Hox-генов, а также регуляторная система, определяющая действие конкретных Hox-генов в конкретных участках тела, где расположены подчиненные ему гены.
А почему Hox-гены разных видов организмов так похожи? Тот факт, что группы животных, которые уже различались между собой в кембрийском периоде (как членистоногие и хордовые), имеют очень похожие Нох-гены, означает, что они приобрели эти гены от общего предшественника, жившего в докембрийском периоде. Это логично. Весьма маловероятно, что все животные кембрийского периода получили одинаковые гены независимым путем. С таким же успехом можно утверждать, что внешнее сходство братьев и сестер (светлые волосы, голубые глаза и светлая кожа или темные волосы, карие глаза и смуглая кожа) не имеет никакого отношения к наследованию, а является результатом влияния окружающей среды. Конечно, можно предположить, что животные кембрийского периода обменивались генами путем горизонтального переноса или полового размножения, но это значит, что у них был некий способ обмена генами, которого сейчас уже не существует. Омар может попытаться скреститься с медузой, но вряд ли из этого что-нибудь получится. Гораздо логичнее предположить, что Нох-гены достались разным кембрийским животным по наследству от общего предка. В таком случае Нох-гены — базовый набор генов, необходимых для развития сегментов и частей тела, таких как голова с усиками и с глазами на каждой стороне, — должны были появиться до кембрийского взрыва. Эти генетические доказательства в сочетании с палеонтологическими находками ограничивают значение кембрийского взрыва. Это не был взрыв в диверсификации первых многоклеточных животных, поскольку они, по-видимому, возникли более 600 млн лет назад. Это не был взрыв в развитии крупных животных, поскольку такие животные, вендобионты («мешки протоплазмы»), существовали уже 570 млн лет назад. Нет, кембрийский взрыв в первую очередь стал взрывом в диверсификации сегментированных двустороннесимметричных животных, напоминающих современных ракообразных.
Как утверждают палеонтолог Эндрю Нолл из Гарвардского университета и его коллега молекулярный биолог Шон Кэролл из Университета Висконсина, кембрийский взрыв, возможно, был связан с изменением схемы взаимодействий между регуляторными Нох-генами и генами, находящимися под их контролем. Перемешивание и удвоение Нох-генов позволили уже существующим генам взять на себя новые обязанности. Количество Нох-генов строго коррелирует с морфологической сложностью организма. Так, у нематод, отличающихся простой структурой, есть лишь один кластер Ноx-генов, а у млекопитающих 38 Нох-генов собраны в четыре кластера. Забавно, что золотые рыбки имеют 48 таких генов, распределенных по семи кластерам: в биологии не бывает идеальных корреляций. В целом удвоение Нох-генов обеспечило репликацию и последующую эволюционную модификацию повторяющихся частей тела. Если есть запасные части тела, проще осуществить их усложнение и присвоить специфическую функцию. Например, у предков членистоногих животных (к которым относятся современные насекомые и ракообразные) произошли небольшие изменения в работе одного Ноx-гена, в результате чего на прежде пустом сегменте тела появились новые отростки, которые затем эволюционировали в антенны, челюсти, усики и даже половые органы[21]. Хотя многие детали этого процесса пока не изучены, главный вопрос изменился и теперь звучит не «Как?», а «Почему сейчас?» (точнее, «Почему тогда?»). Нолл и Кэрролл считают, что кембрийский взрыв произошел благодаря сочетанию генетических возможностей и факторов окружающей среды, главным из которых, скорее всего, был кислород.
Долгое спокойствие Земли, установившееся 2,3 — 2 млрд лет назад, вновь было нарушено чередой оледенений, начавшихся примерно 750 млн лет назад. На сей раз это оказалось не единичное событие, вызванное исчерпанием парникового газа метана, а растянувшаяся на 160 млн лет серия климатических изменений, включавших в себя четыре ледниковых периода, два из которых — стуртианское (750 млн лет назад) и варангерское (600 млн лет назад) — были, возможно, самыми суровыми за всю историю Земли.
Мы точно не знаем, что стало причиной этой драматической серии событий. Наиболее правдоподобное объяснение заключается в том, что в этот период все континенты собрались воедино где-то в области экватора[22]и, следовательно, вся поверхность суши была свободна ото льда. Чтобы понять, какое это имеет значение, давайте посмотрим, что происходит, когда горы подвергаются воздействию воздуха или теплого океана, насыщенного углекислым газом. Горы эродируют под действием растворенного углекислого газа, который обладает слабо выраженными кислотными свойствами. В ходе реакции углекислый газ удаляется из воздуха и связывается в осадочных породах (карбонатах). Но в период оледенения горы изолированы от воздуха толстым слоем льда, так что скорость эрозии гор под действием углекислого газа значительно снижается, и углекислый газ остается в воздухе. Он даже накапливается, поскольку с более или менее постоянной скоростью поступает в атмосферу в результате вулканической активности.
Со временем этот прирост концентрации углекислого газа в воздухе может стать очень заметным. Углекислый газ — один из парниковых газов, так что его накопление способствует разогреву поверхности Земли. Глобальное потепление в конечном итоге останавливает распространение полярных льдов. Например, в наши дни распространению полярных льдов к экватору препятствует парниковый эффект, который усиливается при наступлении ледников и ослабевает при их отступлении.
Теперь посмотрим, что происходит, если полярные льды покрывают не сушу, а океаны. Именно это произошло при превращении Земли в «снежок» в конце докембрийского периода. Поскольку все континенты собрались вместе в области экватора, полярные льды покрывали только поверхность воды. Эти ледники не влияли на скорость выветривания континентальных гор. И горы продолжали выкачивать из воздуха углекислый газ. Уровень СО2 в атмосфере начал снижаться. Это привело к «антипарниковому» эффекту и способствовало наступлению ледников. Это наступление невозможно было остановить, поскольку собравшиеся на экваторе континенты продолжали выкачивать углекислый газ из атмосферы. Хуже того, подступавшие к экватору льды отражали солнечный свет и тепло, еще сильнее охлаждая планету. В какой-то момент вся Земля оказалась покрыта льдом. Лед отражал так много тепла и света, что Земля вполне могла превратиться в «снежок» навсегда. Но сейчас Земля — не «снежок». Каким-то образом порочный круг был разорван. Как это произошло?
Когда экваториальные континенты скрылись под толщей льда, горы перестали поглощать углекислый газ. Жидкая вода на поверхности планеты отсутствовала, вода не испарялась, не было дождей. В атмосфере осталось сколько-то углекислого газа, но всякий обмен между воздухом и замерзшими океанами и скрытой под слоем льда сушей прекратился. Однако глубоко под поверхностью Земли продолжалась вулканическая активность, которую ледяная корка заморозить не смогла. Активные вулканы прорывались через слой льда и выбрасывали в воздух газы, в том числе СО2. За миллионы лет углекислый газ вновь накопился в атмосфере и стал согревать Землю. Ледники начали таять, все больше солнечного тепла оставалось на Земле и все меньше отражалось. Порочный круг завертелся в обратную сторону. Но расположение континентов вокруг экватора диктовало свои правила игры, и поэтому дьявольский цикл замораживания и оттаивания повторился четыре раза, пока континенты наконец не расползлись в четырех направлениях в результате смещения тектонических плит.
Конечно, это гипотетический сценарий, однако Джозеф Киршвинк и другие ученые привели неоспоримые доказательства того, что в тот период ледники подходили практически вплотную к линии экватора. Их выводы подтверждаются наличием в горах Намибии и в других местах так называемых покровных (или венчающих) карбонатов. Название говорит само за себя: покровные карбонаты — это слои известняка толщиной до нескольких сотен метров, покрывающие отложения, возникшие во время ледниковых периодов или сразу после них. На протяжении многих лет связь этих отложений с ледниками казалась парадоксом, поскольку карбонатные отложения обычно формируются только в теплой океанской воде и в присутствии большого количества углекислого газа, а эти условия абсолютно несовместимы с условиями оледенения. Объяснение было найдено в 1998 г. усилиями геологов Пола Хоффмана и Дэна Шрега из Гарвардского университета. Они показали, что для таяния льдов нужно в 350 раз больше углекислого газа, чем его содержится в современной атмосфере. Но когда необходимый объем газа был накоплен, а отражение солнечного света ледяной Землей преодолено, избыток углекислого газа перебросил Землю из морозильной камеры в духовку за несколько сотен лет. Обжигающий воздух, тропические штормы и проливные дожди унесли углекислый газ из воздуха в океаны, которые превратились в кислую баню. Единственный способ вернуться к нормальному химическому равновесию заключался в осаждении карбонатов — непосредственно на поверхности ледниковых осаждений. Так возникли покровные карбонаты. По этой причине Хоффман и Шрег используют покровные карбонаты в качестве доказательства гипотезы «Земля-снежок». Геологи продолжают спорить на эту тему. Как сохранилась жизнь? Могло ли образование метана (еще одного парникового газа) бактериями способствовать таянию льдов до того, как уровень углекислого газа в воздухе достиг такого высокого значения? Были ли океаны полностью изолированы от воздуха толстым слоем льда? Или, возможно, Земля в этот период походила не на снежок. а на комок полужидкой ледяной кашицы, и океаны никогда не замерзали полностью, и их заполняли айсберги, блуждавшие повсюду, вплоть до экваториальных вод?