寒武纪生命大爆发未解之谜

寒武纪生命大爆发未解之谜

氧气让原始食肉动物活了下来

这项新研究中和了关于史前生物起源的两种对立观点

没有氧气,地球上就不会有食肉动物。没有氧气,就不会有寒武纪生命大爆发,这是5.4亿年前物种多样性和身体形态的惊人爆发式进化。

至于地球和生命的起源,人们一致认为地球最初是由大大小小的星云形成的。47亿年前,它的质量增加到接近现代地球,那时地球被称为原始地球。在重力收缩和内部放射性元素衰变产生的热量的作用下,原始地球的内部温度达到足以熔化铁、镍和其他元素并迅速集中到地球中心。核缓慢分化出现在46亿年前,薄的原始地壳也出现了。随着地表温度的不断下降,形成了原始生命的温床,最终在35亿年前出现了具有新陈代谢和自我繁殖能力的原始生命。

尽管地球上生命的雏形可以追溯到40亿年前,但最初的35亿年是在单细胞生命上度过的。直到5.3亿年前,神奇的寒武纪生命大爆发到来,所有现代生物的早期胚胎形式奇迹般地出现在地球上。

一些早期有代表性的证据证明,主要动物群突然出现在寒武纪地层中(5.42亿年前),非常壮观,与前寒武纪地层形成鲜明对比。生物学家发现了一些分散的小化石,它们神秘而优雅,尽管它们的形状模糊不清。他们把它们命名为震旦纪动物群。寒武纪之后,尽管有了更多的化石记录和更多样化的动物形状,但动物体型还没有发现新的变化。此外,震旦纪生物的长期神秘进化没有出现在化石记录中,这增加了这个谜的神秘。

当达尔文在1859年完成《物种起源》时,他认为他已经解释了几乎所有关于进化的问题,但是只有一个问题总是令人困惑,那就是,早寒武世生命从5.4亿年前突然爆发到5.3亿年前古生代开始的奇怪现象。许多动物突然出现在化石记录中,但是在早期的岩层中没有明显的祖先。这个问题也被称为达尔文怀疑。他在《物种起源》年承认他无法解释寒武纪化石的突然出现。达尔文之后,有许多科学假说试图分析它。

既然这种现象被称为生物爆炸,那么爆炸的精确定义是什么?它是指动物群体的首次出现,多样性的繁荣和具有现代营养结构的海洋生态系统的出现,还是包括所有这些方面?动物种群多样性出现的时间节点现在已广为人知。首先,新元古代(10亿年前至5.42亿年前)较高的动物冠群首次出现,这有一个非常明确的界限;然后,在早寒武世出现了主要的动物多样性,形态差异逐渐增大,出现了复杂的食物网。尽管首次在各种寒武纪化石组合中只看到繁荣的动物,但通过分子时钟的计算,估计主要后生动物的分化早于寒武纪。许多动物群体(包括海绵动物、棘皮动物和两侧对称的动物)的最早成员生活在8.5亿年前到6.35亿年前。因此,高等动物群的起源时间和多样性的突然增加在时间上是分开的,这与严格意义上的寒武纪生命大爆发是不同的。

寒武纪生命大爆发的一个基本组成部分是双边对称发展系统的出现。双侧对称是指具有纵向对称平面和特殊内脏系统的动物,包括大多数现存动物和一些明显的例外,如海绵动物、蛰刺动物和一些小群体。

6 . 5亿年前,两侧对称的动物肠道的出现和以大型猎物为食的能力(巨噬细胞能力)反过来确保了这些动物拥有巨大的身体和骨骼。然而,这可能忽略了一个明显超过1亿年的进化差距。为了确保宏观进化的传递,首先必须建立发育系统,寒武纪生物多样性的成因必须有近5.4亿年的历史。这样,主要的双侧对称动物可以进化出发展工具来应对各种复杂的情况和机会。具有吞噬能力的复杂食物网的出现是寒武纪生命大爆发期间生物多样性急剧增加的重要驱动力。

当然,部分原因是穴居生物改变了其基质的物理和化学性质(这通常被称为生态系统工程效应)。此外,人们一直认为,双边对称动物的内部进化和军备竞赛日益加剧的趋势(生物体改变环境不利于自身生存和适应环境的过程的隐喻)可能有助于大多数现有的生物多样性。这些类型的反馈反映在浮游生物、自泳动物和穴居动物的起源和生物矿化中。这在开始时只是一个新的进化,但它很快成为多样性爆炸的分歧点。

至于生物矿化,许多动物群体几乎同时进化出捕食和防御的硬组织,这证明了这种反馈回路的存在。这些硬组织主要包括两种类型的钙生物矿物,这表明钙的利用是这一事件中的一个重要方面。复杂食物网的出现是越过闺房值或临界点的结果,但它也可能是复杂反馈回路的最终产物。

最近,一些人开始关注非生物过程,这可能是寒武纪生命爆发的原因。新元古代长期侵蚀导致大陆结晶基底的岩石表面和土壤高度风化,使其地势较低。在寒武纪早期(但不是最早),一些地区的海平面急剧上升,导致这些内陆地区被淹没,并引发一系列地球系统反应,包括风化岩石和风化层的广泛侵蚀和移动,钙和磷酸的快速输入,以及其他离子进入海洋。早寒武世海水中钙含量增加近两倍,这可能是生物矿化的起源。磷酸的输入为浅水区提供了营养。

每一种假设都是一种可行的机制,它可以增加生活环境中的平均物种多样性、生活环境之间的差异或一个地区的总生物多样性。然而,任何单一的偶然机制和由地球系统和生物过程之间的相互作用的反馈回路的某些组成部分产生的个别假设都不可能完全解释寒武纪生命大爆发。正是这些跨文化过程的结合,导致了进化的级联,这使得生物多样性迅速增加。最初的事件可能是寒武纪早期海平面上升导致大陆边缘和内部洪水泛滥,使侵蚀产物迅速进入海洋。海平面的上升也大大增加了生物的栖息地面积,特别是湍流形成的透水深度可变的生活环境,进一步促进了生物的多样性。

这些早期事件深入到非生物和生物之间复杂的相互作用。用整体的和跨学科的方法来模拟多样性的出现是非常有价值的,并且不可能关注个体因素。在寒武纪生命大爆发期间,一系列的连锁事件将形成一条长河。未来的挑战是确定假设中每个过程在这条长河中的相对位置。

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