Экстремальный цикл "пира и голода" спровоцировал взрыв жизни на Земле

Представьте себе мир, где количество кислорода, необходимого вам для жизни, резко меняется в течение суток. Днем, когда кислорода в изобилии (оксидная среда), у вас полно энергии для охоты и поиска пищи. Ночью же наступает удушающее “бескислородье” (аноксидная среда), замедляющее все процессы жизнедеятельности.

А теперь представьте, как в таких экстремальных условиях пытаются выжить первые животные. Именно такой была реальность для ранних форм жизни в океанах и морях около полумиллиарда лет назад. В этот же период произошло стремительное увеличение разнообразия животных, известное как “Кембрийский взрыв”.

Новое исследование предполагает, что именно эти резкие колебания уровня кислорода сыграли решающую роль в этот драматический период истории Земли.

Десятилетиями ученые спорили о том, что именно послужило толчком к этому эволюционному скачку. Многие указывали на долгосрочные изменения в атмосфере, где увеличение концентрации кислорода якобы способствовало росту разнообразия животных форм.

Однако в последние годы представление о повышении уровня кислорода в атмосфере как о единственном факторе, вызвавшем появление животных, подвергается сомнению.

Новое исследование раскрывает другой, часто упускаемый из виду фактор. Ежедневные колебания уровня кислорода на мелководном морском дне, возможно, подвергали первых животных (предков всех современных животных) сильнейшему стрессу, подталкивая их к адаптации, которая, в свою очередь, и привела к диверсификации.

Ученые утверждает, что не благоприятные, а именно суровые условия, спровоцировали этот эволюционный прорыв.

Команда использовала компьютерную модель, имитирующую условия на освещенном солнцем морском дне в наши дни. Эта модель учитывает не только то, что живые организмы могут производить или потреблять, но и то, как температура, солнечный свет, различные типы осадочных пород и воды влияют на общую картину.

С помощью этой так называемой “биогеохимической модели” исследователи продемонстрировали, что в теплых, мелководных водах в Кембрийском периоде (когда уровень кислорода был в целом ниже, чем сегодня) концентрация кислорода могла резко колебаться между днем и ночью.

жизни — Иллюстрация Anomalocaris canadensis, одного из крупнейших животных кембрийского периода.

Днем фотосинтез морских водорослей производил большое количество кислорода, создавая полностью насыщенную им среду. Но ночью, когда фотосинтез прекращался из-за отсутствия света, кислород, напротив, быстро потреблялся водорослями в процессе дыхания (использование энергии и кислорода для выполнения клеточных функций), что приводило к аноксидным условиям.

Этот ежедневный цикл “пира и голода” в доступности кислорода создавал серьезные физиологические трудности для ранних животных, заставляя их вырабатывать адаптации для управления колебаниями питательных веществ. Для тех, кто смог справиться с этими колебаниями, адаптация давала конкурентное преимущество.

В те времена, из-за распада суперконтинента, известного как Родиния, в океанах по всему миру значительно расширились мелководные, песчаные, похожие на пляжи шельфовые зоны.

Это увеличило общую протяженность континентальной коры, создавая больше континентальных границ, где солнечный свет, питательные вещества и жизнь могли взаимодействовать. Эти новые континенты также были затоплены, поэтому мелководные, освещенные солнцем зоны морского дна расширились еще больше.

Залитые солнцем морские среды, как правило, наиболее богаты питательными веществами. Виды, которые приспособились к ежедневным колебаниям кислорода, могли легче получить доступ к питательным веществам в этой обширной, мелководной среде обитания. Виды, устойчивые к стрессу, выигрывали гонку за пищей.

Как стресс стимулирует эволюцию

Физиологический стресс часто рассматривается как препятствие для выживания. Но он может быть катализатором эволюционных инноваций. Даже сегодня виды, обитающие в экстремальных условиях, часто развивают специфические черты, которые делают их более приспособленными.

Новое исследование предполагает, что подобная картина наблюдалась и в Кембрийском периоде. Животные эволюционировали, чтобы справиться со стрессом от колебаний уровня кислорода на “шведском столе” мелководных шельфовых зон.

Одной из ключевых адаптаций могла стать способность эффективно распознавать колебания кислорода и реагировать на них.

Эта черта регулируется клеточной системой управления – молекулярным путем, который адаптирует реакцию клетки на внешние условия. Система управления, которая, возможно, возникла во время Кембрийского взрыва, известна как HIF-1α (фактор, индуцируемый гипоксией 1).

У современных животных эта система помогает клеткам обнаруживать изменения в условиях кислорода и адаптироваться к ним, контролируя такие процессы, как энергетический обмен и координация функций клетки.

Более того, HIF-1α обеспечивает устойчивость к токсинам, таким как сероводород, распространенный побочный продукт аноксидных условий.

Моделирование показало, что животные с развитыми механизмами определения уровня кислорода имели бы преимущество в выживании в условиях колебаний на Кембрийском морском дне, что позволило бы им вытеснить виды, не обладающие этой способностью.

От суровых условий к разнообразию животных

Сегодня очаги биоразнообразия (тропические леса и коралловые рифы) процветают в условиях высокой биологической конкуренции и экологической сложности.

Однако в экстремальных условиях, где выживание зависит от противостояния суровым физическим условиям, а не от конкуренции с другими видами, в игру вступают иные эволюционные факторы. Любые адаптации к стрессу, которые приводили к повышению выживаемости, также эффективно передавались по наследству.

Способность справляться с этими быстрыми изменениями, возможно, позволила определенным линиям животных процветать, превосходя другие, что привело к появлению более сложных и приспособленных форм жизни.

Сегодня все животные с тканями в нашем понимании (несколько слоев клеток) используют HIF для поддержания нормального функционирования или устойчивого состояния (известного как гомеостаз). Этот молекулярный путь имеет решающее значение для построения и восстановления тканей.

Предполагается, что такие “регуляторы” в клетках даже необходимы для того, чтобы животные могли достигать таких больших размеров и возраста, как жирафы, слоны и люди.

Эта новая модель поднимает вопросы перед традиционными теориями, которые рассматривают исключительно масштабные геологические изменения как главные движущие силы ранней эволюции животных.

Локальные проблемы, с которыми сталкиваются отдельные организмы, – например, выживание при ежедневных колебаниях между богатыми и бедными кислородом условиями, – могли быть не менее важны для формирования хода эволюции.