Immagina un mondo in cui l’ossigeno di cui hai bisogno cambia drasticamente tra il giorno e la notte. Il tuo mondo passa dall’essere ricco di ossigeno (ossico) durante il giorno, dandoti l’energia per cacciare il cibo, a essere soffocantemente privo di ossigeno (anossico) di notte, rallentandoti. Ora, immagina i primi animali che cercavano di sopravvivere in un ambiente così estremo. Questa era la realtà per la vita animale primordiale negli oceani e nei mari circa mezzo miliardo di anni fa. Questo fu anche il periodo in cui la diversità animale esplose, in quello che è noto come l’”esplosione del Cambriano”.
La nuova ricerca del mio team suggerisce che queste drastiche fluttuazioni di ossigeno hanno giocato un ruolo cruciale in questo periodo drammatico. Per decenni, gli scienziati hanno dibattuto su cosa abbia innescato questo scoppio evolutivo. Molti scienziati hanno indicato i cambiamenti atmosferici a lungo termine, dove l’aumento dei livelli di ossigeno avrebbe guidato una variazione nel numero di forme di vita animale. Negli ultimi anni, tuttavia, la visione dell’aumento dell’ossigeno atmosferico come semplice innesco per l’ascesa degli animali è stata messa in discussione.
Il nostro nuovo studio rivela un fattore diverso, spesso trascurato. Le oscillazioni giornaliere dei livelli di ossigeno sul fondale marino poco profondo potrebbero aver stressato i primi animali (gli antenati di tutta la vita animale odierna), spingendoli ad adattarsi in modi che hanno alimentato la diversificazione. Piuttosto che buone condizioni che guidano il cambiamento, sosteniamo che siano state le condizioni difficili a innescarlo.
Abbiamo utilizzato un modello computerizzato che può imitare le condizioni sul fondale marino illuminato dal sole oggi. Questo modello tiene conto di ciò che la vita può produrre o consumare, ma anche di come temperatura, luce solare e diversi tipi di sedimenti o acqua influenzano le condizioni complessive. Utilizzando questo cosiddetto “modello biogeochimico”, abbiamo dimostrato che nelle acque calde e poco profonde, i livelli di ossigeno potevano fluttuare drasticamente tra il giorno e la notte nel Cambriano (quando l’ossigeno era generalmente più basso rispetto a oggi).
Durante il giorno, la fotosintesi delle alghe marine produceva molto ossigeno, creando un ambiente completamente ossigenato. Ma di notte, quando la fotosintesi si fermava perché non c’era luce, l’ossigeno veniva rapidamente consumato dalle alghe mentre respiravano (usando energia e ossigeno per svolgere funzioni cellulari), portando a condizioni anossiche. Questo ciclo giornaliero di abbondanza e carestia di ossigeno creava una sfida fisiologica intensa per i primi animali, costringendoli a sviluppare adattamenti per gestire le fluttuazioni dei nutrienti. Per coloro che potevano affrontare queste fluttuazioni, l’adattamento dava un vantaggio competitivo.
Gli ambienti di piattaforma sabbiosa e poco profonda negli oceani di tutto il mondo si espandevano anche drasticamente in questo periodo perché il supercontinente – noto come Rodinia – si frammentava in pezzi più piccoli. Questo aumentava la circonferenza totale della crosta continentale, creando più bordi continentali dove sole, nutrienti e vita potevano interagire. Questi nuovi continenti erano anche inondati, quindi le zone di fondale marino poco profondo e illuminato dal sole si espandevano ulteriormente.
Gli ambienti marini illuminati dal sole tendono a essere i più ricchi di nutrienti. Le specie che si erano adattate a far fronte alle fluttuazioni giornaliere di ossigeno potevano accedere più facilmente ai nutrienti in questo vasto habitat poco profondo. Le specie tolleranti allo stress avrebbero vinto la corsa al cibo.
Come lo stress guida l’evoluzione
Lo stress fisiologico è spesso visto come un ostacolo alla sopravvivenza. Ma può essere un catalizzatore per l’innovazione evolutiva. Anche oggi, le specie che sopportano ambienti estremi spesso sviluppano tratti specialistici che le rendono più adattabili. Il nostro studio suggerisce che un modello simile si è verificato nel Cambriano. Gli animali hanno evoluto modi per affrontare lo stress delle fluttuazioni di ossigeno sui fondali marini poco profondi.
Un adattamento chiave potrebbe essere stata la capacità di percepire e rispondere efficacemente alle fluttuazioni di ossigeno. Questo tratto è regolato da un sistema di controllo cellulare – una via molecolare che adatta come la cellula risponde alle condizioni esterne. Il sistema di controllo che potrebbe essere emerso durante l’esplosione del Cambriano è noto come HIF-1α (fattore inducibile dall’ipossia 1).
Negli animali moderni, questo sistema aiuta le cellule a rilevare e adattarsi ai cambiamenti nelle condizioni di ossigeno, controllando processi come il metabolismo energetico e il coordinamento delle funzioni cellulari. Tuttavia, HIF-1α offre resistenza a tossine come il solfuro di idrogeno, un sottoprodotto comune delle condizioni anossiche.
Il nostro modello suggerisce che gli animali con meccanismi avanzati di rilevamento dell’ossigeno avrebbero avuto un vantaggio di sopravvivenza nelle condizioni fluttuanti del fondale marino del Cambriano, permettendo loro di superare in competizione le specie senza questa capacità.
Dagli ambienti difficili alla diversità animale
Oggi, hotspot di biodiversità come le foreste pluviali tropicali e le barriere coralline prosperano in condizioni di alta competizione biologica e complessità ecologica. Tuttavia, in ambienti estremi dove la sopravvivenza dipende dal resistere a condizioni fisiche difficili piuttosto che competere con altre specie, entrano in gioco diverse pressioni evolutive. Qualsiasi adattamento contro lo stress che portava a una maggiore sopravvivenza sarebbe stato ereditato in modo efficiente.
La capacità di affrontare questi cambiamenti rapidi potrebbe aver permesso a certe linee animali di prosperare rispetto ad altre, portando all’emergere di forme di vita più complesse e adattabili. Oggi, tutti gli animali con tessuti come li conosciamo (diversi strati di cellule) usano HIF per mantenere la manutenzione regolare o lo stato stazionario (noto come omeostasi). Questa via molecolare è critica per costruire e guarire i tessuti.
Questi “manopole di controllo” nelle cellule sono persino suggeriti come essenziali per come la vita animale potrebbe diventare grande e longeva come giraffe, elefanti e umani. Questo nuovo modello sfida le visioni tradizionali che si concentrano esclusivamente sui cambiamenti geologici su larga scala come i principali motori dell’evoluzione animale primordiale. Le sfide a scala locale affrontate dai singoli organismi – come sopravvivere alle oscillazioni giornaliere tra condizioni ricche di ossigeno e prive di ossigeno – potrebbero essere state altrettanto importanti nel plasmare il corso dell’evoluzione.