La causa dell'esplosione del Cambriano, avvenuta circa 540 milioni di anni fa, non può essere stata una catastrofe dovuta all'ossigeno. Questa conclusione è stata recentemente raggiunta da scienziati cinesi e canadesi.
L'esplosione del Cambriano, o l'esplosione della fauna scheletrica, è il nome condizionale del fenomeno, che ha provocato un forte aumento del numero di resti fossili di esseri viventi nei sedimenti corrispondenti all'inizio del periodo geologico Cambriano.
A quel tempo non c'era alcun aumento significativo della concentrazione di ossigeno nell'aria, era solo del 10%. dal livello attuale - ha detto corr. Xinhua presso l'Istituto di geologia e paleontologia di Nanchino sotto l'Accademia cinese delle scienze a Nanchino / provincia di Jiangsu, Cina orientale /.
Da molti anni l'origine degli organismi e l'impatto su di essi dei cambiamenti ambientali sono oggetto di ricerche fondamentali.
Secondo il punto di vista generalmente accettato, 2,3 miliardi di anni fa, sulla Terra si verificò la prima catastrofe dell'ossigeno, il cui risultato fu la comparsa di ossigeno libero nell'atmosfera. Secondo i ricercatori, a quel tempo la sua concentrazione era solo dello 0,1 - 0,01%. dal ritmo dei nostri giorni.
Quindi, 1 miliardo - 550 milioni di anni fa, fu registrato il nuovo accumulo di ossigeno nell'aria, quindi il suo contenuto raggiunse il 10%. dal livello attuale. A questo proposito, i primi organismi multicellulari apparvero sulla Terra.
Molti scienziati in precedenza ritenevano che il drammatico aumento della biodiversità durante l'esplosione del Cambriano fosse dovuto a un cambiamento globale nella composizione dell'atmosfera terrestre, quindi il contenuto di ossigeno nel mare e nell'aria potrebbe avvicinarsi ai livelli attuali. I risultati di uno studio condotto da un team sino-canadese hanno smentito tale teoria.
Xiang Lei, dottore in scienze geologiche presso l'istituto, ha affermato che un team di scienziati cinesi e canadesi ha studiato la composizione chimica di campioni di roccia provenienti dalla parte occidentale della provincia di Zhejiang nel 2014-2016, grazie alla quale sono riusciti a confutare le ipotesi esistenti. ipotesi.
Tutte le rocce utilizzate nello studio si trovavano a una profondità compresa tra 400 e 760 m e la loro età raggiungeva i 510-550 milioni di anni. Gli scienziati hanno studiato il contenuto di carbonio organico e di elementi come ferro, uranio, molibdeno in essi contenuti e hanno anche specificato la concentrazione di ossigeno nell'aria e nel mare.
Secondo il dottor Xiang Lei, il contenuto di ossigeno nell'aria è aumentato al livello attuale solo 510 milioni di anni fa prima era ad un livello costantemente basso, vale a dire circa il 10%. dal livello attuale.
"I risultati dello studio indicano l'assenza di ossidazione su larga scala dell'aria e del mare a seguito dell'esplosione del Cambriano. L'ipotesi di un forte aumento della biodiversità dovuto all'aumento del contenuto di ossigeno non si è concretizzata", ha affermato. .
Cosa ha portato all’esplosione del Cambriano? Questa questione, come notato da Xiang Lei, è ancora aperta.
I risultati rivoluzionari degli scienziati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica britannica Earth and Planetary Science Letters. Il lavoro di ricerca è stato organizzato con il sostegno dell'Accademia cinese delle scienze e della Fondazione nazionale cinese per le scienze naturali.
5. Possibili cause dell'“esplosione”
Sebbene prima del Cambriano esistessero animali a tre strati piuttosto complessi, lo sviluppo evolutivo nel Cambriano iniziale sembra essere eccezionalmente rapido. Sono stati fatti molti tentativi per spiegare le ragioni di questo sviluppo "esplosivo".
Cambiamenti ambientali
Aumento della concentrazione di ossigeno
La prima atmosfera della Terra non conteneva alcun ossigeno libero. L'ossigeno che respirano gli animali moderni, sia nell'aria che disciolto nell'acqua, è il prodotto di miliardi di anni di fotosintesi, principalmente di microrganismi. Circa 2,5 miliardi di anni fa, la concentrazione di ossigeno nell’atmosfera aumentò notevolmente. Fino a quel momento, tutto l'ossigeno prodotto dai microrganismi veniva completamente speso per l'ossidazione di elementi con elevata affinità per l'ossigeno, come il ferro. Fino a quando non furono completamente legati alla terra e negli strati superiori dell'oceano, nell'atmosfera esistevano solo "oasi di ossigeno" locali.
La mancanza di ossigeno potrebbe impedire per lungo tempo lo sviluppo di grandi organismi complessi. Il problema è che la quantità di ossigeno che un animale può assorbire dal suo ambiente è limitata dalla sua superficie. La quantità di ossigeno necessaria per la vita è determinata dalla massa e dal volume dell'organismo, che, all'aumentare delle dimensioni, cresce più velocemente della superficie. Un aumento della concentrazione di ossigeno nell'aria e nell'acqua potrebbe indebolire o eliminare completamente questa limitazione.
Va notato che una quantità di ossigeno sufficiente per l'esistenza di grandi vendobionti era già presente nel periodo Ediacarano. Tuttavia, un ulteriore aumento della concentrazione di ossigeno potrebbe fornire agli organismi energia aggiuntiva per la produzione di sostanze necessarie per lo sviluppo di strutture corporee fondamentalmente più complesse, comprese quelle utilizzate per la predazione e la protezione contro di essa.
terra di palle di neve
Esistono prove abbondanti che nel tardo Neoproterozoico la Terra fu soggetta a glaciazione globale, durante la quale la maggior parte di essa era ricoperta di ghiaccio, e la temperatura superficiale era vicina allo zero anche all'equatore. Alcuni ricercatori sottolineano che questa circostanza potrebbe essere strettamente correlata all'esplosione del Cambriano, poiché i primi fossili conosciuti risalgono a un periodo poco successivo alla fine dell'ultima glaciazione completa.
Tuttavia, è piuttosto difficile evidenziare la relazione causale di tali catastrofi con la conseguente crescita delle dimensioni e della complessità degli organismi. Forse le basse temperature hanno aumentato la concentrazione di ossigeno nell’oceano: la sua solubilità nell’acqua di mare quasi raddoppia quando la temperatura scende da 30°C a 0°C.
Fluttuazioni nella composizione isotopica del carbonio
Nei sedimenti al confine Ediacarano/Cambriano, c'è un forte declino seguito da fluttuazioni insolitamente forti nel rapporto isotopico del carbonio C/C durante tutto il Cambriano inferiore.
Molti scienziati ritengono che il calo iniziale sia dovuto ad un'estinzione di massa avvenuta poco prima dell'inizio del Cambriano, ma si può anche supporre che l'estinzione stessa sia stata una conseguenza del precedente decadimento dei clatrati di metano. È ampiamente noto che l'emissione di metano e la conseguente saturazione dell'atmosfera con anidride carbonica provoca un effetto serra globale, accompagnato da vari disastri ambientali. Un quadro simile è stato osservato nel Triassico, quando la vita si stava riprendendo dall’estinzione di massa del Permiano.
Tuttavia, è piuttosto difficile spiegare come un’estinzione di massa possa causare un forte aumento della diversità tassonomica e morfologica. Sebbene le estinzioni di massa, come il Permiano e il Cretaceo-Paleogene, abbiano portato ad un successivo aumento del numero di singole specie da insignificanti a "dominanti", in entrambi i casi le nicchie ecologiche furono sostituite, anche se da altri organismi altrettanto complessi. Allo stesso tempo, nel nuovo ecosistema non è stata osservata alcuna crescita improvvisa della diversità tassonomica o morfologica.
Numerosi ricercatori hanno suggerito che ogni diminuzione a breve termine della proporzione C / C nel Cambriano inferiore rappresenta un rilascio di metano che, a causa del piccolo effetto serra e dell'aumento della temperatura da esso causato, ha portato ad un aumento della diversità morfologica . Ma anche questa ipotesi non spiega il forte aumento della diversità tassonomica all’inizio del Cambriano.
Spiegazioni basate sullo sviluppo degli organismi
Numerose teorie si basano sull'idea che cambiamenti relativamente piccoli nel modo in cui gli animali si sviluppano dall'embrione all'adulto possono portare a cambiamenti drammatici nella forma del corpo.
Emersione del sistema di sviluppo bilaterale
I geni Hox regolatori attivano e disattivano i geni "funzionanti" in varie parti del corpo e quindi controllano la formazione della struttura anatomica del corpo. Geni Hox molto simili si trovano nel genoma di tutti gli animali, dagli cnidari all'uomo. Allo stesso tempo, i mammiferi hanno 4 set di geni Hox, mentre gli cnidari se la cavano con un solo set.
I geni Hox in diversi gruppi di animali sono così simili che, ad esempio, si può trapiantare il gene umano “che forma l’occhio” in un embrione di Drosophila, che porterà alla formazione di un occhio ma sarà un occhio di Drosophila, a causa all’attivazione dei corrispondenti geni “funzionanti”. Ciò dimostra che la presenza di un insieme simile di geni Hox non significa affatto somiglianza anatomica degli organismi. Pertanto, l’emergere di un tale sistema potrebbe portare ad un forte aumento della diversità, sia morfologica che tassonomica.
Poiché gli stessi geni Hox controllano la differenziazione di tutti gli organismi bilaterali conosciuti, le linee evolutive di questi ultimi devono essere divergenti prima che si potessero formare organi specializzati. Pertanto, "l'ultimo antenato comune" di tutti gli organismi bilaterali deve essere stato piccolo, anatomicamente semplice e molto probabilmente completamente decomposto senza essere conservato nei fossili. Questa circostanza rende la sua scoperta estremamente improbabile. Tuttavia, un certo numero di venodobionti potrebbe aver avuto una struttura corporea bilaterale. Pertanto, un tale sistema di sviluppo potrebbe essere sorto almeno diverse decine di milioni di anni prima dell'esplosione del Cambriano. In questo caso sono necessarie alcune ragioni aggiuntive per spiegarlo.
Un piccolo aumento della complessità del genoma può avere grandi conseguenze
Nella maggior parte degli organismi che si riproducono sessualmente, la prole riceve circa il 50% dei suoi geni da ciascun genitore. Ciò significa che anche un piccolo aumento della complessità del genoma può dare origine a numerose variazioni nella struttura e nella forma del corpo. Gran parte della complessità biologica deriva probabilmente dall’azione di regole relativamente semplici su un gran numero di cellule che funzionano come automi cellulari.
traccia di sviluppo
Alcuni scienziati suggeriscono che man mano che gli organismi diventano più complessi, i cambiamenti secondari si sovrappongono ai cambiamenti evolutivi nella struttura generale del corpo nella direzione di una migliore specializzazione delle sue parti stabilite. Ciò riduce la probabilità che nuove classi di organismi subiscano la selezione naturale a causa della competizione con antenati "migliorati". Di conseguenza, man mano che la struttura generale si sviluppa, si forma un “percorso di sviluppo” e la struttura spaziale del corpo viene “congelata”. Di conseguenza, la formazione di nuove classi avviene "più facilmente" nelle prime fasi dell'evoluzione dei cladi principali, e la loro ulteriore evoluzione procede a livelli tassonomici inferiori. Successivamente, l'autore di questa idea ha sottolineato che un tale "congelamento" non è la spiegazione principale dell'esplosione del Cambriano.
I fossili che potrebbero supportare questa idea sono ambigui. È stato notato che le variazioni negli organismi della stessa classe sono spesso maggiori nelle primissime fasi dello sviluppo del clade. Ad esempio, alcuni trilobiti del Cambriano variavano notevolmente nel numero di segmenti toracici e successivamente questa diversità è diminuita in modo significativo. Tuttavia, si è scoperto che i campioni dei trilobiti del Siluriano avevano la stessa elevata variabilità nella struttura di quelli del Cambriano inferiore. I ricercatori hanno suggerito che il declino complessivo della diversità è dovuto a limitazioni ecologiche o funzionali. Ad esempio, ci si aspetterebbe una minore variazione nel numero di segmenti dopo che i trilobiti hanno sviluppato una struttura corporea convessa, che è un modo efficace per proteggerla.
Spiegazioni ambientali
Tali spiegazioni si concentrano sulle interazioni tra diversi tipi di organismi. Alcune di queste ipotesi riguardano i cambiamenti nelle catene alimentari; altri considerano una corsa agli armamenti tra predatori e prede che potrebbe aver causato l'evoluzione delle parti rigide del corpo all'inizio del Cambriano; una serie di altre ipotesi si concentrano su meccanismi più generali di coevoluzione.
“Corsa agli armamenti” tra predatori e prede
Per definizione, la predazione presuppone la morte della preda, il che la rende il fattore più forte e l'acceleratore della selezione naturale. La pressione sulla preda per adattarsi meglio deve essere maggiore che sui predatori perché, a differenza della preda, hanno la possibilità di riprovare.
Tuttavia, ci sono prove che la predazione fosse presente molto prima dell'inizio del Cambriano. Pertanto, è improbabile che esso stesso abbia causato l'esplosione del Cambriano, sebbene abbia avuto una forte influenza sulle forme anatomiche degli organismi che sorsero durante questa.
Aspetto dei fitofagi
Stanley ha suggerito che la comparsa dei protozoi 700 milioni di anni fa, "rosicchiando" i tappeti microbici, ha notevolmente ampliato la catena alimentare e avrebbe dovuto portare ad un aumento della diversità degli organismi. Tuttavia, oggi è noto che il "rosicchiamento" è avvenuto più di 1 miliardo di anni fa e l'estinzione delle stromatoliti è iniziata circa 1,25 miliardi di anni fa, molto prima dell '"esplosione".
Crescita in dimensioni e diversità del plancton
Le osservazioni geochimiche mostrano chiaramente che la massa totale del plancton divenne paragonabile a quella attuale già nel primo Proterozoico. Tuttavia, fino al Cambriano, il plancton non ha dato un contributo significativo alla nutrizione degli organismi delle profondità marine, poiché i loro corpi erano troppo piccoli per affondare rapidamente sul fondo del mare. Il plancton microscopico veniva mangiato da altri plancton o distrutto da processi chimici negli strati superiori del mare molto prima di penetrare negli strati profondi, dove potevano diventare cibo per il necton e il benthos.
Nella composizione dei primi fossili del Cambriano è stato trovato il mesozooplancton, che potrebbe filtrare il plancton microscopico. Il nuovo mesozooplancton potrebbe essere stato la fonte dei resti, oltre a espellere escrementi sotto forma di capsule abbastanza grandi da immergersi rapidamente e potrebbero essere stati cibo per nekton e benthos, facendoli crescere in dimensioni e diversità. Se le particelle organiche avessero raggiunto il fondale marino, a seguito del successivo seppellimento, avrebbero dovuto aumentare la concentrazione di ossigeno nell'acqua riducendo al contempo la concentrazione di carbonio libero. In altre parole, la comparsa del mesozooplancton ha arricchito le profondità dell’oceano sia di cibo che di ossigeno, rendendo così possibile l’emergere e l’evoluzione di abitanti delle profondità marine più grandi e diversificati.
Infine, l'emergere di fitofagi tra il mesozooplancton potrebbe costituire un'ulteriore nicchia ecologica per i predatori del mesozooplancton più grandi, i cui corpi, immergendosi nel mare, hanno portato al suo ulteriore arricchimento di cibo e ossigeno. Forse i primi predatori del mesozooplancton furono le larve di animali bentonici, la cui ulteriore evoluzione fu il risultato di un aumento generale della predazione nei mari del periodo Ediacarano.
Molte nicchie vuote
James Valentine in diversi lavori ha formulato le seguenti ipotesi: i cambiamenti improvvisi nella struttura corporea sono "difficili"; È molto più probabile che i cambiamenti avvengano se si trovano ad affrontare poca concorrenza per la nicchia ecologica a cui si rivolgono. Quest'ultimo è necessario affinché il nuovo tipo di organismi abbia abbastanza tempo per adattarsi al suo nuovo ruolo.
Questa circostanza dovrebbe portare al fatto che l'attuazione di importanti cambiamenti evolutivi è molto più probabile nelle fasi iniziali della formazione dell'ecosistema a causa del fatto che la successiva diversificazione riempie quasi tutte le nicchie ecologiche. In futuro, anche se continuano ad emergere nuovi tipi di organismi, la mancanza di nicchie vuote ne impedisce la diffusione nell’ecosistema.
Il modello di Valentine spiega bene l'unicità dell'esplosione del Cambriano: perché è avvenuta una sola volta e perché la sua durata è stata limitata.
Nello stesso libro “L'origine delle specie”, Charles Darwin scriveva: “Se cominciassero ad esistere numerose specie appartenenti alla stessa classe contemporaneamente, allora questo sarà un colpo mortale alla teoria che prevede l'evoluzione da un antenato comune attraverso la selezione naturale.
Gli scienziati moderni, dopo aver studiato in dettaglio i resti fossili, sono convinti che gli esseri viventi siano apparsi improvvisamente sulla Terra. Nel cosiddetto strato Cambriano sono stati trovati resti di trilobiti, spugne, vermi, stelle marine, lumache, crostacei galleggianti, cefalopodi, artropodi, ecc .. Qui e un po 'più in basso sono stati trovati anche unicellulari e batteri. La presenza di organismi multicellulari prima del Cambriano è un punto controverso. È quindi evidente che molte specie, distinte tra loro e già dotate di organismi perfetti, esistevano contemporaneamente e non hanno antenati dai quali potessero discendere. In geologia, questo fenomeno è chiamato esplosione del Cambriano.
Riso. Abitanti del periodo Cambriano
A proposito, è anche difficile per gli evoluzionisti rispondere inequivocabilmente alla domanda sul perché nella natura moderna, così come nella natura del periodo Cambriano (che presumibilmente risale a più di 500 milioni di anni fa), ci sono spugne, vermi, stelle marine, lumache, crostacei galleggianti, ecc.? Perché non si sono evoluti in forme superiori in un periodo così lungo? Se l'evoluzione è un movimento ascendente positivo e inevitabile di tutti gli esseri viventi, allora perché non ha toccato tutti gli esseri? Sarebbe più logico se attualmente sul pianeta rimanesse solo una corona dell'evoluzione: l'uomo!
Perché amebe, insetti, pesci, anfibi, rettili, mammiferi, scimmie e esseri umani vivono ancora contemporaneamente sulla Terra? Forse per lo stesso motivo per cui il pesce celacanto esiste ancora: viveva molto tempo fa, continua a vivere oggi. Anche se provi a credere nell'evoluzione, dovrai rispondere alla domanda: l'evoluzione oggi si è fermata oppure no? Tuttavia, rispondere a questa domanda solleva altre domande che rimangono senza risposta.
Se assumiamo che tutte le creature viventi, da quelle semplici a quelle complesse, siano ancora nel processo di evoluzione, dovremo immediatamente spiegare perché tra loro non esistono forme transitorie viventi. Se immaginiamo che l'evoluzione sia finita e che gli esseri che hanno raggiunto la perfezione abbiano da tempo interrotto il loro sviluppo, e gli altri siano stati sterminati attraverso la selezione naturale, allora rimane inspiegabile il fatto perché non ci siano abbastanza anelli intermedi morti nell'evoluzione. Ma i resti delle forme transitorie dovrebbero essere nell'ordine dei trilioni e perfino dei sestilioni, accumulati nelle viscere della terra presumibilmente per milioni di anni.
Il famoso biologo inglese Peter Holland ritiene che l'antico scoppio dell'evoluzione dei metazoi, comunemente chiamato esplosione del Cambriano, sia in parte dovuto a cause genetiche. Un prerequisito necessario per la rapida evoluzione degli animali a simmetria bilaterale era una duplicazione genetica (o una serie di duplicazioni), che ha portato alla comparsa dei geni Hox e ParaHox, importanti regolatori dello sviluppo individuale. Ciò non esclude l'influenza dei fattori ambientali sulla prima evoluzione degli animali, ma rende necessario tenere conto del contributo delle innovazioni puramente genetiche.
Uno dei più grandi misteri nella storia della vita sulla Terra è stata a lungo considerata la cosiddetta esplosione del Cambriano: l'apparizione improvvisa di molti grandi gruppi di animali circa 540 milioni di anni fa, all'inizio del periodo Cambriano (in alto a sinistra nell'immagine). figura). A volte si ritiene che l'esplosione del Cambriano sia un artefatto, un'illusione associata non tanto all'emergere di nuovi rami evolutivi, ma a un cambiamento nelle condizioni per la sepoltura dei resti fossili. Ma ricerche recenti confermano che una forte accelerazione dell’evoluzione al confine del Cambriano è del tutto reale. C'è stata davvero un'esplosione del Cambriano.
Cosa lo ha causato? Questo problema potrebbe competere in popolarità, ad esempio, con il problema dell'estinzione dei dinosauri o con la comparsa del bipedismo umano. Ci sono molte ipotesi che spiegano l'esplosione del Cambriano con fattori esterni: ad esempio, un aumento del livello dell'oceano (con la comparsa di molti mari marginali produttivi poco profondi) o un cambiamento nella composizione chimica dell'acqua di mare (con un aumento del il contenuto di ossigeno, calcio, fosfati). Tuttavia, da cento anni, nessuna di queste versioni ha ricevuto conferme così attendibili da essere fuori concorrenza.
Esistono spiegazioni più complesse e in più fasi. Ad esempio, il paleontologo americano Douglas Erwin ritiene che al confine del Cambriano alcuni animali abbiano imparato a scavare attivamente nel fondale marino, ciò ha causato la saturazione di ossigeno del suolo, ha ampliato l'insieme delle nicchie ecologiche e ha portato a una "reazione a catena di speciazione". Ma questa ipotesi presenta anche dei punti deboli. E, cosa più importante, manca la fase iniziale del processo. Prima devono essere comparsi animali capaci di scavare il fondale marino.
Il famoso genetista evoluzionista britannico Peter Holland propone, tanto per cambiare, di cercare le cause interne dell'esplosione del Cambriano, che non sono nell'ambiente, ma nella struttura stessa degli organismi in evoluzione. Naturalmente l’Olanda sa bene che non vanno dimenticate nemmeno le cause ambientali: un evento così complesso come l’esplosione del Cambriano è stato probabilmente causato da molti fattori, non da uno solo. Molto probabilmente si è verificata una cascata di cambiamenti interconnessi. Tuttavia, è ovvio che la risposta di qualsiasi sistema ad un impatto esterno dipende non solo dalla natura di questo impatto, ma anche dalle proprietà del sistema stesso. E se affrontassimo il problema da questa angolazione?
È vero, sappiamo ancora poco della struttura interna del primo Cambriano, e ancor di più degli animali precambriani. Ma si può provare a calcolare qualcosa partendo da dati indiretti, analizzando il “comportamento” degli organismi su una scala temporale macroevolutiva.
Cosa, infatti, è "esploso" al confine del Cambriano? Vale la pena notare che la maggior parte degli eventi che insieme compongono l'esplosione del Cambriano sono associati all'evoluzione non solo degli animali, ma degli animali a simmetria bilaterale. Esistono solo quattro tipi moderni di animali che non sono bilateralmente simmetrici: spugne, ctenofori, lamellari, cnidari (un quinto tipo sarebbe stato trovato l'anno scorso, ma questo ritrovamento non è stato ancora adeguatamente descritto). Tutti gli altri animali, inclusi vermi, lumache, ricci di mare, farfalle e noi stessi, appartengono a un vasto gruppo di bilateria bilateralmente simmetrici. È la rapidissima comparsa - in questo caso significa "nel giro di milioni di anni" - di un gran numero di grandi rami di animali a simmetria bilaterale che rende l'inizio del Cambriano un momento assolutamente unico nella storia della terra.
Cosa hanno di speciale questi animali? I bilateria sono eccezionalmente diversi, quindi qualsiasi breve descrizione di essi corre il rischio di essere imprecisa. Tuttavia, ci sono quattro caratteristiche principali che distinguono i bilateri dai "non bilateri".
Asse anteriore-posteriore. Un tipico animale a simmetria bilaterale trascorre la sua vita in movimento traslatorio, mentre il suo corpo ha una parte anteriore e una parte posteriore chiaramente definite - in parole povere, una testa e una coda. All'estremità anteriore si trovano solitamente gli organi di senso e l'apparato orale.
Sistema nervoso centrale. I "Nebilateria" o non hanno alcun sistema nervoso (spugne, lamellari), oppure sono relativamente semplici (gelatina di pettine, cnidari). Nella bilateria, il sistema nervoso è solitamente più potente, spesso è assemblato in un'unica catena o filamento. Inoltre, è molto caratteristica una divisione longitudinale in sezioni, la più anteriore delle quali è solitamente chiamata cervello.
Attraverso l'intestino. I bilateria sono caratterizzati da un intestino a forma di tubo che inizia con una bocca (di solito vicino all'estremità anteriore del corpo) e termina con un ano (di solito vicino all'estremità posteriore del corpo). Un tale intestino, come il sistema nervoso, ha una divisione longitudinale in sezioni, ad esempio nell'intestino anteriore, medio e posteriore. Il cibo si muove sempre attraverso l'intestino in una direzione: dalla bocca all'ano. Tra i bilateri si riscontrano casi di assenza di intestino passante, ma la maggior parte di essi è probabilmente dovuta a perdita secondaria. Nei “nebilateria” non è mai presente un intestino passante a forma di tubo. Anche se la loro cavità intestinale ha aperture diverse dalla bocca (negli ctenofori, ad esempio), lì non esiste un sistema di flusso del cibo unidirezionale.
Tre strati germinali. L'embrione di un animale multicellulare è solitamente diviso in strati di cellule chiamati strati germinali. Nella bilateria sono chiaramente descritti tre strati germinali. Nei “nebilateria” gli strati germinali o sono difficilmente distinguibili (spugne, lamellari), oppure sono più di due che tre (ctenofori, cnidari). Per questo motivo, fin dal XIX secolo, i bilateri sono stati considerati animali a tre strati (triploblasti) e i "nebilateri" a due strati (diploblasti). Gli animali a tre strati differiscono da quelli a due strati per la presenza di uno strato germinale medio: il mesoderma, da cui, in particolare, si sviluppa il sistema muscolare. Pertanto, tali animali sono capaci di movimenti molto più attivi e vari.
Il famoso paleontologo britannico Simon Conway Morris nel 1993 espresse l'opinione che il principale contenuto evolutivo dell'esplosione cambriana fosse la transizione dal livello degli animali a due strati al livello di tre strati, cioè bilateralmente simmetrici. Secondo Conway Morris, l'esplosione del Cambriano consistette sostanzialmente nell'"invasione" di animali a tre strati nella biosfera terrestre. I dati paleontologici accumulati da allora non contraddicono affatto questa idea.
Che aspetto aveva l'ultimo antenato comune di tutti i bilateri viventi (LCAB)? L'anatomia comparata e la genetica dello sviluppo danno buone ragioni per ritenere che questo antenato comune avesse un sistema nervoso centrale, un intestino penetrante e muscoli laterali (forse addirittura segmentati). Le contrazioni di questi muscoli hanno permesso di modificare la forma del corpo in modi complessi, fornendo gattonare, nuotare o scavare, in ogni caso con la testa.
Gli animali bilateralmente simmetrici sono molto più adatti al movimento attivo nello spazio tridimensionale rispetto ai non bilateri. Inoltre, lo spazio tridimensionale per loro può essere non solo la colonna d'acqua, ma anche lo strato di terreno. È possibile che sia stato lo scavo del terreno a svolgere un ruolo chiave nell'evoluzione dei primi bilateri (come suggerisce l'ipotesi di Erwin). È conveniente per una creatura scavatrice a simmetria bilaterale utilizzare il terreno per nutrirsi: il limo entra nella bocca, passa attraverso il tubo intestinale, cedendo sostanze nutritive lungo il percorso, e viene espulso attraverso l'ano, rimanendo indietro. È anche conveniente per lui muoversi nel terreno: ci sono muscoli forti per questo, e inoltre nel mesoderma può formarsi anche una cavità celomica (secondaria), che è piena di liquido e svolge la funzione di scheletro idrostatico. In zoologia c'è da tempo l'idea che il tutto sia nato proprio durante il passaggio allo scavo, come un idroscheletro, che poi è diventato necessario.
Se questo scenario è vero, allora nientemeno che il lombrico può servire come un eccellente esempio dell'antica forma di vita della bilateria. Ha cambiato l'ambiente marino in quello terrestre, ma ha mantenuto nella forma più vivida tutte le caratteristiche elencate: un intestino passante con una bocca all'estremità anteriore del corpo e un ano all'estremità posteriore, muscoli forti (segmentati) e un celoma con una chiara funzione di supporto.
In ogni caso, si può dire che la comparsa di animali a simmetria bilaterale: (1) sia avvenuta in prossimità temporale del confine del Cambriano (non esistono prove convincenti di un'esistenza molto precedente dei bilateri) e (2) abbia comportato una vera rivoluzione sia nell'anatomia del mondo animale e nell'ecologia globale.
Ma cosa ha causato questa rivoluzione? È qui che vale la pena pensare a quali cambiamenti interni negli organismi lo hanno reso possibile.
Paradossalmente, all'attuale livello di sviluppo della biologia, spesso sappiamo di più sui geni che possedevano gli animali antichi che sull'anatomia di questi animali. In questo caso vale la pena iniziare dai geni.
Dovremmo essere interessati principalmente ai geni che controllano lo sviluppo di (1) il sistema nervoso, (2) l'intestino e (3) le strutture mesodermiche, che includono i muscoli e l'intero (in basso a sinistra nella figura). Molti di questi geni sono ora conosciuti. Di norma, codificano per proteine che possono attivare o disattivare altri geni, cioè sono fattori di trascrizione. I geni dei fattori di trascrizione capaci di influenzare lo sviluppo animale includono, ad esempio, i geni Fox, i geni Pax, i geni homeobox, i geni T-box e i geni zinc finger.
Poiché "non è possibile assorbire tutto", Peter Holland ha scelto di studiare solo uno di questi cinque gruppi di geni, i geni homeobox. Sono ben studiati e, a quanto pare, è da loro che dipende soprattutto lo sviluppo dei sistemi di organi che ci interessano.
Quando si parla di geni homeobox, molti biologi (e anche non biologi interessati alla letteratura scientifica) pensano innanzitutto ai geni della famiglia Hox. A rigor di termini, questo è sbagliato. I geni Hox sono regolatori davvero importanti dello sviluppo animale, possono, ad esempio, determinare le differenze tra i diversi segmenti corporei. Ma non tutti i geni homeobox sono geni Hox. Ad esempio, nel genoma della mosca Drosophila ci sono più di cento geni homeobox e solo otto di essi appartengono alla famiglia Hox. Nel genoma umano ci sono più di duecento geni homeobox, di cui solo 39 appartengono alla famiglia Hox, che secondo Holland sono "la punta dell'iceberg homeobox".
I geni homeobox, la cui evoluzione è di particolare interesse dal punto di vista dell'anatomia comparata, sono chiamati geni ANTP (da mutazione di antennapedia). Questa è una delle numerose classi di geni homeobox, che, a loro volta, sono suddivisi in famiglie di geni. Oltre ai geni Hox già menzionati, i geni ANTP includono i geni ParaHox, i geni NK, i geni Dlx, i geni Evx, i geni Emx, i geni Dbx, i geni Msx e molti altri.
Una caratteristica importante dei geni della famiglia Hox è che tendono a trovarsi uno accanto all'altro nei cromosomi, formando gruppi densi: cluster. Ad esempio, nella Drosophila, tutti gli otto geni Hox sono raggruppati insieme. Una persona ha quattro di questi cluster. In alcuni animali gli ammassi di Hox si disintegrano, ma più spesso rimangono più o meno intatti. Questa caratteristica è di grande importanza sia per la regolazione del lavoro dei geni Hox che per la loro evoluzione. È stata la decifrazione del principio di funzionamento dell'ammasso Hox il risultato principale del grande genetista americano Edward B. Lewis, che per questo ha ricevuto il premio Nobel nel 1995.
Negli anni '90 furono scoperti molti altri geni che sono molto vicini ai geni Hox nella sequenza nucleotidica, ma non sono inclusi nel cluster Hox e, apparentemente, hanno alcune altre funzioni. Questi geni sono stati collettivamente chiamati ParaHox. Inoltre, per tre di questi geni - Gsx, Xlox (noto anche come Pdx) e Cdx - è stato dimostrato che nelle loro sequenze sono ancora più vicini ad alcuni geni Hox di quanto molti geni Hox lo siano tra loro. Da dove provengono? Questo mistero fu parzialmente risolto nel 1998, quando Peter Holland e colleghi scoprirono che anche i geni ParaHox erano raggruppati: i loro. È vero, il cluster ParaHox è molto più piccolo del cluster Hox: ad esempio, la lancetta ha 15 geni Hox e solo tre geni ParaHox. Ma hanno certamente un’origine comune. Il primo articolo su questo argomento si intitolava: "Il cluster ParaHox è la sorella evolutiva del cluster Hox".
Lo scenario evolutivo che qui si propone si presenta così. L'antenato comune della maggior parte degli animali moderni aveva un unico piccolo gruppo genetico, "ancestrale" sia ai geni Hox che ai geni ParaHox. Questo antico cluster è chiamato cluster ProtoHox. Ad un certo punto, il cluster ProtoHox è raddoppiato insieme alla parte del cromosoma in cui si trovava. Questo evento genetico è chiamato duplicazione tandem. Sorsero così due cluster correlati, la cui evoluzione successivamente procedette in modo diverso. Uno di questi è diventato un cluster Hox e l'altro è diventato un cluster ParaHox (al centro della figura sopra).
Esiste anche una terza famiglia di geni ANTP che tendono a raggrupparsi. Si chiamano geni NK. La mosca della frutta ne ha cinque e sono raccolti in un grappolo compatto, completamente separato dai grappoli Hox e ParaHox. Questi geni sono molto antichi (sicuramente sono sorti prima che gli animali diventassero bilateralmente simmetrici) e molto conservati, cioè si conservano in un'ampia varietà di organismi, cambiando poco. Nella lancetta e nei vertebrati il cluster NK si è disintegrato, ma i geni in esso contenuti si sono conservati separatamente. Inoltre, la genomica comparativa suggerisce che il cluster NK della Drosophila (con cinque geni) è il residuo di un cluster più grande che esisteva all'inizio dell'evoluzione bilateriana e comprendeva almeno otto geni. Ora è in un processo di lento decadimento e alcuni dei geni che si sono "separati" da esso esistono da tempo da soli.
02.12.2016
Ciao a tutti di nuovo! In questo post cercherò di parlare di un evento unico nella storia della vita sulla Terra. Parleremo dell'esplosione del Cambriano, o come viene anche chiamata, della radiazione del Cambriano. L'esplosione del Cambriano è l'evento più luminoso nella documentazione paleontologica del pianeta, quando in un periodo di tempo relativamente breve (diverse decine di milioni di anni) si verifica un forte aumento del numero di resti fossili di esseri viventi e, a prima vista , come dal nulla, compaiono quasi tutti i tipi moderni di animali (cordati, artropodi, molluschi, echinodermi, ecc.).
Aveva dei predecessori, ma Cloud riuscì a catturare l'idea dell'esplosione del Cambriano con la massima eloquenza e raffinatezza geologica. Oltre alla sua grande leadership e tutoraggio di una generazione di paleontologi, ha sviluppato un approccio integrativo alla paleontologia, aggiungendo competenze in paleogeografia, stratigrafia carbonatica e sedimentologia carbonatica. La sua successiva carriera presso l'Università della California, a Santa Barbara, ha ampliato i suoi interessi all'astrobiologia e all'origine della vita. Le sue osservazioni come paleontologo lo portarono a caratterizzare la documentazione fossile del Fanerozoico come una serie di eruzioni evolutive, di cui quella del Cambriano è la più grande di tutte.