चरम ‘भोज और अकाल’ चक्र ने पृथ्वी पर जीवन का विस्फोट किया

SCIENCE/विज्ञानं : आपकी दुनिया दिन में ऑक्सीजन (ऑक्सीक) से भरपूर होने से बदल जाती है, ताकि आपके पास भोजन की तलाश करने के लिए ऊर्जा हो, रात में दम घुटने वाली ऑक्सीजन-रहित (एनोक्सिक) में बदल जाती है, जो आपको धीमा कर देती है। अब, कल्पना करें कि शुरुआती जानवर ऐसे चरम वातावरण में जीवित रहने की कोशिश कर रहे थे। लगभग आधे अरब साल पहले महासागरों और समुद्रों में शुरुआती जानवरों के जीवन के लिए यह वास्तविकता थी। यह वह समय भी था जब जानवरों की विविधता में उछाल आया, जिसे “कैम्ब्रियन विस्फोट” के रूप में जाना जाता है। मेरी टीम के नए शोध से पता चलता है कि इन भारी ऑक्सीजन उतार-चढ़ाव ने इस नाटकीय अवधि में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई।

दशकों से, वैज्ञानिक इस बात पर बहस करते रहे हैं कि इस विकासवादी विस्फोट को किसने ट्रिगर किया। कई वैज्ञानिकों ने दीर्घकालिक वायुमंडलीय परिवर्तनों की ओर इशारा किया है, जहाँ ऑक्सीजन के बढ़ते स्तर ने जानवरों के जीवन रूपों की संख्या में बदलाव को बढ़ावा दिया। हालांकि, पिछले कुछ वर्षों में, जानवरों की वृद्धि के लिए एक सरल ट्रिगर के रूप में वायुमंडलीय ऑक्सीजन में वृद्धि के दृष्टिकोण पर सवाल उठाया गया है। हमारा नया अध्ययन एक अलग, अक्सर अनदेखा किए जाने वाले कारक को प्रकट करता है। उथले समुद्र तल पर ऑक्सीजन के स्तर में दैनिक उतार-चढ़ाव ने शुरुआती जानवरों (आज के सभी जानवरों के पूर्वजों) पर दबाव डाला होगा, जिससे उन्हें विविधता को बढ़ावा देने वाले तरीकों से अनुकूलन करने के लिए प्रेरित किया गया होगा।

अच्छी परिस्थितियों के बजाय परिवर्तन को प्रेरित करने के बजाय, हम तर्क देते हैं कि कठोर परिस्थितियों ने इसे ट्रिगर किया। हमने एक कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया जो आज सूर्य के प्रकाश वाले समुद्र तल पर स्थितियों की नकल कर सकता है। यह मॉडल इस बात को ध्यान में रखता है कि जीवन क्या उत्पादन या उपभोग कर सकता है, लेकिन यह भी कि तापमान, सूरज की रोशनी और विभिन्न प्रकार की तलछट या पानी समग्र स्थितियों को कैसे प्रभावित करते हैं। इस तथाकथित “बायोगोकेमिकल मॉडल” का उपयोग करते हुए, हमने दिखाया है कि गर्म, उथले पानी में, कैम्ब्रियन में दिन और रात के बीच ऑक्सीजन का स्तर नाटकीय रूप से उतार-चढ़ाव कर सकता है (जब ऑक्सीजन आम तौर पर आज की तुलना में कम थी)।

दिन के दौरान, समुद्री शैवाल द्वारा प्रकाश संश्लेषण ने बहुत अधिक ऑक्सीजन का उत्पादन किया, जिससे पूरी तरह से ऑक्सीजन युक्त वातावरण बना। लेकिन रात में, जब प्रकाश नहीं होने के कारण प्रकाश संश्लेषण बंद हो गया, तो शैवाल द्वारा ऑक्सीजन को तेजी से अवशोषित किया गया क्योंकि वे सांस ले रहे थे (कोशिका कार्यों को करने के लिए ऊर्जा और ऑक्सीजन का उपयोग कर रहे थे), जिससे एनोक्सिक स्थितियां पैदा हुईं। ऑक्सीजन की उपलब्धता में इस दैनिक भोज-और-अकाल चक्र ने शुरुआती जानवरों के लिए एक तीव्र शारीरिक चुनौती पैदा की, जिससे उन्हें पोषक तत्वों में उतार-चढ़ाव को संभालने के लिए अनुकूलन विकसित करने के लिए मजबूर होना पड़ा। जो लोग इन उतार-चढ़ावों से निपट सकते थे, उनके लिए अनुकूलन ने उन्हें प्रतिस्पर्धात्मक बढ़त दी। दुनिया भर के महासागरों में उथले, रेतीले समुद्र तट जैसे शेल्फ वातावरण भी इस समय नाटकीय रूप से विस्तारित हुए क्योंकि सुपर-महाद्वीप – जिसे रोडिनिया के रूप में जाना जाता है – छोटे टुकड़ों में टूट गया।

इससे महाद्वीपीय क्रस्ट की कुल परिधि बढ़ गई, जिससे अधिक महाद्वीपीय किनारे बन गए जहाँ सूर्य, पोषक तत्व और जीवन परस्पर क्रिया कर सकते थे। इन नए महाद्वीपों में भी बाढ़ आ गई, इसलिए उथले, धूप वाले समुद्री तल क्षेत्र और भी अधिक विस्तारित हो गए। सूर्य से प्रकाशित समुद्री वातावरण पोषक तत्वों में सबसे समृद्ध होते हैं। जिन प्रजातियों ने दैनिक ऑक्सीजन उतार-चढ़ाव से निपटने के लिए अनुकूलन किया था, वे इस विशाल, उथले आवास में पोषक तत्वों तक अधिक आसानी से पहुँच सकते थे। तनाव-सहिष्णु प्रजातियाँ भोजन की दौड़ जीत जातीं।

तनाव विकास को कैसे प्रेरित करता है
शारीरिक तनाव को अक्सर जीवित रहने में बाधा के रूप में देखा जाता है। लेकिन यह विकासवादी नवाचार के लिए उत्प्रेरक हो सकता है। आज भी, चरम वातावरण को झेलने वाली प्रजातियाँ अक्सर विशेष लक्षण विकसित करती हैं जो उन्हें अधिक अनुकूलनीय बनाती हैं। हमारा अध्ययन कैम्ब्रियन में भी इसी तरह के पैटर्न का सुझाव देता है। जानवरों ने उथले समुद्र तल की अलमारियों के स्मोर्गासबोर्ड पर ऑक्सीजन के स्तर में उतार-चढ़ाव के तनाव से निपटने के तरीके विकसित किए। एक प्रमुख अनुकूलन ऑक्सीजन के उतार-चढ़ाव को कुशलतापूर्वक महसूस करने और प्रतिक्रिया करने की क्षमता हो सकती है।

यह विशेषता एक सेलुलर नियंत्रण प्रणाली द्वारा नियंत्रित होती है – एक आणविक मार्ग जो कोशिका को बाहरी परिस्थितियों पर प्रतिक्रिया करने के तरीके को अनुकूलित करता है। कैम्ब्रियन विस्फोट में जो नियंत्रण प्रणाली उभरी हो सकती है उसे HIF-1α (हाइपोक्सिया-प्रेरक कारक 1) के रूप में जाना जाता है। आधुनिक जानवरों में, यह प्रणाली कोशिकाओं को ऑक्सीजन की स्थितियों में परिवर्तनों का पता लगाने और उनके अनुकूल होने में मदद करती है, ऊर्जा चयापचय और कोशिका के कार्यों के समन्वय जैसी प्रक्रियाओं को नियंत्रित करती है। हालाँकि, HIF-1α हाइड्रोजन सल्फाइड जैसे विषाक्त पदार्थों के प्रति प्रतिरोध प्रदान करता है, जो एनोक्सिक स्थितियों का एक सामान्य उपोत्पाद है। हमारे मॉडलिंग से पता चलता है कि उन्नत ऑक्सीजन-संवेदन तंत्र वाले जानवरों को कैम्ब्रियन समुद्र तल की अस्थिर स्थितियों में जीवित रहने का लाभ मिला होगा, जिससे वे इस क्षमता के बिना प्रजातियों से प्रतिस्पर्धा कर सकते थे।

कठोर वातावरण से लेकर पशु विविधता तक
आज, उष्णकटिबंधीय वर्षावनों और प्रवाल भित्तियों जैसे जैव विविधता हॉटस्पॉट उच्च जैविक प्रतिस्पर्धा और पारिस्थितिक जटिलता की स्थितियों में पनपते हैं। हालांकि, चरम वातावरण में जहां जीवित रहना अन्य प्रजातियों के साथ प्रतिस्पर्धा करने के बजाय कठोर भौतिक परिस्थितियों को झेलने पर निर्भर करता है, वहां विभिन्न विकासवादी दबाव काम आते हैं। तनाव के खिलाफ कोई भी अनुकूलन जिसके कारण जीवित रहने की क्षमता में वृद्धि हुई, वह भी कुशलता से विरासत में मिला होगा।इन तीव्र परिवर्तनों से निपटने की क्षमता ने कुछ जानवरों की वंशावली को दूसरों पर पनपने की अनुमति दी होगी, जिससे अधिक जटिल और अनुकूलनीय जीवन रूपों का उदय हुआ। आज, सभी जानवर जिनके ऊतक (कोशिकाओं की कई परतें) हम उन्हें जानते हैं, नियमित रखरखाव या स्थिर अवस्था (होमियोस्टेसिस के रूप में जाना जाता है) को बनाए रखने के लिए HIF का उपयोग करते हैं।

यह आणविक मार्ग ऊतकों के निर्माण और ऊतकों को ठीक करने के लिए महत्वपूर्ण है। कोशिकाओं में ये “नियंत्रण घुंडियां” यहां तक ​​​​कि सुझाव दी जाती हैं कि कैसे पशु जीवन जिराफ, हाथी और मनुष्यों की तरह बड़ा और बूढ़ा हो सकता है। यह नया मॉडल पारंपरिक विचारों को चुनौती देता है जो केवल बड़े पैमाने पर भूवैज्ञानिक परिवर्तनों पर ध्यान केंद्रित करते हैं जो प्रारंभिक पशु विकास के प्राथमिक चालक हैं। व्यक्तिगत जीवों द्वारा सामना की जाने वाली स्थानीय-स्तरीय चुनौतियाँ – जैसे कि ऑक्सीजन युक्त और ऑक्सीजन-भूखे परिस्थितियों के बीच दैनिक उतार-चढ़ाव से बचना – विकास के पाठ्यक्रम को आकार देने में उतनी ही महत्वपूर्ण हो सकती थीं।

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