Eksplozja kambryjska, która miała miejsce około 540 milionów lat temu, nie mogła być spowodowana katastrofą tlenową. Do tego wniosku doszli niedawno chińscy i kanadyjscy naukowcy.
Eksplozja kambryjska, czyli eksplozja fauny szkieletowej, to umowna nazwa zjawiska, które spowodowało gwałtowny wzrost liczby szczątków kopalnych istot żywych w osadach odpowiadających początkowi kambryjskiego okresu geologicznego.
Nie odnotowano wówczas znaczącego wzrostu stężenia tlenu w powietrzu, wynosiło ono zaledwie 10 proc. od obecnego poziomu – powiedzieli korespondentowi. Xinhua w Instytucie Geologii i Paleontologii Nanjing Chińskiej Akademii Nauk w Nanjing / prowincja Jiangsu, wschodnie Chiny /.
Od wielu lat przedmiotem badań podstawowych jest pochodzenie organizmów i wpływ na nie zmian środowiskowych.
Zgodnie z ogólnie przyjętym punktem widzenia, 2,3 miliarda lat temu po raz pierwszy doszło na Ziemi do katastrofy tlenowej, w wyniku której w atmosferze pojawił się wolny tlen. Według badaczy jego stężenie wynosiło wówczas zaledwie 0,1 – 0,01 proc. ze wskaźnika naszych dni.
Następnie, 1 miliard – 550 milionów lat temu, odnotowano ponowną akumulację tlenu w powietrzu, wówczas jego zawartość osiągnęła 10 proc. od obecnego poziomu. Pod tym względem na Ziemi pojawiły się pierwsze organizmy wielokomórkowe.
Wielu naukowców uważało wcześniej, że dramatyczny wzrost różnorodności biologicznej podczas eksplozji kambryjskiej wynikał z globalnej zmiany w składzie atmosfery ziemskiej, powodującej zbliżenie poziomu tlenu w morzu i powietrzu do obecnego poziomu. Wyniki badania przeprowadzonego przez chińsko-kanadyjski zespół obaliły tę teorię.
Doktor nauk geologicznych w instytucie Xiang Lei powiedział, że zespół chińskich i kanadyjskich naukowców badał skład chemiczny próbek skał z zachodniej części prowincji Zhejiang w latach 2014-2016, w wyniku czego udało im się obalić tezę istniejąca hipoteza.
Wszystkie skały użyte w badaniach znajdowały się na głębokości 400 – 760 m. Ich wiek sięgał 510 – 550 milionów lat. Naukowcy zbadali w nich zawartość węgla organicznego i pierwiastków takich jak żelazo, uran, molibden, a także wyjaśnili stężenie tlenu w powietrzu i morzu.
Według dr Xiang Lei zawartość tlenu w powietrzu wzrosła do dzisiejszego poziomu dopiero 510 milionów lat temu, podczas gdy wcześniej utrzymywała się na niezmiennie niskim poziomie około 10 procent. od obecnego poziomu.
"Wyniki badań wskazują na brak utleniania powietrza i morza na dużą skalę w wyniku eksplozji kambryjskiej. Hipoteza o gwałtownym wzroście różnorodności biologicznej na skutek wzrostu zawartości tlenu nie znalazła uzasadnienia" - był przekonany.
Co doprowadziło do eksplozji kambryjskiej? Pytanie to, jak zauważył Xiang Lei, pozostaje na razie otwarte.
Przełomowe wyniki badań naukowców opublikowano w brytyjskim czasopiśmie naukowym Earth and Planetary Science Letters. Prace badawcze były wspierane przez Chińską Akademię Nauk i Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych.
5. Możliwe przyczyny „eksplozji”
Pomimo faktu, że przed kambru istniały dość złożone zwierzęta trójwarstwowe, rozwój ewolucyjny we wczesnym kambrze wydaje się być niezwykle szybki. Podejmowano wiele prób wyjaśnienia przyczyn tego „wybuchowego” rozwoju.
Zmiany środowiskowe
Wzrost stężenia tlenu
Najstarsza atmosfera Ziemi w ogóle nie zawierała wolnego tlenu. Tlen, którym oddychają współczesne zwierzęta, zarówno zawarty w powietrzu, jak i rozpuszczony w wodzie, jest produktem miliardów lat fotosyntezy, głównie przez mikroorganizmy. Około 2,5 miliarda lat temu stężenie tlenu w atmosferze dramatycznie wzrosło. Do tego czasu cały tlen wytwarzany przez mikroorganizmy był całkowicie zużywany na utlenianie pierwiastków o dużym powinowactwie do tlenu, takich jak żelazo. Do czasu ich całkowitego związania na lądzie i w górnych warstwach oceanu w atmosferze istniały jedynie lokalne „oazy tlenowe”.
Brak tlenu może na długi czas uniemożliwić rozwój dużych, złożonych organizmów. Problem polega na tym, że ilość tlenu, jaką zwierzę może wchłonąć ze swojego otoczenia, jest ograniczona jego powierzchnią. Ilość tlenu potrzebna do życia zależy od masy i objętości organizmu, który wraz ze wzrostem wielkości rośnie szybciej niż powierzchnia. Wzrost stężenia tlenu w powietrzu i wodzie mógłby osłabić lub całkowicie wyeliminować to ograniczenie.
Należy zauważyć, że tlen wystarczający do istnienia dużych wendobiontów był obecny już w okresie ediakaru. Jednakże dalszy wzrost stężenia tlenu mógłby zapewnić organizmom dodatkową energię do wytworzenia substancji niezbędnych do rozwoju zasadniczo bardziej złożonych struktur organizmu, w tym wykorzystywanych do drapieżnictwa i obrony przed nim.
Ziemia w kształcie śnieżki
Istnieje wiele dowodów na to, że Ziemia przeszła globalne zlodowacenie w późnym neoproterozoiku, podczas którego większość jej powierzchni była pokryta lodem, a temperatury powierzchni były bliskie zeru nawet na równiku. Niektórzy badacze zwracają uwagę, że może to być ściśle powiązane z eksplozją kambryjską, gdyż najwcześniejsze znane skamieniałości pochodzą z okresu tuż po zakończeniu ostatniego całkowitego zlodowacenia.
Jednak dość trudno jest wskazać związek przyczynowo-skutkowy pomiędzy takimi katastrofami a późniejszym wzrostem wielkości i złożoności organizmów. Możliwe, że niskie temperatury zwiększyły stężenie tlenu w oceanie, którego rozpuszczalność w wodzie morskiej wzrasta niemal dwukrotnie, gdy temperatura spada z 30°C do 0°C.
Wahania składu izotopowego węgla
Osady na granicy ediakaru i kambru wykazują bardzo gwałtowny spadek, po którym następują niezwykle duże wahania stosunku izotopów C/C we wczesnym kambrze.
Wielu naukowców sugeruje, że początkowe wymieranie wiąże się z masowym wymieraniem tuż przed początkiem kambru, można też przypuszczać, że samo wymieranie było konsekwencją wcześniejszego zaniku klatratów metanu. Powszechnie wiadomo, że emisja metanu i późniejsze nasycenie atmosfery dwutlenkiem węgla powoduje globalny efekt cieplarniany, któremu towarzyszą różne katastrofy ekologiczne. Podobny obraz zaobserwowano w triasie, kiedy życie odrodziło się po masowym wymieraniu permu.
Jednak dość trudno jest wyjaśnić, w jaki sposób masowe wymieranie może spowodować gwałtowny wzrost różnorodności taksonomicznej i morfologicznej. Choć masowe wymierania, takie jak perm i kreda-paleogen, doprowadziły do późniejszego wzrostu liczby poszczególnych gatunków z nieistotnych do „dominujących”, to jednak w obu przypadkach nisze ekologiczne zostały zastąpione, choć przez inne, ale równie złożone organizmy . Jednakże w nowym ekosystemie nie zaobserwowano gwałtownego wzrostu różnorodności taksonomicznej ani morfologicznej.
Wielu badaczy sugeruje, że każdy krótkotrwały spadek frakcji C/C we wczesnym kambrze oznacza uwolnienie metanu, który ze względu na niewielki efekt cieplarniany i wywołany przez niego wzrost temperatury prowadzi do wzrostu różnorodności morfologicznej. Hipoteza ta nie wyjaśnia jednak gwałtownego wzrostu różnorodności taksonomicznej na początku kambru.
Wyjaśnienia oparte na rozwoju organizmów
Niektóre teorie opierają się na założeniu, że stosunkowo niewielkie zmiany w sposobie rozwoju zwierząt od embrionu do postaci dorosłej mogą prowadzić do dramatycznych zmian w kształcie ciała.
Pojawienie się systemu dwustronnego rozwoju
Regulacyjne geny Hox włączają i wyłączają „pracujące” geny w różnych częściach ciała, kontrolując w ten sposób kształtowanie się anatomicznej struktury ciała. Bardzo podobne geny Hox znajdują się w genomie wszystkich zwierząt, od parzydełkowców po ludzi. Co więcej, ssaki mają 4 zestawy genów Hox, podczas gdy parzydełkowi radzą sobie z jednym zestawem.
Geny Hox w różnych grupach zwierząt są na tyle podobne, że np. możliwe jest przeszczepienie ludzkiego genu „tworzenia oka” do zarodka Drosophila, co doprowadzi do powstania oka – ale będzie to oko Drosophila, w wyniku aktywacji odpowiednich „pracujących” genów. Pokazuje to, że obecność podobnego zestawu genów Hox wcale nie oznacza podobieństwa anatomicznego organizmów. Dlatego pojawienie się takiego systemu mogłoby doprowadzić do gwałtownego wzrostu różnorodności, zarówno morfologicznej, jak i taksonomicznej.
Ponieważ te same geny Hox kontrolują różnicowanie wszystkich znanych organizmów dwustronnych, linie ewolucyjne tych ostatnich musiały się rozdzielić, zanim zaczęły tworzyć wyspecjalizowane narządy. Zatem „ostatni wspólny przodek” wszystkich organizmów dwubocznych musiał być mały, prosty anatomicznie i najprawdopodobniej podlegał całkowitemu rozkładowi bez zachowania skamieniałości. Ta okoliczność sprawia, że jego wykrycie jest niezwykle mało prawdopodobne. Jednak wiele wendobiontów mogło mieć dwustronną budowę ciała. Zatem taki system rozwoju mógł powstać co najmniej kilkadziesiąt milionów lat przed eksplozją kambryjską. W tym przypadku potrzebne są dodatkowe powody, aby to wyjaśnić.
Niewielki wzrost złożoności genomu może mieć duże konsekwencje
W większości organizmów rozmnażających się płciowo potomstwo otrzymuje około 50% swoich genów od każdego z rodziców. Oznacza to, że nawet niewielki wzrost złożoności genomu może spowodować wiele zmian w budowie i kształcie ciała. Duża część złożoności biologicznej prawdopodobnie wynika z działania stosunkowo prostych zasad na dużej liczbie komórek funkcjonujących jako automaty komórkowe.
Ścieżka rozwoju
Niektórzy naukowcy sugerują, że w miarę jak organizmy stają się coraz bardziej złożone, na ewolucyjne zmiany w ogólnej strukturze organizmu nakładają się wtórne zmiany prowadzące do lepszej specjalizacji jego ustalonych części. Zmniejsza to prawdopodobieństwo, że nowe klasy organizmów zostaną poddane selekcji naturalnej w wyniku konkurencji z „ulepszonymi” przodkami. W rezultacie, w miarę kształtowania się całej konstrukcji, kształtuje się „ścieżka rozwoju”, a struktura przestrzenna bryły zostaje „zamrożona”. W związku z tym tworzenie nowych klas następuje „łatwiej” na wczesnych etapach ewolucji głównych kladów, a ich dalsza ewolucja zachodzi na niższych poziomach taksonomicznych. Następnie autor tego pomysłu zwrócił uwagę, że takie „zamrożenie” nie jest głównym wyjaśnieniem eksplozji kambryjskiej.
Dowody kopalne, które mogłyby poprzeć tę tezę, są mieszane. Zauważono, że różnice w organizmach tej samej klasy są często największe na pierwszych etapach rozwoju kladu. Na przykład niektóre trylobity kambryjskie znacznie różniły się liczbą odcinków klatki piersiowej, a następnie różnorodność ta znacznie się zmniejszyła. Stwierdzono jednak, że próbki trylobitów sylurskich charakteryzują się taką samą dużą zmiennością struktury jak próbki wczesnego kambru. Naukowcy postawili hipotezę, że ogólny spadek różnorodności wynikał z ograniczeń środowiskowych lub funkcjonalnych. Na przykład możemy spodziewać się mniejszych różnic w liczbie segmentów po tym, jak trylobity rozwinęły wypukłą strukturę ciała, co jest skutecznym sposobem jej ochrony.
Wyjaśnienia ekologiczne
Takie wyjaśnienia koncentrują się na interakcjach między różnymi typami organizmów. Niektóre z tych hipotez dotyczą zmian w łańcuchach pokarmowych; inni uważają, że wyścig zbrojeń między drapieżnikami a ofiarami mógł być motorem ewolucji twardych części ciała we wczesnym kambrze; Inna liczba hipotez koncentruje się na bardziej ogólnych mechanizmach koewolucji.
„Wyścig zbrojeń” pomiędzy drapieżnikami i ofiarami
Drapieżnictwo z definicji polega na śmierci ofiary, dzięki czemu staje się ona najsilniejszym czynnikiem i przyspieszaczem doboru naturalnego. Nacisk na ofiarę, aby lepiej się przystosował, powinien być większy niż na drapieżniki, ponieważ w przeciwieństwie do ofiary mają one szansę spróbować jeszcze raz.
Istnieją jednak dowody na to, że drapieżnictwo występowało na długo przed początkiem kambru. Dlatego jest mało prawdopodobne, aby sam spowodował eksplozję kambryjską, chociaż miał silny wpływ na formy anatomiczne powstałych organizmów.
Pojawienie się fitofagów
Stanley zasugerował, że pojawienie się 700 milionów lat temu pierwotniaków „gryzących” maty mikrobiologiczne znacznie rozszerzyło łańcuchy pokarmowe i powinno było doprowadzić do wzrostu różnorodności organizmów. Jednak dziś wiadomo, że „gryzienie” powstało ponad 1 miliard lat temu, a wymieranie stromatolitów rozpoczęło się około 1,25 miliarda lat temu na długo przed „eksplozją”.
Wzrost wielkości i różnorodności planktonu
Obserwacje geochemiczne wyraźnie pokazują, że całkowita masa planktonu stała się porównywalna z obecną już we wczesnym proterozoiku. Jednak przed kambru plankton nie miał znaczącego udziału w żywieniu organizmów głębinowych, ponieważ ich ciała były zbyt małe, aby szybko opaść na dno morskie. Mikroskopijny plankton został zjedzony przez inny plankton lub zniszczony w wyniku procesów chemicznych w górnych warstwach morza na długo przed przedostaniem się do warstw głębinowych, gdzie mógł stać się pożywieniem dla nektonu i bentosu.
W ramach wczesnych skamieniałości kambryjskich odkryto mezozooplankton, który potrafił odfiltrowywać mikroskopijny plankton. Nowy mezozooplankton mógł służyć jako źródło szczątków, a także wydalanych odchodów w postaci kapsułek wystarczająco dużych, aby szybko zatonąć; mogły one stanowić pożywienie dla nektonu i bentosu, powodując wzrost ich wielkości i różnorodności. Gdyby cząstki organiczne dotarły do dna morskiego, późniejsze zakopanie zwiększyłoby stężenie tlenu w wodzie, jednocześnie zmniejszając stężenie wolnego węgla. Innymi słowy, pojawienie się mezozooplanktonu wzbogaciło głębiny oceanu zarówno w pożywienie, jak i tlen, umożliwiając w ten sposób pojawienie się i ewolucję większych, bardziej zróżnicowanych mieszkańców głębin morskich.
Wreszcie pojawienie się fitofagów wśród mezozooplanktonu mogłoby stworzyć dodatkową niszę ekologiczną dla większych drapieżników mezozooplanktonu, których ciała zanurzając się w morzu prowadziły do jego dalszego wzbogacenia w pożywienie i tlen. Być może pierwszymi drapieżnikami wśród mezozooplanktonu były larwy zwierząt bentosowych, których dalsza ewolucja była wynikiem ogólnego wzrostu drapieżnictwa w morzach okresu ediakaru.
Wiele pustych nisz
James Valentine w kilku artykułach przyjął następujące założenia: nagłe zmiany w budowie ciała są „trudne”; zmiany mają znacznie większe szanse na przetrwanie, jeśli będą miały niewielką konkurencję w niszy ekologicznej, na którą są ukierunkowane. To ostatnie jest konieczne, aby nowy typ organizmu miał wystarczająco dużo czasu na przystosowanie się do nowej roli.
Okoliczność ta powinna powodować, że wprowadzenie większych zmian ewolucyjnych jest znacznie bardziej prawdopodobne w początkowych fazach kształtowania się ekosystemu, ze względu na fakt, że późniejsza dywersyfikacja wypełnia niemal wszystkie nisze ekologiczne. Następnie, chociaż nadal pojawiają się nowe typy organizmów, brak pustych nisz uniemożliwia ich rozprzestrzenianie się w całym ekosystemie.
Model Valentine’a dobrze wyjaśnia wyjątkowość eksplozji kambryjskiej – dlaczego wydarzyła się tylko raz i dlaczego jej czas trwania był ograniczony.
W tej samej książce „O powstawaniu gatunków” Karol Darwin napisał: „Gdyby zaczęło istnieć wiele gatunków należących do tej samej klasy, jednocześnie, będzie to śmiertelny cios dla teorii, która przewiduje ewolucję od wspólnego przodka w drodze doboru naturalnego.
Współcześni naukowcy, po szczegółowym zbadaniu pozostałości kopalnych, są przekonani, że żywe istoty pojawiły się na Ziemi nagle. W tak zwanej warstwie kambryjskiej odnaleziono pozostałości trylobitów, gąbek, robaków, rozgwiazd, ślimaków, pływających skorupiaków, głowonogów, stawonogów itp. Tutaj i tuż poniżej znaleziono także organizmy jednokomórkowe i bakterie. Obecność jakichkolwiek organizmów wielokomórkowych wcześniejszych niż kambr jest kwestią kontrowersyjną. Jest zatem oczywiste, że wiele gatunków, różniących się od siebie i posiadających już organizmy doskonałe, istniało w tym samym czasie i nie miało przodków, od których mogłyby pochodzić. W geologii zjawisko to nazywa się eksplozją kambryjską.
Ryż. Mieszkańcy okresu kambru
Swoją drogą ewolucjonistom trudno też jednoznacznie odpowiedzieć na pytanie, dlaczego we współczesnej przyrodzie, podobnie jak w naturze okresu kambryjskiego (który miał miejsce rzekomo ponad 500 milionów lat temu), występują gąbki, robaki, rozgwiazdy, ślimaki, pływające skorupiaki itp.? Dlaczego nie ewoluowały w wyższe formy przez tak długi czas? Jeśli ewolucja jest pozytywnym, nieuniknionym ruchem wszystkich żywych istot w górę, to dlaczego nie wpłynęła na wszystkie stworzenia? Byłoby bardziej logiczne, gdyby obecnie na planecie pozostała tylko jedna korona ewolucji – człowiek!
Dlaczego ameby, owady, ryby, płazy, gady, ssaki, małpy i ludzie wciąż żyją na Ziemi w tym samym czasie? Być może z tego samego powodu, dla którego ryba Coelacanth nadal istnieje: żyła dawno temu i żyje nadal. Nawet jeśli spróbujesz wierzyć w ewolucję, będziesz musiał odpowiedzieć na pytanie: czy ewolucja dzisiaj się zatrzymała, czy nie? Odpowiedź na to pytanie rodzi jednak inne pytania, które pozostają bez odpowiedzi.
Jeśli założymy, że wszystkie żywe istoty, od prostych do złożonych, nadal znajdują się w procesie ewolucji, wówczas od razu będziemy musieli wyjaśnić, dlaczego nie ma wśród nich żywych form przejściowych. Jeśli wyobrazimy sobie, że ewolucja dobiegła końca i stworzenia, które osiągnęły doskonałość, dawno temu zatrzymały swój rozwój, a reszta została wytępiona w drodze doboru naturalnego, wówczas niewytłumaczalny pozostanie fakt, dlaczego nie ma wystarczającej liczby martwych pośrednich ogniw ewolucji. Jednak pozostałości form przejściowych powinno się liczyć w bilionach, a nawet sekstylionach, gdyż gromadziły się w wnętrznościach ziemi rzekomo przez miliony lat.
Znany angielski biolog Peter Holland uważa, że starożytny wybuch ewolucji zwierząt wielokomórkowych, powszechnie nazywany eksplozją kambryjską, można częściowo wytłumaczyć przyczynami genetycznymi. Niezbędnym warunkiem szybkiej ewolucji zwierząt dwustronnie symetrycznych była duplikacja genu (lub seria duplikacji), w wyniku której powstały geny Hox i ParaHox - ważne regulatory indywidualnego rozwoju. Nie wyklucza to wpływu czynników środowiskowych na wczesną ewolucję zwierząt, ale powoduje konieczność uwzględnienia wkładu innowacji czysto genetycznych.
Jedną z największych tajemnic w historii życia na Ziemi od dawna uważa się za tzw. eksplozję kambryjską – nagłe pojawienie się wielu dużych grup zwierząt około 540 milionów lat temu, na początku okresu kambryjskiego (u góry po lewej stronie zdjęcie). Czasami pojawia się opinia, że eksplozja kambryjska jest artefaktem, iluzją związaną nie tyle z pojawieniem się nowych gałęzi ewolucyjnych, ale ze zmianą warunków pochówku szczątków kopalnych. Jednak ostatnie badania potwierdzają, że gwałtowne przyspieszenie ewolucji na granicy kambru jest całkiem realne. Eksplozja kambryjska wydarzyła się naprawdę.
Co to spowodowało? Problem ten może konkurować pod względem popularności, na przykład z problemem wyginięcia dinozaurów lub pojawieniem się dwunożności człowieka. Istnieje wiele hipotez wyjaśniających eksplozję kambryjską czynnikami zewnętrznymi: na przykład podniesieniem się poziomu morza (wraz z pojawieniem się wielu płytkich, produktywnych mórz marginalnych) lub zmianą składu chemicznego wody morskiej (wraz ze wzrostem zawartości tlen, wapń, fosforany). Jednak na przestrzeni stu lat żadna z tych wersji nie doczekała się tak wiarygodnego potwierdzenia, aby nie stanowić konkurencji.
Istnieją bardziej złożone, wieloetapowe wyjaśnienia. Na przykład amerykański paleontolog Douglas Erwin uważa, że na granicy kambru niektóre zwierzęta nauczyły się aktywnie grzebać w dnie morskim, co spowodowało nasycenie gleby tlenem, poszerzenie zestawu nisz ekologicznych i doprowadziło do „reakcji łańcuchowej specjacji”. ” Ale ta hipoteza ma też słabe strony. A co najważniejsze, pomija początkowy etap procesu. Najpierw musiały powstać zwierzęta zdolne do kopania dna morskiego.
Słynny brytyjski genetyk ewolucyjny Peter Holland proponuje dla odmiany szukać wewnętrznych przyczyn eksplozji kambryjskiej, które nie leżą w środowisku, ale w samej strukturze ewoluujących organizmów. Oczywiście Holland doskonale zdaje sobie sprawę, że nie można zapominać także o względach środowiskowych: tak złożone wydarzenie, jak eksplozja kambryjska, było najprawdopodobniej spowodowane wieloma czynnikami, a nie tylko jednym. Najprawdopodobniej nastąpiła kaskada wzajemnie powiązanych zmian. Niemniej jednak oczywiste jest, że reakcja dowolnego systemu na wpływ zewnętrzny zależy nie tylko od charakteru tego wpływu, ale także od właściwości samego systemu. A gdybyśmy podeszli do problemu od tej strony?
To prawda, że nadal niewiele wiemy o wewnętrznej strukturze zwierząt wczesnego kambru, a tym bardziej prekambryjskich. Ale możesz spróbować obliczyć coś na podstawie danych pośrednich, analizując „zachowanie” organizmów w makroewolucyjnej skali czasu.
Co dokładnie „eksplodowało” na granicy kambru? Warto zauważyć, że większość wydarzeń składających się na eksplozję kambryjską jest związana z ewolucją nie tylko zwierząt, ale zwierząt dwustronnie symetrycznych. Istnieją tylko cztery współczesne typy zwierząt, które nie są dwustronnie symetryczne: gąbki, ctenofory, zwierzęta płytkopodobne, parzydełko (przedstawiciel piątego typu został rzekomo znaleziony w zeszłym roku, ale znalezisko to nie zostało jeszcze odpowiednio opisane). Wszystkie inne zwierzęta, w tym robaki, ślimaki, jeżowce, motyle i my sami, należą do ogromnej grupy dwustronnie symetrycznych (bilateria). To właśnie bardzo szybkie – w tym przypadku oznacza „w ciągu kilku milionów lat” – pojawienie się dużej liczby dużych gałęzi dwustronnie symetrycznych zwierząt sprawia, że początek kambru jest zupełnie wyjątkowym momentem w historii Ziemi.
Co jest specjalnego w tych zwierzętach? Bilateria są niezwykle różnorodne, więc każdy ich krótki opis może być niedokładny. Niemniej jednak możemy wymienić cztery główne cechy odróżniające bilaterię od „niebilaterii”.
Oś przód-tył. Typowe zwierzę dwustronnie symetryczne całe życie porusza się do przodu, a jego ciało ma wyraźnie zarysowany przód i tył – mówiąc najprościej – głowę i ogon. Na przednim końcu zwykle znajdują się narządy zmysłów i aparat jamy ustnej.
Ośrodkowy układ nerwowy. „Nonbilathery” albo w ogóle nie mają układu nerwowego (gąbki, blaszkowate), albo jest to stosunkowo proste (galaretki grzebieniowe, parzydełko). W przypadku chorób dwubocznych układ nerwowy jest zwykle silniejszy; często jest złożony w pojedynczy łańcuch lub sznur. Ponadto bardzo charakteryzuje się podłużnym podziałem na sekcje, z których najbardziej wysunięta do przodu nazywana jest zwykle mózgiem.
Przez jelito. Bilateria ma jelito w kształcie rurki, które zaczyna się od ust (zwykle w pobliżu przedniego końca ciała) i kończy się odbytem (zwykle w pobliżu tylnego końca ciała). Jelito takie, podobnie jak układ nerwowy, ma podłużny podział na odcinki, na przykład na jelito przednie, środkowe i tylne. Jedzenie zawsze przemieszcza się przez jelito w jednym kierunku – od jamy ustnej do odbytu. Wśród Bilateria zdarzają się przypadki braku przejścia przez jelito, ale większość z nich jest prawdopodobnie spowodowana utratą wtórną. „Nonbilateria” nigdy nie ma jelita przelotowego w postaci rurki. Nawet jeśli ich jama jelitowa ma inne otwory oprócz ust (na przykład w ctenoforach), nie ma tam systemu jednokierunkowego przepływu pokarmu.
Trzy listki zarodkowe. Zarodek zwierzęcia wielokomórkowego jest zwykle podzielony na warstwy komórek zwane listkami zarodkowymi. Bilateria ma trzy listki zarodkowe, które są wyraźnie opisane. U „niebilaterias” listki zarodkowe są albo trudne do rozróżnienia (gąbki, blaszkowate), albo są częściej dwa niż trzy (galaretki grzebieniowe, parzydełko). Z tego powodu od XIX wieku bilaterie uważano za zwierzęta trójwarstwowe (triploblasty), a „niebilaterie” za zwierzęta dwuwarstwowe (diploblasty). Zwierzęta trójwarstwowe różnią się od zwierząt dwuwarstwowych obecnością środkowego listka zarodkowego - mezodermy, z której w szczególności rozwija się układ mięśniowy. Dlatego takie zwierzęta są zdolne do znacznie bardziej aktywnych i różnorodnych ruchów.
Słynny brytyjski paleontolog Simon Conway Morris już w 1993 roku wyraził opinię, że główną treścią ewolucyjną eksplozji kambryjskiej było przejście od poziomu zwierząt dwuwarstwowych do poziomu zwierząt trójwarstwowych, czyli dwustronnie symetrycznych. Według Conwaya Morrisa eksplozja kambryjska polegała głównie na „inwazji” trójwarstwowych zwierząt na ziemską biosferę. Zgromadzone od tego czasu dane paleontologiczne wcale nie zaprzeczają tej idei.
Jak wyglądał ostatni wspólny przodek wszystkich żyjących zwierząt dwubocznych (LCAB)? Anatomia porównawcza i genetyka rozwoju silnie sugerują, że ten wspólny przodek miał centralny układ nerwowy, ciągłe jelita i mięśnie boczne (być może nawet podzielone na segmenty). Skurcze tych mięśni umożliwiły skomplikowaną zmianę kształtu ciała, umożliwiając czołganie się, pływanie czy kopanie – we wszystkich przypadkach z głową do przodu.
Zwierzęta dwustronnie symetryczne są znacznie lepiej przystosowane do aktywnego ruchu w przestrzeni trójwymiarowej niż „niebilaterowie”. Co więcej, trójwymiarową przestrzenią dla nich może być nie tylko grubość wody, ale także grubość gleby. Możliwe, że kluczową rolę w ewolucji wczesnych bilaterii odegrało kopanie w ziemi (co sugeruje hipoteza Erwina). Dla ryjącego, dwustronnie symetrycznego stworzenia wygodnie jest wykorzystywać glebę do odżywiania: osad dostaje się do ust, przechodzi przez rurkę jelitową, uwalniając po drodze składniki odżywcze i jest wyrzucany przez odbyt, pozostając w tyle. Wygodne jest dla niego również poruszanie się po ziemi: do tego są silne mięśnie, a ponadto w mezodermie może również powstać wnęka celomiczna (wtórna), która jest wypełniona płynem i pełni funkcję szkieletu hydrostatycznego. W zoologii od dawna panuje pogląd, że całość powstała właśnie podczas przejścia do kopania, jako hydroszkielet, który wówczas stał się niezbędny.
Jeśli ten scenariusz jest prawdziwy, doskonałym przykładem starożytnej dwustronnej formy życia byłby nikt inny jak dżdżownica. Zastąpił środowisko morskie glebą, zachowując jednak wszystkie wymienione cechy w najbardziej wyrazistej postaci: jelito przelotowe z ustami w przedniej części ciała i odbytem z tyłu, mocne mięśnie (segmentowe) i całość z wyraźną funkcję wspierającą.
W każdym razie można powiedzieć, że pojawienie się zwierząt dwustronnie symetrycznych: (1) nastąpiło w tymczasowym sąsiedztwie granicy kambru (nie ma przekonujących dowodów na znacznie wcześniejsze istnienie dwustronności) oraz (2) spowodowało prawdziwą rewolucję zarówno w anatomii świata zwierząt, jak iw globalnej ekologii.
Ale co właściwie spowodowało tę rewolucję? W tym miejscu warto zastanowić się, jakie zmiany wewnętrzne w organizmach to umożliwiły.
Paradoksalnie, na obecnym poziomie rozwoju biologii, często więcej wiemy o genach, jakie posiadały starożytne zwierzęta, niż o anatomii tych zwierząt. W tym przypadku warto zacząć od genów.
Przede wszystkim powinny nas zainteresować geny kontrolujące rozwój (1) układu nerwowego, (2) jelit i (3) struktur mezodermalnych, do których zaliczają się mięśnie i całość (lewy dolny róg rysunku). Obecnie znanych jest całkiem sporo takich genów. Z reguły kodują białka, które mogą włączać i wyłączać inne geny, czyli są czynnikami transkrypcyjnymi. Geny czynników transkrypcyjnych, które mogą wpływać na rozwój zwierząt, obejmują na przykład geny Fox, geny Pax, geny homeobox, geny T-box i geny palca cynkowego.
Ponieważ „nie można pojąć ogromu”, Peter Holland wybrał do badań tylko jedną z pięciu grup genów – geny homeoboksów. Zostały dobrze zbadane i najwyraźniej zależy od nich rozwój układów narządów, które nas najbardziej interesują.
Jeśli chodzi o geny homeoboxów, wielu biologów (i niebiologów zainteresowanych literaturą naukową) w pierwszej kolejności myśli o genach rodziny Hox. Ściśle mówiąc, jest to błędne. Geny Hox są naprawdę ważnymi regulatorami rozwoju zwierząt, mogą na przykład określać różnice między różnymi segmentami ciała. Ale nie wszystkie geny homeoboxu są genami Hox. Na przykład w genomie muszki Drosophila znajduje się ponad sto genów homeobox, ale tylko osiem z nich należy do rodziny Hox. W ludzkim genomie istnieje ponad dwieście genów homeoboksu, a tylko 39 z nich należy do rodziny Hox. Jak to ujął Holland, geny Hox to „wierzchołek góry lodowej homeoboksu”.
Geny Homeobox, których ewolucja jest szczególnie interesująca z punktu widzenia anatomii porównawczej, nazywane są genami ANTP (od mutacji antenowej). Jest to jedna z kilku klas genów homeoboxów, które z kolei dzielą się na rodziny genów. Oprócz wspomnianych już genów Hox, do genów ANTP zaliczają się geny ParaHox, geny NK, geny Dlx, geny Evx, geny Emx, geny Dbx, geny Msx i szereg innych.
Ważną cechą genów rodziny Hox jest to, że mają one tendencję do lokalizacji obok siebie na chromosomach, tworząc gęste grupy - skupiska. Na przykład u Drosophila wszystkie osiem genów Hox jest zebranych w jednym klastrze. Osoba ma cztery takie skupiska. U niektórych zwierząt skupiska Hox rozpadają się, ale częściej pozostają mniej więcej nienaruszone. Cecha ta ma ogromne znaczenie zarówno dla regulacji genów Hox, jak i dla ich ewolucji. To właśnie rozszyfrowanie zasady działania gromady Hox było głównym osiągnięciem wielkiego amerykańskiego genetyka Edwarda B. Lewisa, który w 1995 roku otrzymał za to Nagrodę Nobla.
W latach 90. odkryto kilka kolejnych genów, które były bardzo zbliżone do genów Hox w sekwencji nukleotydów, ale nie były zawarte w klastrze Hox i najwyraźniej pełniły inne funkcje. Geny te są wspólnie nazywane ParaHox. Co więcej, dla trzech takich genów – Gsx, Xlox (aka Pdx) i Cdx – wykazano, że w swoich sekwencjach są one jeszcze bliżej niektórych genów Hox niż wiele genów Hox względem siebie. Skąd oni przyszli? Zagadka ta została częściowo rozwiązana w 1998 r., kiedy Peter Holland i jego współpracownicy odkryli, że geny ParaHox również były zgrupowane w osobne grupy. To prawda, że klaster ParaHox jest znacznie mniejszy niż klaster Hox: na przykład lancet ma 15 genów Hox i tylko trzy geny ParaHox. Ale z pewnością mają wspólne pochodzenie. Pierwszy artykuł na ten temat nosił tytuł: „Grupa ParaHox jest ewolucyjną siostrą gromady Hox”.
Scenariusz ewolucyjny, który się tutaj pojawia, wygląda następująco. Wspólny przodek większości współczesnych zwierząt miał pojedynczy mały klaster genów „przodków” zarówno genów Hox, jak i ParaHox. Ta starożytna gromada nazywa się gromadą ProtoHox. W pewnym momencie klaster ProtoHox podwoił się wraz z częścią chromosomu, w której się znajdował. To zdarzenie genetyczne nazywa się duplikacją tandemową. W ten sposób powstały dwa powiązane ze sobą klastry, których ewolucja później przebiegała inaczej. Jedna z nich stała się gromadą Hox, a druga gromadą ParaHox (w środku powyższego obrazka).
Istnieje trzecia rodzina genów ANTP, które mają tendencję do „skupiania się”. Nazywa się je genami NK. Muszka owocowa ma ich pięć i są one zebrane w zwarte skupisko, całkowicie oddzielone od skupisk Hox i ParaHox. Geny te są bardzo starożytne (prawdopodobnie powstały, zanim zwierzęta stały się dwustronnie symetryczne) i bardzo konserwatywne, to znaczy są zachowane w wielu różnych organizmach, niewiele się zmieniając. U lancetów i kręgowców klaster NK rozpadł się, ale zawarte w nim geny zachowały się oddzielnie. Co więcej, genomika porównawcza sugeruje, że klaster NK Drosophila (z pięcioma genami) jest pozostałością większego klastra, który istniał na początku ewolucji dwustronnej i obejmował co najmniej osiem genów. Teraz przechodzi proces powolnego rozkładu, a część genów, które się od niego „oddzieliły”, od dawna istnieje niezależnie.
02.12.2016
Witam ponownie wszystkich! W tym poście postaram się opowiedzieć o wyjątkowym wydarzeniu w historii życia na Ziemi. Porozmawiamy o eksplozji kambryjskiej, czyli jak to się nazywa, promieniowaniu kambryjskim. Eksplozja kambryjska jest najjaśniejszym wydarzeniem w zapisie kopalnym planety, kiedy w stosunkowo krótkim czasie (kilkadziesiąt milionów lat) nastąpił gwałtowny wzrost liczby szczątków kopalnych istot żywych i na pierwszy rzut oka , jakby znikąd, pojawiły się prawie wszystkie współczesne typy zwierząt (struny, stawonogi), mięczaki, szkarłupnie itp.).
Miał poprzedników, ale Cloudowi udało się uchwycić ideę eksplozji kambryjskiej z największą wymową i geologicznym wyrafinowaniem. Oprócz swojego wspaniałego przywództwa i mentoringu dla pokolenia paleontologów, rozwinął integracyjne podejście do paleontologii, dodając umiejętności w zakresie paleogeografii, stratygrafii węglanowej i sedymentologii węglanowej. Jego późniejsza kariera na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara rozszerzyła jego zainteresowania o astrobiologię i pochodzenie życia. Jego obserwacje jako paleontologa doprowadziły go do scharakteryzowania zapisu kopalnego fanerozoiku jako serii erupcji ewolucyjnych, z których największa jest kambr.