In the previous post, “Macrobes”, we talked about how life had evolved until the Ediacaran, the last geological Period of the Precambrian Supereon.
The Ediacaran Period aside, life of large size began in the Phanerozoic Eon—named from the Greek, "visible life." The Phanerozoic Eon began with the Cambrian Period 541 million years ago—in which the atmospheric oxygen concentration was already around 13%—, and lasts until today. This was the first life, mostly in seas, that left us a great number of fossils visible to the naked eye. The concentration of carbon dioxide was hundreds of times greater than currently, and the derived greenhouse effect generated a very hot world.
The first fossil found corresponding to the Cambrian Period was a trilobite, an arthropod that was very common in that period and mostly inhabited the seabed (1). Trilobites were already a highly evolved type of animal, with complex eyes, a head, and limbs, in addition to reaching a size of 60 centimeters. They are another evidence that there must have been less-complex animals long before them (2). Most likely the ocean floor was teeming with multiple species resembling today's worms, long before the first trilobites (3).
Fossil of trilobite Acadoparadoxides briareus, from mid-Cambrian Period /
Fósil de trilobite Acadoparadoxides briareus, de la mitad del periodo Cámbrico (4)
In addition to trilobites in the Cambrian Period, there also appear the first fossils with hard parts of carbonate minerals, such as exoskeletons of outer shells, bones, and branched corals or teeth. In many cases proteins were present in combination with minerals in these hard forms, therefore being the first biominerales (5).
Among the many new species are brachiopods—bivalve-like animals—as well as invertebrate marine animals with internal skeletons of spicules (minute sharp-pointed objects or structures), sponges, and snail-like mollusks (3). Just in The Burgess Shale in the Canadian Rockies of British Columbia, a study showed 150 different species of animals. Arthropod species—invertebrate animals that have a segmented body and jointed appendages—were by far the most common, up to 90% of the fossils found. The remaining 10% of the fossils were mostly sponges and brachiopods (6,7). Since the beginning of the Cambrian Period the first marine reefs appeared, formed by sponges, different from the coral reefs we know today, that did not appear until much later, 485 to 444 million years ago (3). The large animal group (phylum) to which humans belong, the vertebrates, also appeared at the Cambrian, about 500 million years ago, mostly composed of fish. Extinctions of large groups of species also occurred, disappearing from the planet without leaving descendant forms.
Many of the new Cambrian species were produced from genes that could be modified in order to fulfill additional or different biological functions. Some of these genes are repeated numerous times in different species resulting in repeated biological structures (for instance, a centipede). The conversion of some of these modules for alternate objectives can lead to new functions and capabilities in the descendants of a common ancestor. For example, some of the multiple articulated legs of arthropods evolved into organs intended for feeding, mating, and many other functions. Another example is the pumping of water carried out by some mollusks as a way to provide oxygen for their respiration, and in cephalopods, such as octopus, squid, or cuttlefish, as a propulsion system (3).
By genes that are turned on or off, controlled by regulatory systems, two very similar DNA fragments can give rise to two very different end forms of a feature. The difference between two very close species depends not only on the percentage of differences in their genetic material but on how their mutually common DNA is read (on) or not read (off). Some genes control the complete development pattern—these include the Homeobox (Hox) genes, which are ubiquitous in animals and control limb development (8).
If the number of different living species on our planet exploded in the Cambrian Period, many more extremely beautiful and wonderful forms were yet to appear, as Darwin described in the final paragraph of his book on the origin of species, which heads this website.
Versión en español:
En el post anterior, "Macrobios", hablábamos de cómo había evolucionado la vida hasta el Ediacárico, el último Periodo geológico del Supereón Precámbrico (ver:
https://jijorquera.wixsite.com/onscienceandsociety/post/macrobes-ediacaran-period-fossils-macrobios-f%C3%B3siles-del-periodo-ediacarano).
Dejando a un lado el período Ediacárico, la vida de gran tamaño comenzó en el Eón Fanerozoico, llamado así por el griego, "vida visible". El Eón Fanerozoico comenzó con el Período Cámbrico hace 541 millones de años —en el que la concentración de oxígeno atmosférico ya rondaba el 13%—, y dura hasta hoy. Esta fue la primera vida, sobre todo en mares, que nos dejó una gran cantidad de fósiles visibles a simple vista. La concentración de dióxido de carbono era cientos de veces mayor que en la actualidad, y el efecto invernadero derivado generó un mundo muy caliente.
El primer fósil encontrado correspondiente al Período Cámbrico fue un trilobite, un artrópodo que era muy común en ese período y habitaba principalmente el fondo marino (1). Los trilobites ya eran un tipo de animal altamente evolucionado, con ojos complejos, cabeza y extremidades, además de alcanzar un tamaño de 60 centímetros. Son otra evidencia de que debe haber habido animales menos complejos mucho antes que ellos (2). Lo más probable es que el fondo del océano estuviera repleto de múltiples especies que se asemejan a los gusanos de hoy, mucho antes de los primeros trilobites (3).
Además de los trilobites, en el Período Cámbrico también aparecen los primeros fósiles con partes duras de minerales carbonatados, como exoesqueletos en forma de conchas externas, dientes, huesos y corales ramificados. En muchos casos las proteínas estuvieron presentes en combinación con minerales en estas formas duras, siendo por tanto los primeros biominerales (5).
Entre las muchas nuevas especies del Cámbrico se encuentran los braquiópodos, animales parecidos a bivalvos, así como animales marinos invertebrados con esqueletos internos de espículas (diminutas estructuras puntiagudas), esponjas y moluscos parecidos a caracoles (3). Sólo en el esquisto (o lutitas) de Burgess en las Montañas Rocosas canadienses de la Columbia Británica, un estudio mostró 150 especies diferentes de animales. Las especies de artrópodos, animales invertebrados que tienen un cuerpo segmentado y apéndices articulados, fueron, con mucho, las más comunes, hasta el 90% de los fósiles encontrados. El 10% restante de los fósiles eran en su mayoría esponjas y braquiópodos (6,7). Desde el comienzo del Período Cámbrico aparecieron los primeros arrecifes marinos, formados por esponjas, diferentes de los arrecifes de coral que conocemos hoy en día, que no aparecieron hasta mucho más tarde, hace 485 a 444 millones de años (3).
El gran grupo animal (filo o phylum) al que pertenecen los humanos, los vertebrados, también apareció en el Cámbrico, hace unos 500 millones de años, compuesto principalmente por peces. Se produjeron extinciones de grandes grupos de especies, desapareciendo del planeta sin dejar formas descendientes. Muchas de las nuevas especies del Cámbrico se produjeron a partir de genes que podrían modificarse para cumplir funciones biológicas adicionales o diferentes. Algunos de estos genes se repiten numerosas veces en diferentes especies, lo que resulta en estructuras biológicas repetidas (por ejemplo, un ciempiés). La conversión de algunos de estos módulos para objetivos alternativos puede conducir a nuevas funciones y capacidades en los descendientes de un ancestro común. Por ejemplo, algunas de las múltiples patas articuladas de los artrópodos evolucionaron en órganos destinados a la alimentación, el apareamiento y muchas otras funciones. Otro ejemplo es el bombeo de agua que realizan algunos moluscos como forma de proporcionar oxígeno para su respiración, y en cefalópodos, como pulpos, calamares o sepias, como sistema de propulsión (3).
Mediante genes que se activan o desactivan, controlados por sistemas reguladores, dos fragmentos de ADN muy similares pueden dar lugar a dos formas finales muy diferentes de una característica. La diferencia entre dos especies muy cercanas depende no solo del porcentaje de diferencias en su material genético, sino de cómo se lee (activado) o no se lee (desactivado) su ADN común. Algunos genes controlan el patrón de desarrollo completo, incluidos los genes Homeobox (Hox), que son omnipresentes en los animales y controlan el desarrollo de las extremidades (8).
Si el número de diferentes especies vivas de nuestro planeta explotó en el Período Cámbrico, muchas más formas extremadamente hermosas y maravillosas estaban pendientes de aparecer, como describió Darwin en el párrafo final de su libro sobre el origen de las especies, que encabeza esta web.
Image / Imagen:
Fossil of trilobite Acadoparadoxides briareus, from mid-Cambrian Period / Fósil de trilobite Acadoparadoxides briareus, de la mitad del periodo Cámbrico. Author / Autor: Daderot. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Acadoparadoxides_briareus,_Middle_Cambrian,_Jbel_Wawrmast_Formation,_Sidi_Abdallah_ben_al_Hadj,_Morocco_-_Houston_Museum_of_Natural_Science_-_DSC01409.JPG. CC0 1.0 https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/deed.en, via Wikimedia Commons.
References / Referencias:
1. M. Gabriela Mángano et al. Trilobites in early Cambrian tidal flats and the landward expansion of the Cambrian explosion. Geology 42: 143-146, 2014. https://doi.org/10.1130/G34980.1
2. M.A. Fedonkin et al. The rise of animals: evolution and diversification of the kingdom animalia. Johns Hopkins University press, Baltimore. Pp 213-216. 2007.
3. Peter Ward and Joseph Kirschvink. A New History of Life: The Radical New Discoveries About the Origins and Evolution of Life on Earth. Bloomsbury Publishing, London, 2015.
4. Daderot. Acadoparadoxides briareus. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Acadoparadoxides_briareus,_Middle_Cambrian,_Jbel_Wawrmast_Formation,_Sidi_Abdallah_ben_al_Hadj,_Morocco_-_Houston_Museum_of_Natural_Science_-_DSC01409.JPG. CC0 1.0 https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/deed.en, via Wikimedia Commons.
5. Robert M. Hazen. Symphony in C. Carbon and the Evolution of Almost Everything. W. W. Norton & Company, New York, 2019.
6. Stephen J. Gould. Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History. W. W. Norton & Company, New York, 1989.
7. Derek E.G. Briggs, Douglas H. Erwin and Frederick J. Collier. The fossils of the Burgess shale. Smithsonian Institution Press, Washington, DC, 1994.
8. Charles Cockell. The Equations of Life. How Physics Shapes Evolution. Atlantic Books, London, 2018.