Τα σύνθετα ζώα οδήγησαν σε περισσότερο οξυγόνο, λέει η Maverick Theory

Περίπου πριν από 540 εκατομμύρια χρόνια, η ζωή διαφοροποιήθηκε γρήγορα σε μια εξελικτική έκρηξη - μια βιολογική «Μεγάλη Έκρηξη» που έγινε μάρτυρας της εμφάνισης σχεδόν κάθε σύγχρονης ομάδας ζώων. Οι επιστήμονες προσπάθησαν εδώ και καιρό να προσδιορίσουν τι προκάλεσε την έκρηξη στην Κάμβρια και να εξηγήσουν γιατί η ζωή των ζώων δεν έκανε αυτό το βήμα σε κανένα σημείο περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια νωρίτερα.

Η πιο δημοφιλής αφήγηση βάζει το οξυγόνο μπροστά και στο κέντρο. Το γεωλογικό αρχείο δείχνει μια σαφή σχέση, αν και συχνά λεπτή και περίπλοκη, μεταξύ των αυξήσεων των επιπέδων οξυγόνου και της πρώιμης εξέλιξης των ζώων. Ως Quanta που αναφέρθηκε νωρίτερα αυτόν τον μήνα, πολλοί ερευνητές υποστηρίζουν ότι αυτό υποδηλώνει ότι η χαμηλή διαθεσιμότητα οξυγόνου είχε μεγαλύτερη πολυπλοκότητα - ότι απαιτούνταν μεγαλύτερες ποσότητες οξυγόνου για διαδικασίες που απαιτούν ενέργεια όπως η κίνηση, η θήρευση και η ανάπτυξη νέων σωματικών σχεδίων με περίπλοκες μορφολογίες. /P>

«Είναι μια πολύ ελκυστική, διαισθητική εξήγηση», είπε ο Νίκολας Μπάτερφιλντ, παλαιοβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ. "Και είναι λάθος."

Ο Μπάτερφιλντ - «μια μοναχική φωνή στην έρημο», αποκαλεί τον εαυτό του - έχει αυτό που πολλοί άλλοι θα μπορούσαν να θεωρήσουν μια ασυνήθιστη άποψη για την ιστορία του οξυγόνου. Ουσιαστικά ανέτρεψε την ιδέα. Σύμφωνα με τη θεωρία του, οι αλλαγές στις περιβαλλοντικές συνθήκες δεν ήταν η αιτία, αλλά μάλλον η συνέπεια, της μετανάστευσης των ζώων και της διατάραξης του περιβάλλοντός τους. "Πρέπει να εκτιμήσουμε ότι τα ζώα έχουν ισχυρό, ισχυρό αντίκτυπο στον κύκλο του άνθρακα και στον τρόπο με τον οποίο όλα εξελίσσονται", είπε.

Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο τεύχος Ιανουαρίου του Geobiology , ο Μπάτερφιλντ έπλεξε τη δυναμική των υγρών και την οικολογία για να παρουσιάσει την άποψή του για τα ζώα που οδηγούν στην οξυγόνωση αντί για το αντίστροφο. Πρώτον, υποστήριξε, αν υπήρχε αρκετό οξυγόνο για να τροφοδοτήσει τους μονοκύτταρους ευκαρυώτες πριν από 1,6 δισεκατομμύρια χρόνια - πράγμα που ίσχυε πράγματι - τότε θα ήταν αρκετό για να λειτουργήσει μια ολόκληρη ποικιλία ζώων. Πιστεύει ότι οι πρώιμοι πολυκύτταροι οργανισμοί αποτελούνταν από μαστιγωμένα κύτταρα που κινούνται ομόφωνα, χτυπώντας συλλογικά τα εξαρτήματά τους για να δημιουργήσουν ρεύματα που θα τους έκαναν ευκολότερο να αποκτήσουν διαλυμένο οξυγόνο. «Θεωρώ ότι αν υπάρχει αρκετό οξυγόνο για να τρέξει ένας μονοκύτταρος ευκαρυώτης, υπάρχει αρκετό οξυγόνο για να τρέξει ένα ψάρι», είπε ο Μπάτερφιλντ. "Επομένως, ο περιορισμός οξυγόνου δεν μπορεί να επικαλεστεί για να εξηγήσει την καθυστέρηση δισεκατομμυρίων ετών στην εξέλιξη των ζώων."

Αντίθετα, η υπόθεσή του επικεντρώνεται στην ημερήσια κάθετη μετανάστευση, μια καθημερινή διαδικασία κατά την οποία διάφοροι οργανισμοί, που κυμαίνονται σε μέγεθος και πολυπλοκότητα από ζωοπλαγκτόν και σφουγγάρια μέχρι ψάρια και καλαμάρια, μεταναστεύουν μεταξύ ρηχών και βαθύτερων νερών για να βρουν τροφή και να αποφύγουν τα αρπακτικά. Τροφοδοτώντας πάνω και μεταβολίζοντας κάτω, τα ζώα τρίβουν και βοηθούν στον αερισμό του ωκεανού, αυξάνοντας τις συγκεντρώσεις οξυγόνου στην επιφάνεια ενώ οδηγούν τις ανοξικές περιοχές σε μεγαλύτερα βάθη. Αυτή η ανακατανομή του οξυγόνου θα είχε επίσης βελτιώσει τη διαφάνεια της στήλης του νερού, επιτρέποντας στο φως να διεισδύσει πιο κάτω και να κλιμακώσει την εξάρτηση των αρπακτικών από την όραση σε όλο και βαθύτερα επίπεδα όταν κυνηγούν. Η μετέπειτα εξέλιξη των μεγαλύτερων οπτικών αρπακτικών που καταδύονται βαθύτερα θα είχε στη συνέχεια ωθήσει τις «ελάχιστες ζώνες οξυγόνου» σε ακόμη χαμηλότερα βάθη, δημιουργώντας έναν βρόχο ανάδρασης.

Τελικά, αυτή η διαδοχική αλληλεπίδραση μεταξύ της ακούσιας ανασχεδιασμού της δομής των ωκεανών από τα ζώα και των προσαρμοστικών αποκρίσεών τους σε αυτές τις αλλαγές έφτασε σε ένα οριακό σημείο. «Το σύστημα έγινε κρίσιμο», σύμφωνα με τα λόγια του Μπάτερφιλντ, με αποτέλεσμα την ξαφνική έκρηξη της ποικιλομορφίας και της πολυπλοκότητας των ζώων κατά τη διάρκεια της Κάμβριας.

Η καθυστερημένη εμφάνιση των ζώων στον ωκεανό δεν προκλήθηκε επομένως από έλλειψη οξυγόνου, σύμφωνα με τον Μπάτερφιλντ, αλλά μάλλον επειδή η τυφλή δαρβινική εξέλιξη χρειαζόταν χρόνο για να φτάσει σε αυτό το σημείο καμπής. «Το γονιδιακό ρυθμιστικό δίκτυο για την κατασκευή ενός ζώου είναι ο πιο περίπλοκος αλγόριθμος που έχει δημιουργήσει ποτέ η εξέλιξη», είπε. «Και έχει συμβεί μόνο μία φορά, [όπως] έχει συμβεί μόνο μία φορά στα φυτά της ξηράς», τα οποία επισημαίνει ότι είναι η μόνη άλλη γενεαλογία οργανισμών που έχουν διαφοροποιημένους ιστούς, όργανα και συστήματα οργάνων. «Και αυτό κράτησε ακόμα περισσότερο. Ακολούθησε την εξέλιξη των ζώων κατά άλλα 100 εκατομμύρια χρόνια.”

Δεν είναι όλοι πεπεισμένοι. Ο Timothy Lyons, γεωλόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Riverside, πιστεύει ότι πολλές ανεξάρτητες γραμμές αποδεικτικών στοιχείων δείχνουν το οξυγόνο στο περιβάλλον ως το έναυσμα για τον εξελικτικό καταρράκτη Butterfield. Για παράδειγμα, τα περισσότερα σημαντικά γεγονότα εξαφάνισης συνδέονταν με χαμηλό οξυγόνο, είπε, και τα επίπεδα οξυγόνου κυμάνθηκαν καθ' όλη τη διάρκεια του χρόνου που οδήγησε στην Κάμβρια (καθώς και σε μεταγενέστερες εποχές). Αυτές οι περίοδοι χαμηλότερου οξυγόνου «φύτεψαν τους σπόρους» για καινοτομίες που επέτρεψαν σε ορισμένους οργανισμούς να επωφεληθούν από το οξυγόνο πιο αποτελεσματικά. Όταν το οξυγόνο αργότερα ανέκαμψε, η φυσική επιλογή θα είχε ευνοήσει αυτές τις προσαρμογές και θα επέτρεπε στα ζώα μαζί τους να ανθίσουν και να διαφοροποιηθούν.

Επιπλέον, ο Lyons και ο Charles Diamond, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο της Λυών, βρίσκουν βασικά στοιχεία για να αντιμετωπίσουν την ιστορία του Butterfield. Έχουν εντοπίσει άλλες καταστάσεις, που δεν αποδίδονται σε ζώα, που θα προκαλούσαν αυξήσεις στο οξυγόνο ακριβώς την ίδια στιγμή με τα γεγονότα ταχείας διαφοροποίησης των ζώων που ανέφερε ο Butterfield. Μια τεράστια ποικιλία μεγάλων ψαριών εμφανίστηκε αργότερα, για παράδειγμα, κατά την Περίοδο του Ντέβον (η «Εποχή των Ψαριών» που ξεκίνησε πριν από περίπου 419 εκατομμύρια χρόνια), όταν εμφανίστηκαν δέντρα και άλλα αγγειακά φυτά στις ηπείρους. Αυτά τα χερσαία φυτά από μόνα τους αύξησαν πολύ την ποσότητα οξυγόνου τόσο στην ατμόσφαιρα όσο και στον ωκεανό, είπαν οι Lyons and Diamond. Ο χρόνος των δύο γεγονότων θέτει υπό αμφισβήτηση τον ισχυρισμό του Μπάτερφιλντ ότι ήταν πρόσφατα εξελιγμένο ψάρι που προκάλεσε την αύξηση του οξυγόνου και όχι το αντίστροφο, πρόσθεσε ο Ντάιμοντ. "Διαφορετικά, θα ήταν πάρα πολύ σύμπτωση."

Ο Μπάτερφιλντ διαφωνεί. «Ναι, η αύξηση των αγγειακών φυτών της γης μπορεί να έχει επηρεάσει τη διαθεσιμότητα οξυγόνου. Αυτή είναι η τυπική άποψη του σχολικού βιβλίου», έγραψε σε ένα email. «Αλλά βασίζεται σε ένα σωρό μη τεκμηριωμένες υποθέσεις» — όπως ότι το ατμοσφαιρικό οξυγόνο ήταν προηγουμένως πολύ χαμηλό (νομίζει ότι οι μετρήσεις του ατμοσφαιρικού οξυγόνου που βασίζονται σε υποδοχείς είναι εγγενώς εσφαλμένες και ότι το οξυγόνο θα μπορούσε να ήταν πολύ υψηλότερο από το εκτιμώμενο) και ότι θα ήταν ο περιοριστικός παράγοντας για το πώς εξελίχθηκαν τα μεγάλα ψάρια. "Υποστηρίζω ότι κανένα από αυτά δεν κρατάει νερό."

Παρά αυτές τις διαφωνίες, οι Lyons και Diamond βρίσκουν ότι οι ιδέες του Butterfield - ότι η εξέλιξη μιας τόσο μεγάλης πολυπλοκότητας ήταν το αποτέλεσμα της εγγενούς βιολογικής ανάπτυξης, αυτό που ο Butterfield αποκάλεσε «εξελικτικό τυχαίο περίπατο» - είναι πολύ πιο εφικτές στην περίπτωση των χερσαίων φυτών. Η εμφάνισή τους «δεν θα μπορούσε να ήταν μια απάντηση στο οξυγόνο ή στο διοξείδιο του άνθρακα», είπε ο Lyons. Αλλά αυτός και ο Diamond δεν πιστεύουν ότι αυτή η εξήγηση μπορεί να εφαρμοστεί σωστά σε ζώα.

Προς το παρόν, ο Butterfield θέλει να λάβει περαιτέρω υποστήριξη για τη θεωρία του εξετάζοντας πώς οι σύγχρονες εξαφανίσεις επηρεάζουν την κάθετη μετανάστευση. Καθώς τα μεγαλύτερα αρπακτικά που καταδύονται βαθύτερα εξαφανίζονται, οι ελάχιστες ζώνες οξυγόνου θα πρέπει να αυξηθούν και να επισπεύσουν περαιτέρω εξαφανίσεις, είπε. Αυτό είναι κάτι που μπορεί να εξερευνήσει στους σύγχρονους ωκεανούς, καθώς η παγκόσμια κλιματική αλλαγή προκαλεί όλεθρο στα θαλάσσια οικοσυστήματα.

Όσο για το τι μπορεί να συνέβη πριν από εκατομμύρια χρόνια κατά τη διάρκεια της Κάμβριας - «Λοιπόν, σε αυτό το σημείο η σχέση μεταξύ οξυγόνου και ζώων είναι ξεκάθαρη», είπε ο Lyons, «αλλά πηγαίνει πίσω στο κλασικό επιχείρημα για το κοτόπουλο ή το αυγό. ”