De
Big Bang van het leven
Zoeken
naar de oorzaak van het grootste evolutionaire raadsel - 20-10-2000
Bijna
3 miljard jaar lang bestond het leven op aarde uit eencellige organismen.
En dan, ongeveer 540 miljoen jaar geleden, ontstond er plots een rijke
diversiteit aan leven. Wat die explosie aan levensvormen veroorzaakte
weet men nog steeds niet.
De cambrische explosie
De drastische toename aan biologische diversiteit kenmerkt het Cambrium,
een periode die liep van 540 tot 500 miljoen jaar geleden. Meercellig
leven was al langer aanwezig, maar het fossielenbestand neemt een
drastische uitbreiding in geologische lagen die uit het Cambrium stammen.
Lange tijd werd gedacht dat het pre-cambrische leven louter bestond
uit prokaryotische organismen, eencellige levensvormen waarbij de
cel geen kern heeft. Later bleek dat ook eukaryotische (van een kern
voorziene) cellen voorkwamen. In de jaren ‘90 werd dit beeld nog wat
complexer, toen bleek dat in het precambrische tijdperk ook wormen
de zeebodem bevolkten. Gaandeweg duikt er dus meer fossiel bewijs
op dat duidelijk maakt dat de variëteit aan levensvormen die de cambrische
periode kenmerkt een aanloop kende in het pre-cambrische tijdperk.
Dat verandert echter weinig aan het uitzonderlijke karakter van wat
de cambrische explosie is gaan heten, ook al spreken iets minder geëmotioneerde
wetenchappers wel eens over de cambrische transitie. Het blijft immers
een feit dat op een erg korte periode alle belangrijke levensvormen
zijn ontstaan. De belangrijkste evolutie die zich voordeed was het
ontstaan van dieren met een (uitwendig of inwendig) geraamte. Daarnaast
ontstonden ook grazers, die zich met het prokaryotische en eukaryotische
leven voedden en roofdieren, die zich voor het eerst te goed deden
aan andere, hoger ontwikkelde dieren. In het Cambrium onstaan de voorgangers
van alle huidige vormen van leven. Nooit eerder en nooit meer zou
de evolutie een dergelijk grote stap voorwaarts nemen.
Het meest opzienbarende is nog dat dit alles zich in een erg korte
tijd afspeelt. In ongeveer 10 miljoen jaar neemt het levensbestand
exponentieel toe. Het bezorgde evolutie-biologen in elk geval heel
wat kopzorgen. De fundamentele principes van de Darwiniaanse evolutie
- mutatie en natuurlijke selectie - volstaan niet om de Cambrische
explosie te verklaren. Integendeel, het Cambrische tijdperk schijnt
er een falsificatie van te zijn. Darwin zelf was zich hier van bewust
en was er van overtuigd dat er ooit fossiel bewijs zou opduiken van
een aanloopperiode naar het Cambrium. Dat bleek inderdaad zo te zijn,
hoewel Darwin zelf daar nooit getuige van is geweest.
Wat aan fossiel bewijs opdook, is evenwel onvoldoende om de Cambrische
evolutie in een gelijkmatig voortschrijdende evolutie te situeren.
De Amerikaanse evolutie-deskundige Stephen J. Gould ontwikkelde daarom
samen met collega Niles Eldredge de notie ‘punctuated equilibrium’,
het onderbroken evenwicht. Deze past het Darwiniaanse evolutieconcept
aan: evolutie is geen gelijkmatig proces gevormd door kleine opeenvolgende
stapjes, maar gebeurt in horten en stoten. De vorming van nieuwe soorten
is een relatief snelle gebeurtenis, waarna de afstammingslijnen gedurende
een lange tijd maar weinig veranderen.
Daarmee heeft de cambrische explosie dan wel voor een aanpassing van
het evolutieconcept gezorgd, verklaard is ze nog niet. En dat blijft
tot op heden zo, al zijn er tal van hypotheses en theorieën opgesteld.
Enkele
hypotheses
Omdat de cambrische evolutie zich op een globale schaal afspeelde
zoeken de meeste theoretici hun heil in omgevingsfactoren. Zo zou
het zuurstofgehalte pas ten tijde van het Cambrium een peil hebben
bereikt dat voldoende was om processen als celdeling en de vorming
van collageen, dat als bindweefsel dienst doet, mogelijk te maken.
Maar volgens sommigen (o.a. Gould) was het zuurstofniveau al meer
dan een miljard jaar hoog genoeg om het ontstaan van complexere levensvormen
niet meer te hinderen.
Een andere hypothese vertrekt van een gelijkaardig uitgangspunt maar
neemt fosfor als de ontbrekende substantie. Complexe organismen hebben
koolstof, stikstof en fosfor nodig om hun weefsel te ontwikkelen.
Pas in het Cambrium zou dan voldoende fosfor aanwezig zijn geweest.
Anderen wijzen op de specifieke biologische omgeving waarin de cambrische
explosie zich voltrok. Er was weinig of geen competitie tussen soorten
en het leven dat al bestond was erg primitief. In zulke omstandigheden
kunnen versnelde reproductie en genetische variatie volop hun kans
gaan. Mark McMenamin, die over de cambrische transitie een boek schreef,
denkt dat de ontwikkeling van herbivoren, die een overvloed van voedsel
aantroffen, de ontwikkeling van carnivoren stimuleerde. Als bescherming
ontwikkelden de herbivoren dan schelpen en andere gedragspatronen
en voedingsgewoonten. Het verschijnen van de regel ‘eten of gegeten
worden’ zou ook gezorgd hebben voor de ontwikkeling van de eerste
breinen, zowel bij de herbivoren, die slimmer werden om niet als voedsel
te eindigen, als bij carnivoren, die verstand ontwikkelden om hun
steeds slimmere prooien te kunnen verschalken.
Darwin zelf zocht de verklaring van de Big Bang van het leven in de
evolutie van eukaryotische tot prokaryotische cellen. Cellen met een
kern bevatten chromosonen, waardoor mutatie frequenter kan optreden.
Die variatie zou tot een gevarieerd aantal lichaamsvormen hebben gezorgd.
De Australische biogeochemicus Graham Logan ziet de ontwikkeling van
een spijsverteringsstelsel zelfs als de grote doorbraak in de ontwikkeling
van de diverse levensvormen.
Bovendien kan genetische variatie verklaren waarom na de cambrische
explosie geen gelijkaardig evolutionaire sprong wordt gemaakt. De
nieuwe levensvormen die na het Cambrium zouden zijn gevormd maakten
geen schijn van kans omdat er een te competitieve omgeving was ontstaan.
De meest levensvatbare lichaamsplannen waren al getekend en andere
ingrijpende mutaties waren niet langer levensvatbaar.
Een
nieuwe onderzoekspoging
Een definitief antwoord is echter nog niet geformuleerd. James Elser
van de staatsuniversiteit van Arizona laat zich daar evenwel niet
door ontmoedigen. In de nabijheid van het afgelegen dorpje Cuatro
Cienegas in Mexico, vlakbij de Amerikaanse grens, heeft hij een systeem
van rivieren en meren gevonden die een erg eenvoudig biologisch systeem
herbergden, tot ongeveer 40.000 jaar geleden ook hier een drastische
diversificatie plaats vond. Vooral de aanwezigheid van stromatolieten
konden het enthousiasme van de wetenschapper opwekken, omdat stromatolieten
in het precambrische tijdperk overvloedig voorkwamen. De ontwikkeling
van grazende diersoorten veroorzaakte echter de ondergang van stromatolieten.
Net zoals nu staat te gebeuren in het ecosysteem dat hij in Mexico
aantrof. In de volgende drie jaar zullen observaties en laboratoriumexperimenten
op basis van wat in Mexico wordt aangetroffen, resultaten opleveren
die nieuwe inzichten over de cambrische explosie kunnen opleveren.
Een definitief antwoord zit er echter niet aan te komen, daarvoor
moeten ook andere plaatsen onderzocht worden. Dat zal Elser er echter
niet van weerhouden zijn volgende levensjaren met stromatolieten door
te brengen. Het water is in New Mexico in elk geval lekker warm. (DdV)
Related links:
Het Cambrium
Meer uitleg over het
onderbroken evenwicht
©
David de Vaal
