Глубокие океаны дали жизнь первым большим и сложным организмам

В течение миллиардов лет вся жизнь на Земле была микроскопической, состоящей в основном из одноклеточных организмов. Затем, около 570 миллионов лет назад, неожиданно возникли сложные организмы, включая животных с мягкими губчатыми телами длиной до метра. И в течение 15 миллионов лет жизнь такого размера и сложности существовала только в глубокой воде.

Ученые долго задавались вопросом, почему эти организмы появились в глубоком океане, где света и пищи мало, в то время, когда кислорода в атмосфере Земли было особенно мало. Новое исследование Стэнфордского университета, опубликованное 12 декабря в Proceedings of the Royal Society B, предполагает, что более стабильные температуры глубин океана позволили расцветающим формам жизни наилучшим образом использовать ограниченные запасы кислорода.

Все это имеет значение отчасти потому, что понимание происхождения этих морских существ из эдиакарского* периода заключается в обнаружении недостающих звеньев в эволюции жизни и даже нашего собственного вида. «Без сложной жизни не может быть разумной жизни», — объяснил Том Боаг, ведущий автор статьи и доктор геологических наук в Стэнфордской школе наук о Земле, энергии и окружающей среде (Stanford Earth).

Новое исследование является частью усилий по применению знаний о физиологии животных для понимания летописи окаменелостей в контексте меняющейся окружающей среды. Информация может пролить свет на виды организмов, которые смогут выжить в различных условиях в будущем.

Ранее ученые предположили, что животные имеют оптимальную температуру, при которой они могут развиваться с наименьшим количеством кислорода. Согласно теории, потребность в кислороде выше при температурах, холоднее или теплее, чем в наиболее комфортной среде. Чтобы проверить эту теорию на животных, напоминающих о тех, кто процветал в глубинах Эдиакарского океана, ученые измерили кислородные потребности морских анемонов, чьи желатиновые тела и способность дышать через кожу тесно имитируют биологию окаменелостей, собранных в эдиакарских океанах.

«Мы предполагали, что их способность переносить низкий уровень кислорода будет ухудшаться при повышении температуры. Это наблюдалось у более сложных животных, таких как рыбы, лобстеры и крабы», — сказал Том Боаг. Ученые не были уверены, что более холодные температуры также повлияют на терпимость животных. Но действительно, анемоны нуждались в большем количестве кислорода, когда температура в экспериментальном резервуаре отклонялась за пределы их зоны комфорта.

Вместе эти факторы заставили исследователей подозревать, что, как и у анемонов, для жизни эдиакарцев также требуются стабильные температуры, чтобы наиболее эффективно использовать ограниченные запасы кислорода в океане.

Убежище на глубине

Эдиакарским животным было бы труднее использовать небольшое количество кислорода, присутствующего в холодных глубоководных водах океана, чем на более теплых отмелях, потому что газ диффундирует в ткани более медленно в более холодной морской воде. Животные в холоде должны тратить большую часть своей энергии только для того, чтобы переместить насыщенную кислородом морскую воду через их тела.

Но глубокий эдиакарский океан компенсировал недостаток температуры стабильностью. На мелководье прохождение Солнца и смена времен года может привести к резким колебаниям температуры — до 10 градусов по Цельсию в современном океане по сравнению с сезонными колебаниями менее 1 градуса по Цельсию на глубинах менее одного километра. «На мелководье температура меняется гораздо быстрее, ежедневно и ежегодно», — пояснили ученые.

В мире с низким уровнем кислорода животные, неспособные регулировать собственную температуру тела, не могли бы выдержать среду, которая так регулярно выходила за пределы их температуры комфорта.

Ученые предложили, чтобы потребность в убежище от таких изменений, возможно, определила, где могли бы развиваться более крупные животные. «Единственное место, где температура была постоянной — это глубокий океан», — говорят исследователи. В мире ограниченного кислорода, новая эволюционирующая жизнь должна быть как можно более эффективной, и такая эффективность может быть достигнута только на относительно больших глубинах. «Вот почему там появились животные».

Oxygen, temperature, and the deep-marine stenothermal cradle of Ediacaran evolution, Proceedings of the Royal Society B, rspb.royalsocietypublishing.or … .1098/rspb.2018.1724 

*Эдиакарий (англ. Ediacaran period) — последний геологический период неопротерозоя, непосредственно перед кембрием. Также является последним периодом всего надэона Докембрий и эона Протерозой. Длился примерно с 635 по 541±1 миллионов лет назад