何を巻き起こしたカンブリア爆発?

暗い、ゴツゴツしたピナクルのシリーズは、ナミビアの草が茂った平野の上に80メートル上昇します。 ピークは、古代の何かを気にするために呼び出します—過去の文明の古墳や年齢によって埋められた広大なピラミッドの先端。,

石の形成は確かに衰退した帝国のモニュメントですが、人間の手で切り取られたものではありません。 それらは、543万年前、Ediacaran期間として知られている時間の間に、浅い海底にシアノバクテリアによって建てられたピナクルサンゴ礁です。 太古の世界を占めるこれらのサンゴ礁た来た。 海は酸素がほとんどないので、現代の魚はすぐにそこで死んでしまいます。 微生物のねばねばマットは、当時の海底を覆っており、その毛布の上にその体が薄い、キルト枕に似て謎めいた動物の様々な住んでいました。, ほとんどは静止していましたが、いくつかはスライムの上を盲目的に蛇行し、微生物を放牧しました。 この時点での動物の生活はシンプルで、捕食者はいませんでした。 しかし、進化の嵐はすぐにこの静かな世界を混乱させるでしょう。

数百万年以内に、この単純な生態系は消え、現代の解剖学的特徴を遊ばせた高度に移動性の動物によって支配された世界に道を譲るでしょう。 カンブリア紀の爆発は、それが呼ばれているように、脚と複眼を持つ節足動物、羽のようなえらを持つ虫、歯の縁のある顎の獲物を粉砕することができる素早い捕食者を生み出しました。, 生物学者は、この進化の爆発を引き起こしたものについて何十年も主張してきた。 酸素の急激な上昇が変化を引き起こしたと考える人もいれば、ビジョンなどの重要な進化的革新の発展から跳び出したと言う人もいます。 正確な原因は、その時点で物理的および化学的環境についてほとんど知られていないため、部分的には、とらえどころのないままでした。

しかし、過去数年間にわたって、発見はEdiacaranの終わりについていくつかの食欲をそそる手がかりをもたらし始めています。, ナミビアのサンゴ礁や他のサイトから集められた証拠は、以前の理論が過度に単純であったことを示唆している—カンブリア紀の爆発は、実際に大きな進化的発展を引き起こした小さな環境変化の間の複雑な相互作用から現れた。

一部の科学者は現在、酸素のわずかな、おそらく一時的な増加が突然生態学的閾値を超え、捕食者の出現を可能にすると考えている。 肉食の台頭は、今日の海を埋める複雑な体型と行動の爆発につながった進化の軍拡競争を引き起こしたでしょう。, “これは地球進化の中で最も重要な出来事です”と、カナダのキングストンにあるクイーン大学の古生物学者であるガイ-ナルボンヌは言います。 “酸素化によって可能になった広範な肉食の出現は、大きな引き金となった可能性があります。”

燃焼するエネルギー

現代の世界では、複雑な動物が地球に相対的な新人であることを忘れるのは簡単です。 生命が最初に3億年以上前に現れて以来、単細胞生物はその歴史のほとんどのために惑星を支配してきました。, 酸素を欠いた環境で繁栄していた彼らは、二酸化炭素、硫黄containing有分子、または食物を分解する酸化剤として働く鉄鉱物などの化合物に頼っていました。 地球の微生物生物圏の多くは、これらの嫌気性経路で依然として生き残っています。

動物は、しかし、酸素に依存しています—生計を立てるためのはるかに豊かな方法です。 酸素の存在下で食物を代謝するプロセスは、ほとんどの嫌気性経路よりもはるかに多くのエネルギーを放出する。, 動物は、この強力で制御された燃焼に頼って、筋肉、神経系、防衛の道具、肉食-鉱化された殻、外骨格、歯などのエネルギーに飢えた革新を推進しています。

動物にとって酸素の重要性を考えると、研究者らは、海洋の近現代レベルまでのガスの急激な増加がカンブリア紀の爆発に拍車をかけた可能性があると疑った。 そのアイデアをテストするために、彼らは一緒に約635万年前から485万年前に走ったEdiacaranとカンブリア紀の間に敷設された古代の海洋sed積物を研究し,

ナミビア、中国、世界中の他のスポットでは、研究者は、かつて古代の海底だった岩を収集し、それらの鉄、モリブデンおよび他の金属の量を分析しました。 金属の溶解度は存在する酸素の量に強く依存するため、古代の堆積岩中の金属の量と種類は、堆積物が形成されたときに、ずっと前に水中にどれだけの酸素があったかを反映しています。,

これらのプロキシは、海洋中の酸素濃度がいくつかのステップで上昇し、約541万年前のカンブリア紀の始まりに今日の海面濃度に近づいていることを示しているように見えた。 これは、進化的爆発の鍵となる引き金としての酸素の考えを支持した。

しかし、昨年、古代の海底sed積物の主要な研究1は、その見解に挑戦しました。, カリフォルニア州のスタンフォード大学の古生物学者エリック-スパーリングは、エディアカランとカンブリア紀にまたがる世界中の岩石から採取した4,700の鉄の測定値のデータベースをまとめた。 彼と彼の同僚は、エディアカランとカンブリア紀の境界における無酸素水に対する酸素の割合の統計的に有意な増加を見つけられなかった。

“どのような酸素化イベントも、人々が通常考えていたものよりもはるかに小さかったに違いありません”とSperlingは結論づけています。 ほとんどの人は、酸素化イベントが本質的に酸素を本質的に現代のレベルまで引き上げたと仮定しています。, そして、それはおそらく”ケースではなかった”と彼は言う。

最新の結果は、科学者がこの重要な時期に海洋酸素レベルに何が起こっていたのかをすでに再考している時に来ます。 ドナルド-キャンフィールド、オーデンセの南デンマーク大学の地球生物学者は、酸素が初期の動物のための制限要因であったことを疑問に思います。 で先月発表された研究2、彼と彼の同僚は、酸素レベルが実際に現れる前に、スポンジのような単純な動物を支えるのに十分なほど高かったことを, カンブリア紀の動物が必要な酸素より早いスポンジ、oecd Canfield. “しかし、あなたはエディアカラン/カンブリア紀の境界を越えて酸素の増加を必要としない”と彼は言う。酸素はすでに”長い間、長い間”十分に豊富であったかもしれない。

“動物の起源における酸素の役割は大きく議論されています”と、カリフォルニア大学リバーサイドの地球生物学者であるTimothy Lyonsは述べています。 “実際には、それは今よりも議論されたことはありません。,”ライオンズは進化の変化における酸素の役割を見ているが、彼自身の研究3モリブデンやその他の微量金属を用いたことは、カンブリア紀の直前の酸素の増加は、ほとんどが数百万年間続き、徐々に上昇した一時的なピークであったことを示唆している（”人生が加速したとき”を参照）。

現代の鏡

スパーリングは、世界中の現代の海における酸素欠乏領域を研究することによって、エディアカラン海に関する洞察を探してきました。, について質問したところの生物学者において、従来の誤ったアプローチを考えるとどのように酸素状の物ます。 以前に公表されたデータを自分のものとプールして分析することによって、彼は酸素レベルが非常に低い海底の地域で小さな虫が生き残ることを発見しました—世界の平均海面濃度の0.5％未満。 これらの酸素の乏しい環境での食物網は単純であり、動物は微生物を直接飼料します。 海底の酸素レベルが少し高い場所では、約0です。,海面の濃度の5-3％-動物はより豊富であるが、それらの食物網は限られたままである：動物は依然として互いにではなく微生物を食べる。 しかし、3％と10％の酸素レベルの間のどこかで、捕食者が出現し、他の動物を消費し始める4。

この発見の進化に対する意味は深い、とSperlingは言う。カンブリア紀の直前に起こったかもしれないと彼が考えている適度な酸素の上昇は、大きな変化を引き起こすのに十分でした。, “酸素レベルが3％であり、その10％の閾値を超えて上昇した場合、それは初期の動物の進化に大きな影響を与えたでしょう”と彼は言います。 動物の生態、ライフスタイル、体の大きさには、それらのレベルによって劇的に変化するようなものがたくさんあります。”

酸素のわずかな上昇によって駆動される捕食者の漸進的な出現は、明らかな防御を欠いていたEdiacaran動物のためのトラブルを意味していたでしょう。 “あなたは、おそらく彼らの肌を通して栄養素を吸収することによって彼らの生活を送っていた柔らかい体、主に不動の形を見ています”とNarbonneは言います。,

これらの古代ナミビアのサンゴ礁の研究は、動物が実際にEdiacaranの終わりまでに捕食者の餌食になり始めていたことを示唆しています。 イギリスのエディンバラ大学の古生物学者レイチェル-ウッドが岩の形成を調べたとき、彼女はクラウディナと呼ばれる原始的な動物が微生物サンゴ礁の一部を引き継いだ場所を見つけました。 むしろ海底に広がるよりも、これらの円錐形の生き物は、捕食者から彼らの脆弱な体の部分を隠した混雑したコロニーに住んでいた-現代のreefs5で起こる生態学的なダイナミック。,

クラウディナは、硬くて鉱化された外骨格を成長させたことが知られている最も初期の動物の一つでした。 しかし、彼らは一人ではなかった。 これらのサンゴ礁の他の二つのタイプの動物も鉱化部分を有しており、複数の無関係なグループが同時期に骨格殻を進化させたことを示唆している。 “骨格は生産するのに非常にコストがかかります”とWood氏は言います。 “それは動物がそれ自身のための骨格を作成するために気にする必要があります理由のための防衛以外の理由を思い付くことは非常に困難です。”ウッドは、骨格が新たに進化した捕食者に対する保護を提供したと考えている。, その期間のいくつかのクラウディナの化石には側面に穴があり、科学者たちは生き物の殻に穴を開けた攻撃者の跡と解釈しています6。

古生物学者は、動物が後期エディアカランまでにお互いを食べ始めたという他のヒントを発見しました。 ナミビア、オーストラリア、カナダのニューファンドランドでは、いくつかの海底堆積物が未知の虫のような生き物によって作られた珍しいタイプのトンネルを保存している7。 Treptichnus burrowsと呼ばれるこれらのwarrensは、微生物マットのすぐ下の捕食者が上の獲物の動物を体系的にプローブしたかのように、何度も何度も枝分かれします。, Treptichnusの巣穴は、現代の海の床で非常に似た方法で狩りをする貪欲な捕食者である現代のpriapulid、または”陰茎”ワームのものに似ています8。

この時点での捕食の上昇は、大きな、座りがちなEdiacaran動物を大きな欠点に置いた。 “何もしないで座っていることは責任になります”とNarbonneは言います。

3Dの世界

エディアカランからカンブリア紀の世界への移行の瞬間は、ニューファンドランドの南端にある古代の氷河によって丸められた石の露頭のシリーズに記録されています。, その境界の下には、キルティングされたエディアカランの動物によって残された印象があり、地球上で記録された最後の化石。 そして、それらの上のわずか1.2メートル、灰色のシルトストーンは、外骨格を持つ動物によって作られたと考えられる傷の跡を保持しています。

誰もその介在する岩に渡されたどのくらいの時間を知っている—おそらく数世紀または数千年と同じくらい少ない、Narbonneは述べています。, しかし、その短いスパンの間に、柔らかい体の静止したEdiacaran動物相は突然消え、捕食者によって絶滅に追いやられた、と彼は示唆している。

Narbonneは、この移行を生き残ったいくつかの動物相を密接に研究しており、彼の調査結果は、それらのうちのいくつかが新しい、より複雑なタイプの行動を獲得したことを示唆している。 最高の手がかりは、微生物マットの上に放牧された平和で虫のような動物によって残された痕跡から来ています。, 約555万年前からの初期のトレイルは、蛇行し、十字行き当たりばったり、近くの他の放牧に感知または反応することができなかった不十分に開発された神経系を示しています-捕食者はもちろんです。 しかし、エディアカランの終わりと初期のカンブリア紀に、トレイルはより洗練されたものになります：生き物はより厳しいターンを刻み、堆積物を通って いくつかのケースでは、曲がりくねった餌の道が突然直線に遷移し、Narbonneはgrazerがpredator9を回避した可能性のある証拠と解釈します。,

この放牧スタイルの変化は、カンブリア紀初期に始まった微生物マットの断片化に寄与している可能性があります。 そして、海底の変化は、ナルボンヌは言う、”地球上の生命の歴史の中で最も深遠な変化だったかもしれない”10、11。 マットは以前はプラスチック製のラップのコーティングのように海底を覆っており、基礎となる堆積物は主に無酸素性で動物に立ち入り禁止されて 動物はエディアカランに深く穴を開けることができなかったので、彼は言う、”マットは人生が二次元であることを意味した”。, 放牧能力が向上すると、動物がマットに浸透し、堆積物が初めて居住可能になり、3Dの世界が開かれました。

初期のカンブリア紀からの追跡は、動物がマットの下の堆積物に数センチメートルを掘り起こし始めたことを示しており、以前に未開発の栄養素へのアクセスと捕食者からの避難所を提供した。 それは動物が反対方向に行ったことも可能です。, Sperlingは、捕食者を避ける（そして獲物を追求する）必要性が、動物を海底の上の水柱に追い込んだ可能性があり、酸素レベルが向上すると、水泳を通じてエネルギーを消費することができたと述べている。

酸素閾値と生態学に関する新たな証拠はまた、別の主要な進化の質問に光を当てることができます：動物はいつ起源を持っていましたか？ 動物の最初の議論の余地のない化石はわずか580万年前に現れるが、遺伝的証拠は、基本的な動物群が700万年前から800万年前にまで遡ることを示している。, Lyonsによると、この解決策は、酸素レベルがおそらく2万年前の現代レベルの3％または800％に上昇したことである可能性があります。 これらの濃度は、今日の海洋の酸素不足ゾーンと同じように、小さくて単純な動物を維持していた可能性があります。 が動物と身体の大きな進化までの酸素レベルの上昇率はEdiacaran.

酸素が複雑な動物の出現にどのように影響したかを理解するには、科学者が岩からより微妙な手がかりをいじめる必要があります。, “私たちは、化石に取り組んでいる人々に、化石を酸素プロキシとより密接に結びつけることに挑戦してきました”とLyons氏は言います。 それは、異なる古代の環境でどのような酸素レベルがあったかを解読し、それらの値を同じ場所で見つかった動物の化石によって示された形質の種類と結びつけることを意味するでしょう。

この秋、ウッズはその目標を念頭に置いてシベリアを訪問しました。 彼女はエディアカランの衰退の日から、Cloudinaと別の骨格化動物、Suvorovellaの化石を収集しました。, これらのサイトは、より酸素が豊富な表層水からより深いゾーンまで、古代の海のさまざまな深さから化石を収集する機会を彼女に与えました。 ウッドは、動物が捕食者による攻撃を受けているかどうか、そしてこれのいずれかが酸素レベルと明確な関連性を持っているかどうか、動物がより “それだけで、あなたは物語を選ぶことができます。”