Кислород в океане определял размер трилобитов в раннем палеозое

Новое исследование показывает, что уровень кислорода в морской воде был ключевым фактором эволюции размеров тела трилобитов в раннем палеозое. Это позволяет предположить, что кислород мог влиять и на эволюцию размеров других животных.

Исследование, включающее всесторонний анализ эволюции размеров тела трилобитов — одной из наиболее репрезентативных групп ископаемых беспозвоночных, — провели профессора Чжао Фанчэнь и Чжу Маоянь из Нанкинского института геологии и палеонтологии Китайской академии наук. Результаты опубликованы в Science Advances.

  • Теории эволюции размеров: Долгое время ведутся споры о закономерностях эволюции размеров животных. Например, правило Копа гласит, что виды со временем стремятся увеличиться в размерах. Правило Бергмана утверждает, что теплокровные животные в холодном климате крупнее, чем в теплом. Обе теории были разработаны в XIX веке.
  • Роль кислорода: Недавние исследования подчеркивают роль кислорода в эволюции размеров, но многие из них основаны на данных по позвоночным. Среди беспозвоночных такие работы ограничивались брахиоподами и насекомыми.
  • Идеальный период для анализа: Ранний палеозой — идеальный период для проверки влияния уровня кислорода и других факторов из-за значительных колебаний содержания кислорода, химического состава и температуры морской воды в эту эпоху.

Трилобиты как модельная группа

Трилобиты — центральный объект макроэволюционных исследований из-за их долгой геологической истории, разнообразной экологии и обильной летописи окаменелостей. Размеры взрослых особей варьировались от ~2 мм (Acanthopleurella stipulae) до более 700 мм (Isotelus rex или Ogyginus forteyi), что делает их идеальной группой для изучения эволюции размеров.

Методы и результаты исследования

Ученые собрали обширный набор данных по размерам кембрийских и ордовикских трилобитов, охватив 1091 род (более 90% семейств того периода), и изучили роль морского кислорода и температуры.

  1. Фазы изменения размеров: Паттерны размеров тела в кембрии и ордовике делятся на шесть фаз (I–VI), с изменениями, сконцентрированными в пяти кратких событиях: ранний 4-й ярус (514 млн лет назад), поздний вулианский ярус (506.5 млн лет), гужанский ярус (500.5 млн лет), поздний тремодокский ярус (480 млн лет) и поздний катийский ярус (~450 млн лет).
  2. Глобальная, а не региональная причина: Крупные изменения размеров происходили синхронно в разных регионах, что указывает на влияние глобальных, а не локальных факторов.
  3. Отсутствие правила Копа: Большинство хорошо изученных семейств трилобитов не показали значительных направленных изменений размеров со временем, что опровергает правило Копа на уровне семейств. Общий тренд в эволюции размеров также отсутствовал.
  4. Ключевая корреляция с кислородом: Размер трилобитов оказался тесно связан с колебаниями уровня кислорода в океане (морской редокс), особенно во время известных аноксических событий:
    • Уменьшение размеров в раннем 4-м ярусе кембрия, гужанском и позднем катийском ярусах соответствует аноксическим событиям Sinsk, SPICE и HOAE.
    • Фазы миниатюризации после событий Sinsk и SPICE (фазы II и V) совпали с устойчивой морской аноксией.
    • Окончание события BSAE в позднем тремодоке, вероятно, спровоцировало наиболее выраженное увеличение размеров трилобитов.
    • С позднего тремодока размер оставался стабильным почти 30 млн лет (фаза V), что совпало с расширением зон оксигенации океана.
  5. Слабая связь с температурой: Хотя глобальное похолодание могло спровоцировать Великое ордовикское событие биоразнообразия (GOBE), оценки изменений температуры раннего палеозоя слабо коррелируют с размерами трилобитов.

Выводы

Логично предположить, что морской редокс влиял, если не напрямую контролировал, изменения размеров трилобитов по всему миру, поскольку крупному телу требуется больше кислорода. Это исследование убедительно поддерживает модель, в которой уровень кислорода ограничивал эволюцию размеров тела у трилобитов.

Кроме того, работа предоставляет независимые доказательства гипотезы о том, что кислород был важным драйвером ранней эволюции животных в целом и мог влиять на эволюцию размеров тела и у других групп.