ลองนึกภาพโลกที่ออกซิเจนที่คุณต้องการการเปลี่ยนแปลงอย่างมากระหว่างกลางวันและกลางคืน
โลกของคุณเปลี่ยนจากการอุดมไปด้วยออกซิเจน (Oxic) ในวันนั้นดังนั้นคุณจึงมีพลังงานในการตามล่าหาอาหารเพื่อปราศจากออกซิเจน (anoxic) ในเวลากลางคืนซึ่งทำให้คุณช้าลง
ตอนนี้ภาพสัตว์ในยุคแรก ๆ ที่พยายามอยู่รอดในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง นี่คือความเป็นจริงสำหรับชีวิตสัตว์ในวัยเด็กในมหาสมุทรและทะเลเมื่อประมาณครึ่งพันล้านปีก่อน นี่เป็นช่วงเวลาที่ความหลากหลายของสัตว์ดังขึ้นในสิ่งที่เรียกว่า"Cambrian Explosion"-
การวิจัยใหม่ของทีมของฉันแสดงให้เห็นว่าความผันผวนของออกซิเจนที่รุนแรงเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในช่วงเวลาที่น่าทึ่งนี้
เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์ได้ถกเถียงกันว่าสิ่งที่ก่อให้เกิดการระเบิดครั้งนี้นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ชี้ให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงในบรรยากาศระยะยาวซึ่งการเพิ่มระดับออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นคาดว่าจะผลักดันการเปลี่ยนแปลงของจำนวนชีวิตสัตว์
อย่างไรก็ตามในช่วงสองสามปีที่ผ่านมามุมมองเกี่ยวกับการเพิ่มออกซิเจนในบรรยากาศเป็นตัวกระตุ้นให้เกิดการเพิ่มขึ้นของสัตว์ได้รับการสอบสวน-
ใหม่ของเราศึกษาเผยให้เห็นปัจจัยที่แตกต่างและมักมองข้าม การแกว่งทุกวันในระดับออกซิเจนบนพื้นทะเลตื้นอาจเน้นสัตว์ยุคแรก ๆ (บรรพบุรุษของชีวิตสัตว์ทุกชนิดในปัจจุบัน) ผลักพวกเขาให้ปรับตัวในรูปแบบที่ทำให้เกิดการกระจายความเสี่ยง
แทนที่จะเป็นเงื่อนไขที่ดีในการขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงเรายืนยันว่าเงื่อนไขที่รุนแรงทำให้เกิดสิ่งนี้
เราใช้โมเดลคอมพิวเตอร์ที่สามารถเลียนแบบเงื่อนไขบนพื้นทะเลที่มีแสงแดดส่องถึงวันนี้ โมเดลนี้คำนึงถึงสิ่งที่ชีวิตสามารถผลิตหรือบริโภคได้ แต่ยังรวมถึงอุณหภูมิแสงแดดและตะกอนหรือน้ำชนิดต่าง ๆ ส่งผลกระทบต่อเงื่อนไขโดยรวม
การใช้สิ่งที่เรียกว่า "แบบจำลองทางชีวเคมี" เราได้แสดงให้เห็นว่าในน้ำอุ่นน้ำตื้นระดับออกซิเจนสามารถผันผวนได้อย่างมากระหว่างกลางวันและกลางคืนใน Cambrian (เมื่อออกซิเจนโดยทั่วไปต่ำกว่าวันนี้)
ในระหว่างวันการสังเคราะห์ด้วยแสงจากสาหร่ายทะเลผลิตออกซิเจนจำนวนมากสร้างสภาพแวดล้อมออกซิเจนอย่างเต็มที่ แต่ในเวลากลางคืนเมื่อการสังเคราะห์ด้วยแสงหยุดเพราะไม่มีแสงออกซิเจนถูกบริโภคอย่างรวดเร็วโดยสาหร่ายอย่างรวดเร็วขณะที่พวกเขารับผิดชอบ (ใช้พลังงานและออกซิเจนเพื่อทำงานของเซลล์) นำไปสู่สภาวะที่เป็นพิษ
วัฏจักรงานฉลองและครอบครัวประจำวันนี้ในความพร้อมใช้งานของออกซิเจนสร้างความท้าทายทางสรีรวิทยาที่รุนแรงสำหรับสัตว์ในยุคแรก ๆ บังคับให้พวกเขาพัฒนาการปรับตัวเพื่อจัดการกับความผันผวนของสารอาหาร สำหรับผู้ที่สามารถจัดการกับความผันผวนเหล่านี้การปรับตัวทำให้พวกเขาได้เปรียบในการแข่งขัน
สภาพแวดล้อมชั้นวางของหาดทรายที่ตื้นในมหาสมุทรทั่วโลกก็ขยายตัวอย่างมากในเวลานี้เพราะในทวีปที่รู้จักกันในชื่อ Rodinia-แตกออกเป็นชิ้นเล็ก ๆ
สิ่งนี้เพิ่มเส้นรอบวงทั้งหมดของเปลือกโลกคอนติเนนตัลสร้างขอบคอนติเนนตัลมากขึ้นซึ่งดวงอาทิตย์สารอาหารและชีวิตสามารถโต้ตอบได้ ทวีปใหม่เหล่านี้ก็ถูกน้ำท่วมเช่นกันยิ่งไปกว่านั้น-
สภาพแวดล้อมทางทะเลที่มีแสงแดดส่องถึงร่ำรวยที่สุดในสารอาหาร- สปีชีส์ที่ปรับให้เข้ากับความผันผวนของออกซิเจนทุกวันสามารถเข้าถึงสารอาหารในที่อยู่อาศัยที่กว้างใหญ่และตื้น สายพันธุ์ที่ทนต่อความเครียดจะชนะการแข่งขันกับอาหาร
ความเครียดขับเคลื่อนวิวัฒนาการอย่างไร
ความเครียดทางสรีรวิทยามักถูกมองว่าเป็นอุปสรรคต่อการอยู่รอด แต่มันอาจเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับนวัตกรรมวิวัฒนาการ แม้กระทั่งทุกวันนี้สปีชีส์ที่ทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงมักจะพัฒนาลักษณะผู้เชี่ยวชาญที่ทำให้พวกเขาปรับตัวได้มากขึ้น
การศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่ารูปแบบที่คล้ายกันเล่นใน Cambrian สัตว์พัฒนาวิธีที่จะรับมือกับความเครียดของระดับออกซิเจนที่ผันผวนบนsmörgåsbordของชั้นวางของพื้นทะเลตื้น
การปรับตัวที่สำคัญอย่างหนึ่งอาจเป็นความสามารถในการรับรู้ได้อย่างมีประสิทธิภาพและตอบสนองต่อความผันผวนของออกซิเจน-
ลักษณะนี้ถูกควบคุมโดยระบบควบคุมเซลล์ - เส้นทางโมเลกุลที่ปรับวิธีที่เซลล์ตอบสนองต่อเงื่อนไขภายนอก ระบบควบคุมที่อาจเกิดขึ้นที่การระเบิดของ Cambrian เรียกว่า HIF-1α (ปัจจัยที่ขาดออกซิเจน-เหนี่ยวนำได้ 1)
ในสัตว์สมัยใหม่ระบบนี้ช่วยให้เซลล์ตรวจจับและปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงในสภาพออกซิเจนกระบวนการควบคุมเช่นการเผาผลาญพลังงานและการประสานงานของฟังก์ชั่นของเซลล์-
อย่างไรก็ตาม HIF-1αให้ความต้านทานต่อสารพิษเช่นไฮโดรเจนซัลไฟด์ซึ่งเป็นผลพลอยได้ร่วมกันของสภาวะ anoxic
การสร้างแบบจำลองของเราแสดงให้เห็นว่าสัตว์ที่มีกลไกการตรวจจับออกซิเจนขั้นสูงจะมีความได้เปรียบในการเอาชีวิตรอดในสภาพที่ผันผวนของพื้นทะเล Cambrian ทำให้พวกเขาสามารถเอาชนะสายพันธุ์ได้หากไม่มีความสามารถนี้
จากสภาพแวดล้อมที่รุนแรงไปจนถึงความหลากหลายของสัตว์
ทุกวันนี้ฮอตสปอตความหลากหลายทางชีวภาพเช่นป่าฝนเขตร้อนและแนวปะการังที่เจริญรุ่งเรืองภายใต้เงื่อนไขของการแข่งขันทางชีวภาพที่สูงและความซับซ้อนทางนิเวศวิทยา
อย่างไรก็ตามในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงที่การอยู่รอดขึ้นอยู่กับการทนต่อสภาพร่างกายที่รุนแรงมากกว่าการแข่งขันกับสายพันธุ์อื่น ๆ ความกดดันวิวัฒนาการที่แตกต่างกันเข้ามาเล่น การปรับตัวใด ๆ กับความเครียดที่นำไปสู่การอยู่รอดที่เพิ่มขึ้นก็จะได้รับการสืบทอดอย่างมีประสิทธิภาพเช่นกัน
ความสามารถในการรับมือกับการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเหล่านี้อาจทำให้เชื้อสายสัตว์บางชนิดเจริญเติบโตได้มากกว่าผู้อื่นซึ่งนำไปสู่การเกิดขึ้นของรูปแบบชีวิตที่ซับซ้อนและปรับตัวได้มากขึ้น
วันนี้สัตว์ทุกตัวที่มีเนื้อเยื่อตามที่เรารู้จักพวกมัน (เซลล์หลายชั้น) ใช้ HIF เพื่อรักษาการบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอหรือสถานะคงที่ (เรียกว่าสภาวะสมดุล) เส้นทางโมเลกุลนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการสร้างเนื้อเยื่อและเนื้อเยื่อรักษา
"ลูกบิดควบคุม" เหล่านี้ในเซลล์ได้รับการแนะนำให้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับชีวิตสัตว์ที่จะได้รับขนาดใหญ่และเก่าเป็นยีราฟช้างและมนุษย์-
โมเดลใหม่นี้ท้าทายมุมมองแบบดั้งเดิมที่มุ่งเน้นไปที่การเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาขนาดใหญ่เป็นตัวขับเคลื่อนหลักของวิวัฒนาการสัตว์ยุคแรก
ความท้าทายในระดับท้องถิ่นที่ต้องเผชิญกับสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดเช่นการรอดชีวิตจากการแกว่งประจำวันระหว่างสภาพที่อุดมด้วยออกซิเจนและออกซิเจนที่หิวโหย-อาจเป็นสิ่งสำคัญในการกำหนดเส้นทางของวิวัฒนาการ
Emma Hammarlund, รองศาสตราจารย์, ธรณีศาสตร์,มหาวิทยาลัยลุนด์
บทความนี้ถูกตีพิมพ์ซ้ำจากบทสนทนาภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่านบทความต้นฉบับ-
