進化は通常、生物間の終わりのない戦争の結果として描かれます — チャールズ・ダーウィンが言ったように、「すべての有機的存在の間の生存のための闘争」.これらの生物の周囲の物理的環境も重要な役割を果たしますが、それは生物同士の親密な関係に次ぐものです。共生について話しているにせよ、赤の女王の種族と呼ばれる種間で進行中の競争について話しているにせよ、研究者は、生態学的関係が進化の主要な力であることを当然のことと考えています。
しかし、人生の壮大な計画では、それは驚くほど最近の開発かもしれません.たとえば海洋では、わずか約 1 億 7000 万年前まで、生態系の成功は海洋化学を操る無生物の力と密接に結びついていました。
複雑な生物は、少なくともカンブリア紀の初めから進化を続けていました。 「それは、古生代の 3 億年にわたる進化ですか。プリマス大学の博士号候補である Kilian Eichenseer 氏は、次のように述べています。しかし、彼と彼の顧問である Uwe Balthasar とその同僚が Nature Geoscience の最近の論文で示したように 、特定の小さな海洋生物がジュラ紀に現れたとき、すべてが変わりました — そして海の進化は二度と同じではありませんでした.
プランクトン革命
約 2 億 5000 万年前、ペルム紀の終わりに、地球上の生命は前例のない打撃を受けました。現在シベリア トラップとなっている大規模な火山活動が原因である可能性が最も高いと考えられますが、何かが世界の生態系を荒廃させ、すべての海洋生物種の 90% 以上、陸上生物種の 70% 以上を絶滅させました。ほぼ一掃されたスレートは、中生代という新しい時代の幕開けを示しました。
生命の回復は遅く、最初の数千万年間、海は頑丈で厚い殻を持つ腕足動物、アンモナイト、軟体動物などの動物のグループによって支配されていました。しかし、中生代の中期になると、海ははるかに薄い殻を持つ機敏な動物で溢れ始めました。 「化石の記録を見ると、動物がより大きくなり、より活発になっていることがわかります。捕食者はより恐ろしくなります」と Eichenseer 氏は述べています。
この海洋生物の劇的な変化は、中生代の海洋革命として知られるようになりました。そして、新しい種類の生命が出現したのは、この再生の時期でした。石灰化プランクトン — 炭酸カルシウムの殻または骨格を構築する小さな生物の多様な分類です。
コッコリソフォア (単細胞の植物のような生物) や有孔虫 (殻の中の小さなアメーバ状の動物) などのグループが、大量絶滅から約 8000 万年後に進化した理由は明らかではありません。カンブリア紀初期のバイオミネラリゼーションの出現は、生物にとって重要な新しい選択肢を切り開いたので、その意味で、新しい種が進化し、石灰化の機会を利用したことは驚くべきことではありません.結局のところ、硬い殻は生物を捕食やその他の物理的危害から保護するのに役立ちます.また、DNA に損傷を与える紫外線に対する保護バリアとしても機能します。さらに、当時、水中には多くの炭酸塩が溶解していたため（石灰化するプランクトンの前に生息していたサンゴや二枚貝は、炭酸塩をあまり除去しませんでした）、資源としての豊富な炭酸塩が開発を促進した可能性があります.
しかし、石灰化剤は深刻なリスクに直面しています。グループとして、彼らは海洋化学の変化に非常に敏感です。貝殻を作るには、海水からカルシウムと炭酸イオンを引き出さなければなりません。このプロセスは、海水が酸性になるほど難しくなります。さらに悪いことに、水が十分に酸性になると、炭酸カルシウムの殻が溶け始めます。
そのため、海洋の大量絶滅は、海の pH の低下を引き起こす地質学的または気候的な出来事に関連していることが多いのです。特に火山活動は、大量の二酸化炭素を大気中に放出する傾向があり、ガスが海に拡散するにつれて、水はより酸性になります。約 4 億 8,500 万年前のオルドビス紀から約 1 億 7,000 万年前のジュラ紀初期にかけて、火山活動が盛んになり、多くの海洋生物が絶滅しました。その間、生物は主に制御できない要因に基づいて繁栄または死亡しました.
しかし、ジュラ紀中期以降はそうではありませんでした。 「火山活動はまだありましたが、通常、絶滅イベントを伴うことはなくなりました」とアイヘンザーは説明しました。彼は、生命の新たな回復力の功績はおそらくそれらのプランクトン、特に死んだプランクトンにあるのではないかと考えています.
これは、海水の pH が低下し始めると、海底の死んだ炭酸塩生物の層が溶解し、放出された炭酸イオンが再び pH を上昇させるためです。死んだ炭酸塩生物が豊富に存在する場所は、常に海洋の化学的性質を安定させる緩衝材として機能してきました。しかし、これらの石灰化プランクトンが出現する前は、この炭酸緩衝液は浅い大陸棚に限定されていました。火山やその他の地質学的事象による酸性度の極端な変化を緩和するのに十分な白亜質の床面積がありませんでした.
その後、石灰化プランクトンが引き継ぎました。今日では、石灰化プランクトンを含まない深さ 100 メートル未満の海水を見つけるのは難しいでしょう。小さなサイズにもかかわらず、海洋の総バイオマスのほぼ 12% を占める可能性があります。そして、彼らは炭素が地球上を移動する方法を完全に変えました。地球上の炭素を含む岩石の約 80% は、これらのプランクトンやその他の海洋石灰化物質の残骸に由来します。ただし、これらのプランクトンは、地球の炭素を含む生命の 0.2% 未満しか占めていない可能性があります。
「突然、あなたはこれらすべての小さな小さな炭酸塩生物を手に入れ、それらが合わさって、海から大量の炭酸カルシウムを引き寄せるこの巨大な炭酸塩吸収源になり、論文でうまく表現されているように、その場所の力学を変化させます。炭酸塩が堆積している」と、テキサス大学オースティン校の古生態学者であるローワン・マーティンデールは述べた。 「そのため、海洋の緩衝能力がどのように機能するかが本当に根本的に変化します。」
海洋をより安定させることは、石灰化する生き物に利益をもたらすだけではありませんでした。非常に多くの種が地球の気まぐれで絶滅する可能性が低くなったため、すべての海洋生物はリラックスして、時間をかけて他の生物との複雑な関係を進化させることができました。生命がより大きく、より速く、より攻撃的になったのはそのためです。これまで地球との戦いだったものが、生物同士の闘争になりました。
バランスを崩す
プランクトンの石灰化が海洋生物を変えたという考えは、まったく新しいものではありません。 「中生代の海洋革命は、海洋の運営方法におけるかなり根本的な変化です」とマーティンデールは言いました。彼女は、10 年以上にわたり、石灰化プランクトンの台頭が海洋化学を根本的に変化させ、まったく新しい一連の生物が出現して支配することを可能にしたという一般的なコンセンサスが古生物学コミュニティにあると指摘しました。しかし、最近まで、このアイデアを経験的にテストした人はいませんでした。
Eichenseer と彼の同僚はまさにそれを行いました。最初に、4 億 5000 万年分の非プランクトン性海洋石灰化生物に関する情報をまとめました。つまり、二枚貝、腕足類、腹足類、頭足類、サンゴなどの動物、およびプランクトンとは見なされない石灰化藻類の種です。次に、海洋温度とマグネシウム濃度という 2 つの主要な環境変数に対処する際の、さまざまな生物グループの成功を比較しました。温度またはマグネシウム濃度が高い場合、アラゴナイトと呼ばれる特定の形態の炭酸カルシウムを構築する生物は、より簡単に時間を過ごすことができます.より冷たく低マグネシウムの水は、方解石を作る生物の生活をよりシンプルにします。
Eichenseer が説明したように、環境変数が進化の主要な原動力である場合、霰石と方解石を生成する生物の相対的な成功は、海洋化学に従うと予想されます。そして、それはまさに彼と彼のチームが見たものです - 1億7000万年前まで、プランクトンの石灰化が広まった.その後、有機体は温度とマグネシウムレベルの変動から突然切り離され、アラゴナイトの有機体が不利な条件にもかかわらず優勢になり始めました.
研究者たちは、プランクトンがこの変化を引き起こしたことを決定的に証明することはできませんでしたが、単純に深海でこれほど膨大な数が存在し、死ぬことによって、これらの生物は炭酸塩の深い蓄えを作り出し、それが溶けて海洋を緩衝することができると主張しました。環境の変化により海水がより酸性に傾くたびに化学反応が起こります。
Eichenseer と彼の共著者が論文で述べたように、プランクトンの石灰化のこの爆発が変化したのは、海のカルシウム循環だけではありませんでした.ノックオン効果のために、事実上海洋生態系全体が変化したでしょう.死にかけているプランクトンは、安定した雨の中で海底に向かって落ちます。それらの分解は、溶存酸素の海水を枯渇させるプロセスです。しかし、石灰化プランクトンは比較的重いため、完全に分解する前に深海に沈み、浅瀬により多くの酸素が残ります。この変化により、大陸棚に沿って生息できる生物の範囲が広がり、他の環境変化の影響を受けにくくなった可能性があります。代謝率が上昇し、より活発な海洋生物への傾向が促進された可能性があります。中生代の海洋革命のこれまでの説明は、プラコドンや魚竜など、獲物の殻を砕くことができる新しい捕食者の出現に左右されることが多かったが、それらの捕食者自身が新しい生態系を利用していた可能性がある.プランクトンの石灰化が可能になりました。
南フロリダ大学の生物地質海洋学者であるパメラ・ハロック・ミュラーは、プランクトンの石灰化が海洋化学を「非常に興味深く、非常に論理的で、非常に興味深い」ものに変えたという考えを発見したと語った。彼女は、「海洋の緩衝について、そのような方法で考えたことがなかった」ことを認め、アイヘンザーの論文で提示された議論は「かなり堅実」に見えることを認めました。それでも、彼女は、進化のレジーム シフトが本当に劇的な 1 つまたは複数のわずかな微調整であったかどうか疑問に思いました。バッファリングが役割を果たした可能性がありますが、以前は豊富な生命を欠いていた生息地である海の真ん中に新しい食用生物が存在するだけでも役割を果たしたでしょう.
結局のところ、これはおそらく、生命によって引き起こされた最初または唯一の主要な進化的レジームシフトではありませんでした.光合成生物とそれらが生成する酸素は、カンブリア紀の爆発の際の生命体の突然の拡大に重要な役割を果たしたと考えられていますが、その「爆発」が実際にどれほど突然で拡大したかについてはいくつかの議論があります.陸生生物の化石記録はそれほど詳細ではありませんが、同様の劇的な変化がある時点で陸上で起こったにちがいないと考えられているため、進化の原動力に関する仮説を検証することははるかに困難です.
Eichenseer はまた、プランクトンが進化の法則を正確に書き直したわけではなく、競争や捕食などの生物的相互作用をより重要にするバランスを崩しただけだと指摘しています。 「地球の生命システムは安定しました。そして、これらの環境の混乱はまだ起こっていましたが、生命は準備されていました。」
それ以来、海の進化はより生物的に駆動されたままであり、急速な気候変動や火山噴火などの非生物的事象が以前よりも壊滅的でなくなった理由を説明できるかもしれません.もちろん、中生代の終わりに大量絶滅に拍車をかけた恐竜を破壊する小惑星の衝突のような注目すべき例外がありました.しかし全体として、どの海洋生物が生き残るか消滅するかを決定する上で、生命自体が大きな役割を果たしてきました。
ただし、それが永遠に続くというわけではありません。この生物の優位性は海洋プランクトンに依存しているため、保証されていません。これらの生物の量と分布が人為的な気候変動によってどのように変化しているかを考えると、おそらく厄介な事実です.おそらく酸性化する海による破壊のために、石灰化プランクトンの生産が崩壊した場合、「仮説的には、より古い進化の体制に戻る可能性があります」とEichenseer氏は述べています.
