Новое исследование, объединяющее климатические данные с записями окаменелостей крупных млекопитающих, которые жили в Африке в течение последних 4 миллионов лет, ставит под сомнение давнюю гипотезу о том, что повторяющиеся изменения климата действовали как основные движущие силы эволюционных изменений млекопитающих, включая предков человека.

Опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences исследование представляет собой синтез изменчивости окружающей среды на всем африканском континенте в течение плио-плейстоцена, периода в истории Земли, который охватывает примерно последние 5 миллионов лет и включает последний ледниковый период около 20 000 лет назад.

Исследование показало, что изменчивость окружающей среды в течение этого времени отражает изменения орбиты Земли и ее ориентации по отношению к солнцу, как это предсказывается природным явлением, известным как циклы Миланковича. Эти циклы подвергают нашу планету воздействию солнечной радиации различной интенсивности, что приводит к хорошо задокументированным циклическим воздействиям на климат Земли с различной частотой.

Исследователи наблюдали долгосрочную тенденцию к увеличению изменчивости окружающей среды в Африке, связанную с изменениями глобального объема льда и температуры океана. Однако результаты не выявили значительной корреляции между вариациями окружающей среды и темпами возникновения или исчезновения видов, что позволяет предположить, что изменчивость окружающей среды и оборот видов могут не быть тесно связаны, что широко обсуждалось в научном сообществе.

Идея о том, что долгосрочные тенденции к более влажному или более сухому климату могли быть движущей силой эволюции человека, восходит к временам Чарльза Дарвина, по словам первого автора статьи, Эндрю Коэна, заслуженного профессора Университета Аризоны. наук о Земле и кафедра экологии и эволюционной биологии. Основные изменения произошли в конце 1990-х годов, когда в научном сообществе появилась влиятельная гипотеза отбора изменчивости.

«Идея здесь в том, что не только направление изменения климата было важно как движущая сила эволюционной новизны в линии гоминидов, но и изменчивость условий окружающей среды и климата», — объяснил Коэн. «Поскольку наши предки столкнулись с быстро меняющимися условиями, эта гипотеза предполагает, что они должны были быть более изобретательными и способными справляться со многими различными непредвиденными обстоятельствами, что, в свою очередь, привело к появлению новых видов, в то время как другие вымерли».

В текущем исследовании исследователи проанализировали образцы, взятые из кернов отложений со дна озер, дна океана и выходов на поверхность суши из 17 мест на африканском континенте и в прилегающих районах. Данные об окружающей среде были получены путем анализа записей пыльцы, окаменелых водорослей, пыли, воска листьев, изотопов почвы и других физических свойств, которые дают представление о типах растительности и условиях окружающей среды на участке, где они были отложены. По словам Коэна, чтобы объединить данные из этих очень разных типов записей и выявить основную модель климатической изменчивости, команде пришлось решить серьезную проблему: как количественно оценить изменчивость и сравнить ее в разных местах отбора проб.

«Это не тривиально, потому что, с одной стороны, у вас есть записи о таких вещах, как ископаемая пыльца , говорящая вам о том, насколько изменчивой была растительность, другие говорят вам об изменении уровня озера, третьи рассказывают вам о пыли, выдуваемой в океан», — сказал он. сказал. «Нам нужен был способ не просто просматривать одну запись, а складывать все эти различные типы ссылок, что позволило бы нам разделить ритм изменчивости».

Для этого исследователи разработали статистические методы, которые позволили им «сравнивать яблоки и апельсины», объяснил Коэн, и распределили точки данных климатических записей по «ячейкам» временных периодов, включающих 20 000, 100 000 и 400 000 лет. После того, как отдельные наборы данных с оценками изменчивости в каждом бине были стандартизированы, команда могла затем «сложить» их и рассчитать усредненную величину изменчивости для каждого периода времени.

Затем климатические данные были напрямую сопоставлены с летописью окаменелостей крупных млекопитающих — в первую очередь полорогих, семейства, включающего антилоп и других крупных травоядных — из восточной Африки. Исследователи сосредоточились на крупных травоядных в первую очередь потому, что окаменелости предков человека слишком редки, чтобы их можно было использовать в таком подходе.

«Я не буду говорить, что все ( окаменелости гоминидов ) можно было бы поместить в коробку из-под обуви, но они все еще не так распространены, — сказал Коэн, — поэтому мы решили посмотреть на другие организмы с лучшей палеонтологической летописью, потому что нет причин думать, что только наши ближайшие родственники, наши предки-гоминиды, должны быть затронуты изменением и изменчивостью климата.

«Если изменчивость климата является важной движущей силой эволюции, она должна быть движущей силой и эволюции других крупных млекопитающих», — добавил он. «Подумайте, например, о белых медведях и о том, как на них влияет текущее изменение климата».

Авторы использовали метод, заимствованный из современной биологии популяций диких животных, чтобы объяснить предубеждение, которое долгое время преследовало палеонтологов: присущую неполноту летописи окаменелостей, которую второй автор исследования, Эндрю Дю, иллюстрирует куском швейцарского сыра. Если бы кто-то просверлил образец керна через сыр, у него были бы зазоры от того места, где керн попал в отверстие в сыре. Точно так же в летописи окаменелостей вида есть пробелы — периоды времени, когда не было найдено никаких окаменелостей, — чередующиеся с периодами, когда окаменелости есть. Это очень затрудняет точное определение того, когда тот или иной вид появился в летописи окаменелостей и когда он вымер.

Чтобы обойти это ограничение, Ду применил технику, известную как отлов, маркировка и повторная поимка, которую часто используют биологи дикой природы при обследовании популяций животных: после того, как животное поймано, его маркируют для идентификации и выпускают обратно в дикую природу. Во время более позднего исследования ученые сравнивают долю меченых и немеченых животных. Применяя статистику, это позволяет им получить представление о численности и структуре населения в целом.

Ду, доцент кафедры антропологии и географии Университета штата Колорадо, объяснил, как этот метод работает в ископаемых системах.

«Допустим, мы видим появление нового вида в летописи окаменелостей в первый период времени, затем мы находим другую окаменелость того же вида во втором периоде времени, мы пропускаем ее в третьем периоде времени, но снова видим ее во времени. четвертый период», — сказал он. «Это говорит нам о том, что, хотя мы не видели этот вид в третий период времени, мы знаем, что он был где-то рядом. Это дает нам представление о качестве летописи окаменелостей в определенные периоды времени, и мы можем это объяснить. качество при оценке скорости видообразования и вымирания».

Объединение всех этих наборов данных вместе позволило исследователям сравнить закономерности изменчивости окружающей среды и ее связь с темпами возникновения и исчезновения видов млекопитающих.

«В целом, за последние 3,5 миллиона лет наблюдается долгосрочная тенденция к увеличению изменчивости окружающей среды», — сказал он. «Эта тенденция отслеживает растущую изменчивость глобального объема льда и температуры поверхности моря вокруг Африки. Наложенная на нее, мы обнаружили другую тенденцию: как только мы попадаем в ледниковые периоды, мы видим больше взлетов и падений; колебания становятся все больше, больше и больше, отражая увеличение и уменьшение ледяных щитов, и эта изменчивость отслеживает 400 000-летние циклы Миланковича».

В то же время летопись окаменелостей возникновения и исчезновения видов среди крупных травоядных, а также окаменелости гоминидов, по-видимому, не связана с этими тенденциями климатической изменчивости. Хотя авторы признают, что гипотеза отбора изменчивости все еще может быть верной, но работать в разных масштабах, они надеются побудить научное сообщество более критически относиться к гипотезе отбора изменчивости, «а не просто принимать ее как основополагающий принцип как мы смотрим на летопись окаменелостей в Африке, и особенно на летопись окаменелостей человека», — сказал Коэн.

«Мы не говорим, что изменчивость окружающей среды не важна для эволюции человека, но данные, которые мы в настоящее время собираем, очень несовместимы с этой идеей», — сказал он. «Если бы экологическая изменчивость была так важна, как ее изображают, мы ожидали бы увидеть долгосрочную тенденцию увеличения изменчивости , отражающуюся в эволюционном цикле у всех видов видов, включая гомининов, но мы просто не видим этого.»