Загадка фораминифер, меняющих направление закручивания раковины, может скрывать редко наблюдаемый эволюционный процесс, разворачивающийся в масштабах всей планеты

На протяжении тысяч, а иногда и миллионов лет морской планктон по всему миру строил свои спиральные раковины закрученными в одном направлении. А потом внезапно, одновременно повсюду, направление спирали менялось, чтобы спустя некоторое время снова измениться на противоположное.

Эти микроорганизмы относятся к фораминиферам, или форамам. Они встречаются во всех океанах, от тропиков до высоких широт, и входят в число самых многочисленных эукариотических организмов на Земле. Эти одноклеточные протисты формируют твёрдую раковину, пронизанную множеством мелких отверстий. Большинство видов живёт на морском дне, но некоторые ведут планктонный образ жизни и переносятся течениями. После их смерти раковины покрывают морское дно по всему миру, создавая естественный архив истории Земли, уходящий примерно на 560 миллионов лет в прошлое.

Изучая видовой состав фораминифер, а также измеряя содержание изотопов и микроэлементов в их раковинах, учёные используют эти накопившиеся отложения для реконструкции древнего климата и состояния океанов. И с годами исследователи заметили странное явление. Среди многочисленных планктонных фораминифер со спиральными, похожими на улиточные раковинами некоторые виды отчётливо предпочитают одно направление закручивания, левое или правое. У отдельных видов до 97% особей имеют раковины, закрученные в одну и ту же сторону. Но иногда в ископаемой летописи новое направление спирали, по‑видимому, начинает преобладать одновременно во всех океанах. С тех пор как в 1950-х годах это явление впервые заметили, учёные пытаются понять, что может заставлять квадриллионы микроорганизмов синхронно менять направление закручивания раковин.

Недавно микропалеонтологи объединили и проанализировали данные о направлении закручивания раковин, или хиральности, у нескольких видов фораминифер, история которых прослеживается на протяжении последних 56 миллионов лет. Некоторые исследователи предполагали, что смена направления спирали связана с изменениями температуры или другими климатическими факторами. Однако авторы нового исследования выдвинули другую гипотезу: направление закручивания само по себе не является приспособительной реакцией, а служит случайным маркером важного эволюционного события, которое начинается в небольшой субпопуляции, а затем распространяется по огромным океанским бассейнам.

«Вероятно, это один из первых случаев, когда люди, которые обычно занимаются биостратиграфией, то есть исследованиями далёкого геологического прошлого, применительно к фораминиферам, подходят к вопросу такого рода», — сказала Жюли Мейян, исследовательница из французского института Cerege, не участвовавшая в работе. Помимо данных о направлении закручивания у разных видов за миллионы лет, исследование использует современные представления о генетике и биологии фораминифер. «Было очень приятно увидеть, как эти два мира соединяются, потому что исследователи современных организмов далеко не всегда взаимодействуют с теми, кто изучает далёкое прошлое», — добавила Мейян.

Работа предлагает новый взгляд на загадку, которой уже несколько десятилетий, и даёт редкую возможность увидеть малоизученный процесс, благодаря которому новые признаки могут распространяться по огромным популяциям.

Закрученная история

Феномен меняющих направление закручивания фораминифер впервые описали в начале 1950-х годов, когда развитие методов бурения морского дна позволило исследователям анализировать накопленные слои раковин. Швейцарский микропалеонтолог Ханс Болли первым обратил внимание на то, что среди фораминифер со спиральными раковинами некоторые виды предпочитают определённое направление закручивания и что со временем это предпочтение иногда меняется.

Одно из объяснений этого странного явления появилось в ставшей классической работе 1959 года. Для неё морской геолог Дэвид Эриксон, специалист по кернам из Геологической обсерватории Ламонт Колумбийского университета, ныне Обсерватории Земли Ламонт‑Доэрти, перебрал сотни спиральных раковин вида Neogloboquadrina pachyderma, собранных в Северной Атлантике. Эриксон обнаружил, что в холодном климате ледниковых периодов раковины обычно закручивались влево, а в более тёплые периоды — вправо.

Почему направление закручивания могло быть связано с климатом, он не знал, но предположил, что определяющим фактором для этого вида является температура. Однако по мере того как учёные получали всё больше кернов из разных частей мира, а генетические методы становились совершеннее, температурная гипотеза начала разваливаться.

В 2006 году Кейт Дарлинг, ныне почётный профессор Стерлингского университета, опубликовала генетическое исследование, показавшее, что варианты N. pachyderma на самом деле представляют собой два разных вида, каждый со своим направлением закручивания раковины. Затем в 2013 году эволюционный палеобиолог Юрика Удзииэ, ныне профессор Университета Коти в Японии, обнаружила, что хиральность раковин у различных видов фораминифер, собранных в нескольких океанах, не соответствует температуре воды.

Каждое из этих исследований по‑своему противоречило гипотезе Эриксона. Кроме того, многим исследователям было трудно представить, какое преимущество направление закручивания вообще может давать одноклеточному организму, у которого нет очевидной левой или правой стороны тела. Спустя полвека после первоначального наблюдения Эриксона причина этих смен направления вновь стала загадкой.

Но вскоре явление заинтересовало ещё одного исследователя. Бриджет Уэйд, микропалеонтолог из Университетского колледжа Лондона, десятилетиями изучала осадочные керны, когда её команда заметила любопытную закономерность. Несколько видов фораминифер, судя по всему, меняли направление закручивания раковин примерно в одно и то же время на разных широтах Атлантического, Индийского и Тихого океанов. У одного вида эти смены выглядели практически мгновенными и в тропиках, и в высоких широтах. То, что феномен наблюдался далеко за пределами одного океанского бассейна, указывало на глобальный процесс, который нельзя было объяснить одной лишь температурой.

Чтобы разобраться в происходящем, команда Уэйд объединила данные исследований, накопленные за пять десятилетий, и проанализировала изменения направления закручивания у нескольких видов планктонных фораминифер за последние 56 миллионов лет. Для каждого вида исследователи нашли свидетельства смены направления в нескольких океанских бассейнах и климатических зонах. Paragloborotalia siakensis перешла от смешанного направления закручивания к преимущественно левому 15 миллионов лет назад. Globorotalia scitula меняла направление дважды: от смешанного к левому 15 миллионов лет назад, а затем к правому 10 миллионов лет назад. «Кажется по‑настоящему загадочным, что вид может миллионы лет существовать, закручивая раковину в одну сторону, а потом внезапно, без видимой причины, изменить направление», — писали авторы.

Особенно полезным примером, по словам Уэйд, стала Pulleniatina obliquiloculata. У этого вида исключительно подробная ископаемая летопись, он существует и сегодня и встречается во всех тропических океанах мира. На протяжении последних 860 тысяч лет его раковина почти всегда закручивалась вправо. Но до этого вид прошёл через целую серию быстрых глобальных смен направления закручивания, происходивших каждые несколько тысяч лет.

Эти изменения были слишком быстрыми и слишком широко распространёнными, чтобы объяснить их постепенной эволюцией. «Это было довольно неожиданно, потому что если бы речь шла о локальном событии, его было бы проще объяснить местными изменениями окружающей среды», — сказала Уэйд. То, что это происходило повсюду, указывало на какой‑то другой процесс.

Скрытый смысл

Что могло бы объяснить глобальное распространение смены хиральности? Уэйд знала, что, несмотря на внешнюю однородность, океаны содержат множество различных мест обитания, отличающихся температурой, течениями, уровнем ультрафиолетового излучения, химическим составом воды и содержанием кислорода. Точно так же кажущаяся единой глобальная популяция одного вида фораминифер может на самом деле скрывать несколько криптических видов. Генетические исследования показали, что организмы, которые по форме раковины, включая направление её закручивания, считались одним видом, нередко оказывались несколькими разными видами.

А что, предположила команда Уэйд, если один из таких криптических видов получал какое‑то существенное адаптивное преимущество? Тогда он мог бы распространиться по всей планете, переносимый океанскими течениями и благодаря собственному эволюционному успеху, вызвав гигантскую смену состава популяций. Вместе с ним по всему миру начинало бы доминировать и одно направление закручивания раковины, сохраняя свидетельство этого события в ископаемой летописи.

«На мой взгляд, смена направления означает, что произошло видообразование», — сказала Дарлинг, которая не участвовала в исследовании Уэйд.

Независимо от того, представляют ли фораминиферы с изменившимся направлением закручивания новый вид или всего лишь генетический вариант, они должны были обладать серьёзным преимуществом перед другими фораминиферами, чтобы распространиться по всему миру. «Это немного похоже на то, как варианты Covid-19 становились очень многочисленными в одном месте, — сказала Уэйд, — а затем получали небольшое преимущество в приспособленности перед другим генетическим вариантом» и быстро распространялись, становясь доминирующим штаммом практически во всех странах мира.

Однако Удзииэ предостерегает от предположения, что между генетической принадлежностью вида и хиральностью его раковины существует простая связь. «По‑видимому, направление закручивания имеет генетическую основу, — сказала она, — но это не обязательно означает, что декстральные, то есть закрученные вправо, и синистральные, закрученные влево, особи представляют собой отдельные генетические популяции».

До сих пор непонятно и то, почему вся популяция вообще должна закручивать раковины в одну сторону. Такое наблюдается лишь у части планктонных видов фораминифер со спиральными раковинами. У других видов раковины закручиваются в обе стороны примерно поровну, в соотношении 50 на 50. Почему же у некоторых существует выраженное предпочтение одной хиральности? Похоже, единственное, в чём учёные сходятся, состоит в том, что ответа пока нет.

Мейян, изучающая размножение живых культур фораминифер, заметила, что соотношение направлений закручивания в её лабораторных культурах не всегда соответствует тому, которое следовало бы ожидать в природе на основании ископаемых данных. Она считает, что механизмы, определяющие направление закручивания, могут быть довольно сложными. «Думаю, здесь могут играть роль и гены, и рекомбинация, и попытки организмов эволюционировать, и окружающая среда, а также случайность и просто сама жизнь», — сказала она.

Хотя почти одновременная смена направления закручивания фораминифер по всему миру может показаться загадочной, Дарлинг и Удзииэ отмечают, что событие, выглядящее мгновенным в геологической летописи, в реальности могло продолжаться тысячу лет или больше. За это время океанские воды успевают циркулировать по всей планете. Водные массы также меняются и перемещаются, что может ускорять распространение нового варианта.

Возможно, признаки или виды других морских организмов тоже способны распространяться по всему миру подобным образом. Но заметить такие процессы было бы сложно без отчётливого ископаемого маркера, вроде хиральности раковин фораминифер. Поэтому эти смены направления закручивания дают нам редкую возможность увидеть, как эволюционные процессы могут разворачиваться в глобальном масштабе.