Vingarnas utveckling gjorde det inte bara möjligt för gamla insekter att bli de första varelserna på jorden att ta sig upp i luften utan ledde också till att de blev en av naturens stora framgångshistorier, enligt en ny studie.
Insekterna, som består av upp till 10 miljoner levande arter, kan i dag hittas på alla sju kontinenter och bebor alla tänkbara nischer på jorden. Men enligt fossilregistret var de sällsynta före cirka 325 miljoner år sedan, och de var i underläge i förhållande till sina ledfoderkusiner arakniderna (spindlar, skorpioner och kvalster) och myriapoderna (tusenfotingar och tusenfotingar).
Det äldsta bekräftade insektsfossilet är en vinglös, silverfiskliknande varelse som levde för cirka 385 miljoner år sedan. Det är inte förrän omkring 60 miljoner år senare, under en period av jordens historia som kallas pennsylvanien, som insektsfossil blir rikligt förekommande.
”Det har varit ganska mystiskt hur insekterna först uppstod, eftersom det under många miljoner år inte fanns någonting och sedan helt plötsligt en explosion av insekter”, säger Sandra Schachat, som är den första författaren till studien och doktorand vid Stanfords skola för jord-, energi- och miljövetenskaper (Stanford Earth).
Många idéer har föreslagits för att förklara denna märkliga lucka i insektsfossilregistret, som forskarna har döpt till Hexapod Gap.
En populär hypotes går ut på att insekternas storlek och mängd begränsades av den mängd syre som fanns tillgänglig i jordens atmosfär under den sena devoniska perioden.
Det starkaste beviset för denna teori är en modell för atmosfäriskt syre under de senaste 570 miljoner åren som den framlidne Yale-geologen Robert Berner utvecklade genom att jämföra förhållandet mellan syre och kol i forntida stenar och fossiler.
Enligt Berners modell var syrenivån i atmosfären för cirka 385 miljoner år sedan, under början av Hexapod Gap, under 15 procent, så låg att vilda bränder skulle ha varit ohållbara. (Som jämförelse är dagens atmosfäriska syrekoncentration cirka 21 procent.)
En annan möjlighet är att insekter fanns i överflöd före 323 miljoner år sedan, men att de inte syns i fossilregistret eftersom de typer av terrestra sediment som kan bevara dem inte överlevde.
Inga ursäkter
I den nya studien, som publicerades denna vecka i tidskriften Royal Society Proceedings B, testade Schachat och hennes kollegor båda dessa argument – att syrebrist begränsade insekterna eller att stenarna inte var lämpliga för att bevara fossiler. Först uppdaterade teamet Berners nästan tio år gamla modell med hjälp av uppdaterade kolregister.
När de gjorde detta försvann dippen i atmosfäriskt syre under den sena devoniska perioden. ”Vad den här studien visar är att miljöhämning genom lågt syre kan uteslutas eftersom det inte är förenligt med de mest aktuella uppgifterna”, säger Jonathan Payne, medförfattare till studien och paleontolog på Stanford Earth.
För att testa hypotesen om ”dåliga stenar” analyserade teamet en offentlig databas med nordamerikanska bergarter för olika perioder i jordens historia och hittade inget ovanligt med sedimenten i den sena devoniska perioden. ”Stenarna kan ha innehållit insektsfossil. Det faktum att de inte gör det tyder på att bristen på insekter under den här perioden är verklig och inte bara en artefakt av otur med bevarandet”, säger Schachat, som också är stipendiat vid Smithsonian Institution i Washington DC.
En transformativ effekt
När de två mest populära förklaringarna till Hexapod Gap tycks vara ogrundade, säger forskarna att en studie av insektsfossilregistret tyder på att Hexapod Gap i sig självt kan vara en illusion.
Som en del av den nya studien undersökte teamet återigen det forntida insektsfossilregistret och hittade inga direkta bevis för vingar före eller under Hexapod Gap. Men så snart vingar dyker upp för 325 miljoner år sedan blir insektsfossilerna mycket rikligare och mer varierade.
”Fossilregistret ser ut precis som man skulle kunna förvänta sig om insekter var sällsynta tills de utvecklade vingar, och då ökade de mycket snabbt i mångfald och rikedom”, säger Payne.
Schachat säger att det är anmärkningsvärt att de två första bevingade insekterna i fossilregistret är en trollsländeliknande insekt och en gräshoppeliknande insekt. Dessa representerar de två huvudgrupperna av bevingade insekter: trollsländor har ”gamla vingar”, som de inte kan fälla ner på buken, och gräshoppor har ”nya vingar”, som kan fällas ihop.
”De två första bevingade insekterna i de fossila arkiven skiljer sig så mycket från varandra som man kan förvänta sig”, säger Schachat. ”Detta tyder på att när de bevingade insekterna väl uppstod diversifierades de mycket, mycket snabbt. Så snabbt att deras diversifiering, utifrån ett geologiskt perspektiv och de bevis som finns i fossilregistret, verkar ha varit ögonblicklig.”
Nya nischer
Att vara de första och enda djuren som kunde flyga skulle ha varit extremt kraftfullt. Flyget gjorde det möjligt för insekterna att utforska nya ekologiska nischer och gav dem nya sätt att fly. ”Helt plötsligt kan ditt överflöd öka eftersom du bara kan komma undan dina rovdjur så mycket lättare”, säger Schachat. ”Du kan också äta de blad som finns i toppen av ett träd utan att behöva gå upp i hela trädet.”
Flygande insekter kunde också skapa nischer som inte fanns tidigare. ”Tänk dig en allätande insekt som flyger upp till toppen av träd för att äta”, säger Schachat. ”Plötsligt finns det en nisch för ett rovdjur som kan flyga upp till toppen av trädet för att äta insekten. Vingarna gjorde det möjligt för insekterna att utöka antalet nischer som kan fyllas. Det var verkligen revolutionerande.”
Den nya studien kopplar utvecklingen av flygning till insekternas uppstigning, men väcker nya frågor om hur och varför de utvecklade vingar överhuvudtaget, säger Kevin Boyce, medförfattare till studien och docent i geologiska vetenskaper vid Stanford Earth. ”I Devon fanns det bara ett fåtal insekter, alla utan vingar”, säger Boyce. ”Men när man kommer ut på andra sidan har vi flygning. Vad hände mellan dessa två? Bra fråga.”
Payne är också medlem av Stanford Bio-X och medlem av Stanford Woods Institute for the Environment. I artikeln ingår även medförfattare från Smithsonian Institution, Ohio State University och University of Iowa.
Finansiering av studien tillhandahölls av National Science Foundation.