Vingernes udvikling gjorde det ikke kun muligt for de gamle insekter at blive de første væsener på Jorden, der kunne flyve op i luften, men gav dem også mulighed for at blive en af naturens store succeshistorier, viser en ny undersøgelse.
Insekterne, der omfatter op mod 10 millioner levende arter, findes i dag på alle syv kontinenter og bebor alle tænkelige jordiske nicher. Men ifølge de fossile optegnelser var de sjældne før for ca. 325 millioner år siden, hvor de blev overgået af deres leddyrsfætre arachniderne (edderkopper, skorpioner og mider) og myriapoderne (tusindben og tusindben).
Det ældste bekræftede insektfossil er et vingeløst, sølvfisklignende væsen, der levede for ca. 385 millioner år siden. Det er først omkring 60 millioner år senere, i en periode af Jordens historie kendt som Pennsylvanien, at insektfossiler bliver talrige.
“Der har været en del mystik omkring, hvordan insekterne først opstod, for i mange millioner år havde man ingenting, og så var der lige pludselig en eksplosion af insekter”, siger førsteforfatter Sandra Schachat, der er kandidatstuderende ved Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth).
Mange ideer er blevet foreslået for at forklare denne mærkelige lakuna i insektfossilerne, som forskerne har kaldt Hexapod Gap (Hexapod Gap).
En populær hypotese går ud på, at insekternes størrelse og hyppighed blev begrænset af den mængde ilt, der var til rådighed i Jordens atmosfære i den sene devoniske periode.
Det stærkeste bevis for denne teori er en model for atmosfærens ilt i de sidste 570 millioner år, som den afdøde Yale-geolog Robert Berner udviklede ved at sammenligne forholdet mellem ilt og kulstof i gamle bjergarter og fossiler.
I henhold til Berners model var det atmosfæriske iltniveau for omkring 385 millioner år siden under starten af Hexapod Gap under 15 procent, så lavt, at skovbrande ville have været uholdbare. (Til sammenligning er den atmosfæriske iltkoncentration i dag ca. 21 procent.)
En anden mulighed er, at der var mange insekter før for 323 millioner år siden, men at de ikke optræder i de fossile optegnelser, fordi de slags terrestriske sedimenter, der er i stand til at bevare dem, ikke overlevede.
Ingen undskyldninger
I den nye undersøgelse, der blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Royal Society Proceedings B, testede Schachat og hendes kolleger begge disse argumenter – at lavt iltindhold begrænsede insekterne, eller at stenene ikke var egnede til at bevare fossiler. Først opdaterede holdet Berners næsten ti år gamle model ved hjælp af opdaterede kulstofoptegnelser.
Når de gjorde dette, forsvandt dykket i atmosfærisk ilt i slutningen af Devon forsvinder. “Det, som denne undersøgelse viser, er, at miljømæssig hæmning af lavt iltindhold kan udelukkes, fordi det ikke er foreneligt med de mest aktuelle data,” siger medforfatter til undersøgelsen og Stanford Earth-palæontolog Jonathan Payne.
For at teste hypotesen om “dårlige sten” analyserede holdet en offentlig database over nordamerikanske bjergarter for forskellige perioder i Jordens historie og fandt intet usædvanligt ved sedimenterne i den sene devoniske periode. “Stenene kunne have indeholdt insektfossiler. Det faktum, at de ikke gør det, indikerer, at manglen på insekter i denne periode er reel og ikke blot et artefakt af uheld med bevaringen,” siger Schachat, som også er stipendiat ved Smithsonian Institution i Washington, DC.
En transformativ effekt
Noget andet end at de to mest populære forklaringer på Hexapod Gap synes at være ubegrundede, sagde forskerne, at en undersøgelse af insektfossilregistret tyder på, at selve Hexapod Gap måske er en illusion.
Som en del af den nye undersøgelse undersøgte holdet igen det gamle insektfossilregister og fandt ingen direkte beviser for vinger før eller under Hexapod Gap. Men så snart vinger dukker op for 325 millioner år siden, bliver insektfossiler langt mere talrige og mangfoldige.
“Fossilregistret ser ud, som man ville forvente, hvis insekter var sjældne, indtil de udviklede vinger, hvorefter de meget hurtigt steg i mangfoldighed og talrigdom,” sagde Payne.
Schachat sagde, at det er bemærkelsesværdigt, at de to første vingede insekter i fossilregistret er et libellelignende insekt og et græshoppe-lignende insekt. Disse repræsenterer de to hovedgrupper af vingede insekter: Libeller har “gamle vinger”, som de ikke kan folde ned på bugen, og græshopper har “nye vinger”, som kan foldes.
“De to første vingede insekter i de fossile optegnelser er omtrent så forskellige fra hinanden, som man overhovedet kan forvente,” sagde Schachat. “Det tyder på, at når først de bevingede insekter opstod, diversificerede de sig meget, meget hurtigt. Så hurtigt, at deres diversificering ud fra et geologisk perspektiv og de beviser, der er tilgængelige i de fossile optegnelser, synes at have været øjeblikkelig.”
Nye nicher
At være de første og eneste dyr, der var i stand til at flyve, ville have været ekstremt magtfuldt. Flyvning gjorde det muligt for insekterne at udforske nye økologiske nicher og gav dem nye flugtmuligheder. “Pludselig kan man pludselig blive mere talrig, fordi man bare meget lettere kan slippe væk fra sine rovdyr,” sagde Schachat. “Du kan også spise bladene i toppen af et træ uden at skulle gå op i hele træet.”
Flyvende insekter kunne også skabe nicher, der ikke eksisterede før. “Forestil dig et altædende insekt, der flyver op i toppen af træerne for at spise”, sagde Schachat. “Pludselig er der en niche for et rovdyr, der kan flyve op til toppen af træet for at spise insektet. Vingerne gjorde det muligt for insekterne at udvide rækken af nicher, der kan udfyldes. Det var virkelig revolutionerende.”
Selv om den nye undersøgelse forbinder udviklingen af flyvning med insekternes opstigning, rejser den nye spørgsmål om, hvordan og hvorfor de udviklede vinger i første omgang, sagde medforfatter Kevin Boyce, lektor i geologiske videnskaber ved Stanford Earth, i undersøgelsen. “I Devon var der kun nogle få insekter, som alle var vingeløse,” sagde Boyce. “Men når man kommer ud på den anden side, så har vi flyvning. Hvad skete der i mellemtiden? Godt spørgsmål.”
Payne er også medlem af Stanford Bio-X og er tilknyttet Stanford Woods Institute for the Environment. Der er også medforfattere fra Smithsonian Institution, Ohio State University og University of Iowa.
Financiering af undersøgelsen blev ydet af National Science Foundation.