Động vật chân đốt xác nhận thực tế của vụ nổ Cambri • Sergei Yastrebov • Tin tức khoa học về “Yếu tố” • Tiến hóa, Cổ sinh vật học

Động vật chân đốt xác nhận thực tế của vụ nổ Cambri

Hình 1. Cây tiến hóa của động vật chân đốt. Minh họa từ bài viết: Regier et al. Các mối quan hệ Arthropod được tiết lộ bằng cách phân tích phylogenomic trình tự mã hóa protein hạt nhân

Một nhóm các nhà khoa học quốc tế, bao gồm hai nhà cổ sinh vật học và một di truyền học, đã nghiên cứu sâu rộng và rất tốt về đánh giá tốc độ tiến hóa của động vật chân đốt trong thời gian gần ranh giới dưới của kỷ Cambri. Nó đã được kết luận rằng vào đầu của Cambrian trong động vật chân đốt có thực sự là một sắc nét (trung bình 4-5 lần) tăng tỷ lệ tiến hóa so với các giá trị chung cho loại này trong tương lai. Từ mô hình được xây dựng, nó sau đó các nhánh chính của động vật chân đốt phát sinh trong một khoảng thời gian rất nhỏ bởi các biện pháp địa chất, mà chỉ bao phủ biên giới Precambrian và Cambrian. Người ta cho rằng một lịch sử dài của loài động vật chân đốt (cụ thể là động vật chân đốt, và không phải là họ hàng xa của chúng) không có: chúng chỉ xuất hiện vài triệu năm trước khi kết thúc thời tiền sử, và hầu như không bao giờ.

Toàn bộ lịch sử của sự sống trên trái đất được chia thành hai phân đoạn lớn: cryptosis ("thời đại của cuộc sống ẩn") và phanerose ("thời đại của cuộc sống rõ ràng"). Cryptosis đã được thay thế bởi phanerozoic một ít hơn nửa tỷ năm trước. Giai đoạn đầu tiên của Phanerozoic, kéo dài khoảng 56 triệu năm, được gọi là Cambrian.Vào đầu kỷ Cambri, sự kiện tiến hóa quan trọng nhất, được gọi là vụ nổ Cambri, xảy ra – sự xuất hiện đột ngột trong hồ sơ hóa thạch của nhiều loại động vật hiện đại, những tàn tích không có trong các lớp cổ xưa hơn. Sự bắt đầu của Cambrian là một biên giới quan trọng trong lịch sử trái đất mà tất cả các kỷ nguyên trước khi nó thường được kết hợp thành khái niệm "Precambrian" (nó là một từ đồng nghĩa với cryptozoi). Cambrian là thời điểm sinh của động vật hiện đại. Vụ nổ ở Cambri tạo ra một hiệu ứng như vậy và nhanh chóng xảy ra (theo tiêu chuẩn địa chất) rằng nhà cổ sinh vật học nổi tiếng của Trung Quốc Degan Shu (Degan Shu) gọi nó là "Vụ nổ lớn" – tương tự với Vụ nổ lớn mà Vũ trụ của chúng ta sinh ra.

Hồ sơ hóa thạch cho thấy sự gia tăng sự đa dạng của động vật đa bào, được gọi là vụ nổ Cambri, xảy ra trong thời đại Terrenuvskaya (Terreneuvian). Thật thú vị khi lưu ý rằng kỷ nguyên này được đặt theo tên của đảo Newfoundland, tiếng Pháp được gọi là Terre-Neuve (Novaya Zemlya); tên này (sau đó là tiếng Latinh – Terra Nova) Newfoundland nhận được trong thế kỷ XV từ nhà điều hướng John Cabot, người đã phát hiện ra Bắc Mỹ. Thời đại Terrenuv là khởi đầu của kỷ Cambri (Hình 2).Nó bắt đầu khoảng 542 triệu năm trước và kết thúc khoảng 521 triệu năm trước. Trong 20 triệu năm này, nhiều loại động vật mới đã xuất hiện hơn trong tất cả hơn ba tỷ năm lịch sử cuộc sống trên Trái đất.

Hình 2 Sơ đồ địa tầng của thời kỳ Cambri. Terrenuvskaya thời đại (Terreneuvian) nằm ở dưới cùng của Cambrian và bao gồm hai thế kỷ (trong văn bản không được thảo luận); khởi đầu của nó là khoảng 542 triệu năm trước, kết thúc vào khoảng 521 triệu năm trước (số bên phải). Minh họa từ www.palaeontologyonline.com

Đây là trường hợp ở cái nhìn đầu tiên. Nhưng có một phiên bản trong thực tế nó phức tạp hơn một chút. Không thể loại trừ được một số loại động vật hiện đại có nguồn gốc từ Precambrian, nhưng trong một thời gian dài chúng không được ghi lại trong niên sử – chúng là "vô hình" cổ sinh vật học. Có thể có nhiều lý do cho điều này: ví dụ, kích thước động vật nhỏ, thiếu bộ xương chắc chắn, hoặc đơn giản là điều kiện vật lý không phù hợp để mai táng. Cổ sinh vật từ lâu đã phát hiện ra rằng ở Precambrian có tồn tại các sinh vật đa bào, bao gồm tương tự trong một số đặc điểm với động vật hiện đại; đúnghầu như tất cả những phát hiện đó đều gây tranh cãi ở một mức độ nào đó, nhưng chúng vẫn còn ở đó (xem ví dụ: Động vật đối xứng song phương đã lục lọi trong trầm tích đáy hơn 585 triệu năm trước, Elements, 2/7/2012).

Ngoài ra, giả thuyết của một "tiến hóa kéo dài của thời kỳ tiền sử ẩn" của các loài động vật đa bào được hỗ trợ khá mạnh mẽ bởi phylogenetics phân tử. Nói một cách đơn giản, protein và gen của các loại động vật hiện đại khác nhau thường khác nhau ở một số thay thế (amino acid và nucleotide), mà "chỉ" trong 540 triệu năm không thể tích lũy được. Trừ khi, tất nhiên, chúng tôi giả định rằng đã có một sự tăng tốc mạnh mẽ của sự tiến hóa một lần trong quá khứ.

Năm 2011, nhà cổ sinh vật học nổi tiếng người Mỹ Douglas Erwin (Douglas Erwin) đã công bố một bài đánh giá phân tích trạng thái hiện tại của vấn đề nguồn gốc của các loại động vật, trong đó ông đã cố gắng xem xét cả dữ liệu di truyền học cổ tử cung và phân tử (xem: 13.12.2011). Erwin đã đi đến kết luận rằng các loài động vật đa bào đầu tiên xuất hiện khoảng 800 triệu năm trước, và gần như tất cả các loại động vật hiện đại xuất hiện trong thời kỳ Ediacaran, bắt đầu từ 635 triệu năm trước và kết thúc 542 triệu năm trước.Ediacaria, trong văn học của chúng ta thường được gọi là Vendian, là giai đoạn cuối cùng của Precambrian. Đó là, Erwin chỉ ra rằng "sự tiến hóa ẩn dấu của Ẩn" thực sự là. Ngay từ đầu kỷ Cambri, động vật tăng kích thước của chúng, thu thập bộ xương, và do đó chúng vẫn trở nên dễ tiếp cận hơn đối với các nhà cổ sinh vật học. Và sự khởi đầu của kỷ Cambri không phải là kỷ nguyên của sự bùng nổ bùng nổ của các nhánh tiến hóa mới.

Vào năm 2013, một số nhà khoa học đã quyết định điều tra kỹ lưỡng hơn vấn đề thực tế của vụ nổ Cambri, tập trung vào dữ liệu trên một loại duy nhất, lấy làm ví dụ, trên động vật chân đốt. Công trình này được thực hiện bởi hai nhà sinh vật học từ thành phố Adelaide của Úc, nhà cổ sinh vật học Michael Lee (Michael Lee) và nhà di truyền học Julien Subrière (Julien Soubrier), cùng với nhà tiến hóa nổi tiếng Gregory Edgecombe.

Động vật chân đốt được chọn vì bốn lý do. Đầu tiên, nhóm động vật này vô cùng đa dạng và đa dạng, và nó đã ở Cambri. Thứ hai, động vật chân đốt có cấu trúc rất phức tạp, có nghĩa là các nhà nghiên cứu nhận được rất nhiều dấu hiệu để phân tích.Thứ ba, cơ thể của động vật chân đốt được bao phủ bởi một bộ xương bên ngoài chitinous, do đó các bộ phận của nó được bảo quản trong một trạng thái hóa thạch tốt hơn so với phần còn lại của hầu hết các loại động vật khác. Và thứ tư, sự tiến hóa của động vật chân đốt cũng được nghiên cứu: họ có một cây tiến hóa chi tiết và khá đáng tin cậy được xây dựng dựa trên đó để dựa vào (Hình 1). Lee, Subrière, và Edgecomb xuất phát từ thực tế là trình tự các nhánh của cây này đã được thiết lập. Họ chỉ quan tâm đến việc hẹn hò với những điểm khác nhau – cái nĩa của cái cây.

Các nhà nghiên cứu tự hào viết rằng bộ dữ liệu họ đã làm việc với khá rộng rãi: 395 ký tự hình thái và trình tự của 62 gen hạt nhân. Trong suốt mảng này, một cây duy nhất được xây dựng bằng phương pháp gọi là đồng hồ thư giãn Bayesian. Phương pháp Bayesian là một phương pháp xây dựng các cây tiến hóa phổ biến hiện nay, sử dụng một số công thức từ lý thuyết xác suất (xem suy luận Bayes); và làm rõ về "giờ thư giãn" (đồng hồ thư giãn) có nghĩa là tốc độ tiến hóa không được giả định là không đổi ở đây, không giống như trường hợp "giờ nghiêm ngặt".Hãy chú ý: nó không phải là về "giờ phân tử", mà chỉ đơn giản là "giờ". Lee, Subrière và Edgecomb đã thực hiện các bước để đảm bảo rằng các chương trình mà họ sử dụng đã phân tích các đặc điểm hình thái cùng với các tính năng phân tử. Về mặt này, nghiên cứu của họ về cơ bản khác với nhiều công trình hiện đại, nơi cây được xây dựng theo trình tự phân tử, và chỉ sau khi thực tế được so sánh với dữ liệu hình thái học.

Kết luận chính mà các nhà nghiên cứu đạt được là sự phát triển của động vật chân đốt vào đầu kỷ Cambri quả thực rất nhanh. Đối với các đặc điểm hình thái, tỷ lệ tiến hóa của Cambri sớm vượt quá mức trung bình của Phanerozoi khoảng 4 lần, đối với phân tử – khoảng 5,5 lần. Ở một số chi nhánh, trong khoảng thời gian ngắn, tỷ lệ tiến hóa của Cambri sớm vượt quá mức Phenozo trung bình thậm chí 16 lần. Đồng thời, tốc độ phát triển hình thái và phân tử, ước tính riêng biệt, tương quan tốt với nhau; Điều này có nghĩa là hình thái học là một chỉ số khá đáng tin cậy về tỷ lệ thay đổi di truyền và ngược lại.

Không có gì là không thật trong tốc độ tiến hóa như vậy.Ngay từ giữa thế kỷ 20, nhà cổ sinh vật học nổi tiếng người Mỹ George Simpson (George Gaylord Simpson) đã viết rằng tiến hóa chậm (brady), chạy ở tốc độ trung bình (gorohelii) hoặc nhanh (tachythelia). Sự phát triển của động vật chân đốt ở đầu kỷ Cambri cho chúng ta thấy một ví dụ rất sống động của tachithelia, nhưng không còn nữa. Không có cơ chế chưa biết đến lý thuyết tiến hóa hiện đại ở đây.

Lee, Subrière, và Edgecomb tin rằng nhóm Panarthropoda, cùng với động vật chân đốt bao gồm hai loại khác – cá chim và cá di chuyển chậm, xuất hiện trước kỷ Cambri, nhưng không sớm hơn 650 triệu năm trước. Đối với loài động vật chân đốt, sự phân kỳ chính của chúng thực sự xảy ra ngay tại thời điểm bắt đầu kỷ Cambri. Cây cuối cùng cho thấy sự phân kỳ của các chi nhánh Chelicerata (cua móng ngựa và nhện) và Mandibulata (rết, động vật giáp xác và côn trùng) đã xảy ra 543 triệu năm trước, và sự phân kỳ của rết và động vật giáp xác – 538 triệu năm trước (Hình 3). Nhớ lại rằng Cambri đã bắt đầu 542 triệu năm trước. Nó chỉ ra rằng Chelicerata và Mandibulata phân tán ngay trước khi bắt đầu của Cambrian, và millipedes và động vật giáp xác ngay lập tức sau khi nó. Rõ ràng là tính chính xác của việc hẹn hò như vậy không phải là tuyệt đối.Nhưng họ rõ ràng chỉ ra rằng sự ra đời của các nhánh chính của động vật chân đốt xảy ra trong khu vực tạm thời gần nhất của biên giới phía dưới của Cambri. Tại thời điểm này, thực sự đã đến đỉnh cao của sự thay đổi.

Hình 3 Một cây tiến hóa của động vật chân đốt chồng lên nhau trên một dòng thời gian. Số màu đen ở ngã ba – hẹn hò với các phân kỳ, số màu trắng trên một hộp đen – hẹn hò liên quan đến xác suất sau. Tỷ lệ ở trên cùng – thời gian trong hàng triệu năm, kể từ thời điểm hiện tại. Có thể thấy rằng hầu như tất cả các nhánh của các loài động vật chân đốt thứ nhất, thứ 2 và thứ 3 xuất hiện trong một khoảng thời gian tương đối ngắn tương ứng với sự khởi đầu của Cambri (được tô đậm màu hồng nhạt). Tác giả của bài viết trong thảo luận Sinh học hiện tại

Các nhánh động vật chân đốt nhỏ hơn, tương ứng với các lớp hiện đại riêng lẻ trong Chelicerata và Mandibulata (ví dụ, loài nhện, rết chân thấp, và nhiều loài khác) đã nổi lên trong thời kỳ Cambri, nếu không muộn hơn. Điều này có nghĩa là việc tìm kiếm một con nhện Precambrian hoặc rết là loài rết là vô dụng.

Khi loài động vật chân đốt đầu tiên sống, dĩ nhiên, không thể nói chắc chắn, nhưng nếu chúng ta tiến hành từ mô hình đang thảo luận, thì khoảng 550 triệu năm trước (không sớm hơn 556 và không muộn hơn 547 triệu năm trước, có tính đến các ước tính vẫn là gián tiếp ).

Sự tiến hóa của loài chim cánh cụt ở loài động vật chân đốt là, nhưng nó rất ngắn – nghĩa là vài triệu năm trước trước biên giới Cambri.

Lee, Subrière, và Edgecomb đặc biệt nhấn mạnh rằng ngay cả khi nguồn gốc của động vật chân đốt là “trưởng thành”, lao nó trong vài chục triệu năm vào Precambrian, kết luận rằng sự gia tốc tiến hóa vào đầu kỷ Cambri vẫn sẽ mạnh mẽ. Các ước tính vận tốc thu được có khả năng chống lại những thay đổi như vậy. Giả thiết rằng tỷ lệ tiến hóa của Cambri sớm là tương đương với giữa giai đoạn Phenerozoi sẽ yêu cầu kết luận rằng Panarthropoda, ví dụ, có nguồn gốc từ 940 triệu năm trước – và điều này là rất khó xảy ra.

Graham Budd, một chuyên gia nổi tiếng trong các loài động vật chân đốt đầu, gọi công việc của Lee, Subrière và Edgecomb sáng tạo (bằng tiếng Anh, nó có vẻ mang tính biểu cảm hơn: đột phá, nghĩa đen là "thổi bay trái đất"). Budd lưu ý rằng, như chúng ta đã biết, các hóa thạch đầu tiên được phát hiện đáng tin cậy của động vật chân đốt là khoảng 520 triệu năm tuổi, và dấu chân hóa thạch đầu tiên, có lẽ là động vật chân đốt, khoảng 535 triệu năm, vốn đã rất gần với sự bắt đầu của Cambri.Nếu chúng ta di chuyển xa hơn vào thời gian, thì khoảng 545 triệu năm trước – tức là, vào cuối của các ediacaria – dấu vết của các động vật không xương sống dưới đáy khác là loài động vật chân đốt được tìm thấy. không phải, mặc dù chúng có thể chiếm khoảng cùng một khu vực sinh thái (Budd, 2013. Animal Evolution: Trilobites on Speed). Nó rất hấp dẫn để giả định rằng khoảng cách giữa các ngày 545 và 535 triệu năm trước là thời điểm khi động vật chân đốt phát sinh. Theo mô hình của Lee – Subrière – Edgecomb, hóa ra điều này đã xảy ra sớm hơn một chút, nhưng chỉ một chút thôi.

Có thể nói thêm rằng các đại diện đầu tiên của các nhóm giáp xác hiện đại xuất hiện trong hồ sơ hóa thạch 510 triệu năm trước. Một khoảng thời gian khoảng bốn mươi triệu năm, rõ ràng, là khá đủ không chỉ cho một loại mới xuất hiện, mà còn cho đại diện của mình để đạt được nhiều và có được một bộ ổn định của các dấu hiệu; Động vật giáp xác ở Cambri không khác biệt với loài giáp xác hiện đại.

Trong mọi trường hợp, mô hình Lee-Subriera-Edgecomb đều có thể kiểm chứng được. Để thuyết phục nó một cách thuyết phục, nó là đủ để tìm thấy ít nhất một loài động vật chân đốt đáng tin cậy (ví dụ, một con bọ cạp) lớn hơn 650 triệu năm tuổi.Nhưng có khả năng điều này sẽ không bao giờ xảy ra, giống như, ví dụ, động vật có vú cổ sinh vật chưa bao giờ được tìm thấy. Và nếu có thì kế hoạch phát triển sớm của động vật chân đốt có thể là cuối cùng.

Nguồn: Michael S. Y. Lee, Julien Soubrier, Gregory D. Edgecombe. Tốc độ hình thái và tiến hóa gen trong vụ nổ Cambrian // Sinh học hiện tại. 2013. V. 23. P. 1889-1895.

Sergey Yastrebov


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: