地球上最早的动物可能因进行无性繁殖而阻碍了进化，形成了随时间推移变化极小的低竞争群落。当环境压力促使它们转向有性繁殖时，生物多样性激增，进化显著加速。
这些发表在《自然-生态与进化》上的发现，为一个长期存在的古生物学谜题提供了可能的解答。尽管动物最早出现在埃迪卡拉纪，但在随后的演化创新爆发极大地扩展了地球上的生命之前，它们的多样性在惊人漫长的一段时间里保持相对有限。
生命的早期实验
在微生物主宰数十亿年之后，持续约6.35亿年至5.39亿年前的埃迪卡拉纪见证了首批动物的出现。其中一些生物，包括Fractofusus（分形弗鲁斯），高度可达两米，尽管大多数要小得多。
这些早期动物看起来与今天的任何生物都截然不同。许多动物更像蕨类植物而非现代动物，并且似乎没有嘴巴、器官和移动能力。科学家认为它们直接从周围的海水中吸收营养。
像许多其他埃迪卡拉生物一样，它们在大约5.4亿年前的寒武纪初期从化石记录中消失了。它们的消失使研究人员难以确定它们是否与今天生活的任何动物有亲缘关系。
先前的研究表明，许多此类生物进行无性繁殖。它们通过产生由匍匐茎连接的基因相同的后代进行传播，就像现代草莓植物一样。在埃迪卡拉纪营养丰富的海洋中，这种策略非常奏效。
“埃迪卡拉纪的生活相当惬意，所以对性的需求相当有限，”剑桥大学动物学系的主要作者艾米莉·米切尔博士说。“竞争相对较少，因此没有真正的压力去改变任何东西。”
化石、人工智能与古代生态系统
为了调查为何这一时期的演化似乎放缓了，米切尔和合著者安德里亚·马尼卡教授研究了纽芬兰错误角的化石，这是世界上最重要的埃迪卡拉化石遗址之一。
研究人员结合激光扫描、空间分析和人工智能，研究了这些古代群落是如何组织的，以及它们可能如何相互作用。
他们首先证明，通过匍匐茎进行的无性繁殖减少了邻近生物之间的竞争。随后，研究团队创建了计算机模拟，以测试早期动物群落在不同繁殖策略下可能如何发展。
研究人员运行了数千次模拟，同时利用一个简单的神经网络识别出与化石证据最匹配的情景。利用一种称为近似贝叶斯计算的技术，研究人员从化石记录逆向推导，估算生物传播的距离以及它们争夺资源的激烈程度。
为何竞争至关重要
结果表明，由无性繁殖造成的有限传播可以解释为何早期动物生态系统包含的物种相对较少。后来，当生物开始更远距离的传播并进行有性繁殖时，多样性急剧增加。
长期以来，竞争一直是演化最重要的驱动力之一。然而，许多埃迪卡拉生物基于匍匐茎的生活方式降低了竞争的需求。
“如果你通过这些匍匐茎与邻居相连，那么你们就在共享营养，不需要与它们竞争，”马尼卡说。
随着生命逐渐从深水区扩展到较浅的海洋环境，条件变得更加严峻。潮汐、风暴、温度变化以及营养供应的变化带来了新的压力，使得生存变得更加不可预测，并加剧了对资源的竞争。
压力与有性繁殖的兴起
研究人员认为，这些更恶劣的条件可能促进了向有性繁殖的转变。
“如果你突然处于一个一年中实际上会被杀死几次的环境中，那就会改变一切，”米切尔说。“压力本质上会导致有性繁殖，当这种情况发生时，我们可以看到传播距离的大幅增加，因为动物由于竞争加剧而试图在新的区域定居。”
随着早期动物适应新的栖息地和新的繁殖策略，物种多样化加速了。这一时期标志着埃迪卡拉纪演化的第二次大浪潮，并帮助为寒武纪更加剧烈的演化扩张奠定了基础，在寒武纪，动物变得具有移动性，生态系统也变得更加复杂。
该研究由英国研究与创新署（UKRI）下属的自然环境研究理事会（NERC）资助。艾米莉·米切尔是剑桥大学纽纳姆学院的院士。安德里亚·马尼卡是剑桥大学克莱尔学院的院士。