¿qué provocó la explosión cámbrica?

una serie de Pináculos oscuros y escarpados se eleva 80 metros sobre las llanuras cubiertas de hierba de Namibia. Los picos recuerdan algo antiguo: los túmulos funerarios de civilizaciones pasadas o las puntas de vastas pirámides enterradas por los siglos.,

Las formaciones de piedra son de hecho monumentos de un imperio desvanecido, pero no de nada tallado por manos humanas. Son arrecifes pinnacle, construidos por cianobacterias en el fondo del mar poco profundo hace 543 millones de años, durante un tiempo conocido como el período Ediacárico. El mundo antiguo ocupado por estos arrecifes era verdaderamente extraño. Los océanos contenían tan poco oxígeno que los peces modernos rápidamente se fundían y morían allí. Una alfombra pegajosa de microbios cubría el fondo del mar en ese momento, y en esa manta vivía una variedad de animales enigmáticos cuyos cuerpos parecían almohadas delgadas y acolchadas., La mayoría estaban estacionarios, pero algunos serpenteaban ciegamente sobre el limo, pastando sobre los microbios. La vida Animal en este punto era simple, y no había depredadores. Pero una tormenta evolutiva pronto trastornaría este mundo tranquilo.

dentro de varios millones de años, este simple ecosistema desaparecería, y daría paso a un mundo gobernado por animales altamente móviles que lucían características anatómicas modernas. La explosión cámbrica, como se le llama, produjo artrópodos con patas y ojos compuestos, gusanos con branquias plumosas y rapaces depredadores que podían aplastar a las presas en mandíbulas con bordes de dientes., Los biólogos han discutido durante décadas sobre lo que encendió esta explosión evolutiva. Algunos piensan que un fuerte aumento en el oxígeno provocó el cambio, mientras que otros dicen que surgió del desarrollo de alguna innovación evolutiva clave, como la visión. La causa precisa ha seguido siendo difícil de alcanzar, en parte porque se sabe muy poco sobre el entorno físico y químico en ese momento.

pero en los últimos años, los descubrimientos han comenzado a dar algunas pistas tentadoras sobre el final del Ediacaran., La evidencia recopilada de los arrecifes de Namibia y otros sitios sugiere que las teorías anteriores eran demasiado simplistas: que la explosión cámbrica en realidad surgió de una compleja interacción entre pequeños cambios ambientales que desencadenaron grandes desarrollos evolutivos.

algunos científicos ahora piensan que un pequeño, quizás temporal, aumento de oxígeno de repente cruzó un umbral ecológico, permitiendo la aparición de depredadores. El surgimiento de carnivory habría desencadenado una carrera armamentista evolutiva que llevó a la explosión de tipos y comportamientos corporales complejos que llenan los océanos hoy en día., «Este es el evento más significativo en la evolución de la tierra», dice Guy Narbonne, paleobiólogo de la Universidad Queen en Kingston, Canadá. «El advenimiento de la carnivoría penetrante, hecho posible por la oxigenación, es probable que haya sido un detonante importante.»

energía para quemar

en el mundo moderno, es fácil olvidar que los animales complejos son relativamente recién llegados a la Tierra. Desde que la vida surgió por primera vez hace más de 3 mil millones de años, los organismos unicelulares han dominado el planeta durante la mayor parte de su historia., Prosperando en ambientes que carecían de oxígeno, dependían de compuestos como el dióxido de carbono, moléculas que contienen azufre o minerales de hierro que actúan como agentes oxidantes para descomponer los alimentos. Gran parte de la Biosfera microbiana de la Tierra aún sobrevive en estas vías anaeróbicas.

Los animales, sin embargo, dependen del oxígeno, una forma mucho más rica de ganarse la vida. El proceso de metabolizar los alimentos en presencia de oxígeno libera mucha más energía que la mayoría de las vías anaeróbicas., Los animales confían en esta combustión potente y controlada para impulsar innovaciones hambrientas de energía como los músculos, los sistemas nerviosos y las herramientas de defensa y las conchas mineralizadas carnívoras, exoesqueletos y dientes.

dada la importancia del oxígeno para los animales, los investigadores sospecharon que un aumento repentino del gas a niveles casi modernos en el océano podría haber estimulado la explosión cámbrica. Para probar esa idea, han estudiado antiguos sedimentos oceánicos depositados durante los períodos Ediacárico y Cámbrico, que en conjunto se extendieron desde hace unos 635 millones a 485 millones de años.,

en Namibia, China y otros lugares alrededor del mundo, los investigadores han recolectado rocas que alguna vez fueron fondos marinos antiguos, y analizado las cantidades de hierro, molibdeno y otros metales en ellos. La solubilidad de los metales depende en gran medida de la cantidad de oxígeno presente, por lo que la cantidad y el tipo de esos metales en las rocas sedimentarias antiguas reflejan la cantidad de oxígeno que había en el agua hace mucho tiempo, cuando se formaron los sedimentos.,

estos proxies parecían indicar que las concentraciones de oxígeno en los océanos aumentaron en varios pasos, acercándose a las concentraciones actuales de la superficie del mar al comienzo del Cámbrico, hace alrededor de 541 millones de años, justo antes de que aparecieran y se diversificaran animales modernos. Esto apoyó la idea del oxígeno como un disparador clave para la explosión evolutiva.

pero el año pasado, un importante estudio1 de antiguos sedimentos del fondo marino cuestionó esa opinión., Erik Sperling, paleontólogo de la Universidad de Stanford en California, compiló una base de datos de 4.700 mediciones de hierro tomadas de rocas de todo el mundo, que abarcan los períodos Ediacárico y Cámbrico. Él y sus colegas no encontraron un aumento estadísticamente significativo en la proporción de agua oxica a anóxica en el límite entre el Ediacárico y el Cámbrico.

«cualquier evento de oxigenación debe haber sido mucho, mucho más pequeño de lo que la gente normalmente considera», concluye Sperling. La mayoría de la gente asume «que el evento de oxigenación esencialmente elevó el oxígeno a niveles esencialmente modernos., Y probablemente ese»no era el caso», dice.

los últimos resultados llegan en un momento en que los científicos ya están reconsiderando lo que estaba sucediendo con los niveles de oxígeno en el océano durante este período crucial. Donald Canfield, geobiólogo de la Universidad Del Sur de Dinamarca en Odense, duda de que el oxígeno fuera un factor limitante para los primeros animales. En un estudio publicado el mes pasado 2, él y sus colegas sugieren que los niveles de oxígeno ya eran lo suficientemente altos como para soportar animales simples, como esponjas, cientos de millones de años antes de que realmente aparecieran., Los animales cámbricos habrían necesitado más oxígeno que las primeras esponjas, reconoce Canfield. «Pero no se necesita un aumento de oxígeno a través del límite Ediacárico/Cámbrico», dice; el oxígeno ya podría haber sido lo suficientemente abundante «durante mucho, mucho tiempo antes».

«El papel del oxígeno en los orígenes de los animales ha sido muy debatido», dice Timothy Lyons, geobiólogo de la Universidad de California, Riverside. «De hecho, nunca se ha debatido más que ahora., Lyons ve un papel para el oxígeno en los cambios evolutivos, pero su propio trabajo3 con molibdeno y otros metales traza sugiere que los aumentos en el oxígeno justo antes del Cámbrico fueron en su mayoría picos temporales que duraron unos pocos millones de años y gradualmente se elevaron (ver «cuando la vida se aceleró»).

Moderno espejos

Sperling ha mirado para ahondar en la Ediacaran océanos mediante el estudio de oxígeno regiones en las modernas mares de todo el mundo., Sugiere que los biólogos han tomado convencionalmente el enfoque equivocado al pensar sobre cómo el oxígeno dio forma a la evolución animal. Al reunir y analizar datos publicados anteriormente con algunos de los suyos, descubrió que pequeños gusanos sobreviven en áreas del fondo marino donde los niveles de oxígeno son increíblemente bajos, menos del 0,5% de las concentraciones promedio globales en la superficie del mar. Las redes alimentarias en estos ambientes pobres en oxígeno son simples, y los animales se alimentan directamente de microbios. En lugares donde los niveles de oxígeno del fondo marino son un poco más altos-alrededor de 0.,5-3% de las concentraciones en la superficie del mar-los animales son más abundantes, pero sus redes alimentarias siguen siendo limitadas: los animales todavía se alimentan de microbios en lugar de uno al otro. Pero alrededor de entre el 3% y el 10% de los niveles de oxígeno, los depredadores emergen y comienzan a consumir otros animales4.

las implicaciones de este hallazgo para la evolución son profundas, dice Sperling.El modesto aumento de oxígeno que cree que pudo haber ocurrido justo antes del Cámbrico habría sido suficiente para desencadenar un gran cambio., «Si los niveles de oxígeno fueran del 3% y superaran ese umbral del 10%, eso habría tenido una gran influencia en la evolución temprana de los animales», dice. «Hay tanto en ecología animal, Estilo de vida y tamaño corporal que parece cambiar tan dramáticamente a través de esos niveles.»

la aparición gradual de depredadores, impulsada por un pequeño aumento en el oxígeno, habría significado problemas para los animales Ediacáricos que carecían de defensas obvias. «Estás mirando formas de cuerpo suave, en su mayoría inmóviles que probablemente vivieron sus vidas absorbiendo nutrientes a través de su piel», dice Narbonne.,

Los estudios de esos antiguos arrecifes de Namibia sugieren que los animales estaban empezando a caer presa de los depredadores al final del Ediacaran. Cuando la paleobióloga Rachel Wood de la Universidad de Edimburgo, Reino Unido, examinó las formaciones rocosas, encontró lugares donde un animal primitivo llamado Cloudina se había apoderado de partes del arrecife microbiano. En lugar de extenderse por el fondo del Océano, estas criaturas en forma de cono vivían en colonias atestadas, que ocultaban sus partes vulnerables del cuerpo de los depredadores, una dinámica ecológica que ocurre en las reefs modernas5.,

Cloudina fue uno de los primeros animales conocidos por haber crecido duro, exoesqueletos mineralizados. Pero no estaban solos. Otros dos tipos de animales en esos arrecifes también tenían partes mineralizadas, lo que sugiere que múltiples grupos no relacionados desarrollaron conchas esqueléticas al mismo tiempo. «Los esqueletos son bastante costosos de producir», dice Wood. «Es muy difícil encontrar una razón que no sea la defensa de por qué un animal debería molestarse en crear un esqueleto para sí mismo.»Wood piensa que los esqueletos proporcionaron protección contra los depredadores recién evolucionados., Algunos fósiles de Cloudina de ese período incluso tienen agujeros en sus lados, que los científicos interpretan como las marcas de atacantes que perforaron las criaturas » shells6.

Los paleontólogos han encontrado otros indicios de que los animales habían comenzado a comerse unos a otros por el Ediacaran tardío. En Namibia, Australia y Terranova en Canadá, algunos sedimentos del fondo marino han conservado un tipo inusual de túnel hecho por una criatura desconocida, parecida a un gusano 7. Llamadas madrigueras Treptichnus, estas madrigueras se ramifican una y otra vez, como si un depredador justo debajo de la estera microbiana hubiera sondeado sistemáticamente en busca de presas en la parte superior., Las Madrigueras Treptichnus se asemejan a las de los príapulidos modernos, o «pene», gusanos — depredadores voraces que cazan de una manera notablemente similar en los suelos marinos modernos8.

el aumento de la depredación en este momento puso a los animales Ediacáricos grandes y sedentarios en una gran desventaja. «Sentarse sin hacer nada se convierte en una carga», dice Narbonne.

el mundo en 3D

el momento de transición del mundo Ediacárico al Cámbrico se registra en una serie de afloramientos de piedra redondeados por antiguos glaciares en el extremo sur de Terranova., Debajo de ese límite están las impresiones dejadas por animales ediacáricos acolchados, los últimos fósiles registrados en la Tierra. Y a solo 1,2 metros por encima de ellos, la piedra limosa gris contiene rastros de marcas de arañazos, que se cree que fueron hechas por animales con exoesqueletos, caminando sobre patas articuladas, la evidencia más temprana de artrópodos en la historia de la Tierra.

nadie sabe cuánto tiempo pasó en esa roca intermedia, tal vez tan poco como unos pocos siglos o milenios, dice Narbonne., Pero durante ese corto lapso, la fauna Ediacárica estacionaria de cuerpo blando desapareció repentinamente, impulsada a la extinción por los depredadores, sugiere.

Narbonne ha estudiado de cerca la poca fauna que sobrevivió a esta transición, y sus hallazgos sugieren que algunos de ellos habían adquirido nuevos tipos de comportamiento más complejos. Las mejores pistas provienen de los rastros dejados por animales pacíficos y parecidos a gusanos que pastaban en la alfombra microbiana., Los primeros senderos de hace unos 555 millones de años serpentean y se entrecruzan al azar, lo que indica un sistema nervioso mal desarrollado que era incapaz de sentir o reaccionar a otros pastadores cercanos, y mucho menos a los depredadores. Pero al final del Ediacárico y en el Cámbrico temprano, los senderos se vuelven más sofisticados: las criaturas tallaron giros más estrechos y araron líneas paralelas estrechamente espaciadas a través de los sedimentos. En algunos casos, un sendero de alimentación con curvas cambia abruptamente a una línea recta, que Narbonne interpreta como evidencia potencial del pastoreo evadiendo a un depredador9.,

este cambio en el estilo de pastoreo puede haber contribuido a la fragmentación de la estera microbiana, que comenzó temprano en el Cámbrico. Y la transformación del fondo marino, dice Narbona, «puede haber sido el cambio más profundo en la historia de la vida en la Tierra» 10, 11. La estera había cubierto previamente el fondo marino como una capa de envoltura de plástico, dejando los sedimentos subyacentes en gran parte anóxicos y fuera del alcance de los animales. Debido a que los animales no podían excavar profundamente en el Ediacaran, dice, «la estera significaba que la vida era bidimensional»., Cuando las capacidades de pastoreo mejoraron, los animales penetraron en la estera e hicieron que los sedimentos fueran habitables por primera vez, lo que abrió un mundo 3D.

Las huellas del Cámbrico temprano muestran que los animales comenzaron a excavar varios centímetros en los sedimentos debajo de la estera, lo que proporcionó acceso a nutrientes previamente no explotados, así como un refugio de los depredadores. También es posible que los animales fueran en la dirección opuesta., Sperling dice que la necesidad de evitar depredadores (y perseguir presas) puede haber llevado a los animales a la columna de agua por encima del lecho marino, donde los niveles de oxígeno mejorados les permitieron gastar energía a través de la natación.

la evidencia emergente sobre los umbrales de oxígeno y la ecología también podría arrojar luz sobre otra pregunta evolutiva importante: ¿cuándo se originaron los animales? Los primeros fósiles indiscutibles de animales aparecen hace solo 580 millones de años, pero la evidencia genética indica que los grupos básicos de animales se originaron desde hace 700 a 800 millones de años., De acuerdo con Lyons, la solución puede ser que los niveles de oxígeno aumentaron a tal vez 2% o 3% de los niveles modernos alrededor de 800 millones de años atrás. Estas concentraciones podrían haber sostenido animales pequeños y simples, tal como lo hacen hoy en las zonas pobres en oxígeno del Océano. Pero los animales con cuerpos grandes no podrían haber evolucionado hasta que los niveles de oxígeno subieron más alto en el Ediacaran.

comprender cómo el oxígeno influyó en la apariencia de animales complejos requerirá que los científicos saquen pistas más sutiles de las rocas., «Hemos estado retando a las personas que trabajan en fósiles a que vinculen sus fósiles más estrechamente a nuestros proxies de oxígeno», dice Lyons. Significará descifrar qué niveles de oxígeno había en diferentes ambientes antiguos, y conectar esos valores con los tipos de rasgos exhibidos por los fósiles de animales encontrados en los mismos lugares.

el pasado otoño, Woods visitó Siberia con ese objetivo en mente. Ella recolectó fósiles de Cloudina y otro animal esqueletizado, Suvorovella, de los días menguantes del Ediacaran., Esos sitios le dieron la oportunidad de reunir fósiles de muchas profundidades diferentes en el océano Antiguo, desde las aguas superficiales más ricas en oxígeno hasta las zonas más profundas. Wood planea buscar patrones en los que los animales estaban creciendo esqueletos más resistentes, si estaban siendo atacados por depredadores y si algo de esto tenía un vínculo claro con los niveles de oxígeno, dice. «Solo entonces puedes elegir la historia.”