– Hva utløste den Kambriske eksplosjon?

En serie av mørke, forrevne tinder stiger 80 meter over gresskledde sletter i Namibia. Toppene kaller til å tenke på noe gammelt — gravhaugane av tidligere sivilisasjoner eller tips av store pyramidene ble begravd ved aldre.,

stein-formasjoner er faktisk monumenter av en svak empire, men ikke fra noe hugget av menneskelige hender. De er pinnacle rev, bygget av cyanobacteria på grunt hav-543 millioner år siden, i en tid kjent som Ediacaran periode. Den gamle verden som er okkupert av disse revene var virkelig fremmede. Havene holdt så lite oksygen som moderne fisken ville raskt grunnlegger og dø der. En klissete matte av mikrober dekket havbunnen på den tiden, og på at teppet bodde en rekke gåtefulle dyr med organer lignet tynn, vattert puter., De fleste var stasjonære, men et par meandered blindt over slim, som beiter på mikrober. Dyrelivet på dette punktet var enkle, og det var ingen rovdyr. Men en evolusjonær storm snart ville upend dette rolige verden.

Innenfor flere millioner år, er dette enkle økosystemet ville forsvinne, og gir vei til en verden styrt av svært mobile dyr som sported moderne anatomiske trekk. Den Kambriske eksplosjon, som det kalles, produsert leddyr med bena og sammensatte øyne, ormer med fjærkledde gjellene og swift rovdyr som kan knuse byttedyr i tann-rimmed kjefter., Biologer har hevdet i flere tiår over hva antent denne evolusjonære sprekke. Noen tror at en bratt økning i oksygen utløste endringen, mens andre sier at det sprang ut fra utviklingen i noen viktige evolusjonære innovasjon, slik som syn. Den nøyaktige årsaken har vært unnvikende, delvis fordi så lite er kjent om det fysiske og kjemiske miljøet på den tiden.

Men i løpet av de siste flere år, funn har begynt å gi noen fristende ledetråder om slutten av Ediacaran., Bevis innhentet fra den Namibiske korallrev og andre områder tyder på at tidligere teorier var altfor forenklede — at den Kambriske eksplosjon faktisk dukket opp ut av et komplekst samspill mellom små endringer i miljøet som utløste store evolusjonære utvikling.

tror Noen forskere nå at en liten, kanskje midlertidig økning i oksygen plutselig krysset en økologisk terskel, slik at fremveksten av rovdyr. Fremveksten av carnivory ville ha satt av et evolusjonært våpenkappløp som førte til utbrudd av komplekse kroppens typer og atferd som fyller havet i dag., «Dette er den mest betydningsfulle hendelsen i Earth evolution, sier Fyren Narbonne, en palaeobiologist på Queen’ s University i Kingston, Canada. «The advent av gjennomgripende carnivory, gjort mulig av oksygenering, er sannsynlig å ha vært en viktig utløser.»

Energi til å brenne

I den moderne verden, det er lett å glemme at komplekse dyr er relative nykommere til Jorden. Siden livet først dukket opp mer enn 3 milliarder år siden, encellede organismer har dominert planeten for det meste av sin historie., Trives i miljøer som manglet oksygen, de lettelse opp på forbindelser som for eksempel karbondioksid, svovel – -som inneholder molekyler eller jern mineraler som fungerer som oksiderende agenter for å bryte ned mat. Mye av Jorden»s mikrobiell biosphere fortsatt overlever på disse anaerob trasé.

Dyr, imidlertid, avhengig av oksygen — en mye bedre vei å lage en levende. Prosessen med metabolizing mat i nærvær av oksygen utgivelser mye mer energi enn de fleste anaerob trasé., Dyr er avhengige av denne potente, kontrollert forbrenning for å drive en slik energi-sulten innovasjoner som muskler, nervesystem og verktøy for forsvars-og carnivory — mineralisert skjell, exoskeletons og tenner.

Gitt betydningen av oksygen for dyr, forskere mistanke om at en plutselig økning i gass til nær-moderne nivåer i havet kan ha påvirket den Kambriske eksplosjon. For å teste denne ideen, de har studert gamle ocean sedimenter som er lagt ned i løpet av Ediacaran og Kambriske perioder, som sammen kjørte fra om lag 635 mill. kroner til 485 millioner år siden.,

I Namibia, Kina og andre steder rundt om i verden, forskere har samlet inn bergarter som en gang var gamle seabeds, og analysert mengder av jern, molybden og andre metaller i dem. Metaller» løselighet avhenger sterkt av mengden av oksygen til stede, så mengden og typen av disse metaller i gamle sedimentære bergarter gjenspeiler hvor mye oksygen var i vannet, lenge siden, når sedimentene er dannet.,

Disse fullmakter syntes å indikere at oksygen konsentrasjoner i havet steg i flere trinn, nærmer seg i dag»s hav-overflaten konsentrasjoner i starten av den Kambriske, rundt 541 millioner år siden — bare mer før-moderne dyr som plutselig dukket opp og diversifisert. Dette støttes ideen av oksygen som en avgjørende trigger for den evolusjonære eksplosjon.

Men siste året, en stor study1 av gamle sea-teppe sedimenter utfordret dette synet., Erik Sperling, en palaeontologist ved Stanford University i California, utarbeidet en database over 4,700 strykejern målinger fra steiner rundt i verden, som spenner over Ediacaran og Kambriske perioder. Han og hans kolleger ikke finne en statistisk signifikant økning i andelen av oxic å anoksiske vann på grensen mellom Ediacaran og den Kambriske.

«Alle oksygenering hendelsen må ha vært langt, langt mindre enn hva folk normalt anses som,» konkluderer med Sperling. De fleste anta «at oksygenering hendelse i hovedsak reist oksygen hovedsak dagens nivåer., Og at det sannsynligvis var»t-saken», sier han.

De nyeste resultatene kommer på et tidspunkt da forskerne er allerede revurdere hva som skjedde med ocean oksygen nivåer under denne avgjørende perioden. Donald Canfield, en geobiologist ved University of Southern Denmark i Odense, tviler på at oksygen var en begrensende faktor for tidlig dyr. I en studie publisert siste month2, han og hans kolleger foreslår at oksygen nivåer allerede var høy nok til å støtte enkle dyr, slik som svamper, hundrevis av millioner av år før de faktisk dukket opp., Kambriske dyr ville ha behov for mer oksygen enn tidlig svamper, medgir Canfield. «Men du don»t trenger en økning i oksygen over Ediacaran/Kambriske grensen,» seier han; oksygen kunne allerede ha vært rikelig nok «for en lang, lang tid før».

«rollen av oksygen i opprinnelsen til dyr som har vært sterkt debattert, sier Timothy Lyons, en geobiologist ved University of California, Riverside. «Faktisk,»s aldri vært mer omdiskutert enn det er nå.,»Lyons ser en rolle for oksygen i evolusjonære endringer, men hans egne work3 med molybden og andre spor metaller tyder på at økning i oksygen like før den Kambriske var for det meste midlertidige topper som varte et par millioner år, og gradvis gikk oppover (se «Når livet sped opp»).

Moderne speil

Sperling har sett for innsikt i Ediacaran havet ved å studere oksygenfattige områder i moderne hav over hele verden., Han antyder at biologer har konvensjonelt tatt feil tilnærming til å tenke på hvordan oksygen formet dyr evolusjon. Ved å samle og analysere tidligere publiserte data med noen av sine egne, han fant at små ormer overleve i områder av havbunnen hvor oksygen nivåer er utrolig lav — mindre enn 0,5% av gjennomsnittlig globale hav-overflaten konsentrasjoner. Food webs i disse oksygenfattig miljø er enkelt, og dyrene feed direkte på mikrober. På steder der hav-teppe oksygen nivåer er litt høyere om 0.,5-3% av konsentrasjoner ved havoverflaten — dyr er mer rikelig, men maten web-områder være begrenset: dyrene som fortsatt lever av mikrober snarere enn på hverandre. Men rundt et sted mellom 3% og 10% oksygen nivåer, rovdyr dukke opp og starte å konsumere andre animals4.

implikasjonene av dette funnet for evolusjon er dyp, Sperling sier.Den beskjedne oksygen stige som han mener kan ha skjedd like før den Kambriske ville ha vært nok til å utløse en stor endring., «Hvis oksygen nivåer var 3%, og de reiste forbi at 10% grensen, som ville ha hatt en stor innflytelse på tidlig dyr utviklingen,» sier han. «Det er bare så mye i dyr økologi, livsstil og kropp størrelse som synes å endres så dramatisk gjennom disse nivåene.»

Den gradvise fremveksten av rovdyr, drevet av en liten økning i oksygen, ville ha medført problemer for Ediacaran dyr som manglet åpenbart forsvar. «Du»re ute på soft-bodied, for det meste immobile skjemaer som trolig levd sine liv ved å absorbere næringsstoffer gjennom huden deres,» sier Narbonne.,

Studier av de gamle Namibiske skjær tyder på at dyrene var faktisk begynner å falle byttedyr til rovdyr, og ved utgangen av Ediacaran. Når palaeobiologist Rachel Wood fra University of Edinburgh, UK, undersøkt fjellformasjoner, hun fant spots hvor primitive dyr som kalles Cloudina hadde tatt over deler av den mikrobielle reef. Heller enn å spre ut over havbunnen, disse kjegle-formet skapninger bodde i overfylte kolonier, som gjemte sin utsatte kroppsdeler fra rovdyr — en økologisk dynamikken som oppstår i moderne reefs5.,

Cloudina var blant de tidligste dyr er kjent for å ha vokst hardt, mineralisert exoskeletons. Men de var ikke alene. To andre typer av dyr i disse revene hadde også mineralisert deler, noe som tyder på at flere, ikke grupper utviklet seg skjelett-skjell rundt samme tid. «Skjeletter er ganske kostbart å produsere, sier Wood. «Det er veldig vanskelig å komme opp med en annen grunn enn forsvar for hvorfor et dyr bør bry til å lage et skjelett for seg selv.»Tre mener at skjelettene gitt beskyttelse mot nylig utviklet seg rovdyr., Noen Cloudina fossiler fra denne perioden selv har hull i deres sider, som forskerne tolker som merker av angripere som bar inn skapninger» shells6.

Palaeontologists har funnet andre hint om at dyrene hadde begynt å spise hver andre ved slutten av Ediacaran. I Namibia, Australia og new foundland i Canada, litt sjø-teppe sedimenter har bevart en uvanlig type tunnel laget av en ukjent, wormlike creature7. Kalles Treptichnus burrows, disse warrens gren igjen og igjen, som om et rovdyr like nedenfor den mikrobielle matte hadde systematisk analysert for byttedyr på toppen., Den Treptichnus burrows ligner moderne priapulid, eller «penis», ormer — glupske rovdyr som jakter i en bemerkelsesverdig måte som ligner på moderne havet floors8.

fremveksten av predasjon på denne tiden satt stor, stillesittende Ediacaran dyr på en stor ulempe. «Sitter og gjør ingenting blir et ansvar, sier Narbonne.

verden i 3D

øyeblikk av overgangen fra Ediacaran til den Kambriske verden er registrert i en serie av stein knauser rundet av gamle isbreer på sydsiden av Newfoundland., Under denne grensen er visninger til venstre ved vattert Ediacaran dyr, den siste slike fossiler er tatt opp på Jorden. Og bare 1,2 meter over dem, grå siltstone har stier av bunnen merker, antatt å ha vært laget av dyr med exoskeletons, gå på leddet beina — de tidligste bevis for leddyr i Jorden»s historie.

Ingen vet hvor mye tid som gikk i det mellomliggende rock — kanskje så lite som et par århundrer eller årtusener, sier Narbonne., Men i løpet av denne korte tiden, soft-bodied, stasjonær Ediacaran fauna plutselig forsvant, drevet til utryddelse av rovdyr, foreslår han.

– >

Narbonne har nøye studert noen fauna som har overlevd denne overgangen, og hans funn tyder på at noen av dem hadde skaffet seg nye, mer komplekse typer atferd. De beste sporene kommer fra spor igjen av fredelig, wormlike dyr som beitet på den mikrobielle mat., Tidlig stier fra om 555 millioner år siden slynger og på kryss og tvers på måfå, noe som indikerer et dårlig utviklet nervesystemet som ikke var i stand til å sanse eller reagerer på andre beitedyr i nærheten — la alene rovdyr. Men på slutten av Ediacaran og i de tidlige Kambriske stier blitt mer sofistikert: skapninger skåret strammere svinger og nypløyd tett linjeavstand, parallelle linjer gjennom sedimentene. I noen tilfeller, en svingete fôring stien brått overganger i en rett linje, som Narbonne tolker som potensielle bevis på grazer unnvikelser en predator9.,

Denne endringen i beite stil kan ha bidratt til en fragmentering av den mikrobielle mat, som begynte tidlig i den Kambriske. Og transformasjon av havbunnen, sier Narbonne, «kan ha vært den mest dyptgripende endring i historien om livet på Jorden»10, 11. Matten tidligere hadde dekket havbunnen som et belegg av plastfolie, og la underliggende sedimenter i stor grad anoksiske og utenfor grensene til dyr. Fordi dyr kan ikke grave dypt i Ediacaran, sier han, «matten mente at livet var to-dimensjonale»., Når beite evner forbedret, dyr trengt matten og laget sedimentene beboelig for første gang, som åpnet opp en 3D-verden.

Spor fra tidlig Kambriske viser at dyrene begynte å grave flere centimeter inn i sedimenter under matten, som ga tilgang til tidligere uutnyttede næringsstoffer, så vel som en tilflukt fra rovdyr. Det er også mulig at dyrene gikk i motsatt retning., Sperling sier at behovet for å unngå rovdyr (og forfølge byttedyr) kan ha drevet dyr i vannsøylen over havbunnen, hvor forbedret oksygen nivåer gjorde dem i stand til å bruke energi gjennom svømming.

Den nye bevis om oksygen terskler og økologi kan også kaste lys over en annen stor evolusjonære spørsmål: når ble dyrene kommer fra? Den første ubestridte fossiler av dyr vises bare 580 millioner år siden, men genetiske bevis indikerer at grunnleggende dyr grupper stammer så langt tilbake som 700 millioner til 800 millioner år siden., I henhold til Lyons, løsningen kan være at oksygen nivåer steg for å kanskje 2% eller 3% av moderne nivåer rundt 800 millioner år siden. Disse konsentrasjoner kan ha oppholdt små, enkle dyr, akkurat som de gjør i dag i havet»s oksygen-fattig soner. Men dyr med store kropper ikke kunne ha utviklet seg til oksygen nivåer klatret høyere i Ediacaran.

Forstå hvordan oksygen påvirket utseendet av komplekse dyr vil kreve forskere å erte mer subtile hint ut av fjellet., «Vi»har vært utfordrende folk som jobber på fossiler å binde sine fossiler mer nøye til våre oksygen proxyer, sier Lyons. Det vil bety å tyde hva oksygen nivåer var i forskjellige gamle miljøer, og koble disse verdiene med de typer av trekk som er utstilt ved dyret fossiler finnes i samme steder.

Dette siste høst, Skogen besøkte Sibir med dette målet i tankene. Hun samlet fossiler av Cloudina og annen skeletonized dyr, Suvorovella, fra avtagende dager av Ediacaran., Disse nettstedene ga henne mulighet til å samle fossiler fra mange forskjellige dybder i den gamle havet, fra mer oksygenrikt overflatevann til dypere soner. Tre planer om å se etter mønstre i hvor dyr ble stadig tøffere skjeletter, enten de var under angrep fra rovdyr og om noe av dette hadde en klar sammenheng med oksygen nivåer, sier hun. «Bare da kan du plukke ut historien.”