Extrema fluktuationer i atmosfäriska syrenivåer motsvarade evolutionära överspänningar och utrotningar i djurens biologiska mångfald under explosionen i Kambrium, finner ny studie ledd av UCL och University of Leeds.

Den kambriska explosionen var en avgörande period av snabb evolution hos komplexa djur som började för ungefär 540 miljoner år sedan. Utlösaren för denna grundläggande fas i djurlivets tidiga historia är föremål för pågående biologisk debatt.

Studien, publiceras idag i Naturgeovetenskap av forskare från Storbritannien, Kina och Ryssland, ger starkt stöd för teorin att syrehalten i atmosfären var en viktig styrande faktor i djurens evolution.

Studien är den första som visar att det under den kambriska explosionen fanns en signifikant korrelation mellan ökningar i syrenivåer och explosioner i djurens evolution och biologisk mångfald, samt utrotningshändelser under perioder med låg syrehalt.

Dr Tianchen He, studie huvudförfattare och postdoktor vid University of Leeds, började denna forskning vid UCL. Han sa:"De komplexa varelser som uppstod under den kambriska explosionen var föregångare till många av de moderna djur vi ser idag. Men eftersom det inte finns några direkta uppgifter om atmosfäriskt syre under denna tidsperiod har det varit svårt att avgöra vilka faktorer som kan har kickstartat denna avgörande punkt i evolutionen.

"Genom att analysera kol- och svavelisotoperna som finns i gamla bergarter, vi kan spåra syrevariationer i jordens atmosfär och grunda hav under den kambriska explosionen. Jämfört med fossiliserade djur från samma tid kan vi tydligt se att evolutionär strålning följer ett mönster av "boom och bust" i takt med syrenivåerna.

"Detta tyder starkt på att syre spelade en viktig roll i uppkomsten av tidigt djurliv."

Studiens medförfattare professor Graham Shields från UCL Earth Sciences, sa:"Detta är den första studien som tydligt visar att våra tidigaste djurförfäder upplevde en serie evolutionära strålningar och flaskhalsar orsakade av extrema förändringar i atmosfärens syrenivåer.

"Resultatet var en verklig explosion av nya djurformer under mer än 13 miljoner år av den kambriska perioden. Under den tiden, Jorden gick från att vara befolkad av enkla, encelliga och orörliga organismer som är värd för den underbara variationen av invecklade, energiska livsformer vi ser idag."

Teamet analyserade kol- och svavelisotoperna från marina karbonatprover som samlats in från sektioner längs floderna Aldan och Lena i Sibirien. Under tiden för den kambriska explosionen skulle detta område ha varit ett grunt hav och hem för majoriteten av djurlivet på jorden.

De nedre kambriska skikten i Sibirien består av kontinuerlig kalksten med rika fossila register och pålitliga åldersgränser, tillhandahålla lämpliga prover för de geokemiska analyserna. Isotopsignaturerna i bergarterna relaterar till den globala produktionen av syre, vilket gör att teamet kan bestämma syrenivåer som finns i det grunda havet och atmosfären under den kambriska perioden.

Studiens medförfattare Dr. Benjamin Mills, från School of Earth and Environment i Leeds, sa:"Den sibiriska plattformen ger oss ett unikt fönster in i tidiga marina ekosystem. Detta område innehåller över hälften av all för närvarande kända fossiliserade mångfald från den kambriska explosionen.

"Att kombinera våra isotopmätningar med en matematisk modell låter oss spåra pulserna av kol och svavel som kommer in i sedimenten i denna kritiska evolutionära vagga. Vår modell använder denna information för att uppskatta den globala balansen mellan syreproduktion och förstörelse, ger oss ny insikt om hur syre format det liv vi har på planeten idag."

Studie medförfattare Maoyan Zhu från Nanjing Institute of Geology and Palaeontology, kinesiska vetenskapsakademin, sa:"Att förstå vad som utlöste den kambriska explosionen kräver multidisciplinära studier. Det är därför vi tillsammans med Graham Shields organiserade ett så tvärvetenskapligt team som finansierats av NERC och NSFC under de senaste åren. Jag är så exalterad över resultaten genom detta samarbetsprojekt."

"Å andra sidan, det tog lång tid att få detta resultat. Vi fick prover från Sibirien redan 2008. Sektionerna i Sibirien är svåra att komma åt. Det tog tid för oss att organisera expeditionen och samla proverna där. Utan stöd från ryska kollegor, vi kunde inte göra projektet."

Studiens medförfattare Andrey Yu Zhuravlev från Lomonosov Moscow State University sa:"Detta har varit en otroligt framgångsrik och spännande gemensam studie. Frågan om den kambriska explosionsutlösaren har förbryllat forskare i flera år. Nu, resultaten ger oss övertygande bevis för att koppla det snabba uppkomsten av djur såväl som massutrotning under det tidiga Kambrium med syre."

Uppsatsen Possible links between extreme oxygen perturbations and the Cambrian radiation of animals publiceras i Naturgeovetenskap 06 maj 2019.