Ordovicium-fauna en flora: neteldieren (koralen en poliepen), weekdieren (koppotigen en tweekleppigen), stekelhuidigen (zeelelies) en trilobieten. Fritz Geller-Grim/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2,5

Vroege soorten ontwikkelden zich veel sneller dan tot nu toe gedacht

De snelle diversificatie van de soorten op aarde bijna 500 miljoen jaar geleden werd aangedreven door complexe factoren, waaronder wereldwijde afkoeling, meer zuurstof in de atmosfeer en meer voedingsstoffen in de oceaan. Maar volgens een nieuwe studie was er een combinatie nodig van veel verschillende veranderingen op het gebied van milieu en tektoniek die tegelijk voorkwamen en als bouwstenen zich met elkaar combineerden, om te komen tot de snelle diversificatie in nieuwe soorten. En eens aan al die voorwaarden voldaan was, ging de ontwikkeling van de nieuwe soorten veel sneller dan tot nu gedacht werd, zo zeggen de onderzoekers.

Tijdens de zogenoemde Cambrische explosie, zo'n 540 miljoen jaar geleden, verschijnen er in de wereldzeeën tal van verschillende meercellige levensvormen. En hoewel er onder die diersoorten voorlopers te vinden zijn van de meeste nu nog bestaande stammen of fyla uit het dierenrijk, zien veel van de Cambrische levensvormen er vreemd, zelfs enigszins buitenaards uit. 

Veel van die soorten verdwijnen in een reeks van uitstervingsgolven, waarvan de Cambrium-Ordovicium uitstervingsgebeurtenis de laatste is. Zo'n 40 miljoen jaar na de Cambrische explosie kent het leven een heropleving met de Ordovicische radiatie of het Great Ordovician Biodiversification Event (GOBE, de Grote Ordovicische biodiversificatie gebeurtenis). De dieren die nu opduiken zijn al veel herkenbaarder, met waterlelies, zeesterren, rifvormende koralen, nautilusachtige koppotigen - voorlopers van de inktvissen -, slakken en tweekleppigen en vissen, de eerste echte gewervelden.   

In de nieuwe studie hebben professor geologie Alycia Stigall van Ohio University en drie collega's zich toegespitst op een specifieke tijd in het tijdvak dat bekend staat als de Ordovicische radiatie en ze tonen aan dat nieuwe soorten zich snel ontwikkeld hebben in een veel korter tijdraam dan tot nu toe gedacht werd. De Ordovicische radiatie of het Great Ordovician Biodiversification Event vond plaats in de Darriwiliaan, een kort geologisch tijdperk in het Midden-Ordovicium, zo stellen de onderzoekers.

Nieuwe gegevens hebben de onderzoekers toegelaten aan te tonen dat wat er eerder uitzag als een in de tijd en geografisch gespreide  ontwikkeling van soorten, in werkelijkheid een snelle opstoot van diversificatie was. 

Volgens de onderzoekers was het dalen en rijzen van het zeeniveau cruciaal in het proces. Professor Stigall zegt dat we ons een wereld moeten voorstellen waar de continenten zoals we die nu kennen nog niet bestonden, en het grootste deel van de landmassa zich ten zuiden van de evenaar bevond, met slechts kleine continenten en eilanden in de uitgestrekte oceaan boven de tropen.

Vervolgens vormen er zich ijskappen over de zuidelijke pool, wat maakt dat het zeepeil daalt en de oceaan zich terugtrekt. Daardoor vormen er zich plaatselijke, geïsoleerde milieus rond eilanden en in zeeën die omgeven zijn door land. In die ondiepe mariene leefmilieus ontwikkelen zich nieuwe soorten. 

Vervolgens smelten de ijskappen en stijgt het zeeniveau opnieuw, en de nieuwe soorten kunnen ontsnappen aan hun geïsoleerd gebied en nieuwe gebieden bevolken 'op de golven van wereldwijde diversificatie'.  Vervolgens herhaalt de cyclus zich, en dat brengt opnieuw golven van nieuwe soorten en nieuwe verspreidingen met zich mee. 

Voor de vorming van nieuwe soorten is geografische isolatie immers zeer belangrijk. Als alle leden van een soort in één aaneengesloten gebied leven, zonder geografische barrières, is het niet onmogelijk maar veel onwaarschijnlijker dat er zich een nieuwe soort vormt. Als de soort in twee of meer, van elkaar geïsoleerde groepen uit elkaar valt, kunnen die groepen uit elkaar groeien en eventueel een nieuwe soort vormen. Dat is onder meer met de voorouders van de chimpansees en de bonobo's gebeurd, die van elkaar gescheiden zijn geraakt door de Kongo-stroom, een onoverbrugbare geografische hindernis. 

Een kalksteen met fossielen uit het Ordovicum. De fossielen bestaan uit koralen, de schelpen van weekdieren, tweekleppigen en stekelhuidigen. Public domain

De vonk van de diversificatie

De vroege evolutie van het dierlijk leven is complex en fascinerend. De Cambrische explosie - van 540 tot 510 miljoen jaar geleden - bracht een verbluffend aantal verschillende bouwplannen voor lichamen voort, maar slechts weinig aparte soorten voor elk bouwplan, zo merkte Alycia Stigall op. Bijna 40 miljoen jaar later komt daar echter verandering in, met een snelle radiatie - een uit elkaar lopen - van geslachten en soorten tijdens het Great Ordovician Biodiversification Event. 

Wat GOBE en de processen die diversificatie bevorderen, precies in gang heeft gezet, is al lang het onderwerp van discussie, maar volgens Stigall hebben de meeste onderzoekers niet voldoende rekening gehouden met hoe veranderingen als een wereldwijde afkoeling of toegenomen oxygenatie - het genereren van meer zuurstof - de toegenomen diversificatie zouden bevorderen. 

Voor deze studie werkte Stigall samen met geochemicus Cole Edwards van de Appalachian State University en paleontologen Christian Rasmussen van de Københavns Universitet en Rebecca Freeman van de  University of Kentucky om te analyseren hoe veranderingen aan het natuurkundig systeem van de aarde gedurende het Ordovicium deze snelle toename van de diversiteit bevorderd hebben. 

De onderzoekers tonen in hun studie aan dat de belangrijkste opstoot van diversificatie gedurende GOBE beperkt is in de tijd, en plaatsvond in het Darriwiliaan, in het Midden-Ordivicium, zo'n 465 miljoen jaar geleden. In de tussentijd die leidt tot het Darriwiliaan stapelen veel veranderingen in het systeem van de aarde zich op, onder meer de afkoeling van de oceanen, een toegenomen beschikbaarheid van voedingsstoffen, en een toename van zuurstof in de atmosfeer. 

Die veranderingen waren noodzakelijke bouwstenen, maar op zich waren ze niet voldoende om de vonk van de diversificatie te laten ontbranden, aldus de onderzoekers. 

Het ontbrekende ingrediënt was een methode om afwisselend populaties van soorten te verbinden en te isoleren door een cyclus van vicavariantie - het geografisch gescheiden raken van elkaar van leden van een bepaalde soort - en verspreiding. Die vonk vindt uiteindelijk plaats in het Darriwiliaan als er zich ijskappen vormen over de zuidpool. Het aangroeien en afsmelten van deze ijskappen liet het zeeniveau stijgen en dalen, en dat zorgde voor de afwisselende scheiding en verbinding die nodig was om de snelle toename van de diversiteit te vergemakkelijken. 

Stigall en haar medewerkers vergeleken het met het verzamelen van bouwstenen die nodig zijn om een bepaalde drempel te overschrijden. In hun studie hebben ze dan ook een voorstelling met bouwsteentjes die pas in het Darriwiliaan hoog genoeg raken om de drempel te overstijgen en zo de snelle diversificatie mogelijk te maken. 

Een voorstelling van de verschillende factoren die meegespeeld hebben om de drempel (threshold) te halen die nodig was voor snelle diversificatie. Zwart is het zeeniveau, oranje de platentektoniek - het verschuiven van de aardplaten en de continenten -, geel het niveau van de zuurstof in de atmosfeer, rood een warmer en blauw een kouder klimaat, donkergroen de clades - groepen - zwemmende zeedieren en lichtgroen de clades dieren die op de bodem leven. Christian Rasmussen

De studie van Stigall en haar collega's is gepubliceerd in Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van Ohio University.