約 5 億 4,000 万年前、生命は急速に多様化しました。これは、ほぼすべての現代動物グループの出現を目撃した生物学的「ビッグバン」です。科学者たちは長い間、カンブリア紀の爆発の原因を特定し、約 10 億年前に動物がこの段階を踏まなかった理由を説明しようと努めてきました。
最も人気のある物語は、酸素を前面と中央に置きます。地質学的記録は、酸素レベルの上昇と初期の動物進化との間に明確な関連性を示しています。 量子として 今月初めに報告されたように、多くの研究者は、これは酸素の利用可能性が低いことが複雑さの増加を抑えていたことを示唆していると主張している.運動、捕食、複雑な形態を備えた新しいボディプランの開発などのエネルギーを必要とするプロセスには、より多くの酸素が必要だった.
ケンブリッジ大学の古生物学者であるニコラス・バターフィールドは、「これは非常に魅力的で直感的な説明です。 「そして、それは間違っています。」
バターフィールド - 「荒野の孤独な声」と彼は自称しています - 他の多くの人が酸素の話の珍しい見方と考えるかもしれないものを持っています.彼は本質的にその考えをひっくり返しました。彼の理論によれば、環境条件の変化は原因ではなく、動物の移動と周囲の混乱の結果でした。 「私たちは、動物が炭素循環とすべての循環に非常に強力な影響を与えていることを認識しなければなりません」と彼は言いました.
Geobiology の 1 月号に掲載された論文で 、バターフィールドは、流体力学と生態学を編み合わせて、動物が酸素化を促進するのではなく、酸素化を促進するという彼の主張を提示しました。まず、16 億年前に単細胞の真核生物に電力を供給するのに十分な酸素があった場合 (実際にそうでした)、さまざまな種類の動物全体を動かすのに十分な酸素があったと彼は主張しました。彼は、初期の多細胞生物は、一斉に動く鞭毛細胞で構成され、それらの付属肢をまとめて鞭打ちして、溶存酸素を得やすくする電流を作り出したと考えています。 「単細胞の真核生物が動くのに十分な酸素があれば、魚が動くのに十分な酸素があると私は主張します」とButterfieldは言いました。 「したがって、動物の進化における数十億年の遅れを説明するために、酸素制限を引き合いに出すことはできません。」
代わりに、彼の仮説は、日中の垂直方向の移動に焦点を当てています。これは、動物プランクトンや海綿から魚やイカに至るまで、さまざまな生物が、浅い水域と深い水域の間を移動して食物を見つけ、捕食者を避ける毎日のプロセスです。上で餌を食べ、下で代謝することにより、動物は海をこすり洗いし、換気を助け、表面の酸素濃度を上げながら、無酸素領域をより深いところまで動かします.この酸素の再分配はまた、水柱の透明度を改善し、光がより深く浸透することを可能にし、捕食者が狩りをする際にますます深いレベルでの視覚への依存をエスカレートさせた.より大きく、より深く潜る視覚的捕食者のその後の進化は、「酸素最小ゾーン」をさらに低い深度に押し上げ、フィードバックループを作成した.
最終的に、動物の不注意による海洋構造の再設計と、それらの変化に対する動物の適応反応との間の連鎖的な相互作用は、転換点に達しました。 Butterfield 氏の言葉を借りれば、「システムは危機的状況に陥りました」。その結果、カンブリア紀に動物の多様性と複雑さが突然爆発しました。
バターフィールドによれば、海での動物の出現が遅れたのは、酸素不足が原因ではなく、盲目的なダーウィンの進化がその転換点に到達するのに時間が必要だったからです。 「動物を構築するための遺伝子調節ネットワークは、進化がこれまでに生み出した最も複雑なアルゴリズムです」と彼は言いました。 「そして、陸上植物で一度だけ起こったのと同じように、これまでに一度だけ起こったことがあります」と彼は指摘します。 「そしてそれにはさらに時間がかかりました。それは、動物の進化をさらに 1 億年追ったものです。」
誰もが納得しているわけではありません。カリフォルニア大学リバーサイド校の地質学者であるティモシー・ライオンズは、複数の独立した証拠が、環境中の酸素が進化カスケードの引き金となっていることを示していると考えています。たとえば、ほとんどの主要な絶滅イベントは低酸素と結びついており、酸素レベルはカンブリア紀に至るまでの期間中 (およびその後の時代) に変動した、と彼は言いました。これらの低酸素の時代は、特定の生物が酸素をより効率的に利用できるようにするイノベーションの「種をまき」ました。後に酸素が回復したとき、自然淘汰はそれらの適応を支持し、それらを持つ動物が開花し、多様化することを可能にしたでしょう.
さらに、ライオンズとライオンズの研究室の大学院生であるチャールズ・ダイアモンドは、バターフィールドの話に反論するための重要な証拠を見つけました。彼らは、バターフィールドが引用した急速な動物の多様化イベントとまったく同じ時期に酸素の増加を引き起こしたであろう、動物に起因しない他の条件を特定しました。たとえば、デボン紀 (約 4 億 1900 万年前に始まった「魚の時代」) には、樹木やその他の維管束植物が大陸に出現しました。これらの陸上植物自体が、大気と海洋の両方の酸素量を大幅に増加させたとライオンズとダイアモンドは述べています。 2つのイベントのタイミングは、酸素の上昇を引き起こしたのは新しく進化した魚であり、その逆ではないというバターフィールドの主張に疑問を投げかけている、とダイアモンドは付け加えた. 「そうでなければ、あまりにも偶然だったでしょう。」
バターフィールドは同意しません。 「はい、維管束陸上植物の台頭が酸素の利用可能性に影響を与えた可能性があります。それが標準的な教科書の見方です」と彼は電子メールで書いた. 「しかし、それは多くの確立されていない仮定に基づいています」 — たとえば、大気中の酸素は以前は低すぎた (大気中の酸素のプロキシベースの測定値は本質的に欠陥があり、酸素は推定よりもはるかに高かった可能性があると彼は考えています)。大きな魚がどのように進化したかを制限する要因だったでしょう。 「私は、これらのどれも水を保持していないと主張しています。」
これらの意見の相違にもかかわらず、Lyons と Diamond は、Butterfield のアイデア (このような非常に複雑な進化は固有の生物学的発達の結果であり、Butterfield が「進化的ランダム ウォーク」と呼んだもの) が陸上植物の場合にははるかに実現可能であると考えています。彼らの出現は「酸素や二酸化炭素への反応ではなかったはずだ」とライオンズは言った。しかし、彼とダイアモンドは、その説明が動物に公平に適用できるとは考えていません.
今のところ、バターフィールドは、現代の絶滅が垂直移動にどのように影響するかを調べることによって、彼の理論に対するさらなる支持を得たいと考えています.最大かつ最も深く潜る捕食者が一掃されるにつれて、酸素極小地帯が上昇し、さらなる絶滅を引き起こすはずだと彼は言った。地球規模の気候変動が海洋生態系に大混乱をもたらす中、それは彼が現代の海で探求できるものです.
カンブリア紀に何百万年も前に何が起こったのかについては、「この時点で、酸素と動物の関係は明らかです」とライオンズは言いました。 」
