انفجار کامبرین - علل احتمالی "انفجار. انفجار کامبرین

علت انفجار کامبرین، که حدود 540 میلیون سال پیش رخ داد، نمی توانست یک فاجعه اکسیژن باشد. به تازگی دانشمندان چینی و کانادایی به این نتیجه رسیده اند.

انفجار کامبرین یا انفجار فون اسکلتی نام مشروط این پدیده است که منجر به افزایش شدید تعداد بقایای فسیلی موجودات زنده در رسوبات مربوط به آغاز دوره زمین شناسی کامبرین شد.

در آن زمان، افزایش قابل توجهی در غلظت اکسیژن در هوا وجود نداشت، تنها 10 درصد بود. از سطح فعلی - به corr گفت. شین هوا در موسسه زمین شناسی و دیرینه شناسی نانجینگ تحت آکادمی علوم چین در نانجینگ / استان جیانگ سو، شرق چین /.

منشاء موجودات زنده و تأثیر تغییرات محیطی بر آنها از سالیان متمادی موضوع تحقیقات اساسی بوده است.

بر اساس دیدگاه عمومی پذیرفته شده، 2.3 میلیارد سال پیش، اولین فاجعه اکسیژن در زمین رخ داد که نتیجه آن ظاهر شدن اکسیژن آزاد در جو بود. به گفته محققان، در آن زمان غلظت آن تنها 0.1 - 0.01 درصد بود. از نرخ روزگار ما

سپس، 1 میلیارد تا 550 میلیون سال پیش، تجمع مجدد اکسیژن در هوا ثبت شد، سپس محتوای آن به 10 درصد رسید. از سطح فعلی در این راستا، اولین موجودات چند سلولی روی زمین ظاهر شدند.

افزایش چشمگیر تنوع زیستی در طول انفجار کامبرین قبلاً توسط بسیاری از دانشمندان به دلیل تغییر جهانی در ترکیب جو زمین است، بنابراین محتوای اکسیژن در دریا و هوا می تواند به سطوح فعلی نزدیک شود. نتایج مطالعه یک تیم چینی-کانادایی چنین نظریه ای را رد کرد.

شیانگ لی، دکترای علوم زمین شناسی در این موسسه، گفت که تیمی از دانشمندان چینی و کانادایی ترکیب شیمیایی نمونه های سنگی از بخش غربی استان ژجیانگ را در سال 2014-2016 مطالعه کردند که در نتیجه آنها موفق به رد نمونه های موجود شدند. فرضیه.

تمام سنگ های مورد استفاده در این مطالعه در عمق 400 تا 760 متری بوده و سن آنها به 510 تا 550 میلیون سال می رسد. دانشمندان به بررسی محتوای کربن آلی و عناصری مانند آهن، اورانیوم، مولیبدن در آنها پرداخته و غلظت اکسیژن هوا و دریا را نیز مشخص کرده اند.

به گفته دکتر Xiang Lei، محتوای اکسیژن هوا «فقط 510 میلیون سال پیش به سطح فعلی خود افزایش یافته است»، قبلاً در سطح ثابت پایین، یعنی حدود 10 درصد بود. از سطح فعلی

وی گفت: "نتایج مطالعه نشان دهنده عدم اکسیداسیون در مقیاس بزرگ هوا و دریا در نتیجه انفجار کامبرین است. فرضیه افزایش شدید تنوع زیستی به دلیل افزایش محتوای اکسیژن محقق نشد." .

چه چیزی منجر به انفجار کامبرین شد؟ این سوال همانطور که شیانگ لی اشاره کرد هنوز باز است.

نتایج دستیابی به موفقیت دانشمندان در مجله علمی بریتانیایی Earth and Planetary Science Letters منتشر شد. کار تحقیقاتی با حمایت آکادمی علوم چین و بنیاد ملی علوم طبیعی چین سازماندهی شد.

اگرچه حیوانات سه لایه نسبتاً پیچیده قبل از کامبرین وجود داشته اند، به نظر می رسد تکامل تکاملی در کامبرین اولیه فوق العاده سریع باشد. تلاش های زیادی برای توضیح دلایل این تحول "انفجاری" صورت گرفته است.

تغییرات محیطی

افزایش غلظت اکسیژن

اولین جو زمین اصلاً حاوی اکسیژن آزاد نبود. اکسیژنی که جانوران امروزی تنفس می کنند، چه در هوا و چه محلول در آب، محصول میلیاردها سال فتوسنتز، عمدتاً میکروارگانیسم ها است. حدود 2.5 میلیارد سال پیش، غلظت اکسیژن در جو به طور چشمگیری افزایش یافت. تا آن زمان، تمام اکسیژن تولید شده توسط میکروارگانیسم ها به طور کامل صرف اکسیداسیون عناصر با میل ترکیبی بالا برای اکسیژن، مانند آهن می شد. تا زمانی که آنها به طور کامل در خشکی و در لایه های بالایی اقیانوس محدود شدند، فقط "واحه های اکسیژن" محلی در جو وجود داشتند.

کمبود اکسیژن می تواند از رشد موجودات پیچیده بزرگ برای مدت طولانی جلوگیری کند. مشکل این است که مقدار اکسیژنی که یک حیوان می تواند از محیط خود جذب کند به وسیله سطح آن محدود است. مقدار اکسیژن مورد نیاز برای زندگی توسط جرم و حجم موجود زنده تعیین می شود که با افزایش اندازه، سریعتر از منطقه رشد می کند. افزایش غلظت اکسیژن در هوا و آب می تواند این محدودیت را تضعیف یا کاملاً از بین ببرد.

لازم به ذکر است که مقدار کافی اکسیژن برای وجود وندوبیونت های بزرگ قبلاً در دوره ادیاکران وجود داشت. با این حال، افزایش بیشتر در غلظت اکسیژن می تواند ارگانیسم ها را با انرژی اضافی برای تولید مواد لازم برای توسعه ساختارهای اساسی بدن پیچیده تر، از جمله مواردی که برای شکار و محافظت در برابر آن استفاده می شود، فراهم کند.

زمین گلوله برفی

شواهد فراوانی وجود دارد که در اواخر دوران نئوپروتروزوییک، زمین در معرض یخبندان جهانی قرار گرفت، که در طی آن بیشتر آن با یخ پوشیده شده بود و دمای سطح حتی در استوا نزدیک به انجماد بود. برخی از محققان اشاره می کنند که این شرایط ممکن است ارتباط نزدیکی با انفجار کامبرین داشته باشد، زیرا اولین فسیل های شناخته شده مربوط به دوره ای اندکی پس از پایان آخرین یخبندان کامل است.

با این حال، نشان دادن رابطه علت و معلولی چنین فجایع با رشد بعدی در اندازه و پیچیدگی موجودات بسیار دشوار است. احتمالاً دمای پایین غلظت اکسیژن را در اقیانوس افزایش می دهد - حلالیت آن در آب دریا تقریباً دو برابر می شود زیرا دما از 30 درجه سانتیگراد به 0 درجه سانتیگراد کاهش می یابد.

نوسانات در ترکیب ایزوتوپی کربن

در رسوبات در مرز Ediacaran/Cambrian، کاهش بسیار شدید و به دنبال آن نوسانات غیرعادی قوی در نسبت ایزوتوپ کربن C/C در سراسر کامبرین اولیه وجود دارد.

بسیاری از دانشمندان فرض کرده اند که افت اولیه به دلیل یک انقراض دسته جمعی درست قبل از آغاز کامبرین بوده است.همچنین می توان فرض کرد که انقراض خود نتیجه فروپاشی قبلی متان clathrates بوده است. به طور گسترده ای شناخته شده است که انتشار متان و متعاقب آن اشباع شدن جو با دی اکسید کربن باعث یک اثر گلخانه ای جهانی می شود که با بلایای مختلف زیست محیطی همراه است. تصویر مشابهی در تریاس مشاهده شد، زمانی که زندگی در حال بهبودی پس از انقراض گسترده پرمین بود.

با این حال، توضیح اینکه چگونه یک انقراض دسته جمعی می تواند باعث افزایش شدید تنوع طبقه بندی و مورفولوژیکی شود، نسبتاً دشوار است. اگرچه انقراض های دسته جمعی، مانند پرمین و کرتاسه-پالئوژن، منجر به افزایش بعدی تعداد گونه های فردی از ناچیز به "غلبه" شد، در هر دو مورد، سوله های اکولوژیکی جایگزین شدند، البته با موجودات دیگر، اما به همان اندازه پیچیده. در همان زمان، هیچ رشد ناگهانی تنوع طبقه‌بندی یا مورفولوژیکی در اکوسیستم جدید مشاهده نشد.

تعدادی از محققان پیشنهاد کردند که هر کاهش کوتاه مدت در نسبت C / C در کامبرین اولیه نشان دهنده انتشار متان است که به دلیل اثر گلخانه ای کوچک و افزایش دما ناشی از آن، منجر به افزایش تنوع مورفولوژیکی می شود. . اما حتی این فرضیه افزایش شدید تنوع طبقه بندی در آغاز کامبرین را توضیح نمی دهد.

توضیحات بر اساس رشد موجودات

تعدادی از تئوری ها بر این ایده مبتنی هستند که تغییرات نسبتاً کوچک در روش رشد حیوانات از جنین به بزرگسالان می تواند منجر به تغییرات چشمگیر در شکل بدن شود.

ظهور نظام توسعه دوجانبه

ژن های هوکس تنظیم کننده ژن های "کار" را در قسمت های مختلف بدن روشن و خاموش می کنند و بنابراین تشکیل ساختار آناتومیکی بدن را کنترل می کنند. ژن های Hox بسیار مشابه در ژنوم همه حیوانات، از cnidarians گرفته تا انسان یافت می شود. در همان زمان، پستانداران دارای 4 مجموعه ژن Hox هستند، در حالی که cnidarians تنها با یک مجموعه از آن عبور می کنند.

ژن های Hox در گروه های مختلف حیوانات به قدری شبیه هستند که به عنوان مثال، می توانید ژن "چشم ساز" انسانی را به جنین مگس سرکه منجر به تشکیل چشم می شود، اما به دلیل آن، یک چشم مگس سرکه است، پیوند بزنید. برای فعال شدن ژن های "کار" مربوطه. این نشان می دهد که وجود مجموعه ای مشابه از ژن های Hox به هیچ وجه به معنای شباهت آناتومیکی موجودات نیست. بنابراین، ظهور چنین سیستمی می تواند منجر به افزایش شدید تنوع، هم ریخت شناسی و هم از نظر طبقه بندی شود.

از آنجایی که همان ژن های هوکس تمایز همه ارگانیسم های دو طرفه شناخته شده را کنترل می کنند، خطوط تکاملی این دومی باید قبل از تشکیل اندام های تخصصی از هم جدا شده باشند. بنابراین، «آخرین جد مشترک» همه موجودات دوطرفه باید کوچک، از نظر تشریحی ساده و به احتمال زیاد بدون اینکه در فسیل‌ها حفظ شود، کاملاً تجزیه شده باشد. این شرایط کشف آن را بسیار بعید می کند. با این حال، تعدادی از venodobionts ممکن است ساختار بدن دو طرفه داشته باشند. بنابراین، چنین سیستم توسعه ای می توانست حداقل چند ده میلیون سال قبل از انفجار کامبرین بوجود آمده باشد. در این مورد، دلایل اضافی برای توضیح آن لازم است.

افزایش کوچک در پیچیدگی ژنوم می تواند عواقب بزرگی داشته باشد

در بیشتر ارگانیسم های تولید مثل جنسی، فرزندان تقریباً 50 درصد از ژن های خود را از هر والدین دریافت می کنند. این بدان معنی است که حتی یک افزایش کوچک در پیچیدگی ژنوم می تواند باعث ایجاد تغییرات زیادی در ساختار و شکل بدن شود. بسیاری از پیچیدگی های بیولوژیکی احتمالاً از اعمال قوانین نسبتاً ساده بر روی تعداد زیادی سلول که به عنوان اتوماتای ​​سلولی عمل می کنند ناشی می شود.

مسیر توسعه

برخی از دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که با پیچیده‌تر شدن موجودات، تغییرات ثانویه بر تغییرات تکاملی در ساختار کلی بدن در جهت تخصصی‌سازی بهتر اجزای تشکیل‌شده آن سوار می‌شوند. این امر احتمال دسته‌های جدیدی از موجودات را کاهش می‌دهد که به دلیل رقابت با اجداد «بهبود یافته» تحت انتخاب طبیعی قرار می‌گیرند. در نتیجه، با توسعه ساختار کلی، یک "مسیر توسعه" تشکیل می شود و ساختار فضایی بدن "یخ زده" می شود. بر این اساس، تشکیل کلاس‌های جدید در مراحل اولیه تکامل کلادهای اصلی «آسان‌تر» اتفاق می‌افتد و تکامل بیشتر آنها در سطوح طبقه‌بندی پایین‌تر انجام می‌شود. متعاقباً، نویسنده این ایده اشاره کرد که چنین "یخ زدگی" توضیح اصلی برای انفجار کامبرین نیست.

فسیل هایی که می توانند از این ایده حمایت کنند مبهم هستند. اشاره شده است که تغییرات در موجودات هم طبقه اغلب در همان مراحل اولیه رشد کلاد بیشترین مقدار را دارد. به عنوان مثال، برخی از تریلوبیت های کامبرین در تعداد بخش های قفسه سینه بسیار متفاوت بودند و متعاقباً این تنوع به طور قابل توجهی کاهش یافته است. با این حال، نمونه‌های تریلوبیت‌های سیلورین دارای همان تنوع ساختاری بالایی بودند که نمونه‌های کامبرین اولیه دارند. محققان پیشنهاد کردند که کاهش کلی تنوع به دلیل محدودیت های اکولوژیکی یا عملکردی است. به عنوان مثال، پس از اینکه تریلوبیت ها ساختار بدنی محدب را ایجاد کردند، می توان انتظار تغییرات کمتری را در تعداد بخش ها داشت که راهی موثر برای محافظت از آن است.

توضیحات محیطی

چنین توضیحاتی بر تعاملات بین انواع مختلف موجودات متمرکز است. برخی از این فرضیه ها با تغییرات در زنجیره غذایی سروکار دارند. دیگران یک مسابقه تسلیحاتی بین شکارچیان و طعمه ها را در نظر می گیرند که ممکن است باعث تکامل بخش های سفت و سخت بدن در کامبرین اولیه شده باشد. تعدادی از فرضیه های دیگر بر مکانیسم های کلی تر تکامل همزمان تمرکز دارند.

"مسابقه تسلیحاتی" بین شکارچیان و طعمه ها

طبق تعریف، شکار مرگ طعمه را فرض می کند که آن را قوی ترین عامل و شتاب دهنده انتخاب طبیعی می کند. فشار بر شکار برای سازگاری بهتر باید بیشتر از شکارچیان باشد زیرا بر خلاف طعمه، آنها فرصتی برای تلاش مجدد دارند.

با این حال، شواهدی وجود دارد که نشان می دهد شکار مدت ها قبل از شروع کامبرین وجود داشته است. بنابراین، بعید است که به خودی خود باعث انفجار کامبرین شود، اگرچه تأثیر شدیدی بر اشکال تشریحی موجوداتی که در این مدت به وجود آمدند، داشت.

ظاهر فیتوفاژها

استنلی پیشنهاد کرد که ظهور تک یاخته ها در 700 میلیون سال پیش، "نقچه" تشک های میکروبی، زنجیره غذایی را تا حد زیادی گسترش داد و باید به افزایش تنوع موجودات منجر می شد. با این حال، امروزه مشخص شده است که "جویدن" بیش از 1 میلیارد سال پیش به وجود آمد و انقراض استروماتولیت ها حدود 1.25 میلیارد سال پیش - مدت ها قبل از "انفجار" آغاز شد.

رشد در اندازه و تنوع پلانکتون

مشاهدات ژئوشیمیایی به وضوح نشان می دهد که کل جرم پلانکتون با جرم فعلی در اوایل پروتروزوییک قابل مقایسه است. با این حال، تا زمان کامبرین، پلانکتون ها سهم قابل توجهی در تغذیه موجودات اعماق دریا نداشتند، زیرا بدن آنها برای فرو رفتن سریع در بستر دریا بسیار کوچک بود. پلانکتون‌های میکروسکوپی مدت‌ها قبل از نفوذ به لایه‌های عمیق توسط پلانکتون‌های دیگر خورده می‌شوند یا توسط فرآیندهای شیمیایی در لایه‌های بالایی دریا از بین می‌روند، جایی که می‌توانند به غذای نکتون و بنتوس تبدیل شوند.

در ترکیب فسیل‌های اولیه کامبرین، مزوزوپلانکتون یافت شد که می‌توانست پلانکتون‌های میکروسکوپی را فیلتر کند. مزوزوپلانکتون‌های جدید ممکن است منشأ بقایای آن‌ها بوده باشند، و همچنین دفع مدفوع به شکل کپسول‌هایی به اندازه‌ای بزرگ که به سرعت در آب غوطه‌ور شوند، ممکن است غذای نکتون‌ها و بنتوس‌ها بوده و باعث رشد اندازه و تنوع آن‌ها شده باشد. اگر ذرات آلی به بستر دریا می رسیدند، در نتیجه دفن بعدی، باید غلظت اکسیژن آب را افزایش می دادند و در عین حال غلظت کربن آزاد را کاهش می دادند. به عبارت دیگر، ظهور مزوزوپلانکتون اعماق اقیانوس را با غذا و اکسیژن غنی کرد و در نتیجه ظهور و تکامل ساکنان بزرگتر و متنوع تری در اعماق دریا را ممکن کرد.

در نهایت، ظهور فیتوفاژها در میان مزوزوپلانکتون‌ها می‌تواند یک طاقچه اکولوژیکی اضافی برای شکارچیان مزوزوپلانکتون بزرگ‌تر ایجاد کند، که اجسادشان با فرو رفتن در دریا، منجر به غنی‌سازی بیشتر آن با غذا و اکسیژن شد. شاید اولین شکارچیان در میان مزوزوپلانکتون ها لاروهای جانوران کف دریا باشند که تکامل بیشتر آنها نتیجه افزایش کلی شکار در دریاهای دوره ادیاکران بود.

بسیاری از طاقچه های خالی

جیمز ولنتاین در چندین اثر مفروضات زیر را مطرح کرد: تغییرات ناگهانی در ساختار بدن "دشوار" است. تغییرات در صورتی که با رقابت اندکی برای جایگاه اکولوژیکی مورد نظر خود مواجه شوند، بسیار محتمل تر است. مورد دوم ضروری است تا نوع جدید موجودات زمان کافی برای انطباق با نقش جدید خود داشته باشند.

این شرایط باید به این واقعیت منجر شود که اجرای تغییرات عمده تکاملی در مراحل اولیه شکل‌گیری اکوسیستم بسیار محتمل‌تر است، زیرا تنوع بعدی تقریباً همه جاهای اکولوژیکی را پر می‌کند. در آینده، اگرچه انواع جدیدی از موجودات زنده به ظهور ادامه می‌دهند، فقدان سوله‌های خالی مانع از گسترش آنها در اکوسیستم می‌شود.

مدل ولنتاین در توضیح منحصر به فرد بودن انفجار کامبرین به خوبی عمل می کند - چرا این انفجار فقط یک بار اتفاق افتاد و چرا مدت زمان آن محدود بود.

چارلز داروین در همان کتاب "منشاء گونه ها" نوشت: "اگر گونه های متعدد متعلق به یک طبقه شروع به وجود کنند. همزمان، پس این یک ضربه مرگبار به نظریه ای خواهد بود که تکامل از یک اجداد مشترک توسط انتخاب طبیعی را فراهم می کند.

دانشمندان مدرن، با مطالعه دقیق بقایای فسیلی، متقاعد شده اند که موجودات زنده به طور ناگهانی روی زمین ظاهر شده اند. در لایه موسوم به کامبرین بقایای تریلوبیت ها، اسفنج ها، کرم ها، ستاره های دریایی، حلزون ها، سخت پوستان شناور، سرپایان، بندپایان و .... تک سلولی و باکتری ها نیز در اینجا و کمی پایین تر یافت شد. وجود هر موجود چند سلولی زودتر از کامبرین یک نکته بحث برانگیز است. بنابراین بدیهی است که بسیاری از گونه ها، متمایز از یکدیگر و در حال حاضر دارای ارگانیسم های کامل، در همان زمان وجود داشته اند و هیچ اجدادی ندارند که بتوانند از آن زاده شده باشند. در زمین شناسی این پدیده را انفجار کامبرین می نامند.

برنج. ساکنان دوره کامبرین

به هر حال، برای تکامل گرایان نیز دشوار است که به طور واضح به این سؤال پاسخ دهند که چرا در طبیعت مدرن، و همچنین در طبیعت دوره کامبرین (که ظاهراً بیش از 500 میلیون سال پیش بود)، اسفنج، کرم، ستاره دریایی، حلزون ها، سخت پوستان شناور و غیره؟ چرا آنها در این مدت طولانی به اشکال بالاتر تکامل پیدا نکردند؟ اگر تکامل یک حرکت رو به بالا مثبت و اجتناب ناپذیر همه موجودات زنده است، پس چرا همه موجودات را لمس نکرده است؟ منطقی تر است اگر در حال حاضر فقط یک تاج تکامل روی این سیاره باقی بماند - انسان!

چرا آمیب ها، حشرات، ماهی ها، دوزیستان، خزندگان، پستانداران، میمون ها و مردم هنوز هم زمان روی زمین زندگی می کنند؟ شاید به همان دلیلی که ماهی کولاکانت هنوز وجود دارد: مدت ها پیش زندگی می کرد، امروز نیز به زندگی خود ادامه می دهد. حتی اگر سعی کنید به تکامل اعتقاد داشته باشید، باید به این سوال پاسخ دهید: آیا تکامل امروز متوقف شده است یا نه؟ با این حال، پاسخ به این سؤال، سؤالات دیگری را ایجاد می کند که بی پاسخ مانده است.

اگر فرض کنیم که همه موجودات زنده، از ساده گرفته تا پیچیده، هنوز در حال تکامل هستند، بلافاصله باید توضیح دهیم که چرا هیچ گونه شکل انتقالی زنده ای در میان آنها وجود ندارد. اگر تصور کنیم که تکامل به پایان رسیده و موجوداتی که به کمال رسیده‌اند مدت‌ها پیش در رشد خود متوقف شده‌اند و بقیه از طریق انتخاب طبیعی منقرض شده‌اند، این واقعیت غیرقابل توضیح است که چرا حلقه‌های میانی مرده کافی در تکامل وجود ندارد. اما بقایای اشکال انتقالی باید در تریلیون ها و حتی sextillions باشد که ظاهراً برای میلیون ها سال در روده های زمین جمع می شود.

زیست شناس مشهور انگلیسی پیتر هالند معتقد است که شیوع باستانی تکامل متازوئن ها، که معمولاً انفجار کامبرین نامیده می شود، تا حدی به دلایل ژنتیکی است. یک پیش نیاز ضروری برای تکامل سریع حیوانات متقارن دو طرفه، تکرار ژن (یا یک سری از تکرارها) بود که منجر به ظهور ژن های Hox و ParaHox، تنظیم کننده های مهم رشد فردی شد. این امر تأثیر عوامل محیطی را بر تکامل اولیه حیوانات رد نمی کند، اما لازم است سهم نوآوری های ژنتیکی صرفاً در نظر گرفته شود.

یکی از بزرگترین اسرار تاریخ حیات روی زمین مدتهاست که به اصطلاح انفجار کامبرین در نظر گرفته شده است - ظهور ناگهانی بسیاری از گروه های بزرگ از حیوانات در حدود 540 میلیون سال پیش، در آغاز دوره کامبرین (بالا سمت چپ در شکل). گاهی اوقات این عقیده وجود دارد که انفجار کامبرین یک مصنوع است، یک توهم نه چندان مرتبط با ظهور شاخه های تکاملی جدید، بلکه با تغییر در شرایط دفن بقایای فسیلی. اما تحقیقات اخیر تأیید می کند که شتاب شدید تکامل در مرز کامبرین کاملا واقعی است. واقعاً یک انفجار کامبرین رخ داد.

چه چیزی باعث شد؟ این مشکل ممکن است به خوبی در محبوبیت رقابت کند، به عنوان مثال، با مشکل انقراض دایناسورها یا ظهور دوپا بودن انسان. فرضیه های زیادی وجود دارد که انفجار کامبرین را با عوامل خارجی توضیح می دهد: به عنوان مثال، افزایش سطح اقیانوس (با ظهور بسیاری از دریاهای حاشیه ای کم عمق) یا تغییر در ترکیب شیمیایی آب دریا (با افزایش در محتوای اکسیژن، کلسیم، فسفات). با این حال، برای صد سال، هیچ یک از این نسخه ها تایید قابل اعتمادی دریافت نکرده اند که خارج از رقابت باشند.

توضیحات پیچیده تر و چند مرحله ای وجود دارد. به عنوان مثال، دیرینه شناس آمریکایی داگلاس اروین معتقد است که در مرز کامبرین، برخی از حیوانات یاد گرفتند که به طور فعال در بستر دریا حفاری کنند، این باعث اشباع اکسیژن خاک، گسترش مجموعه ای از سوله های اکولوژیکی و منجر به "واکنش زنجیره ای گونه" شد. اما این فرضیه نقاط ضعفی هم دارد. و مهمتر از همه، مرحله اولیه فرآیند را از دست می دهد. حیواناتی که قادر به حفر کف دریا هستند ابتدا باید بوجود آمده باشند.

پیتر هالند، ژنتیک‌دان تکاملی مشهور بریتانیایی، برای تغییر پیشنهاد می‌کند که به دنبال علل داخلی انفجار کامبرین بگردیم، که در محیط زیست نیست، بلکه در ساختار موجودات در حال تکامل است. البته، هالند به خوبی می‌داند که دلایل محیطی را نیز نباید فراموش کرد: رویداد پیچیده‌ای مانند انفجار کامبرین احتمالاً توسط عوامل زیادی ایجاد شده است، نه تنها یک. به احتمال زیاد، آبشاری از تغییرات به هم پیوسته وجود داشته است. با این وجود، بدیهی است که پاسخ هر سیستم به یک ضربه خارجی نه تنها به ماهیت این تاثیر، بلکه به ویژگی های خود سیستم نیز بستگی دارد. اگر از این زاویه به مسئله بپردازیم چه؟

درست است، ما هنوز اطلاعات کمی در مورد ساختار داخلی کامبرین اولیه و حتی بیشتر از آن حیوانات پرکامبرین داریم. اما می‌توان چیزی را از روی داده‌های غیرمستقیم محاسبه کرد و «رفتار» موجودات را در مقیاس زمانی کلان تکاملی تحلیل کرد.

در واقع چه چیزی در مرز کامبرین "منفجر شد"؟ شایان ذکر است که بیشتر رویدادهایی که در کنار هم انفجار کامبرین را تشکیل می دهند با تکامل نه تنها حیوانات، بلکه حیوانات متقارن دو طرفه مرتبط است. تنها چهار نوع جانور مدرن وجود دارد که به صورت دو طرفه متقارن نیستند: اسفنج‌ها، کتنوفورها، لاملارها، cnidarians (نوع پنجم ظاهراً سال گذشته یافت شد، اما این یافته هنوز به درستی توصیف نشده است). همه حیوانات دیگر، از جمله کرم ها، حلزون ها، خارپشت های دریایی، پروانه ها و خود ما، به گروه عظیمی از متقارن های دو طرفه (بیلاتریا) تعلق دارند. این بسیار سریع - در این مورد به معنای "در چند میلیون سال" است - ظهور تعداد زیادی از شاخه های بزرگ از حیوانات متقارن دو طرفه است که شروع کامبرین را به لحظه ای کاملاً منحصر به فرد در تاریخ زمین تبدیل می کند.

ویژگی این حیوانات چیست؟ دولاتریا بسیار متنوع هستند، بنابراین هر توضیح مختصری از آنها خطر نادرست بودن را دارد. با این وجود، چهار ویژگی اصلی وجود دارد که دو طرفه را از "غیر دو طرفه" متمایز می کند.

محور جلو-عقب. یک حیوان معمولی متقارن دو طرفه عمر خود را در حرکت انتقالی سپری می کند، در حالی که بدنش دارای یک انتهای جلو و عقب کاملاً مشخص است - به زبان ساده، یک سر و دم. در انتهای قدامی معمولاً اندام های حسی و دستگاه دهان قرار دارند.

سیستم عصبی مرکزی. "Nebilateria" یا اصلاً سیستم عصبی ندارد (اسفنج، لایه لایه)، یا نسبتاً ساده است (ژله شانه، cnidarians). در دولاتریا، سیستم عصبی معمولاً قدرتمندتر است، اغلب در یک زنجیره یا رشته واحد جمع می شود. علاوه بر این، بسیار مشخصه یک تقسیم طولی به بخش هایی است که معمولاً قدامی ترین آنها مغز نامیده می شود.

از طریق روده. دولاتریا توسط روده ای به شکل لوله ای مشخص می شود که با دهان شروع می شود (معمولاً نزدیک انتهای قدامی بدن) و به مقعد (معمولاً در نزدیکی انتهای خلفی بدن) ختم می شود. چنین روده ای مانند سیستم عصبی دارای تقسیم طولی به بخش هایی است، به عنوان مثال، به قسمت قدامی، میانی و عقبی. غذا همیشه از طریق روده در یک جهت حرکت می کند - از دهان تا مقعد. در بین دو طرفه مواردی از عدم وجود روده از طریق وجود دارد، اما بیشتر آنها احتمالاً به دلیل از دست دادن ثانویه است. در "نبیلاتریا" هرگز روده ای به شکل لوله وجود ندارد. حتی اگر حفره روده آنها منافذی غیر از دهان داشته باشد (مثلاً در ctenophores)، هیچ سیستم جریان غذای یک طرفه در آنجا وجود ندارد.

سه لایه جوانه. جنین یک حیوان چند سلولی معمولاً به لایه های سلولی به نام لایه های جوانه تقسیم می شود. در bilateria، سه لایه جوانه به وضوح توضیح داده شده است. در "نبیلاتریا"، تشخیص لایه های جوانه یا به سختی (اسفنج، لایه ای) یا بیش از دو تا از آنها وجود دارد (ctenophores، cnidarians). به همین دلیل، از قرن نوزدهم، دولایه ها را حیوانات سه لایه (تری پلوبلاست) و «نبیلاتریان» را دولایه (دیپلوبلاست) می دانند. حیوانات سه لایه با وجود یک لایه متوسط ​​​​زایا - مزودرم، که به ویژه از آن سیستم عضلانی ایجاد می شود، با حیوانات دو لایه متفاوت هستند. بنابراین، چنین حیواناتی قادر به حرکات بسیار فعال و متنوع تر هستند.

دیرینه شناس مشهور انگلیسی سیمون کانوی موریس در سال 1993 این عقیده را بیان کرد که محتوای اصلی تکاملی انفجار کامبرین انتقال از سطح حیوانات دو لایه به سطح سه لایه است، یعنی متقارن دو طرفه. به گفته کانوی موریس، انفجار کامبرین اساساً شامل "هجوم" حیوانات سه لایه به بیوسفر زمین بود. داده های دیرینه شناسی که از آن زمان انباشته شده است به هیچ وجه با این ایده در تضاد نیست.

آخرین جد مشترک همه دوجانبه های زنده (LCAB) چه شکلی بود؟ آناتومی مقایسه ای و ژنتیک تکاملی دلیل خوبی برای این فکر می کند که این جد مشترک دارای سیستم عصبی مرکزی، روده نافذ و عضلات جانبی (شاید حتی قطعه بندی شده) بوده است. انقباضات این ماهیچه‌ها تغییر شکل بدن را به روش‌های پیچیده امکان‌پذیر می‌سازد، خزیدن، شنا یا حفاری - در همه موارد اول سر.

حیوانات متقارن دو طرفه برای حرکت فعال در فضای سه بعدی بسیار بهتر از حیوانات غیر دو طرفه سازگاری دارند. علاوه بر این، فضای سه بعدی برای آنها می تواند نه تنها ستون آب، بلکه لایه خاک نیز باشد. این احتمال وجود دارد که حفاری در زمین نقش کلیدی در تکامل دو طرفه اولیه داشته باشد (همانطور که فرضیه اروین نشان می دهد). برای یک موجود متقارن دو طرفه در حال گودبرداری راحت است که از خاک برای تغذیه استفاده کند: گل و لای وارد دهان می شود، از لوله روده عبور می کند، مواد مغذی را در طول مسیر می دهد و از طریق مقعد به بیرون پرتاب می شود و در پشت باقی می ماند. همچنین حرکت در زمین برای او راحت است: برای این کار ماهیچه های قوی وجود دارد و علاوه بر این، یک حفره سلومیک (ثانویه) نیز می تواند در مزودرم تشکیل شود که با مایع پر شده و عملکرد یک اسکلت هیدرواستاتیک را انجام می دهد. در جانورشناسی، مدتهاست این ایده وجود داشته است که کل دقیقاً در حین انتقال به حفاری، به عنوان یک اسکلت هیدرولیکی بوجود آمده است، که پس از آن ضروری شد.

اگر این سناریو درست باشد، هیچ کس به جز کرم خاکی نمی تواند به عنوان نمونه ای عالی از شکل زندگی باستانی دولتریا باشد. او محیط دریایی را به خاک تغییر داد، اما تمام ویژگی های ذکر شده را در واضح ترین شکل حفظ کرد: روده ای از طریق دهان با دهان در انتهای قدامی بدن و مقعد در انتهای خلفی، عضلات قوی (تقسیم شده) و coelom با عملکرد حمایتی واضح.

در هر صورت، ظهور حیوانات متقارن دو طرفه را می‌توان گفت: (1) در مجاورت زمانی مرز کامبرین رخ داده است (هیچ مدرک قانع‌کننده‌ای برای وجود خیلی زودتر دوجانبه‌ها وجود ندارد) و (2) یک انقلاب واقعی ایجاد کرد. در آناتومی دنیای حیوانات و اکولوژی جهانی.

اما چه چیزی باعث این انقلاب شد؟ اینجاست که باید به این فکر کرد که چه تغییرات درونی در موجودات باعث شده است.

به طور متناقض، در سطح کنونی توسعه زیست شناسی، ما اغلب در مورد ژن هایی که حیوانات باستانی داشتند بیشتر از آناتومی این حیوانات می دانیم. در این مورد، ارزش آن را دارد که از ژن ها شروع کنیم.

ما باید در درجه اول به ژن هایی که رشد (1) سیستم عصبی، (2) روده ها، و (3) ساختارهای مزودرم را کنترل می کنند، که شامل ماهیچه ها و کل هستند، علاقه مند باشیم (سمت چپ پایین در شکل). بسیاری از چنین ژن هایی در حال حاضر شناخته شده اند. به عنوان یک قاعده، آنها پروتئین هایی را کد می کنند که می توانند ژن های دیگر را روشن یا خاموش کنند، یعنی آنها عوامل رونویسی هستند. ژن‌های فاکتور رونویسی که قادر به تأثیرگذاری بر رشد حیوانات هستند، به‌عنوان مثال، ژن‌های فاکس، ژن‌های Pax، ژن‌های homeobox، ژن‌های T-box و ژن‌های انگشت روی هستند.

از آنجا که "شما نمی توانید همه چیز را قبول کنید"، پیتر هالند تصمیم گرفت که تنها یکی از این پنج گروه ژن، یعنی ژن های هومئوباکس را مطالعه کند. آنها به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته اند و ظاهراً به آنها بستگی دارد که توسعه سیستم های اندامی مورد علاقه ما بیشتر از همه بستگی دارد.

وقتی صحبت از ژن های هومئوباکس می شود، بسیاری از زیست شناسان (و غیر زیست شناسانی که به ادبیات علمی نیز علاقه مند هستند) اول از همه به ژن های خانواده هاکس فکر می کنند. به بیان دقیق، این اشتباه است. ژن های Hox واقعاً تنظیم کننده های مهم رشد حیوانات هستند، مثلاً می توانند تفاوت بین بخش های مختلف بدن را تعیین کنند. اما همه ژن‌های هومئوباکس ژن Hox نیستند. به عنوان مثال، در ژنوم مگس مگس سرکه بیش از صد ژن هومئوباکس وجود دارد و تنها هشت تای آن متعلق به خانواده هوکس است. بیش از دویست ژن هومئوباکس در ژنوم انسان وجود دارد و تنها 39 مورد از آنها به خانواده هاکس تعلق دارند.به گفته هالند، ژن های هوکس "نوک کوه یخ هوموباکس" هستند.

ژن های هومئوباکس، که تکامل آنها از نقطه نظر آناتومی مقایسه ای مورد توجه خاص است، ژن های ANTP (از جهش antennapedia) نامیده می شوند. این یکی از چندین کلاس ژن هومئوباکس است که به نوبه خود به خانواده های ژنی تقسیم می شود. علاوه بر ژن‌های Hox که قبلا ذکر شد، ژن‌های ANTP شامل ژن‌های ParaHox، ژن‌های NK، ژن‌های Dlx، ژن‌های Evx، ژن‌های Emx، ژن‌های Dbx، ژن‌های Msx و تعدادی دیگر هستند.

یکی از ویژگی های مهم ژن های خانواده Hox این است که آنها تمایل دارند در کنار یکدیگر در کروموزوم ها قرار گیرند و گروه های متراکم - خوشه ها را تشکیل دهند. به عنوان مثال، در مگس سرکه، تمام هشت ژن Hox در کنار هم قرار گرفته اند. یک فرد دارای چهار خوشه از این قبیل است. در برخی از حیوانات، خوشه های Hox متلاشی می شوند، اما اغلب آنها کم و بیش دست نخورده باقی می مانند. این ویژگی هم برای تنظیم عملکرد ژن های هاکس و هم برای تکامل آنها اهمیت زیادی دارد. این رمزگشایی از اصل عملکرد خوشه هاکس بود که دستاورد اصلی ژنتیکدان بزرگ آمریکایی ادوارد بی لوئیس بود که در سال 1995 جایزه نوبل را برای این کار دریافت کرد.

در دهه 1990، چندین ژن دیگر کشف شد که در توالی نوکلئوتیدی بسیار نزدیک به ژن‌های Hox هستند، اما در خوشه Hox قرار نمی‌گیرند و ظاهراً عملکردهای دیگری نیز دارند. این ژن ها در مجموع ParaHox نامیده شده اند. علاوه بر این، برای سه ژن از این قبیل - Gsx، Xlox (با نام مستعار Pdx) و Cdx - نشان داده شد که در توالی‌هایشان حتی به برخی از ژن‌های Hox نزدیک‌تر از بسیاری از ژن‌های Hox به یکدیگر هستند. آنها از کجا آمده اند؟ این معما در سال 1998 تا حدی حل شد، زمانی که پیتر هالند و همکارانش کشف کردند که ژن‌های ParaHox نیز خوشه‌بندی شده‌اند. درست است، خوشه ParaHox بسیار کوچکتر از خوشه Hox است: به عنوان مثال، lancelet دارای 15 ژن Hox و تنها سه ژن ParaHox است. اما مطمئناً منشأ مشترکی دارند. اولین مقاله در مورد این موضوع این بود: "خوشه ParaHox خواهر تکاملی خوشه Hox است".

سناریوی تکاملی که در اینجا خود را نشان می دهد، به نظر می رسد. اجداد مشترک اکثر جانوران امروزی دارای یک خوشه ژنی کوچک بود که هم ژن های Hox و هم ژن ParaHox "اجدادی" بود. این خوشه باستانی خوشه ProtoHox نام دارد. در نقطه ای، خوشه ProtoHox همراه با بخشی از کروموزوم که در آن قرار داشت دو برابر شد. این رویداد ژنتیکی را یک تکرار پشت سر هم می نامند. بنابراین، دو خوشه مرتبط به وجود آمدند که تکامل آنها متعاقباً متفاوت پیش رفت. یکی از آنها به یک خوشه Hox و دیگری به یک خوشه ParaHox (در وسط شکل بالا) تبدیل شد.

همچنین خانواده سومی از ژن‌های ANTP وجود دارد که تمایل به خوشه‌بندی دارند. آنها ژن NK نامیده می شوند. مگس میوه دارای پنج عدد از آنها است و آنها در یک خوشه فشرده جمع آوری شده اند که کاملاً جدا از خوشه های Hox و ParaHox هستند. این ژن ها بسیار باستانی هستند (مطمئناً قبل از متقارن شدن حیوانات به وجود آمده اند) و بسیار حفظ شده اند، یعنی در طیف گسترده ای از ارگانیسم ها حفظ می شوند و کمی تغییر می کنند. در نیزه و در مهره داران، خوشه NK متلاشی شده است، اما ژن های موجود در آن به طور جداگانه حفظ شده اند. علاوه بر این، ژنومیک مقایسه ای نشان می دهد که خوشه مگس سرکه NK (با پنج ژن) باقیمانده یک خوشه بزرگتر است که در آغاز تکامل دوجانبه وجود داشته و حداقل شامل هشت ژن است. اکنون آن در روند پوسیدگی آهسته ای است و برخی از ژن هایی که از آن جدا شده اند مدت هاست که به تنهایی وجود داشته اند.

02.12.2016

سلام مجدد به همه! در این پست سعی خواهم کرد در مورد یک رویداد منحصر به فرد در تاریخ حیات روی زمین صحبت کنم. ما در مورد انفجار کامبرین یا همانطور که به آن تابش کامبرین نیز گفته می شود صحبت خواهیم کرد. انفجار کامبرین درخشان‌ترین رویداد در تاریخ دیرینه‌شناسی این سیاره است، زمانی که در یک دوره زمانی نسبتاً کوتاه (چند ده میلیون سال) تعداد فسیل‌های موجودات زنده و در نگاه اول افزایش شدیدی پیدا کرد. ، گویی از هیچ کجا تقریباً همه انواع مدرن حیوانات ظاهر می شوند (آکوردها ، بندپایان ، نرم تنان ، خارپوستان و غیره).

این پیشینیان داشت، اما ابر توانست ایده انفجار کامبرین را با بیشترین شیوایی و پیچیدگی زمین‌شناسی به تصویر بکشد. او علاوه بر رهبری عالی و راهنمایی نسلی از دیرینه شناسان، رویکردی یکپارچه به دیرینه شناسی را توسعه داد و مهارت هایی در دیرینه شناسی، چینه شناسی کربناته و رسوب شناسی کربناته اضافه کرد. کار بعدی او در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، علایق او را به اختر زیست شناسی و منشاء حیات گسترش داد. مشاهدات او به‌عنوان دیرینه‌شناس باعث شد تا فسیل‌های فانوزوئیک را مجموعه‌ای از فوران‌های تکاملی توصیف کند که کامبرین از همه بزرگ‌تر است.