De evolutie van vleugels stelde oude insecten niet alleen in staat om de eerste wezens op aarde te worden die het luchtruim kozen, maar dreef hen ook op tot een van de grote succesverhalen van de natuur, zo blijkt uit een nieuwe studie.
Insecten, die tot 10 miljoen levende soorten omvatten, zijn tegenwoordig op alle zeven continenten te vinden en bewonen elke denkbare aardse niche. Maar volgens het fossielenbestand waren zij schaars vóór ongeveer 325 miljoen jaar geleden, in de minderheid van hun geleedpotige neven de spinachtigen (spinnen, schorpioenen en mijten) en myriapoden (duizendpoten en miljoenpoten).
Het oudste bevestigde insectenfossiel is dat van een vleugelloos, zilvervisachtig schepsel dat ongeveer 385 miljoen jaar geleden leefde. Pas zo’n 60 miljoen jaar later, in een periode van de geschiedenis van de aarde die bekend staat als het Pennsylvanien, komen insectenfossielen in groten getale voor.
“Er is nogal wat mysterie geweest rond hoe insecten voor het eerst ontstonden, omdat je vele miljoenen jaren niets had, en dan ineens een explosie van insecten,” zei eerste auteur van de studie Sandra Schachat, een afgestudeerde student aan Stanford’s School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth).
Vele ideeën zijn voorgesteld om deze merkwaardige lacune in het insectenfossielenbestand te verklaren, die wetenschappers de Hexapod Gap hebben genoemd.
Volgens één populaire hypothese werden de grootte en de overvloed van insecten beperkt door de hoeveelheid zuurstof die beschikbaar was in de atmosfeer van de Aarde tijdens het late Devoon.
Het sterkste bewijs voor deze theorie is een model van atmosferische zuurstof tijdens de afgelopen 570 miljoen jaar dat wijlen de Yale-geoloog Robert Berner ontwikkelde door verhoudingen van zuurstof en koolstof in oude rotsen en fossielen te vergelijken.
Volgens het model van Berner was het zuurstofgehalte in de atmosfeer ongeveer 385 miljoen jaar geleden, tijdens het begin van de Hexapod Kloof, lager dan 15 procent, zo laag dat bosbranden onhoudbaar zouden zijn geweest. (Ter vergelijking: de zuurstofconcentratie in de atmosfeer van vandaag is ongeveer 21 procent.)
Een andere mogelijkheid is dat insecten vóór 323 miljoen jaar geleden overvloedig voorkwamen, maar niet in het fossielenbestand te zien zijn, omdat het soort terrestrische sedimenten waarin ze bewaard konden worden, niet overleefden.
Geen excuses
In de nieuwe studie, deze week gepubliceerd in het tijdschrift Royal Society Proceedings B, testten Schachat en haar collega’s beide argumenten – dat een laag zuurstofgehalte insecten beperkte of dat de gesteenten niet goed waren om fossielen te bewaren. Ten eerste heeft het team het bijna tien jaar oude model van Berner geactualiseerd met behulp van bijgewerkte koolstofgegevens.
Toen zij dit deden, verdween de dip in atmosferische zuurstof tijdens het late Devoon. “Wat deze studie laat zien is dat omgevingsremming door lage zuurstof kan worden uitgesloten, omdat het niet verenigbaar is met de meest actuele gegevens,” zei studie coauteur en Stanford Earth paleontoloog Jonathan Payne.
Om de “slechte rotsen” hypothese te testen, analyseerde het team een openbare database van Noord-Amerikaanse rotssoorten voor verschillende periodes in de geschiedenis van de aarde en vond niets ongewoons aan de sedimenten van het late Devoon. “De rotsen hadden insectenfossielen kunnen bevatten. Het feit dat ze dat niet doen, geeft aan dat de schaarste aan insecten in deze periode reëel is en niet slechts een artefact van pech met de conservering,” zei Schachat, die ook een fellow is aan het Smithsonian Institution in Washington, DC.
Een transformatief effect
Niet alleen lijken de twee populairste verklaringen voor de Hexapod Gap ongefundeerd te zijn, de wetenschappers zeiden dat een studie van het fossielenbestand van insecten suggereert dat de Hexapod Gap zelf een illusie zou kunnen zijn.
Als onderdeel van de nieuwe studie heeft het team het oude fossielenbestand van insecten opnieuw onderzocht en vond geen direct bewijs voor vleugels vóór of tijdens de Hexapod Gap. Maar zodra de vleugels 325 miljoen jaar geleden verschijnen, worden de insectenfossielen veel talrijker en diverser.
“Het fossielenbestand ziet er precies zo uit als je zou verwachten als insecten zeldzaam waren totdat ze vleugels ontwikkelden, op welk punt ze zeer snel in diversiteit en overvloed toenamen,” zei Payne.
Schachat zei dat het opmerkelijk is dat de eerste twee gevleugelde insecten in het fossielenbestand een libelle-achtig insect en een sprinkhaan-achtig insect zijn. Deze vertegenwoordigen de twee hoofdgroepen van gevleugelde insecten: libellen hebben “oude vleugels,” die ze niet op hun buik kunnen vouwen, en sprinkhanen hebben “nieuwe vleugels,” die wel opvouwbaar zijn.
“De eerste twee gevleugelde insecten in het fossielenbestand zijn ongeveer zo verschillend van elkaar als je maar kunt verwachten,” zei Schachat. “Dit suggereert dat, eens de gevleugelde insecten ontstonden, zij zeer, zeer snel diversifieerden. Zo snel dat hun diversificatie, vanuit een geologisch perspectief en het beschikbare bewijs in het fossielenbestand, ogenblikkelijk lijkt te zijn geweest.”
Nieuwe niches
De eerste en enige dieren te zijn die konden vliegen, zou buitengewoon krachtig zijn geweest. Vliegen stelde insecten in staat nieuwe ecologische niches te verkennen en bood nieuwe manieren om te ontsnappen. “Plotseling kan je overvloed toenemen omdat je zo veel gemakkelijker aan je roofdieren kunt ontsnappen,” zei Schachat. “Je kunt ook de bladeren eten die zich boven in een boom bevinden zonder dat je de hele boom hoeft op te lopen.”
Vliegende insecten konden ook niches creëren die voorheen niet bestonden. “Stel je een omnivoor insect voor dat naar de top van bomen vliegt om zich te voeden,” zei Schachat. “Plotseling is er een niche voor een roofdier dat naar de top van de boom kan vliegen om dat insect te eten. Vleugels stelden insecten in staat om de reeks van niches die kunnen worden gevuld uit te breiden. Het was echt revolutionair.”
Hoewel de nieuwe studie de evolutie van vliegen koppelt aan de opkomst van insecten, roept het nieuwe vragen op over hoe en waarom ze in de eerste plaats vleugels evolueerden, zei studie coauteur Kevin Boyce, een universitair hoofddocent geologische wetenschappen aan Stanford Earth. “In het Devoon waren er maar een paar insecten, allemaal vleugelloos,” zei Boyce. “Maar als je aan de andere kant uitkomt, hebben we vliegen. Wat is daartussen gebeurd? Goede vraag.”
Payne is ook lid van Stanford Bio-X en een medewerker van het Stanford Woods Institute for the Environment. De paper bevat ook coauteurs van het Smithsonian Institution, Ohio State University en de University of Iowa.
Funding voor de studie werd verstrekt door de National Science Foundation.