Fossile di Anomalocaris.

I mari del Cambriano pullulavano di nuovi tipi di animali, come ad esempio il predatore Anomalocaris.

I Primi animali scheletrati erano costruttori di barriera

Una raffica evolutiva 540 milioni di anni fa, ha riempito i mari con una sorprendente varietà di animali.

Una serie di scuri pinnacoli rocciosi sorge a 80 metri sopra le pianure erbose della Namibia. I picchi richiamano alla mente qualcosa di antico – i tumuli delle civiltà del passato o le punte di vaste piramidi, sepolte dai secoli.

Le formazioni di pietra sono di fatto i monumenti di un antico impero sbiadito, ma non per nulla scavato da mani umane. Sono, invece, scogliere costruite su un fondo di mare poco profondo da “ciano batteri”, 543 milioni di anni fa, in un periodo chiamato Ediacarano. Il mondo antico occupato da queste scogliere era veramente alieno. Gli oceani contenevano così poco ossigeno che i moderni pesci sarebbero morti rapidamente. Un tappeto appiccicoso di microbi ricopriva il fondo del mare e su quella copertura vivevano una varietà di animali sconosciuti i cui corpi sottili dovevano assomigliare molto a dei cuscini trapuntati. La maggior parte di loro erano stazionari, alcuni serpeggiavano invece alla ceca sopra la melma, pascolando microbi. La vita animale era dunque molto semplice perché non c’erano predatori. Ma una tempesta evolutiva avrebbe presto capovolto quel mondo così tranquillo.

Nel giro di alcuni milioni di anni, questo ecosistema così semplice sarebbe scomparso, per cedere il passo a un mondo governato da animali estremamente mobili e dalle caratteristiche anatomiche ultramoderne. L’esplosione del Cambriano, come viene chiamato, produsse infatti artropodi con gambe e occhi, altri con branchie piumate e anche predatori veloci che potevano schiacciare la preda con i denti delle mascelle. La teoria di questa esplosione evolutiva è stata sostenuta dai biologi per diversi decenni. Alcuni pensano che fù un forte aumento di ossigeno a scatenare il cambiamento, altri sostengono invece che il fattore scatenante scaturisse dallo sviluppo di qualche innovazione evolutiva, come ad esempio la capacità di vedere. La causa precisa era rimasta finora insoluta.

Ma nel corso degli ultimi anni, diverse scoperte hanno prodotto alcuni nuovi indizi sulle ragioni della fine dell’Ediacarano. Le prove raccolte dagli scogli della Namibia e da altri siti suggeriscono che le teorie precedenti erano troppo semplicistiche e che l’esplosione cambriana in realtà parte da una complessa interazione tra piccoli cambiamenti ambientali che attivano importanti sviluppi evolutivi.

Alcuni scienziati ora pensano che un piccolo, forse temporaneo e improvviso aumento di ossigeno ha permesso lo sviluppo dei predatori. L’aumento di consumo di carne avrebbe scatenato una corsa agli armamenti evolutivi e il conseguente scoppio di una grande varietà di strutture anatomiche complesse e comportamenti che oggi popolano gli oceani. “Questo è l’evento più significativo dell’evoluzione della Terra”, dice Guy Narbonne, un paleobiologo della Queen University di Kingston, in Canada.

Energia da bruciare

Natural History Museum.

Nel mondo moderno, è facile dimenticare che gli animali complessi sono molto recenti rispetto all’età della Terra. E poiché la vita primordiale emerge più di 3 miliardi di anni fa, se ne deduce che gli organismi unicellulari hanno dominato il pianeta per la maggior parte della sua storia. Prosperando in ambienti privi di ossigeno, hanno contato su composti quali anidride carbonica, molecole contenenti zolfo o minerali di ferro come agenti ossidanti per metabolizzare il cibo. Gran parte della biosfera microbica della Terra sopravvive ancora grazie a questi agenti anaerobici.

Gli animali, tuttavia, dipendono molto di più dall’ossigeno. Il processo di metabolizzazione del cibo in presenza di ossigeno rilascia, tra l’altro, molta più energia rispetto alla maggior parte dei processi anaerobici. Gli animali si basano su questa potente combustione per sviluppare i muscoli, il sistema nervoso, gli strumenti di difesa e quelli per la carnivosità, come gusci mineralizzati, esoscheletri e denti.

Ed è l’enorme importanza assunta dall’ossigeno nella sopravvivenza animale, che ha indotto i ricercatori a pensare che sia stata propria questa improvvisa presenza di ossigeno nei mari, a livelli quasi pari a quelli moderni, a causare l’esplosione del Cambriano. Per verificare questa teoria, sono stati studiati gli antichi sedimenti oceanici dell’Ediacarano e del Cambriano, che risalgono al periodo 635- 485 milioni di anni fa.

In Namibia, in Cina e in altri luoghi di tutto il mondo, sono stati raccolti sedimenti che un tempo costituivano gli antichi fondali marini, e analizzate le concentrazioni di ferro, molibdeno e altri metalli. Dal momento che la solubilità dei metalli dipende principalmente dalla quantità di ossigeno presente, la quantità e il tipo di metalli presenti negli antichi sedimenti riflette la quantità di ossigeno che era presente nell’acqua di allora, quando gli stessi si erano formati.

Questa stima sembra indicare che le concentrazioni di ossigeno negli oceani è aumentata in fasi diverse, traguardando progressivamente le concentrazioni dei mari attuali a partire dall’inizio del Cambriano, circa 541 milioni anni fa – poco prima che apparissero improvvisamente gli animali più moderni.

Ma l’anno scorso, un importante studio di antichi sedimenti marini ha messo in crisi questo punto di vista. Erik Sperling, paleontologo presso la Stanford University, in California, ha completato un database di 4.700 campioni di ferro estratto dalle rocce di tutto il mondo, sia del periodo Ediacarano sia di quello Cambriano. Sperling e i suoi colleghi hanno riscontrato un aumento significativo della concentrazione di ossigeno nelle acque anossiche nel periodo di passaggio tra l’Ediacarano e il Cambriano.

“Qualsiasi evento di ossigenazione deve essere stato molto, molto più piccolo di quello che i ricercatori hanno finora immaginato”, conclude Sperling.

Gli ultimi risultati arrivano proprio nel momento in cui gli scienziati stavano già riconsiderando la quantità di ossigeno presente negli oceani durante quel periodo cruciale. Donald Canfield, un geobiologo presso la University of Southern Denmark, di Odense, dubita che l’ossigeno fosse un fattore limitante per i primi animali. In uno studio pubblicato pochi mesi orsono, Canfield e i suoi colleghi suggeriscono che i livelli di ossigeno fossero già così alti che facilmente animali semplici come le spugne, dovevano in realtà essere apparse centinaia di milioni di anni prima. Gli animali del Cambriano avrebbero, invece, avuto bisogno di più ossigeno delle prime spugne. “Ma non è necessario un aumento di ossigeno per tutto il periodo Cambriano-Ediacarano: l’ossigeno poteva essere stato già abbastanza abbondante per molto, molto tempo prima”.

“Il ruolo dell’ossigeno nell’origine degli animali è stato fortemente dibattuto”, spiega Timothy Lyons, un geobiologo presso la University of California, Riverside. “In realtà, non è mai stato discusso più di quanto lo sia ora.” Lyons assegna all’ossigeno un importante ruolo nel cambiamento evolutivo, ma il suo lavoro con le tracce di molibdeno e di altri metalli suggerisce che gli aumenti di ossigeno avvennero appena prima del Cambriano.

Specchi moderni

Sperling ha cercato di capire la vita degli oceani dell’Ediacarano studiando le regioni più impoverite di ossigeno dei mari moderni di tutto il mondo. Egli suggerisce che i biologi hanno convenzionalmente adottato l’approccio sbagliato pensando all’ossigeno come chiave scatenante l’evoluzione animale. Mettendo in comune l’analisi dei dati pubblicati in precedenza con alcuni dei suoi, ha infatti scoperto che alcuni piccoli vermi sopravvivono nelle aree dei fondali marini in cui i livelli di ossigeno sono incredibilmente bassi – meno dello 0,5% delle concentrazioni medie globali della superficie del mare. Le reti alimentari in questi ambienti poveri di ossigeno sono semplici, e gli animali si nutrono direttamente di microbi. Nei luoghi in cui i livelli di ossigeno del mare sono un po’ più alti – circa 0,5-3% rispetto alle concentrazioni sulla superficie del mare – gli animali sono più abbondanti, ma le loro reti alimentari restano limitate: gli animali si nutrono ancora soprattutto di microbi. Ma da qualche parte tra il 3% e il 10% dei livelli di ossigeno, emergono i predatori che iniziano a consumare altri Animali.

La teoria evoluzionistica ha bisogno di un ripensamento?

Cloudina.

Le implicazioni di questa scoperta per l’evoluzione sono profonde. Il modesto aumento di ossigeno che si pensa possa essersi verificato poco prima del Cambriano sarebbe stato sufficiente a innescare un grande cambiamento. “Se i livelli di ossigeno passano dal 3% al 10%, l’evoluzione animale subisce una drammatica accelerazione sia come stili di vita sia come dimensioni del corpo.

Il graduale emergere di predatori, causato da questo piccolo aumento di ossigeno, avrebbe significato un grande pericolo per gli animali dell’Ediacarano che mancavano di difese efficaci. “Stiamo parlando di corpi molli, forme per lo più immobili che, probabilmente, fino a quel momento erano sopravvissuti assorbendo le sostanze nutritive attraverso la pelle”, dice Narbonne.

Studiando le antiche barriere della Namibia si capisce che gli animali di allora iniziarono a essere preda di predatori verso la fine dell’Ediacarano. Quando il palabiologo Rachel Wood, dell’Università di Edimburgo, Regno Unito, esamina quelle formazioni rocciose, scopre un animale primitivo, a forma di cono, chiamato Cloudina che invece di diffondersi fuori sul fondo dell’oceano vive in colonie affollate, per nascondere le parti più vulnerabili del corpo ai predatori – una dinamica ecologica che si osserva nei più moderni reef.

Cloudina è stato uno tra i primi animali conosciuti ad essere dotato di esoscheletro duro, mineralizzato. Ma non era il solo. C’erano altri due tipi di animali in quelle barriere che avevano parti del corpo mineralizzate, il che suggerisce che più gruppi di animali indipendenti fra loro avevano sviluppato conchiglie scheletriche allo stesso tempo. “Gli scheletri sono molto costosi da produrre”, dice Wood, “è molto difficile immaginare un motivo diverso da quello della difesa per il quale un animale dovrebbe dotarsi di uno scheletro.”

Il mondo in 3D

Il momento di transizione dall’Ediacarano al Cambriano è registrato da una serie di affioramenti di pietra levigata da antichi ghiacciai sul bordo sud di Terranova. Sotto quel confine sono rimaste le ultime impronte fossilizzate lasciate dagli animali trapuntati dell’Ediacarano sulla Terra. E solo 1,2 metri sopra di loro si vedono le tracce di sentieri caratterizzati da segni e graffi che si pensa possano essere stati fatti da animali dotati di esoscheletro, che camminavano su zampe articolate – la prima prova di artropodi nella storia della Terra.

Durante quel breve arco di tempo, non più di un paio di secoli o millenni, dice Narbonne, i corpi morbidi della fauna stazionaria dell’Ediacarano improvvisamente scompaiono, spinti all’estinzione dai predatori.

“Questo è l’evento più significativo nell’evoluzione della Terra.”

Artropodi: Trilobite.

Narbonne ha studiato da vicino la poca fauna sopravvissuta durante questa transizione, e le sue scoperte suggeriscono che alcuni di loro avevano acquisito nuovi e più complessi tipi di comportamento. Le migliori prove provengono dalle tracce lasciate da pacifici animali che pascolavano sul tappeto microbico. I percorsi lasciati all’inizio di 555 milioni anni fa, si snodano e si incrociano a casaccio, il che indica un sistema nervoso poco sviluppato, che non era in grado di percepire e reagire ad altri erbivori nelle vicinanze – e che lasciata molto probabilmente da sola veniva facilmente aggredita dai predatori. Ma alla fine dell’Ediacarano e fino all’inizio del Cambriano, i sentieri diventano sempre più sofisticati e diverse linee parallele attraversano i sedimenti e in alcuni casi, un percorso di pascolo a curve diventa bruscamente una linea retta, che Narbonne interpreta come potenziale prova della preda che cerca di sfuggire ad un predatore.

Questo cambiamento di stile di pascolo può aver contribuito alla frammentazione del tappeto microbico, che ha avuto inizio agli albori del Cambriano. E la trasformazione del fondale marino, secondo Narbonne, “potrebbe essere stato il più profondo cambiamento nella storia della vita sulla Terra”. Il tappetino in precedenza aveva ricoperto il fondo marino come uno strato di pellicola trasparente, lasciando i sedimenti sottostanti per lo più anossici e fuori portata degli animali. Gli animali, infatti, nell’Ediacarano non potevano scavare in profondità e il tappeto aveva così permesso la vita a due dimensioni”. Quando la capacità di pascolo migliora, gli animali penetrano il tappetino e per la prima volta rendono abitabili i sedimenti che si aprono ad un mondo tridimensionale. Gli animali del Cambriano iniziano così a scavare diversi centimetri nei sedimenti sotto il tappeto, che consente loro di arrivare a nutrienti in precedenza non sfruttati, oltre all’accesso a nuovi rifugi dai predatori. E ‘anche possibile che gli animali andavano nella direzione opposta. Sperling dice che la necessità di evitare i predatori (e perseguire la preda) può aver spinto gli animali nella colonna d’acqua al di sopra del fondale marino, dove i migliori livelli di ossigeno gli permettono di spendere maggiore energia attraverso il nuoto.

Le ricerche ora si sono spostate in Siberia per raccogliere fossili di Cloudina e di un altro animale scheletrato, la Suvorovella del periodo finale dell’Ediacarano, da profondità molte diverse delle zone fossili dell’oceano per cercare di capire meglio i cambiamenti evolutivi le caratteristiche sia dei predatori sia delle prede.

di Adriana Paolini

http://www.nature.com/news/what-sparked-the-cambrian-explosion-1.19379