氧氣越多越好嗎？

設想這樣一個世界：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物所真實經(jīng)歷的環(huán)境。恰恰在這一時期，地球生命迎來了一場空前繁榮——動物種類迅速增加、形態(tài)多樣化的“寒武紀大爆發(fā)”正是在此時發(fā)生。

在寒武紀前期（約5.4億至4.9億年前）的淺海底棲生態(tài)系統(tǒng)中，動物多樣性顯著提升。幾十年來，科學家們一直試圖解釋這場生命大爆發(fā)背后的推動力。其中一種流行觀點認為，大氣中氧氣濃度的上升，為動物進化提供了更溫和、更友好的環(huán)境條件。

然而，這一觀點近年來正受到挑戰(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張。

現(xiàn)在，一項新發(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，才可能在這一關鍵時期扮演了推動者的角色。

研究團隊認為，淺海海底區(qū)域的日常氧氣波動對早期動物構(gòu)成了顯著的生理壓力，迫使它們發(fā)展出多樣化的應對機制。換言之，不是良好的環(huán)境促進了生命的進化，而是惡劣的環(huán)境推動了生物的適應。

壓力出發(fā)適應

為了驗證這一假設，研究團隊構(gòu)建了一個生物地球化學模型，用以模擬寒武紀時期淺海海底的環(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：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”的氧氣供應循環(huán)，成為早期動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，動物若想生存，就必須發(fā)展出應對機制。這種適應不僅是生存手段，更是競爭優(yōu)勢的來源。那些能耐受劇烈波動、維持正常代謝的動物，在爭奪資源中更具優(yōu)勢，也更有可能留下后代。

與此同時，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)域迅速擴展，原本連為一體的大陸分裂成多個小塊，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。而能適應氧氣波動的物種，正好具備占領這些新生態(tài)位的能力，從而在進化上取得先機。

壓力驅(qū)動進化

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)展出了一些獨特而高效的適應特征。

新的研究表明，寒武紀時期的動物可能也是如此。它們在淺海大陸架氧氣劇烈波動的“進化試驗場”中，發(fā)展出了各種應對機制。其中一項關鍵的適應能力，可能就是通過分子通路有效地感知和調(diào)節(jié)氧氣變化。

這種特性是由細胞控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的，這是一種調(diào)節(jié)細胞對外界條件反應的分子途徑。可能在寒武紀大爆發(fā)時出現(xiàn)的控制系統(tǒng)被稱為HIF-1α（缺氧誘導因子1α）。在現(xiàn)代動物體內(nèi)，它負責幫助細胞檢測和適應氧氣條件的變化，控制能量代謝和細胞功能協(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制的早期動物，在寒武紀海底波動的環(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，我們往往認為生物多樣性來自生態(tài)復雜性與物種競爭，例如在熱帶雨林或珊瑚礁等生物多樣性熱點地區(qū)。然而，新的研究表明，在早期生命進化的極端環(huán)境中，最關鍵的并非競爭，而是對惡劣環(huán)境的適應。

任何針對壓力的適應都能有效地遺傳，從而提高生存能力。應對這些快速變化的能力可能使某些動物譜系比其他動物譜系更繁榮，導致更復雜和適應性更強的生命形式的出現(xiàn)。

新的研究挑戰(zhàn)了以往“地質(zhì)大事件驅(qū)動生命進化”的主流觀點，強調(diào)微觀、局部的生態(tài)壓力同樣具有深遠影響。今天，所有具備多層細胞組織結(jié)構(gòu)的動物，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重要。

細胞中的這些“控制旋鈕”甚至被認為是動物如何演化出復雜體型、延長壽命的關鍵。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)，鋪下了進化的臺階。

#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