極端的“盛宴與饑荒”循環引發了地球上的生命爆炸

想象一下這樣一個世界，您需要的氧氣在白天和黑夜之間發生了巨大變化。

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氧（缺氧），這會讓你放慢速度。

現在，想象一下早期動物試圖在如此極端的環境中生存。這就是大約五億年前海洋中早期動物生命的現實。這也是動物多樣性蓬勃發展的時期，也就是所謂的“寒武紀大爆發”.

我團隊的新研究表明這些劇烈的氧氣波動在這個戲劇性時期發揮了至關重要的作用。

幾十年來，科學家們一直在爭論是什么觸發了這種進化爆發。許多科學家指出了長期的大氣變化，據稱氧氣含量的增加導致了動物生命形式數量的變化。

然而，在過去幾年中，將增加大氣中的氧氣視為動物崛起的簡單觸發因素的觀點受到質疑.

我們的新研究揭示了一個不同的、經常被忽視的因素。淺海底氧氣含量的每日波動可能給早期動物（當今所有動物的祖先）帶來了壓力，促使它們以推動多樣化的方式進行適應。

我們認為，與其說良好的條件推動了這種變化，不如說是惡劣的條件引發了這種變化。

我們使用了一個計算機模型，它可以模擬今天陽光明媚的海底條件。該模型考慮了生命可以產生或消耗的東西，但也考慮了溫度、陽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“生物地球化學模型”，我們已經證明，在溫暖的淺水區，寒武紀的氧氣水平可能會在晝夜之間劇烈波動（當時的氧氣含量通常低于今天）。

白天，海藻的光合作用產生大量氧氣，創造了一個完全充氧的環境。但是到了晚上，當光合作用因沒有光線而停止時，氧氣反而被藻類在呼吸時迅速消耗（使用能量和氧氣來執行細胞功能），導致缺氧狀況。

這種每天氧氣供應的盛宴和饑荒循環給早期動物帶來了巨大的生理挑戰，迫使它們發展適應能力以應對營養物質的波動。對于那些能夠應對這些波動的人來說，適應給了他們競爭優勢。

此時，世界各地海洋中淺沙沙灘狀的大陸架環境也急劇擴大，因為被稱為羅迪尼亞的超級大陸分裂成更小的碎片。

這增加了大陸地殼的總周長，創造了更多的大陸邊緣，陽光、營養物質和生命可以在其中相互作用。這些新的大陸也被洪水淹沒，因此陽光充足的淺海海底區域擴大了更遠.

陽光充足的海洋環境往往是營養最豐富.適應了日常氧氣波動的物種可以更容易地在這個廣闊的淺層棲息地獲得營養。耐壓力的物種將贏得食物競賽。

壓力如何驅動進化

生理壓力通常被視為生存的障礙。但它可以成為進化創新的催化劑。即使在今天，忍受極端環境的物種也經常發展出使它們更具適應性的專業特征。

我們的研究表明，類似的模式在寒武紀上演。動物進化出方法來應對淺海底大陸架上氧氣水平波動的壓力。

一個關鍵的適應可能是有效感知和對氧氣波動做出反應.

這種特性由細胞控制系統調節，細胞控制系統是一種調整細胞對外部條件的反應方式的分子途徑。寒武紀大爆炸可能出現的控制系統被稱為 HIF-1α（缺氧誘導因子 1）。

在現代動物中，該系統幫助細胞檢測和適應氧氣條件的變化，控制進程就像能量代謝和協調一樣單元格的功能.

然而，HIF-1α 對硫化氫等毒素具有抵抗力，硫化氫是缺氧條件的常見副產品。

我們的模型表明，具有先進氧感應機制的動物在寒武紀海底的波動條件下將具有生存優勢，使它們能夠勝過沒有這種能力的物種。

從惡劣環境到動物多樣性

今天，熱帶雨林和珊瑚礁等生物多樣性熱點地區在高度生物競爭和生態復雜性的條件下蓬勃發展。

然而，在生存依賴于承受惡劣的物理條件而不是與其他物種競爭的極端環境中，不同的進化壓力開始發揮作用。任何導致存活率提高的對壓力的適應也會被有效地遺傳。

應對這些快速變化的能力可能使某些動物譜系比其他動物譜系更繁榮，從而導致更復雜和適應性更強的生命形式的出現。

今天，所有具有我們所知的組織（幾層細胞）的動物都使用 HIF 來維持定期維持或穩定狀態（稱為體內平衡）。這種分子途徑對于構建組織和愈合組織至關重要。

細胞中的這些“控制旋鈕”甚至被認為對于動物生命如何變得如此龐大和衰老至關重要飾演長頸鹿、大象和人類.

這種新模型挑戰了僅關注大規模地質變化作為早期動物進化主要驅動力的傳統觀點。

個體生物體面臨的局部挑戰——例如在富氧和缺氧條件下的日常波動中生存——在塑造進化進程方面可能同樣重要。

艾瑪·哈馬倫德， 副教授， 地球生物學 ，隆德大學

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