Þetta hefur lengi valdið honum heilabrotum en nú á hann engra kosta völ – Charles Darwin neyðist til að fjalla um viðamestu ógnina sem steðjar að þróunarkenningunni sem hann er svo hugfanginn af.
Hann dýfir pennanum í blekið og skrifar: „Varðandi þá spurningu hvers vegna við finnum enga steingervinga frá allra fyrstu tímabilunum, hef ég ekkert fullnægjandi svar.“
Þessi orð standa skrifuð í einu merkasta riti náttúruvísindasögunnar, „Uppruna tegundanna“ og Darwin leit á þetta vandamál – sem hefur verið þekkt sem Mótsögn Darwins – sem öfluga röksemd gegn kenningu sinni.
Samkvæmt kenningunni þróast lífverur smám saman á milljónum ára en á tíma Darwins virtust steingervingar einna helst sýna að allar fylkingar dýra hefðu meira eða minna sprottið fram í sprengiþróun hins svonefnda kambríska blómaskeiðs fyrir um 541 milljón ára.
Vísindamenn þekktu ekki einn einasta steingerving sem var eldri en frá kambríum.
Darwin taldi mikið líf hafa verið til á hnettinum fyrir kambríumtímabilið – í samræmi við kenningu sína. En engir eldri steingervingar fundust og það virtist veikja þróunarkenninguna mikið.
Væri kenning Darwins rétt hefðu dýrin átt að mótast á nokkuð jöfnum hraða og upphafið hefði átt að mega rekja miklu lengra aftur í tímann.
Skortur á eldri steingervingum hefur valdið vísindamönnum heilabrotum æ síðan. En þessum heilabrotum lýkur núna.
Nýuppgötvaðar leifar og rannssóknir skapa einmitt þann litla kubb sem Darwin vantaði í púsluspil sitt og sýna okkur líka hve afkáraleg fyrstu dýrin voru.
Furðudýr réðu jörðinni
Kambríumtímabilið einkenndist af gríðarlega örri þróun lífsins á jörðinni. Vísindamenn hafa lengst af litið á kambríum sem umskiptatímabil milli gerólíkra heima; frá veröld sem að mestu einkenndist af einfrumungum og til nýrra tíma þegar jörðin fylltist af dýrum.
Dýr kambríumtímabilsins voru iðulega mjög afkáraleg útlits, séð frá sjónarhóli nútímans. Dýrið Hallucigenia minnti t.d. á orm með langa fætur og brodda á bakinu. Hin sérkennilega Opabinia hafði fimm augu og eins konar rana til að grípa bráðina.
Efst í fæðukeðjunni voru líka sérkennilegar skepnur: Rándýrið Anomalocaris minnti á tröllvaxna rækju með þreifara, ugga og munn sem minnti helst á sneið af ananas.
„Ef kenning mín er sönn er óumdeilanlegt að heimurinn hafi verið iðandi af lifandi verum áður en elstu kambríuberglögin mynduðust.“
Charles Darwin
Þrátt fyrir undarleg sérkenni má þó greina ýmislegt sem við könnumst betur við og vísindamenn telja að á kambríumtímabilinu hafi mátt finna fulltrúa því sem næst allra fylkinga dýra sem nú lifa – m.a. marglyttur, lindýr, krabbadýr og hryggdýr.
Af Hallucigenia hafa t.d. þróast flauelsormar en bæði Opabinia og Amomalocaris voru skyld krabbadýrum. Meðal forfeðra okkar eigin fylkingar, hryggdýranna má nefna Myllokunmingia sem minnti talsvert á fisk.
Sprengiþróunin á kambríumtímabilinu ásamt algerum skorti á eldri steingervingum kom mörgum vísindamönnum til að álíta að dýralíf á jörðinni hefði orðið til mjög skyndilega og í stíl við sköpunarsögu Biblíunnar – Darwin sjálfum til mikillar mæðu. Þegar vísindamenn urðu svo á endanum almennt annarrar skoðunar, var Darwin löngu látinn.
Þróun fyrir blómaskeið
Á fimmta tug 20. aldar og næstu áratugum tóku að birtast steingervingar sem voru eldri en frá kambríum og það tímabil fékk heitið ediacaratímabilið.
Þessar uppgötvanir fólu í sér möguleika til að leysa úr Mótsögn Darwins – en ollu þess í stað miklum ruglingi.
Steingervingarnir voru af svo furðulegum lífverum að allar tilraunir til að finna tengingar við þær fóru út um þúfur.
Darwin sá fyrir sér sögu lífveranna
Dýrin urðu til á sekúndubroti á kambríumtímabilinu – traust sönnun fyrir hlutdeild Guðs en skortur á eldri vísbendingum var þyrnir í augum Darwins. Þannig leit myndin út á 19. öld. Nú færa nýjar uppgötvanir okkur þær sannanir sem Darwin skorti.
– Fyrir 3,9 milljörðum ára: Líf kviknar í vatnspytti
Árið 1871 setti Darwin fram þá hugmynd að lífið hefið kviknað í „hlýju, litlu stöðuvatni“ og hann hefur líklega komist nærri sannleikanum. Nýrri rannsóknir benda til þess að fyrstu lífverurnar hafi orðið til í vatni við eldstöðvar fyrir nærri fjórum milljörðum ára.
– Fyrir 650 milljónum ára: Undarleg dýr birtast
Darwin vissi að dýr hlutu að hafa orðið til löngu fyrir tíma elstu steingervinga sem þá voru þekktir. Nýjar DNA-greiningar staðfesta þetta: Dýr hafa orðið til fyrir 850-650 milljónum ára. Greinilega steingervinga frá þeim tíma vantar þó enn.
– Fyrir 550 milljónum ára: Dularfullar verur ríkja á hnettinum
Upp úr 1940 – löngu eftir daga Darwins – tóku að finnast steingervingar af undarlegum lífverum sem lifðu fyrir kambríumtímabilið. Vísindamenn hafa rætt og deilt um eðli þeirra áratugum saman en nýjar rannsóknir hafa nú sýnt að þetta voru dýr.
– Fyrir 541 milljón ára: Vel þekkt dýr leggja úthöfin undir sig
Á tíma Darwins þekktu vísindamenn til margra dýra frá kambríumtímabilinu og álitu að allar helstu fylkingar dýra hefðu þá orðið til á einu bretti. Nú telst kambríum aðeins tiltekið tímabil í þróun dýranna.
Eitt þessara fyrirbrigða var Charnia sem minnti á laufblað fest beint við hafsbotninn. Lögunin þótti sumum benda til að þetta væri þörungur en aðrir töldu þetta fremur vera svampdýr.
Önnur lífvera, Dickinsonia, líktist helst rifflaðri pönnuköku og hér gátu vísindamenn ekki einu sinni komið sér saman um hvort þetta fyrirbrigði væri fjölfrumungur eða risavaxin amaba og þar með einfrumungur.
Alveg frá upphafi hafa vísindamenn verið nokkuð ráðvilltir varðandi dýr ediacariatímabilsins en nú virðist heildarmyndin vera að raðast upp.
Þrjú dýr leyndust í skúffum
Þau hafa legið í geymslu á söfnum í áratugi. Nú sýna nákvæmar greiningar að nokkrir 550 milljón ára gamlir steingervingar voru í rauninni meðal elstu dýra.
1. Þarmar sýna gerðina
Svonefndir cloudiníðar voru rörlaga lífverur sem lifðu á hafsbotni og menn hafa rökrætt hvort heldur hafi verið dýr eða plöntur. CT-skannanir hafa nú sýnt að cloudiníðar höfðu þarma og hafa þar af leiðandi verið dýr.
2. Leyndardómur þörungsins
Lífveran Charnia minnir mjög á þörunga og það töldu einmitt margir vísindamenn að þetta væri. Steingervingar af fleiri aldursskeiðum sýna nú að Charnia óx á sama hátt og holdýr – og var þess vegna dýr.
3. Steingervingur fullur af sterum
Dickinsonia fannst 1947 en menn gátu ekki greint hvort þetta væri dýr eða risastór, einfruma amaba. Ný efnagreining sýnir að í steingervingnum leynast sterar sem aðeins finnast í dýrum.
Árið 2018 tókst líffræðingnum Ilya Bobrovskiy og starfsfélögum hans að ákvarða flokkun Dickinsonia með nýrri greiningaraðferð.
Hópurinn leitaði að leifum af lífrænum steraefnum sem öfugt við DNA og prótín geta varðveist í mörg hundruð milljónir ára. Samsetning steranna reyndist alveg sérstök og er nú aðeins að finna meðal dýra.
Í öðrum steingervingum fundust líka óyggjandi einkenni dýra. Ný grundvallargreining á steingervingnum Charnia leiddi í ljós vaxtarmynstur sem ber saman við dýr. Og þriðja lífveran, Cloudina, hefur nú reynst hafa verið með meltingarveg.
Þessar rannsóknir sýndu í fyrsta sinn skýra mynd af því hvernig dýr litu út fyrir upphaf kambríumtímabilsins og voru því gríðarstórt skref í rannsóknum á þróun dýra. Og nú bætast við steingervingar sem veita okkur innsýn í ennþá eldri tíma.
Ummerki sýna elstu dýrin
Fyrstu dýrin voru fyrst og fremst – og kannski einvörðungu – úr mjúkum vef og líkamar þeirra hafa því afar sjaldan varðveist sem steingervingar. En dýr geta látið annað eftir sig en líkamsleifar.
Í klöppum sem eitt sinn voru sjávarbotn hafa vísindamenn fundið sérkennileg ummerki eftir ævaforn dýr og þessi ummerki geta bæði vitnað um atferli og sköpulag.
T.d. hefur niðurgrafinn U-laga gangur með tveimur opum að líkindum verið gerður af ormlaga dýri. Höfuð skepnunnar hefur þá staðið upp úr öðru megin til að nálgast fæðu og súrefni en afturendinn staðið aðeins út úr hinu megin til að losna við saurinn.
Þessar upplýsingar nægja vísindamönnum til að skilja að þetta dýr hafði bæði fram- og afturenda og meltingarveg á milli þeirra. Þessi líffærafræðilegu einkenni voru nýjung í þróun frumstæðra dýra.
LESTU EINNIG
Önnur nýjung var hæfnin til að hreyfa sig. Hreyfigetan opnaði alveg nýja möguleika og gegndi mikilvægu hlutverki í sprengiþróuninni sem varð á kambríumtímabilinu.
Hreyfingar dýra skilja eftir sig ummerki í sandi á sjávarbotninum og með því að rannsaka breytingar á slíkum ummerkjum má fá vissar hugmyndir um þróun. Á kambríum urðu þessi spor stærri, dýpri og flóknari og það sést á steingervingum frá tímabilinu.
Hreyfigetan kom þó til sögunnar fyrir upphaf kambríum og á síðustu áratugum hafa vísindamenn fundið spor frá edicariumtímabilinu í Ástralíu.
Þessi spor eru væntanlega eftir einhver fyrstu dýrin sem gátu fært sig úr stað en hingað til hafa vísindamenn ekki fundið leifar af dýrunum sjálfum. Það er nú breytt.
Árið 2020 birtu vísindamenn fræðilega lýsingu á förum eftir dýrið Ikaria wariootia. Skannamyndir af förunum sýna að dýrið var um hálfur sentimetri að lengd og dropalaga.
Árið 2020 opinberaði hópur vísindamanna hjá Kaliforníuháskóla í BNA uppgötvun bæði ummerkja og dýrsins sem hafði skilið þau eftir sig á edicariumtímabilinu eða fyrir 555 milljón árum. Dýrið líktist ormi, var ekki nema 2-7 millimetrar að lengd og fékk heitið Ikaria variootia.
Dýrið hefur verið eitt hinna fyrstu til að þróa vel þekkt einkenni dýra, m.a. höfuð og afturenda sem tengdust með meltingarvegi. Hægri og vinstri hliðar líkamans hafa líka verið samhverfar.
Ikaria hefur verið uppi samtímis eða mögulega fyrr en dýrin Dickinsonia og Charnia en líkamsbyggingin flóknari. Ummerkin sýna að dýrið hreyfði sig með því að vinda sig til, að líkindum með vöðvum líkamans. Sams konar hreyfingar má nú sjá hjá ánamöðkum.
Förin liggja út og inn úr leifum stærri lífvera sem ormurinn hefur verið of lítill til að leggja að velli. Dýrið hefur því líkast til verið hrææta.
Nýr steingervingur slær met
Furðudýrin frá edicariumtímabilinu hafa loksins endanlega sannað kenningar Darwins.
Þrátt fyrir það hefur tæpast verið settur neinn endapunktur aftan við rannsóknir á tilurð dýra. Ikaria er rúmlega 555 milljóna ára en genagreiningar sýna að dýr urðu að líkindum til miklu fyrr.
Nokkrir hópar vísindamanna hafa talið genabreytingar milli núlifandi dýra og reiknað út þróunarhraðann á þeim grundvelli. Miðað við þessar tölur álíta þeir að sameiginlegur forfaðir allra núlifandi dýra hafi verið uppi fyrir 850-650 milljón árum.
Sé þetta rétt vantar enn ummerki um þróun dýra a.m.k. 100 milljónum ára lengra aftur í tímann.
Uppbyggingin í 890 ára gömlum steingervingi minnir á greinótta byggingu núlifandi sjávarsvampdýra sem eru meðal frumstæðustu dýra.
Mögulegur vitnisburður um þá sögu birtist 2021 þegar kanadíski jarðfræðingurinn Elizabeth Turner gaf út lýsingu á 890 milljón ára gömlum steingervingi af sjávarsvampdýri. Sjávarsvampar eru frumstæð dýr og ennþá til. Vísindamenn hafa einmitt lengi álitið að allra fyrstu dýrin hafi líkst sjávarsvömpum.
Þessari uppgötvun hefur þó ekki verið tekið af miklum fögnuði. Steingervingurinn er miklu eldri en allir aðrir dýrasteingervingar – m.a.s. eldri en genareiknilíkön gera ráð fyrir – og margir vísindamenn hafa því efasemdir.
Þeir álíta að byggingarlag steingervingsins gæti hafa orðið til af völdum baktería eða kristalla – eða þá að steingervingurinn sé í raun mun yngri en Elizabeth Turner og félagar hennar hafa reiknað út.
Úr þessu verður trúlega ekki skorið nema með uppgötvun fleiri steingervinga en á þeim hefur reyndar ekki verið neinn skortur síðustu árin.
LESTU EINNIG
Á árinu 2021 fundu vísindamenn t.d. 73 einstaklinga af sömu tegund, Namacalathus hermanastes sem uppi hefur verið fyrir um 550 milljónum ára. Þessi dýr lifðu í lónum á grunnsævi og efnasamsetningin var þannig að viðkvæmur líkaminn varðveittist.
Með hæfilegri heppni gætu vísindamenn fundið steingervinga í enn eldri klöppum. Fari svo öðlast menn ekki einungis betri vitneskju um útlit fyrstu dýranna, heldur einnig skýringar á því hvers vegna þau urðu til og hvers vegna þau stóðu sig jafn vel í lífsbaráttunni og raun ber vitni.
Reyndar hafa menn nú þegar sett fram tilgátu um hvað það var sem hóf þessa þróun dýraríkisins og hún byggist á hnetti sem mest af öllu líktist risavöxnum snjóbolta.
Snjóbolti ýtti við þróun
Hinar nýju uppgötvanir sýna að margvísleg hæfni sem af hefð hefur verið tengd sprengiþróun kambríumtímabilsins, kom miklu fyrr til sögunnar og það getur átt sinn þátt í að skýra hvað knúði þróun dýranna.
Áður en kambríumtímabilið hófst tók jörðin stöðugum breytingum og margar þeirra gætu hafa gegnt stóru hlutverki í þróun dýra. Atburðir á borð við hrap loftsteins í Ástralíu og klofning stórs meginlands olli breytingum sem neyddu lífverur til að þróast.
Mikilvægasti atburðurinn var ísöld sem hófst fyrir 720 milljón árum og lauk ekki fyrr en fyrir 630 milljón árum. Á þessum 90 milljónum ára var hnötturinn langtímum saman allur þakinn ís og snjó og þessir fjarlægu forfeður okkar þurftu að lifa af mjög erfiða tíma.
Í heildina tekið reyndist þessi mikla ísöld þó vera lífinu happafengur fyrir þessar lífverur og þar með auðvitað fyrir okkur líka, enda erum við afkomendur þeirra.
Þú líkist forsögulegum ormi
Hann var ekki stærri en eitt hrísgrjón og alveg útlimalaus. Samt deilir þessi ævaforni ormur með þér tilteknum einkennum sem ekki fundust hjá öðrum samtímalífverum.
Vöðvar skildu eftir sig för
Förin sem þessi pínulitli ormur skildi eftir sig og steinrunnu síðar, benda til að Ikaria hafi notað vöðva á líkamanum til að hreyfa sig úr stað, svipað og ánamaðkar nútímans.
Lögun afhjúpar fram og afturenda
Líkami Ikaria var dropalaga, þ.e. annar endinn, trúlega framendinn, var þykkari en hinn. Dýrið hafði sem sé höfuð og afturenda, einkenni sem skildi hann frá mörgum öðrum dýrum á þessum tíma, t.d. sjávarsvömpum.
Sandur fór alla leiðina í gegn
För eftir Ikaria benda til að dýrið hafi tekið sand inn í munninn og hann síðan borist gegnum þarma og út gegnum eins konar endaþarm. Önnur dýr notuðu sama gat fyrir fæðu og úrgang.
Stóru íshellurnar möluðu niður heila fjallgarða og losuðu þannig mikið af næringarefnum sem bárust út í sjó þegar ísinn bráðnaði. Þessi aukning næringarefna gæti hafa orsakað mikið stökk í þróun lífvera og það er vel mögulegt að fyrstu dýrin hafi þá lagt grundvöllinn að velgengni síðari tíma.
Nákvæmari mynd af fyrstu dýrunum og drifkraftinum að baki þróun þeirra verður skýrari á næstu árum þegar fleiri steingervingar finnast. En hin svokallaða mótsögn Darwins hefur nú þegar snúist í andhverfu sína.
Sá hluti af sögu lífsins sem Darwin taldi sjálfur veikasta hlekkinn í kenningu sinni, reynist nú þvert á móti vera skólabókardæmi um þróun.
