Rekonstrukcje kambryjskich zwierząt były tak dziwne, że na konferencjach naukowych budziły powszechną wesołość: Opabinia miała pięcioro oczu na szypułkach oraz prążkowaną jak rura odkurzacza trąbę z chwytną szczęką na końcu. Nazwa Hallucigenia mówi sama za siebie – zwierzę przypominało coś, co można ujrzeć tylko pod wpływem LSD.
Jeśli z młotkiem geologicznym w ręku będziemy badać pokłady skalne od najstarszych po najmłodsze, zauważymy zadziwiający fenomen: w najdawniejszych warstwach nie dostrzeżemy gołym okiem żadnych śladów życia, żadnych skamieniałości. Jednak od pewnego momentu, na granicy ostrej jak ucięta nożem, pojawia się niesamowite bogactwo form – to świat kambru, epoki geologicznej, która rozpoczęła się 541 mln lat temu i trwała nieco ponad 55 mln lat. Rozgraniczenie między kambrem a poprzednimi, pozbawionymi śladów życia epokami jest tak wyraźne, że fenomen ten doczekał się określenia „eksplozja kambryjska”.
Rodzinne wykopaliska
„Biwakowanie w kanadyjskich Górach Skalistych to rzecz stosunkowo łatwa, o ile niestraszne nam podróżowanie w siodle i pakowanie jucznych zwierząt” – pisał na łamach „National Geographic” amerykański paleontolog Charles Walcott w roku 1911. Dwa lata wcześniej odkrył on w rzeczonych górach niezwykłe stanowisko paleontologiczne – łupki z Burgess (Burgess shale). Wyjątkowość tego miejsca polegała na tym, że zachowały się tam nie tylko twarde skorupki lub szkielety zewnętrzne organizmów, lecz także kompletne odciski miękkich części. Jak również odciski zwierząt, które w ogóle nie miały twardego szkieletu.
Dziś łupki z Burgess znajdują się na wysokości 2500 m n.p.m., ale 505 mln lat temu, w okresie kambru, zanurzone były 100 m pod powierzchnią oceanu w okolicach równika. W kanadyjskich Górach Skalistych zachowały się więc ślady pradawnego podmorskiego życia.
Walcott przez kilka lat wracał do Burgess z żoną Heleną i dziećmi – Sidneyem, Stuartem i Helen – by wspólnie szukać charakterystycznych trylobitów i innych skamieniałości. Sidney odkrył m.in. odcisk drapieżnego, kilkunastocentymetrowego stawonoga, na cześć młodzieńca nazwanego potem Sidneyia inexpectans.
Dzięki artykułowi w „National Geographic” o Burgess zrobiło się głośno, ale sława ta szybko przeminęła – łupki popadły w zapomnienie. Aż pół wieku później natrafił na nie pewien młody Włoch.
To nie jest halucynacja
Jedno z najważniejszych odkryć paleontologicznych XX w. zostało dokonane w… muzeum. W 1962 r. młody włoski biolog, Alberto Simonetta, przyjrzał się ponownie skamieniałościom z Burgess. Wśród licznych okazów natrafił na pozostałości zwierząt, których próżno by szukać gdzie indziej. Wiwaxia wyglądała jak połówka karczocha z podwójnym irokezem z piór. Malutka Marrella mogłaby być czarnym charakterem horroru science fiction – z zakrzywionymi, skierowanymi do tyłu rogami i ponad 20 parami rozgałęzionych odnóży. Anomalocaris był drapieżnym stawonogiem długości metra z serią płetw, oczami na szypułkach i dwoma groźnymi, 20-centymetrowymi odnóżami do chwytania zdobyczy.
Nieco później, niezależnie od Simonetty, łupkami z Burgess zajął się Brytyjczyk Harry Whittington. Jego odkrycia i rekonstrukcje były tak dziwne, że na konferencjach naukowych budziły powszechną wesołość: Opabinia miała pięcioro oczu na szypułkach oraz prążkowaną jak rura odkurzacza trąbę z chwytną szczęką na końcu. Nazwa Hallucigenia mówi sama za siebie: zwierzę przypominało coś, co można ujrzeć tylko pod wpływem LSD – po morskim dnie kroczyło na licznych, zakończonych pazurkami giętkich odnóżach, symetrycznie strosząc ku górze ostre kolce.
Cała ta podmorska menażeria zadziwia nie tylko bogactwem szalonych form, lecz także swoim nagłym pojawieniem się. Jak na Ziemi doszło do tak raptownego powstania złożonych organizmów? Klucza do rozwiązania tej zagadki trzeba szukać w okresie, który bezpośrednio poprzedza kambryjską eksplozję.
Zaginiony świat
Dziś wiemy, że życie na Ziemi powstało przynajmniej 3,5 mld lat temu, wkrótce po tym, gdy ustało bombardowanie meteorów i temperatura spadła na tyle, by na powierzchni planety pojawiły się morza i oceany. Jednak przez większość czasu od swoich narodzin było to życie jednokomórkowe, proste organizmy, których pozostałości przetrwały do naszych czasów jedynie w postaci stromatolitów, czyli wielowarstwowych mat budowanych przez sinice i inne bakterie. Długo panowało przekonanie, że nie zachowały się z tamtego czasu żadne inne skamieniałości, jakiekolwiek fragmenty większych zwierząt lub roślin, odciski, skorupki. Dlatego cały ten okres nazywany jest proterozoikiem, czyli okresem ukrytego życia.
Ale jeszcze z końcem XIX w. na Nowej Fundlandii, w warstwach bezpośrednio poprzedzających kambr, odkryto tajemnicze ślady: złożone z koncentrycznych wgłębień lub wypukłości twory, trochę przypominające jajka sadzone albo oczy zwierząt z kreskówek. Jeden z pierwszych paleontologów kanadyjskich, Elkanah Billings, sugerował, że to skamieniałości zwierząt. Kłóciło się to jednak z panującym dogmatem, według którego skamieniałości sprzed kambru są niemożliwe, więc świat naukowy odrzucił jego interpretację. Kiedy w latach 30. XX w. odkryto takie same skamieniałości w Namibii, postąpiono odwrotnie: co prawda uznano znalezisko (dziś noszące nazwę Aspidella) za ślad zwierząt, ale wnioskowano, że w takim razie musi ono pochodzić z kambru. Jak widać, również w nauce czasem postępuje się zgodnie z zasadą: jeśli fakty nie odpowiadają teorii, tym gorzej dla faktów!
Z czasem zaczęto natrafiać na coraz więcej okazów niewątpliwie pochodzących sprzed kambru. W latach 50. XX w. 15-letnia Brytyjka Tina Negus odkryła piękną, przypominającą paproć skamieniałość nazwaną później Charnia (od lasu Charnwood w Anglii, gdzie została znaleziona). Nastolatka interesowała się geologią i doskonale zdawała sobie sprawę z niezwykłości okazu, którym bezskutecznie próbowała zainteresować swoich nauczycieli. Uwierzono w końcu, ale nie jej, tylko chłopcu, uczniowi Rogerowi Masonowi, na którego cześć jeden z gatunków nazwano Charnia masoni. Później nastąpiła prawdziwa lawina innych odkryć, m.in. w południowej Australii, na wzgórzach Ediacara. Dlatego ten okres geologiczny oraz związana z nim fauna nosi dziś nazwę ediakar.
Dzięki tym wszystkim znaleziskom wiemy, że sytuacja zmieniła się mniej więcej 570 mln lat temu, kilkadziesiąt milionów lat przed kambryjską eksplozją. W skamieniałościach z okresu ediakarskiego pojawiają się fantastyczne wzory: żeberkowane, symetryczne, piękne, delikatne odciski nazwane Dickinsonią. Kimberella przypominająca parę kastanietów rozdzielonych miękką wargą. Spriggina, która swoimi żeberkami przywodzi na myśl późniejsze trylobity. Chociaż więc tradycyjnie zaliczamy ediakar do proterozoiku, nie ma najmniejszych wątpliwości, że chodzi o pozostałości wielokomórkowych organizmów. Wspólną cechą tych wszystkich istot najprawdopodobniej było to, że prowadziły osiadły tryb życia – można zatem przyjąć, że nie były drapieżnikami.
Wszystkie te pozostałości mają jednak jeszcze jedną frapującą wspólną cechę: nie przypominają niczego, co pojawiło się na Ziemi później. Organizmy okresu ediakar były wyjątkowe. Do dziś nie możemy być pewni, jak naprawdę wyglądały i z jakimi współczesnymi zwierzętami są spokrewnione. Prawdopodobnie żyły w środowisku zdominowanym przez mikroorganizmy, które wielkimi połaciami mat mikrobiologicznych pokrywały dna mórz i oceanów. I wiemy, że świat ten skończył się bezpowrotnie wraz z nastaniem kambru. Maty mikrobiologiczne przestały być tak powszechne, zniknęły też delikatne, fantastyczne formy organizmów z ediakaru. Ich miejsce zajęła feeria segmentowanych ciał, oczu na szypułkach, rozgałęzionych odnóży, skorupek, skrzeli, pazurów i kolców. Pojawiły się drapieżniki polujące na inne zwierzęta.
Co było przyczyną zmierzchu ediakaru? Istnieją dwie główne hipotezy. Przede wszystkim podobnie jak pięć wielkich wymierań z okresu fanerozoiku (m.in. to, w którym wyginęły dinozaury – wszystkie z wyjątkiem ptaków), tak i to mogło być spowodowane jakąś naturalną katastrofą, np. uderzeniem ogromnego meteorytu, lub okresem nadzwyczajnej aktywności geologicznej.
Istnieje jednak inne wyjaśnienie.
Pierwiastek drapieżców
Życie od samego swojego początku odmieniało oblicze Ziemi. Prowadziło do powstawania skał osadowych, zmieniało skład chemiczny oceanów i atmosfery. Jednym z najważniejszych efektów życia od jego zarania jest produkcja tlenu. Fotosyntetyzujące organizmy zamieniają dwutlenek węgla w węgiel oraz uwalniany do atmosfery tlen. Produkcja tego pierwiastka przez wczesne żywe organizmy doprowadziła do pierwszej w historii Ziemi katastrofy ekologicznej: katastrofy tlenowej, która nastąpiła około 2–2,5 mld lat temu. Wyginęło wówczas mnóstwo organizmów wrażliwych na tlen. Jednak to dramatyczne wydarzenie umożliwiło zarazem powstanie zwierząt. One nie czerpią energii z procesu fotosyntezy, ale z utleniania. Świat zwierząt potrzebował więc tlenu, żeby w ogóle móc zaistnieć.
Szczególnie łase na tlen są drapieżniki – zwierzęta, które polują na inne zwierzęta. Drapieżca musi ciągle się poruszać w poszukiwaniu ofiary, mieć sprawną muskulaturę, narządy zmysłów i złożony układ nerwowy umożliwiający przetwarzanie bodźców z otoczenia. Czyli odnóża, płetwy, skrzela i oczy, na których ślady po raz pierwszy napotykamy w kambrze. Co więcej, ewolucja polującego wymusza również odpowiedź w postaci ewolucji zwierzyny łownej, która musi nauczyć się obserwować swoje otoczenie i bronić się lub uciekać.
Przez większość proterozoiku stężenie tlenu w atmosferze było od 10 do 100 razy niższe niż współcześnie. Nasuwają się więc zasadnicze pytania: kiedy na Ziemi pojawił się tlen w ilościach przypominających współczesne? Kiedy jego zawartość stała się wystarczająca dla zwierząt, a kiedy dla drapieżników? Okazuje się, że są minerały, których skład odzwierciedla ilość rozpuszczonego w wodzie tlenu. Dzięki takim badaniom wiemy dziś, że 520 mln lat temu – z nastaniem epoki kambru – stężenie tego pierwiastka w morzach i oceanach było mniej więcej takie jak dziś. Wcześniej zaś stopniowo rosło, lokalnie wytwarzając środowiska, w których mogły rozwijać się drapieżniki.
Jednak i to wyjaśnienie nie jest do końca zadowalające. Bo czy rzeczywiście drapieżniki pojawiły się na Ziemi dopiero w kambrze? Może istniały wcześniej, tylko nie zachowały się ich ślady?
Zegar w genach
DNA wszystkich żywych organizmów można przedstawić jako niewyobrażalnie długi ciąg czterech liter – A, G, C i T – oznaczających cztery podstawowe „klocki”, z których zbudowane jest nasze DNA. Część z nich pełni bardzo ważną funkcję: w nich zapisane są informacje wykorzystywane przez każdą żywą komórkę. Część tej informacji jest tak ważna, że jakakolwiek mutacja powoduje nawet śmierć organizmu. Inne zmiany mogą być korzystne.
Ale bardzo wiele liter nie ma znaczenia i można je bezkarnie zmieniać. Takie mutacje – ani korzystne, ani niekorzystne, a więc neutralne – pojawiają się losowo i utrwalają w kolejnych pokoleniach, a tempo, w jakim ich przybywa, może być stałe przez miliony lat. Spokrewnione ze sobą organizmy – np. psy i koty, ludzie i szympansy, a nawet człowiek i stawonóg – będą zawsze różniły się pewną liczbą neutralnych mutacji, a liczba tych różnic będzie tym większa, im dawniej żył ostatni wspólny przodek tych organizmów. To właśnie słynny „zegar molekularny”.
Pytanie, kiedy żył wspólny przodek wszystkich zwierząt o symetrii dwubocznej – których czas nastał w kambrze – od dawna frapowało naukowców. I wyniki analiz molekularnych okazały się zadziwiające: jednoznacznie wskazywały na to, że ów tajemniczy protoplasta istniał dobre 100 mln lat przed początkiem epoki kambru. Czyli w czasach, gdy fauna Ziemi zdominowana była przez tajemnicze organizmy ediakaru, żył już gdzieś organizm, którego potomstwem były zarówno trylobity, jak i Hallucigenia (oraz ludzie – bo my też mamy ciała o dwubocznej symetrii).
Dlaczego dotąd nie znaleźliśmy jego śladów? Nie ma jednego dobrego wytłumaczenia. Niektórzy uważają, że to fauna ediakaru jest spokrewniona z przodkiem zwierząt z eksplozji kambryjskiej. Jednak wspaniałe archiwum w postaci zapisu kopalnego – formacji skalnych i warstw geologicznych – jest bardzo niekompletne, zwłaszcza jeśli chodzi o najodleglejsze czasy. Z najciekawszego okresu tuż przed eksplozją kambryjską pozostało niezwykle mało warstw, w których potencjalnie mogły się zachować skamieniałości. Poza tym odnajdowane pozostałości to ułamek promila wszystkich organizmów, które żyły na Ziemi; od powstania jakiegoś gatunku do wyjątkowego wydarzenia, jakim jest zachowanie jego przedstawiciela w postaci np. odcisku, mogą upłynąć setki tysięcy, jeśli nie miliony lat. Rzadko występujące albo małe organizmy – a takimi byli przodkowie wszystkich zwierząt – mają o wiele mniejsze szanse na zachowanie.
Jak rzęsa na stawie
Jest jeszcze inny powód, który może zilustrować stara zagadka. Jeśli rzęsa na stawie co dzień podwaja swoją powierzchnię, a po 40 dniach zajmuje cały staw, to którego dnia dokładnie połowa zbiornika jest już pokryta? Intuicyjna odpowiedź – 20. dnia – jest błędna: połowę stawu rzęsa zajmuje dopiero 39. dnia, bo każde podwojenie trwa tylko jeden dzień. Taki wzrost nazywamy wykładniczym. Z punktu widzenia osoby obserwującej staw doszło do niemal natychmiastowej zmiany: przez wiele dni nic pozornie się nie działo, nawet jeszcze cztery doby przed końcem rzęsa pokrywała mniej niż 1/10 powierzchni – po czym nagle tafla zniknęła pod roślinnym płaszczem.
Jeśli podobnie wyglądało rozprzestrzenianie się pierwszych zwierząt i drapieżników, to proces ten musiał trwać dziesiątki, jeśli nie setki milionów lat, zanim organizmy osiągnęły taką liczebność, którą mógł utrwalić zapis kopalny. Proces powstawania fauny kambru rozpoczął się więc najprawdopodobniej przynajmniej 100 mln lat przed nastaniem samego kambru. Jak to ujął jeden z badaczy, eksplozja kambryjska zapewne ani nie była eksplozją, ani nawet kambryjską.
Patrząc z oddali, widzimy zazwyczaj nagłe początki kolejnych epok. Jeżeli jednak zbadać sprawę dokładniej, może się okazać, że zalążki nowego świata istniały na długo przed tym, jak skończyła się stara rzeczywistość. Rozwijały się w tle, w ukryciu, a eksplozja to tylko ostatni krok, wykorzystanie nadarzającej się okazji.
Czytaj również:
