PRL: каждое массовое вымирание происходило по одной и той же схеме

Фото из открытых источников

Все массовые вымирания в истории Земли имели одну общую черту: окружающая среда менялась быстрее, чем жизнь могла к ней адаптироваться. Эта идея в различных формах существует уже несколько десятилетий, но она никогда не проверялась в глобальном масштабе, на протяжении всей истории животного мира и геологических периодов времени. 

Новая теоретическая модель, разработанная в Массачусетском технологическом институте и Лестерском университете, сделала именно это, и результаты подтверждаются. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Скорость адаптации живых организмов по сравнению со скоростью изменения окружающей среды с поразительной точностью позволяет предсказать масштабы массовых вымираний. Исследователи с некоторой осторожностью отмечают, что нынешние темпы изменения углеродного цикла приближаются к тому уровню, при котором адаптация начинает давать сбой.

Исследование проводилось под руководством Даниэля Ротмана, профессора геофизики и содиректора Центра Лоренца в Массачусетском технологическом институте, и Сергея Петровского, профессора прикладной математики в Лестерском университете. 

Команда разработала математическую модель так называемой гипотезы несоответствия темпов – идеи о том, что вымирание происходит, когда изменения окружающей среды опережают эволюционную адаптацию, – и проверила ее на основе геологических и палеонтологических данных за последние 450 миллионов лет.

Интеллектуальные истоки этой работы восходят к XVIII веку, когда французский натуралист Жорж Кювье, которого многие считают основоположником палеонтологии, предположил, что виды могут полностью исчезнуть, уничтоженные масштабной экологической катастрофой.  В конечном итоге концепция катастрофизма уступила место взгляду на историю Земли, сформированную медленными, постепенными процессами. 

Однако в середине XX века американский геолог Норман Ньюэлл возродил основную идею в более точной форме: вымирание происходит, когда изменения окружающей среды происходят быстрее, чем вид может эволюционировать, чтобы адаптироваться к ним.

С тех пор биологи задокументировали, что это несоответствие скоростей проявляется и у отдельных видов.

Вопрос, на который пытались ответить Ротман и Петровский, заключался в том, применима ли та же логика в масштабах глобальных массовых вымираний – не отдельных видов, борющихся с локальными изменениями, а повсеместного коллапса целых ветвей древа жизни.

«Мы знаем, что отдельные виды вымирают, когда изменения окружающей среды опережают их способность к адаптации, — сказал Ротман. — Но до сих пор не было ясно, применима ли эта идея в масштабах глобальных событий вымирания».

Проблема заключается в том, что темпы адаптации различных групп животных в геологических масштабах времени не поддаются непосредственному наблюдению. Никто не наблюдал за эволюцией генетического рода на протяжении миллиона лет и не измерял, насколько быстро он реагировал на изменение климата.

Ротман и Петровский обошли эту проблему, построив математическое описание темпов адаптации, исходя из основных принципов.

Для успешной эволюционной адаптации необходимо одновременное выполнение множества условий: наследуемая изменчивость, дифференциальная приспособленность, репродуктивное преимущество для лучше адаптированных особей. 

Вероятность выполнения каждого условия многократно возрастает, и эта математическая структура порождает характерную колоколообразную кривую: большинство групп животных адаптируются со средней скоростью, меньшее число — с очень медленной или очень быстрой скоростью.

Установив эту общую кривую, исследователи сравнили ее с данными об изменениях окружающей среды за 27 периодов последних 450 миллионов лет, в течение которых глобальный углеродный цикл претерпел значительные нарушения.

Затем они проанализировали долю групп животных, вымерших в каждом из этих периодов, используя данные, собранные палеобиологом Джоном Алроем.

Модель сработала. Почти для каждого крупного массового вымирания в наборе данных наблюдалось измеримое несоответствие между скоростью изменения окружающей среды и скоростью адаптации жизни. Чем больше было несоответствие, тем больше видов вымирало. Масштаб вымираний можно было предсказать, исходя из темпов вымирания.

Пермское вымирание, произошедшее 252 миллиона лет назад, было самым масштабным в истории Земли, уничтожив более 80 процентов морских видов. 

Согласно этой модели, быстрое закисление океана опередило способность организмов к развитию адекватных физиологических защитных механизмов. Подобные события требуют как быстро меняющейся окружающей среды, так и значительной доли видов, темпы адаптации которых ниже требуемых этими изменениями. 

Колоколообразная кривая темпов адаптации показывает, что большинство групп животных сосредоточены в середине диапазона, что означает, что они способны справляться с умеренными темпами изменений, но не с быстрыми. 

Одно из наиболее поразительных наблюдений исследования заключается в том, что диапазон скоростей адаптации в разных группах животных в целом схож с диапазоном скоростей естественных изменений окружающей среды. Это совпадение не случайно.

«Мы начинаем наблюдать определенный уровень организации и способы функционирования жизни, которые соответствуют способам функционирования окружающей среды», — сказал Ротман. «Возможно, жизнь эволюционировала таким образом, что диапазон её адаптивных способностей соответствует диапазону стрессовых воздействий, с которыми она сталкивается».

Иными словами, жизнь не просто пассивно реагировала на изменения окружающей среды – возможно, на протяжении длительного времени она адаптировалась к темпу мира, в котором живет. Это делает его особенно уязвимым, когда темпы изменения скорости выходят за рамки того, на что он был рассчитан.

Исследователи тщательно взвешивают, насколько непосредственно они применяют эту концепцию к текущей ситуации. Но Ротман не избегает этого полностью.

«Уровень углекислого газа в океане сегодня повышается со скоростью, которая, если ее соответствующим образом пересчитать, сопоставима со скоростью изменения углеродного цикла, которая лишь ниже той, что была характерна для крупных массовых вымираний в прошлом», — заключил он. «Это говорит о том, что темпы современных изменений окружающей среды, возможно, приближаются к тем, при которых адаптация становится все более сложной».