Około 390 milionów lat temu na starożytnym oceanie zwierzęta morskie zaczęły zasiedlać wcześniej niezamieszkałe głębokości. Nowe badania wskazują, że ta migracja podwodna wystąpiła w odpowiedzi na trwały wzrost tlenu w głębokim oceanie, spowodowany rozprzestrzenianiem się nadziemnych roślin drzewiastych – prekursorów pierwszych lasów na Ziemi.
Ten wzrost tlenu zbiegł się w czasie z okresem wyjątkowej różnorodności ryb z żuchwami – przodków większości istniejących dzisiaj kręgowców. Wyniki wskazują, że utlenianie mogło kształtować wzorce ewolucyjne wśród prehistorycznych gatunków.
„Wiadomo, że tlen jest niezbędnym warunkiem dla ewolucji zwierząt, ale trudno było określić w jakim stopniu jest wystarczającym warunkiem, który może wyjaśnić trendy w dziedzinie różnorodności zwierząt, „powiedział współautor Michael Kipp, profesor pomocniczy nauk o Ziemi i klimacie w Duke University Nicholas School of the Environment. „To badanie stanowi mocny argument, że tlen dyktował czas powstania wczesnej ewolucji zwierząt, przynajmniej jeśli chodzi o pojawienie się kręgowców z żuchwą w siedliskach w głębokim oceanie.”
Przez pewien czas badacze uważali, że utlenienie głębokiego oceanu wystąpiło tylko raz na początku ery paleozoicznej, około 540 milionów lat temu. Jednak bardziej aktualne badania sugerują, że utlenianie zachodziło w fazach, z przybrzeżnych wód najpierw stających się mieszkaniami dla organizmów oddechowych, a następnie głębszych środowisk.
Kipp i jego koledzy skoncentrowali się na określeniu czasu tych faz, analizując skały osadowe powstałe w głębokich wodach morskich. W szczególności analizowali skały pod kątem selenu, pierwiastka, który może być używany do określenia, czy tlen istniał na poziomach zapewniających życie w starożytnych morzach.
W środowisku morskim selen występuje w różnych formach zwanych izotopami, które różnią się wagą. Gdzie poziomy tlenu są wystarczająco wysokie, aby wspierać życie zwierząt, stosunek ciężkich do lekkich izotopów selenu znacząco się różni. Ale przy poziomach tlenu niekorzystnych dla większości życia zwierząt, ten stosunek jest stosunkowo stały. Określając stosunek izotopów selenu w osadach morskich, badacze mogą wywnioskować, czy poziomy tlenu były wystarczające, aby wspierać zwierzęta oddychające pod wodą.
Przepracowując z repozytoriami badawczymi na całym świecie, zespół zdobył 97 próbek skał datowanych na okres od 252 do 541 milionów lat temu. Skały zostały wydobyte z obszarów na pięciu kontynentach, które setki milionów lat temu znajdowały się na zewnętrznych półkach kontynentalnych – krawędziach kontynentów jak wystają pod wodą, tuż przed przechodzeniem w strome ściany.
Po serii kroków, w których rozdrabniano skały, rozpuszczano powstały proszek i oczyszczano selen, zespół analizował stosunek izotopów selenu występujący w każdej próbce.
Ich dane wskazywały, że dwa wydarzenia utlenienia wystąpiły w głębszych wodach zewnętrznych pólek kontynentalnych: przemijające zdarzenie około 540 milionów lat temu, w okresie paleozoicznej ery, znanym jako kambr oraz zdarzenie, które rozpoczęło się 393-382 miliony lat temu, w czasie zwany środkowym dewonem, które trwa do dzisiaj. W ciągu mijających milionów lat tlen spadał do poziomów niegościnnych dla większości zwierząt. Zespół opublikował swoje wyniki w Proceedings of the National Academy of Sciences w sierpniu.
„Dane dotyczące selenu mówią nam, że drugie zdarzenie utlenienia było trwałe. Rozpoczęło się w środkowym dewonie i trwało przy młodszych próbkach skał,” powiedział współautor Kunmanee “Mac” Bubphamanee, doktorant na Uniwersytecie Waszyngtonu.
To wydarzenie zbiegło się z licznymi zmianami w ewolucji i ekosystemach oceanicznych – to, co niektórzy badacze nazywają „środkowym paleozoicznym rewolucją morską”. W miarę jak tlen stał się trwałym elementem w głębszych środowiskach, ryby z żuchwą, zwane gnatostomami, oraz inne zwierzęta zaczęły inwazję i różnicować się w takich siedliskach, zgodnie z zapisem skamieniałości. Zwierzęta również rosły, być może dlatego, że tlen wspierał ich wzrost.
Zdarzenie podczas środkowego dewonu zbiegło się także z rozprzestrzenianiem się roślin o twardych łodygach drewna.
„Nasze przemyślenia są takie, że w miarę jak te rośliny drzewiaste się zwiększały, uwalniały więcej tlenu do powietrza, co prowadziło do zwiększenia tlenu w głębszych środowiskach oceanicznych,” powiedział Kipp, który rozpoczął te badania jako doktorant na Uniwersytecie Waszyngtonu.
Powód pierwszego, tymczasowego zdarzenia utlenienia w czasie kambru jest bardziej enigmatyczny.
„To, co wydaje się jasne, to że spadek tlenu po tym początkowym impulsie utrudnił rozprzestrzenianie się i różnicowanie się organizmów morskich w te głębsze środowiska zewnętrznych półek kontynentalnych,” powiedział Kipp.
Chociaż zespół skupił się na warunkach starożytnego oceanu, ich wyniki są teraz istotne.
„Dzisiaj jest dużo tlenu w oceanie równoważonego z atmosferą. Ale w niektórych miejscach tlen w oceanie może spaść do niezauważalnych poziomów. Niektóre z tych stref powstają w naturalny sposób. Ale w wielu przypadkach są one spowodowane zrzutem z kontynentów substancji odżywczych z nawozów i działalności przemysłowej, które zasilają kwitnienie planktonu, które po obumarciu zużywają tlen,” powiedział Kipp.
„Ta praca bardzo wyraźnie pokazuje związek między tlenem a życiem zwierząt w oceanie. Ta równowaga została osiągnięta około 400 milionów lat temu i byłoby wielką szkoda, gdybyśmy zniszczyli ją dzisiaj w ciągu kilku dekad.”
Finansowanie: MAK był wspierany przez Fellowship Badawcze NSF i Fellowship Powojenną Instytutu Agouron. Dodatkowe wsparcie zapewnił Wirtualny Laboratorium Planetologii Instytutu Astrobiologii NASA.
