氧氣越多越好嗎？
設(shè)想這樣一個(gè)世界：白天氧氣充足，你精力充沛地四處覓食；到了夜晚，氧氣驟降，你不得不放慢腳步，竭力維持基本生存。
聽起來或許不可思議，但這正是約5億年前早期海洋動(dòng)物所真實(shí)經(jīng)歷的環(huán)境。恰恰在這一時(shí)期，地球生命迎來了一場空前繁榮——動(dòng)物種類迅速增加、形態(tài)多樣化的“寒武紀(jì)大爆發(fā)”正是在此時(shí)發(fā)生。
在寒武紀(jì)前期（約5.4億至4.9億年前）的淺海底棲生態(tài)系統(tǒng)中，動(dòng)物多樣性顯著提升。幾十年來，科學(xué)家們一直試圖解釋這場生命大爆發(fā)背后的推動(dòng)力。其中一種流行觀點(diǎn)認(rèn)為，大氣中氧氣濃度的上升，為動(dòng)物進(jìn)化提供了更溫和、更友好的環(huán)境條件。
然而，這一觀點(diǎn)近年來正受到挑戰(zhàn)。越來越多的證據(jù)顯示，單純的氧氣增加，并不足以解釋物種多樣性的迅速擴(kuò)張。
現(xiàn)在，一項(xiàng)新發(fā)表在《自然·通訊》的研究提出：氧氣或許并非“越多越好”。相反，正是晝夜之間氧氣濃度的劇烈波動(dòng)，才可能在這一關(guān)鍵時(shí)期扮演了推動(dòng)者的角色。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，淺海海底區(qū)域的日常氧氣波動(dòng)對早期動(dòng)物構(gòu)成了顯著的生理壓力，迫使它們發(fā)展出多樣化的應(yīng)對機(jī)制。換言之，不是良好的環(huán)境促進(jìn)了生命的進(jìn)化，而是惡劣的環(huán)境推動(dòng)了生物的適應(yīng)。
壓力出發(fā)適應(yīng)
為了驗(yàn)證這一假設(shè)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)生物地球化學(xué)模型，用以模擬寒武紀(jì)時(shí)期淺海海底的環(huán)境條件。模型考慮了生物的氧氣生產(chǎn)與消耗機(jī)制，以及溫度、光照和不同沉積物類型或水對氧氣濃度的影響。
結(jié)果顯示，在寒武紀(jì)溫暖的淺海區(qū)域，氧氣濃度可能在晝夜之間發(fā)生劇烈波動(dòng)：白天，藻類通過光合作用大量釋放氧氣，營造出富氧環(huán)境；夜晚，光合作用停止，藻類呼吸消耗氧氣，導(dǎo)致環(huán)境迅速轉(zhuǎn)為低氧甚至缺氧狀態(tài)。這種“晝飽夜饑”的氧氣供應(yīng)循環(huán)，成為早期動(dòng)物必須面對巨大的生理挑戰(zhàn)。
研究人員提出，面對快速變化的氧氣環(huán)境，動(dòng)物若想生存，就必須發(fā)展出應(yīng)對機(jī)制。這種適應(yīng)不僅是生存手段，更是競爭優(yōu)勢的來源。那些能耐受劇烈波動(dòng)、維持正常代謝的動(dòng)物，在爭奪資源中更具優(yōu)勢，也更有可能留下后代。
與此同時(shí)，超級大陸羅迪尼亞的解體使得全球范圍內(nèi)淺海大陸架區(qū)域迅速擴(kuò)展，原本連為一體的大陸分裂成多個(gè)小塊，極大地增加了大陸邊緣的長度，創(chuàng)造了更多陽光、營養(yǎng)與生命得以相互作用的淺海區(qū)域。這些受陽光照射的海洋環(huán)境往往是營養(yǎng)最豐富的。而能適應(yīng)氧氣波動(dòng)的物種，正好具備占領(lǐng)這些新生態(tài)位的能力，從而在進(jìn)化上取得先機(jī)。
壓力驅(qū)動(dòng)進(jìn)化
傳統(tǒng)觀念將生理壓力視為生存的障礙，然而它也可以成為進(jìn)化創(chuàng)新的催化劑。即使在今天，那些生存在極端環(huán)境中的物種，往往都發(fā)展出了一些獨(dú)特而高效的適應(yīng)特征。
新的研究表明，寒武紀(jì)時(shí)期的動(dòng)物可能也是如此。它們在淺海大陸架氧氣劇烈波動(dòng)的“進(jìn)化試驗(yàn)場”中，發(fā)展出了各種應(yīng)對機(jī)制。其中一項(xiàng)關(guān)鍵的適應(yīng)能力，可能就是通過分子通路有效地感知和調(diào)節(jié)氧氣變化。
這種特性是由細(xì)胞控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的，這是一種調(diào)節(jié)細(xì)胞對外界條件反應(yīng)的分子途徑?？赡茉诤浼o(jì)大爆發(fā)時(shí)出現(xiàn)的控制系統(tǒng)被稱為HIF-1α（缺氧誘導(dǎo)因子1α）。在現(xiàn)代動(dòng)物體內(nèi)，它負(fù)責(zé)幫助細(xì)胞檢測和適應(yīng)氧氣條件的變化，控制能量代謝和細(xì)胞功能協(xié)調(diào)等過程。
模型顯示，具有更靈敏的氧氣感知和毒素抵抗機(jī)制的早期動(dòng)物，在寒武紀(jì)海底波動(dòng)的環(huán)境下?lián)碛酗@著的生存優(yōu)勢。
從惡劣環(huán)境到生命的多樣化
今天，我們往往認(rèn)為生物多樣性來自生態(tài)復(fù)雜性與物種競爭，例如在熱帶雨林或珊瑚礁等生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)。然而，新的研究表明，在早期生命進(jìn)化的極端環(huán)境中，最關(guān)鍵的并非競爭，而是對惡劣環(huán)境的適應(yīng)。
任何針對壓力的適應(yīng)都能有效地遺傳，從而提高生存能力。應(yīng)對這些快速變化的能力可能使某些動(dòng)物譜系比其他動(dòng)物譜系更繁榮，導(dǎo)致更復(fù)雜和適應(yīng)性更強(qiáng)的生命形式的出現(xiàn)。
新的研究挑戰(zhàn)了以往“地質(zhì)大事件驅(qū)動(dòng)生命進(jìn)化”的主流觀點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)微觀、局部的生態(tài)壓力同樣具有深遠(yuǎn)影響。今天，所有具備多層細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的動(dòng)物，都是依賴HIF來維持穩(wěn)定狀態(tài)（即內(nèi)穩(wěn)態(tài)）的。這種分子途徑對組織的建立和愈合至關(guān)重要。
細(xì)胞中的這些“控制旋鈕”甚至被認(rèn)為是動(dòng)物如何演化出復(fù)雜體型、延長壽命的關(guān)鍵。或許，正是這些早期的挑戰(zhàn)和壓力，為后來的長頸鹿、大象、人類的出現(xiàn)，鋪下了進(jìn)化的臺(tái)階。
#參考來源：
https://theconversation.com/how-dramatic-daily-swings-in-oxygen-shaped-early-animal-life-new-study-251657
https://www.nature.com/articles/s41467-025-57345-0
#圖片來源：
封面圖&首圖：kordi_vahle / Pixabay
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