mi váltotta ki a kambriumi robbanás?

a sötét, sziklás csúcsok sorozata 80 méterrel emelkedik Namíbia füves síksága fölé. A csúcsok valami ősire emlékeztetnek — a múltbeli civilizációk temetkezési halmaira vagy a korszakok által eltemetett hatalmas piramisok csúcsaira.,

a kőalakzatok valóban egy elhalványult Birodalom emlékművei, de nem az emberi kéz által faragott semmitől. Ezek a cianobaktériumok által 543 millió évvel ezelőtt, az Ediacaran időszak néven ismert sekély tengerfenéken épített csúcszátonyok. A zátonyok által elfoglalt ősi világ valóban idegen volt. Az óceánok olyan kevés oxigént tartottak, hogy a modern halak gyorsan kialakultak és ott haltak meg. Abban az időben a tengerfenéket egy mikrobás szőnyeg borította, azon a takarón pedig különféle rejtélyes állatok éltek, amelyek teste vékony, steppelt párnákra hasonlított., A legtöbb helyhez kötött, de néhány kanyargós vakon át a nyálka, legeltetés a mikrobák. Az állati élet ezen a ponton egyszerű volt, és nem voltak ragadozók. De egy evolúciós vihar hamarosan felemeli ezt a csendes világot.

több millió éven belül ez az egyszerű ökoszisztéma eltűnik, és helyet ad egy olyan világnak, amelyet a modern anatómiai jellemzőkkel rendelkező, magasan mozgó állatok uralnak. A Kambriumi robbanás, ahogy nevezik, az előállított ízeltlábúak a lába, összetett szemek, férgek, tollas kopoltyú, valamint swift ragadozók hogy összeroppantaná ragadozó fogak keretes cápa., A biológusok évtizedek óta vitatkoznak azon, ami meggyújtotta ezt az evolúciós robbanást. Egyesek úgy vélik, hogy az oxigén meredek emelkedése váltotta ki a változást, míg mások azt mondják, hogy valamilyen kulcsfontosságú evolúciós innováció, például a látás fejlődéséből származik. A pontos ok egyelőre nem ismert, részben azért, mert az akkori fizikai és kémiai környezetről keveset tudunk.

de az elmúlt néhány évben, a felfedezések kezdtek kínzó nyomokat adni az Ediacaran végéről., Bizonyíték gyűlt össze, a Namíbiai zátonyok, illetve más oldalakon arra utal, hogy a korábbi elméletek voltak túlzottan leegyszerűsített, hogy a Kambriumi robbanás valójában alakult ki egy komplex közötti kölcsönhatás kis környezeti változások eredményezték jelentős evolúciós változások.

egyes tudósok most úgy gondolják, hogy az oxigén kicsi, talán átmeneti növekedése hirtelen átlépte az ökológiai küszöböt, lehetővé téve a ragadozók megjelenését. A ragadozók felemelkedése egy evolúciós fegyverkezési versenyt indított volna el, amely összetett testtípusok és viselkedések robbanásához vezetett, amelyek ma kitöltik az óceánokat., “Ez a legjelentősebb esemény a Föld evolúciójában” – mondja Guy Narbonne, a kanadai Kingstonban található Queen Egyetem paleobiológusa. “Az oxigénellátás által lehetővé tett átható húsevő megjelenése valószínűleg jelentős kiváltó tényező volt.”

energia éget

a modern világban, ez könnyű elfelejteni, hogy a komplex állatok relatív újonnan a földre. Mivel az élet először alakult ki több mint 3 milliárd évvel ezelőtt, egysejtű organizmusok uralták a bolygót a történelem nagy részében., Virágzó környezetben, hogy hiányzott az oxigén, támaszkodtak vegyületek, mint a szén-dioxid, kéntartalmú molekulák vagy vas ásványi anyagok, amelyek oxidálószerként lebontják az élelmiszer. Sok a Föld mikrobiális bioszféra még mindig túléli ezeket anaerob utak.

az állatok azonban az oxigéntől függenek-sokkal gazdagabb módja a megélhetésnek. Az élelmiszer oxigén jelenlétében történő metabolizálásának folyamata sokkal több energiát szabadít fel, mint a legtöbb anaerob útvonal., Állatok támaszkodik, ez a hatékony, kontrollált égésű vezetni, mint az energia-éhes újítások, mint az izmok, az idegrendszer, illetve az eszközök a védelmi, valamint carnivory — sós kagyló, külső fogak.

tekintettel az oxigén fontosságára az állatok számára, a kutatók azt gyanították, hogy a gáz hirtelen növekedése az óceán Közel-modern szintjeire ösztönözhette a kambriumi robbanást. Ennek az elképzelésnek a kipróbálására tanulmányozták az Ediacaran és kambriumi korszakokban lefektetett ősi óceáni üledékeket, amelyek együttesen körülbelül 635 millió-485 millió évvel ezelőtt futottak.,

Namíbiában, Kínában és a világ más pontjain a kutatók olyan kőzeteket gyűjtöttek, amelyek egykor ősi tengerfenék voltak, és elemezték a bennük lévő vas, molibdén és más fémek mennyiségét. A fémek ” oldhatósága nagymértékben függ a jelen lévő oxigén mennyiségétől, így az ősi üledékes kőzetekben lévő fémek mennyisége és típusa tükrözi, hogy mennyi oxigén volt a vízben régen, amikor az üledékek kialakultak.,

ezek proxies úgy tűnt, hogy azt jelzi, hogy az oxigén koncentrációja az óceánok emelkedett több lépésben, közeledik a mai tenger-felszíni koncentrációk elején a kambrium, mintegy 541 millió évvel ezelőtt-előtt több modern állatok hirtelen megjelent és diverzifikált. Ez támogatta az oxigén gondolatát, mint az evolúciós robbanás kulcsfontosságú kiváltóját.

de tavaly az ősi tengerfenéki üledékek egyik fő tanulmánya1 megkérdőjelezte ezt a nézetet., Erik Sperling, a kaliforniai Stanford Egyetem paleontológusa 4700, az Ediacaran és a kambriumi korszakokat átfogó vasmérési adatbázist állított össze a világ kőzeteiből. Kollégáival nem találtak statisztikailag szignifikáns növekedést az oxik és az anoxikus víz arányában az Ediacaran és a kambrium közötti határon.

“minden oxigenizációs eseménynek sokkal, sokkal kisebbnek kellett lennie, mint amit az emberek általában figyelembe vettek” – zárja le Sperling. A legtöbb ember azt feltételezi ,hogy ” az oxigénellátási esemény lényegében oxigént emelt a lényegében modern szintre., És valószínűleg nem ez volt a helyzet ” – mondta.

a legfrissebb eredmények olyan időpontban érkeznek, amikor a tudósok már átgondolják, mi történik az óceán oxigénszintjével ebben a kritikus időszakban. Donald Canfield, az Odense-I Dél-Dán Egyetem geobiológusa kételkedik abban, hogy az oxigén korlátozó tényező volt a korai állatok számára. A múlt hónapban közzétett tanulmányban2 kollégáival azt sugallják, hogy az oxigénszint már elég magas volt ahhoz, hogy támogassa az egyszerű állatokat, például szivacsokat, több száz millió évvel azelőtt, hogy ténylegesen megjelentek., A kambriumi állatoknak több oxigénre lett volna szükségük, mint a korai szivacsok, elismeri Canfield. “De nem kell az oxigén növekedése az Ediacaran / kambrium határán” – mondja; az oxigén már elég “hosszú, hosszú ideig”elegendő lehetett volna.

“az oxigén szerepe az állatok eredetében erősen vitatott” – mondja Timothy Lyons, a Kaliforniai Egyetem geobiológusa, Riverside. “Valójában, ez soha nem volt több vita, mint most.,”Lyons lát szerepet az oxigén evolúciós változások, de a saját work3 a molibdén, illetve más, nyomelemeket arra utal, hogy az növeli az oxigén, mielőtt a Kambriumi többnyire ideiglenes csúcsok tartott néhány millió év, majd fokozatosan lépett felfelé (lásd a “Ha az élet felgyorsította”).

Modern tükrök

Sperling az oxigénhiányos óceánok tanulmányozásával keresett betekintést az Ediacarai óceánokba régiók a modern tengerek szerte a világon., Azt sugallja, hogy a biológusok hagyományosan rossz megközelítést alkalmaztak arra, hogy gondolkodjanak arról, hogy az oxigén hogyan alakítja az állatok evolúcióját. A korábban közzétett adatok összevonásával és elemzésével néhány sajátjával azt találta, hogy az apró férgek túlélnek a tengerfenék olyan területein, ahol az oxigénszint hihetetlenül alacsony — kevesebb, mint az átlagos globális tengerfelszín-koncentráció 0, 5% – a. Ezekben az oxigénszegény környezetben az élelmiszerhálók egyszerűek, az állatok pedig közvetlenül a mikrobákon táplálkoznak. Olyan helyeken, ahol a tengerfenék oxigénszintje kissé magasabb-körülbelül 0.,A tengerfelszínen a koncentráció 5-3% – a-az állatok bőségesebbek, de táplálékuk korlátozott: az állatok még mindig mikrobákkal táplálkoznak, nem pedig egymással. De valahol 3-10% között az oxigénszint, a ragadozók megjelennek és elkezdenek fogyasztani más állatokat4.

ennek a megállapításnak az evolúcióra gyakorolt következményei mélyek-mondja Sperling.A szerény oxigénemelkedés, amelyről úgy gondolja, hogy közvetlenül a kambrium előtt történt, elegendő lett volna egy nagy változás kiváltásához., “Ha az oxigénszint 3% lett volna, és túlléptek volna a 10% – os küszöbön, az óriási hatással lett volna a korai állati evolúcióra” – mondja. “Olyan sok minden van az állati ökológiában, az életmódban és a testméretben, ami úgy tűnik, hogy ezen a szinten drámaian megváltozik.”

a ragadozók fokozatos megjelenése, amelyet az oxigén kis emelkedése vezet, gondot jelentett volna az Ediacaran állatok számára, amelyeknek nem volt nyilvánvaló védelme. “Olyan puha testű, többnyire mozdulatlan formákat nézel, amelyek valószínűleg úgy éltek az életükben, hogy a bőrükön keresztül felszívják a tápanyagokat” – mondja Narbonne.,

az ősi Namíbiai zátonyok tanulmányai azt sugallják, hogy az állatok valóban az Ediacaran végére ragadozók áldozatává váltak. Amikor Rachel Wood, az Egyesült Királyság Edinburgh-i Egyetem paleobiológusa megvizsgálta a sziklaalakzatokat, olyan helyeket talált, ahol egy Cloudina nevű primitív állat átvette a mikrobiális zátony részeit. Ahelyett, hogy elterjedtek volna az óceán fenekén, ezek a kúp alakú lények zsúfolt kolóniákban éltek,amelyek elrejtették sebezhető testrészeiket a ragadozóktól-ez egy ökológiai dinamika, amely a modern reefs5-ben fordul elő.,

a Cloudina a legkorábbi állatok közé tartozott, amelyekről ismert, hogy kemény, mineralizált exoskeletonokat termesztettek. De nem voltak egyedül. A zátonyok két másik állatfajának is mineralizált részei voltak, ami arra utal, hogy több, egymástól független csoportok nagyjából ugyanabban az időben fejlődtek ki a csontvázak. “A csontvázak előállítása meglehetősen költséges” – mondja Wood. “Ez nagyon nehéz, hogy dolgozzon ki egy más okból, mint a védelem, hogy miért egy állat zavarja, hogy hozzon létre egy csontváz magának.”Wood úgy gondolja, hogy a csontvázak védelmet nyújtottak az újonnan kialakult ragadozók ellen., Néhány Cloudina kövület ebben az időszakban még lyukak vannak az oldalukon, amelyeket a tudósok úgy értelmeznek, mint a támadók nyomai, amelyek a” shells6 ” lényekbe kerültek.

a paleontológusok más utalásokat is találtak arra, hogy az állatok a késő Ediacaranig elkezdték enni egymást. Namíbiában, Ausztráliában és új-Fundlandban, Kanadában néhány tengerfenéki üledék egy ismeretlen, féregszerű teremtmény által készített szokatlan típusú alagutat tartott7. Az úgynevezett Treptichnus burrows, ezek a warrens újra és újra elágaznak, mintha egy ragadozó közvetlenül a mikrobiális szőnyeg alatt szisztematikusan megvizsgálta volna a ragadozó állatokat a tetején., A Treptichnus burrows hasonlít a modern priapulid, vagy “pénisz”, férgek — telhetetlen ragadozók vadásznak egy rendkívül hasonló módon a modern tengerfenék8.

a predáció növekedése ebben az időben nagy, ülő Ediacaran állatokat nagy hátrányba hozott. “A semmittevés körül ülve felelősséggé válik” – mondja Narbonne.

A világ 3D-ben

az Ediacaranról a kambriumi világra való átmenet pillanatát egy sor kőfelszínben rögzítik, amelyeket az ősi gleccserek kerekítenek Newfoundland déli szélén., E határ alatt a Steppelt Ediacaran állatok által hagyott benyomások vannak,az utolsó ilyen fosszíliák a Földön. És mindössze 1,2 méterrel felettük, a szürke iszap tart nyomvonalak karcolás jelek, úgy gondolják, hogy az állatok exoskeletons, séta a csuklós lábak-a legkorábbi bizonyíték ízeltlábúak a Föld történetében.

senki sem tudja, mennyi idő telt el ebben a beavatkozó sziklában — talán olyan kevés, mint néhány évszázad vagy évezred-mondja Narbonne., De ez alatt a rövid idő alatt a puha testű, helyhez kötött Ediacaran fauna hirtelen eltűnt, amelyet a ragadozók kihaltak, javasolja.

Narbonne alaposan tanulmányozta azt a kevés állatvilágot, amely túlélte ezt az átmenetet, és megállapításai arra utalnak, hogy némelyikük új, összetettebb viselkedési típusokat szerzett. A legjobb nyomok a békés, féregszerű állatok által hagyott nyomokból származnak, amelyek a mikrobiális szőnyegen legeltek., 555 millió évvel ezelőtti korai nyomvonalak meander és criss-cross véletlenül, jelezve egy rosszul fejlett idegrendszert, amely nem volt képes érzékelni vagy reagálni a közelben lévő többi legeltetőre — nem is beszélve a ragadozókról. De a végén a Ediacaran, illetve a kora Kambriumi, a pályák egyre kifinomultabb: a lények faragott szűkebb megfordult, s szántott szorosan elosztott, párhuzamos vonalak a üledékek. Bizonyos esetekben egy kanyargós etetési nyomvonal hirtelen egyenes vonalra vált, amelyet Narbonne a predator9 elkerülésének lehetséges bizonyítékaként értelmez.,

Ez a legeltetési stílus változása hozzájárulhatott a mikrobiális szőnyeg töredezettségéhez, amely a kambrium elején kezdődött. A tengerfenék átalakulása, mondja Narbonne,”talán a legmélyebb változás volt a földi élet történetében” 10, 11. A szőnyeg korábban úgy fedte le a tengerfenéket, mint egy műanyag burkolatot, így a mögöttes üledékek nagyrészt anoxikusak voltak, és az állatokra korlátozódtak. Mivel az állatok nem tudtak mélyen behatolni az Ediacaranba, azt mondja: “a szőnyeg azt jelentette, hogy az élet kétdimenziós”., Amikor a legeltetési képességek javultak, az állatok behatoltak a szőnyegbe, és először lakhatóvá tették az üledékeket, ami egy 3D-s világot nyitott meg.

a korai kambriumi nyomok azt mutatják, hogy az állatok több centimétert ástak a szőnyeg alatti üledékekbe, amelyek hozzáférést biztosítottak a korábban kiaknázatlan tápanyagokhoz — valamint menedéket nyújtottak a ragadozóktól. Az is lehetséges, hogy az állatok ment az ellenkező irányba., Sperling szerint a ragadozók elkerülésének szükségessége (és a zsákmányszerzés) az állatokat a tengerfenék feletti vízoszlopba sodorhatta, ahol a fokozott oxigénszint lehetővé tette számukra, hogy úszással energiát költsenek.

az oxigénküszöbökre és az ökológiára vonatkozó új bizonyítékok egy másik fontos evolúciós kérdésre is rávilágíthatnak: mikor származtak az állatok? Az állatok első vitathatatlan kövületei csak 580 millió évvel ezelőtt jelennek meg, de a genetikai bizonyítékok azt mutatják, hogy az alapvető állatcsoportok 700 millió-800 millió évvel ezelőtt származtak., Lyons szerint a megoldás az lehet, hogy az oxigénszint körülbelül 800 millió évvel ezelőtt a modern szintek 2% – ára vagy 3% – ára emelkedett. Ezek a koncentrációk lehetett volna tartós kis, egyszerű állatok, csakúgy, mint ma az óceán oxigénszegény zónák. De a nagy testű állatok nem fejlődhettek volna, amíg az oxigénszint magasabbra nem emelkedett az Ediacaranban.

annak megértése, hogy az oxigén hogyan befolyásolta a komplex állatok megjelenését, megköveteli a tudósoktól, hogy finomabb nyomokat kötjenek ki a sziklákból., “Mi már kihívást emberek dolgoznak fosszíliák kötni a kövületek jobban az oxigén proxyk,” mondja Lyons. Ez azt jelenti, hogy megfejtjük, milyen oxigénszintek voltak a különböző ősi környezetekben, és összekapcsoljuk ezeket az értékeket az ugyanazon a helyen található állati fosszíliák által mutatott tulajdonságokkal.

az elmúlt ősszel Woods meglátogatta Szibériát, ezt a célt szem előtt tartva. Cloudina és egy másik csontvázas állat, a Suvorovella fosszíliáit gyűjtötte össze az Ediacaran hanyatló napjairól., Ezek a helyek lehetőséget adtak neki, hogy kövületeket gyűjtsön az ókori óceán számos különböző mélységéből, az oxigénben gazdag felszíni vizektől a mélyebb zónákig. Wood azt tervezi, hogy olyan mintákat keres, ahol az állatok keményebb csontvázakat növesztenek, függetlenül attól, hogy a ragadozók megtámadták-e őket, és hogy ezek bármelyike egyértelműen összefügg-e az oxigénszinttel-mondja. “Csak akkor lehet kiválasztani a történetet.”