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越多氧氣越好? 新研究指低氧環境驅使海洋生物多樣性

2017/11/20 — 12:10

以往科學家一直認為地球氧氣增加驅使不同生物演化。然而,最新研究卻發現有趣現象,低氧環境可能使遠古海洋生物大量演化。

氧氣孕育不少現代地球生物;由人類到海洋生物,大部份均需要氧氣方可生存。現代海洋的含氧量大致維持於每公升 5.4–8 毫升 (約為 0.54–0.8%),而空氣則有約 21% 為氧氣 。與此同時,不少生物則生存於「低氧氣區 (Oxygen Minimum Zones, OMZs) 」中。其中,線蟲與能適應低氧環境的魚類可在東太平洋只有正常地區的 1% 氧氣量的低氧氣區中棲息。

早前,加州大學河濱分校 (University of Riverside, UCR) 研究已指出,遠古部份時期海洋含氧量偏低。另一英美研究為了解低氧環境對海洋生物演化的影響,研究隊伍將不同時期氧氣量與化石紀錄和基因資料比較,發現當海洋含氧量減少時,生物物種與特徵會增加;當氧氣上升時,海洋生物數量就會隨之增加。此研究推翻舊有假設,即生物演化出不同形態與物種未必需要高氧氣量環境。

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研究人員指,6.35–5.40 億年前的埃迪卡拉紀 (Ediacaran) 海洋含氧量偏低,接下來的寒武紀海洋含氧量才開始增加。氧氣量上升驅使生物特徵演化——心臟、中樞神經系統、口腔以及四肢骨骼隨之出現。氧氣量上升使擁有這些生物特徵的生物可茁壯成長,數量大增,驅使寒武紀大爆發 (Cambrian explosion)。他們指出,寒武紀生物特徵和多樣性大量增加,實際始於低氧時期的軟體生物。

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不僅是埃迪卡拉紀與寒武紀,之後兩段時期也有類似情況。研究人員指出,氧氣量於寒武紀結束後再次減少,低氧環境維持約 300–400 萬年之久。之後氧氣量重新上升,生物數量與種類再次大量增加,當中包括不少海洋生物,即古生物學家形容的「奧陶紀大幅射 (Ordovician radiation)」。

而在 2.52 億年前,二疊紀 — 三疊紀滅絕事件 (Permo-Triassic extinction) 同樣與低氧環境相關。研究人員從化石紀錄中發現,不少新珊瑚和海綿動物物種在滅絕事件後增加;其他動物多樣性也同樣上升。研究人員相信這類新動物物種早於低氧時期已出現,但要待氧氣量重回正常水平後才可大量增長。

現時研究人員尚未清楚為甚麼低氧環境可以使生物演化增加。未來或可透過研究現代低氧氣區的生物演化情況,找出相關成因。 

原文:
Science, When oxygen disappeared, early marine animals really started evolving, 17 November 2017

報告:
Wood, R. & Erwin, D. (2017). Innovation not recovery: dynamic redoxpromotes metazoan radiations. Biological Review, Published Online. DOI: 10.1111/brv.12375

文/Edward Ho、審核/Alan Chiu

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