想像一下這樣一個世界，您所需的氧氣在白天和黑夜之間發生巨大變化。
你的世界從白天富含氧氣（有氧），因此你有精力去尋找食物，變成了夜間令人窒息的無氧（缺氧），這會減慢你的速度。
現在，想像一下早期動物試圖在如此極端的環境中生存。這就是大約五億年前海洋中早期動物生命的現實。這也是動物多樣性蓬勃發展的時期，即所謂的““寒武紀大爆發”。
我的團隊的新研究表明這些劇烈的氧氣波動在這個戲劇性的時期發揮了至關重要的作用。
幾十年來，科學家們一直在爭論是什麼觸發了這種進化爆發。許多科學家指出了長期的大氣變化，其中氧氣含量的增加可能會導致動物生命形式數量的變化。
然而，在過去的幾年裡，人們認為大氣中氧氣的增加是動物數量增加的一個簡單觸發因素。已被質疑。
我們的新學習揭示了一個不同的、經常被忽視的因素。淺海海底氧氣水平的每日波動可能給早期動物（當今所有動物的祖先）帶來壓力，促使它們以促進多樣化的方式進行適應。
我們認為，並不是良好的條件推動了這一變化，而是惡劣的條件引發了這一變化。
我們使用了一種計算機模型，可以模擬當今陽光照射下的海底條件。該模型考慮了生命可以生產或消耗什麼，還考慮了溫度、陽光和不同類型的沉積物或水如何影響整體條件。
利用這種所謂的“生物地球化學模型”，我們已經證明，在溫暖的淺水中，寒武紀的氧氣水平在白天和夜晚之間可能會發生劇烈波動（當時的氧氣含量通常低於今天）。
白天，海藻進行光合作用，產生大量氧氣，創造了一個充分含氧的環境。但到了晚上，當光合作用因沒有光而停止時，氧氣反而被藻類在呼吸時迅速消耗（利用能量和氧氣來執行細胞功能），導致缺氧條件。
這種每天氧氣供應量的盛宴和飢荒循環給早期動物帶來了強烈的生理挑戰，迫使它們適應營養物質的波動。對於那些能夠應對這些波動的人來說，適應給了他們競爭優勢。
此時，世界各地海洋中類似沙灘的淺陸架環境也急劇擴張，因為被稱為羅迪尼亞的超級大陸分裂成更小的碎片。
這增加了大陸地殼的總周長，創造了更多的大陸邊緣，讓陽光、營養物質和生命可以相互作用。這些新大陸也被洪水淹沒，因此陽光照射的淺海底區域擴大了甚至更進一步。
陽光照射的海洋環境往往是營養成分最豐富。已經適應了日常氧氣波動的物種可以更容易地在這片廣闊而淺的棲息地中獲取營養。耐受壓力的物種將贏得食物競賽。
壓力如何推動進化
生理壓力通常被視為生存的障礙。但它可以成為進化創新的催化劑。即使在今天，忍受極端環境的物種往往會發展出特殊的特徵，使它們更具適應能力。
我們的研究表明寒武紀也出現了類似的模式。動物進化出了一些方法來應對淺海底架自助餐中氧氣水平波動的壓力。
一項關鍵的適應可能是有效感知和對氧氣波動做出反應。
這種特性受到細胞控制系統的調節，這是一種適應細胞對外部條件的反應方式的分子途徑。寒武紀大爆發時可能出現的控制系統被稱為HIF-1α（缺氧誘導因子1）。
在現代動物中，該系統幫助細胞檢測並適應氧氣條件的變化，控製過程比如能量代謝和協調細胞的功能。
然而，HIF-1α 對硫化氫（缺氧條件下常見的副產品）等毒素具有抵抗力。
我們的模型表明，具有先進氧感應機制的動物在寒武紀海底波動的條件下具有生存優勢，使它們能夠在沒有這種能力的物種的競爭中勝出。
從惡劣的環境到動物多樣性
如今，熱帶雨林和珊瑚礁等生物多樣性熱點地區在高度生物競爭和生態復雜性的條件下蓬勃發展。
然而，在極端環境中，生存依賴於承受惡劣的物理條件，而不是與其他物種競爭，不同的進化壓力就會發揮作用。任何能夠提高生存率的針對壓力的適應也可以有效地遺傳。
應對這些快速變化的能力可能使某些動物譜係比其他譜系繁衍生息，從而導致更複雜和適應性更強的生命形式的出現。
如今，所有具有我們所知道的組織（多層細胞）的動物都使用 HIF 來維持定期維持或穩定狀態（稱為體內平衡）。該分子途徑對於構建組織和癒合組織至關重要。
細胞中的這些“控制旋鈕”甚至被認為對於動物生命如何變大和變老至關重要就像長頸鹿、大象和人類一樣。
這種新模型挑戰了僅關注大規模地質變化作為早期動物進化主要驅動力的傳統觀點。
個體生物體面臨的局部挑戰——例如每天在富氧和缺氧條件之間的波動中生存——在塑造進化過程中可能同樣重要。
