Utvecklingen av vingar gjorde det inte bara möjligt för forntida insekter att bli de första varelserna på jorden som tog till himlen, men också drev deras uppgång till att bli en av naturens stora framgångshistorier, enligt en ny studie.

Består av upp till 10 miljoner levande arter, insekter idag kan hittas på alla sju kontinenter och bebor varje landlig nisch man kan tänka sig. Men enligt fossilregistret, de var knappa innan för cirka 325 miljoner år sedan, överträffade av sina leddjurskusiner spindeldjuren (spindlar, skorpioner och kvalster) och myriapods (tusenfotingar och tusenfotingar).

Det äldsta bekräftade insektsfossilet är det av en vinglös, silverfiskliknande varelse som levde för cirka 385 miljoner år sedan. Det är inte förrän cirka 60 miljoner år senare, under en period av jordens historia känd som Pennsylvanian, att insektsfossiler blir rikliga.

"Det har varit en hel del mysterium kring hur insekter först uppstod, för i många miljoner år hade du ingenting, och så plötsligt en explosion av insekter, " sade studiens första författare Sandra Schachat, en doktorand vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskaper (Stanford Earth).

Många idéer har föreslagits för att förklara denna märkliga lucka i insektsfossilen, som forskare har kallat Hexapod Gap.

Enligt en populär hypotes, insektstorlek och överflöd begränsades av mängden syre som var tillgänglig i jordens atmosfär under den sena devoniska perioden.

Det starkaste beviset för denna teori är en modell av atmosfäriskt syre under de senaste 570 miljoner åren som den sena Yale-geologen Robert Berner utvecklat genom att jämföra förhållandet mellan syre och kol i forntida stenar och fossiler.

Enligt Berners modell, atmosfärens syrenivå för cirka 385 miljoner år sedan under starten av Hexapod Gap var under 15 procent, så låg att skogsbränder skulle ha varit ohållbara. (För jämförelse, dagens syrekoncentration i atmosfären är cirka 21 procent.)

En annan möjlighet är att insekter var rikliga före 323 miljoner år sedan, men dyka inte upp i fossilregistret eftersom de typer av terrestra sediment som kan bevara dem inte överlevde.

Inga ursäkter

I den nya studien, publicerades denna vecka i tidskriften Royal Society Proceedings B, Schachat och hennes kollegor testade båda dessa argument - att insektfattigt begränsade insekter eller att stenarna inte var rätt att bevara fossiler. Först, teamet uppdaterade Berners nästan decennium gamla modell med hjälp av uppdaterade koldioxidregister.

När de gjorde detta, doppningen i atmosfäriskt syre under det sena devonen försvinner. "Vad den här studien visar är att miljöinhibering av låg syrehalt kan uteslutas eftersom det inte är kompatibelt med de senaste uppgifterna, " sa studiemedförfattare och Stanford Earth-paleontolog Jonathan Payne.

För att testa "dåliga stenar" -hypotesen, teamet analyserade en offentlig databas över nordamerikanska bergarter för olika perioder i jordens historia och fann inget ovanligt med sedimenten från den sena Devonen. "Stenarna kunde ha innehållit insektsfossiler. Det faktum att de inte indikerar bristen på insekter under denna period är verklig och inte bara en artefakt av otur med bevarande, sa Schachat, som också är stipendiat vid Smithsonian Institution i Washington, DC.

En transformerande effekt

Inte bara verkar de två mest populära förklaringarna till Hexapod Gap vara ogrundade, forskarna sa att en studie av insektsfossilen tyder på att själva Hexapod Gap kan vara en illusion.

Som en del av den nya studien, teamet undersökte det forntida insektsfossilrekordet och fann inga direkta bevis för vingar före eller under Hexapod Gap. Men så snart vingarna dyker upp för 325 miljoner år sedan, insektsfossiler blir mycket rikare och mer mångsidiga.

"Fossilregistret ser ut precis som du skulle förvänta dig om insekter var sällsynta tills de utvecklades vingar, vid vilken tidpunkt de mycket snabbt ökade i mångfald och överflöd, " sa Payne.

Schachat sa att det är anmärkningsvärt att de två första bevingade insekterna i fossilregistret är en trollsländeliknande insekt och en gräshoppeliknande insekt. Dessa representerar de två huvudgrupperna av bevingade insekter:trollsländor har "gamla vingar, "som de inte kan vika ner på magen, och gräshoppor har "nya vingar, "som är hopfällbara.

"De två första bevingade insekterna i fossilregistret är ungefär så olika varandra som man kan förvänta sig, " sa Schachat. "Detta tyder på att, en gång uppstod bevingade insekter, de varierade mycket, väldigt snabbt. Så snabbt att deras diversifiering dyker upp, ur ett geologiskt perspektiv och de bevis som finns tillgängliga i fossilregistret, att ha varit omedelbar."

Nya nischer

Att vara det första och enda djuret som kunde flyga skulle ha varit extremt kraftfullt. Flyg tillät insekter att utforska nya ekologiska nischer och gav nya flyktvägar. "Helt plötsligt, ditt överflöd kan öka eftersom du bara kan komma bort från dina rovdjur så mycket lättare, " Sa Schachat. "Du kan också äta löven som är på toppen av ett träd utan att behöva gå upp för hela trädet."

Flygande insekter kunde också skapa nischer som inte fanns tidigare. "Föreställ dig en allätande insekt som flyger till toppen av träden för att mata, "Sa Schachat." Plötsligt, det finns en nisch för ett rovdjur som kan flyga till toppen av trädet för att äta den insekten. Vingar gjorde det möjligt för insekter att utöka sviten av nischer som kan fyllas. Det var verkligen revolutionerande."

Medan den nya studien kopplar flygets utveckling till insekternas uppstigning, det väcker nya frågor om hur och varför de utvecklade vingar i första hand, sa studiemedförfattare Kevin Boyce, en docent i geologiska vetenskaper vid Stanford Earth. "I devon, det fanns bara några få insekter, alla vinglösa, sa Boyce. "Men du kommer ut på andra sidan och vi har flykt. Vad hände däremellan? Bra fråga."