211service.com
De ontbrekende schakel van de evolutie
John Grotzinger heeft zijn carrière gewijd aan het oplossen van een van de meest fel bediscussieerde mysteries in de evolutionaire biologie - wat honderden miljoenen jaren geleden gebeurde om de spontane uitbarsting van leven te veroorzaken die de vroege voorouders van alle dieren op aarde vandaag voortbracht. Hij keerde in januari 2002 terug naar het MIT na een jaar in het Midden-Oosten te hebben doorgebracht, waar hij fossielenhoudende stenen verzamelde die teruggingen tot deze zogenaamde Cambrische explosie. Op basis van die fossielen gelooft Grotzinger, een sedimentoloog bij de afdeling Aard-, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen van het Instituut, dat hij het antwoord heeft gevonden.
Volgens het fossielenbestand is het leven op aarde 3,5 miljard jaar geleden ontstaan in de vorm van kleine fotosynthetische bacteriën. Bijna drie miljard jaar lang was de planeet verstoken van iets groters dan bacteriën, plankton en microscopisch zeewier. Toen, ongeveer 540 miljoen jaar geleden, ontstond er plotseling in de donkere diepten van de oceaan een rijke gemeenschap van kleine dieren. Van lange stekelwormen tot vijfogige wezens met grijpslangen als mond, ze transformeerden de oceaanbodem ongeveer 10 miljoen jaar geleden volledig - in een oogwenk in evolutionaire tijd. Dit waren de eerste vertegenwoordigers van vrijwel alle grote groepen dieren die tegenwoordig op aarde zijn en misschien nog andere groepen die lang geleden zijn verdwenen.
Wetenschappers hebben verschillende verklaringen bedacht voor de Cambrische explosie. Volgens één theorie zou het verschijnen van roofdieren een periode van snelle evolutie kunnen hebben veroorzaakt: vroege prooidieren, in hun strijd om zich aan te passen, verwierven verdedigingsmechanismen zoals harde schelpen. Een andere mogelijkheid is dat een toename van zuurstof in de lucht de ontwikkeling van complexere lichaamsstructuren heeft aangewakkerd: zuurstof is een vereiste voor de ontwikkeling en groei van het skelet. Om duidelijk te maken wat er precies is gebeurd, ging Grotzinger in januari 2001 naar Oman om fossielen te zoeken in gesteenten die vijf kilometer onder de grond uit olievelden werden gewonnen. Het voordeel van deze fossielen is dat ze heel goed bewaard zijn gebleven, zegt Grotzinger.
Toen hij zijn rotsmonsters terugbracht naar het MIT voor analyse, was Grotzinger verbaasd over wat hij zag. Samen met twee van zijn collega's - geochronoloog Sam Bowring en geobioloog Roger Summons - reconstrueerde hij in drie dimensies hoe het oceaanbekken eruit zou hebben gezien vóór de Cambrische periode, de geologische periode waarin de explosie van het leven plaatsvond. Fossielen in de rotsen gaven aan dat de oceaanriffen vóór de Cambrische periode vroege prototypedieren met zachte schelpen herbergden. Cloudina , een wormachtig wezen, en Namacalathus , een klein dier in de vorm van een wijnbeker. Toen de Cambrische periode begon, verdwenen deze organismen echter gewoon.
Door koolstofisotopen in het gesteente te bestuderen, stelden Grotzinger en Bowring vast dat vlak voordat het Cambrium begon, een grote milieuramp plaatsvond: de oceanen stopten plotseling met circuleren. Deze gebeurtenis leidde tot massale uitsterving van die vroege dieren, mogelijk door een toename van broeikasgassen als koolstofdioxide en methaan, die vrijkwamen uit de oceanen op het moment dat de oceanen weer begonnen te circuleren. De ondergang van de vroege dieren, beweert Grotzinger, maakte het speelveld vrij en zorgde ervoor dat een nieuwe, meer diverse en beter aangepaste groep dieren ontstond.
Dit was niet het resultaat dat Grotzinger dacht te vinden. Onze aanvankelijke theorie was dat het verschijnen van alle verschillende Cambrische fauna meer het resultaat was van de uitvinding van harde schelpen, waardoor deze organismen plotseling in het fossielenarchief konden worden bewaard, zegt hij. Ik had geen idee dat we met een uitstervingsverhaal zouden komen.
Begin jaren negentig had Grotzinger Precambrische fossielen ontdekt van Cloudina en Namacalathus in Namibië. Maar het fossielenbestand op de grens tussen het Precambrium en het Cambrium is slecht bewaard gebleven, en het lot van de vroege wezens bleef een raadsel. Grotzinger speculeerde dat ze slechts overgangsdieren waren tussen de allereerste prototypedieren en de diverse Cambrische fauna. Maar op basis van zijn gegevens uit Oman gelooft hij dat het uitsterven van de vroege dieren de Cambrische explosie stimuleerde. Het is een geweldig verhaal, maar tegengesteld aan wat ik had verwacht, zegt hij.
De bevinding van Grotzinger is echt het rokende pistool, zegt Andrew Knoll, een evolutiebioloog aan de Harvard University die een paar jaar geleden een van de eersten was die een uitstervingstheorie voorstelde om de Cambrische explosie te verklaren. En hoewel Knoll en vele andere wetenschappers bewijs hebben gevonden van een grote milieuverschuiving aan de Precambrium-Cambrische grens, is niemand in staat geweest om de gebeurtenis rechtstreeks in verband te brengen met de verdwijning van vroege prototypedieren. De nieuwe gegevens uit Oman voegen deze twee gebeurtenissen voor het eerst samen, waardoor de uitstervingstheorie, zegt Grotzinger, een complete slam dunk is.
Het nieuwe bewijs is ook consistent met de patronen van andere grote uitstervingen in de geschiedenis van de evolutie van dieren. Dinosaurussen en zoogdieren leefden bijvoorbeeld 150 miljoen jaar geleden naast elkaar. Maar in al die tijd zijn zoogdieren nooit uit het soort ecologische doos gekomen waarin ze door de dinosauriërs werden opgesloten, zegt Knoll. In plaats daarvan bleven het kleine ratachtige dingen die in de bomen rondscharrelden. Een toonaangevende theorie stelt nu dat toen een meteoor 65 miljoen jaar geleden de aarde insloeg en de dinosauriërs uitroeide, de zoogdieren het overleefden. In deze nieuwe, open omgeving evolueerden ze snel, werden ze groot en vulden ze lege ecologische niches. Vergelijkbare varianten van zoogdieren waren waarschijnlijk eerder geproduceerd door genetische mutaties, maar ze zouden tijdens het bewind van de dinosauriërs door natuurlijke selectie zijn geëlimineerd. Na het uitsterven van de dinosauriërs overleefden de grotere zoogdieren.
Er is altijd een spanning tussen genetica en omgevingsmogelijkhe- den, zegt Grotzinger, die onlangs werd verkozen tot lid van de National Academy of Sciences. Hoewel genen bepalen hoe een organisme eruitziet, zegt hij, bepalen fysieke krachten het verloop van de evolutie van een soort. En als die krachten groot zijn, kunnen ze de deur openen naar geheel nieuwe vormen van leven.
Om de resultaten van Oman te verifiëren, zijn de MIT-onderzoekers nu verhuisd naar China, waar ze rotsen hebben gevonden die dateren uit de Precambrium-Cambrische grens. China heeft veel rotsen van de juiste leeftijd en het behoud ervan lijkt spectaculair te zijn, zegt Bowring. Het komende jaar gaan we veel interessante data produceren. Meer fossielen en handtekeningen van oude omgevingen zullen licht blijven werpen op hoe die intrigerende wezens die honderden miljoenen jaren geleden in de Cambrische oceanen floreerden, op aarde arriveerden.