Новая гипотеза о причинах диверсификации животных на Земле
Исследователи из Лундского университета выдвинули новую гипотезу, объясняющую, почему разнообразие животных резко возросло около полумиллиарда лет назад. Ключом может быть биологическая инновация, а не только повышение уровня кислорода.
Парадокс Кембрийского взрыва
Жизнь на Земле доминировалась микробами около 4 миллиардов лет, прежде чем многоклеточные животные в сложных экосистемах развились быстро. Причины столь позднего и драматического разнообразия животных остаются предметом жарких споров. Многие геологи связывали Кембрийский взрыв с ростом атмосферного кислорода, но убедительные доказательства причинно-следственной связи отсутствуют.
Исследования последних лет ослабляют поддержку этой корреляции. Например, резкие изменения уровня кислорода отмечались до и после Кембрия, но не конкретно в период диверсификации животных. Простым животным требуются удивительно низкие уровни кислорода, которые могли быть достигнуты задолго до Кембрия.
Новый взгляд из онкологии
Чтобы понять условия для многоклеточной жизни, геобиолог Эмма Хаммарлунд обратилась к онкологу профессору Свену Пальману, который почти два десятилетия изучает важность низких концентраций кислорода (гипоксии) в контексте опухолей.
"Опухоли, к сожалению, являются успешными версиями многоклеточности", — объясняет Эмма Хаммарлунд.
Команда, в которую также вошел онколог Кристоффер фон Стединг, подошла к историческому вопросу с новыми подсказками из области биологии опухолей. Они проверили, могут ли те же молекулярные инструменты, которые используют многие опухоли для поддержания свойств стволовых клеток, быть ключевыми для успеха животных в Кембрийский период.
Кислород как вызов для стволовых клеток
Клетки со свойствами стволовых жизненно важны для всего многоклеточной жизни для регенерации тканей. Например, клетки стенки тонкой кишки человека заменяются каждые 2–4 дня за счет деления стволовых клеток.
"Гипоксию обычно рассматривают как угрозу, но мы забываем, что нехватка кислорода в определенные периоды и условиях также является предпосылкой для многоклеточной жизни. Наши стволовые клетки, которые формируют новую ткань, чрезвычайно чувствительны к кислороду", — объясняет Свен Пальман.
Изучая способность опухолевых клеток имитировать свойства стволовых, команда Пальмана наблюдала, как они могут захватывать специфические механизмы, позволяющие избежать воздействия высокого кислорода на истощение стволовых клеток. В результате опухолевые клетки сохраняют свойства стволовых, несмотря на окружение высокими концентрациями кислорода в организме.
Ключевая инновация: "псевдогипоксия"
Эта же способность, по мнению авторов, является одним из ключей, сделавших животных успешными. Способность сохранять свойства стволовых клеток несмотря на высокий уровень кислорода, так называемая "псевдогипоксия", присутствует и в нормальных тканях позвоночных.
"Мы меняем перспективу взгляда на оксические условия: хотя низкий кислород, как правило, не является проблемой для животных клеток, оксическая среда представляет фундаментальный вызов для сложной многоклеточности. Без дополнительных инструментов она заставляет тканеспецифические стволовые клетки созревать слишком рано", — говорит Свен Пальман.
Новая гипотеза
Новая гипотеза утверждает, что драматическая диверсификация животных стала результатом революции в их собственной биологии, а не изменений химии поверхности Земли. Этот взгляд согласуется с другими геобиологическими наблюдениями, например, что среды с достаточным кислородом существовали на Земле задолго до Кембрийского взрыва.
Гипотеза также имеет значение для понимания способности жить в оксигенированных средах и даже для того, как мы рассматриваем рак как эволюционное следствие нашей способности жить в нишах с кислородом.
"Когда вы меняете перспективу взгляда на оксическую нишу и начинаете рассматривать ее как сложную для свойств стволовых клеток и обновления тканей, то загадочные наблюдения из далеких областей начинают складываться в картину. И вы уже не можете вернуться назад", — заключает Свен Пальман.