Фоссилизации мягкотелых организмов способствуют молекулы межклеточной адгезии

Вопрос о том, почему мягкотелым организмам иногда удается избежать разложения и превратиться в фоссилии, крайне важен для правильной интерпретации палеонтологических данных, но пока далек от разрешения. Эксперименты по захоронению рачков Artemia salina в различных тонкозернистых осадках показали, что одним из главных факторов, способствующих консервации мягких тканей, является быстрое осаждение на них алюминия и кремния. Другие элементы, такие как кальций, магний и железо, которые тоже могут быстро осаждаться на органических тканях, не дают столь выраженного консервирующего эффекта. Опыты с одноклеточным жгутиконосцем Euglena gracilis, губкой Spongilla lacustris и социальной амебой Dictyostelium discoideum, у которой в жизненном цикле есть одно- и многоклеточные стадии, показали, что алюминий гораздо лучше осаждается на многоклеточных телах, чем на одноклеточных. Это может быть связано с наличием у первых «межклеточного клея» — молекул клеточной адгезии (cell adhesion molecules, CAMs), способных эффективно связывать катионы металлов и другие ионы. Полученные результаты позволяют предположить, что скудость палеонтологических данных по одноклеточным родичам и предкам животных и древнейшим Metazoa, а также резкий рост разнообразия ископаемых мягкотелых животных в конце докембрия и кембрии могут отчасти объясняться эволюцией CAMs в ходе становления животной многоклеточности.

Чтобы правильно интерпретировать данные палеонтологической летописи и выстраивать на их основе адекватные эволюционные реконструкции, недостаточно просто набрать как можно больше ископаемых. Нужно еще знать, от каких факторов зависят шансы организма попасть в палеонтологическую летопись. Выяснением этого вопроса занимается тафономия — наука о закономерностях захоронения и фоссилизации организмов. Напомню, что родоначальником тафономии был известный палеонтолог и писатель Иван Антонович Ефремов.

Когда-то считалось, что у мягкотелых животных (тех, кто не имеет в своей анатомии минерализованных элементов) практически нет шансов сохраниться в ископаемом состоянии. Первые найденные лагерштетты (см. Lagerstätte) — местонахождения ископаемых с уникальной сохранностью, где порой сохраняются тончайшие анатомические детали не только твердых частей, но и мягких тканей, — поначалу считались огромной редкостью, своего рода тафономическим курьезом. Однако дальнейшие исследования показали, что на самом деле лагерштетты не так уж редки (просто надо уметь их искать). За последние две декады палеонтологи описали в 10 раз больше лагерштеттов, чем за предшествующее столетие: в 1997 году было известно лишь 53 лагерштетта, а в 2017 году — уже 670 (A. D. Muscente et al., 2017. Exceptionally preserved fossil assemblages through geologic time and space).

Причины, по которым мягкотелым организмам удается избежать разложения (по-видимому, не так уж редко) и сохраниться в виде окаменелости, до сих пор не вполне понятны. Гипотез на этот счет предложено много — пожалуй, даже слишком много. Среди абиотических факторов, предположительно повышающих вероятность фоссилизации мягкотелых организмов, упоминают низкую концентрацию кислорода; колебания pH, вызванные разложением органики; осаждение на органических тканях железа, кальция или кремния; «алюминиевое дубление» органики (см., например: E. B. Naimark et al., 2016. Decaying in different clays: Implications for soft‐tissue preservation). К биотическим факторам относят отсутствие грунтоедов и биотурбации; быстрое «цементирование» поверхности осадка, ведущее к подавлению роста сульфатредуцирующих бактерий; способность некоторых глин блокировать размножение бактерий и адсорбировать литические ферменты; существуют и версии, связывающие хорошую сохранность, наоборот, с быстрым размножением определенных бактерий, ведущему, как предполагается, к отложению на поверхности органических тканей минеральной «посмертной маски». Такое разнообразие версий связано с тем, что мягкотелые организмы, судя по всему, могут фоссилизироваться в самых разных обстановках, и на это действительно влияет множество разных факторов.

Можно ли найти в этом многообразии что-то главное, выделить общие принципы? В поисках ответа на этот вопрос коллектив российских биологов, химиков и геологов под руководством палеонтолога Елены Наймарк провел серию тафономических экспериментов на нескольких видах модельных мягкотелых организмов. Работа, продолжавшаяся более пяти лет, состояла из двух этапов.

Первый этап был наиболее долгим. Авторы работали с Artemia salina, а точнее, с их личинками — науплиями, теми самыми, которыми аквариумисты кормят рыбьих мальков. Этот модельный объект привлекателен тем, что запас его неограничен, а кроме того, эти рачки оранжевого цвета, так что их легко можно видеть во всех осадках. Артемию захоранивали в толще различных осадков, а контроль оставляли просто в морской воде. И затем все опытные и контрольные пробирки стояли в темноте длительное время (от одного года до пяти лет — таких долгих тафономических экспериментов раньше никто не проводил). Ведь для консервации и начала фоссилизации мягкого тела требуется никак не день-два, а существенно больше. Нужно было только набраться терпения и не тревожить пробирки до конца экспериментального срока. А когда время инкубации закончилось, останки рачков и окружающий осадок подверглись всестороннему изучению.

Рачков хоронили в пяти разных осадках, как следует растертых, чтобы частицы минералов были как можно меньше. По минеральному составу осадки были такие: монтмориллонит, каолинит, шамозит (см. Chamosite), клинохлор и искусственный кремнезем. Лагерштетты, по-видимому, были сформированы тонкими осадками подобного минерального состава. Впрочем, авторы не пытались в деталях имитировать реальные природные обстановки, в которых происходит фоссилизация мягкотелых: они искали именно «общие принципы» и выбирали осадки в основном по критерию химической чистоты доступных образцов (чтобы легче было потом понять, что именно происходит с осадком и захороненной в нем органикой).

Эксперименты показали, что в осадках с захороненными рачками уже в течение первой недели разворачиваются сложные и разнообразные (зависящие от типа осадка) химические процессы. Это видно, в частности, по изменению цвета осадка. Например, в каолините, клинохлоре и шамозите вокруг каждого захороненного рачка формируются характерные светлые или темные пятна (рис. 2). В контрольных пробирках с таким же осадком, но без рачков, весь осадок, как правило, остается более или менее однотонным.

Осадок с захороненными в нем рачками становится «пестрым» не только по цвету, но и по своим химическим характеристикам, таким как pH. Разложение органики, идущее в толще мелкодисперсного, затрудняющего диффузию осадка, приводит к формированию замысловатых градиентов pH. Где-то локальные условия становятся более щелочными, где-то более кислыми. Эти градиенты зависят как от численности и пространственного распределения захороненных рачков, так и от свойств осадка. В ряде случаев это приводит к локальному разрушению глинистых минералов. Изменения структуры осадка авторы отслеживали при помощи калориметрического и термогравиметрического анализа. При разрушении минералов осадка раствор довольно быстро насыщается различными ионами, концентрация Al, Si, Mg, Ca, Fe резко подскакивает. Вот откуда берутся консервирующие и минерализующие элементы для начала фоссилизации отмершей органики — больше из самого осадка, а не из морской воды. Эти элементы из концентрированного окружающего раствора начинают взаимодействовать с органическими остатками, влияя на скорость их разложения и, возможно, на процесс начальной минерализации.

В этих экспериментах, продолжавшихся все-таки не миллионы лет, а всего лишь годы, дело, конечно, не доходило до настоящей фоссилизации. И осадок, и бренные останки рачков оставались мягкими, не окаменевшими. При этом, однако, в некоторых осадках (особенно в монтмориллоните и каолините) многие рачки сохранились на удивление хорошо. Например, у некоторых экземпляров, пролежавших пять лет в монтмориллоните, отлично сохранилась и общая форма тела, и конечности, и кишечник, и даже микроскопические гребешки на щетинках антенн — фильтровальный аппарат, с помощью которого науплии ловят бактерий (рис. 3, f). В других осадках, например, в клинохлоре и шамозите, а особенно в контрольных пробирках, где рачки лежали просто в морской воде без всякого осадка, науплии сохранились гораздо хуже: большинство разложилось полностью, а от немногих «счастливчиков» остались в основном лишь невнятные ошметки. Конечно, мы не можем утверждать, что все экземпляры, которым удалось успешно «законсервироваться» в первые годы после захоронения, в дальнейшем непременно станут настоящими фоссилиями. Однако ясно, что их шансы на фоссилизацию несравненно выше, чем у экземпляров, от которых уже в первый год после смерти остались рожки да ножки.

Чтобы количественно оценить степень сохранности рачков в каждом типе осадка, все экземпляры были разделены на пять «групп сохранности» (от идеально сохранившихся, целеньких экземпляров со всеми конечностями и кишечником до едва узнаваемых фрагментов). В качестве интегральной меры сохранности использовали отношение числа хорошо сохранившихся рачков к плохо сохранившимся.

Почему же в одних ситуациях рачки быстро разложились, а в других — чудесным образом законсервировались, сохранив тонкие детали строения? Чтобы разобраться в этом, авторы сопоставили степень сохранности с элементным составом органических остатков и окружающих минеральных частиц (рис. 4). Лучше всего рачки сохранились в монтмориллоните, каолините и кремнеземе, и существенно хуже — в шамозите, клинохлоре и в воде без осадка. Высокая сохранность ассоциирована с повышенным содержанием кремния и алюминия в органических остатках: где их в теле рачка много, там и сохранность его лучше, а где мало — там от рачка мало что остается.

Биохимические характеристики остатков оценивались с помощью Фурье-спектроскопии (FTIR). Этот метод позволяет примерно прикинуть соотношение ключевых компонентов в останках, таких как хитин и белки. Оказалось, что между науплиусами наилучшей и наихудшей сохранности нет существенных различий ни по относительному содержанию хитина, ни по относительному содержанию белков. Это говорит о том, что разложение идет более или менее равномерно, то есть разные биохимические компоненты разлагаются с сопоставимой скоростью. Этот результат не очень хорошо согласуется с идеями о том, что ключевую роль в консервации мягкотелых организмов играют либо прочные органические материалы (такие как хитин), либо процесс «алюминиевого дубления» белков (последнюю гипотезу авторы обсуждаемой статьи развивали в своих предыдущих публикациях). Впрочем, использованный метод (FTIR) не настолько чувствителен, чтобы делать окончательные выводы. Так или иначе, но вся совокупность анализов и экспериментов показала, что одним из главных факторов, препятствующих разложению рачков, является быстрое осаждение алюминия и кремния на органических тканях. Возможно, есть и другие консервирующие агенты, например, фосфаты, но с ними авторы не работали.

Содержание других элементов, а именно железа, кальция и магния, по-видимому, не оказывает существенного влияния на сохранность. Например, в шамозите много железа, которое в значительных количествах выходит в раствор при разложении захороненной органики и адсорбируется на мягких тканях. Но это, по-видимому, не сильно препятствует дальнейшему разложению, так что в итоге состояние рачков в осадке довольно жалкое. Кальций также охотно осаждается на органических остатках (в том числе и просто в морской воде без минерального осадка), но это тоже не спасает рачков от разложения.

Таким образом, результаты указывают на ключевую роль алюминия и кремния в консервации захороненной органики. Этих элементов много в самых разных минералах, составляющих донные осадки, особенно в тонкодисперсных глинах. Однако, наличие консервирующих элементов — это еще только полдела. Другая его сторона — возможность быстрого осаждения на отмерших остатках. Если консервирующий агент не успеет связаться с мертвой органикой, то она быстро станет достоянием многочисленных деструкторов — в них недостатка никогда нет. А это уже может зависеть от биохимических свойств органической материи, в частности, от наличия на поверхности клеток определенных молекул, эффективно связывающих те или иные ионы.

Так что логичным образом сформировались задачи второго этапа: выяснить, какие биомолекулы способствуют быстрому осаждению консервирующих ионов. Нужно отметить, что это пока первая попытка подойти к вопросу о появлении кембрийской ископаемой летописи со стороны биохимии животных. Авторы работы рассудили, что многоклеточные, каменная летопись которых столь внезапно стартует в позднем докембрии, отличаются от одноклеточных наличием межклеточного клея. Именно этот клей — так называемые молекулы клеточной адгезии (см. Cell adhesion molecule) — собственно и обеспечивает многоклеточность животным. Многие из молекул клеточной адгезии не только связывают клетки друг с другом, но в силу просто своих химических свойств способны легко присоединять к себе заряженные ионы. Гипотеза выглядела вполне содержательной, и ее проверке посвящена вторая серия экспериментов — не столь долгих, как на первом этапе, но не менее любопытных. Авторы проверяли, как осаждается алюминий на мертвой органике — остатках одноклеточных организмов очевидно без адгезивных молекул и остатках многоклеточных, очевидно, с ними.

Сначала были проведены эксперименты с одноклеточным жгутиконосцем Euglena gracilis и губкой Spongilla lacustris. Мертвые организмы помещались в раствор алюмокалиевых квасцов, затем отмывались как следует и окрашивались особым люминесцентным красителем — люмогаллионом, который реагирует со связанным алюминием. Если алюминий осел на органике, то он будет определен по зеленому свечению. Признаемся по секрету, что все это гораздо проще сказать, чем сделать: ведь здесь для каждого шага приходилось фактически разрабатывать методику и отлаживать все детали экспериментальных процедур методом проб и ошибок. Так по ходу работы выяснилось, что многие одноклеточные и даже многоклеточные, окрашенные люмогаллионом, светятся в требуемом диапазоне без всякого алюминия.

В итоге выяснилось, что эвглена практически не осаждает алюминий на своей поверхности, а губка — представитель низших Metazoa — делает это с высокой эффективностью (рис. 5).

Конечно, этих результатов еще недостаточно для каких-то определенных выводов — в частности, потому что клеточная оболочка эвглены — пелликула — отличается от поверхности клеток многоклеточных животных вообще (и губок в частности) по множеству параметров. Так что нужно было подобрать такой специальный объект, который существовал бы в двух разных видах — одноклеточном без молекул клеточной адгезии, и многоклеточном — с этими молекулами. Вариантов было два: культуры животных клеток с соответствующим образом модифицированными линиями или же социальные амебы, которые на определенных стадиях своего жизненного цикла начинают вырабатывать адгезивные молекулы и становятся многоклеточными; на стадии одноклеточных амёб эти молекулы не экспрессируются. Первый вариант предпочтительнее, так как на многоклеточность работают адгезивные молекулы, свойственные именно животным. Но у авторов не нашлось доступа к таким культурам. Поэтому они работали с социальной амебой Dictyostellium discoideum. Ее молекулы клеточной адгезии похожи по своим свойствам на адгезивные молекулы животных.

Если молекулы клеточной адгезии действительно помогают клеткам осаждать алюминий на своей поверхности, то описанный выше фокус с квасцами и люмогаллионом должен это четко показать: многоклеточные стадии амебы и плодовые тела будут флуоресцировать зеленым, а одиночные амебы — нет. Это было проверено — и подтвердилось (рис. 6). Действительно, одноклеточные амебы без молекул клеточной адгезии не осаждают алюминий, а на многоклеточных псевдоплазмодиях, где начинают работать эти молекулы, алюминий осаждается весьма эффективно, судя по яркому свечению.

Таким образом, удалось получить первые (и, конечно, еще далеко не окончательные) подтверждения гипотезы о том, что по мере эволюции молекул клеточной адгезии, которая происходила в ходе становления многоклеточности в линии животных, шансы попасть в ископаемую летопись у древних животных на каком-то этапе резко увеличились. Возможно, это отчасти объясняет стремительный рост разнообразия ископаемых мягкотелых животных в позднем докембрии и в кембрии.

Хотя эти исследования, как говорилось выше, идут уже более пяти лет, они, по существу, еще только начинаются. В ближайших планах у исследователей — выяснение вопроса с осаждением кремния, а также привлечение новых модельных объектов, в первую очередь — низших многоклеточных, таких как трихоплакс.

Источник: Elena Naimark, Dmitry Kirpotin, Natalia Boeva, Vladimir Gmoshinskiy, Maria Kalinina, Yulia Lyupina, Alexander Markov, Michail Nikitin, Alexander Shokurov, Dmitry Volkov. Taphonomic experiments imply a possible link between the evolution of multicellularity and the fossilization potential of soft‐bodied organisms // Ecology and Evolution. 2020. DOI: 10.1002/ece3.7120.

См. также о лагерштеттах:
1) A. D. Muscente et al., 2017. Exceptionally preserved fossil assemblages through geologic time and space // Gondwana Research. 2017. DOI: 10.1016/j.gr.2017.04.020.
2) Палеонтологи уточнили время появления первых членистоногих, «Элементы», 23.08.2018.
3) Палеогрибникам на заметку, «Элементы», 15.06.2017.
4) Кембрийское ископаемое Saccorhytus поместили в основание эволюционной линии вторичноротых, «Элементы», 14.02.2017.
5) Древние и продвинутые виды сосуществовали после глобального пермо-триасового вымирания, «Элементы», 03.03.2017.
6) Кембрийские животные оказались долгожителями, «Элементы», 26.05.2010.
7) Коготки галлюцигении подтвердили гипотезу о происхождении членистоногих, «Элементы», 21.10.2014.
8) Ракообразные достигли совершенства уже 510 млн лет назад, «Элементы», 23.04.2008.

Источник: elementy.ru

. .