Imagine un mundo donde el oxígeno que necesita cambia dramáticamente entre el día y la noche.
Su mundo cambia de ser rico en oxígeno (oxic) en el día, por lo que tiene energía para buscar alimentos, a sofocatamente sin oxígeno (anóxico) por la noche, lo que lo ralentiza.
Ahora, imagine a los primeros animales tratando de sobrevivir en un ambiente tan extremo. Esta era la realidad para la vida animal temprana en los océanos y los mares hace unos mil millones de años. Este fue también el momento en que la diversidad de animales en el auge, en lo que se conoce como el “Explosión del Cámbrico”.
La nueva investigación de mi equipo sugiere que estas drásticas fluctuaciones de oxígeno jugaron un papel crucial en este período dramático.
Durante décadas, los científicos han debatido lo que desencadenó esta explosión evolutiva. Muchos científicos han señalado cambios atmosféricos a largo plazo, donde el aumento de los niveles de oxígeno supuestamente impulsó una variación en el número de formas de vida animales.
En los últimos años, sin embargo, la opinión sobre el aumento del oxígeno atmosférico como un simple desencadenante para el surgimiento de los animales ha sido cuestionado.
Nuestro nuevo estudiar revela un factor diferente, a menudo pasado por alto. Los cambios diarios en los niveles de oxígeno en el fondo marino poco profundo pueden haber enfatizado a los primeros animales (los antepasados de toda la vida animal hoy en día), empujándolos a adaptarse de manera que alimentó la diversificación.
En lugar de buenas condiciones que impulsan el cambio, argumentamos que las condiciones duras desencadenaron esto.
Utilizamos un modelo de computadora que puede imitar condiciones en el fondo marino iluminado hoy. Este modelo tiene en cuenta lo que la vida puede producir o consumir, pero también cómo la temperatura, la luz solar y los diferentes tipos de sedimentos o agua afectan las condiciones generales.
Usando este llamado “modelo biogeoquímico”, hemos demostrado que en aguas cálidas y poco profundas, los niveles de oxígeno podrían fluctuar dramáticamente entre el día y la noche en el Cámbrico (cuando el oxígeno generalmente era más bajo que hoy).
Durante el día, la fotosíntesis de algas marinas produjo mucho oxígeno, creando un entorno totalmente oxigenado. Pero por la noche, cuando la fotosíntesis se detuvo porque no había luz, el oxígeno fue consumido rápidamente por las algas mientras respiraban (usando energía y oxígeno para realizar funciones celulares), lo que condujo a condiciones anóxicas.
Este ciclo diario de fiesta y familia en la disponibilidad de oxígeno creó un desafío fisiológico intenso para los animales tempranos, lo que los obliga a desarrollar adaptaciones para manejar las fluctuaciones en nutrientes. Para aquellos que podían lidiar con estas fluctuaciones, la adaptación les dio una ventaja competitiva.
Los entornos de estantes en forma de playa de arena y poco profundos en los océanos de todo el mundo también se expandieron dramáticamente en este momento porque el súper condinente, conocido como Rodinia, se rompió en piezas más pequeñas.
Esto aumentó la circunferencia total de la corteza continental, creando más bordes continentales donde el sol, los nutrientes y la vida podrían interactuar. Estos nuevos continentes también se inundaron, tan poco profundas y las zonas de fondo marinas iluminadas por el sol se expandieron aún más.
Los entornos marinos iluminados por el sol tienden a ser el más rico en nutrientes. Las especies que se habían adaptado para hacer frente a las fluctuaciones diarias de oxígeno podrían acceder más fácilmente a los nutrientes en este vasto hábitat poco profundo. Las especies tolerantes al estrés ganarían la carrera a la comida.
Cómo el estrés impulsa la evolución
El estrés fisiológico a menudo se ve como un obstáculo para la supervivencia. Pero puede ser un catalizador para la innovación evolutiva. Incluso hoy en día, las especies que soportan entornos extremos a menudo desarrollan rasgos especializados que los hacen más adaptables.
Nuestro estudio sugiere un patrón similar en el Cámbrico. Los animales evolucionaron formas de hacer frente al estrés de los niveles fluctuantes de oxígeno en el Smörgåsbord de los estantes del fondo marino poco profundo.
Una adaptación clave podría haber sido la capacidad de sentir eficientemente y responder a las fluctuaciones de oxígeno.
Este rasgo está regulado por un sistema de control celular, una vía molecular que adapta la forma en que la célula responde a condiciones externas. El sistema de control que puede haber surgido en la explosión del Cámbrico se conoce como HIF-1α (factor inducible por hipoxia 1).
En los animales modernos, este sistema ayuda a las células a detectar y adaptarse a los cambios en las condiciones de oxígeno, Procesos de control como el metabolismo energético y la coordinación de las funciones de una celda.
Sin embargo, HIF-1α ofrece resistencia a las toxinas como el sulfuro de hidrógeno, un subproducto común de las condiciones anóxicas.
Nuestro modelado sugiere que los animales con mecanismos avanzados de detección de oxígeno habrían tenido una ventaja de supervivencia en las condiciones fluctuantes del fondo marino cámbrico, lo que les permitió superar especies sin esta capacidad.
Desde entornos duros hasta diversidad animal
Hoy, los puntos críticos de biodiversidad como las selvas tropicales y los arrecifes de coral prosperan en condiciones de alta competencia biológica y complejidad ecológica.
Sin embargo, en entornos extremos donde la supervivencia depende de condiciones físicas duras resistentes en lugar de competir con otras especies, entran en juego diferentes presiones evolutivas. Cualquier adaptación contra el estrés que condujo a una mayor supervivencia también se heredaría de manera eficiente.
La capacidad de hacer frente a estos cambios rápidos puede haber permitido que ciertos linajes animales prosperen sobre otros, lo que lleva a la aparición de formas de vida más complejas y adaptables.
Hoy, todos los animales con tejidos tal como los conocemos (varias capas de células) usan HIF para mantener un mantenimiento regular o un estado estacionario (conocido como homeostasis). Esta vía molecular es fundamental para construir tejidos y tejidos curativos.
Incluso se sugiere que estas “perillas de control” en las células sean esenciales para cómo la vida animal podría ser tan grande y vieja. como jirafas, elefantes y humanos.
Este nuevo modelo desafía las opiniones tradicionales que se centran únicamente en los cambios geológicos a gran escala como los principales impulsores de la evolución animal temprana.
Los desafíos a escala local que enfrentan los organismos individuales, como sobrevivir a los cambios diarios entre las condiciones ricas en oxígeno y hambriento de oxígeno, podrían haber sido tan importantes para dar forma al curso de la evolución.
Emma HammarlundProfesor Asociado, Geobiología, Universidad de Lund
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