极端的“盛宴与饥荒”循环引发了地球上的生命爆炸

想象一下这样一个世界，您需要的氧气在白天和黑夜之间发生了巨大变化。

你的世界从白天富含氧气（氧化），所以你有精力寻找食物，到晚上令人窒息的无氧（缺氧），这会让你放慢速度。

现在，想象一下早期动物试图在如此极端的环境中生存。这就是大约五亿年前海洋中早期动物生命的现实。这也是动物多样性蓬勃发展的时期，也就是所谓的“寒武纪大爆发”.

我团队的新研究表明这些剧烈的氧气波动在这个戏剧性时期发挥了至关重要的作用。

几十年来，科学家们一直在争论是什么触发了这种进化爆发。许多科学家指出了长期的大气变化，据称氧气含量的增加导致了动物生命形式数量的变化。

然而，在过去几年中，将增加大气中的氧气视为动物崛起的简单触发因素的观点受到质疑.

我们的新研究揭示了一个不同的、经常被忽视的因素。浅海底氧气含量的每日波动可能给早期动物（当今所有动物的祖先）带来了压力，促使它们以推动多样化的方式进行适应。

我们认为，与其说良好的条件推动了这种变化，不如说是恶劣的条件引发了这种变化。

我们使用了一个计算机模型，它可以模拟今天阳光明媚的海底条件。该模型考虑了生命可以产生或消耗的东西，但也考虑了温度、阳光和不同类型的沉积物或水如何影响整体条件。

使用这种所谓的“生物地球化学模型”，我们已经证明，在温暖的浅水区，寒武纪的氧气水平可能会在昼夜之间剧烈波动（当时的氧气含量通常低于今天）。

白天，海藻的光合作用产生大量氧气，创造了一个完全充氧的环境。但是到了晚上，当光合作用因没有光线而停止时，氧气反而被藻类在呼吸时迅速消耗（使用能量和氧气来执行细胞功能），导致缺氧状况。

这种每天氧气供应的盛宴和饥荒循环给早期动物带来了巨大的生理挑战，迫使它们发展适应能力以应对营养物质的波动。对于那些能够应对这些波动的人来说，适应给了他们竞争优势。

此时，世界各地海洋中浅沙沙滩状的大陆架环境也急剧扩大，因为被称为罗迪尼亚的超级大陆分裂成更小的碎片。

这增加了大陆地壳的总周长，创造了更多的大陆边缘，阳光、营养物质和生命可以在其中相互作用。这些新的大陆也被洪水淹没，因此阳光充足的浅海海底区域扩大了更远.

阳光充足的海洋环境往往是营养最丰富.适应了日常氧气波动的物种可以更容易地在这个广阔的浅层栖息地获得营养。耐压力的物种将赢得食物竞赛。

压力如何驱动进化

生理压力通常被视为生存的障碍。但它可以成为进化创新的催化剂。即使在今天，忍受极端环境的物种也经常发展出使它们更具适应性的专业特征。

我们的研究表明，类似的模式在寒武纪上演。动物进化出方法来应对浅海底大陆架上氧气水平波动的压力。

一个关键的适应可能是有效感知和对氧气波动做出反应.

这种特性由细胞控制系统调节，细胞控制系统是一种调整细胞对外部条件的反应方式的分子途径。寒武纪大爆炸可能出现的控制系统被称为 HIF-1α（缺氧诱导因子 1）。

在现代动物中，该系统帮助细胞检测和适应氧气条件的变化，控制进程就像能量代谢和协调一样单元格的功能.

然而，HIF-1α 对硫化氢等毒素具有抵抗力，硫化氢是缺氧条件的常见副产品。

我们的模型表明，具有先进氧感应机制的动物在寒武纪海底的波动条件下将具有生存优势，使它们能够胜过没有这种能力的物种。

从恶劣环境到动物多样性

今天，热带雨林和珊瑚礁等生物多样性热点地区在高度生物竞争和生态复杂性的条件下蓬勃发展。

然而，在生存依赖于承受恶劣的物理条件而不是与其他物种竞争的极端环境中，不同的进化压力开始发挥作用。任何导致存活率提高的对压力的适应也会被有效地遗传。

应对这些快速变化的能力可能使某些动物谱系比其他动物谱系更繁荣，从而导致更复杂和适应性更强的生命形式的出现。

今天，所有具有我们所知的组织（几层细胞）的动物都使用 HIF 来维持定期维持或稳定状态（称为体内平衡）。这种分子途径对于构建组织和愈合组织至关重要。

细胞中的这些“控制旋钮”甚至被认为对于动物生命如何变得如此庞大和衰老至关重要饰演长颈鹿、大象和人类.

这种新模型挑战了仅关注大规模地质变化作为早期动物进化主要驱动力的传统观点。

个体生物体面临的局部挑战——例如在富氧和缺氧条件下的日常波动中生存——在塑造进化进程方面可能同样重要。

艾玛·哈马伦德， 副教授， 地球生物学 ，隆德大学

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