動物の生命が誕生してから 10 億年以上の間、動物は単純さの中で停滞していました。スポンジは複雑さの高さを表しています。それから約 5 億 4,100 万年前に、生命の変化のペースが急激に加速しました。カンブリア爆発として知られるこの時期は、今日生きているほぼすべての主要な動物グループの出現を大まかにまとめたものです。
数千万年以内に、地質学的なまばたきで、生きている世界は現在の充実感に似た形に拡大しました.最近の研究は、動物の生物多様性の重要かつ突然の拡大がカンブリア紀の爆発の前後にも起こったことを示唆していますが、それが進化の歴史において途方もなく不可解なエピソードであったことは疑いの余地がありません.
なぜ動物の生活がこれほど急いでより複雑になったのかは、古生物学者や進化論者にとって依然として切実な問題です。遺伝子の適切な組み合わせを進化させるだけの問題でしたか?それとも、環境要因が生命の可能な形態を制限し、十分な酸素やその他の必須要素がより複雑なものをサポートできるようになるまで待つことを余儀なくされたのでしょうか?
Nature Geoscience で今週初めに発表された論文 酸素と動物の多様性は正の関係にあるが、ひねりを加えているという考えを詳細にサポートしています。
酸素レベルが徐々に上昇する代わりに、カンブリア紀の海は酸素の急増と急減の急速な期間を経験した、と論文は主張している.この研究の背後にいる化学者、古生物学者、生物地球化学モデル作成者からなる国際チームは、カンブリア紀爆発中の酸素の急速な変動を、多様化と絶滅のバーストに結び付けました。
動物の多様性におけるこれらの飛躍が、一般的に酸素の利用可能性が高まったことに起因するのか、それともこの時期のガスの急速なブームとバストのサイクルに起因するのかは不明です。しかし、これらの結果は、酸素の増加と動物の複雑性の上昇との関連が偶然ではないことを示唆しています.
「これは重要な貢献です」と、この研究には関与していないエディンバラ大学の古生物学者レイチェル・ウッドは述べています。 「この期間中の酸素レベルの上昇を文書化しようとする家内工業がほとんどありますが、それらのデータを高解像度の古生物学データと統合することは困難でした」と彼女は言いました. 「これらの研究者はまさにそれを行うために最善を尽くしており、その結果は非常に興味深いものです。」
酸素がより複雑でダイナミックな生命の進化の前提条件であるという考えは、何十年も前からありました。酸素に基づく好気呼吸は、嫌気呼吸の約 18 倍の効率で代謝エネルギーを提供します。より複雑な体と狩猟に基づく生活様式 (およびハンターの回避) には、この代謝ブーストが必要です。十分な燃料がなければ、複雑な生命体は生まれないと考えられています。
その仮説は直感的ですが、カンブリア紀の海にあった酸素の濃度を直接測定することはできないため、その具体的な証拠を確立することは困難でした.溶存ガスは化石化しません.代わりに、研究者は堆積物の代用物を調べることで過去を探ろうとしました。地層中の鉄、炭素、または硫黄化合物は、測定してモデルに入れ、古代の酸素レベルを推測できる特性を備えています。
初期の海洋には酸素がなかったと、リーズ大学の古生物学者で研究の筆頭著者である Tianchen He 氏は説明します。海の光合成微生物は、初期の地球に酸素をもたらしましたが、「この時点では、光合成は酸素の主要な調節因子ではありませんでした」と彼は言いました。代わりに、炭素や硫黄のサイクルなど、海洋の自然な循環プロセスが、海面に到達する酸素の量を決定しました。たとえば、炭素は、炭素循環を通じて大気 (二酸化炭素として) と海洋 (炭酸または炭酸塩として) の間で継続的に交換され、それによって海洋化学が変化し、酸素レベルに影響を与えます。
ウッド氏によると、研究者は地質学的記録を通じて有機炭素と硫黄の組成の変化を測定し、古代の海洋化学と酸素レベルをモデル化しましたが、化石記録との高解像度の比較を可能にする地域では決してありませんでした。彼と彼の同僚による新たな研究までは、決してそうではありません.
エニセイ川とレナ川の間にあるシベリアプラットフォームと呼ばれるロシアの場所は、カンブリア紀の最も豊富な化石層の1つと並んで、広範囲かつ継続的な炭素と硫黄の記録を含んでいるため、彼らにとって良い機会を提供しました.太古の浅い海底は、「世界のカンブリア紀の生物多様性の半分以上を占めています」と彼は言いました。 「それはユニークな場所ですが、非常に人里離れています。」サンプルは 2008 年にロシアと中国の研究者チームによって収集され、ボートとヘリコプターで現場に到着しました。
地質学的スライスごとに、研究者はモデル化された酸素レベルと化石の多様性を比較し、不安定な歴史を明らかにしました。 5 億 2400 万年から 5 億 1400 万年前の約 1000 万年の間に、この浅いシベリアの海は 5 回の明確な酸素スパイクを経験しました。
「これらの変動はかなり極端です」と He 氏は述べ、各スパイクとディップが酸素レベルの約 50% の増減を構成していると説明しました。 「これまでの研究では、カンブリア紀の酸素レベルは現在の大気レベルの約 40% であったことが示唆されています。 「50% のスイングは非常に大きなものです。」
酸素化の各パルスは、生物多様性の局所的な高さに対応し、酸素レベルの低下はより高い絶滅率と関連していました。たとえば、5 億 2100 万年から 5 億 2200 万年前のパルスは、三葉虫や二枚貝の節足動物など、多数の殻付き動物の出現に関連していました。 200 万年後、次のパルスは大型の捕食性節足動物の増加と捕食行動の増加の証拠と一致しました。
「カンブリア爆発は特異な出来事ではありませんでした。それは急激に、浮き沈みの中で起こった」と彼は言った。 「私たちの研究では、酸素レベルの上昇と下降は、これらの[進化]放射線の噴出と相関していました。」
ウッド氏は、「データはかなり明確に正の相関関係を示しています。」彼女は、「より興味深い質問は、なぜですか?」と付け加えました。 1つの説明は、これらの酸素化のパルスが、浅い海のどれだけが居住可能であるかを急速に拡大したということです.より多くの物理的なスペースは、文字通り、比喩的に、人生が多様化するためのより多くの呼吸の余地を与えます.彼によると、酸素の各パルスは、形と生き方の拡大を可能にしました。これにより、一連の捕食者と被食者の間の「共進化軍拡競争」などの生態学的相互作用の機会が増え、多様化がさらに加速する可能性があります。
ウッドによると、同様に重要なのは酸素の低下です。 「多くの場合、絶滅の直後に放射線が発生します」と彼女は言いました。酸素のこれらの急速な変動は、居住可能な空間の膨張と収縮を引き起こす可能性があり、多様性の増加の火を煽るふいごのように機能している可能性があります. 「これらの大きなフラックスの純粋な動的性質が、この進化を引き起こしている可能性があります。酸素化のパルスが 1 回だけであれば、放射線は 1 回だけです」と彼女は言いました。 「おそらく、これらの複数のパルスが、物事を本当に揺さぶっています。」
このヨーヨーの原因は不明です。彼は、それが初期の海洋に固有の自己調節メカニズムであり、自然の化学循環から生じたものである可能性があると考えています。 Quanta で報告された、より物議を醸すアイデア 昨年は、因果関係の連鎖をひっくり返し、動物の多様性が大きくなった結果、水柱を移動する動物が増え、その結果、海水の混合が増え、酸素レベルが上昇したことが示唆されました.
彼は、酸素の増加が多様性の増加の唯一の原因ではないことを強調しています。複雑さが進化すると、生態学的な相互作用によって引き起こされ、複雑化する可能性があります。しかし、彼は、これが可能になるためには、より高い酸素レベルが必要であると主張しています.
この調査は、地質史の 1 つのローカル スライスを表しています。彼は、シベリアで見られるパターンを裏付けるために、世界の他の地域でも同じ高解像度分析を繰り返したいと考えています。 （彼と彼の同僚が論文で述べたように、中国での以前の研究でも同様の結果が得られた.カンブリア紀の後半に、これらのパターンがこの時代に固有のものか、より普遍的なものかを確認します。
「これらの大規模な国際的なコラボレーションがさらに増えることは本当にエキサイティングです」とウッドは言いました。 「これらは複雑で学際的な質問であり、多様なチームが回答する必要があります。」
この記事は、Investigacionyciencia.es でスペイン語で転載されました .
