Эволюционные гонки вооружений между морскими животными изменили океанские экосистемы в масштабах, сходных с массовыми вымираниями, вызванными глобальными катастрофами, показывает новое исследование.

Ученые из Университета Умео в Швеции и Флоридского музея естественной истории использовали палеонтологические базы данных для построения многослойной компьютерной модели истории морской жизни за последние 500 миллионов лет. Их анализ летописи окаменелостей во многом перекликается с основополагающим исследованием 1981 года палеонтолога Джона Сепкоски—с одним ключевым отличием.

Новаторская статистическая работа Сепкоски показала резкие изменения биоразнообразия в океане около 490 и 250 миллионов лет назад, соответствующие двум массовым вымираниям. Эти события разделили морскую жизнь на то, что он назвал "тремя великими эволюционными фаунами", в каждой из которых доминировал уникальный набор животных.

Ожесточенная борьба за выживание, разыгравшаяся между хищными морскими животными и их добычей около 250-66 миллионов лет назад, возможно, была не менее мощной силой, изменившей океанское разнообразие в то, что мы видим сегодня. Этот третий великий переход был гораздо более постепенным, чем его предшественники, и управлялся организмами, а не внешними процессами.

"Мы узнали, что не все основные изменения в жизни животных были связаны с массовыми вымираниями", - сказал ведущий автор исследования Алексис Рохас, получивший докторскую степень в Университете Флориды. В настоящее время Рохас работает постдокторантом в Интегрированной научной лаборатории-центре междисциплинарных исследований Университета Умео.

Многие ученые уже давно придерживаются мнения, что внешние факторы, такие как вулканическая активность, удары астероидов или изменения климата, являются основными движущими силами крупных сдвигов в биосфере Земли, сказал соавтор исследования Михал Ковалевский, докторант Рохаса и заведующий кафедрой палеонтологии беспозвоночных Флоридского музея Томпсона.

"Ископаемая летопись говорит нам, что некоторые из ключевых переходов в истории жизни были быстрыми изменениями, вызванными резкими внешними факторами. Но это исследование показывает, что некоторые из этих основных переходов были более постепенными и, возможно, были вызваны биологическими взаимодействиями между организмами", - сказал он.

Одна из причин, по которой работа Сепкоски была настолько революционной, заключалась в том, что он использовал математический подход к практической проблеме: Ископаемая летопись слишком велика и сложна, чтобы один человек мог различить основные закономерности жизни, глядя только на образцы.

"Когда его компоненты исследуются индивидуально или в небольших группах, сложность их формы, функции, взаимодействия и истории часто кажется подавляющей и почти бесконечной", - писал он во введении к своему исследованию 1981 года.

Организация этих компонентов в иерархию систем, утверждал он, дает более полное представление. Модель Сепкоски разделила 500 миллионов лет океанской жизни на три великие династии, каждая из которых была разделена массовым вымиранием, которое расчистило путь для расцвета и доминирования новых групп. После правления трилобитов на первый план вышли моллюски, известные как брахиоподы, а также некоторые древние кораллы и аммониты. После катастрофического конца пермского вымирания, иногда известного как "Великое вымирание", они, в свою очередь, были заменены улитками, моллюсками, ракообразными, современными кораллами и различными видами костистых рыб.

Гипотеза Сепкоски коренным образом изменила то, как ученые думали об истории жизни, сказал Ковалевский. Он предлагал организованный способ понимания истории морских экосистем—всеобъемлющую сюжетную линию и сюжетные повороты.

Но по мере того, как растет наше знание окаменелостей, растет и дилемма Сепкоски о том, как анализировать такую обширную и сложную информацию, сказал Ковалевский.

"С миллионами окаменелостей, которые сейчас задокументированы, у нашего мозга просто нет возможности обрабатывать такие массивные архивы палеонтологических данных", - сказал он. "К счастью, аналитические методы продолжают совершенствоваться, давая нам лучшие способы извлечения и изучения информации, скрытой внутри этих чрезвычайно сложных данных."

Рохас взял на себя эту задачу, используя последние достижения в области моделирования данных. В частности, он был заинтересован в использовании сложных сетевых инструментов для создания лучшего представления окаменелостей. В отличие от других подходов в палеобиологии, сложные сети используют связанную структуру узлов, представляющих физические и абстрактные переменные, чтобы раскрыть основные закономерности в данной системе. Сетевые подходы могут быть применены к социальным явлениям—например, к показу моделей взаимодействия пользователя Facebook с друзьями на платформе,—но они также могут быть применены к сложным природным системам. Как и Сепкоски, Рохас является классическим палеонтологом, ищущим свежий взгляд на ископаемую летопись.

"Есть много процессов, происходящих одновременно в нескольких масштабах: в вашем районе, вашей стране и по всей планете. Теперь представьте себе процессы, которые происходят за один день, один год или 500 лет. То, что мы делаем, - это попытка понять все эти вещи во времени", - сказал он.

Простая сеть могла бы состоять из одного слоя—все записи о жизни животных и о том, где они жили. Но сеть Рохаса и его коллег включает в себя различные интервалы времени как отдельные слои, особенность, отсутствующая в предыдущих исследованиях макроэволюции. В результате получается то, что Рохас описал как новую, абстрактную ископаемую летопись, дополнение к физической ископаемой летописи, представленной образцами в музейных коллекциях.

"Это важно, потому что вопросы, которые мы задаем, процессы, которые мы изучаем, происходят в разных масштабах во времени и пространстве", - сказал Рохас. - Мы сделали несколько шагов назад, чтобы взглянуть на всю летопись окаменелостей. Делая это, мы можем исследовать все виды вопросов."

Подумайте об этом, как о навигации по Google Earth, которая представляет океаны за последние 500 миллионов лет. Когда и куда ты пойдешь?

"Наша интерактивная карта морской жизни показывает меньшие группы животных и их взаимодействие в каждой эволюционной фауне", - сказал Рохас. - На самом базовом уровне эта карта показывает океанские области с особыми животными. Строительными блоками нашего исследования являются сами животные."

Эта сложная сеть показывает то, что модель Сепкоски не смогла уловить: постепенный переход в океанической жизни, совпадающий с мезозойской морской революцией, которая началась около 150 миллионов лет назад в мезозойскую эру. Эта революция была вызвана быстрым ростом морских хищников, таких как костистые рыбы, ракообразные и улитки, которые с тех пор доминируют в океанах. Их размножение заставляло добычу становиться более подвижной, прятаться под океанским дном или усиливать свою защиту, утолщая броню, развивая шипы или улучшая способность регенерировать части тела.

Сепкоски знал о мезозойской морской революции, но его модель, ограниченная имеющимися в то время методами и данными, не могла очертить океанические экосистемы, предшествовавшие и следующие за этим постепенным переходом. Исследование Рохаса и его коллег показывает, что как физические, так и биологические процессы играют ключевую роль в формировании океанской жизни на самых высоких уровнях.

"Мы объединяем две гипотезы—мезозойскую морскую революцию и три великие эволюционные фауны в одну историю", - сказал Рохас. - Вместо трех фаз жизни модель показывает четыре."

ИСТОЧНИК