hvad udløste den kambriske eksplosion?

en række mørke, forrevne Tinder stiger 80 meter over de græsklædte sletter i Namibia. Toppene minder om noget gammelt-gravhøje fra tidligere civilisationer eller tipene fra store pyramider begravet i tiderne.,

stenformationerne er faktisk monumenter af et falmet imperium, men ikke fra noget hugget af menneskelige hænder. Det er pinnacle rev, bygget af cyanobakterier på den lave havbund for 543 millioner år siden, i en tid kendt som Ediacaran-perioden. Den antikke verden besat af disse rev var virkelig fremmed. Oceanerne holdt så lidt ilt, at moderne fisk hurtigt ville grundlægge og dø der. En smattet måtte af mikrober dækkede havbunden på det tidspunkt, og på det tæppe levede en række gådefulde dyr, hvis kroppe lignede tynde, quuiltede puder., De fleste var stationære, men nogle få slyngede sig blindt over slimet og græssede på mikroberne. Dyrelivet på dette tidspunkt var enkelt, og der var ingen rovdyr. Men en evolutionær storm ville snart øge denne stille verden.

inden for flere millioner år ville dette enkle økosystem forsvinde og give plads til en verden styret af meget mobile dyr, der sportede moderne anatomiske træk. Den kambriske eksplosion, som det kaldes, producerede leddyr med ben og sammensatte øjne, orme med fjedrende gæller og hurtige rovdyr, der kunne knuse bytte i tandkæber., Biologer har argumenteret i årtier over, hvad der antændte denne evolutionære udbrud. Nogle mener, at en stejl stigning i ilt udløste ændringen, mens andre siger, at det sprang fra udviklingen af en vigtig evolutionær innovation, såsom vision. Den præcise årsag er forblevet undvigende, dels fordi der vides så lidt om det fysiske og kemiske miljø på det tidspunkt.

men i løbet af de sidste mange år er opdagelser begyndt at give nogle fristende spor om slutningen af Ediacaran., Beviser indsamlet fra de Namibiske rev og andre steder antyder, at tidligere teorier var alt for forenklede — at den kambriske eksplosion faktisk opstod ud af et komplekst samspil mellem små miljøændringer, der udløste store evolutionære udviklinger.

nogle forskere mener nu, at en lille, måske midlertidig stigning i ilt pludselig krydsede en økologisk tærskel, hvilket muliggør fremkomsten af rovdyr. Fremkomsten af kødædende ville have sat en evolutionær våbenkapløb, der førte til udbrud af komplekse kropstyper og adfærd, der fylder oceanerne i dag., “Dette er den mest betydningsfulde begivenhed i Jordens evolution,” siger Guy Narbonne, en palæobiolog ved Queenueen ‘ s University i Kingston, Canada. “Fremkomsten af gennemgribende kødædende, muliggjort ved iltning, vil sandsynligvis have været en vigtig trigger.”

energi til at brænde

i den moderne verden er det let at glemme, at komplekse dyr er relative nyankomne til jorden. Siden livet først opstod for mere end 3 milliarder år siden, har enkeltcellede organismer domineret planeten i det meste af sin historie., Blomstrende i miljøer, der manglede ilt, var de afhængige af forbindelser som kuldio .id, svovlholdige molekyler eller jernmineraler, der fungerer som O .idationsmidler til at nedbryde mad. Meget af Jordens mikrobielle biosfære stadig overlever på disse anaerobe veje.

dyr afhænger dog af ilt — en meget rigere måde at leve på. Processen med at metabolisere mad i nærvær af ilt frigiver meget mere energi end de fleste anaerobe veje., Dyr er afhængige af denne potente, kontrollerede forbrænding for at drive sådanne energi-sultne innovationer som muskler, nervesystemer og redskaber til forsvar og kødædende mineraliserede skaller, eksoskeletter og tænder.

i betragtning af vigtigheden af ilt for dyr mistænkte forskere, at en pludselig stigning i gassen til næsten moderne niveauer i havet kunne have ansporet den kambriske eksplosion. For at teste denne ID.har de studeret gamle havsedimenter, der blev lagt ned i ediacaran-og Cambrian-perioderne, som tilsammen løb fra omkring 635 millioner til 485 millioner år siden.,

i Namibia, Kina og andre steder rundt om i verden har forskere samlet klipper, der engang var gamle havbund, og analyseret mængderne af jern, molybdæn og andre metaller i dem. Metallerne ” opløselighed afhænger stærkt af mængden af ilt til stede, så mængden og typen af disse metaller i gamle sedimentære klipper afspejler, hvor meget ilt der var i vandet for længe siden, da sedimenterne dannede sig.,

disse fuldmagter syntes at indikere, at iltkoncentrationer i oceanerne steg i flere trin, nærmer sig i dag”s hav-overfladekoncentrationer ved starten af Kambrium, omkring 541 millioner år siden — lige før mere-moderne dyr pludselig dukkede op og diversificeret. Dette understøttede ideen om ilt som en vigtig trigger til den evolutionære eksplosion.

men sidste år udfordrede en stor undersøgelse1 af gamle havbundssedimenter denne opfattelse., Erik Sperling, en palæontolog ved Stanford University i Californien, udarbejdede en database med 4.700 jernmålinger taget fra klipper rundt om i verden, der spænder over ediacaran og Cambrian perioder. Han og hans kolleger fandt ikke en statistisk signifikant stigning i andelen af O .isk til ano .isk vand ved grænsen mellem Ediacaran og Cambrian.

“enhver o .ygenationshændelse må have været langt, langt mindre end hvad folk normalt overvejede,” konkluderer Sperling. De fleste mennesker antager “at O .ygenationsbegivenheden i det væsentlige hævede ilt til i det væsentlige moderne niveauer., Og det var sandsynligvis ikke tilfældet”, siger han.

de seneste resultater kommer på et tidspunkt, hvor forskere allerede genovervejer, hvad der skete med havets iltniveauer i denne afgørende periode. Donald Canfield, geobiolog ved Syddansk Universitet i Odense, tvivler på, at ilt var en begrænsende faktor for tidlige dyr. I en undersøgelse offentliggjort sidste måned2 antyder han og hans kolleger, at iltniveauerne allerede var høje nok til at understøtte enkle dyr, såsom svampe, hundreder af millioner af år, før de faktisk optrådte., Kambriske dyr ville have brug for mere ilt end tidlige svampe, indrømmer Canfield. “Men du behøver ikke en stigning i ilt over ediacaran/Cambrian grænsen, “siger han; ilt kunne allerede have været rigeligt nok”i lang, lang tid før”.

“iltens rolle i dyrenes oprindelse er blevet diskuteret stærkt,” siger Timothy Lyons, en geobiolog ved University of California, Riverside. “Faktisk er det aldrig blevet mere debatteret end det er nu.,”Lyon ser en rolle for ilt i evolutionære ændringer, men hans egen work3 med molybdæn og andre spormetaller tyder på, at stigninger i ilt lige før Kambrium var for det meste midlertidige, toppe, der varede et par millioner år og gradvist gik opad (se “Når livet drønede op”).

Moderne spejle

Sperling har set for indsigt i Ediacaran oceaner ved at studere iltfattige regioner i moderne havene rundt omkring på kloden., Han foreslår, at biologer konventionelt har taget den forkerte tilgang til at tænke på, hvordan iltformet dyreudvikling. Ved at samle og analysere tidligere offentliggjorte data med nogle af sine egne fandt han, at små orme overlever i områder af havbunden, hvor iltniveauet er utroligt lavt — mindre end 0,5% af de gennemsnitlige globale havoverfladekoncentrationer. Madbaner i disse iltfattige miljøer er enkle, og dyrene fodrer direkte på mikrober. På steder, hvor havbunden iltniveauer er lidt højere-omkring 0.,5-3% af koncentrationerne ved havoverfladen-dyr er mere rigelige — men deres madbaner forbliver begrænsede: dyrene lever stadig af mikrober snarere end på hinanden. Men omkring et sted mellem 3% og 10% iltniveauer dukker rovdyr op og begynder at forbruge andre dyr4.

konsekvenserne af dette fund for evolution er dybe, siger Sperling.Den beskedne iltstigning, som han mener kan have fundet sted lige før Kambrium ville have været nok til at udløse en stor ændring., “Hvis iltniveauerne var 3%, og de steg forbi den 10% tærskel, ville det have haft en enorm indflydelse på den tidlige dyreudvikling,” siger han. “Der er lige så meget i dyreøkologi, livsstil og kropsstørrelse, der ser ud til at ændre sig så dramatisk gennem disse niveauer.”

Den gradvise fremkomst af rovdyr, drevet af en lille stigning i ilt, ville have betydet problemer for Ediacaran dyr, der manglede indlysende forsvar. “Du ser på bløde, for det meste immobile former, der sandsynligvis levede deres liv ved at absorbere næringsstoffer gennem deres hud,” siger Narbonne.,

undersøgelser af de gamle Namibiske rev antyder, at dyr faktisk begyndte at blive bytte for rovdyr ved udgangen af Ediacaran. Når palaeobiologist Rachel Wood fra University of Edinburgh, STORBRITANNIEN, undersøgte klippeformationer, hun fandt steder, hvor et primitivt dyr kaldet Cloudina havde overtaget dele af den mikrobielle reef. I stedet for at sprede sig ud over havbunden, levede disse kegleformede væsener i overfyldte kolonier, som skjulte deres sårbare kropsdele fra rovdyr — en økologisk dynamik, der forekommer i moderne REV5.,

Cloudina var blandt de tidligste dyr, der vides at have vokset hårdt, mineraliserede eksoskeletter. Men de var ikke alene. To andre typer dyr i disse rev havde også mineraliserede dele, hvilket antyder, at flere, uafhængige grupper udviklede skeletskaller omkring samme tid. “Skeletter er ret dyre at producere,” siger Woodood. “Det er meget vanskeligt at komme med en anden grund end forsvar for, hvorfor et dyr skulle gider at skabe et skelet for sig selv.”Woodood mener, at skeletterne gav beskyttelse mod nyudviklede rovdyr., Nogle Cloudina-fossiler fra den periode har endda huller i deres sider, som forskere fortolker som mærker af angribere, der bar ind i skabningerne” shells6.palæontologer har fundet andre antydninger om, at dyr var begyndt at spise hinanden i slutningen af Ediacaran. I Namibia, Australien og Ne .foundland i Canada har nogle havbundssedimenter bevaret en usædvanlig type tunnel lavet af en ukendt, ormlignende skabning7. Kaldet Treptichnus Burro .s, disse wararrens gren igen og igen, som om et rovdyr lige under den mikrobielle måtten systematisk havde undersøgt for byttedyr på toppen., De Treptichnus Burro .s ligner dem af moderne priapulid, eller “penis”, orme — grådige rovdyr, der jager på en bemærkelsesværdig lignende måde på moderne havbunde8.

fremkomsten af predation på dette tidspunkt sætte store, stillesiddende Ediacaran dyr på en stor ulempe. “At sidde og ikke gøre noget bliver et ansvar,” siger Narbonne.

verden i 3D

overgangsøjeblikket fra Ediacaran til den kambriske verden er optaget i en række stenudbrud afrundet af gamle gletsjere på den sydlige kant af Ne .foundland., Under denne grænse er indtryk efterladt af quuiltede Ediacaran dyr, de sidste sådanne fossiler registreret på jorden. Og bare 1,2 meter over dem, den grå siltstone holder stier af ridser mærker, menes at have været foretaget af dyr med e .oskeletons, gå på sammenføjede ben — de tidligste tegn på leddyr i Jordens historie.

ingen ved, hvor meget tid der gik i den mellemliggende klippe — måske så lidt som et par århundreder eller årtusinder, siger Narbonne., Men i løbet af den korte periode forsvandt den bløde, stationære Ediacaran-fauna pludselig, drevet til udryddelse af rovdyr, foreslår han.

Narbonne har nøje undersøgt de få fauna, der overlevede denne overgang, og hans fund antyder, at nogle af dem havde erhvervet nye, mere komplekse adfærdstyper. De bedste spor kommer fra spor efterladt af fredelige, ormlignende dyr, der græssede på den mikrobielle måtte., Tidlige stier fra omkring 555 millioner år siden bugter og krydser tilfældigt, hvilket indikerer et dårligt udviklet nervesystem, der ikke var i stand til at fornemme eller reagere på andre græsere i nærheden-endsige rovdyr. Men i slutningen af Ediacaran og ind i det tidlige Kambrium bliver stierne mere sofistikerede: væsener udskårne strammere sving og pløjede tæt afstand, parallelle linjer gennem sedimenterne. I nogle tilfælde overgår et kurvet fodringsspor pludselig til en lige linje, som Narbonne fortolker som potentielt bevis for, at grazereren undgår en predator9.,

denne ændring i græsningsstil kan have bidraget til fragmenteringen af den mikrobielle måtte, der begyndte tidligt i Kambrium. Og omdannelsen af havbunden, siger Narbonne, “kan have været den mest dybtgående ændring i livets historie på Jorden”10, 11. Måtten havde tidligere dækket havbunden som en belægning af plastfolie, hvilket efterlod de underliggende sedimenter stort set ano .iske og uden for grænser for dyr. Fordi dyr ikke kunne grave dybt i Ediacaran, siger han,”måtten betød, at livet var todimensionelt”., Da græsningsevnen blev forbedret, trængte dyrene ind i måtten og gjorde sedimenterne beboelige for første gang, hvilket åbnede en 3D-verden.spor fra det tidlige Kambrium viser, at dyr begyndte at grave flere centimeter ned i sedimenterne under måtten, hvilket gav adgang til tidligere uudnyttede næringsstoffer – samt et tilflugtssted fra rovdyr. Det er også muligt, at dyrene gik i den modsatte retning., Sperling siger, at behovet for at undgå rovdyr (og forfølge bytte) kan have drevet dyr ind i vandkolonnen over havbunden, hvor forbedrede iltniveauer gjorde det muligt for dem at bruge energi gennem svømning.

de nye beviser for iltgrænser og økologi kunne også kaste lys over et andet stort evolutionært spørgsmål: Hvornår stammer dyr? De første ubestridte fossiler af dyr vises kun for 580 millioner år siden, men genetiske beviser indikerer, at basale dyregrupper stammer fra så langt tilbage som 700 millioner til 800 millioner år siden., Ifølge Lyons kan løsningen være, at iltniveauet steg til måske 2% eller 3% af moderne niveauer for omkring 800 millioner år siden. Disse koncentrationer kunne have opretholdt små, enkle dyr, ligesom de gør i dag i havet ” s iltfattige .oner. Men dyr med store kroppe kunne ikke have udviklet sig, før iltniveauerne steg højere i Ediacaran.forståelse af, hvordan ilt påvirker udseendet af komplekse dyr, kræver, at forskere driller mere subtile spor ud af klipperne., “Vi har udfordret folk, der arbejder på fossiler for at binde deres fossiler tættere på vores iltproiesier,” siger Lyons. Det vil betyde at dechiffrere, hvilke iltniveauer der var i forskellige gamle miljøer, og forbinde disse værdier med de slags træk, der udstilles af dyrefossilerne, der findes på de samme steder.

dette sidste efterår besøgte Woodsoods Sibirien med det mål i tankerne. Hun indsamlede fossiler af Cloudina og et andet skeletoniseret dyr, Suvorovella, fra Ediacarans aftagende dage., Disse steder gav hende chancen for at samle fossiler fra mange forskellige dybder i det gamle hav, fra de mere iltrige overfladevand til dybere .oner. Træ planlægger at kigge efter mønstre, hvor dyr voksede hårdere skeletter, om de var under angreb af rovdyr, og om noget af dette havde en klar forbindelse med iltniveauer, hun siger. “Først da kan du vælge historien.”