Ewolucja skrzydeł nie tylko pozwoliła starożytnym owadom stać się pierwszymi stworzeniami na Ziemi, które wzbiły się w przestworza, ale także napędzała ich wzrost, aby stać się jednym z wielkich sukcesów natury, zgodnie z nowym badaniem.
Zaliczając się do 10 milionów żyjących gatunków, owady można dziś znaleźć na wszystkich siedmiu kontynentach i zamieszkują każdą ziemską niszę, jaką można sobie wyobrazić. Ale zgodnie z zapisem kopalnym, były one rzadkie przed około 325 milionów lat temu, przewyższane przez ich stawonogów kuzynów pajęczaków (pająki, skorpiony i roztocza) i myriapoda (stonogi i stonogi).
Najstarsza potwierdzona skamielina owadów jest to, że bezskrzydłe, silverfish-jak stworzenie, które żyło około 385 milionów lat temu. Dopiero około 60 milionów lat później, podczas okresu w historii Ziemi znanego jako Pennsylvanian, skamieniałości owadów stają się obfite.
„Było dość dużo tajemnicy wokół jak owady po raz pierwszy powstały, ponieważ przez wiele milionów lat nie miałeś nic, a potem po prostu nagle eksplozja owadów,” powiedział pierwszy autor badania Sandra Schachat, absolwent w Stanford’s School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth).
Wiele pomysłów zostało zaproponowanych, aby wyjaśnić tę ciekawą lukę w zapisie kopalnym owadów, które naukowcy nazwali Hexapod Gap.
Według jednej z popularnych hipotez rozmiar i liczebność owadów były ograniczone przez ilość tlenu dostępnego w ziemskiej atmosferze podczas późnego okresu dewońskiego.
Najsilniejszym dowodem na poparcie tej teorii jest model tlenu atmosferycznego w ciągu ostatnich 570 milionów lat, który opracował zmarły geolog z Yale, Robert Berner, porównując proporcje tlenu i węgla w starożytnych skałach i skamieniałościach.
Zgodnie z modelem Bernera, atmosferyczny poziom tlenu około 385 milionów lat temu podczas początku luki Hexapod był poniżej 15 procent, tak niski, że pożary byłyby niezrównoważone. (Dla porównania, dzisiejsze stężenie tlenu atmosferycznego wynosi około 21 procent.)
Inną możliwością jest to, że owady były obfite przed 323 milionów lat temu, ale nie pokazują się w zapisie kopalnym, ponieważ rodzaje osadów lądowych zdolnych do zachowania ich nie przetrwał.
No excuses
W nowym badaniu, opublikowanym w tym tygodniu w czasopiśmie Royal Society Proceedings B, Schachat i jej koledzy przetestowali oba te argumenty – że niski poziom tlenu ograniczał owady lub że skały nie były odpowiednie do zachowania skamieniałości. Po pierwsze, zespół zaktualizowane Bernera prawie dekadę stary model przy użyciu zaktualizowanych zapisów węgla.
Gdy to zrobili, dip w tlenu atmosferycznego podczas późnego dewonu znika. „Co to badanie pokazuje, jest to, że hamowanie środowiskowe przez niski tlen może być wykluczone, ponieważ nie jest zgodne z najbardziej aktualnymi danymi”, powiedział współautor badania i Stanford Earth paleontolog Jonathan Payne.
Aby przetestować hipotezę „złych skał”, zespół przeanalizował publiczną bazę danych typów skał Ameryki Północnej dla różnych okresów w historii Ziemi i nie znalazł nic niezwykłego w osadach późnego dewonu. „Skały te mogły zawierać skamieniałości owadów. Fakt, że ich nie ma, wskazuje, że brak owadów w tym okresie jest prawdziwy, a nie tylko artefaktem pecha w konserwacji” – powiedział Schachat, który jest również stypendystą Smithsonian Institution w Waszyngtonie.
Afekt transformacyjny
Nie tylko dwa najbardziej popularne wyjaśnienia dla Hexapod Gap wydają się być nieuzasadnione, naukowcy powiedzieli, że badanie zapisu kopalnego owadów sugeruje, że Hexapod Gap może być iluzją.
W ramach nowego badania, zespół ponownie zbadał starożytny zapis kopalny owadów i nie znalazł żadnych bezpośrednich dowodów na skrzydła przed lub podczas Hexapod Gap. Ale jak tylko skrzydła pojawiają się 325 milionów lat temu, skamieliny owadów stają się znacznie bardziej obfite i zróżnicowane.
„Zapis kopalny wygląda dokładnie tak, jak można by się spodziewać, gdyby owady były rzadkie, dopóki nie rozwinęły skrzydeł, w którym to momencie bardzo szybko wzrosła ich różnorodność i obfitość”, powiedział Payne.
Schachat powiedział, że warto zauważyć, że pierwsze dwa uskrzydlone owady w zapisie kopalnym to owad podobny do ważki i owad podobny do pasikonika. Reprezentują one dwie główne grupy skrzydlatych owadów: ważki mają „stare skrzydła”, które nie mogą złożyć w dół na ich brzuchu, a koniki polne mają „nowe skrzydła”, które są foldable.
„Pierwsze dwa skrzydlate owady w zapisie kopalnym są o tak różne od siebie, jak można się spodziewać,” Schachat powiedział. „To sugeruje, że po skrzydlate owady pochodzą, zróżnicowane bardzo, bardzo szybko. Tak szybko, że ich dywersyfikacja wydaje się, z perspektywy geologicznej i dowodów dostępnych w zapisie kopalnym, być natychmiastowa.”
Nowe nisze
Bycie pierwszymi i jedynymi zwierzętami zdolnymi do latania byłoby niezwykle potężne. Lot pozwolił owadom odkrywać nowe nisze ekologiczne i zapewnił nowe sposoby ucieczki. „Nagle twoja obfitość może wzrosnąć, ponieważ możesz po prostu uciec od swoich drapieżników o wiele łatwiej” – powiedział Schachat. „Można również jeść liście, które są na szczycie drzewa, bez konieczności chodzenia w górę całego drzewa.”
Latające owady mogą również tworzyć nisze, które nie istniały wcześniej. „Wyobraźmy sobie wszystkożernego owada, który leci na szczyt drzew, aby się pożywiać” – powiedział Schachat. „Nagle pojawia się nisza dla drapieżnika, który może latać na szczyt drzewa, aby zjeść tego owada. Skrzydła pozwoliły owadów do rozszerzenia zestawu nisz, które mogą być wypełnione. To naprawdę było rewolucyjne.”
Podobnie jak nowe badania łączą ewolucję lotu z wniebowstąpieniem owadów, rodzi to nowe pytania o to, jak i dlaczego rozwinęły skrzydła w pierwszej kolejności, powiedział współautor badania Kevin Boyce, profesor nadzwyczajny nauk geologicznych w Stanford Earth. „W dewonie, było tylko kilka owadów, wszystkie bezskrzydłe,” powiedział Boyce. „Ale wychodzisz z drugiej strony i mamy lot. Co się stało pomiędzy nimi? Dobre pytanie.”
Payne jest również członkiem Stanford Bio-X i współpracownikiem Stanford Woods Institute for the Environment. Papier zawiera również współautorów z Smithsonian Institution, Ohio State University i University of Iowa.
Finansowanie badania zostało zapewnione przez National Science Foundation.
.