Как глобальная заморозка 445 миллионов лет назад навсегда изменила жизнь
Одно из самых ранних массовых вымираний на Земле уничтожило большую часть морской жизни во время внезапного глобального ледникового периода. Из руин выжили челюстные позвоночные, диверсифицировались и изменили ход эволюции.
Около 445 миллионов лет назад Земля пережила внезапный и драматический сдвиг, изменивший ход жизни. За очень короткий геологический промежуток времени ледники распространились по суперконтиненту Гондвана. По мере того, как лед удерживал воду, многие мелководные моря исчезли, превратив планету в то, что ученые называют «ледниковым климатом». В то же время химический состав океана опасно изменился. Вместе эти силы привели к вымиранию примерно 85% всех морских видов, что в то время составляло большую часть жизни на Земле.
Новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показывает, что это опустошение также создало неожиданный поворотный момент. Ученые из Окинавского института науки и технологий (OIST) обнаружили, что массовое вымирание в позднем ордовике (LOME) в конечном итоге привело к значительному увеличению разнообразия позвоночных. В этот период потрясений одна группа получила решающее преимущество и направила эволюцию по новому пути. Этой группой были челюстные позвоночные.
«Мы продемонстрировали, что челюстные рыбы стали доминирующими только потому, что произошло это событие», — говорит ведущий автор, профессор Лорен Саллан из отдела макроэволюции в OIST. «И, что принципиально важно, мы уточнили наше понимание эволюции, проведя черту между ископаемой летописью, экологией и биогеографией».
Жизнь до массового вымирания в позднем ордовике
Ордовикский период, длившийся примерно от 486 до 443 миллионов лет назад, был совершенно иной главой в истории Земли. Гондвана доминировала в южной половине планеты и была окружена теплыми мелководными морями. Лед на полюсах еще не образовался, а парниковые условия поддерживали умеренную температуру океанских вод. Вдоль береговых линий начали появляться ранние растения, напоминающие печеночники, в сопровождении многоногих членистоногих.
Морские экосистемы были гораздо более развиты. Океаны были полны необычных и разнообразных существ. Конодонты, похожие на миног, с большими глазами передвигались по лесам гигантских морских губок. Трилобиты ползали по морскому дну среди плотных скоплений раковинных моллюсков. Огромные морские скорпионы и массивные наутилоиды с заостренными раковинами, достигающими пяти метров в длину, охотились в открытой воде. Ранние предки челюстных позвоночных, или гнатостом, существовали в это время, но были редки и их легко было не заметить среди доминирующих морских животных.
Две фазы планетарного кризиса
Ученые до сих пор спорят о точной причине LOME, но палеонтологическая летопись ясно показывает, что жизнь до и после этого события выглядела совершенно по-разному. «Хотя мы не знаем окончательных причин LOME, мы знаем, что существовала четкая разница между периодом до и после этого события. Палеонтологическая летопись это подтверждает», — говорит профессор Саллан.
Вымирание развернулось в два основных этапа. Во-первых, Земля быстро перешла от парникового климата к ледниковому. Ледники распространились по Гондване, и мелководные морские местообитания высохли. Несколько миллионов лет спустя, как раз когда экосистемы начали восстанавливаться, климат снова изменился. Лед растаял, уровень моря поднялся, и теплые воды затопили океаны. Эти воды были бедны кислородом и богаты серой, что привело к вытеснению видов, адаптировавшихся к более холодным условиям.
Убежища и выживание челюстных позвоночных
По мере того, как волны вымирания прокатывались по океанам, многие выжившие позвоночные были вынуждены укрыться в убежищах. Это были изолированные регионы биоразнообразия, отрезанные глубоководными океаническими барьерами, которые могли преодолеть лишь немногие виды. В этих ограниченных средах челюстные позвоночные, по-видимому, имели явное преимущество.
Для изучения этой закономерности исследовательская группа создала новую базу данных ископаемых, опираясь на более чем 200 лет палеонтологических исследований позднего ордовика и раннего силура. «Мы объединили 200 лет палеонтологии позднего ордовика и раннего силура», — говорит первый автор Вахей Хагивара, бывший стажер-исследователь в отделе макроэволюции, а ныне аспирант OIST. База данных позволила ученым реконструировать экосистемы внутри убежищ и измерить изменения в разнообразии на уровне родов. Их результаты показывают, что за LOME последовал медленный, но поразительный рост разнообразия челюстноротых. «И тенденция очевидна – вспышки массовых вымираний напрямую привели к усилению видообразования спустя несколько миллионов лет».
География формирует эволюционные возможности
Анализируя ископаемые свидетельства со всего мира, исследователи смогли связать растущее разнообразие челюстных позвоночных не только с вымиранием, но и с местоположением. «Это первый случай, когда мы смогли количественно изучить биогеографию до и после массового вымирания», – говорит профессор Саллан. Отслеживание перемещений видов по всему миру позволило команде определить конкретные убежища, которые впоследствии способствовали диверсификации позвоночных.
Одним из ключевых регионов был нынешний Южный Китай. Ископаемые из этого района включают самые ранние полные останки челюстных рыб, тесно связанных с современными акулами. По словам Хагивары, эти животные оставались в стабильных убежищах в течение миллионов лет. Только после развития способности пересекать открытые океаны они распространились в другие морские среды.
Как новые ниши способствовали инновациям
Исследование также затрагивает давний вопрос эволюционной биологии. «Развились ли челюсти для создания новой экологической ниши, или же наши предки сначала заняли существующую нишу, а затем диверсифицировались?» — спрашивает профессор Саллан. «Наше исследование указывает на последнее».
По мере того как челюстные позвоночные оказались ограничены небольшими географическими районами, они столкнулись с экосистемами, где существовало множество свободных ниш, оставшихся после вымерших бесчелюстных видов и других животных. Это обилие свободных ниш позволило им быстро диверсифицироваться. Подобный процесс можно наблюдать у дарвиновских вьюрков на Галапагосских островах, где доступ к новым источникам пищи привел к специализации в питании и постепенным изменениям формы клюва.
Экологическая перезагрузка, а не чистый лист
В то время как челюстные рыбы оставались ограниченными Южным Китаем, бесчелюстные позвоночные продолжали процветать в других местах и доминировали в открытых океанах еще 40 миллионов лет. Эти группы диверсифицировались во множество рифовых форм, некоторые из которых имели альтернативные структуры рта. Почему челюстные позвоночные в конечном итоге вытеснили их после распространения за пределы рефугиумов, остается неясным.
Исследователи обнаружили, что LOME не уничтожил экосистемы полностью. Вместо этого он запустил то, что они описывают как экологическую перезагрузку. Ранние позвоночные заняли места, которые ранее занимали конодонты и членистоногие, восстанавливая знакомые структуры экосистем с использованием других видов. Подобные закономерности неоднократно наблюдались на протяжении палеозойской эры после событий вымирания, вызванных сопоставимыми изменениями окружающей среды. Команда называет этот повторяющийся процесс «циклом перезагрузки разнообразия», где эволюция восстанавливает экосистемы, сходясь к схожим функциональным структурам.
Почему древние выжившие до сих пор важны сегодня
Профессор Саллан резюмирует значение полученных результатов. «Благодаря интеграции данных о местоположении, морфологии, экологии и биоразнообразии мы, наконец, можем понять, как ранние экосистемы позвоночных восстанавливались после крупных экологических потрясений. Эта работа помогает объяснить, почему развились челюсти, почему челюстные позвоночные в конечном итоге одержали победу и почему современная морская жизнь восходит к этим выжившим, а не к более ранним формам, таким как конодонты и трилобиты. Выявление этих долгосрочных закономерностей и лежащих в их основе процессов является одним из захватывающих аспектов эволюционной биологии».
