211service.com
Brakujące ogniwo ewolucji
John Grotzinger poświęcił swoją karierę na rozwiązanie jednej z najgorętszych zagadek biologii ewolucyjnej – tego, co wydarzyło się setki milionów lat temu, aby spowodować spontaniczny wybuch życia, który zrodził wczesnych przodków wszystkich dzisiejszych zwierząt na ziemi. Wrócił do MIT w styczniu 2002 roku po roku spędzonym na Bliskim Wschodzie, gdzie zebrał skały zawierające skamieniałości pochodzące z tak zwanej eksplozji kambryjskiej. Na podstawie tych skamieniałości Grotzinger, sedymentolog z Wydziału Nauk o Ziemi, Atmosfery i Planetarnej Instytutu, uważa, że znalazł odpowiedź.
Według zapisu kopalnego życie na Ziemi powstało 3,5 miliarda lat temu w postaci maleńkich bakterii fotosyntetycznych. Przez blisko trzy miliardy lat planeta była pozbawiona czegokolwiek większego niż bakterie, plankton i mikroskopijne wodorosty. Nagle, około 540 milionów lat temu, w ciemnych głębinach oceanu, powstała bogata społeczność maleńkich zwierząt. Od długich kolczastych robaków do pięciookich stworzeń z wężami chwytającymi za usta, około 10 milionów lat temu całkowicie przekształcili dno oceanu – w mgnieniu oka w czasie ewolucyjnym. Byli to pierwsi przedstawiciele praktycznie wszystkich głównych grup zwierząt na Ziemi dzisiaj i być może jeszcze innych grup, które zniknęły dawno temu.
Naukowcy wymyślili różne wyjaśnienia wybuchu kambryjskiego. Według jednej z teorii pojawienie się drapieżników mogło zapoczątkować okres gwałtownej ewolucji: wczesne zwierzęta drapieżne, walcząc o adaptację, nabyły mechanizmy obronne, takie jak twarde muszle. Inną możliwością jest to, że wzrost tlenu atmosferycznego napędzał ewolucję bardziej złożonych struktur ciała: tlen jest niezbędny do rozwoju i wzrostu szkieletu. Aby wyjaśnić, co się właściwie wydarzyło, Grotzinger udał się do Omanu w styczniu 2001 roku, aby poszukać skamieniałości w skałach wydobytych z pól naftowych pięć kilometrów pod ziemią. Zaletą tych skamieniałości jest to, że są one bardzo dobrze zachowane, mówi Grotzinger.
Kiedy przyniósł próbki skał z powrotem do MIT do analizy, Grotzinger był zdumiony tym, co zobaczył. Wraz z dwoma kolegami – geochroniologiem Samem Bowringiem i geobiologiem Rogerem Summonsem – zrekonstruował w trzech wymiarach, jak wyglądałby basen oceaniczny przed okresem kambryjskim, okresem geologicznym, w którym nastąpiła eksplozja życia. Skamieniałości zawarte w skałach wskazywały, że przed okresem kambryjskim rafy oceaniczne zawierały wczesne prototypy zwierząt z miękkimi muszlami. Chmury , stworzenie przypominające robaka, i Namacalathus , maleńkie zwierzę w kształcie kielicha do wina. Jednak po rozpoczęciu okresu kambryjskiego organizmy te po prostu zniknęły.
Badając izotopy węgla w skale, Grotzinger i Bowring ustalili, że tuż przed rozpoczęciem okresu kambryjskiego miała miejsce poważna katastrofa środowiskowa: oceany nagle przestały krążyć. To wydarzenie doprowadziło do masowego wyginięcia tych wczesnych zwierząt – być może poprzez wzrost gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla i metan, uwalnianych z oceanów w momencie, gdy oceany zaczęły ponownie krążyć. Upadek wczesnych zwierząt, utrzymuje Grotzinger, oczyścił pole gry i pozwolił na pojawienie się nowej, bardziej zróżnicowanej i lepiej przystosowanej grupy zwierząt.
Nie taki wynik spodziewał się znaleźć Grotzinger. Nasza początkowa teoria głosiła, że pojawienie się całej różnorodnej fauny kambryjskiej było bardziej wynikiem wynalezienia twardych muszli, co pozwoliło na nagłe zachowanie tych organizmów w zapisie kopalnym, mówi. Nie miałem pojęcia, że wymyślimy historię wyginięcia.
Na początku lat 90. Grotzinger odkrył prekambryjskie skamieliny Chmury oraz Namacalathus w Namibii. Jednak zapis kopalny na granicy prekambru i kambru jest słabo zachowany, a los wczesnych stworzeń pozostawał zagadką. Grotzinger spekulował, że były to jedynie zwierzęta przejściowe między pierwszymi prototypowymi zwierzętami a zróżnicowaną fauną kambryjską. Ale na podstawie swoich danych z Omanu sądzi, że to wyginięcie wczesnych zwierząt wywołało eksplozję kambryjską. To świetna historia, ale w przeciwieństwie do tego, czego się spodziewałem, mówi.
Odkrycie Grotzingera to tak naprawdę dymiąca broń, mówi Andrew Knoll, biolog ewolucyjny z Uniwersytetu Harvarda, który kilka lat temu był jednym z pierwszych, którzy zaproponowali teorię wymierania, aby wyjaśnić wybuch kambryjski. I chociaż Knoll i wielu innych naukowców znaleźli dowody na poważne zmiany środowiskowe na granicy prekambru i kambru, żaden nie był w stanie powiązać tego zdarzenia bezpośrednio ze zniknięciem wczesnych prototypowych zwierząt. Nowe dane z Omanu po raz pierwszy łączą te dwa wydarzenia, czyniąc teorię wymierania, mówi Grotzinger, kompletną wsadem.
Nowe dowody są również zgodne z wzorcami innych głównych wymierań w historii ewolucji zwierząt. Na przykład dinozaury i ssaki współistniały 150 milionów lat temu. Jednak przez cały ten czas ssaki nigdy nie wydostały się z ekologicznej skrzynki, w której były zamknięte przez dinozaury, mówi Knoll. Zamiast tego pozostały małymi szczuropodobnymi istotami, krążącymi po drzewach. Jednak obecnie wiodąca teoria głosi, że kiedy meteor uderzył w ziemię 65 milionów lat temu, unicestwiając dinozaury, ssaki przeżyły. W tym nowym, otwartym środowisku szybko ewoluowały, rozrastały się i wypełniały puste nisze ekologiczne. Podobne odmiany ssaków prawdopodobnie zostały już wcześniej wytworzone przez mutacje genetyczne, ale zostałyby wyeliminowane przez dobór naturalny podczas panowania dinozaurów. Po wyginięciu dinozaurów przetrwały większe ssaki.
Zawsze istnieje napięcie między genetyką a możliwościami środowiskowymi, mówi Grotzinger, który niedawno został wybrany do Narodowej Akademii Nauk. Chociaż geny decydują o tym, jak wygląda organizm, to siły fizyczne kształtują przebieg ewolucji gatunku. A kiedy te siły są wielkie, mogą otworzyć drzwi do zupełnie nowych form życia.
Aby zweryfikować wyniki z Omanu, naukowcy z MIT przenieśli się teraz do Chin, gdzie znaleźli skały pochodzące z granicy prekambru i kambru. Chiny mają wiele skał w odpowiednim wieku, a ich zachowanie wydaje się spektakularne, mówi Bowring. W nadchodzącym roku zamierzamy wyprodukować wiele interesujących danych. Więcej skamielin i sygnatur starożytnych środowisk będzie nadal rzucało światło na to, jak te intrygujące stworzenia, które żyły w oceanach kambryjskich setki milionów lat temu, przybyły na Ziemię.