การระเบิดของแคมเบรียนซึ่งเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 540 ล้านปีก่อน อาจไม่ได้เกิดจากภัยพิบัติจากออกซิเจน นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนและแคนาดาเพิ่งได้ข้อสรุปนี้
การระเบิดของแคมเบรียนหรือการระเบิดของสัตว์ในโครงกระดูก เป็นชื่อทั่วไปของปรากฏการณ์ที่ส่งผลให้จำนวนซากฟอสซิลของสิ่งมีชีวิตในตะกอนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วซึ่งสอดคล้องกับจุดเริ่มต้นของยุคทางธรณีวิทยาของแคมเบรียน
ในเวลานั้นความเข้มข้นของออกซิเจนในอากาศไม่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเพียง 10 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น จากระดับปัจจุบัน - พวกเขาบอกกับผู้สื่อข่าว ซินหัว ณ สถาบันธรณีวิทยาและบรรพชีวินวิทยานานกิง สถาบันวิทยาศาสตร์จีน ในหนานจิง มณฑลเจียงซู ประเทศจีนตะวันออก
เป็นเวลาหลายปีมาแล้วที่ต้นกำเนิดของสิ่งมีชีวิตและผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อมเป็นหัวข้อของการวิจัยขั้นพื้นฐาน
ตามมุมมองที่ยอมรับกันโดยทั่วไปเมื่อ 2.3 พันล้านปีก่อนมหันตภัยออกซิเจนเกิดขึ้นครั้งแรกบนโลก ซึ่งส่งผลให้เกิดการปรากฏตัวของออกซิเจนอิสระในชั้นบรรยากาศ ตามที่นักวิจัยระบุว่าในขณะนั้นมีความเข้มข้นเพียง 0.1 - 0.01 เปอร์เซ็นต์ จากตัวบ่งชี้วันเวลาของเรา
จากนั้นเมื่อ 1 พันล้าน - 550 ล้านปีก่อน มีการบันทึกการสะสมของออกซิเจนในอากาศอีกครั้ง จากนั้นจึงมีปริมาณออกซิเจนถึง 10 เปอร์เซ็นต์ จากระดับปัจจุบัน ในเรื่องนี้สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ตัวแรกปรากฏบนโลก
ความหลากหลายทางชีวภาพที่เพิ่มขึ้นอย่างมากระหว่างการระเบิดแคมเบรียน ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์หลายคนคิดว่าเกิดจากการเปลี่ยนแปลงระดับโลกในองค์ประกอบของชั้นบรรยากาศโลก ส่งผลให้ระดับออกซิเจนในทะเลและอากาศเข้าใกล้ระดับปัจจุบันมากขึ้น ผลการศึกษาของทีมจีน-แคนาดาปฏิเสธทฤษฎีนี้
เซียงเล่ย แพทย์ศาสตร์ธรณีวิทยาประจำสถาบันกล่าวว่าทีมนักวิทยาศาสตร์ชาวจีนและแคนาดาได้ศึกษาองค์ประกอบทางเคมีของตัวอย่างหินจากทางตะวันตกของมณฑลเจ้อเจียงในช่วงปี 2557-2559 ซึ่งส่งผลให้พวกเขาสามารถหักล้างหินดังกล่าวได้ สมมติฐานที่มีอยู่
หินทั้งหมดที่ใช้ในการศึกษาตั้งอยู่ที่ระดับความลึก 400 - 760 ม. ซึ่งมีอายุถึง 510 - 550 ล้านปี นักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบปริมาณอินทรีย์คาร์บอนและองค์ประกอบต่างๆ เช่น เหล็ก ยูเรเนียม โมลิบดีนัม และยังชี้แจงความเข้มข้นของออกซิเจนในอากาศและทะเลด้วย
ดร.เซียง เล่ย กล่าวว่าปริมาณออกซิเจนในอากาศเพิ่มขึ้นเป็นระดับปัจจุบันเมื่อ 510 ล้านปีก่อนเท่านั้น โดยก่อนหน้านี้อยู่ในระดับต่ำอย่างต่อเนื่องประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ จากระดับปัจจุบัน
“ผลการศึกษาบ่งชี้ว่าไม่มีการเกิดออกซิเดชันขนาดใหญ่ในอากาศและทะเลอันเป็นผลมาจากการระเบิดของ Cambrian สมมติฐานของความหลากหลายทางชีวภาพที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากปริมาณออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นนั้นไม่สมเหตุสมผล” เขาเชื่อมั่น
อะไรทำให้เกิดการระเบิดที่ Cambrian? คำถามนี้ดังที่ Xiang Lei กล่าวไว้ ยังคงเปิดอยู่ในขณะนี้
ผลการวิจัยที่ก้าวหน้าของนักวิทยาศาสตร์ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ Earth and Planetary Science Letters ของอังกฤษ งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจาก Chinese Academy of Sciences และ National Natural Science Foundation of China
5. สาเหตุที่เป็นไปได้ของ “การระเบิด”
แม้ว่าสัตว์สามชั้นที่ค่อนข้างซับซ้อนจะมีอยู่ก่อนยุคแคมเบรียน แต่การพัฒนาเชิงวิวัฒนาการในยุคแคมเบรียนยุคแรกดูเหมือนจะดำเนินไปอย่างรวดเร็วมาก มีการพยายามอธิบายเหตุผลของการพัฒนาแบบ "ระเบิด" นี้หลายครั้ง
การเปลี่ยนแปลงด้านสิ่งแวดล้อม
เพิ่มความเข้มข้นของออกซิเจน
บรรยากาศแรกสุดของโลกไม่มีออกซิเจนอิสระเลย ออกซิเจนที่สัตว์สมัยใหม่หายใจ ทั้งที่มีอยู่ในอากาศและละลายในน้ำ เป็นผลมาจากการสังเคราะห์ด้วยแสงที่ใช้เวลาหลายพันล้านปี โดยส่วนใหญ่มาจากจุลินทรีย์ ประมาณ 2.5 พันล้านปีก่อน ความเข้มข้นของออกซิเจนในชั้นบรรยากาศเพิ่มขึ้นอย่างมาก จนถึงขณะนี้ ออกซิเจนทั้งหมดที่ผลิตโดยจุลินทรีย์ถูกใช้ไปกับการออกซิเดชันขององค์ประกอบที่มีความสัมพันธ์กับออกซิเจนสูง เช่น เหล็ก อย่างสมบูรณ์ จนกระทั่งการเกาะติดอย่างสมบูรณ์เกิดขึ้นบนบกและในชั้นบนของมหาสมุทร มีเพียง "โอเอซิสออกซิเจน" ในท้องถิ่นเท่านั้นที่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศ
การขาดออกซิเจนอาจขัดขวางการพัฒนาของสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่และซับซ้อนได้เป็นเวลานาน ปัญหาคือปริมาณออกซิเจนที่สัตว์สามารถดูดซับได้จากสภาพแวดล้อมนั้นถูกจำกัดด้วยพื้นที่ผิวของมัน ปริมาณออกซิเจนที่จำเป็นสำหรับชีวิตถูกกำหนดโดยมวลและปริมาตรของสิ่งมีชีวิต ซึ่งเมื่อขนาดเพิ่มขึ้น ก็จะเติบโตเร็วกว่าพื้นที่นั้น ความเข้มข้นของออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นในอากาศและน้ำอาจทำให้ข้อจำกัดนี้ลดลงหรือขจัดข้อจำกัดนี้โดยสิ้นเชิง
ควรสังเกตว่ามีออกซิเจนเพียงพอสำหรับการดำรงอยู่ของ vendobionts ขนาดใหญ่อยู่แล้วในยุค Ediacaran อย่างไรก็ตาม ความเข้มข้นของออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นอีกอาจทำให้สิ่งมีชีวิตมีพลังงานเพิ่มเติมในการผลิตสารที่จำเป็นสำหรับการพัฒนาโครงสร้างร่างกายที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น รวมถึงที่ใช้สำหรับการปล้นสะดมและการป้องกันด้วย
สโนว์บอลโลก
มีหลักฐานมากมายที่แสดงว่าโลกเกิดภาวะน้ำแข็งทั่วโลกในช่วงปลายยุคนีโอโพรเทโรโซอิก ซึ่งส่วนใหญ่ปกคลุมไปด้วยน้ำแข็งและอุณหภูมิพื้นผิวเกือบจะถึงจุดเยือกแข็งแม้จะอยู่ที่เส้นศูนย์สูตรก็ตาม นักวิจัยบางคนชี้ให้เห็นว่าสิ่งนี้อาจเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการระเบิดของแคมเบรียน เนื่องจากฟอสซิลที่เก่าแก่ที่สุดที่รู้จักเกิดขึ้นหลังจากสิ้นสุดยุคน้ำแข็งครั้งสุดท้ายไม่นาน
อย่างไรก็ตาม เป็นการยากที่จะระบุความสัมพันธ์ระหว่างเหตุและผลระหว่างภัยพิบัติดังกล่าวกับขนาดและความซับซ้อนของสิ่งมีชีวิตที่เพิ่มขึ้นในเวลาต่อมา เป็นไปได้ว่าอุณหภูมิต่ำจะเพิ่มความเข้มข้นของออกซิเจนในมหาสมุทร ความสามารถในการละลายในน้ำทะเลเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่าเมื่ออุณหภูมิลดลงจาก 30 °C เป็น 0 °C
ความผันผวนขององค์ประกอบไอโซโทปคาร์บอน
ตะกอนที่ขอบเขตเอเดียการัน-แคมเบรียนแสดงการลดลงอย่างรวดเร็วมาก ตามมาด้วยความผันผวนอย่างมากในอัตราส่วนไอโซโทปของ C/C ตลอดช่วงแคมเบรียนตอนต้น
นักวิทยาศาสตร์หลายคนแนะนำว่าการลดลงครั้งแรกนั้นสัมพันธ์กับการสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ก่อนที่จะเริ่มยุค Cambrian นอกจากนี้ยังสามารถสันนิษฐานได้ว่าการสูญพันธุ์นั้นเป็นผลมาจากการสลายตัวของมีเทนคลาเทรตก่อนหน้านี้ เป็นที่ทราบกันดีว่าการปล่อยก๊าซมีเทนและความอิ่มตัวของบรรยากาศด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ตามมาทำให้เกิดภาวะเรือนกระจกทั่วโลกพร้อมกับภัยพิบัติด้านสิ่งแวดล้อมต่างๆ มีการสังเกตภาพที่คล้ายกันใน Triassic เมื่อชีวิตได้รับการฟื้นฟูหลังจากการสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ของ Permian
อย่างไรก็ตาม เป็นการยากที่จะอธิบายว่าการสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ทำให้เกิดความหลากหลายทางอนุกรมวิธานและสัณฐานวิทยาเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วได้อย่างไร แม้ว่าการสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ เช่น ยุคเพอร์เมียน และยุคครีเทเชียส-พาลีโอจีน นำไปสู่การเพิ่มจำนวนสายพันธุ์แต่ละชนิดในเวลาต่อมา จากที่ไม่มีนัยสำคัญไปจนถึง "โดดเด่น" อย่างไรก็ตาม ในทั้งสองกรณี ช่องทางนิเวศน์ก็ถูกแทนที่ด้วย แม้ว่าจะมีสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ที่ซับซ้อนพอ ๆ กัน . อย่างไรก็ตาม ไม่พบการเติบโตอย่างฉับพลันของความหลากหลายทางอนุกรมวิธานหรือทางสัณฐานวิทยาในระบบนิเวศใหม่
นักวิจัยจำนวนหนึ่งได้แนะนำว่าการลดลงของเศษส่วน C/C ใน Cambrian ยุคแรกแต่ละครั้งแสดงถึงการปล่อยก๊าซมีเทน ซึ่งทำให้เกิดภาวะเรือนกระจกเล็กน้อยและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น นำไปสู่ความหลากหลายทางสัณฐานวิทยาที่เพิ่มขึ้น แต่สมมติฐานนี้ไม่ได้อธิบายความหลากหลายทางอนุกรมวิธานที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงเริ่มต้นของ Cambrian
คำอธิบายตามพัฒนาการของสิ่งมีชีวิต
ทฤษฎีบางทฤษฎีมีพื้นฐานอยู่บนแนวคิดที่ว่าการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ ในวิธีที่สัตว์พัฒนาตั้งแต่ตัวอ่อนไปจนถึงตัวเต็มวัยสามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างมากได้
การเกิดขึ้นของระบบการพัฒนาทวิภาคี
ยีน Regulatory Hox จะเปิดและปิดยีน "ทำงาน" ในส่วนต่างๆ ของร่างกาย และด้วยเหตุนี้จึงควบคุมการสร้างโครงสร้างทางกายวิภาคของร่างกาย ยีน Hox ที่คล้ายกันมากพบได้ในจีโนมของสัตว์ทุกชนิด ตั้งแต่สัตว์จำพวกไนดาเรียนไปจนถึงมนุษย์ นอกจากนี้ สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมยังมียีน Hox 4 ชุด ในขณะที่ cnidarians มียีนเพียงชุดเดียว
ยีน Hox ในสัตว์กลุ่มต่างๆ มีความคล้ายคลึงกันมาก เช่น มีความเป็นไปได้ที่จะปลูกถ่ายยีน "การสร้างตา" ของมนุษย์ไปเป็นตัวอ่อนดรอสโซฟิล่า ซึ่งจะนำไปสู่การก่อตัวของตา แต่มันจะเป็นตาของดรอสโซฟิล่า เนื่องจากการกระตุ้นการทำงานของยีน "ทำงาน" ที่เกี่ยวข้อง นี่แสดงให้เห็นว่าการมีอยู่ของยีน Hox ชุดที่คล้ายกันไม่ได้หมายความว่ามีความคล้ายคลึงกันทางกายวิภาคของสิ่งมีชีวิตเลย ดังนั้นการเกิดขึ้นของระบบดังกล่าวอาจนำไปสู่ความหลากหลายที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วทั้งทางสัณฐานวิทยาและอนุกรมวิธาน
เนื่องจากยีน Hox เดียวกันควบคุมความแตกต่างของสิ่งมีชีวิต Bilaterian ที่รู้จักทั้งหมด สายวิวัฒนาการของยีนหลังจึงต้องแยกออกก่อนที่จะเริ่มก่อตัวเป็นอวัยวะพิเศษใดๆ ดังนั้น "บรรพบุรุษร่วมคนสุดท้าย" ของสิ่งมีชีวิตทั้ง 2 ชนิดจึงต้องมีขนาดเล็ก มีลักษณะทางกายวิภาคที่เรียบง่าย และมีแนวโน้มว่าจะสลายตัวโดยสมบูรณ์โดยไม่ต้องเก็บรักษาฟอสซิล สถานการณ์นี้ทำให้การตรวจจับเป็นไปได้ยากมาก อย่างไรก็ตาม เวนโดไบโอออนจำนวนหนึ่งอาจมีโครงสร้างร่างกายแบบทวิภาคี ดังนั้น ระบบการพัฒนาดังกล่าวอาจเกิดขึ้นอย่างน้อยหลายสิบล้านปีก่อนการระเบิดแคมเบรียน ในกรณีนี้ จำเป็นต้องอธิบายเหตุผลเพิ่มเติมบางประการ
ความซับซ้อนของจีโนมที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยอาจส่งผลใหญ่ตามมา
ในสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ที่สืบพันธุ์แบบอาศัยเพศ ลูกจะได้รับยีนประมาณ 50% จากพ่อแม่แต่ละคน ซึ่งหมายความว่าแม้แต่ความซับซ้อนของจีโนมที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยก็อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและรูปร่างของร่างกายได้มากมาย ความซับซ้อนทางชีวภาพส่วนใหญ่อาจเกิดขึ้นจากการทำงานของกฎที่ค่อนข้างง่ายกับเซลล์จำนวนมากที่ทำงานเป็นออโตมาตาของเซลล์
เส้นทางการพัฒนา
นักวิทยาศาสตร์บางคนแนะนำว่าเมื่อสิ่งมีชีวิตมีความซับซ้อนมากขึ้น การเปลี่ยนแปลงทางวิวัฒนาการในโครงสร้างทั่วไปของร่างกายจะถูกทับซ้อนด้วยการเปลี่ยนแปลงรองไปสู่ความเชี่ยวชาญเฉพาะทางที่ดีขึ้นของชิ้นส่วนที่สร้างขึ้น สิ่งนี้จะช่วยลดโอกาสที่สิ่งมีชีวิตประเภทใหม่จะได้รับการคัดเลือกโดยธรรมชาติเนื่องจากการแข่งขันกับบรรพบุรุษที่ "ปรับปรุงแล้ว" เป็นผลให้เมื่อโครงสร้างโดยรวมเป็นรูปเป็นร่าง "เส้นทางการพัฒนา" จึงถูกสร้างขึ้น และโครงสร้างเชิงพื้นที่ของร่างกายก็ "หยุดนิ่ง" ดังนั้น การก่อตัวของคลาสใหม่จึงเกิดขึ้น "ง่ายขึ้น" ในระยะแรกของวิวัฒนาการของเคลดหลัก และวิวัฒนาการเพิ่มเติมจะเกิดขึ้นในระดับอนุกรมวิธานที่ต่ำกว่า ต่อจากนั้น ผู้เขียนแนวคิดนี้ชี้ให้เห็นว่า "การเยือกแข็ง" ดังกล่าวไม่ใช่คำอธิบายหลักสำหรับการระเบิดที่ Cambrian
หลักฐานฟอสซิลที่สามารถสนับสนุนแนวคิดนี้มีหลากหลาย มีการตั้งข้อสังเกตว่าการแปรผันของสิ่งมีชีวิตในประเภทเดียวกันมักจะยิ่งใหญ่ที่สุดในระยะแรกของการพัฒนาเคลด ตัวอย่างเช่น ไทรโลไบต์ชนิดแคมเบรียนบางตัวมีความหลากหลายอย่างมากในจำนวนปล้องของทรวงอก และต่อมาความหลากหลายนี้ก็ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม พบว่าตัวอย่างของไทรโลไบต์ไซลูเรียนมีความแปรปรวนในโครงสร้างสูงเช่นเดียวกับไทรโลไบต์ในยุคแคมเบรียนยุคแรก นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่าความหลากหลายโดยรวมที่ลดลงนั้นเกิดจากข้อจำกัดด้านสิ่งแวดล้อมหรือการทำงาน ตัวอย่างเช่น เราอาจคาดหวังว่าจำนวนเซ็กเมนต์จะแปรผันน้อยลงหลังจากที่ไทรโลไบต์พัฒนาโครงสร้างลำตัวนูน ซึ่งเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการปกป้องไทรโลไบต์
คำอธิบายทางนิเวศวิทยา
คำอธิบายดังกล่าวมุ่งเน้นไปที่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตประเภทต่างๆ สมมติฐานบางส่วนเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในห่วงโซ่อาหาร คนอื่นๆ พิจารณาการแข่งขันทางอาวุธระหว่างผู้ล่าและเหยื่อที่อาจขับเคลื่อนวิวัฒนาการของส่วนต่างๆ ของร่างกายที่แข็งใน Cambrian ยุคแรกๆ สมมติฐานอีกจำนวนหนึ่งมุ่งเน้นไปที่กลไกทั่วไปของการวิวัฒนาการร่วม
"การแข่งขันทางอาวุธ" ระหว่างผู้ล่าและเหยื่อ
ตามคำจำกัดความแล้ว การปล้นสะดมเกี่ยวข้องกับการตายของเหยื่อ ซึ่งทำให้เหยื่อกลายเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดและเป็นตัวเร่งการคัดเลือกโดยธรรมชาติ ความกดดันต่อเหยื่อในการปรับตัวให้ดีขึ้นควรมากกว่าผู้ล่า เพราะพวกมันมีโอกาสที่จะลองอีกครั้งไม่เหมือนกับเหยื่อ
อย่างไรก็ตาม มีหลักฐานว่ามีการปล้นสะดมมานานก่อนเริ่มยุคแคมเบรียน ดังนั้นจึงไม่น่าเป็นไปได้ที่มันจะทำให้เกิดการระเบิด Cambrian แม้ว่ามันจะมีอิทธิพลอย่างมากต่อรูปแบบทางกายวิภาคของสิ่งมีชีวิตที่เกิดขึ้นก็ตาม
การเกิดขึ้นของไฟโตฟาจ
สแตนลีย์เสนอแนะว่าการปรากฏตัวของโปรโตซัวเมื่อ 700 ล้านปีก่อน "การแทะ" บนแผ่นจุลินทรีย์ ห่วงโซ่อาหารที่ขยายตัวอย่างมาก และน่าจะนำไปสู่การเพิ่มความหลากหลายของสิ่งมีชีวิต อย่างไรก็ตาม เป็นที่ทราบกันดีในปัจจุบันว่า "การแทะ" เกิดขึ้นเมื่อ 1 พันล้านปีก่อน และการสูญพันธุ์ของสโตรมาโตไลต์เริ่มขึ้นเมื่อประมาณ 1.25 พันล้านปีก่อนก่อนที่จะ "ระเบิด"
เพิ่มขนาดและความหลากหลายของแพลงก์ตอน
การสังเกตทางธรณีวิทยาเคมีแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่ามวลรวมของแพลงก์ตอนสามารถเทียบเคียงได้กับมวลปัจจุบันที่มีอยู่ในโปรเทอโรโซอิกตอนต้น อย่างไรก็ตาม ก่อนยุค Cambrian แพลงก์ตอนไม่ได้มีส่วนสำคัญต่อโภชนาการของสิ่งมีชีวิตใต้ท้องทะเลลึก เนื่องจากร่างกายของพวกมันมีขนาดเล็กเกินกว่าจะจมลงสู่พื้นทะเลอย่างรวดเร็ว แพลงก์ตอนขนาดเล็กถูกกินโดยแพลงก์ตอนอื่นหรือถูกทำลายโดยกระบวนการทางเคมีในชั้นบนของทะเลเป็นเวลานานก่อนจะแทรกซึมลงสู่ชั้นใต้ทะเลลึก ซึ่งพวกมันจะกลายเป็นอาหารของเน็กตอนและสัตว์หน้าดินได้
ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของฟอสซิล Cambrian ยุคแรก มีการค้นพบแพลงก์ตอนมีโซโซ ซึ่งสามารถกรองแพลงก์ตอนด้วยกล้องจุลทรรศน์ออกไปได้ mesozooplankton ใหม่อาจทำหน้าที่เป็นแหล่งที่มาของซากศพและยังขับถ่ายอุจจาระออกมาในรูปของแคปซูลที่มีขนาดใหญ่พอที่จะจมลงอย่างรวดเร็ว สิ่งเหล่านี้สามารถให้อาหารแก่เน็กตันและสัตว์หน้าดิน ทำให้ขนาดและความหลากหลายของพวกมันเพิ่มขึ้น หากอนุภาคอินทรีย์ไปถึงก้นทะเล การฝังศพในภายหลังจะทำให้ความเข้มข้นของออกซิเจนในน้ำเพิ่มขึ้น ในขณะเดียวกันก็ลดความเข้มข้นของคาร์บอนอิสระไปพร้อมๆ กัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง การเกิดขึ้นของมีโซซูแพลงก์ตอนทำให้มหาสมุทรลึกอุดมสมบูรณ์ด้วยทั้งอาหารและออกซิเจน และด้วยเหตุนี้จึงทำให้สามารถเกิดขึ้นและวิวัฒนาการของผู้อาศัยในทะเลลึกที่มีขนาดใหญ่และหลากหลายมากขึ้นได้
ในที่สุด การเกิดขึ้นของไฟโตฟาจในหมู่แพลงก์ตอนมีโซโซแพลงก์ตอนอาจก่อให้เกิดช่องทางทางนิเวศเพิ่มเติมสำหรับสัตว์นักล่าที่มีแพลงก์ตอนมีโซโซแพลงตอนที่มีขนาดใหญ่กว่า ซึ่งร่างกายของมันกระโจนลงสู่ทะเล นำไปสู่การเสริมคุณค่าด้วยอาหารและออกซิเจน บางทีผู้ล่ากลุ่มแรกในกลุ่มมีโซซูแพลงก์ตอนอาจเป็นตัวอ่อนของสัตว์หน้าดิน ซึ่งวิวัฒนาการเพิ่มเติมเป็นผลมาจากการเพิ่มขึ้นโดยทั่วไปของการปล้นสะดมในทะเลในยุคเอเดียการัน
ช่องว่างเปล่ามากมาย
เจมส์ วาเลนไทน์ ได้ตั้งสมมติฐานต่อไปนี้ในเอกสารหลายฉบับ: การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างร่างกายอย่างกะทันหันนั้น "ยาก"; การเปลี่ยนแปลงมีแนวโน้มที่จะอยู่รอดได้มากหากเผชิญกับการแข่งขันเพียงเล็กน้อยสำหรับกลุ่มนิเวศน์ที่พวกเขากำหนดเป้าหมาย อย่างหลังมีความจำเป็นเพื่อให้สิ่งมีชีวิตชนิดใหม่มีเวลาเพียงพอที่จะปรับตัวให้เข้ากับบทบาทใหม่ของมัน
สถานการณ์นี้ควรนำไปสู่ความจริงที่ว่าการดำเนินการตามการเปลี่ยนแปลงเชิงวิวัฒนาการที่สำคัญนั้นมีแนวโน้มมากขึ้นในระยะเริ่มแรกของการสร้างระบบนิเวศ เนื่องจากความจริงที่ว่าความหลากหลายที่ตามมานั้นเติมเต็มช่องว่างทางนิเวศเกือบทั้งหมด ต่อจากนั้น แม้ว่าสิ่งมีชีวิตชนิดใหม่ยังคงเกิดขึ้นต่อไป แต่การขาดช่องว่างที่ว่างเปล่าจะขัดขวางไม่ให้พวกมันแพร่กระจายไปทั่วระบบนิเวศ
แบบจำลองวาเลนไทน์อธิบายความเป็นเอกลักษณ์ของการระเบิด Cambrian ได้เป็นอย่างดี - เหตุใดจึงเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียว และเหตุใดจึงมีระยะเวลาจำกัด
ในหนังสือเล่มเดียวกัน “The Origin of Species” ชาร์ลส์ ดาร์วิน เขียนว่า “หากเริ่มมีสิ่งมีชีวิตหลายชนิดที่อยู่ในประเภทเดียวกัน พร้อมกันถ้าอย่างนั้น นี่จะเป็นการทำลายล้างทฤษฎีที่มองเห็นวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษร่วมกันโดยการคัดเลือกโดยธรรมชาติ”
นักวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ได้ศึกษาซากฟอสซิลอย่างละเอียดแล้ว เชื่อว่าสิ่งมีชีวิตปรากฏขึ้นบนโลกอย่างกะทันหัน ในชั้น Cambrian ที่เรียกว่าซากของไทรโลไบต์, ฟองน้ำ, หนอน, ปลาดาว, หอยทาก, สัตว์น้ำที่มีเปลือกแข็ง, สัตว์น้ำที่มีเปลือกแข็ง, ปลาหมึก, สัตว์ขาปล้อง ฯลฯ พบสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวและแบคทีเรียที่นี่และด้านล่าง การมีอยู่ของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ที่เร็วกว่า Cambrian ถือเป็นประเด็นที่ถกเถียงกัน ดังนั้น จึงเห็นได้ชัดว่ามีหลายสายพันธุ์ที่แตกต่างกันและมีสิ่งมีชีวิตที่สมบูรณ์แบบอยู่แล้ว ดำรงอยู่พร้อมๆ กัน และไม่มีบรรพบุรุษที่จะสืบเชื้อสายมาได้ ในทางธรณีวิทยา ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการระเบิดแคมเบรียน
ข้าว. ผู้อาศัยในสมัยแคมเบรียน
อย่างไรก็ตาม มันก็เป็นเรื่องยากสำหรับนักวิวัฒนาการที่จะตอบคำถามอย่างไม่คลุมเครือว่าทำไมในธรรมชาติสมัยใหม่เช่นเดียวกับในธรรมชาติของยุค Cambrian (ซึ่งคาดคะเนมากกว่า 500 ล้านปีก่อน) ถึงมีฟองน้ำ หนอน ปลาดาว หอยทาก กุ้งว่ายน้ำ ฯลฯ ? ทำไมพวกเขาถึงไม่พัฒนาไปสู่รูปแบบที่สูงขึ้นในช่วงเวลาอันยาวนานเช่นนี้? หากวิวัฒนาการเป็นการเคลื่อนไหวเชิงบวกและหลีกเลี่ยงไม่ได้ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด แล้วเหตุใดจึงไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตทั้งหมด? มันคงจะสมเหตุสมผลกว่านี้ถ้าในปัจจุบันมีมงกุฎแห่งวิวัฒนาการเพียงอันเดียวที่เหลืออยู่บนโลกใบนี้ - มนุษย์!
เหตุใดอะมีบา แมลง ปลา สัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ สัตว์เลื้อยคลาน สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ลิง และมนุษย์ จึงอาศัยอยู่บนโลกในเวลาเดียวกัน? บางทีอาจเป็นเพราะเหตุผลเดียวกับที่ปลาซีลาแคนท์ยังคงมีอยู่ นั่นคือ มันมีชีวิตอยู่เมื่อนานมาแล้ว และยังคงมีชีวิตต่อไปในปัจจุบัน แม้ว่าคุณจะพยายามเชื่อเรื่องวิวัฒนาการ คุณจะต้องตอบคำถามว่า วันนี้วิวัฒนาการหยุดแล้วหรือยัง? อย่างไรก็ตาม การตอบคำถามนี้ทำให้เกิดคำถามอื่นๆ ที่ยังไม่มีคำตอบ
ถ้าเราสมมุติว่าสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ตั้งแต่ธรรมดาไปจนถึงซับซ้อน ยังอยู่ในกระบวนการวิวัฒนาการ เราจะต้องอธิบายทันทีว่าทำไมจึงไม่มีรูปแบบการเปลี่ยนผ่านที่มีชีวิตในหมู่พวกมัน หากเราจินตนาการว่าวิวัฒนาการได้สิ้นสุดลงแล้ว และสิ่งมีชีวิตที่บรรลุถึงความสมบูรณ์แบบได้หยุดการพัฒนาของพวกมันไปนานแล้ว และส่วนที่เหลือถูกกำจัดโดยการคัดเลือกโดยธรรมชาติ ความจริงจะยังคงอธิบายไม่ได้ว่าทำไมความเชื่อมโยงขั้นกลางของวิวัฒนาการจึงไม่เพียงพอ แต่รูปแบบการนำส่งที่เหลืออยู่ควรมีจำนวนเป็นล้านล้านหรือหกล้านล้านปี โดยสะสมอยู่ในบาดาลของโลกมาเป็นเวลาหลายล้านปี
ปีเตอร์ ฮอลแลนด์ นักชีววิทยาชื่อดังชาวอังกฤษ เชื่อว่าวิวัฒนาการของสัตว์หลายเซลล์ในสมัยโบราณ ซึ่งมักเรียกว่าการระเบิดของแคมเบรียน ส่วนหนึ่งอธิบายได้จากสาเหตุทางพันธุกรรม ข้อกำหนดเบื้องต้นที่จำเป็นสำหรับการวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วของสัตว์ที่มีความสมมาตรทั้งสองข้างคือการทำซ้ำของยีน (หรือชุดของการทำซ้ำ) ซึ่งเป็นผลมาจากการที่ยีน Hox และ ParaHox เกิดขึ้น - หน่วยงานกำกับดูแลที่สำคัญของการพัฒนาส่วนบุคคล สิ่งนี้ไม่ได้ยกเว้นอิทธิพลของปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมที่มีต่อการวิวัฒนาการในช่วงแรกของสัตว์ แต่จำเป็นต้องคำนึงถึงการมีส่วนร่วมของนวัตกรรมทางพันธุกรรมล้วนๆ
หนึ่งในความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ของชีวิตบนโลกได้รับการพิจารณามานานแล้วว่าเป็นสิ่งที่เรียกว่าการระเบิดแคมเบรียน ซึ่งเป็นการปรากฏตัวอย่างกะทันหันของสัตว์กลุ่มใหญ่จำนวนมากเมื่อประมาณ 540 ล้านปีก่อน ในตอนต้นของยุคแคมเบรียน (ซ้ายบนใน รูปภาพ). บางครั้งมีความเห็นว่าการระเบิดของ Cambrian เป็นสิ่งประดิษฐ์ซึ่งเป็นภาพลวงตาที่เกี่ยวข้องกับการเกิดขึ้นของกิ่งก้านวิวัฒนาการใหม่ไม่มากนัก แต่มีการเปลี่ยนแปลงในสภาพการฝังศพของซากฟอสซิล แต่การวิจัยเมื่อเร็วๆ นี้ยืนยันว่าการเร่งความเร็วอย่างรวดเร็วของวิวัฒนาการที่ขอบเขต Cambrian นั้นค่อนข้างเป็นจริง การระเบิดของ Cambrian เกิดขึ้นจริงๆ
อะไรเป็นสาเหตุ? ปัญหานี้อาจแข่งขันกับความนิยมได้ เช่น ปัญหาการสูญพันธุ์ของไดโนเสาร์ หรือการเกิดขึ้นของสัตว์สองเท้า มีสมมติฐานมากมายที่อธิบายการระเบิดของแคมเบรียนโดยปัจจัยภายนอก เช่น การเพิ่มขึ้นของระดับน้ำทะเล (โดยมีลักษณะเป็นทะเลชายขอบที่มีน้ำตื้นจำนวนมาก) หรือการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีของน้ำทะเล (โดยการเพิ่มขึ้นของปริมาณของ ออกซิเจน แคลเซียม ฟอสเฟต) อย่างไรก็ตาม เป็นเวลากว่าร้อยปีแล้วที่เวอร์ชันเหล่านี้ไม่ได้รับการยืนยันที่เชื่อถือได้ว่าไม่มีคู่แข่ง
มีคำอธิบายที่ซับซ้อนและหลายขั้นตอนมากขึ้น ตัวอย่างเช่น นักบรรพชีวินวิทยาชาวอเมริกัน ดักลาส เออร์วิน เชื่อว่าที่ขอบเขต Cambrian สัตว์บางชนิดเรียนรู้ที่จะค้นหาอย่างแข็งขันในก้นทะเล สิ่งนี้ทำให้ดินอิ่มตัวด้วยออกซิเจน ขยายขอบเขตของนิเวศนิเวศน์และนำไปสู่ "ปฏิกิริยาลูกโซ่ของการเก็งกำไร ” แต่สมมติฐานนี้ก็ยังมีจุดอ่อนเช่นกัน และที่สำคัญที่สุดคือพลาดขั้นตอนเริ่มต้นของกระบวนการ สัตว์ที่สามารถขุดก้นทะเลได้จะต้องเกิดขึ้นก่อน
ปีเตอร์ ฮอลแลนด์ นักพันธุศาสตร์วิวัฒนาการชื่อดังชาวอังกฤษ เสนอแนะให้มองหาสาเหตุภายในของการระเบิดแบบแคมเบรียน ซึ่งไม่ได้อยู่ในสิ่งแวดล้อม แต่อยู่ในโครงสร้างของสิ่งมีชีวิตที่กำลังพัฒนา แน่นอนว่าฮอลแลนด์ตระหนักดีว่าต้องไม่ลืมเหตุผลด้านสิ่งแวดล้อมเช่นกัน เหตุการณ์ที่ซับซ้อนเช่นการระเบิดที่แคมเบรียนน่าจะเกิดจากหลายปัจจัย ไม่ใช่แค่ปัจจัยเดียว เป็นไปได้มากว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้องกันมากมาย อย่างไรก็ตาม เห็นได้ชัดว่าปฏิกิริยาของระบบใด ๆ ต่ออิทธิพลภายนอกนั้นไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับลักษณะของอิทธิพลนี้เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของระบบด้วย จะเป็นอย่างไรถ้าเราเข้าหาปัญหาจากมุมนี้?
จริงอยู่ เรายังรู้เพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของสัตว์ยุคแคมเบรียนยุคแรก และยิ่งกว่านั้นก็คือสัตว์พรีแคมเบรียนด้วย แต่คุณสามารถลองคำนวณบางสิ่งจากข้อมูลทางอ้อม โดยวิเคราะห์ "พฤติกรรม" ของสิ่งมีชีวิตในช่วงเวลาระดับมหภาค
อะไรกันแน่ที่ "ระเบิด" ที่ขอบเขต Cambrian? เป็นที่น่าสังเกตว่าเหตุการณ์ส่วนใหญ่ที่ประกอบขึ้นเป็นการระเบิดของ Cambrian นั้นเกี่ยวข้องกับวิวัฒนาการของสัตว์ไม่เพียงแค่สัตว์เท่านั้น แต่ยังเป็นสัตว์ที่มีสมมาตรทั้งสองข้างด้วย มีสัตว์สมัยใหม่เพียงสี่ประเภทเท่านั้นที่ไม่สมมาตรทั้งสองข้าง: ฟองน้ำ, สัตว์ซีเทโนฟอร์, สัตว์ที่มีลักษณะคล้ายจาน, สัตว์จำพวกไนดาเรียน (มีการกล่าวหาว่าพบตัวแทนประเภทที่ห้าเมื่อปีที่แล้ว แต่การค้นพบนี้ยังไม่ได้รับการอธิบายอย่างถูกต้อง) สัตว์อื่นๆ ทั้งหมด รวมถึงหนอน หอยทาก เม่นทะเล ผีเสื้อ และตัวเราเอง อยู่ในกลุ่มใหญ่ของสัตว์ที่มีความสมมาตรทั้งสองข้าง (bilateria) มันรวดเร็วมาก - ในกรณีนี้หมายถึง "ในเวลาหลายล้านปี" - การปรากฏตัวของกิ่งก้านขนาดใหญ่ของสัตว์ที่สมมาตรทั้งสองข้างจำนวนมากซึ่งทำให้การเริ่มต้นของ Cambrian เป็นช่วงเวลาที่ไม่เหมือนใครในประวัติศาสตร์โลก
สัตว์เหล่านี้มีความพิเศษอย่างไร? Bilateria มีความหลากหลายมาก ดังนั้นคำอธิบายสั้นๆ อาจมีความเสี่ยงที่จะไม่ถูกต้อง อย่างไรก็ตาม เราสามารถเรียกลักษณะสำคัญสี่ประการที่แยกความแตกต่างระหว่าง Bilateria และ "Non-Bilateria" ได้
เพลาหน้า-หลัง. สัตว์ที่มีความสมมาตรทั้งสองข้างโดยทั่วไปใช้ชีวิตในการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า โดยร่างกายมีส่วนหน้าและส่วนหลังที่ชัดเจน กล่าวง่ายๆ ก็คือ หัวและหาง ที่ส่วนหน้ามักมีอวัยวะรับความรู้สึกและอุปกรณ์ในช่องปาก
ระบบประสาทส่วนกลาง. “ Nonbilatherians” ไม่มีระบบประสาทเลย (ฟองน้ำ, ลาเมลลาร์) หรือค่อนข้างง่าย (หวีเยลลี่, cnidarians) ในโรค Bilateria ระบบประสาทมักจะมีพลังมากกว่าและมักจะประกอบกันเป็นสายโซ่หรือสายไฟเส้นเดียว นอกจากนี้ยังมีลักษณะพิเศษอย่างมากคือการแบ่งส่วนตามยาวออกเป็นส่วน ๆ ซึ่งส่วนหน้าส่วนใหญ่มักเรียกว่าสมอง
ผ่านทางลำไส้ Bilateria มีลำไส้ที่มีรูปร่างเป็นท่อซึ่งเริ่มด้วยปาก (โดยปกติจะอยู่ใกล้ส่วนหน้าของร่างกาย) และสิ้นสุดที่ทวารหนัก (มักจะอยู่ใกล้ส่วนหลังของร่างกาย) ลำไส้ดังกล่าวมีการแบ่งตามยาวออกเป็นส่วนต่างๆ เช่น ลำไส้ส่วนหน้า ส่วนกลาง และลำไส้หลัง เช่นเดียวกับระบบประสาท อาหารเคลื่อนผ่านลำไส้ไปในทิศทางเดียวเสมอ - จากปากสู่ทวารหนัก ในบรรดาโรค Bilateria มีหลายกรณีที่ไม่มีลำไส้ไหลผ่าน แต่ส่วนใหญ่อาจมีสาเหตุมาจากการสูญเสียครั้งที่สอง “Nonbilatheria” ไม่เคยมีลำไส้ในรูปท่อ แม้ว่าลำไส้จะมีช่องเปิดอื่นๆ นอกเหนือจากปาก (เช่น ในซีเทโนฟอร์ส) ก็ไม่มีระบบการไหลของอาหารในทิศทางเดียวที่นั่น
เชื้อโรคสามชั้น เอ็มบริโอของสัตว์หลายเซลล์มักแบ่งออกเป็นชั้นของเซลล์ที่เรียกว่าชั้นเชื้อโรค Bilateria มีชั้นเชื้อโรคสามชั้นที่อธิบายไว้อย่างชัดเจน ใน "non-bilaterias" ชั้นของเชื้อโรคนั้นแยกแยะได้ยาก (ฟองน้ำ ชั้น lamellar) หรือมีแนวโน้มว่าจะมีมากกว่า 3 ชั้น (comb jellies, cnidarians) ด้วยเหตุนี้ ตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 เป็นต้นมา Bilateria จึงถือเป็นสัตว์สามชั้น (triploblasts) และ "non-bilateria" เป็นสัตว์สองชั้น (diploblasts) สัตว์สามชั้นแตกต่างจากสัตว์สองชั้นโดยมีชั้นจมูกกลาง - เมโซเดิร์มซึ่งโดยเฉพาะอย่างยิ่งระบบกล้ามเนื้อพัฒนาขึ้น ดังนั้นสัตว์เหล่านี้จึงสามารถเคลื่อนไหวได้หลากหลายและกระฉับกระเฉงมากขึ้น
Simon Conway Morris นักบรรพชีวินวิทยาชื่อดังชาวอังกฤษแสดงความคิดเห็นย้อนกลับไปในปี 1993 ว่าเนื้อหาวิวัฒนาการหลักของการระเบิด Cambrian คือการเปลี่ยนจากระดับของสัตว์สองชั้นไปเป็นระดับของสัตว์สามชั้นนั่นคือสมมาตรทั้งสองข้าง ตามคำบอกเล่าของคอนเวย์ มอร์ริส การระเบิดที่แคมเบรียนส่วนใหญ่ประกอบด้วย "การบุกรุก" ของสัตว์สามชั้นเข้าสู่ชีวมณฑลของโลก ข้อมูลซากดึกดำบรรพ์ที่สะสมตั้งแต่นั้นมาไม่ได้ขัดแย้งกับแนวคิดนี้เลย
บรรพบุรุษร่วมกันคนสุดท้ายของ Bilaterians ที่มีชีวิตทั้งหมด (LCAB) มีหน้าตาเป็นอย่างไร กายวิภาคศาสตร์เปรียบเทียบและพันธุศาสตร์พัฒนาการชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนว่าบรรพบุรุษร่วมกันนี้มีระบบประสาทส่วนกลาง ลำไส้ที่ต่อเนื่องกัน และกล้ามเนื้อขนาบข้าง (บางทีอาจแบ่งส่วนด้วยซ้ำ) การหดตัวของกล้ามเนื้อเหล่านี้ทำให้สามารถเปลี่ยนรูปร่างของร่างกายด้วยวิธีที่ซับซ้อนได้ ทำให้คลาน ว่ายน้ำ หรือขุดดินได้ ในทุกกรณี ให้มุ่งหน้าไปก่อน
สัตว์ที่มีความสมมาตรทั้งสองข้างจะปรับตัวให้เข้ากับการเคลื่อนไหวที่กระฉับกระเฉงในพื้นที่สามมิติได้ดีกว่าสัตว์ที่ไม่ใช่สัตว์ประเภททวิภาคี ยิ่งไปกว่านั้น พื้นที่สามมิติสำหรับพวกมันไม่เพียงแต่มีความหนาของน้ำเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความหนาของดินด้วย เป็นไปได้ว่ามันเป็นการขุดดินที่มีบทบาทสำคัญในวิวัฒนาการของภาวะทวิภาคีในระยะเริ่มแรก (ตามที่แนะนำโดยสมมติฐานของเออร์วิน) สะดวกสำหรับสิ่งมีชีวิตที่ขุดโพรงและสมมาตรทั้งสองข้างเพื่อใช้ดินเป็นสารอาหาร: กากตะกอนเข้าไปในปากผ่านท่อลำไส้ปล่อยสารอาหารไปตามทางและถูกโยนออกไปทางทวารหนักโดยเหลืออยู่ด้านหลัง นอกจากนี้ยังสะดวกสำหรับเขาที่จะเคลื่อนที่ผ่านพื้นดิน: ด้วยเหตุนี้จึงมีกล้ามเนื้อแข็งแรงและนอกจากนี้โพรง coelomic (รอง) ยังสามารถก่อตัวใน mesoderm ซึ่งเต็มไปด้วยของเหลวและทำหน้าที่ของโครงกระดูกอุทกสถิต ในสัตววิทยามีความคิดมานานแล้วว่าทั้งหมดเกิดขึ้นอย่างแม่นยำระหว่างการเปลี่ยนผ่านไปสู่การขุดเหมือนโครงกระดูกไฮโดรสเกเลตันซึ่งต่อมามีความจำเป็น
หากสถานการณ์นี้เป็นจริง ตัวอย่างที่ดีของรูปแบบสิ่งมีชีวิตในสมัยโบราณก็จะไม่ใช่ใครอื่นนอกจากไส้เดือน มันแทนที่สภาพแวดล้อมทางทะเลด้วยดิน แต่ยังคงรักษาคุณสมบัติทั้งหมดที่ระบุไว้ในรูปแบบที่ชัดเจนที่สุด: ลำไส้ทะลุโดยมีปากอยู่ที่ส่วนหน้าของร่างกายและทวารหนักที่ด้านหลัง กล้ามเนื้อแข็งแรง (แบ่งส่วน) และทั้งหมดด้วย มีฟังก์ชันสนับสนุนที่ชัดเจน
ไม่ว่าในกรณีใด ลักษณะของสัตว์ที่มีความสมมาตรทั้งสองข้างอาจกล่าวได้ว่า: (1) เกิดขึ้นในบริเวณใกล้เคียงกับขอบเขต Cambrian ชั่วคราว (ไม่มีหลักฐานที่น่าเชื่อถือว่ามีโรค Bilateria เกิดขึ้นก่อนหน้านี้มาก) และ (2) ก่อให้เกิดการปฏิวัติที่แท้จริง ทั้งในกายวิภาคศาสตร์ของสัตว์โลกและในระบบนิเวศของโลก
แต่จริงๆ แล้วอะไรทำให้เกิดการปฏิวัติครั้งนี้? นี่คือจุดที่ควรค่าแก่การพิจารณาว่าการเปลี่ยนแปลงภายในสิ่งมีชีวิตใดที่ทำให้เป็นไปได้
ในทางตรงกันข้าม ในระดับการพัฒนาทางชีววิทยาในปัจจุบัน เรามักจะรู้เกี่ยวกับยีนของสัตว์โบราณมากกว่าเกี่ยวกับกายวิภาคของสัตว์เหล่านี้ ในกรณีนี้ มันคุ้มค่าที่จะเริ่มต้นด้วยยีน
ก่อนอื่น เราควรสนใจยีนที่ควบคุมการพัฒนาของ (1) ระบบประสาท (2) ลำไส้ และ (3) โครงสร้าง mesodermal ซึ่งรวมถึงกล้ามเนื้อและทั้งหมด (ล่างซ้ายในรูป) ตอนนี้เรารู้จักยีนดังกล่าวค่อนข้างมากแล้ว ตามกฎแล้ว พวกมันเข้ารหัสโปรตีนที่สามารถเปิดหรือปิดยีนอื่นได้ กล่าวคือ พวกมันเป็นปัจจัยการถอดรหัส ยีนทรานสคริปชันแฟกเตอร์ที่สามารถมีอิทธิพลต่อพัฒนาการของสัตว์ ได้แก่ ยีน Fox, ยีน Pax, ยีน homeobox, ยีน T-box และยีน Zinc Finger
เนื่องจาก “คุณไม่สามารถเข้าใจถึงความใหญ่โตมโหฬารนี้ได้” ปีเตอร์ ฮอลแลนด์ เลือกยีนเพียงหนึ่งในห้ากลุ่มนี้สำหรับการวิจัย นั่นคือ ยีนโฮมโอบ็อกซ์ พวกเขาได้รับการศึกษามาอย่างดีและเห็นได้ชัดว่าการพัฒนาระบบอวัยวะที่เราสนใจมากที่สุดนั้นขึ้นอยู่กับพวกเขา
เมื่อพูดถึงยีน homeobox นักชีววิทยาหลายคน (และผู้ที่ไม่ใช่นักชีววิทยาที่สนใจในวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์ด้วย) จะนึกถึงยีนของตระกูล Hox ก่อน พูดอย่างเคร่งครัดนี่เป็นสิ่งที่ผิด ยีน Hox เป็นตัวควบคุมพัฒนาการของสัตว์ที่สำคัญมาก กล่าวคือ สามารถระบุความแตกต่างระหว่างส่วนต่างๆ ของร่างกายได้ แต่ไม่ใช่ยีน homeobox ทั้งหมดที่เป็นยีน Hox ตัวอย่างเช่น ในจีโนมของแมลงวันดรอสโซฟิล่ามียีนโฮมีบ็อกซ์มากกว่าหนึ่งร้อยยีน แต่มีเพียงแปดยีนเท่านั้นที่อยู่ในตระกูล Hox มียีนโฮมีบ็อกซ์มากกว่าสองร้อยยีนในจีโนมมนุษย์ และมีเพียง 39 ยีนเท่านั้นที่อยู่ในตระกูล Hox ดังที่ฮอลแลนด์กล่าวไว้ ยีน Hox นั้นเป็น "ส่วนปลายของภูเขาน้ำแข็งโฮมโอบ็อกซ์"
ยีน Homeobox ซึ่งเป็นวิวัฒนาการที่น่าสนใจเป็นพิเศษจากมุมมองของกายวิภาคเปรียบเทียบ เรียกว่ายีน ANTP (จากการกลายพันธุ์ของเสาอากาศพีเดีย) เป็นหนึ่งในยีน homeobox หลายประเภท ซึ่งจะถูกแบ่งออกเป็นตระกูลยีน นอกเหนือจากยีน Hox ที่กล่าวไปแล้ว ยีน ANTP ยังรวมถึงยีน ParaHox, ยีน NK, ยีน Dlx, ยีน Evx, ยีน Emx, ยีน Dbx, ยีน Msx และอื่นๆ อีกมากมาย
คุณลักษณะที่สำคัญของยีนตระกูล Hox คือพวกมันมีแนวโน้มที่จะอยู่ติดกันบนโครโมโซมซึ่งก่อตัวเป็นกลุ่มที่หนาแน่น - กระจุก ตัวอย่างเช่น ในดรอสโซฟิล่า ยีน Hox ทั้งแปดยีนจะถูกรวบรวมไว้ในคลัสเตอร์เดียว บุคคลมีสี่กลุ่มดังกล่าว ในสัตว์บางชนิด กระจุก Hox จะสลายตัว แต่บ่อยครั้งที่พวกมันยังคงสภาพสมบูรณ์ไม่มากก็น้อย คุณลักษณะนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งทั้งต่อการควบคุมยีน Hox และวิวัฒนาการของพวกมัน มันเป็นการถอดรหัสหลักการทำงานของคลัสเตอร์ Hox ซึ่งเป็นความสำเร็จหลักของนักพันธุศาสตร์ชาวอเมริกันผู้ยิ่งใหญ่ Edward B. Lewis ผู้ได้รับรางวัลโนเบลในเรื่องนี้ในปี 1995
ในช่วงทศวรรษปี 1990 มีการค้นพบยีนอีกหลายยีนที่อยู่ใกล้กับยีน Hox มากในลำดับนิวคลีโอไทด์ แต่ไม่รวมอยู่ในกระจุก Hox และเห็นได้ชัดว่ามีหน้าที่อื่นด้วย ยีนเหล่านี้เรียกรวมกันว่า ParaHox นอกจากนี้ สำหรับยีนดังกล่าวสามยีน ได้แก่ Gsx, Xlox (หรือ Pdx) และ Cdx พบว่าในลำดับยีนเหล่านี้ ยีนเหล่านี้มีความใกล้ชิดกับยีน Hox บางตัวมากกว่ายีน Hox หลายๆ ยีนที่อยู่ติดกัน พวกเขามาจากไหน? ความลึกลับนี้ได้รับการแก้ไขบางส่วนในปี 1998 เมื่อปีเตอร์ ฮอลแลนด์และเพื่อนร่วมงานของเขาค้นพบว่ายีน ParaHox ก็ถูกรวมกลุ่มเป็นกลุ่มของมันเองเช่นกัน จริงอยู่ คลัสเตอร์ ParaHox มีขนาดเล็กกว่าคลัสเตอร์ Hox มาก ตัวอย่างเช่น lancelet มียีน Hox 15 ยีนและมียีน ParaHox เพียง 3 ยีนเท่านั้น แต่พวกเขามีต้นกำเนิดร่วมกันอย่างแน่นอน บทความแรกในหัวข้อนี้มีชื่อว่า: "คลัสเตอร์ ParaHox เป็นพี่น้องที่มีวิวัฒนาการของคลัสเตอร์ Hox"
สถานการณ์วิวัฒนาการที่เกิดขึ้นที่นี่มีลักษณะเช่นนี้ บรรพบุรุษร่วมกันของสัตว์สมัยใหม่ส่วนใหญ่มีกลุ่มยีนขนาดเล็กกลุ่มเดียว “บรรพบุรุษ” ของทั้งยีน Hox และ ParaHox กระจุกโบราณนี้เรียกว่ากระจุก ProtoHox เมื่อถึงจุดหนึ่ง คลัสเตอร์ ProtoHox จะเพิ่มเป็นสองเท่าพร้อมกับส่วนของโครโมโซมที่คลัสเตอร์นั้นตั้งอยู่ เหตุการณ์ทางพันธุกรรมนี้เรียกว่าการทำซ้ำแบบตีคู่ ด้วยเหตุนี้ จึงเกิดกลุ่มที่เกี่ยวข้องกันสองกลุ่ม วิวัฒนาการของกลุ่มดังกล่าวดำเนินไปอย่างแตกต่างออกไปในเวลาต่อมา หนึ่งในนั้นกลายเป็นคลัสเตอร์ Hox และอีกอันกลายเป็นคลัสเตอร์ ParaHox (ตรงกลางภาพด้านบน)
มียีน ANTP ตระกูลที่สามที่มีแนวโน้มที่จะ "คลัสเตอร์" พวกมันถูกเรียกว่ายีน NK แมลงวันผลไม้มีห้าแมลง และพวกมันจะถูกรวบรวมไว้เป็นกระจุกขนาดเล็ก ซึ่งแยกออกจากกระจุก Hox และ ParaHox โดยสิ้นเชิง ยีนเหล่านี้มีความเก่าแก่มาก (อาจเกิดขึ้นก่อนที่สัตว์จะมีความสมมาตรทั้งสองข้าง) และเป็นแบบอนุรักษ์นิยมมาก กล่าวคือ พวกมันถูกเก็บรักษาไว้ในสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิด โดยมีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย ในหอกและในสัตว์มีกระดูกสันหลัง คลัสเตอร์ NK สลายตัว แต่ยีนที่รวมอยู่ในนั้นถูกเก็บรักษาแยกกัน ยิ่งไปกว่านั้น จีโนมเชิงเปรียบเทียบแสดงให้เห็นว่ากระจุกดรอสโซฟิล่า NK (ที่มียีนห้ายีน) เป็นกลุ่มที่เหลืออยู่ของกระจุกขนาดใหญ่ที่มีอยู่ในช่วงต้นของวิวัฒนาการของ Bilaterian และมียีนอย่างน้อยแปดยีน ตอนนี้มันอยู่ในกระบวนการสลายตัวอย่างช้าๆ และยีนบางส่วนที่ "แยกออก" จากมันก็มีอยู่อย่างอิสระมานานแล้ว
02.12.2016
สวัสดีทุกคนอีกครั้ง! ในโพสต์นี้ ฉันจะพยายามพูดถึงเหตุการณ์พิเศษในประวัติศาสตร์ของสิ่งมีชีวิตบนโลก เราจะพูดถึงการระเบิดของแคมเบรียน หรือที่เรียกกันว่ารังสีแคมเบรียน การระเบิด Cambrian เป็นเหตุการณ์ที่สว่างที่สุดในบันทึกฟอสซิลของโลก เมื่อในช่วงเวลาอันสั้น (หลายสิบล้านปี) จำนวนซากฟอสซิลของสิ่งมีชีวิตเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและเมื่อมองแวบแรก ราวกับว่าไม่มีที่ไหนเลย สัตว์สมัยใหม่เกือบทุกประเภท (คอร์ด, สัตว์ขาปล้อง) ปรากฏขึ้น หอยแมลงภู่ echinoderms ฯลฯ )
เขามีรุ่นก่อน แต่คลาวด์สามารถจับภาพความคิดของการระเบิดของแคมเบรียนได้ด้วยความคารมคมคายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดและความซับซ้อนทางธรณีวิทยา นอกเหนือจากความเป็นผู้นำและการให้คำปรึกษาที่ยอดเยี่ยมของนักบรรพชีวินวิทยารุ่นหนึ่งแล้ว เขายังพัฒนาวิธีการบูรณาการด้านบรรพชีวินวิทยา โดยเพิ่มทักษะในด้านภูมิศาสตร์บรรพชีวินวิทยา การเขียนหินด้วยคาร์บอเนต และวิทยาตะกอนคาร์บอเนต อาชีพในเวลาต่อมาของเขาที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา ได้ขยายความสนใจของเขาไปสู่โหราศาสตร์และต้นกำเนิดของชีวิต การสังเกตของเขาในฐานะนักบรรพชีวินวิทยาทำให้เขาจำแนกลักษณะบันทึกฟอสซิลฟาเนโรโซอิกว่าเป็นการปะทุเชิงวิวัฒนาการต่อเนื่องกัน โดยฟอสซิลชนิดแคมเบรียนเป็นชิ้นที่ใหญ่ที่สุด