В мире, где уровень кислорода резко менялся в зависимости от дня и ночи, древние животные сталкивались с трудностями выживания. Днем кислород был в достатке, а ночью резко снижался, создавая удушающие условия. Это происходило около полумиллиарда лет назад, во время камбрийского взрыва, когда значительно возросло разнообразие животного мира. Исследования указывают на то, что колебания уровня кислорода сыграло ключевую роль в этом периоде.

На протяжении многих десятилетий ученые обсуждали, что могло послужить для эволюционного скачка в развитии жизни. Многие исследователи указывали на долгосрочные изменения в атмосфере, предполагая, что рост уровня кислорода способствовал появлению новых форм жизни.

Однако за последние несколько лет взгляды на это предположение изменились, и вопрос о том, действительно ли повышение уровня кислорода было простым толчком к появлению животных, оказался под сомнением.

Новое исследование выявило другой, часто игнорируемый фактор. Ежедневные колебания уровня кислорода на мелководье, возможно, оказывали стрессовое воздействие на древние организмы, которые являются предками современных животных. Это заставляло их адаптироваться, что, в свою очередь, способствовало их разнообразию.

Ученые использовали компьютерную модель, имитирующую условия, освещенного солнцем морского дна. Которая учитывала такие факторы, как влияние температуры, солнечного света, различных типов отложений и вод на общие условия.

С помощью данной «биогеохимической модели» было продемонстрировано, что в теплых мелководных водоемах в кембрийский период, когда уровень кислорода в целом был ниже, чем сейчас, его содержание могло резко меняться в зависимости от времени суток. В течение дня в результате фотосинтеза морских водорослей вырабатывается много кислорода, создавая полностью насыщенную кислородом среду. Однако ночью, когда фотосинтез прекращается из-за отсутствия света, кислород быстро расходуется водорослями при дыхании, что приводит к возникновению бескислородных условий.

Цикличные колебания уровня кислорода, происходящие на протяжении дня, создавали значительные физиологические трудности для первых животных и побуждали их развивать различные адаптации для преодоления изменений в доступности питательных веществ. Тем, кто смог адаптироваться к этим условиям, это давало конкурентное преимущество в борьбе за выживание.

В это время океанские мелководья значительно увеличились из-за разрушения суперконтинента Родиния на более мелкие участки. Это увеличило общую окружность континентальной коры, создав больше континентальных краев, где солнце, питательные вещества и жизнь могли взаимодействовать. Эти новые континенты также были затоплены, поэтому мелководные, освещенные солнцем зоны морского дна еще больше расширились.

Солнечные морские экосистемы, как правило, являются самыми насыщенными питательными веществами, и виды, адаптированные к ежедневным колебаниям уровня кислорода, получили возможность легче получать эти ресурсы в обширных мелководьях.

Физиологический стресс зачастую воспринимается как серьезное препятствие для выживания, однако он может также служить катализатором эволюционных изменений. Даже в современном мире виды, которые выживают в экстремальных условиях, нередко развивают уникальные черты, позволяющие им, лучше адаптироваться к суровым условиям.

Это исследование предполагает, что такая закономерность имела место и в кембрийский период, когда животные эволюционировали, чтобы справляться со стрессом, вызванным изменениями уровня кислорода на мелководных шельфах.

Одной из ключевых адаптаций могла стать способность эффективно улавливать изменения уровня кислорода и соответствующим образом на них реагировать. Эта способность регулируется клеточной системой контроля — молекулярным механизмом, который помогает клеткам адаптироваться к внешним условиям. Система контроля, возникшая, вероятно, в процессе кембрийского взрыва, называется HIF-1α (индуцированный гипоксией фактор 1).

У современных животных эта система позволяет клеткам обнаруживать колебания в содержании кислорода и адаптироваться к ним, контролируя процессы энергетического обмена и координации функций клетки. Однако HIF-1α также обеспечивает защиту от токсичных веществ, таких как сероводород, который является распространенным продуктом при бескислородных условиях.

Это моделирование показывает, что животные, обладающие развитыми механизмами восприятия кислорода, имели бы явные преимущества в условиях нестабильности кембрийского морского дна, что дало бы им возможность вытеснить виды, лишенные таких способностей.

Сегодня очаги биоразнообразия, такие как тропические леса и коралловые рифы, развиваются в условиях высокой биологической конкуренции и экологической сложности. Однако в экстремальных условиях, когда выживание зависит не столько от соперничества с другими видами, сколько от способности справляться с тяжелыми физическими обстоятельствами, начинают играть роль другие эволюционные факторы. Адаптации, способствующие выживанию в таких стрессовых условиях, эффективно передаются по наследству.

Способность адаптироваться к быстрым изменениям, возможно, позволила некоторым видам животных доминировать над другими, что способствовало развитию более сложных форм жизни.

Все современные животные, обладающие тканями (то есть состоящими из нескольких слоев клеток), используют молекулярный путь, называемый HIF, для поддержания нормального функционирования или стабильного состояния, известного как гомеостаз. Этот путь играет ключевую роль в образовании и восстановлении тканей.

Предполагается, что эти «регуляторы», присутствующие в клетках, необходимы для того, чтобы животные, такие как жирафы, слоны и люди, могли достигать значительных размеров и долгожительства.

Таким образом, новая модель ставит под сомнение традиционные представления, которые акцентируются исключительно на масштабных геологических изменениях как главных факторах эволюции ранних животных.

Проблемы, возникающие на локальном уровне, с которыми сталкиваются отдельные организмы — например, необходимость выживания в условиях, когда ежедневно наблюдаются колебания между высоким и низким содержанием кислорода — могут быть столь же важными для направления эволюционного процесса.

Ранее исследование показало, что взрыв разнообразия вирусов в озере Танганьика 2,5 млн лет назад произошел в то же время, когда излучение древней сверхновой накрыло Землю космическими лучами. Это может указывать на связь между диверсификацией и космическим излучением, считает команда под руководством астрофизика Кейтлин Ноджири из Калифорнийского университета в Санта-Крузе.