Extreme schommelingen in het zuurstofgehalte in de lucht kwamen overeen met evolutionaire pieken en uitsterven van de biodiversiteit van dieren tijdens de Cambrische explosie, vindt een nieuwe studie onder leiding van UCL en de Universiteit van Leeds.

De Cambrische explosie was een cruciale periode van snelle evolutie bij complexe dieren die ongeveer 540 miljoen jaar geleden begon. De aanleiding voor deze fundamentele fase in de vroege geschiedenis van het dierenleven is een onderwerp van voortdurend biologisch debat.

De studie, vandaag gepubliceerd in Natuur Geowetenschappen door wetenschappers uit het VK, China en Rusland, geeft sterke steun aan de theorie dat het zuurstofgehalte in de atmosfeer een belangrijke controlerende factor was in de evolutie van dieren.

De studie is de eerste die aantoont dat er tijdens de Cambrische explosie een significante correlatie was tussen pieken in zuurstofniveaus en uitbarstingen in de evolutie van dieren en biodiversiteit, evenals uitstervingsgebeurtenissen tijdens perioden met weinig zuurstof.

Dr. Tianchen Hij, hoofdauteur en postdoctoraal onderzoeker van de studie aan de Universiteit van Leeds, begon dit onderzoek terwijl aan de UCL. Hij zei:"De complexe wezens die tijdens de Cambrische explosie tot stand kwamen, waren de voorlopers van veel van de moderne dieren die we tegenwoordig zien. Maar omdat er in deze periode geen direct bewijs is van atmosferische zuurstof, was het moeilijk om te bepalen welke factoren hebben dit cruciale punt in de evolutie een kickstart gegeven.

"Door de koolstof- en zwavelisotopen in oude rotsen te analyseren, we zijn in staat om zuurstofvariaties in de atmosfeer van de aarde en ondiepe oceanen te traceren tijdens de Cambrische explosie. In vergelijking met gefossiliseerde dieren uit dezelfde tijd kunnen we duidelijk zien dat evolutionaire stralingen een patroon van 'boom en bust' volgen, samen met de zuurstofniveaus.

"Dit suggereert sterk dat zuurstof een cruciale rol speelde bij het ontstaan ​​van het vroege dierenleven."

Studie co-auteur Professor Graham Shields van UCL Earth Sciences, zei:"Dit is de eerste studie die duidelijk aantoont dat onze vroegste dierlijke voorouders een reeks evolutionaire stralingen en knelpunten ondervonden die werden veroorzaakt door extreme veranderingen in het zuurstofgehalte in de lucht.

"Het resultaat was een ware explosie van nieuwe diervormen gedurende meer dan 13 miljoen jaar van het Cambrium. In die tijd, De aarde werd niet meer bevolkt door simpele, eencellige en immobiele organismen voor het huisvesten van de prachtige verscheidenheid aan ingewikkelde, energetische levensvormen die we vandaag zien."

Het team analyseerde de koolstof- en zwavelisotopen van mariene carbonaatmonsters die waren verzameld in secties langs de rivieren Aldan en Lena in Siberië. Tijdens de Cambrische explosie zou dit gebied een ondiepe zee zijn geweest en de thuisbasis van het grootste deel van het dierenleven op aarde.

De lagere Cambrische lagen in Siberië zijn samengesteld uit continue kalksteen met rijke fossielen en betrouwbare leeftijdsbeperkingen, het verstrekken van geschikte monsters voor de geochemische analyses. De isotopensignaturen in de rotsen hebben betrekking op de wereldwijde productie van zuurstof, waardoor het team de zuurstofniveaus in de ondiepe oceaan en atmosfeer tijdens de Cambrische periode kon bepalen.

Studie co-auteur Dr. Benjamin Mills, van de School of Earth and Environment in Leeds, zei:"Het Siberische platform geeft ons een uniek inzicht in vroege mariene ecosystemen. Dit gebied bevat meer dan de helft van alle momenteel bekende gefossiliseerde diversiteit van de Cambrische explosie.

"Door onze isotopenmetingen te combineren met een wiskundig model kunnen we de pulsen van koolstof en zwavel volgen die de sedimenten binnenkomen in deze cruciale evolutionaire wieg. Ons model gebruikt deze informatie om de wereldwijde balans van zuurstofproductie en -vernietiging te schatten, geeft ons nieuw inzicht in hoe zuurstof het leven heeft gevormd dat we vandaag op de planeet hebben."

Bestudeer co-auteur Maoyan Zhu van het Nanjing Institute of Geology and Paleontology, Chinese Wetenschapsacademie, zei:"Om te begrijpen wat de Cambrische explosie heeft veroorzaakt, is multidisciplinair onderzoek nodig. Daarom hebben we met Graham Shields de afgelopen jaren zo'n multidisciplinair team georganiseerd, gefinancierd door NERC en NSFC. Ik ben zo enthousiast over de resultaten van dit samenwerkingsproject."

"Anderzijds, het heeft lang geduurd om dit resultaat te krijgen. In 2008 kregen we al stalen uit Siberië. De secties in Siberië zijn moeilijk toegankelijk. Het kostte ons tijd om de expeditie te organiseren en de monsters daar te verzamelen. Zonder steun van Russische collega's, we konden het project niet doen."

Studie co-auteur Andrey Yu Zhuravlev van de Lomonosov Moscow State University zei:"Dit is een ongelooflijk succesvolle en opwindende gezamenlijke studie geweest. De kwestie van de Cambrische explosie-trigger houdt wetenschappers al jaren in verwarring. Nu, de resultaten geven ons overtuigend bewijs om het snelle verschijnen van dieren en het massale uitsterven tijdens het vroege Cambrium te koppelen aan zuurstof."

Het artikel Mogelijke verbanden tussen extreme zuurstofverstoringen en de Cambrische straling van dieren is gepubliceerd in Natuur Geowetenschappen 06 mei 2019.