211service.com
Evolutions saknade länk
John Grotzinger har ägnat sin karriär åt att lösa ett av de mest omdiskuterade mysterierna inom evolutionsbiologin - vad som hände för hundratals miljoner år sedan för att orsaka det spontana liv som skapade de tidiga förfäderna till alla djur på jorden idag. Han återvände till MIT i januari 2002 efter ett år i Mellanöstern, där han samlade fossilhaltiga stenar som går tillbaka till denna så kallade kambriska explosion. På grundval av dessa fossiler tror Grotzinger, en sedimentolog vid institutets avdelning för jord-, atmosfär- och planetvetenskap, att han har hittat svaret.
Enligt fossilregistret uppstod liv på jorden för 3,5 miljarder år sedan i form av små fotosyntetiska bakterier. I nära tre miljarder år saknade planeten allt större än bakterier, plankton och mikroskopiskt tång. Så plötsligt, för cirka 540 miljoner år sedan, i havets mörka djup, uppstod en rik gemenskap av små djur. Från långa taggiga maskar till femögda varelser med gripande slangar för munnar, de förvandlade havsbotten fullständigt för cirka 10 miljoner år sedan - ett ögonblick i evolutionär tid. Dessa var de första representanterna för praktiskt taget alla större grupper av djur på jorden idag och kanske fortfarande andra grupper som försvann för länge sedan.
Forskare har kommit med olika förklaringar till den kambriska explosionen. Enligt en teori kan förekomsten av rovdjur ha utlöst en period av snabb evolution: tidiga bytesdjur, i sin kamp för att anpassa sig, förvärvade försvarsmekanismer som hårda skal. En annan möjlighet är att ökningar av atmosfäriskt syre underblåste utvecklingen av mer komplexa kroppsstrukturer: syre är ett krav för skelettutveckling och tillväxt. För att klargöra vad som faktiskt hände åkte Grotzinger till Oman i januari 2001 för att leta efter fossiler i stenar som utvunnits från oljefält fem kilometer under marken. Fördelen med dessa fossil är att de är mycket välbevarade, säger Grotzinger.
När han tog tillbaka sina stenprover till MIT för analys, blev Grotzinger förvånad över vad han såg. Tillsammans med två av sina kollegor - geokronologen Sam Bowring och geobiologen Roger Summons - rekonstruerade han i tre dimensioner hur havsbassängen skulle ha sett ut före den kambriska perioden, den geologiska period under vilken explosionen av liv inträffade. Fossiler i klipporna visade att före den kambriska perioden hyste havsreven tidiga prototypdjur med mjuka skal- Cloudina , en maskliknande varelse, och Namacalathus , ett litet djur format som en vinbägare. När den kambriska perioden väl började försvann dock dessa organismer helt enkelt.
Genom att studera kolisotoper i berget fastställde Grotzinger och Bowring att strax innan den kambriska perioden började inträffade en stor miljökatastrof: haven slutade plötsligt att cirkulera. Denna händelse ledde till massiv utrotning av dessa tidiga djur - möjligen genom en ökning av sådana växthusgaser som koldioxid och metan, som frigjordes från haven i samma ögonblick som haven började cirkulera igen. De tidiga djurens bortgång, hävdar Grotzinger, rensade spelplanen och tillät en ny, mer mångsidig och bättre anpassad grupp av djur att växa fram.
Detta var inte resultatet Grotzinger trodde att han skulle hitta. Vår första teori var att uppkomsten av all den olika kambriska faunan snarare var ett resultat av uppfinningen av hårda skal, vilket gjorde att dessa organismer plötsligt kunde bevaras i fossilregistret, säger han. Jag hade ingen aning om att vi skulle komma på en utrotningshistoria.
I början av 1990-talet hade Grotzinger upptäckt prekambriska fossiler av Cloudina och Namacalathus i Namibia. Men fossilregistret vid gränsen mellan prekambrium och kambrium är dåligt bevarat, och de tidiga varelsernas öde förblev ett gåta. Grotzinger spekulerade i att de bara var övergångsdjur mellan de allra första prototypdjuren och den olika kambriska faunan. Men på grundval av sina uppgifter från Oman tror han att det var utrotningen av de tidiga djuren som stimulerade den kambriska explosionen. Det är en fantastisk historia, men tvärtemot vad jag hade förväntat mig, säger han.
Grotzingers upptäckt är verkligen den rykande pistolen, säger Andrew Knoll, en evolutionsbiolog vid Harvard University som för några år sedan var bland de första som föreslog en utrotningsteori för att förklara den kambriska explosionen. Och även om Knoll och många andra forskare har hittat bevis på ett stort miljöskifte vid den prekambriska-kambriska gränsen, har ingen kunnat korrelera händelsen direkt med försvinnandet av tidiga prototypdjur. De nya uppgifterna från Oman sammanfogar dessa två händelser för första gången, vilket gör utrotningsteorin, säger Grotzinger, en komplett slam dunk.
De nya bevisen överensstämmer också med mönstren för andra stora utrotningar i historien om djurens evolution. Till exempel, dinosaurier och däggdjur samexisterade för 150 miljoner år sedan. Men under hela den tiden kom däggdjur aldrig ur den sortens ekologiska låda som de var instängda i av dinosaurierna, säger Knoll. Istället förblev de små råttliknande saker som skitrade runt i träden. Men en ledande teori hävdar nu att när en meteor träffade jorden för 65 miljoner år sedan och utplånade dinosaurierna, överlevde däggdjuren. I denna nya, öppna miljö utvecklades de snabbt, växte sig stora och fyllde tomma ekologiska nischer. Liknande varianter av däggdjur hade förmodligen producerats genom genetiska mutationer tidigare, men de skulle ha eliminerats genom naturligt urval under dinosauriernas regeringstid. Efter dinosauriernas utrotning överlevde de större däggdjuren.
Det finns alltid en spänning mellan genetik och miljömöjligheter, säger Grotzinger, som nyligen valdes in i National Academy of Sciences. Även om gener dikterar hur en organism ser ut, säger han, formar fysiska krafter förloppet av en arts utveckling. Och när dessa krafter är stora kan de öppna dörren till helt nya livsformer.
För att verifiera resultaten från Oman har MIT-forskarna nu åkt vidare till Kina, där de har hittat stenar som går tillbaka till den prekambriska-kambriska gränsen. Kina har massor av stenar i rätt ålder, och deras bevarande verkar vara spektakulärt, säger Bowring. Under det kommande året kommer vi att producera mycket intressant data. Fler fossiler och signaturer från forntida miljöer kommer att fortsätta att kasta ljus över hur de spännande varelserna som trivdes i de kambriska haven för hundratals miljoner år sedan kom till jorden.