極端的“盛宴與饑荒”循環(huán)引發(fā)了地球上的生命爆炸

想象一下這樣一個(gè)世界，您需要的氧氣在白天和黑夜之間發(fā)生了巨大變化。

你的世界從白天富含氧氣（氧化），所以你有精力尋找食物，到晚上令人窒息的無(wú)氧（缺氧），這會(huì)讓你放慢速度。

現(xiàn)在，想象一下早期動(dòng)物試圖在如此極端的環(huán)境中生存。這就是大約五億年前海洋中早期動(dòng)物生命的現(xiàn)實(shí)。這也是動(dòng)物多樣性蓬勃發(fā)展的時(shí)期，也就是所謂的“寒武紀(jì)大爆發(fā)”.

我團(tuán)隊(duì)的新研究表明這些劇烈的氧氣波動(dòng)在這個(gè)戲劇性時(shí)期發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直在爭(zhēng)論是什么觸發(fā)了這種進(jìn)化爆發(fā)。許多科學(xué)家指出了長(zhǎng)期的大氣變化，據(jù)稱氧氣含量的增加導(dǎo)致了動(dòng)物生命形式數(shù)量的變化。

然而，在過(guò)去幾年中，將增加大氣中的氧氣視為動(dòng)物崛起的簡(jiǎn)單觸發(fā)因素的觀點(diǎn)受到質(zhì)疑.

我們的新研究揭示了一個(gè)不同的、經(jīng)常被忽視的因素。淺海底氧氣含量的每日波動(dòng)可能給早期動(dòng)物（當(dāng)今所有動(dòng)物的祖先）帶來(lái)了壓力，促使它們以推動(dòng)多樣化的方式進(jìn)行適應(yīng)。

我們認(rèn)為，與其說(shuō)良好的條件推動(dòng)了這種變化，不如說(shuō)是惡劣的條件引發(fā)了這種變化。

我們使用了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，它可以模擬今天陽(yáng)光明媚的海底條件。該模型考慮了生命可以產(chǎn)生或消耗的東西，但也考慮了溫度、陽(yáng)光和不同類型的沉積物或水如何影響整體條件。

使用這種所謂的“生物地球化學(xué)模型”，我們已經(jīng)證明，在溫暖的淺水區(qū)，寒武紀(jì)的氧氣水平可能會(huì)在晝夜之間劇烈波動(dòng)（當(dāng)時(shí)的氧氣含量通常低于今天）。

白天，海藻的光合作用產(chǎn)生大量氧氣，創(chuàng)造了一個(gè)完全充氧的環(huán)境。但是到了晚上，當(dāng)光合作用因沒(méi)有光線而停止時(shí)，氧氣反而被藻類在呼吸時(shí)迅速消耗（使用能量和氧氣來(lái)執(zhí)行細(xì)胞功能），導(dǎo)致缺氧狀況。

這種每天氧氣供應(yīng)的盛宴和饑荒循環(huán)給早期動(dòng)物帶來(lái)了巨大的生理挑戰(zhàn)，迫使它們發(fā)展適應(yīng)能力以應(yīng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的波動(dòng)。對(duì)于那些能夠應(yīng)對(duì)這些波動(dòng)的人來(lái)說(shuō)，適應(yīng)給了他們競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

此時(shí)，世界各地海洋中淺沙沙灘狀的大陸架環(huán)境也急劇擴(kuò)大，因?yàn)楸环Q為羅迪尼亞的超級(jí)大陸分裂成更小的碎片。

這增加了大陸地殼的總周長(zhǎng)，創(chuàng)造了更多的大陸邊緣，陽(yáng)光、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生命可以在其中相互作用。這些新的大陸也被洪水淹沒(méi)，因此陽(yáng)光充足的淺海海底區(qū)域擴(kuò)大了更遠(yuǎn).

陽(yáng)光充足的海洋環(huán)境往往是營(yíng)養(yǎng)最豐富.適應(yīng)了日常氧氣波動(dòng)的物種可以更容易地在這個(gè)廣闊的淺層棲息地獲得營(yíng)養(yǎng)。耐壓力的物種將贏得食物競(jìng)賽。

壓力如何驅(qū)動(dòng)進(jìn)化

生理壓力通常被視為生存的障礙。但它可以成為進(jìn)化創(chuàng)新的催化劑。即使在今天，忍受極端環(huán)境的物種也經(jīng)常發(fā)展出使它們更具適應(yīng)性的專業(yè)特征。

我們的研究表明，類似的模式在寒武紀(jì)上演。動(dòng)物進(jìn)化出方法來(lái)應(yīng)對(duì)淺海底大陸架上氧氣水平波動(dòng)的壓力。

一個(gè)關(guān)鍵的適應(yīng)可能是有效感知和對(duì)氧氣波動(dòng)做出反應(yīng).

這種特性由細(xì)胞控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，細(xì)胞控制系統(tǒng)是一種調(diào)整細(xì)胞對(duì)外部條件的反應(yīng)方式的分子途徑。寒武紀(jì)大爆炸可能出現(xiàn)的控制系統(tǒng)被稱為 HIF-1α（缺氧誘導(dǎo)因子 1）。

在現(xiàn)代動(dòng)物中，該系統(tǒng)幫助細(xì)胞檢測(cè)和適應(yīng)氧氣條件的變化，控制進(jìn)程就像能量代謝和協(xié)調(diào)一樣單元格的功能.

然而，HIF-1α 對(duì)硫化氫等毒素具有抵抗力，硫化氫是缺氧條件的常見(jiàn)副產(chǎn)品。

我們的模型表明，具有先進(jìn)氧感應(yīng)機(jī)制的動(dòng)物在寒武紀(jì)海底的波動(dòng)條件下將具有生存優(yōu)勢(shì)，使它們能夠勝過(guò)沒(méi)有這種能力的物種。

從惡劣環(huán)境到動(dòng)物多樣性

今天，熱帶雨林和珊瑚礁等生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)在高度生物競(jìng)爭(zhēng)和生態(tài)復(fù)雜性的條件下蓬勃發(fā)展。

然而，在生存依賴于承受惡劣的物理?xiàng)l件而不是與其他物種競(jìng)爭(zhēng)的極端環(huán)境中，不同的進(jìn)化壓力開(kāi)始發(fā)揮作用。任何導(dǎo)致存活率提高的對(duì)壓力的適應(yīng)也會(huì)被有效地遺傳。

應(yīng)對(duì)這些快速變化的能力可能使某些動(dòng)物譜系比其他動(dòng)物譜系更繁榮，從而導(dǎo)致更復(fù)雜和適應(yīng)性更強(qiáng)的生命形式的出現(xiàn)。

今天，所有具有我們所知的組織（幾層細(xì)胞）的動(dòng)物都使用 HIF 來(lái)維持定期維持或穩(wěn)定狀態(tài)（稱為體內(nèi)平衡）。這種分子途徑對(duì)于構(gòu)建組織和愈合組織至關(guān)重要。

細(xì)胞中的這些“控制旋鈕”甚至被認(rèn)為對(duì)于動(dòng)物生命如何變得如此龐大和衰老至關(guān)重要飾演長(zhǎng)頸鹿、大象和人類.

這種新模型挑戰(zhàn)了僅關(guān)注大規(guī)模地質(zhì)變化作為早期動(dòng)物進(jìn)化主要驅(qū)動(dòng)力的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。

個(gè)體生物體面臨的局部挑戰(zhàn)——例如在富氧和缺氧條件下的日常波動(dòng)中生存——在塑造進(jìn)化進(jìn)程方面可能同樣重要。

艾瑪·哈馬倫德， 副教授， 地球生物學(xué) ，隆德大學(xué)

本文轉(zhuǎn)載自對(duì)話根據(jù) Creative Commons 許可。閱讀原創(chuàng)文章.

寶寶起名 起名