Сегодня тот факт, что животные нуждаются в кислороде, чтобы жить, кажется очевидной истиной. Но относительный дефицит кислорода в древних океанах Земли помог развитию ранних морских существ, утверждает новое исследование.
«Кембрийский взрыв» — эволюционный скачок, произошедший около 540 миллионов лет назад и включающий в себя рождение большинства основных групп животных, известных сегодня, сопровождался значительным снижением уровня кислорода, — говорят результаты исследования. Они дают нам более полное представление о том, как именно в глубоком прошлом колебался уровень кислорода в океанах и атмосфере, и как он изменился так, чтобы эволюция не просто продолжалась, а еще и такими быстрыми (по геологическим меркам) темпами.
Тимоти Лионс, биогеохимик из Калифорнийского университета, Риверсайд, комментируя результаты исследования (в самом исследовании он не участвовал), сказал, что данная работа показывает, что времена с низким уровнем кислорода, можно сказать, «зарядили насос» для эволюции животных.
Сегодня, в зависимости от района, типичные поверхностные океанские воды состоят из 5,4-8 миллилитров растворенного кислорода на каждый литр морской воды. Но воды с низким уровнем (или почти отсутствующем) кислорода существуют — это так называемые «зоны минимального кислорода» (ЗМК). Таковыми являются некоторые места в восточной части Тихого океана. Там обитают мелкие животные, такие как нематоды и некоторые адаптировавшиеся к подобным условиям рыбы. Концентрации кислорода в этих районах могут составлять лишь около 1% от уровня поверхностных вод.
Лионс поясняет, что в некоторые древние эпохи, согласно другим недавним работам по океанической химии, морские животные жили в мирах с очень низким содержанием кислорода, и большая часть океана в эти периоды времени, вероятно, была как в современных ЗМК.
Палеонтологи Рейчел Вуд из Эдинбургского университета и Дуглас Эрвин из Смитсоновского института Национального музея естественной истории в Вашингтоне, округ Колумбия, решили изучить, как животное царство реагирует на эти низкие уровни кислорода. Они рассмотрели, как, исходя из летописи окаменелостей и из генетических данных, колебания концентрации кислорода коррелируют с появлением новых животных. Исходя из этого, они отметили три этапа, в которых кислород сначала опускался до критически низкой отметки, а затем снова поднимался, что приводило к увеличению животного разнообразия.
В древнейшей эволюционной истории животных, в период между 635 и 540 миллионами лет назад, в океане был повсеместно низкий уровень кислорода. В последующий, кембрийский период, начавшийся около 540 миллионов лет назад, появилось больше насыщенных кислородом вод. В это же время у животных появляются такие ключевые черты как сердце, центральная нервная система, пищеварительная система, а также скелет и конечности. По мере того, как уровни кислорода становились более высокими, группы с этими чертами размножались активнее, заполняя летопись окаменелостей тем, что теперь именуется «кембрийским взрывом». Но еще до самого взрыва, во время аноксических фаз, возникало много морфологической новизны, — объясняет Эрвин. Вероятно, это были маленькие и мягкотелые животные, которые существовали на обочине древних экосистем и которые практически не оставили никаких следов окаменелостей.
То же самое произошло в двух других, более поздних периодах. В конце кембрия океаны лишились кислорода на период от 3 миллионов до 4 миллионов лет. После такой «кислородной диеты», животная жизнь снова начала процветать, уже в так называемой ордовикской радиации. В течение этого периода произошло разрастание основных групп животных. Вуд замечает, что в этот период происходит увеличение разнообразия кораллов и губок.
Затем, около 252 миллионов лет назад, еще одно аноксическое событие привело к пермь триасовому вымиранию, самому большому массовому вымиранию в истории. Однако, по его окончанию, летопись окаменелостей снова показывает нам новые коралловые и губчатые виды, и животных — ихтиозавров, вымерших дельфиноподобных морских рептилий. Эти новые формы, вероятно, появлялись во времена с низким содержанием кислорода. Восстановление же уровня кислорода позволило им крайне быстро и успешно расплодиться, сообщают исследователи в «Биологических обзорах».
Ученые говорят, что результаты исследования не делают аноксию благоприятной для современных экосистем. Но в очень долгих временных масштабах это может привести к эволюции. «Раньше мы думали, что для того, чтобы дать эволюции совершить скачок, нужен пороговый уровень кислорода», — говорит Карл Симпсон, палеобиолог из Университета Колорадо в Боулдере, который не принимал участия в работе. «Но новое исследование говорит о том, что животный мир может диверсифицироваться и при крайне низком содержании кислорода».
Пока остается неизвестным, как именно времена с низким содержанием кислорода приводили к эволюции животных. Возможно, аноксия просто убивала более крупных и доминирующих животных, оставляя место для более мелких, давая последним захватить власть. Ответ непонятен, но, как объясняет Вуд, изучение того, как животные развиваются в современных ЗМК, может пролить некоторый свет.
По материалам Science.
