Массовые вымирания случаются, когда природа меняется быстрее, чем жизнь успевает адаптироваться

Каждое массовое вымирание в истории Земли имеет нечто общее: окружающая среда менялась быстрее, чем жизнь могла адаптироваться. Эта идея существовала в разных формах десятилетиями, но никто не проверял её в глобальном масштабе — на всех животных и на всей геологической истории. Новая теоретическая модель, разработанная учёными из Массачусетского технологического института и Университета Лестера, наконец-то сделала это. Результаты оказались поразительно точными: скорость адаптации жизни по сравнению со скоростью изменения окружающей среды предсказывает тяжесть массовых вымираний с удивительной точностью. Исследователи отмечают, что нынешние темпы изменения углеродного цикла приближаются к порогу, за которым адаптация начинает давать сбои.

Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, провели Дэниел Ротман, профессор геофизики и содиректор Центра Лоренца в Массачусетском технологическом институте, и Сергей Петровский, профессор прикладной математики из Университета Лестера. Команда создала математическую модель «гипотезы несоответствия темпов» — идеи о том, что вымирание происходит, когда изменение окружающей среды опережает эволюционную адаптацию, — и проверила её на геологических и палеонтологических данных, охватывающих последние 450 миллионов лет.

Интеллектуальная родословная

Истоки этой работы восходят к XVIII веку, когда французский натуралист Жорж Кювье, которого считают отцом-основателем палеонтологии, предположил, что виды могут исчезать полностью, уничтоженные широкомасштабными экологическими катастрофами. Концепция катастрофизма в конечном счёте уступила место взгляду на историю Земли как на процесс, сформированный медленными, постепенными изменениями. Но в середине XX века американский геолог Норман Ньюэлл возродил эту идею в более точной форме: вымирание происходит, когда изменение окружающей среды происходит быстрее, чем вид может эволюционировать, чтобы приспособиться к нему.

Биологи с тех пор задокументировали это несоответствие темпов в отдельных видах. Вопрос, на который Ротман и Петровский решили ответить, заключался в том, работает ли та же логика в масштабе глобальных массовых вымираний — не отдельных видов, борющихся с локальными изменениями, а полного коллапса целых ветвей древа жизни. «Мы знаем, что отдельные виды вымирают, когда изменение окружающей среды опережает их способность адаптироваться, — сказал Ротман. — Но не было ясно, применима ли эта же идея в масштабе глобальных событий вымирания».

Сложность построения модели

Сложность в том, что темпы адаптации среди групп животных в геологических масштабах времени невозможно наблюдать напрямую. Никто не видел, как линия эволюционирует в течение миллиона лет, и не измерял, как быстро она реагировала на изменение климата. Ротман и Петровский обошли это, создав математическое описание темпов адаптации с нуля. Успешная эволюционная адаптация требует одновременного выполнения нескольких условий: наследуемая изменчивость, дифференциальная приспособленность, репродуктивное преимущество для лучше адаптированных особей. Вероятность выполнения каждого условия перемножается, и эта математическая структура даёт характерную колоколообразную кривую: большинство групп животных адаптируются с промежуточной скоростью, меньшее число — с очень медленной или очень быстрой.

Измеримое несоответствие

Установив эту общую кривую, исследователи сравнили её с записями изменений окружающей среды в 27 эпизодах за последние 450 миллионов лет, когда глобальный углеродный цикл претерпевал значительные нарушения. Затем они посмотрели на долю групп животных, вымерших в каждом эпизоде, используя данные, собранные палеобиологом Джоном Алроем. Модель сработала. Почти для каждого крупного массового вымирания в наборе данных существовало измеримое несоответствие между тем, как быстро менялась окружающая среда, и как быстро жизнь могла адаптироваться. Чем больше было несоответствие, тем больше видов вымирало. Тяжесть вымираний предсказывалась на основе темпов.

Что говорит нам пермское вымирание

Пермское вымирание, произошедшее 252 миллиона лет назад, было самым страшным в истории Земли, уничтожив более 80 процентов морских видов. Интерпретация модели заключается в том, что быстрое закисление океана опередило способность организмов эволюционировать для выработки адекватных физиологических защит. Такой тип события требует как быстрого изменения окружающей среды, так и большой доли видов, чьи темпы адаптации ниже того, что требует это изменение. Колоколообразная кривая темпов адаптации показывает, что большинство групп животных сгруппированы в середине, что означает, что они способны выдерживать умеренные темпы изменений, но не быстрые.

Адаптивность и изменение окружающей среды

Одно из наиболее поразительных наблюдений исследования заключается в том, что диапазон темпов адаптации среди групп животных в целом схож с диапазоном темпов, с которыми окружающая среда меняется естественным образом. Это выравнивание не случайно. «То, что мы начинаем видеть, — это определённый уровень организации и способы, которыми жизнь ведёт себя согласованно с тем, как ведёт себя окружающая среда», — сказал Ротман. «Возможно, жизнь эволюционировала так, что её диапазон адаптируемости соответствует диапазону стрессов, с которыми она сталкивается». Другими словами, жизнь не просто пассивно реагировала на изменение окружающей среды — возможно, она в течение глубокого времени калибровала себя под темп мира, в котором живёт. Это делает её особенно уязвимой, когда этот темп сдвигается за пределы того, на что она откалибрована.

Что происходит сегодня

Исследователи осторожны в том, как прямо они применяют эту структуру к текущему моменту. Но Ротман не избегает этого вывода полностью. «Уровни углекислого газа в океане сегодня растут со скоростью, которая при соответствующем пересчёте аналогична скоростям изменения углеродного цикла, которые лишь немного ниже тех, что связаны с крупными событиями вымирания в прошлом», — сказал он. «Это говорит о том, что современное изменение окружающей среды может приближаться к темпам, за которыми адаптация становится всё более трудной», — заключил он. Жизнь на Земле пережила пять массовых вымираний, и каждый раз она восстанавливалась, но на это уходили миллионы лет. Теперь мы создаём условия, которые могут привести к шестому. Вопрос не в том, сможет ли жизнь адаптироваться. Вопрос в том, успеем ли мы. И ответа на этот вопрос у нас пока нет.