Οι γρήγορες αλλαγές οξυγόνου τροφοδότησαν μια έκρηξη στην ποικιλότητα των αρχαίων ζώων

Για περισσότερα από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά την εμφάνιση της ζωής των ζώων, έμεινε στάσιμη στην απλότητα. τα σφουγγάρια αντιπροσώπευαν το ύψος της πολυπλοκότητας. Στη συνέχεια, περίπου πριν από 541 εκατομμύρια χρόνια, ο ρυθμός της μεταμόρφωσης της ζωής επιταχύνθηκε απότομα. Αυτή η περίοδος, γνωστή ως έκρηξη της Κάμβριας, περιόρισε κατά προσέγγιση την εμφάνιση όλων σχεδόν των μεγάλων ζωικών ομάδων που ζουν σήμερα.

Μέσα σε μερικές δεκάδες εκατομμύρια χρόνια, μια γεωλογική αναλαμπή, ο ζωντανός κόσμος επεκτάθηκε σε μια όψη της τρέχουσας πληρότητάς του. Αν και πρόσφατη εργασία υποδηλώνει ότι σημαντικές και ξαφνικές επεκτάσεις στη βιοποικιλότητα των ζώων συνέβησαν επίσης πριν και μετά την έκρηξη της Κάμβριας, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι ήταν ένα εξαιρετικό και μπερδεμένο επεισόδιο στην εξελικτική ιστορία.

Το γιατί η ζωή των ζώων έγινε πιο περίπλοκη με τέτοια βιασύνη παραμένει ένα φλέγον ερώτημα για τους παλαιοντολόγους και τους θεωρητικούς της εξέλιξης. Ήταν απλώς θέμα εξέλιξης του σωστού συνδυασμού γονιδίων; Ή μήπως οι περιβαλλοντικοί παράγοντες περιόρισαν τις πιθανές μορφές της ζωής, αναγκάζοντάς την να περιμένει έως ότου επαρκές οξυγόνο ή άλλα βασικά στοιχεία μπορούσαν να υποστηρίξουν μεγαλύτερη πολυπλοκότητα;

Μια εργασία που δημοσιεύτηκε νωρίτερα αυτή την εβδομάδα στο Nature Geoscience προσφέρει λεπτομερή υποστήριξη για την ιδέα ότι το οξυγόνο και η ποικιλομορφία των ζώων συνδέονται θετικά, αλλά με μια ανατροπή.

Αντί τα επίπεδα οξυγόνου να αυξάνονται σταδιακά, οι θάλασσες της Κάμβριας υπέστησαν γρήγορες περιόδους εκρήξεων οξυγόνου και αποτυχίας, υποστηρίζει η εφημερίδα. Η διεθνής ομάδα χημικών, παλαιοντολόγων και βιογεωχημικών μοντελιστών πίσω από την εργασία συνέδεσε αυτές τις γρήγορες διακυμάνσεις του οξυγόνου με εκρήξεις διαφοροποίησης και εξαφάνισης κατά τη διάρκεια της έκρηξης στην Κάμβρια.

Δεν είναι σαφές εάν αυτά τα άλματα στην ποικιλομορφία των ζώων προήλθαν από μια γενικά μεγαλύτερη διαθεσιμότητα οξυγόνου ή από τον γρήγορο κύκλο άνθησης και κατάρρευσης του αερίου κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Αλλά αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η σύνδεση μεταξύ της αύξησης του οξυγόνου και της αύξησης της πολυπλοκότητας των ζώων δεν ήταν τυχαία.

«Αυτή είναι μια σημαντική συμβολή», δήλωσε η Rachel Wood, παλαιοντολόγος στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου που δεν συμμετείχε σε αυτή τη μελέτη. «Υπάρχει σχεδόν μια εξοχική βιομηχανία εγγράφων που προσπαθεί να τεκμηριώσει τα αυξανόμενα επίπεδα οξυγόνου κατά τη διάρκεια αυτού του χρονικού πλαισίου, αλλά η ενσωμάτωση αυτών των δεδομένων με παλαιοντολογικά δεδομένα υψηλής ανάλυσης ήταν πρόκληση», είπε. "Αυτοί οι ερευνητές έκαναν ό,τι μπορούσαν για να κάνουν ακριβώς αυτό και το αποτέλεσμα είναι πραγματικά ενδιαφέρον."

Η ιδέα ότι το οξυγόνο ήταν απαραίτητη προϋπόθεση για την εξέλιξη μιας πιο περίπλοκης και δυναμικής ζωής υπάρχει εδώ και δεκαετίες. Η αερόβια αναπνοή, που βασίζεται στο οξυγόνο, παρέχει μεταβολική ενέργεια περίπου 18 φορές πιο αποτελεσματικά από την αναερόβια αναπνοή. Πιο περίπλοκα σώματα και τρόποι ζωής που βασίζονται στο κυνήγι (και στους κυνηγούς που αποφεύγουν) απαιτούν αυτή τη μεταβολική ώθηση. Η σκέψη είναι ότι η περίπλοκη ζωή δεν θα μπορούσε να αναδυθεί χωρίς επαρκή καύσιμα.

Όσο διαισθητική κι αν είναι αυτή η υπόθεση, η δημιουργία συγκεκριμένων αποδεικτικών στοιχείων γι' αυτήν ήταν πρόκληση, επειδή δεν μπορείτε να μετρήσετε απευθείας τη συγκέντρωση οξυγόνου που υπήρχε στους ωκεανούς της Κάμβριας - το διαλυμένο αέριο δεν απολιθώνεται. Αντίθετα, οι ερευνητές προσπάθησαν να διερευνήσουν το παρελθόν εξετάζοντας ιζηματογενείς ενώσεις:ενώσεις σιδήρου, άνθρακα ή θείου σε γεωλογικά στρώματα με ιδιότητες που μπορούν να μετρηθούν και να τεθούν σε μοντέλα για να συναχθούν τα αρχαία επίπεδα οξυγόνου.

Ο πρώιμος ωκεανός δεν είχε οξυγόνο, εξήγησε ο Tianchen He, παλαιοντολόγος στο Πανεπιστήμιο του Leeds και ο κύριος συγγραφέας της μελέτης. Τα φωτοσυνθετικά μικρόβια στις θάλασσες εισήγαγαν την πρώιμη Γη στο οξυγόνο, «αλλά η φωτοσύνθεση δεν ήταν ο κύριος ρυθμιστής του οξυγόνου αυτή τη στιγμή», είπε. Αντίθετα, οι φυσικές κυκλικές διεργασίες στον ωκεανό, όπως οι κύκλοι του άνθρακα και του θείου, καθόρισαν πόσο οξυγόνο έφτασε στην επιφάνεια. Για παράδειγμα, ο άνθρακας ανταλλάσσεται συνεχώς μεταξύ της ατμόσφαιρας (ως διοξείδιο του άνθρακα) και των ωκεανών (ως ανθρακικό οξύ ή ανθρακικό) κατά τη διάρκεια του κύκλου του άνθρακα, μεταβάλλοντας έτσι τη χημεία των ωκεανών, η οποία επηρεάζει τα επίπεδα οξυγόνου.

Οι ερευνητές είχαν μετρήσει τις αλλαγές στη σύνθεση του οργανικού άνθρακα και του θείου μέσω του γεωλογικού αρχείου για να μοντελοποιήσουν τη χημεία των αρχαίων ωκεανών και τα επίπεδα οξυγόνου, αλλά ποτέ σε μια περιοχή που επέτρεπε μια σύγκριση υψηλής ανάλυσης με το αρχείο απολιθωμάτων, σύμφωνα με τον Wood. Ποτέ, δηλαδή, μέχρι τη νέα μελέτη του He και των συναδέλφων του.

Μια τοποθεσία στη Ρωσία που ονομάζεται Siberian Platform, μεταξύ των ποταμών Yenisey και Lena, τους παρουσίασε μια καλή ευκαιρία, καθώς περιέχει ένα εκτεταμένο και συνεχές αρχείο άνθρακα και θείου μαζί με ένα από τα πλουσιότερα απολιθώματα της Κάμβριας. Ο αρχαίος ρηχός βυθός «αντιπροσωπεύει περισσότερο από το ήμισυ της παγκόσμιας βιοποικιλότητας της Κάμβριας», είπε. «Είναι ένα μοναδικό μέρος, αλλά πολύ απομακρυσμένο». Τα δείγματα συλλέχθηκαν από μια ομάδα Ρώσων και Κινέζων ερευνητών το 2008, οι οποίοι έφτασαν στην τοποθεσία με βάρκα και ελικόπτερο.

Γεωλογική φέτα γεωλογική φέτα, οι ερευνητές συνέκριναν τα μοντελοποιημένα επίπεδα οξυγόνου και την ποικιλομορφία των απολιθωμάτων, αποκαλύπτοντας μια ασταθή ιστορία. Σε διάστημα περίπου 10 εκατομμυρίων ετών, μεταξύ 524 και 514 εκατομμυρίων ετών πριν, αυτή η ρηχή θάλασσα της Σιβηρίας υπέστη πέντε διακριτές αιχμές οξυγόνου.

«Αυτές οι διακυμάνσεις είναι αρκετά ακραίες», είπε ο He, εξηγώντας ότι κάθε αιχμή και βουτιά αποτελούσαν περίπου 50 τοις εκατό αύξηση ή μείωση στα επίπεδα οξυγόνου. «Προηγούμενες μελέτες δείχνουν ότι τα επίπεδα οξυγόνου κατά τη διάρκεια της Κάμβριας ήταν περίπου το 40 τοις εκατό των σημερινών ατμοσφαιρικών επιπέδων», είπε. "Πενήντα τοις εκατό ταλαντεύσεις είναι αρκετά τεράστιες."

Κάθε παλμός οξυγόνωσης αντιστοιχούσε σε τοπικό υψηλό επίπεδο βιοποικιλότητας, ενώ οι πτώσεις στα επίπεδα οξυγόνου συσχετίστηκαν με υψηλότερα ποσοστά εξαφάνισης. Για παράδειγμα, ένας παλμός μεταξύ 521 και 522 εκατομμυρίων ετών συνδέθηκε με την εμφάνιση πολυάριθμων ζώων με κέλυφος, συμπεριλαμβανομένων τριλοβίων και δίθυρων αρθρόποδων. Μερικά εκατομμύρια χρόνια αργότερα, ο επόμενος παλμός συνέπεσε με την αύξηση των μεγάλων αρπακτικών αρθρόποδων και με στοιχεία αυξημένης αρπακτικής συμπεριφοράς.

«Η έκρηξη της Κάμβριας δεν ήταν ένα μοναδικό γεγονός. Συνέβη σε εκρήξεις, σε ανόδους και πτώσεις», είπε. "Στη μελέτη μας, η άνοδος και η πτώση των επιπέδων οξυγόνου συσχετίστηκαν με αυτές τις εκρήξεις [εξελικτικής] ακτινοβολίας."

Για τον Wood, «Τα δεδομένα δείχνουν σαφώς μια θετική συσχέτιση». Και πρόσθεσε, «Η πιο ενδιαφέρουσα ερώτηση είναι:γιατί;» Μια εξήγηση είναι ότι αυτοί οι παλμοί οξυγόνωσης επεκτάθηκαν γρήγορα πόσο από τις ρηχές θάλασσες ήταν κατοικήσιμες. Ο περισσότερος φυσικός χώρος δίνει στη ζωή περισσότερο χώρο αναπνοής για διαφοροποίηση, κυριολεκτικά και μεταφορικά. Σύμφωνα με τον He, κάθε παλμός οξυγόνου επέτρεπε μια επέκταση μορφών και τρόπων ζωής. Αυτό με τη σειρά του δημιούργησε περισσότερες ευκαιρίες για οικολογικές αλληλεπιδράσεις, όπως "συνεξελικτικές κούρσες εξοπλισμών" μεταξύ σειρών αρπακτικών και θηραμάτων, που θα μπορούσαν να επιταχύνουν περαιτέρω τη διαφοροποίηση.

Εξίσου σημαντικές είναι οι βουτιές στο οξυγόνο, σύμφωνα με τον Wood. «Συχνά, μετά από μια εξαφάνιση, έρχεται μια ακτινοβολία», είπε. Αυτές οι γρήγορες διακυμάνσεις του οξυγόνου, που ενδεχομένως προκαλούν διαστολή και συστολή του κατοικήσιμου χώρου, θα μπορούσαν να λειτουργήσουν σαν φυσούνα που τροφοδοτούν τη φωτιά της αυξημένης ποικιλομορφίας. «Η καθαρή δυναμική φύση αυτών των μεγάλων ροών θα μπορούσε να είναι αυτό που προκαλεί αυτή την εξέλιξη. Αν είχατε μόνο έναν παλμό οξυγόνωσης, θα είχατε μόνο μία ακτινοβολία», είπε. "Ίσως αυτοί οι πολλαπλοί παλμοί να είναι που ταρακουνούν πραγματικά τα πράγματα."

Δεν είναι σαφές τι προκάλεσε αυτό το γιο-γιόινγκ. Πιστεύει ότι θα μπορούσε να ήταν ένας εγγενής μηχανισμός αυτορρύθμισης των πρώιμων ωκεανών, κάτι που προέκυψε από τη φυσική χημική ανακύκλωση. Μια πιο αμφιλεγόμενη ιδέα, που αναφέρεται στο Quanta πέρυσι, αντιστρέφει την αιτιολογική αλυσίδα, υποδηλώνοντας ότι η μεγαλύτερη ποικιλομορφία των ζώων είχε ως αποτέλεσμα περισσότερα ζώα να μετακινούνται μέσα από τη στήλη του νερού, κάτι που με τη σειρά του προκάλεσε περισσότερη ανάμειξη των υδάτων των ωκεανών, ενισχύοντας τα επίπεδα οξυγόνου.

Τονίζει ότι το αυξημένο οξυγόνο δεν είναι η μόνη αιτία της αυξημένης ποικιλομορφίας. Μόλις εξελιχθεί η πολυπλοκότητα, θα μπορούσε να ενσωματωθεί, καθοδηγούμενη από οικολογικές αλληλεπιδράσεις. Αλλά υποστηρίζει ότι για να είναι δυνατό αυτό, ήταν απαραίτητα υψηλότερα επίπεδα οξυγόνου.

Αυτή η μελέτη αντιπροσωπεύει μόνο ένα τοπικό κομμάτι της γεωλογικής ιστορίας. Ελπίζει να επαναλάβει την ίδια ανάλυση υψηλής ανάλυσης σε άλλα μέρη του κόσμου για να επιβεβαιώσει το μοτίβο που παρατηρείται στη Σιβηρία. (Όπως ανέφεραν ο He και οι συνεργάτες του στην εργασία τους, κάποιες προηγούμενες έρευνες στην Κίνα απέφεραν παρόμοια αποτελέσματα.) Επιπλέον, ο Wood ελπίζει ότι η μελλοντική έρευνα θα είναι σε θέση να επεκτείνει αυτές τις μελέτες στην προγενέστερη Περίοδο Ediacaran, πριν από περίπου 542 εκατομμύρια χρόνια, και σε μεταγενέστερα μέρη της Κάμβριας Περιόδου, για να δούμε αν αυτά τα μοτίβα είναι μοναδικά για αυτήν την εποχή ή πιο καθολικά.

«Είναι πραγματικά συναρπαστικό να βλέπεις περισσότερες από αυτές τις μεγάλες διεθνείς συνεργασίες», είπε ο Wood. "Αυτές είναι περίπλοκες, διεπιστημονικές ερωτήσεις που απαιτούν διαφορετικές ομάδες να τις απαντήσουν."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στα ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .