Πώς το Jurassic Plankton έκλεψε τον έλεγχο της χημείας του ωκεανού

Η εξέλιξη συνήθως απεικονίζεται ως συνέπεια του ατέρμονου πολέμου μεταξύ των ζωντανών πραγμάτων - ένας «Πάλης για Ύπαρξη μεταξύ όλων των οργανικών όντων», όπως το έθεσε ο Κάρολος Δαρβίνος. Το φυσικό περιβάλλον γύρω από αυτά τα έμβια όντα παίζει ρόλο, αλλά είναι δευτερεύον στις στενές σχέσεις που έχουν οι οργανισμοί μεταξύ τους. Είτε μιλάμε για συμβίωση είτε για τους συνεχείς ανταγωνισμούς μεταξύ ειδών που ονομάζονται Red Queen's races, οι ερευνητές θεωρούν σε μεγάλο βαθμό δεδομένο ότι οι οικολογικές σχέσεις είναι η πρωταρχική δύναμη της εξέλιξης.

Αλλά στο μεγάλο σχέδιο της ζωής, αυτό μπορεί να είναι μια εκπληκτικά πρόσφατη εξέλιξη. Στους ωκεανούς, για παράδειγμα, η οικολογική επιτυχία ήταν στενά συνδεδεμένη με τις άψυχες δυνάμεις που κατευθύνουν τη χημεία των ωκεανών μέχρι πριν από μόλις 170 εκατομμύρια χρόνια.

Οι σύνθετοι οργανισμοί είχαν εξελιχθεί τουλάχιστον από την αρχή της περιόδου της Κάμβριας. «Τι είναι, 300 εκατομμύρια χρόνια εξέλιξης στον Παλαιοζωικό; Και όλο αυτό το διάστημα εξακολουθούσαν να είναι τόσο ευαίσθητα σε αυτές τις πολύ βασικές γεωχημικές αλλαγές», δήλωσε ο Kilian Eichenseer, υποψήφιος διδάκτορας στο Πανεπιστήμιο του Plymouth. Αλλά όπως έδειξαν ο ίδιος, ο σύμβουλός του Uwe Balthasar και οι συνάδελφοί τους σε μια πρόσφατη εργασία στο Nature Geoscience , όλα άλλαξαν όταν εμφανίστηκαν ορισμένα μικροσκοπικά θαλάσσια πλάσματα στο Jurassic — και η εξέλιξη στον ωκεανό δεν ήταν ποτέ ξανά η ίδια.    

Μια επανάσταση του πλαγκτόν

Πριν από περίπου 250 εκατομμύρια χρόνια, στο τέλος της Πέρμιας περιόδου, η ζωή στη Γη υπέστη ένα άνευ προηγουμένου πλήγμα. Κάτι - η μαζική ηφαιστειακή δραστηριότητα σε αυτά που είναι σήμερα οι Παγίδες της Σιβηρίας είναι ο πιθανότερος ένοχος - κατέστρεψε το παγκόσμιο οικοσύστημα και εξάλειψε το 90% ή περισσότερο όλων των θαλάσσιων ειδών και πάνω από το 70% αυτών στην ξηρά. Ο σχεδόν καθαρός σχιστόλιθος σηματοδότησε την αυγή μιας νέας εποχής:του Μεσοζωικού.

Η ζωή άργησε να ανακάμψει και για τα πρώτα δεκάδες εκατομμύρια χρόνια, οι θάλασσες κυριαρχούνταν από ομάδες ζώων όπως τα σκληρά, με χοντρό κέλυφος βραχιόποδα, οι αμμωνίτες και τα μαλάκια, μερικοί από τους ελάχιστους επιζώντες της εξαφάνισης της Πέρμιας. Στη μέση του Μεσοζωικού, ωστόσο, ο ωκεανός άρχισε να γεμίζει από ευκίνητα ζώα που είχαν πολύ πιο λεπτά κοχύλια. "Αν κοιτάξετε το αρχείο απολιθωμάτων, βλέπουμε τα ζώα να μεγαλώνουν, να γίνονται πιο δραστήρια - τα αρπακτικά γίνονται πιο τρομακτικά", είπε ο Eichenseer.

Αυτή η δραματική αλλαγή στη θαλάσσια ζωή έγινε γνωστή ως η θαλάσσια επανάσταση του Μεσοζωικού. Και ήταν σε αυτήν την εποχή της ανανέωσης που εμφανίστηκε ένα νέο είδος ζωής:το ασβεστοποιούμενο πλαγκτόν — μια ποικιλόμορφη ταξινόμηση μικροσκοπικών οργανισμών που δημιουργούν κελύφη ή σκελετούς από ανθρακικό ασβέστιο.

Δεν είναι ξεκάθαρο γιατί ομάδες όπως τα κοκκολιθοφόρα (μονοκύτταροι φυτικοί οργανισμοί) και τα τρηματοφόρα (μικροσκοπικά αμοιβοειδή ζώα σε κοχύλια) εξελίχθηκαν όταν εξελίχθηκαν, περίπου 80 εκατομμύρια χρόνια μετά τη μαζική εξαφάνιση. Η έλευση της βιομεταλλοποίησης στην πρώιμη Κάμβρια άνοιξε σημαντικές νέες επιλογές για τα ζωντανά όντα, επομένως από αυτή την άποψη, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι νέα είδη εξελίχθηκαν και εκμεταλλεύτηκαν την ευκαιρία να ασβεστοποιηθούν. Τα σκληρά κοχύλια όντως βοηθούν στην προστασία ενός οργανισμού από θηρευτή και άλλες σωματικές βλάβες. Μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως προστατευτικό φράγμα έναντι των υπεριωδών ακτίνων που καταστρέφουν το DNA. Επιπλέον, εκείνη την εποχή, υπήρχε πολύ διαλυμένο ανθρακικό άλας στο νερό (τα κοράλλια και τα δίθυρα που ζούσαν πριν από το ασβεστοποιούμενο πλαγκτόν δεν αφαίρεσαν πολύ από αυτό), επομένως η αφθονία του ανθρακικού ως πόρου θα μπορούσε να διευκολύνει την ανάπτυξη των μονοπατιών ασβεστοποίησης.

Όμως οι ασβεστοποιοί αντιμετωπίζουν σοβαρούς κινδύνους. Ως ομάδα, είναι πολύ ευαίσθητοι στις αλλαγές στη χημεία των ωκεανών. Για να φτιάξουν τα κελύφη τους, πρέπει να τραβήξουν ασβέστιο και ανθρακικά ιόντα από το θαλασσινό νερό - μια διαδικασία που γίνεται πιο σκληρή όταν αυτό το νερό γίνεται πιο όξινο. Ακόμη χειρότερα, αν το νερό γίνει αρκετά όξινο, αυτά τα κελύφη ανθρακικού ασβεστίου αρχίζουν να διαλύονται.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι μαζικές θαλάσσιες εξαφανίσεις έχουν συχνά συνδεθεί με γεωλογικά ή κλιματικά γεγονότα που προκαλούν πτώση του pH του ωκεανού. Η ηφαιστειακή δραστηριότητα, ειδικότερα, τείνει να απελευθερώνει πολύ διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα και καθώς το αέριο διαχέεται στους ωκεανούς, κάνει τα νερά πιο όξινα. Μεταξύ της Ορδοβικιανής περιόδου, περίπου 485 εκατομμύρια χρόνια πριν, και της πρώιμης Ιουρασικής, περίπου 170 εκατομμύρια χρόνια πριν, υπήρξε άφθονη ηφαιστειακή δραστηριότητα, η οποία οδήγησε στην εξαφάνιση πολλών, πολλών θαλάσσιων ειδών. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, οι οργανισμοί ευδοκιμούσαν ή πέθαιναν κυρίως με βάση παράγοντες πέρα ​​από τον έλεγχό τους.

Αλλά από τα μέσα του Jurassic, αυτό δεν συνέβη στην πραγματικότητα. «Υπήρχε ακόμα ηφαιστειακό φαινόμενο, αλλά συνήθως δεν συνοδευόταν πλέον από ένα γεγονός εξαφάνισης», εξήγησε ο Eichenseer. Υποψιάζεται ότι τα εύσημα για τη νέα ανθεκτικότητα της ζωής πιθανότατα πηγαίνουν σε αυτά τα πλαγκτόν — ειδικά αυτά που πέθαναν.

Αυτό συμβαίνει επειδή στρώματα νεκρών ανθρακικών οργανισμών στον πυθμένα της θάλασσας μπορούν να διαλυθούν όταν το pH του θαλασσινού νερού αρχίσει να πέφτει και τα απελευθερωμένα ανθρακικά ιόντα στη συνέχεια αυξάνουν ξανά το pH. Τα μέρη όπου υπάρχει αφθονία νεκρών ανθρακικών οργανισμών λειτουργούσαν πάντα ως ρυθμιστικό διάλυμα για τη σταθεροποίηση της χημείας του ωκεανού. Αλλά πριν εμφανιστούν αυτά τα ασβεστοποιούμενα πλαγκτόν, αυτό το ανθρακικό ρυθμιστικό διάλυμα περιοριζόταν σε ρηχές υφαλοκρηπίδες. Απλώς δεν υπήρχε αρκετός χώρος με κιμωλία για να προστατευτεί από τις ακραίες αλλαγές στην οξύτητα από ηφαίστεια ή άλλα γεωλογικά γεγονότα.

Τότε ανέλαβε το ασβεστοποιούμενο πλαγκτόν. Σήμερα, θα δυσκολευτείτε να βρείτε ωκεάνια νερά βάθους μικρότερης των 100 μέτρων που δεν περιέχουν ασβεστοποιητικό πλαγκτόν. Παρά το μικρό τους μέγεθος, μπορεί να αντιπροσωπεύουν σχεδόν το 12% της συνολικής βιομάζας στους ωκεανούς. Και έχουν αλλάξει εντελώς τον τρόπο με τον οποίο κινείται ο άνθρακας στον πλανήτη. Περίπου το 80% των πετρωμάτων που περιέχουν άνθρακα στη Γη προέρχονται από τα υπολείμματα αυτού του πλαγκτόν και άλλων θαλάσσιων ασβεστοποιητών — παρόλο που κατά μάζα, αυτά τα πλαγκτόν μπορεί να αντιπροσωπεύουν λιγότερο από το 0,2% της ζωής που περιέχει άνθρακα στη Γη.

«Ξαφνικά έχετε όλους αυτούς τους μικροσκοπικούς μικροσκοπικούς ανθρακικούς οργανισμούς που μαζί αθροίζονται σε αυτόν τον τεράστιο ανθρακικό νεροχύτη που αντλεί έναν τόνο ανθρακικού ασβεστίου από τον ωκεανό και όπως διατυπώνεται όμορφα στο χαρτί, αλλάζει τη δυναμική του ανθρακικό εναποτίθεται», δήλωσε ο Rowan Martindale, παλαιοοικολόγος στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Austin. "Και έτσι αλλάζει πραγματικά θεμελιωδώς τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί η χωρητικότητα των ωκεανών."

Το να γίνουν οι ωκεανοί πιο σταθεροί δεν ωφέλησε μόνο τα ασβεστοποιούμενα πλάσματα. Με τόσα πολλά είδη λιγότερο πιθανό να εξαφανιστούν από την ιδιοτροπία του πλανήτη, όλα τα θαλάσσια είδη μπόρεσαν να χαλαρώσουν και να αφιερώσουν χρόνο για να αναπτύξουν περίπλοκες σχέσεις με τους άλλους. Γι' αυτό η ζωή έγινε μεγαλύτερη, ταχύτερη και πιο επιθετική:Αυτό που ήταν αγώνας ενάντια στον πλανήτη έγινε αγώνας μεταξύ οργανισμών.

Αποτροπή του υπολοίπου

Η ιδέα ότι το ασβεστοποιημένο πλαγκτόν μεταμόρφωσε τη θαλάσσια ζωή δεν είναι εντελώς νέα. «Η θαλάσσια επανάσταση του Μεσοζωικού είναι μια αρκετά θεμελιώδης αλλαγή στον τρόπο λειτουργίας των ωκεανών», είπε ο Martindale. Σημείωσε ότι, για πάνω από μια δεκαετία, υπάρχει μια γενική συναίνεση στην παλαιοντολογική κοινότητα ότι η άνοδος του ασβεστοποιούμενου πλαγκτόν άλλαξε θεμελιωδώς τη χημεία των ωκεανών και επέτρεψε να αναδυθεί και να κυριαρχήσει μια εντελώς νέα σειρά οργανισμών. Αλλά μέχρι πρόσφατα, κανείς δεν είχε δοκιμάσει την ιδέα εμπειρικά.

Ο Eichenseer και οι συνεργάτες του έκαναν ακριβώς αυτό. Πρώτα συγκέντρωσαν πληροφορίες για μη πλαγκτονικούς θαλάσσιους ασβεστοποιητικούς οργανισμούς αξίας 450 εκατομμυρίων ετών - δηλαδή ζώα όπως δίθυρα, βραχιόποδα, γαστερόποδα, κεφαλόποδα και κοράλλια, καθώς και είδη ασβεστοποιημένων φυκών που δεν υπολογίζονται ως πλαγκτόν. Στη συνέχεια συνέκριναν την επιτυχία των διαφορετικών ομάδων οργανισμών στην αντιμετώπιση δύο βασικών περιβαλλοντικών μεταβλητών:τη θερμοκρασία των ωκεανών και τις συγκεντρώσεις μαγνησίου. Όταν οι θερμοκρασίες ή οι συγκεντρώσεις μαγνησίου είναι υψηλές, οι οργανισμοί που δημιουργούν μια συγκεκριμένη μορφή ανθρακικού ασβεστίου που ονομάζεται αραγωνίτης έχουν ευκολότερο χρόνο. Τα πιο δροσερά νερά με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε μαγνήσιο κάνουν τη ζωή πιο εύκολη για τα πλάσματα που παράγουν ασβεστίτη.

Όπως εξήγησε ο Eichenseer, εάν οι περιβαλλοντικές μεταβλητές ήταν η κυρίαρχη κινητήρια δύναμη της εξέλιξης, θα περίμενε κανείς να δει τη σχετική επιτυχία των οργανισμών που παράγουν αραγονίτη και ασβεστίτη να ακολουθεί τη χημεία των ωκεανών. Και αυτό ακριβώς είδαν ο ίδιος και η ομάδα του - μέχρι πριν από 170 εκατομμύρια χρόνια, όταν το ασβεστοποιητικό πλαγκτόν έγινε ευρέως διαδεδομένο. Στη συνέχεια, οι οργανισμοί αποσυνδέθηκαν απότομα από τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και τα επίπεδα μαγνησίου και οι οργανισμοί του αραγωνίτη άρχισαν να κυριαρχούν παρά τις δυσμενείς συνθήκες.

Οι ερευνητές δεν μπόρεσαν να αποδείξουν με βεβαιότητα ότι το πλαγκτόν προκάλεσε αυτή τη μετατόπιση, αλλά υποστήριξαν ότι απλώς με την ύπαρξη -και να πεθάνουν- σε τόσο τεράστιους αριθμούς στα βαθύτερα νερά, αυτά τα πλάσματα δημιούργησαν ένα βαθύ απόθεμα ανθρακικού που θα μπορούσε στη συνέχεια να διαλυθεί στον ωκεανό. χημεία όποτε οι περιβαλλοντικές αλλαγές ώθησαν το θαλασσινό νερό να γίνει πιο όξινο.

Όπως σημείωσαν ο Eichenseer και οι συν-συγγραφείς του στο έγγραφο, ο κύκλος ασβεστίου του ωκεανού δεν ήταν το μόνο πράγμα που θα άλλαζε αυτή η έκρηξη στο ασβεστοποιούμενο πλαγκτόν:Λόγω των επιπτώσεων, σχεδόν ολόκληρο το θαλάσσιο οικοσύστημα θα είχε αλλάξει. Πτώση πλαγκτόν που πεθαίνει προς τον πυθμένα της θάλασσας σε μια σταθερή βροχή. Η αποσύνθεσή τους είναι μια διαδικασία που εξαντλεί το θαλασσινό νερό από διαλυμένο οξυγόνο. Επειδή όμως το ασβεστοποιούμενο πλαγκτόν είναι σχετικά βαρύ, βυθίζονται στα βάθη προτού αποσυντεθούν πλήρως, αφήνοντας περισσότερο οξυγόνο στα ρηχά νερά. Αυτή η αλλαγή θα μπορούσε να έχει αυξήσει το εύρος των οργανισμών που θα μπορούσαν να ζουν κατά μήκος της υφαλοκρηπίδας και να τους έκανε λιγότερο ευάλωτους σε άλλες περιβαλλοντικές αλλαγές. Οι μεταβολικοί ρυθμοί θα μπορούσαν να έχουν αυξηθεί, ενισχύοντας την τάση για πιο ενεργή θαλάσσια ζωή. Οι προηγούμενες εξηγήσεις για τη θαλάσσια επανάσταση του Μεσοζωικού εξαρτώνται συχνά από την εμφάνιση νέων αρπακτικών, όπως οι πλακοδόντες και οι ιχθυόσαυροι, που θα μπορούσαν να συνθλίψουν τα κελύφη της λείας τους, αλλά είναι πιθανό ότι αυτοί οι ίδιοι εκμεταλλεύονταν ένα νέο οικολογικό καθεστώς. κατέστη δυνατή η ασβεστοποίηση πλαγκτόν.

Η Pamela Hallock Muller, βιογεωλόγος ωκεανογράφος στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Φλόριντα, είπε ότι βρήκε την ιδέα ότι το ασβεστοποιημένο πλαγκτόν άλλαξε τη χημεία των ωκεανών «πολύ ενδιαφέρουσα, πολύ λογική και πολύ ενδιαφέρουσα». Αναγνώρισε ότι «δεν είχε σκεφτεί τη δέσμευση των ωκεανών με αυτόν τον τρόπο» και ότι τα επιχειρήματα που παρουσιάζονται στο έγγραφο του Eichenseer φαίνονται «αρκετά σταθερά». Ωστόσο, αναρωτήθηκε αν η αλλαγή του εξελικτικού καθεστώτος ήταν πραγματικά μια δραματική ή περισσότερες από μια ελαφριά ώθηση. Το ρυθμιστικό διάλυμα θα μπορούσε να παίξει κάποιο ρόλο, αλλά το ίδιο θα έπαιζε και η απλή ύπαρξη νέων βρώσιμων οργανισμών στη μέση του ωκεανού — ένας βιότοπος που στο παρελθόν δεν είχε αφθονία ζωής.

Αυτή πιθανότατα δεν ήταν η πρώτη ή η μόνη σημαντική αλλαγή του εξελικτικού καθεστώτος που οδηγήθηκε από τη ζωή, τελικά. Οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί και το οξυγόνο που παράγουν πιστεύεται ότι έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στην ξαφνική επέκταση των μορφών ζωής κατά την έκρηξη της Κάμβριας - αν και υπάρχει κάποια συζήτηση σχετικά με το πόσο ξαφνική και επεκτατική ήταν πραγματικά αυτή η «έκρηξη». Και πιστεύεται ότι παρόμοιες δραστικές αλλαγές πρέπει να έχουν συμβεί στη στεριά κάποια στιγμή, αν και τα απολιθώματα για τους οργανισμούς της ξηράς είναι πολύ λιγότερο λεπτομερή, επομένως η δοκιμή υποθέσεων σχετικά με τους εξελικτικούς οδηγούς είναι πολύ πιο δύσκολη.

Ο Eichenseer σημειώνει επίσης ότι το πλαγκτόν δεν ξαναέγραψε ακριβώς τους νόμους της εξέλιξης - απλώς ανέτρεψαν την ισορροπία που έκανε πιο σημαντικές τις βιοτικές αλληλεπιδράσεις όπως ο ανταγωνισμός και η θήρα. «Τα συστήματα ζωής της Γης σταθεροποιήθηκαν. Και αυτές οι περιβαλλοντικές διαταραχές, συνέβησαν ακόμα, αλλά η ζωή ήταν προετοιμασμένη.»

Έκτοτε, η εξέλιξη στους ωκεανούς παρέμεινε περισσότερο βιοτικά, γεγονός που μπορεί να εξηγήσει γιατί αβιοτικά γεγονότα όπως οι γρήγορες κλιματικές αλλαγές ή οι ηφαιστειακές εκρήξεις ήταν λιγότερο καταστροφικές από πριν. Υπήρξαν αξιοσημείωτες εξαιρέσεις, φυσικά, όπως η πρόσκρουση αστεροειδών που καταστράφηκε από δεινόσαυρους που προκάλεσε μια μαζική εξαφάνιση στο τέλος του Μεσοζωικού. Αλλά συνολικά, η ίδια η ζωή έχει παίξει μεγαλύτερο ρόλο στην απόφαση για το ποιες μορφές θαλάσσιας ζωής επιβιώνουν ή εξαφανίζονται.

Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι θα είναι για πάντα. Αυτή η βιοτική κυριαρχία εξαρτάται από το ωκεάνιο πλαγκτόν, επομένως δεν είναι εγγυημένη - γεγονός που θα πρέπει ίσως να είναι ανησυχητικό, δεδομένου του τρόπου με τον οποίο η αφθονία και η κατανομή αυτών των οργανισμών μεταβάλλεται από την ανθρωπογενή κλιματική αλλαγή. Εάν η παραγωγή του ασβεστοποιούμενου πλαγκτόν επρόκειτο να καταρρεύσει, ίσως λόγω της καταστροφής από τους ωκεανούς που οξινίζονται, "τότε θα μπορούσαμε υποθετικά να γλιστρήσουμε πίσω σε αυτό το πιο αρχαίο εξελικτικό καθεστώς", είπε ο Eichenseer.