Ранний рост кислорода на Земле подавлял многоклеточную жизнь, а не поддерживал её

Учёные долгое время считали, что существует прямая связь между ростом атмосферного кислорода, начавшимся с Великого кислородного события 2,5 млрд лет назад, и появлением крупных, сложных многоклеточных организмов.

Эта теория, «Гипотеза кислородного контроля», предполагает, что размер ранних многоклеточных организмов был ограничен глубиной диффузии кислорода в их тела. Гипотеза делает простой прогноз: больший уровень атмосферного кислорода всегда должен увеличивать максимальный размер многоклеточных организмов.

Команда исследователей из Технологического института Джорджии проверила эту гипотезу, используя направленную эволюцию, синтетическую биологию и математическое моделирование на простой многоклеточной форме жизни — «дрожжах-снежинках».

Ключевой вывод: Положительное влияние кислорода на эволюцию многоклеточности полностью зависит от его концентрации. Первая оксигенация нашей планеты скорее сильно ограничивала, а не способствовала эволюции многоклеточной жизни. Положительный эффект кислорода на размер многоклеточных организмов реализуется только при достижении им высоких уровней.

Исследование «Подавление макроскопической многоклеточности кислородом» опубликовано 14 мая 2021 года в журнале Nature Communications.

Эксперимент с направленной эволюцией

Используя дрожжи-снежинки, способные к быстрым эволюционным изменениям, учёные эволюционировали их в лаборатории более 800 поколений, отбирая по признаку увеличения размера в различных кислородных условиях.

Результаты:

• Многоклеточные дрожжи очень быстро удвоили свой размер в бескислородной (анаэробной) среде.
• Популяции, эволюционировавшие в среде с умеренным содержанием кислорода, не показали увеличения размера вообще.
• Крупный размер легко эволюционировал либо при полном отсутствии кислорода, либо при его обилии, но не при низких уровнях.

Объяснение механизма

Когда кислород ограничен, он действует как ценный ресурс. Если клетки могут получить к нему доступ, они получают большое метаболическое преимущество. При дефиците кислород не может диффундировать далеко внутрь организма. Это создаёт эволюционный стимул для организмов оставаться мелкими, чтобы большинство клеток имело доступ к кислороду. Это ограничение отсутствует, когда кислорода нет вообще или когда его достаточно для диффузии вглубь тканей.

Значение для истории Земли

Эта работа не только бросает вызов Гипотезе кислородного контроля, но и помогает понять, почему в течение миллиарда лет после Великого кислородного события (период, известный геологам как «Скучный миллиард») в мире многоклеточных организмов происходило так мало видимой эволюционной инновации. В этот период кислород присутствовал в атмосфере, но на низком уровне, и многоклеточные организмы оставались относительно мелкими и простыми.

Важный аспект исследования: Предыдущие работы изучали взаимосвязь кислорода и многоклеточного размера в основном через физические принципы диффузии газов. Данное же исследование включает в рассмотрение принципы дарвиновской эволюции при изучении происхождения сложной многоклеточной жизни.