co wywołało eksplozję kambru?

seria ciemnych, skalistych pinnacles wznosi się 80 metrów nad trawiastymi równinami Namibii. Szczyty przywodzą na myśl coś starożytnego — kopce grobowe dawnych cywilizacji lub czubki ogromnych piramid pogrzebanych przez wieki.,

kamienne formacje są rzeczywiście pomnikami wyblakłego imperium, ale nie z niczego wykutego ludzkimi rękami. Są to rafy szczytowe, zbudowane przez cyjanobakterie na płytkim dnie morza 543 miliony lat temu, w czasie znanym jako okres Ediakaran. Starożytny świat zamieszkany przez te rafy był naprawdę obcy. Oceany przechowywały tak mało tlenu, że współczesne ryby szybko tam żyły i umierały. Lepka Mata mikrobów pokrywała wówczas dno morskie, a na kocu tym żyły różne enigmatyczne zwierzęta, których ciała przypominały cienkie, pikowane poduszki., Większość była nieruchoma, ale kilka wiało ślepo nad śluzem, pasąc się na drobnoustroje. Życie zwierząt w tym momencie było proste i nie było drapieżników. Ale ewolucyjna burza wkrótce podniesie ten spokojny świat.

w ciągu kilku milionów lat ten prosty ekosystem zniknie i ustąpi miejsca światu rządzonemu przez wysoce mobilne zwierzęta, które cechują się nowoczesnymi cechami anatomicznymi. Kambryjska eksplozja, jak się nazywa, wytworzyła stawonogi z nogami i oczami złożonymi, robaki z pierzastymi skrzelami i szybkie drapieżniki, które mogły miażdżyć zdobycz w szczękach z zębami., Biolodzy od dziesięcioleci kłócili się o to, co wywołało ten ewolucyjny wybuch. Niektórzy uważają, że gwałtowny wzrost tlenu wywołał tę zmianę, podczas gdy inni twierdzą, że powstała ona z rozwoju niektórych kluczowych innowacji ewolucyjnych, takich jak wizja. Dokładna przyczyna pozostała nieuchwytna, częściowo dlatego, że tak niewiele wiadomo o środowisku fizyczno-chemicznym w tym czasie.

ale w ciągu ostatnich kilku lat odkrycia zaczęły przynosić kuszące wskazówki dotyczące końca Ediakaranu., Dowody zebrane z Namibijskich raf i innych miejsc sugerują, że wcześniejsze teorie były zbyt uproszczone — że kambryjska eksplozja rzeczywiście wyłoniła się ze złożonego współzależności między małymi zmianami środowiskowymi, które wywołały Duże ewolucyjne zmiany.

niektórzy naukowcy uważają, że niewielki, być może tymczasowy, wzrost tlenu nagle przekroczył próg ekologiczny, umożliwiając pojawienie się drapieżników. Wzrost mięsożerności zapoczątkowałby ewolucyjny wyścig zbrojeń, który doprowadził do wybuchu złożonych typów ciała i zachowań, które wypełniają dzisiejsze oceany., „To najważniejsze wydarzenie w ewolucji Ziemi”, mówi Guy Narbonne, paleobiolog z Queen ' s University w Kingston w Kanadzie. „Pojawienie się wszechobecnej mięsożerności, możliwe dzięki utlenieniu, prawdopodobnie było głównym czynnikiem wyzwalającym.”

energia do spalania

we współczesnym świecie łatwo zapomnieć, że złożone zwierzęta są względnymi nowicjuszami na Ziemi. Od czasu pojawienia się życia ponad 3 miliardy lat temu, jednokomórkowe organizmy zdominowały planetę przez większość jej historii., Rozwijając się w środowiskach, w których brakowało tlenu, opierali się na związkach takich jak dwutlenek węgla, cząsteczki zawierające siarkę lub minerały żelaza, które działają jako utleniacze do rozkładania żywności. Duża część ziemskiej biosfery drobnoustrojów nadal przeżywa na tych szlakach beztlenowych.

Zwierzęta jednak zależą od tlenu — znacznie bogatszego sposobu zarabiania na życie. Proces metabolizmu żywności w obecności tlenu uwalnia znacznie więcej energii niż większość szlaków beztlenowych., Zwierzęta polegają na tym silnym, kontrolowanym spalaniu, aby napędzać takie energochłonne innowacje, jak mięśnie, układy nerwowe i narzędzia obronne i mięsożerne — zmineralizowane muszle, egzoszkielety i zęby.

biorąc pod uwagę znaczenie tlenu dla zwierząt, naukowcy podejrzewali, że nagły wzrost gazu do niemal współczesnego poziomu w oceanie mógł spowodować eksplozję kambru. Aby przetestować ten pomysł, zbadali starożytne osady oceaniczne ustanowione w okresie Ediakaranu i kambru, które razem trwały od Około 635 milionów do 485 milionów lat temu.,

w Namibii, Chinach i innych miejscach na całym świecie naukowcy zbierali skały, które były niegdyś starożytnymi dnem morskim, i analizowali ilości żelaza, molibdenu i innych metali w nich zawartych. Rozpuszczalność metali zależy w dużej mierze od ilości obecnego tlenu, więc ilość i rodzaj tych metali w starożytnych skałach osadowych odzwierciedla ilość tlenu w wodzie dawno temu, kiedy powstawały osady.,

te proxies wydawało się wskazywać, że stężenie tlenu w oceanach wzrosła w kilku krokach, zbliżając się do dzisiejszych stężeń na powierzchni morza na początku kambru, Około 541 milionów lat temu-tuż przed więcej-nowoczesne zwierzęta nagle pojawiły się i zróżnicowane. To popierało ideę tlenu jako kluczowego wyzwalacza ewolucyjnej eksplozji.

, Erik Sperling, paleontolog z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii, sporządził bazę danych 4700 pomiarów żelaza wykonanych ze skał na całym świecie, obejmujących okres Ediakaranu i kambru. On i jego współpracownicy nie znaleźli statystycznie istotnego wzrostu udziału wody tlenowej do beztlenowej na granicy między Ediakaranem i kambru.

„każde zdarzenie dotlenienia musiało być znacznie mniejsze niż to, co ludzie zwykle uważali”, podsumowuje Sperling. Większość ludzi zakłada ,że ” zdarzenie natlenienia zasadniczo podniosło poziom tlenu do zasadniczo współczesnych poziomów., I to prawdopodobnie nie było”przypadek”, mówi.

najnowsze wyniki pojawiają się w czasie, gdy naukowcy już rozważają, co działo się z poziomami tlenu w oceanach w tym kluczowym okresie. Donald Canfield, geobiolog z Uniwersytetu Południowej Danii w Odense, wątpi, że tlen był czynnikiem ograniczającym wczesne zwierzęta. W badaniu opublikowanym w zeszłym miesiącu2 on i jego koledzy sugerują, że poziom tlenu był już wystarczająco wysoki, aby wspierać proste zwierzęta, takie jak gąbki, setki milionów lat przed ich pojawieniem się., Kambryjskie zwierzęta potrzebowałyby więcej tlenu niż wczesne gąbki, przyznaje Canfield. „Ale nie potrzebujesz wzrostu tlenu na granicy Ediakaranu/kambru”, mówi; tlen mógł być już wystarczająco obfity „przez długi, długi czas wcześniej”.

„rola tlenu w pochodzeniu zwierząt była mocno dyskutowana”, mówi Timothy Lyons, geobiolog z University of California, Riverside. „W rzeczywistości nigdy nie było to bardziej dyskutowane niż teraz.,”Lyons widzi rolę tlenu w zmianach ewolucyjnych, ale jego własna praca3 z molibdenu i innych metali śladowych sugeruje, że wzrost tlenu tuż przed kambru były głównie tymczasowe szczyty, które trwały kilka milionów lat i stopniowo wzrosła w górę (patrz „kiedy życie przyspieszyło”).

nowoczesne lustra

Sperling szukał wglądu w oceany Ediakaranu, badając tlen-wyczerpane regiony współczesnych mórz na całym świecie., Sugeruje, że biolodzy konwencjonalnie podjęli błędne podejście do myślenia o tym, jak tlen kształtował ewolucję zwierząt. Łącząc i analizując wcześniej opublikowane dane z niektórymi jego własnymi, odkrył, że małe robaki przeżywają w obszarach dna morskiego, gdzie poziom tlenu jest niewiarygodnie niski — mniej niż 0,5% średnich globalnych stężeń na powierzchni morza. Sieci pokarmowe w tych środowiskach ubogich w tlen są proste, a zwierzęta żywią się bezpośrednio drobnoustrojami. W miejscach, gdzie poziom tlenu w dnie morskim jest nieco wyższy-około 0.,5-3% stężeń na powierzchni morza — zwierzęta są bardziej obfite, ale ich sieć pokarmowa pozostaje ograniczona: zwierzęta nadal żywią się drobnoustrojami, a nie sobą nawzajem. Jednak około 3% do 10% poziomu tlenu pojawia się drapieżnik, który zaczyna konsumować inne zwierząt4.

implikacje tego odkrycia dla ewolucji są głębokie-mówi Sperling.Skromny wzrost tlenu, który według niego mógł nastąpić tuż przed Kambrem, wystarczyłby do wywołania dużej zmiany., „Gdyby poziom tlenu wynosił 3% i przekroczył próg 10%, miałoby to ogromny wpływ na wczesną ewolucję zwierząt” – mówi. „Jest tak wiele w ekologii zwierząt, stylu życia i wielkości ciała, że wydaje się tak dramatycznie zmienić poprzez te poziomy.”

stopniowe pojawianie się drapieżników, napędzane niewielkim wzrostem tlenu, oznaczałoby kłopoty dla zwierząt Ediakaryjskich, które nie miały oczywistej obrony. „Patrzysz na miękkie ciała, głównie nieruchome formy, które prawdopodobnie przeżyły swoje życie poprzez wchłanianie składników odżywczych przez skórę”, mówi Narbonne.,

badania tych starożytnych Namibijskich RAF sugerują, że zwierzęta rzeczywiście zaczęły padać ofiarą drapieżników pod koniec Ediakaranu. Kiedy paleobiolog Rachel Wood z Uniwersytetu w Edynburgu w Wielkiej Brytanii zbadała formacje skalne, odkryła miejsca, w których prymitywne zwierzę zwane Cloudina przejęło część rafy mikrobiologicznej. Zamiast rozprzestrzeniać się na dnie oceanu, te stożkowate stworzenia żyły w zatłoczonych koloniach, które ukrywały swoje wrażliwe części ciała przed drapieżnikami — co jest dynamiką ekologiczną występującą we współczesnych reefach5.,

Cloudina były jednymi z najwcześniejszych zwierząt, o których wiadomo, że wyrosły twarde, zmineralizowane egzoszkielety. Ale nie byli sami. Dwa inne rodzaje zwierząt w tych rafach również miały zmineralizowane części, co sugeruje, że wiele niepowiązanych ze sobą grup wyewoluowało w tym samym czasie skorupy szkieletowe. „Szkielety są dość kosztowne w produkcji” – mówi Wood. „Bardzo trudno jest wymyślić inny powód niż obrona, dla którego zwierzę powinno się trudzić, aby stworzyć sobie szkielet.”Wood uważa, że szkielety zapewniały ochronę przed nowo wyewoluowanymi drapieżnikami., Niektóre skamieniałości Cloudina z tego okresu mają nawet dziury w bokach, które naukowcy interpretują jako ślady napastników, którzy wbijali się w skorupy stworzeń6.

paleontolodzy znaleźli inne wskazówki, że zwierzęta zaczęły jeść się nawzajem pod koniec Ediakaranu. W Namibii, Australii i Nowej Fundlandii w Kanadzie niektóre osady z dna morskiego zachowały nietypowy typ tunelu wykonanego przez nieznaną, robakową7. Nazywane treptichnus nory, te warreny gałąź raz po raz, jak gdyby drapieżnik tuż poniżej maty mikrobiologiczne systematycznie badane w poszukiwaniu zwierząt drapieżnych na górze., Nory Treptichnus przypominają te u współczesnych priapulidów, czyli „penisów”, robaków — żarłocznych drapieżników, które polują w niezwykle podobny sposób na współczesnych dnie morskich8.

wzrost drapieżnictwa w tym czasie stawia duże, siedzące zwierzęta Ediakaryjskie w dużej niekorzystnej sytuacji. „Siedzenie bezczynnie staje się ciężarem”, mówi Narbonne.

świat w 3D

moment przejścia z Ediakaranu do kambru jest rejestrowany w serii kamiennych wychodni zaokrąglonych przez starożytne lodowce na południowym krańcu Nowej Fundlandii., Poniżej tej granicy znajdują się ślady pozostawione przez skamieniałe Zwierzęta Ediakaryjskie, ostatnie takie skamieniałości odnotowane na Ziemi. A zaledwie 1,2 metra nad nimi, szary muł zawiera ślady zadrapań, uważanych za wykonane przez zwierzęta z egzoszkieletami, chodzące na przegubowych nogach — najwcześniejsze dowody stawonogów w historii Ziemi.

nikt nie wie, ile czasu upłynęło w tej skale — może nawet kilka wieków lub tysiącleci-mówi Narbonne., Ale w tym krótkim czasie miękka, stacjonarna fauna Ediakaryjska nagle zniknęła, doprowadzona do wyginięcia przez drapieżniki, sugeruje.

Narbonne dokładnie zbadał nieliczne fauny, które przetrwały tę przemianę, a jego odkrycia sugerują, że niektóre z nich uzyskały nowe, bardziej złożone typy zachowań. Najlepsze wskazówki pochodzą ze śladów pozostawionych przez spokojne, robakopodobne zwierzęta, które pasą się na macie mikrobiologicznej., Wczesne ślady sprzed około 555 milionów lat meander i krzyżują się przypadkowo, co wskazuje na słabo rozwinięty układ nerwowy, który nie był w stanie wyczuć lub zareagować na inne pasożyty w pobliżu — nie mówiąc już o drapieżnikach. Ale pod koniec Ediakaranu i do wczesnego kambru, szlaki stają się bardziej wyrafinowane: stworzenia rzeźbione ciaśniejsze zakręty i zaorane blisko siebie, równoległe linie przez osady. W niektórych przypadkach kręta ścieżka karmienia nagle przechodzi w linię prostą, co Narbonne interpretuje jako potencjalny dowód na to, że grazer unikał drapieżnika9.,

Ta zmiana stylu wypasu mogła przyczynić się do rozdrobnienia mat mikrobiologicznych, które rozpoczęło się na początku kambru. A transformacja dna morskiego, mówi Narbonne, „być może była najgłębszą zmianą w historii życia na Ziemi” 10, 11. Mata wcześniej pokrywała dno morskie jak powłoka z folii, pozostawiając leżące u jej podłoża osady w dużej mierze beztlenowe i niedostępne dla zwierząt. Ponieważ zwierzęta nie mogły zagrzebać się głęboko w Ediakaranie, mówi: „Mata oznaczała, że życie było dwuwymiarowe”., Gdy możliwości wypasu uległy poprawie, zwierzęta penetrowały matę i sprawiały, że osady nadawały się do zamieszkania po raz pierwszy, co otworzyło świat 3D.

ślady z wczesnego kambru pokazują, że zwierzęta zaczęły zakopywać kilka centymetrów w osadach pod matą, co zapewniało dostęp do wcześniej niewykorzystanych składników odżywczych — a także schronienie przed drapieżnikami. Możliwe też, że zwierzęta poszły w przeciwnym kierunku., Sperling twierdzi, że konieczność unikania drapieżników (i pościgu za zdobyczą) mogła doprowadzić zwierzęta do słupa wody nad dnem morskim, gdzie podwyższony poziom tlenu umożliwił im wydatkowanie energii poprzez pływanie.

pojawiające się dowody na progi tlenowe i ekologię mogą rzucić światło na inne ważne ewolucyjne pytanie: kiedy powstały zwierzęta? Pierwsze niekwestionowane skamieniałości zwierząt pojawiają się zaledwie 580 milionów lat temu, ale dowody genetyczne wskazują, że podstawowe grupy zwierząt powstały już od 700 milionów do 800 milionów lat temu., Według Lyonsa możliwe, że poziom tlenu wzrósł do około 2% lub 3% współczesnych poziomów około 800 milionów lat temu. Stężenia te mogły utrzymywać małe, proste zwierzęta, tak jak to robią dzisiaj w strefach ubogich w tlen w oceanie. Ale zwierzęta z dużymi ciałami nie mogły ewoluować, dopóki poziom tlenu nie wspiął się wyżej w Ediakaranie.

zrozumienie, w jaki sposób tlen wpłynął na wygląd złożonych zwierząt, będzie wymagało od naukowców dokuczania bardziej subtelnych wskazówek ze skał., „Rzucaliśmy wyzwanie ludziom pracującym nad skamieniałościami, aby ściślej powiązać ich skamieniałości z naszymi proxy tlenowe” – mówi Lyons. Będzie to oznaczało rozszyfrowanie poziomu tlenu w różnych starożytnych środowiskach i połączenie tych wartości z rodzajami cech wykazywanych przez skamieniałości zwierząt znalezionych w tych samych miejscach.

tej jesieni Woods odwiedził Syberię z myślą o tym celu. Zebrała skamieniałości Cloudina i innego szkieletowego zwierzęcia, Suvorovella, z okresu zanikania Ediakaranu., Te miejsca dały jej szansę na zebranie skamieniałości z wielu różnych głębokości w starożytnym oceanie, od bardziej bogatych w tlen wód powierzchniowych po głębsze strefy. Wood planuje szukać wzorców, w których zwierzęta rosły twardsze szkielety, czy były atakowane przez drapieżniki i czy cokolwiek z tego miało wyraźny związek z poziomem tlenu, mówi. „Tylko wtedy możesz wybrać historię.”