Уявіть собі світ, де рівень кисню, необхідного для життя, різко змінюється між днем і ніччю. Вдень ваш світ багатий на кисень (оксичне середовище), даючи вам енергію для пошуку їжі, але вночі він стає задушливо безкисневим (аноксичним), що сповільнює вас. Тепер уявіть собі, як перші тварини намагалися вижити в такому екстремальному середовищі.
Це була реальність для раннього тваринного життя в океанах і морях приблизно пів мільярда років тому. Саме тоді й відбувся сплеск біорізноманіття, відомий як «кембрійський вибух». Нове дослідження моєї команди свідчить, що ці різкі коливання рівня кисню відіграли ключову роль у цьому драматичному періоді.
Рання еволюція тварин відбувалася через суворі умови, а не ідеальні – дослідження
Протягом десятиліть вчені дискутували, що саме спричинило цей еволюційний стрибок. Багато дослідників вважали, що тривалі атмосферні зміни, зокрема підвищення рівня кисню, сприяли збільшенню різноманіття тварин. Однак останніми роками ця гіпотеза почала піддаватися сумніву. Наше нове дослідження виявило інший, менш помітний фактор. Щоденні коливання рівня кисню на мілководному морському дні могли створювати стрес для ранніх тварин (предків усього сучасного тваринного світу), змушуючи їх адаптуватися та сприяючи диверсифікації.
Замість того щоб комфортні умови сприяли змінам, ми стверджуємо, що саме суворі умови їх викликали. Ми використали комп’ютерну модель, яка імітує умови на сонячному морському дні. Ця модель враховує життєві процеси, температуру, світло, типи осадів і воду, які впливають на загальні умови середовища.
Завдяки цьому біогеохімічному моделюванню ми показали, що в теплих, мілководних водах у кембрії рівень кисню міг різко змінюватися між днем і ніччю (тоді рівень кисню в атмосфері був нижчим, ніж сьогодні). Вдень фотосинтез морських водоростей виробляв багато кисню, створюючи повністю насичене киснем середовище. Але вночі, коли фотосинтез припинявся через відсутність світла, водорості починали активно споживати кисень для дихання, що призводило до аноксичних (безкисневих) умов.
Як стрес стимулює еволюцію
Фізіологічний стрес часто розглядається як перешкода для виживання. Але він може стати каталізатором еволюційних змін. Навіть сьогодні види, що виживають в екстремальних умовах, часто розвивають спеціалізовані механізми адаптації. Наше дослідження свідчить, що подібний процес відбувався і в кембрії. Тварини змушені були пристосовуватися до коливань рівня кисню на мілководних морських платформах, що багаті поживними речовинами. Однією з ключових адаптацій могла бути здатність ефективно виявляти та реагувати на зміни рівня кисню.
Цю функцію регулює клітинна контрольна система – молекулярний шлях, що допомагає клітинам адаптуватися до зовнішніх умов. Можливо, ця система виникла саме під час кембрійського вибуху, і сьогодні вона відома як HIF-1α (фактор, індукований гіпоксією 1). У сучасних тварин ця система допомагає клітинам реагувати на зміни рівня кисню, контролюючи процеси метаболізму та функції клітин.
Крім того, HIF-1α забезпечує стійкість до токсичних речовин, таких як сірководень, який часто утворюється в аноксичних умовах. Наше моделювання показує, що тварини з розвиненим механізмом виявлення кисню мали значну перевагу в умовах кембрійського морського дна, що дало їм змогу витіснити менш адаптивні види.
Від екстремальних умов до різноманітності тварин
Сьогодні біологічні гарячі точки, такі як тропічні ліси та коралові рифи, процвітають у складних і конкурентних умовах. Проте в екстремальних середовищах, де виживання залежить від стійкості до несприятливих фізичних факторів, діють інші еволюційні механізми. Будь-яка адаптація, що підвищує виживаність, буде ефективно передаватися наступним поколінням.
Здатність витримувати різкі зміни рівня кисню могла дати певним групам тварин перевагу над іншими, сприяючи появі більш складних та адаптивних організмів.
Сьогодні всі тварини, що мають тканини (кілька шарів клітин), використовують систему HIF для підтримки гомеостазу, зростання та відновлення тканин. Ці «клітинні регулятори» навіть відіграють ключову роль у тому, як тварини можуть досягати великих розмірів і довгого життя – як у випадку з жирафами, слонами та людьми. Ця нова модель змінює традиційні уявлення, згідно з якими рання еволюція тварин була зумовлена лише великими геологічними змінами.
Локальні виклики, з якими стикалися окремі організми – наприклад, щоденні коливання між насиченим киснем і безкисневим середовищем – могли бути не менш важливими у формуванні шляху еволюції.
✍️ Емма Хаммарлунд, доцент кафедри геобіології, Лундський університет