в час) и касатка (65 километров в час). Кто быстрее всех летает? Сапсан, пикирующий на скорости 290 километров в час. Глубже всех из животных с легочным дыханием погружаются кожистая черепаха (1200 метров), кашалот (1140 метров) и кит-горбач (500 метров). Последние при этом задерживают дыхание на 75 и 120 минут соответственно. Самое быстрое зрительное восприятие у стрекоз: 200 кадров в секунду (мир они видят таким, как мы, глядя на кинокадры ускоренной съемки). Самое острое зрение у гигантских кальмаров и хищных птиц — в десять раз острее нашего: муравья орел видит с высоты десятиэтажного дома. Самую прочную нить прядет паук дарвинов церострис (Caerostris darwini) с Мадагаскара: его шелковая паутина может занимать площадь 2,8 квадратных метра, а отдельные нити, на которых она подвешена над речками и озерами, протягиваются на 25 метров. На разрыв такая паутина выдерживает нагрузку в 3,5 тонны на квадратный миллиметр — в десять раз прочнее кевлара, используемого альпинистами.
Что общего у всех этих животных? Они — хищники.
И конечно, у хищников — самые большие зубы: на пятнадцать сантиметров они выступают из челюстей главного киногероя среди динозавров — тираннозавра и другого любимца творцов и зрителей палеозооужастиков — мегалодона. Мегалодон, кстати, — вовсе не большая белая акула {Carcharodon), а представитель другой линии этих хрящевых рыб — отод (Otodus). Белые акулы появились примерно 55 миллионов лет назад в холодных водах зоны апвеллинга — там, где глубинные течения выносят на поверхность огромные массы растворенного фосфата, на котором развиваются водоросли, а далее по ступеням пищевой пирамиды — рачки и мелкая рыбешка — рыба покрупнее — рыбоядные птицы, тюлени и киты. Эту пирамиду и увенчали белые акулы с уплощенными пилообразными зубами, предназначенными для нарезки плоти. Мегалодоны же возникли 60 миллионов лет назад в тепло-водных морях, где пищей им служили в основном сирены и киты. В отличие от холодноводных родичей мегалодоны перекусывали свои жертвы вместе с костями, которые дробили массивными пилообразными зубами с крепкими корнями. Около двух миллионов лет назад они вымерли, не пережив похолодания. Биофизик Стивен Вре из Университета Новой Англии и его коллеги создали трехмерную модель челюстей мегалодона со всей мускульной системой и на ее основе рассчитали, что эти мощные челюсти развивали давление 110–180 тысяч ньютонов. Что это такое? Ну представьте, что с пятого этажа на вас упал танк… Сравниться с мегалодоном мог только тираннозавр — 34 тысячи ньютонов, что в три раза мощнее, чем укус аллигатора (10 тысяч ньютонов, не говоря уж о льве — 4 тысячи, волке—2 тысячи или человеке — около тысячи). И размер этих челюстей был такой, что в разинутую пасть мегалодона свободно мог встать человек (если бы захотел, конечно). На вольных реконструкциях в пасть этой акулы ставят и пять-шесть человек (что ей вряд ли бы понравилось), а саму рыбу вытягивают до 20–21 метра. Более вероятно, что размер мегахищника не превышал 14–16 метров; это тоже немало — в 2–2,5 раза крупнее современной белой акулы.
Один из крупнейших донных кембрийских хищников — членистоногое Phytophilaspis pergamena (длина 15 сантиметров); река Лена, Республика Саха (Якутия); 515 миллионов лет. Палеонтологический институт РАН
В раннекембрийскую эпоху моря впервые наводнили многоклеточные хищники, быстро составив почти треть видового разнообразия кембрийского океана. В толще воды плавали большеглазые аномалокаридиды с огромными членистыми предротовыми придатками; гребневики с клейкими щупальцами; морские стрелки, или щетинко-челюстные, с парным набором мощных подвижных крюч-ковидных хватательных щетинок (их фосфатизировэнные ископаемые остатки называют протоконодонтами); позднее — конодонтоносцы и медузы. По дну сновали различные членистоногие с прокалывающими и ударными конечностями. Зарывшись в ил, на дне таились головохоботные черви: они резко выворачивали свои усаженные острыми крючьями хоботки и захватывали любого, кто по неосторожности оказывался на краю норки. Если у самых больших современных головохоботных — приапулид — размер ротового отверстия не превышает нескольких миллиметров, то у их раннекембрийских предшественников поперечник рта с режущими зубными пластинами достигал 20 сантиметров, а сами они, вероятно, вырастали до метра и больше длиной. О пищевых предпочтениях этих животных можно судить по содержимому их ископаемых желудков (кололитов) и испражнений (копролитов), остаткам трапезы в норке. Все это набито десятками ске-летиков хиолитов, трилобитов, кольчатых червей и других существ того времени.
Именно в кембрийском периоде гонка вооружений вызвала небывалое по темпам видообразование: скорость появления новых видов в кембрийских морях, по оценкам палеонтолога Майкла Ли и его соавторов из Университета Аделаиды, в четыре-пять раз превышала таковую во все последующие периоды. Ведь кембрийские хищники были первыми. Можно сказать, их зубами, когтями, челюстями и прочими хватательными придатками была выстроена сложная пищевая пирамида; часть животных, вынужденных искать убежище в грунте, взрыхлила его и тем самым способствовала проникновению в глубь осадка обогащенных кислородом вод, сделав его пригодным для жизни.
Под прессом хищников на дне среди тех, кого ели, оставалось все меньше пассивно лежащих животных — весь мир задвигался. Ведь не будешь двигаться — быстро съедят. Это не метафора: если в начале раннекембрийской эпохи доля подвижных донных организмов составляла менее 40 процентов, а нектонных (плавающих в толще воды) вообще не было, то концу кембрийского периода доля первых достигла 60 процентов, а вторых — 20 процентов (итого — 80 процентов). Значит, тех, кто вел себя слишком пассивно, и правда съели… Ну, не совсем всех, конечно. Просто сам мир стал на порядок разнообразнее, и опять же за счет хищников: ведь на любой рот всегда найдется рот побольше, а на него — еще больше, а… Эту закономерность уже хорошо представляли себе творческие люди Возрождения: известная гравюра фламандского художника Питера Брейгеля Старшего, которую ушлые торговцы своего времени, правда, выставляли под именем более продаваемого Иеронима Босха, так и подписана — «Взгляни, мой сын, я давно знаю, что крупная рыба пожирает мелкую». И показана на ней длинная пищевая цепочка, где из пасти самой большой рыбы торчит просто большая, у той — поменьше…
А чтобы спрятаться от больших глаз кембрийских хищников и не попасть в их большие зубы, оказавшись в конце концов в большом копролите, животные кембрийского периода изобрели защитную окраску. Даже не различая цвета их раковин и покровных пластинок, мы можем уверенно судить и об этом. Зоолог Эндрю Паркер из Музея естественной истории в Лондоне показал, что панцири и покровы у многих мелких членистоногих и кольчатых червей были покрыты тончайшими параллельными ребрышками: под преломленными в водной среде лучами солнца этот микрорельеф срабатывал как дифракционная решетка, превращая своих хозяев в радужно ярких, но расплывчатых, мельтешащих солнечных зайчиков непонятного размера. А именно оценка размера и направления движения — это основные параметры, по которым хищник оценивает, куда направляется жертва, и по зубам ли она ему вообще? Да и попробуй поймать солнечного зайчика…