История эволюции, записанная в фосфоре
Фосфор — один из ключевых элементов для построения организмов и их метаболизма. Его цикл в окружающей среде также является одним из наиболее изученных. Однако чешским палеонтологам Петеру Крафту и Михалу Мерглу пришло в голову, что на карте нашего понимания этого фундаментального процесса всё ещё могут быть «белые пятна». Их публикация, предлагающая новый взгляд на изменения цикла фосфора в геологическом времени, недавно вышла в журнале Trends in Ecology & Evolution.
Изучая малоизвестные девонские окаменелости с фосфатными раковинами из Пражского бассейна, учёные отметили, что некоторые группы, представленные в более древних слоях крупными экземплярами, в девоне производили карликовые формы. Создавалось впечатление, что им не хватало материала для раковин. Это наблюдение привело к масштабному исследованию различных аспектов цикла этого элемента.
«Цикл фосфора — один из фундаментальных элементарных циклов, который, среди прочего, играет ключевую роль в биологии океанов. Проблема, однако, в том, что подавляющее большинство исследований изучают цикл фосфора "человеческой эпохи", который значительно изменил весь цикл. Поэтому мы решили предложить для публикации синтетическую модель эволюционной истории, на которую влияет фосфор», — объясняет Крафт.
Исследования ясно показывают, что доступность фосфора в окружающей среде устанавливает чёткий предел для расширения жизни. Авторы выделили три фазы роли фосфора в эволюции жизни в океанах:
Поздний докембрий (эдиакарский период): Характеризовался легкодоступным фосфором и многочисленными фосфатными накоплениями. В сочетании с ростом содержания кислорода это можно считать одной из ключевых причин возникновения многоклеточных организмов.
Ранний палеозой: Был критической эрой для цикла фосфора из-за активного вовлечения биоты в его динамику.
- Кембрий: Фосфор был легко доступен в больших количествах, что дало многим группам возможность строить внешние фосфатные раковины. Это, вероятно, способствовало «кембрийскому взрыву» — появлению представителей почти всех типов животных. Кембрий стал «золотым веком» для организмов с внешними фосфатными раковинами.
- Ордовик и далее: В ходе «Великого ордовикского события биоразнообразия» (GOBE) основное использование фосфора сместилось: он стал нужен для клеточных структур, а внешние фосфатные раковины стали роскошью. Этот процесс ускорился с появлением и диверсификацией позвоночных, которые, хотя и нуждаются в большом количестве фосфора, лучше им управляли. Эта фаза завершилась «девонской нектонной революцией» и упадком групп с внешними фосфатными раковинами.
Эра от конца палеозоя до настоящего времени: Характеризуется ограниченной, но избирательной доступностью фосфора в морях и океанах. Геологические процессы, такие как варисский (400–300 млн лет назад) и альпийский (80 млн лет назад — настоящее время) орогенезы, способствовали поступлению фосфора в океаны. Однако его доступность ограничивалась распространением растительности на суше и климатом. Важнее всего то, что фосфор концентрировался в организмах в толще воды, главным «фильтром» для которого стали пелагические позвоночные.
«Очень интересно, что колебания доступности фосфора в постдевонские периоды повлияли на лингулиформных брахиопод, которые не только смогли выжить с внешней фосфатной раковиной, но и зафиксировали временное восстановление в течение третичного периода», — объясняет Мергл.