一个氧气浓度昼夜剧变的世界

氧气越多越好吗？

设想这样一个世界：白天氧气充足，你精力充沛地四处觅食；到了夜晚，氧气骤降，你不得不放慢脚步，竭力维持基本生存。

听起来或许不可思议，但这正是约5亿年前早期海洋动物所真实经历的环境。恰恰在这一时期，地球生命迎来了一场空前繁荣——动物种类迅速增加、形态多样化的“寒武纪大爆发”正是在此时发生。

在寒武纪前期（约5.4亿至4.9亿年前）的浅海底栖生态系统中，动物多样性显著提升。几十年来，科学家们一直试图解释这场生命大爆发背后的推动力。其中一种流行观点认为，大气中氧气浓度的上升，为动物进化提供了更温和、更友好的环境条件。

然而，这一观点近年来正受到挑战。越来越多的证据显示，单纯的氧气增加，并不足以解释物种多样性的迅速扩张。

现在，一项新发表在《自然·通讯》的研究提出：氧气或许并非“越多越好”。相反，正是昼夜之间氧气浓度的剧烈波动，才可能在这一关键时期扮演了推动者的角色。

研究团队认为，浅海海底区域的日常氧气波动对早期动物构成了显著的生理压力，迫使它们发展出多样化的应对机制。换言之，不是良好的环境促进了生命的进化，而是恶劣的环境推动了生物的适应。

压力出发适应

为了验证这一假设，研究团队构建了一个生物地球化学模型，用以模拟寒武纪时期浅海海底的环境条件。模型考虑了生物的氧气生产与消耗机制，以及温度、光照和不同沉积物类型或水对氧气浓度的影响。

结果显示，在寒武纪温暖的浅海区域，氧气浓度可能在昼夜之间发生剧烈波动：白天，藻类通过光合作用大量释放氧气，营造出富氧环境；夜晚，光合作用停止，藻类呼吸消耗氧气，导致环境迅速转为低氧甚至缺氧状态。这种“昼饱夜饥”的氧气供应循环，成为早期动物必须面对巨大的生理挑战。

研究人员提出，面对快速变化的氧气环境，动物若想生存，就必须发展出应对机制。这种适应不仅是生存手段，更是竞争优势的来源。那些能耐受剧烈波动、维持正常代谢的动物，在争夺资源中更具优势，也更有可能留下后代。

与此同时，超级大陆罗迪尼亚的解体使得全球范围内浅海大陆架区域迅速扩展，原本连为一体的大陆分裂成多个小块，极大地增加了大陆边缘的长度，创造了更多阳光、营养与生命得以相互作用的浅海区域。这些受阳光照射的海洋环境往往是营养最丰富的。而能适应氧气波动的物种，正好具备占领这些新生态位的能力，从而在进化上取得先机。

压力驱动进化

传统观念将生理压力视为生存的障碍，然而它也可以成为进化创新的催化剂。即使在今天，那些生存在极端环境中的物种，往往都发展出了一些独特而高效的适应特征。

新的研究表明，寒武纪时期的动物可能也是如此。它们在浅海大陆架氧气剧烈波动的“进化试验场”中，发展出了各种应对机制。其中一项关键的适应能力，可能就是通过分子通路有效地感知和调节氧气变化。

这种特性是由细胞控制系统调节的，这是一种调节细胞对外界条件反应的分子途径。可能在寒武纪大爆发时出现的控制系统被称为HIF-1α（缺氧诱导因子1α）。在现代动物体内，它负责帮助细胞检测和适应氧气条件的变化，控制能量代谢和细胞功能协调等过程。

模型显示，具有更灵敏的氧气感知和毒素抵抗机制的早期动物，在寒武纪海底波动的环境下拥有显著的生存优势。

从恶劣环境到生命的多样化

今天，我们往往认为生物多样性来自生态复杂性与物种竞争，例如在热带雨林或珊瑚礁等生物多样性热点地区。然而，新的研究表明，在早期生命进化的极端环境中，最关键的并非竞争，而是对恶劣环境的适应。

任何针对压力的适应都能有效地遗传，从而提高生存能力。应对这些快速变化的能力可能使某些动物谱系比其他动物谱系更繁荣，导致更复杂和适应性更强的生命形式的出现。

新的研究挑战了以往“地质大事件驱动生命进化”的主流观点，强调微观、局部的生态压力同样具有深远影响。今天，所有具备多层细胞组织结构的动物，都是依赖HIF来维持稳定状态（即内稳态）的。这种分子途径对组织的建立和愈合至关重要。

细胞中的这些“控制旋钮”甚至被认为是动物如何演化出复杂体型、延长寿命的关键。或许，正是这些早期的挑战和压力，为后来的长颈鹿、大象、人类的出现，铺下了进化的台阶。

#参考来源：

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

#图片来源：

封面图&首图：kordi_vahle / Pixabay