Siipien evoluution ansiosta muinaisista hyönteisistä tuli maapallon ensimmäisiä olentoja, jotka nousivat taivaalle, ja lisäksi ne nousivat yhdeksi luonnon suurista menestystarinoista, todetaan uudessa tutkimuksessa.
Hyönteisiä on nykyään jopa 10 miljoonaa elävää lajia, ja niitä tavataan nykyään kaikilla seitsemällä mantereella, ja ne asuttavat jokaista kuviteltavissa olevaa maanpäällistä paikkaa. Mutta fossiilitietojen mukaan ne olivat harvinaisia ennen noin 325 miljoonaa vuotta sitten, ja niveljalkaisten serkkujensa arachnidien (hämähäkit, skorpionit ja punkit) ja myriapodien (tuhatjalkaiset ja tuhatjalkaiset) syrjäyttäminä.
Vanhin varmistettu hyönteisfossiili on siivettömän hopeakalan kaltaisen olennon fossiili, joka eli noin 385 miljoonaa vuotta sitten. Vasta noin 60 miljoonaa vuotta myöhemmin, Pennsylvanian-kautena tunnetun maapallon historian jakson aikana, hyönteisfossiileja alkaa esiintyä runsaasti.
”Hyönteisten syntyyn on liittynyt melkoinen mysteeri, koska monien miljoonien vuosien ajan ei ollut mitään, ja sitten yhtäkkiä hyönteisten räjähdysmäinen lisääntyminen”, sanoo tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Sandra Schachat, jatko-opiskelija Stanfordin School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth) -yliopistossa.
Monia ideoita on ehdotettu selittämään tätä outoa aukkoa hyönteisfossiiliaineistoon, jota tutkijat ovat kutsuneet nimellä heksapodien aukko.
Ensimmäisen suositun hypoteesin mukaan hyönteisten kokoa ja runsautta rajoitti maapallon ilmakehän hapen määrä devonikauden loppupuolella.
Vahvimmat todisteet tämän teorian puolesta on malli ilmakehän hapesta viimeisten 570 miljoonan vuoden aikana, jonka edesmennyt Yalen geologi Robert Berner kehitti vertailemalla hapen ja hiilen suhdetta muinaisissa kivilajeissa ja fossiileissa.
Bernerin mallin mukaan ilmakehän happipitoisuus noin 385 miljoonaa vuotta sitten Hexapod Gapin alkaessa oli alle 15 prosenttia, niin alhainen, että maastopalot olisivat olleet kestämättömiä. (Vertailun vuoksi mainittakoon, että nykyisin ilmakehän happipitoisuus on noin 21 prosenttia.)
Toinen mahdollisuus on, että hyönteisiä esiintyi runsaasti ennen 323 miljoonaa vuotta sitten, mutta ne eivät näy fossiileissa, koska sellaiset maanpäälliset sedimentit, jotka olisivat voineet säilyttää niitä, eivät säilyneet.
Ei tekosyitä
Uudessa tutkimuksessa, joka julkaistiin tällä viikolla Royal Society Proceedings B -lehdessä, Schachat ja hänen kollegansa testasivat kumpaakin näistä väitteistä – joko sitä, että vähäinen happipitoisuus rajoitti hyönteisiä, tai sitä, että kivet eivät olleet sopivia fossiilien säilyttämiseen. Ensin tutkimusryhmä päivitti Bernerin lähes vuosikymmeniä vanhaa mallia käyttämällä päivitettyjä hiilitietoja.
Kun he tekivät näin, ilmakehän hapen notkahdus devonikauden loppupuolella katosi. ”Tämä tutkimus osoittaa, että alhaisen hapen aiheuttama ympäristön aiheuttama inhibitio voidaan sulkea pois, koska se ei ole yhteensopiva uusimpien tietojen kanssa”, sanoi tutkimuksen toinen kirjoittaja ja Stanfordin maapaleontologi Jonathan Payne.
Testaamaan ”huonojen kivien” hypoteesia ryhmä analysoi julkista tietokantaa Pohjois-Amerikan kivilajeista maapallon historian eri aikakausilta eikä löytänyt mitään epätavallista myöhäisdevonikauden sedimenteistä. ”Kivet olisivat voineet sisältää hyönteisfossiileja. Se, että niissä ei ole, osoittaa, että hyönteisten vähyys tällä ajanjaksolla on todellista eikä vain huonon tuurin aiheuttama artefakti säilymisen suhteen”, sanoo Schachat, joka on myös stipendiaatti Smithsonian-instituutissa Washingtonissa, DC:ssä.
Transformaatiovaikutus
Kaksi suosituinta selitystä Hexapod Gapille näyttävät olevan perusteettomia, ja tutkijoiden mukaan hyönteisfossiilien tutkiminen viittaa siihen, että Hexapod Gap itsessään saattaa olla illuusio.
Uuden tutkimuksen osana tutkimusryhmä tutki uudelleen muinaisten hyönteisten fossiiliaineistoa eikä löytänyt suoria todisteita siivistä ennen Hexapod Gapia tai sen aikana. Mutta heti kun siivet ilmestyvät 325 miljoonaa vuotta sitten, hyönteisfossiileista tulee paljon runsaampia ja monipuolisempia.
”Fossiilirekisteri näyttää juuri siltä, mitä voisi odottaa, jos hyönteiset olisivat olleet harvinaisia siihen asti, kunnes ne kehittivät siivet, jolloin niiden monimuotoisuus ja runsaus lisääntyi hyvin nopeasti”, Payne sanoi.
Schachat sanoi, että on huomattavaa, että ensimmäiset kaksi siivekkäämpää hyönteistä fossiilirekisterissä ovat sudenkorennon kaltainen hyönteinen ja heinäsirkan kaltainen hyönteinen. Nämä edustavat kahta siivekkäiden hyönteisten pääryhmää: sudenkorennoilla on ”vanhat siivet”, joita ne eivät voi taittaa alas vatsalleen, ja heinäsirkoilla on ”uudet siivet”, jotka ovat taittuvia.
”Fossiililöydösten kaksi ensimmäistä siivekästä hyönteistä eroavat toisistaan niin paljon kuin vain voi odottaa”, Schachat sanoi. ”Tämä viittaa siihen, että siivekkäiden hyönteisten synnyttyä ne monipuolistuivat hyvin, hyvin nopeasti”. Niin nopeasti, että niiden monipuolistuminen näyttää geologisesta näkökulmasta ja fossiileista saatavilla olevien todisteiden perusteella olleen välitöntä.”
Uudet markkinaraot
Ensimmäisinä ja ainoina lentokykyisinä eläiminä oleminen olisi ollut äärimmäisen voimakasta. Lentäminen antoi hyönteisille mahdollisuuden tutkia uusia ekologisia markkinarakoja ja tarjosi uusia pakokeinoja. ”Yhtäkkiä runsautesi voi lisääntyä, koska voit päästä saalistajiltasi pois niin paljon helpommin”, Schachat sanoi. ”Voit myös syödä puun latvassa olevia lehtiä ilman, että sinun tarvitsee kävellä koko puuta ylöspäin.”
Lentävät hyönteiset pystyivät myös luomaan markkinarakoja, joita ei aiemmin ollut olemassa. ”Kuvittele kaikkiruokainen hyönteinen, joka lentää puiden latvoille syömään”, Schachat sanoi. ”Yhtäkkiä on olemassa markkinarako petoeläimelle, joka voi lentää puun latvaan syömään hyönteistä. Siivet mahdollistivat sen, että hyönteiset pystyivät laajentamaan täytettävien markkinarakojen valikoimaa. Se oli todella vallankumouksellista.”
Uusi tutkimus yhdistää lennon evoluution hyönteisten ylösnousemukseen, mutta se herättää uusia kysymyksiä siitä, miten ja miksi ne ylipäätään kehittivät siivet, sanoi tutkimuksen toinen kirjoittaja Kevin Boyce, geologisten tieteiden apulaisprofessori Stanford Earthissa. ”Devonissa oli vain muutamia hyönteisiä, jotka kaikki olivat siivettömiä”, Boyce sanoi. ”Mutta toisella puolella meillä on jo lentokyky”. Mitä siinä välissä tapahtui? Hyvä kysymys.”
Payne on myös Stanford Bio-X:n jäsen ja Stanford Woods Institute for the Environmentin jäsen. Kirjoituksessa on mukana kirjoittajia myös Smithsonian Institutionista, Ohion valtionyliopistosta ja Iowan yliopistosta.
Tutkimuksen rahoitti National Science Foundation.