Wat waren de eerste dieren?

De Cambrische explosie wordt wel de oerknal van de evolutie genoemd. Nu herschrijven geheimzinnige wezens die ervóór leefden echter de geschiedenis van het leven.

Het leven verscheen meer dan 3,5 miljard jaar geleden op aarde en bestond in de 3 miljard jaar daarop uitsluitend uit microben. Maar toen, zo’n 539 miljoen jaar geleden, gebeurde er iets.

Opeens, binnen een geologische oogwenk, krioelde de zee van de complexe ­dieren, zoals wormen met poten en gevaarlijke stekels, wezens met slurfachtige neuzen en vijf ogen, en gigantische, op garnalen ­lijkende roofdieren met monden die nog het meeste weghebben van een plak ananas.

LEES OOK

Kosmische curiosa: quasimaan Kamo’oalewa

Sterrenkundejournalist Govert Schilling beschrijft elke maand een wonderlijke bewoner van het heelal. In deze editie: quasimaan Kamo’oalewa.

Deze uitbarsting van evolutionaire creativiteit staat wel bekend als de Cambrische explosie, vernoemd naar het Cambrium, het geologische tijdvak van 541 tot 485,4 miljoen jaar geleden. De gebeurtenis geldt als een van de belangrijkste episodes in de geschiedenis van het leven op aarde, omdat er toen voor het eerst diersoorten op het toneel verschenen die duidelijk verwant zijn aan diersoorten van nu. Hij wordt dan ook gezien als de oerknal van de evolutie.

Toch krabben geologen zich de laatste jaren achter de oren. Nieuw ontdekte
fossielen en heranalyses van oudere exemplaren laten zien dat ook in de periode vóór het Cambrium allerlei soorten dieren de zeeën bevolkten. Volgens sommige onderzoekers begon de explosie van het dierlijk leven feitelijk 12 miljoen jaar eerder. Anderen opperen dat de hele metafoor van een explosie misschien niet houdbaar is.

Nu vraagt u zich waarschijnlijk af wat het eigenlijk uitmaakt of de heerschappij van de dieren 539 of 551 miljoen jaar geleden begon. Maar de evolutie kan in zo’n tijdspanne behoorlijk veel voor elkaar krijgen. Zo duurde de hele menselijke evolutie, sinds wij ons van de tak van de chimpansees afscheidden, waarschijnlijk beduidend korter. En een andere datering van de oerknal van het leven heeft grote implicaties voor de vraag wat deze creatieve ­uitbarsting nu precies veroorzaakte.

Begrijp de wereld beter met New Scientist

Maak nu voordelig kennis met New Scientist en lees 5 nummers waar en wanneer u maar wilt. Nu voor slechts 29,95 ipv 43,75.

Vreemde wezens

Wetenschappers leerden in de negentiende eeuw steeds beter om het geologisch archief te ‘lezen’. Al vrij snel ontdekten ze iets merkwaardigs: in de oudste gesteenten die ze konden vinden, zaten geen fossielen. Pas in rotsen uit het Cambrische tijdperk verscheen er opeens een scala aan biologisch complexe zeedieren, zoals de op houtluizen lijkende trilobieten.

Deze aanvankelijke afwezigheid bezorgde Charles Darwin slapeloze nachten, ­omdat het zijn idee van evolutie door ­natuurlijke selectie als langzaam en geleidelijk proces leek te weerspreken. De verklaring waar hij mee kwam, was dat er vóór het Cambrium al wel eenvoudigere levensvormen bestonden, maar dat die weinig of geen fossiele sporen nalieten.

Naar we nu weten, was Darwins vermoeden juist. Geologen ontdekten in meer dan 3 miljard jaar oude gesteenten sporen van eencellig leven. Ook zagen ze zo’n 2 miljard jaar geleden een belangrijke transitie plaatsvinden, waarbij de microben wat groter werden en tegelijkertijd biologisch complexer. Het was een noodzakelijke stap op de weg naar de dieren; organismen die je grofweg kunt definiëren als meercelligen die zelfstandig kunnen bewegen en actief op hun omgeving reageren.

Maar sinds Darwin is het beeld van een plotseling opbloeien van het dierlijk leven nauwelijks gewijzigd. Zelfs niet toen geologen halverwege de negentiende eeuw fossielen vonden van grote organismen, van soms meer dan een meter in doorsnede, in gesteenten van ruim 30 miljoen jaar vóór de Cambrische explosie. Ze noemden deze organismen de Ediacarische biota, omdat ze stammen uit het Ediacarische geologische tijdperk van vlak vóór het Cambrium. Maar niemand begreep om wat voor wezens het ging.

Deels kwam dat doordat geen van deze organismen gewone organen bezat als ­darmen of een mond. Ook hadden sommige, zoals die uit de groep van de ‘rangeo-morfen’, een niet erg dierlijk aandoende fractale anatomie. Kleine stukjes van deze organismen zagen eruit als miniatuurversies van grotere delen van het geheel.

De evolutie kan in een tijdspanne van 12 ­miljoen jaar behoorlijk veel voor elkaar krijgen

De invloedrijke paleontoloog Adolf Seilacher merkte op dat deze organismen zo overduidelijk niet verwant waren aan Cambrische dieren dat ze met de blik van nu evengoed van een andere planeet konden komen. Net als veel andere onderzoekers vond Seilacher de Ediacarische diersoorten en hun ecologie dermate vreemd dat er in het Cambrium haast wel een dramatische explosie van het ons nu bekende dierlijke leven moest zijn geweest.

Diepzee-Pompeï

In de afgelopen tien jaar zijn wetenschappers daar echter anders over gaan denken. Dankzij geavanceerde analytische technieken is hun indruk nu dat sommige van de vreemde Ediacarische soorten toch dieren waren. Bij nader inzien gedroegen ze zich in veel opzichten net als sommige moderne diersoorten. ‘We waren lang geobsedeerd door de Ediacarisch-Cambrische grens’, ­vertelt Simon Darroch van de Vanderbilt- universiteit in het Amerikaanse Tennessee. ‘Maar nu lijkt het toch allemaal geleidelijker te zijn gegaan dan we dachten.’

In Newfoundland kun je over blootliggende ­steenlagen lopen die duizenden fossielen ­bevatten

De sterkste aanwijzingen daarvoor ­komen misschien wel uit rotsen op het Canadese eiland Newfoundland, die ­sporen bevatten van de allervroegste Ediacarische diergemeenschappen. Je stuit hier niet zoals elders alleen bij hoge uitzondering op intacte specimens, maar kunt letter­lijk over blootliggende steenlagen ­lopen – van wel 120 vierkante meter per stuk – die duizenden fossielen bevatten. Elk van deze plakken ziet er uit als een kiekje van een waar diepzee-Pompeï en geeft een prachtig beeld van het zeeleven 570 miljoen jaar geleden. ‘Het is verbijsterend goed bewaard gebleven allemaal’, zegt Emily Mitchell van de Universiteit van Cambridge.

Nog verrassender was voor haar het ­verhaal dat deze steenlagen vertellen over de Ediacarische dieren. Samen met haar collega’s bracht ze de locaties in kaart van fossielen van een ovaalvormige rangeomorf genaamd Fractofusus. Dit Ediacarische organisme kon zo’n 40 centimeter lang worden en was bedekt met heel ongewone, zich als fractals eindeloos herhalende schildjes. Uit gegevens die het team in 2015 publiceerde, blijkt dat de grootste individuen vrij willekeurig over de oude zee­bodem verspreid lagen, met om hen heen halo’s van steeds kleiner wordende individuen. Dat wijst erop dat Fractofusus een slimme manier had om zich voort te planten. Het organisme genereerde nakome­lingen die in een kring vanuit het dier wegdreven, alvorens op een maagdelijk stukje zeebodem te landen. Als deze nakomelingen later zelf volwassen waren, groeide er uit elk van hen een reeks lange, vingervormige ­tentakels. De uiteindes daarvan groeiden dan weer uit tot klonen van het volwassen dier.

Volgens Mitchell lijkt dit een beetje op hoe sommige moderne diepzeedieren ­zoals sponzen en koralen zich voortplanten. Fractofusus had dan misschien een fractal-achtige anatomie die in niets lijkt op die van moderne dieren, maar qua voortplanting verschilden deze dieren niet zo gek veel van sommige huidige. Wellicht waren ze dus ook aan hen verwant, al valt volgens Mitchell niet uit te sluiten dat ­Fractofusus in plaats daarvan een soort zwam was. Die planten zich namelijk voort op een vergelijkbare manier.

Hoe het ook zij, niet alleen Fractofusus gedroeg zich op een verrassend moderne manier. Een ander Ediacarisch organisme, Tribrachidium, liet sporen na die suggereren dat het over de zeebodem rondscharrelde, grazend op matten van microben; een ander dierlijk aandoend gedrags­patroon. Met behulp van computer­modellen wisten Darroch en zijn collega’s aan te ­tonen dat een andere Ediacariër, Kimberella, zich waarschijnlijk voedde met zwevend plankton, net als veel moderne schelpdieren. In feite doet het er niet eens zoveel toe of deze Ediacarische organismen nu dieren waren of niet; ze gedroegen zich en plantten zich voort als veel moderne zeedieren. Dat duidt erop dat de Ediacarische ecologie veel meer lijkt op die van nu dan ­gedacht.

Paleontologen vonden piepkleine fossielen in ­Siberisch ­gesteente van diertjes die men tot dan toe uitsluitend uit het Cambrium kende

Minuscule voetafdrukken

Er zijn goede redenen om aan te nemen dat tenminste sommige van de vreemde Ediacarische organismen echte dieren ­waren. De sterkste aanwijzingen hiervoor zijn vorig jaar ontdekt. Ilja Bobrovski van de Australische Nationale Universiteit ­analyseerde samen met zijn collega’s de chemie van gesteenten met daarin fossielen van het Ediacarische organisme Dickinsonia. De rots rondom deze fossielen bevatte chemische stofjes die je ook in algen vindt. Op zich is dat niet verbazingwekkend, aangezien de ondiepe zeebodem waarop Dickinsonia leefde hoogstwaarschijnlijk bedekt was met algenmatten. Maar binnenin de fossielen zat een ­bepaald type steroïde dat alleen dieren aanmaken. Dat impliceert dat Dickinsonia een dier was.

Daaruit kun je niet zomaar opmaken dat het idee van een Cambrische explosie pure fictie is. Sommige onderzoekers vermoeden­ dat de dieren van nu helemaal niet uit de Ediacarische organismen zijn voortgekomen. Als dat waar is, dan zou er nog steeds 539 miljoen jaar geleden een soort van evolutionaire explosie kunnen hebben plaatsgevonden, alleen kwam er toen geheel nieuwe soorten dieren tot bloei, die zouden leiden tot de huidige.

Paleontologen vinden echter ook aanwijzingen dat er in de Ediacarische zeeën dieren zaten die ogenschijnlijk wél met moderne diersoorten verwant waren. ‘Soorten waarvan we tot voor kort dachten dat ze in het Cambrium waren ontstaan, verschuiven we nu naar het Ediacarium’, zegt Rachel Wood van de Universiteit van Edinburgh.

Zo maakte Wood in 2017 samen met haar collega’s de vondst bekend van piepkleine fossielen in Siberisch gesteente uit de laatste 10 miljoen jaar van het Ediacarium van diertjes die men tot dan toe uitsluitend uit het Cambrium kende. Ook zijn er in Braziliaans gesteente van zeker 550 miljoen jaar oud gangetjes ontdekt die heel goed gemaakt kunnen zijn door nema­tode-achtige wormen.

Dat is een belangrijke ontdekking, want hoe primitief nematoden misschien aandoen, het zijn behoorlijk geavanceerde dieren. Eén studie suggereert zelfs dat ze nauw verwant zijn aan geleedpotigen: dieren zoals spinnen en kreeften, met poten en een uitwendig skelet. Als er in het Ediacarium al nematoden waren, dan ligt het voor dan hand dat er ook geleedpotigen rondkropen.

En verdomd, vorig jaar meldden wetenschappers de vondst van minuscule voet­afdrukken gemaakt door een nog ongeïdentificeerd veelpotig dier, dat een spoor van meerdere centimeters had achtergelaten in Zuid-Chinees gesteente van zo’n 551 miljoen jaar oud. Begin 2019 ontdekte een stel onderzoekers in hetzelfde gesteente bovendien een hoogst zeldzame afdruk van een wat mogelijk een vroege geleed­potige was. Het ging om een 25 centimeter lang gesegmenteerd wezentje dat Yilingia werd gedoopt en naar het zich laat aanzien over primitieve poten beschikte.

Drastische veranderingen

In het licht van al deze aanwijzingen is het steeds minder waarschijnlijk dat er 539 miljoen jaar geleden aan het begin van het Cambrium opeens een explosie aan dierlijk leven plaatsvond. Miljoenen jaren daarvóór deden zowel heel herkenbare als hoogst eigenaardige dieren het schijnbaar prima.

Dit nieuwe inzicht is alleen nog zo pril dat men er nog niet over uit is hoe de opkomst van de dieren dan wel verliep. Begin 2019 betoogde een groep wetenschappers, onder wie Wood en Mitchell, dat de dieren diversifieerden en dominant werden door een proces van stapsgewijze, relatief kleine evolutionaire veranderingen dat tientallen miljoenen jaren in beslag nam. Ze vragen zich dan ook af of je het wel een explosie kunt noemen.

‘Hun argumentatie is helder’, vindt ­Darroch. Toch blijft hij ervan overtuigd dat er wél een duidelijke evolutionaire explosie was, al vond die naar zijn idee eerder plaats dan we tot nu toe dachten. Samen met een aantal collega’s opperde hij in 2018 in een artikel dat de explosie niet
539 miljoen jaar geleden plaatshad, maar 12 miljoen jaar eerder, toen het Ediacarisch tijdperk nog volop aan de gang was. Uit die tijd dateren namelijk de eerste signalen dat er kleine maar onmiskenbaar moderne dieren rondscharrelden tussen de veel ­grotere Ediacarische organismen.

Misschien blijkt een precies dateerbare Cambrische explosie wel een ­fabeltje te zijn

Als er inderdaad wel een duidelijke ­explosie was, zou de oorzaak daarvan gemakkelijker te begrijpen zijn als we maar wisten welke aanwijzingen daar op duiden. Een analogie kan dat verhelderen: zo’n 54 miljoen jaar geleden begonnen de zoogdieren te floreren en verschenen bijvoorbeeld de eerste primaten op het toneel. Maar onze verklaring voor deze uitwaaiering van zoogdieren is hopeloos incompleet zonder vermelding van de inslag van een ­planetoïde, 12 miljoen jaar eerder, die het einde betekende van de dino­saurussen.

Voor zover we weten, ging er aan de ­evolutionaire ‘explosie’ van rond de
551 miljoen jaar geleden geen asteroïde-inslag vooraf. Wel weten we dat er toentertijd andere ingrijpende veranderingen plaatsvonden. Het probleem is alleen dat die erg mysterieus zijn. Geochemici die onderzoek doen naar chemische isotopen uit 551 miljoen jaar oude gesteenten zijn daarin gestuit op sporen van wat wellicht de allergrootste verschuiving was in de verhouding tussen koolstof-13 en koolstof-12 in de geschiedenis van onze aarde. Deze episode staat bekend als de Shuram­excursie.

Zulke koolstofverschuivingen neem je gewoonlijk waar als ecosystemen drastische veranderingen ondergaan. Op andere momenten in de geschiedenis van de aarde zijn ze bijvoorbeeld in verband gebracht met plotselinge dalingen in de hoeveelheid door fotosynthese aangemaakte voedingsstoffen – en ook met uitstervingsgolven. Maar de koolstofverschuiving rond de ­Shuramexcursie is zo groot dat niemand hem, zelfs na 25 jaar onderzoek, heeft ­kunnen verklaren. Aan zo’n verklaring is nu meer behoefte dan ooit, aangezien men beseft dat hij de aanzet kan hebben gegeven tot de opbloei van het dierlijke leven zoals wij het kennen.

Imaginaire patronen

Sommige geologen denken dat de Shuram- excursie de weerslag is van wat zij de ­‘beroering’ noemen die volgde op een ­dramatische verandering in de circulatiepatronen van het water in de oceanen. ­Anderen zien er een fikse episode van ­opwarming van de aarde in, waarbij ­methaan, dat koolstof bevat, in de oceanen en de atmosfeer terechtkwam. Elk van deze verstoringen van het milieu zou de geboorte van moderne ecosystemen kunnen hebben ingeluid, al weet niemand precies hoe.

Een andere mogelijkheid is dat de Shuram­excursie het gevolg was van een plotsklapse stijging van het zuurstofgehalte in de atmosfeer. Zo’n stijging wordt al langer als mogelijke oorzaak gezien van de plotseling opbloei van dierlijk leven, al gaan ­biologen er nu vanuit dat het verhaal wat ingewikkelder in elkaar steekt dan dat.

Een even kwellende onduidelijkheid ­bestaat er omtrent de vraag hoe het dierlijk leven op het de Shuramexcursie reageerde. Darroch vertelt dat geologen nog geen steenlagen hebben kunnen ontdekken met daarin zowel met Shuram geassocieerde chemisch stofjes als voldoende Ediacarische fossielen die laten zien hoe ecosystemen daarop reageerden. ‘De gesteente­lagen zijn minder behulpzaam dan we zouden willen’, zegt hij.

Toch denkt Darroch dat we zulke gesteen­ten vroeger of later wel zullen ontdekken. De afgelopen jaren zijn er nieuwe plekken met laat-Ediacarische rotsen aan het licht gekomen en dat stemt hem hoopvol. Zo werd vorig jaar een Iraanse vindplaats in detail beschreven; Darroch zelf onderzoekt met collega’s een gloednieuwe veelbelovende plek in Zuid-Afrika.

Hopelijk verhelderen deze vindplaatsen eindelijk het wanneer en waarom van wat wellicht de meest dramatische gebeurtenis was in de geschiedenis van het leven op aarde. Of anders blijkt het ontstaan van het dierlijk leven misschien wel zo’n ingewikkeld proces te zijn geweest dat een precies dateerbare Cambrische explosie een fabeltje is. ‘Misschien hebben we wel patronen en grenzen in gesteenten gezien die er niet zijn’, zegt Darroch.

Begrijp de wereld beter met New Scientist

Maak nu voordelig kennis met New Scientist en lees 5 nummers waar en wanneer u maar wilt. Nu voor slechts 29,95 ipv 43,75.