John Sibbick/Natural History Museum
I mari del Cambriano pullulavano di nuovi tipi di animali, come il predatore Anomalocaris (al centro).
Una serie di pinnacoli scuri e scoscesi si erge a 80 metri sopra le pianure erbose della Namibia. Le cime richiamano alla mente qualcosa di antico: i tumuli funerari delle civiltà passate o le punte di vaste piramidi sepolte dai secoli.,
Le formazioni di pietra sono davvero monumenti di un impero sbiadito, ma non da nulla scavato da mani umane. Sono barriere coralline, costruite dai cianobatteri sul fondo del mare poco profondo 543 milioni di anni fa, durante un periodo noto come periodo Ediacarano. Il mondo antico occupato da queste barriere coralline era veramente alieno. Gli oceani contenevano così poco ossigeno che i pesci moderni sarebbero rapidamente fondati e morti lì. Una stuoia appiccicosa di microbi copriva il fondo del mare all’epoca, e su quella coperta vivevano una varietà di animali enigmatici i cui corpi assomigliavano a sottili cuscini trapuntati., La maggior parte erano stazionari, ma alcuni serpeggiavano ciecamente sopra la melma, pascolando sui microbi. La vita animale a questo punto era semplice e non c’erano predatori. Ma una tempesta evolutiva avrebbe presto sconvolto questo mondo tranquillo.
Nel giro di diversi milioni di anni, questo semplice ecosistema sarebbe scomparso e avrebbe lasciato il posto a un mondo governato da animali altamente mobili che sfoggiavano caratteristiche anatomiche moderne. L’esplosione cambriana, come viene chiamata, produceva artropodi con zampe e occhi composti, vermi con branchie piumose e predatori rapidi che potevano schiacciare le prede nelle mascelle dentate., I biologi hanno discusso per decenni su ciò che ha acceso questa raffica evolutiva. Alcuni pensano che un forte aumento dell’ossigeno abbia scatenato il cambiamento, mentre altri dicono che è nato dallo sviluppo di alcune innovazioni evolutive chiave, come la visione. La causa precisa è rimasta inafferrabile, in parte perché così poco si sa circa l’ambiente fisico e chimico in quel momento.
Ma negli ultimi anni, le scoperte hanno iniziato a produrre alcuni allettanti indizi sulla fine dell’Ediacaran., Le prove raccolte dalle barriere coralline della Namibia e da altri siti suggeriscono che le teorie precedenti erano eccessivamente semplicistiche-che l’esplosione cambriana è effettivamente emersa da una complessa interazione tra piccoli cambiamenti ambientali che hanno innescato importanti sviluppi evolutivi.
Alcuni scienziati ora pensano che un piccolo, forse temporaneo, aumento di ossigeno abbia improvvisamente superato una soglia ecologica, consentendo l’emergere di predatori. L’ascesa della carnivoria avrebbe scatenato una corsa agli armamenti evolutiva che ha portato allo scoppio di complessi tipi di corpo e comportamenti che riempiono gli oceani oggi., ” Questo è l”evento più significativo nell” evoluzione della Terra, “dice Guy Narbonne, un paleobiologo presso la Queen” s University di Kingston, Canada. “L’avvento della carnivoria pervasiva, reso possibile dall’ossigenazione, è probabile che sia stato un fattore scatenante.”
Energia da bruciare
Nel mondo moderno, è facile dimenticare che gli animali complessi sono relativamente nuovi arrivati sulla Terra. Da quando la vita è emersa per la prima volta più di 3 miliardi di anni fa, gli organismi unicellulari hanno dominato il pianeta per la maggior parte della sua storia., Prosperando in ambienti che mancavano di ossigeno, si basavano su composti come anidride carbonica, molecole contenenti zolfo o minerali di ferro che agiscono come agenti ossidanti per abbattere il cibo. Gran parte della biosfera microbica della Terra sopravvive ancora su questi percorsi anaerobici.
Gli animali, tuttavia, dipendono dall’ossigeno, un modo molto più ricco per guadagnarsi da vivere. Il processo di metabolizzazione del cibo in presenza di ossigeno rilascia molta più energia rispetto alla maggior parte delle vie anaerobiche., Gli animali si affidano a questa combustione potente e controllata per guidare innovazioni affamate di energia come muscoli, sistemi nervosi e strumenti di difesa e gusci mineralizzati carnivori, esoscheletri e denti.
Data l’importanza dell’ossigeno per gli animali, i ricercatori sospettavano che un improvviso aumento del gas a livelli quasi moderni nell’oceano avrebbe potuto stimolare l’esplosione cambriana. Per testare questa idea, hanno studiato antichi sedimenti oceanici stabiliti durante i periodi Ediacarano e cambriano, che insieme correvano da circa 635 milioni a 485 milioni di anni fa.,
In Namibia, in Cina e in altri luoghi in tutto il mondo, i ricercatori hanno raccolto rocce che un tempo erano antichi fondali marini e analizzato la quantità di ferro, molibdeno e altri metalli in essi contenuti. La solubilità dei metalli dipende fortemente dalla quantità di ossigeno presente, quindi la quantità e il tipo di quei metalli nelle antiche rocce sedimentarie riflettono la quantità di ossigeno presente nell’acqua molto tempo fa, quando si formarono i sedimenti.,
Questi proxy sembravano indicare che le concentrazioni di ossigeno negli oceani aumentavano in diversi passaggi, avvicinandosi alle attuali concentrazioni di superficie marina all’inizio del Cambriano, circa 541 milioni di anni fa-poco prima che gli animali più moderni apparissero improvvisamente e si diversificassero. Ciò ha sostenuto l’idea dell’ossigeno come innesco chiave per l’esplosione evolutiva.
Ma l’anno scorso, un importante studio1 di antichi sedimenti del fondo marino ha sfidato questa visione., Erik Sperling, paleontologo della Stanford University in California, ha compilato un database di 4.700 misurazioni di ferro prelevate da rocce di tutto il mondo, che coprono i periodi Ediacarano e cambriano. Lui ei suoi colleghi non hanno trovato un aumento statisticamente significativo della proporzione di acqua ossica e anossica al confine tra l’Ediacarano e il Cambriano.
“Qualsiasi evento di ossigenazione deve essere stato molto, molto più piccolo di quello che le persone normalmente consideravano”, conclude Sperling. La maggior parte delle persone assume “che l’evento di ossigenazione abbia essenzialmente sollevato l’ossigeno a livelli essenzialmente moderni., E che probabilmente non era il caso”, lui dice.
Gli ultimi risultati arrivano in un momento in cui gli scienziati stanno già riconsiderando ciò che stava accadendo ai livelli di ossigeno negli oceani durante questo periodo cruciale. Donald Canfield, geobiologo della University of Southern Denmark di Odense, dubita che l’ossigeno sia stato un fattore limitante per i primi animali. In uno studio pubblicato lo scorso mese2, lui ei suoi colleghi suggeriscono che i livelli di ossigeno erano già abbastanza alti da supportare animali semplici, come le spugne, centinaia di milioni di anni prima che apparissero effettivamente., Gli animali cambriani avrebbero avuto bisogno di più ossigeno delle prime spugne, ammette Canfield. “Ma non hai bisogno di un aumento di ossigeno attraverso il confine Ediacarano/cambriano”, dice; l’ossigeno potrebbe già essere stato abbastanza abbondante “per molto, molto tempo prima”.
“Il ruolo dell’ossigeno nelle origini degli animali è stato fortemente dibattuto”, afferma Timothy Lyons, geobiologo dell’Università della California, Riverside. “In realtà, non è mai stato più discusso di quanto lo sia ora.,”Lyons vede un ruolo per l’ossigeno nei cambiamenti evolutivi, ma il suo lavoro3 con molibdeno e altri metalli in traccia suggerisce che gli aumenti di ossigeno poco prima del Cambriano erano per lo più picchi temporanei che duravano alcuni milioni di anni e gradualmente risalivano (vedi “Quando la vita accelerò”).
Nik Spencer/Natura
Moderni, specchi
Sperling ha guardato per approfondimenti Ediacaran oceani studiando ossigeno impoverito regioni moderna mari di tutto il mondo., Egli suggerisce che i biologi hanno convenzionalmente preso l’approccio sbagliato a pensare a come l’ossigeno a forma di evoluzione animale. Mettendo in comune e analizzando i dati pubblicati in precedenza con alcuni dei suoi, ha scoperto che piccoli vermi sopravvivono in aree del fondo marino dove i livelli di ossigeno sono incredibilmente bassi — meno dello 0,5% delle concentrazioni medie globali della superficie marina. Le reti alimentari in questi ambienti poveri di ossigeno sono semplici e gli animali si nutrono direttamente di microbi. Nei luoghi in cui i livelli di ossigeno del fondo marino sono un po ‘ più alti-circa 0.,5-3% delle concentrazioni sulla superficie del mare-gli animali sono più abbondanti ma le loro reti alimentari rimangono limitate: gli animali si nutrono ancora di microbi piuttosto che l’uno sull’altro. Ma intorno a un livello compreso tra il 3% e il 10% di ossigeno, i predatori emergono e iniziano a consumare altri animali4.
Le implicazioni di questa scoperta per l’evoluzione sono profonde, dice Sperling.Il modesto aumento di ossigeno che pensa possa essersi verificato poco prima del Cambriano sarebbe stato sufficiente per innescare un grande cambiamento., “Se i livelli di ossigeno fossero stati del 3% e superassero quella soglia del 10%, ciò avrebbe avuto un’enorme influenza sull’evoluzione animale precoce”, afferma. “C” è così tanto in ecologia animale, stile di vita e le dimensioni del corpo che sembra cambiare così drammaticamente attraverso quei livelli.”
L’emergere graduale di predatori, guidato da un piccolo aumento di ossigeno, avrebbe significato problemi per gli animali ediacarani che mancavano di difese evidenti. “Stai guardando forme morbide, per lo più immobili che probabilmente hanno vissuto la loro vita assorbendo sostanze nutritive attraverso la loro pelle”, dice Narbonne.,
Gli studi di quelle antiche barriere coralline della Namibia suggeriscono che gli animali stavano effettivamente iniziando a cadere preda di predatori entro la fine dell’Ediacaran. Quando la paleobiologa Rachel Wood dell’Università di Edimburgo, nel Regno Unito, ha esaminato le formazioni rocciose, ha trovato punti in cui un animale primitivo chiamato Cloudina aveva assunto parti della barriera microbica. Piuttosto che diffondersi sul fondo dell’oceano, queste creature a forma di cono vivevano in colonie affollate, che nascondevano le loro parti vulnerabili del corpo dai predatori-una dinamica ecologica che si verifica nei reef moderni 5.,
Cloudina erano tra i primi animali noti per essere cresciuti esoscheletri duri e mineralizzati. Ma non erano soli. Altri due tipi di animali in quelle barriere avevano anche parti mineralizzate, il che suggerisce che più gruppi non correlati si sono evoluti gusci scheletrici nello stesso periodo. ” Gli scheletri sono piuttosto costosi da produrre”, dice Wood. “È molto difficile trovare una ragione diversa dalla difesa per cui un animale dovrebbe preoccuparsi di creare uno scheletro per se stesso.”Wood pensa che gli scheletri fornissero protezione contro i predatori appena evoluti., Alcuni fossili di Cloudina di quel periodo hanno persino buchi nei loro lati, che gli scienziati interpretano come i segni di attaccanti che hanno portato nei gusci delle creature6.
Paleontologi hanno trovato altri suggerimenti che gli animali avevano cominciato a mangiare a vicenda dal tardo Ediacaran. In Namibia, Australia e Terranova in Canada, alcuni sedimenti del fondo marino hanno conservato un insolito tipo di tunnel creato da una creatura sconosciuta, simile a un verme7. Chiamati tane di Treptichnus, questi warrens si ramificano ancora e ancora, come se un predatore appena sotto il tappeto microbico avesse sistematicamente sondato gli animali prede in cima., Le tane di Treptichnus assomigliano a quelle dei moderni priapulidi, o “pene”, vermi-predatori voraci che cacciano in modo notevolmente simile sui moderni piani di mare8.
L’aumento della predazione in questo momento ha messo in grande svantaggio gli animali Ediacarani grandi e sedentari. “Stare seduti a non fare nulla diventa una responsabilità”, dice Narbonne.
Il mondo in 3D
Il momento di transizione dall’Ediacarano al mondo cambriano è registrato in una serie di affioramenti di pietra arrotondati da antichi ghiacciai sul bordo sud di Terranova., Al di sotto di quel confine ci sono le impressioni lasciate dagli animali trapuntati di Ediacaran, gli ultimi fossili di questo tipo registrati sulla Terra. E solo 1.2 metri sopra di loro, il siltstone grigio contiene tracce di graffi, pensato per essere stato fatto da animali con esoscheletri, camminare su gambe snodate — la prima prova di artropodi nella storia della Terra.
Nessuno sa quanto tempo è passato in quella roccia interventista — forse solo pochi secoli o millenni, dice Narbonne., Ma durante quel breve arco, la fauna Ediacarana dal corpo morbido e stazionaria scomparve improvvisamente, spinta all’estinzione dai predatori, suggerisce.
“Questo è l’evento più significativo nell’evoluzione della Terra.”
Narbonne ha studiato da vicino i pochi animali sopravvissuti a questa transizione, e le sue scoperte suggeriscono che alcuni di loro avevano acquisito nuovi tipi di comportamento più complessi. I migliori indizi provengono da tracce lasciate da animali pacifici e simili a vermi che pascolavano sul tappeto microbico., I primi sentieri di circa 555 milioni di anni fa si snodano e si incrociano casualmente, indicando un sistema nervoso poco sviluppato che non era in grado di percepire o reagire ad altri erbivori nelle vicinanze, per non parlare dei predatori. Ma alla fine del Ediacaran e nel Cambriano precoce, i sentieri diventano più sofisticati: creature scolpito curve più strette e arato strettamente distanziati, linee parallele attraverso i sedimenti. In alcuni casi, una scia di alimentazione sinuosa passa bruscamente in una linea retta, che Narbonne interpreta come potenziale prova del grazer che elude un predator9.,
Questo cambiamento nello stile di pascolo potrebbe aver contribuito alla frammentazione del tappeto microbico, iniziata all’inizio del Cambriano. E la trasformazione del fondo marino, dice Narbonne, ” potrebbe essere stato il cambiamento più profondo nella storia della vita sulla Terra”10, 11. Il tappetino aveva precedentemente coperto il fondo marino come un rivestimento di pellicola trasparente, lasciando i sedimenti sottostanti in gran parte anossici e off limits per gli animali. Poiché gli animali non potevano scavare profondamente nell’Ediacaran, dice, “il tappeto significava che la vita era bidimensionale”., Quando le capacità di pascolo sono migliorate, gli animali sono penetrati nella stuoia e hanno reso i sedimenti abitabili per la prima volta, il che ha aperto un mondo 3D.
Tracce dei primi Cambriani mostrano che gli animali hanno iniziato a scavare diversi centimetri nei sedimenti sotto il tappeto, il che ha fornito l’accesso a sostanze nutritive precedentemente non sfruttate, nonché un rifugio dai predatori. E ” anche possibile che gli animali sono andati nella direzione opposta., Sperling dice che la necessità di evitare i predatori (e perseguire la preda) potrebbe aver spinto gli animali nella colonna d’acqua sopra il fondo marino, dove i livelli di ossigeno potenziati hanno permesso loro di consumare energia attraverso il nuoto.
Le prove emergenti sulle soglie di ossigeno e sull’ecologia potrebbero anche far luce su un’altra importante domanda evolutiva: quando sono nati gli animali? I primi fossili indiscussi di animali compaiono solo 580 milioni di anni fa, ma le prove genetiche indicano che i gruppi animali di base hanno avuto origine da 700 milioni a 800 milioni di anni fa., Secondo Lyons, la soluzione potrebbe essere che i livelli di ossigeno sono saliti forse al 2% o al 3% dei livelli moderni circa 800 milioni di anni fa. Queste concentrazioni avrebbero potuto sostenere piccolo, animali semplici, proprio come fanno oggi nelle zone povere di ossigeno dell”oceano. Ma gli animali con grandi corpi non avrebbero potuto evolvere fino a quando i livelli di ossigeno sono saliti più in alto nell’Ediacaran.
Capire come l’ossigeno ha influenzato l’aspetto di animali complessi richiederà agli scienziati di prendere in giro indizi più sottili dalle rocce., ” Abbiamo sfidato le persone che lavorano sui fossili per legare i loro fossili più strettamente ai nostri proxy di ossigeno”, dice Lyons. Significherà decifrare quali livelli di ossigeno erano in diversi ambienti antichi e collegare quei valori con i tipi di tratti esibiti dai fossili di animali trovati negli stessi luoghi.
Lo scorso autunno, Woods ha visitato la Siberia con questo obiettivo in mente. Ha raccolto fossili di Cloudina e un altro animale scheletrato, Suvorovella, dai giorni calanti dell’Ediacaran., Quei siti le hanno dato la possibilità di raccogliere fossili da molte profondità diverse nell’oceano antico, dalle acque superficiali più ricche di ossigeno alle zone più profonde. Wood prevede di cercare modelli in cui gli animali stavano crescendo scheletri più duri, se erano sotto attacco da parte dei predatori e se tutto questo aveva un chiaro legame con i livelli di ossigeno, dice. “Solo allora puoi scegliere la storia.”