Kambrikauden lajiräjähdys – selitys, fossiilit ja merkitys

Kambriumin räjähdyksen aikana monet eläinheimot ilmestyivät ensimmäistä kertaa fossiileihin. Se tapahtui 541 miljoonaa vuotta sitten (mya). Luultavasti useimmat olivat kehittyneet jo sitä ennen, mutta se oli niiden ensimmäinen esiintyminen fossiileina.

Ennen noin 580 mya:aa useimmat eliöt näyttävät olleen yksinkertaisia. Ne koostuivat yksittäisistä soluista, jotka toisinaan järjestäytyivät yhdyskunniksi. Seuraavien 70-80 miljoonan vuoden aikana evoluutionopeus näytti kiihtyvän. Kambriumin kauden loppuun mennessä oli olemassa useimmat nykyisin tuntemamme heimot.

Kambriumin räjähdys on aiheuttanut paljon tieteellistä keskustelua. Fossiilien näennäisen nopea ilmestyminen "alkukerrostumiin" huomattiin jo 1800-luvun puolivälissä, ja Charles Darwin piti sitä yhtenä tärkeimmistä vastaväitteistä, joita hänen teoriaansa evoluutiosta luonnollisen valinnan kautta voitiin esittää.

Lisätietoa ja tarkennuksia

Kambriumin räjähdys ei tarkoita, että monimuotoisuus olisi syntynyt yhdessä hetkessä, vaan että fossiiliaineistossa monet eri ruumiinrakenteet ja eläinheimot ilmestyvät näkyvästi juuri kambriumin alku- ja keskiosissa. Nykykäsityksen mukaan monet nykyheimot ovat saattaneet eriytyä jo ennen kambriumia — sen sijaan fossiilinen jälki niiden esiintymisestä yleistyi, kun eläimistä kehittyi jäykempiä rakenteita, kovia kuoria tai muita fossiloituvia osia.

Fossiilinäytöt ja tärkeät löydöt

Merkittäviä kambriumajasta säilyneitä paikallisuuksia (Lagerstätten), joissa pehmeätkin rakenteet on säilynyt, ovat muun muassa Burgess Shale (Kanada), Maotianshan/Chengjiang (Kiina) ja Sirius Passet (Grönlanti). Näistä löydöistä tunnetaan lukuisia alkeellisia niveljalkaisia, selkäjänteisiä edeltäjiä ja muita muotoja, jotka valaisevat aiempaa selkeämmin varhaisten eläinten morfologista kirjoa. Esimerkiksi trilobiitit, varhaiset nilviäiset, brachiopodit, raajattomat ja primitiiviset selkäjänteiset edustajat dokumentoituvat näissä kerrostumissa.

Ajallinen rajaus ja merkit

Kambriumin alun määrittely liittyy myös tiettyihin jälki- ja ruumiinfossiileihin: kansainvälisesti käytetty merkki kambriumin ja sitä edeltävän Ediacaran-kauden rajalla on eräiden jälkijuurijälkien, kuten Treptichnus pedum -tyyppisten jälkien, ilmestyminen. Ediacaranin (noin 635–541 mya) pehmeät, usein levymaiset eliöt edeltävät kambriumia, ja osa niistä saattoi kadota tai muuntautua kambriumissa esiintyvistä ryhmistä.

Mahdolliset selitykset lajiräjähdykselle

Tieteellisiä hypoteeseja on useita, ja todennäköisesti ilmiön taustalla on usean tekijän yhdistelmä. Keskeisiä selitysehdotuksia ovat:

• Hapetumisen lisääntyminen: ilmakehän ja merien hapen pitoisuuden nousu mahdollisti aktiivisempien, isompien ja monimutkaisempien eläinten aineenvaihdunnan sekä suurenmoisempien kudosrakenteiden (lihasten, hermoston) kehittymisen.
• Biomineralisaatio: kyky muodostaa kiteitä, kuoria tai exoskeletoneja (kalsiumkarbonaatti, silika, kitiini) suosi fossiloitumista ja toi uusia ekologisia strategioita, kuten suojautumista ja tukirankaa liikkumiseen.
• Geneettiset muutokset: kehitysgeeneissä (esim. Hox-geenit ja muut kehitysohjaukseen liittyvät järjestelmät) tapahtuneet muutokset saattoivat mahdollistaa monipuolisemmat ruumiinrakenteet ja segmentaation.
• Saalistus–saalis -kilpailu: peto–saalis -suhteiden voimistuminen johti aseiden ja suojien kehitykseen, mikä ajoi morfologista eriytymistä ja nopeutti evolutiivista "aseistariisuntaa".
• Muutokset meren kemiassa ja ravinteiden saatavuudessa: tektoninen toiminta, eroosio ja ravinteiden lisääntyminen saattoivat tukea planktonin kasvua ja laajempaa ravintoverkkoa, jolloin monimutkaisemmat ekosysteemit olivat mahdollisia.
• Fossiilisen aineiston säilymisen harha: ennen biomineralisaation yleistymistä useimmat eliöt olivat pehmeärakenteisia ja niiden fossiloituminen oli epätodennäköisempää. Kun kovia osia ilmestyi, fossiilinen tallenne parani äkilliseltä näyttävän ilmestymisen kannalta.

Molekyylikellot ja varhaiset alkuperät

Perinteisen fossiiliaineiston lisäksi molekyylibiologia (molekyylikellot) viittaa usein siihen, että monien kehityslinjojen eriytyminen tapahtui jo myöhäisneoproterozoisella ajalla ennen kambriumia. Tämä tarkoittaa, että fyysiset rakenne- ja kivenmuodostustekijät sekä säilymiseen vaikuttavat olosuhteet selittävät osittain "räjähdyksen" näennäistä nopeutta.

Miksi ilmiö on merkittävä?

Kambriumin lajiräjähdys on keskeinen vaihe elämän historiassa, koska se näyttää olevan piste, jolloin monimutkaiset ruumiinrakenteet, selkeästi eriytyneet eläinheimot ja monitasoiset ekosysteemit yleistyivät. Se antaa näytön siitä, miten evoluutio voi tuottaa nopeasti (geologisessa mittakaavassa) suurta morfologista uutuuden määrää, kun ympäristöolosuhteet ja geneettiset edellytykset sen sallivat. Ilmiö on myös muistutus siitä, että fossiiliaineiston rajoitteet vaikuttavat siihen, miten menneisyyden biologinen monimuotoisuus näkyy meille.

Tutkimus jatkuu

Tutkijat yhdistävät paleontologiaa, geokemiaa, kehitysbiologiaa ja molekyyligenetiikkaa selvittääkseen tarkemmin kambriumin tapahtumien ajoitusta, syy-seuraussuhteita ja yksittäisten organismiryhmien alkuperää. Uudet löydöt ja kehittyneet analyysimenetelmät tuovat jatkuvasti täsmennyksiä siihen, miten ja miksi tämä tärkeä muutos biodiversiteetissä tapahtui.

Elämä miljardi vuotta sitten

Lisätietoja on kohdassa Akritarkki ja Stromatoliitti.

Stromatoliitit, syanobakteerien ja muiden mikro-organismien kolonioiden rakentamat pylväät, ovat ensimmäisiä fossiileja. Niiden esiintyminen alkaa noin 3,5 miljardia vuotta sitten, ja ne olivat hyvin yleisiä noin 2700 mya:sta lähtien. Niiden määrä väheni jyrkästi noin 1250 mya:n jälkeen, ja tämä väheneminen johtui todennäköisesti laiduntavista ja kaivautuvista eläimistä.

Prekambrikauden meren monimuotoisuutta hallitsivat pienet fossiilit, joita kutsutaan akritarkkeiksi. Tämä termi kuvaa lähes kaikkia pieniä orgaanisia seinämäisiä fossiileja pienten metazoalaisten munakoteloista monien erilaisten viherlevien lepokystiin. Noin 2000 mya:n aikoihin ilmestyneiden akritarkkien määrä, monimuotoisuus, koko, muodon monimutkaisuus ja erityisesti piikkien koko ja lukumäärä kasvoivat ja nousivat noin 1000 mya:n aikoihin. Niiden viimeisten miljardin vuoden aikana lisääntynyt piikkimaisuus saattaa viitata lisääntyneeseen tarpeeseen puolustautua saalistusta vastaan. Myös muut neoproterotsooisen ajan pieneliöryhmät osoittavat merkkejä petojen torjunnasta. Taksonien pitkäikäisyyden mittaaminen näyttää osoittavan saalistuksen lisääntyneen tänä aikana. Yleisesti ottaen evoluutionopeus prekambrikaudella oli kuitenkin hyvin hidas, ja monet syanobakteerilajit säilyivät muuttumattomina miljardeja vuosia. Bakteerit määritellään tietenkin pääasiassa niiden biokemian ja erityisesti genomin perusteella. Muutokset niiden biokemiassa eivät yleensä jättäisi jälkiä fossiilisiin tallenteisiin.

Jos bakteereja ja akritarkkeja syövät petoeläimet olivat todella metazoaneita, tämä tarkoittaa, että kambrikauden eläimet eivät ilmestyneet "tyhjästä" kambrikauden alussa, vaan niiden esi-isät olivat olleet olemassa jo satoja miljoonia vuosia.

 
Nykyaikaiset stromatoliitit Hamelin Poolin meriluonnonsuojelualueella Länsi-Australiassa.  


Stromatoliitteja (Pikan muodostuma, keskikambrikausi) lähellä Helen Lakea, Banffin kansallispuisto, Kanada.  

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on kambrikauden räjähdys?

K: Kuinka kauan kesti, ennen kuin suurin osa nykyisin tuntemistamme ryhmistä oli olemassa?

K: Milloin havaittiin ensimmäisen kerran, että fossiileja ilmestyi nopeasti "alkukerrostumiin"?

K: Kuka piti fossiilien nopeaa esiintymistä vastalauseena teorialleen?

K: Minkälaisia eliöitä oli olemassa ennen 580 mya?

K: Oliko olemassa todisteita siitä, että eläimet olivat kehittyneet ennen kuin ne ilmestyivät fossiileihin?

Hae kirjaimella