Inhaltsverzeichnis:

Reverse Engineering Mysteriöse 500 Millionen Jahre Alte Fossilien, Die Unseren Lebensbaum Verwirren
Reverse Engineering Mysteriöse 500 Millionen Jahre Alte Fossilien, Die Unseren Lebensbaum Verwirren
Anonim

Ein neuer High-Tech-Ansatz hilft Paläontologen dabei, die Verbindung zwischen einer Reihe alter Fossilien und modernen Tieren besser zu verstehen.

Reverse Engineering Mysteriöse 500 Millionen Jahre alte Fossilien, die unseren Lebensbaum verwirren
Reverse Engineering Mysteriöse 500 Millionen Jahre alte Fossilien, die unseren Lebensbaum verwirren

Der folgende Aufsatz wurde mit Genehmigung von The Conversation, einer Online-Publikation mit den neuesten Forschungsergebnissen, abgedruckt.

Die Unterhaltung
Die Unterhaltung

.

Paläontologen wie wir sind es gewohnt, mit Fossilien zu arbeiten, die vielen Biologen, die an Lebewesen gewöhnt sind, bizarr erscheinen. Und je weiter wir in der Erdgeschichte zurückgehen, desto seltsamer sehen die Fossilien aus. Ihnen fehlen Schwänze, Beine, Skelette, Augen … alle Eigenschaften, die uns helfen würden zu verstehen, wo diese Organismen in den Baum des Lebens passen. Unter diesen Umständen wird die Wissenschaft der Paläontologie erheblich schwieriger.

Nirgendwo ist dieses Problem so offensichtlich wie in der Ediacaran-Zeit, die vor 635 Millionen bis 541 Millionen Jahren dauerte. Eine eigenartige und völlig weiche Reihe von Fossilien aus dieser Zeit wird zusammen als Ediacara-Biota bezeichnet. Trotz fast 70 Jahren sorgfältiger Studien müssen Paläontologen noch Schlüsselmerkmale identifizieren, die es uns ermöglichen würden, zu verstehen, wie diese Organismen mit modernen Tieren zusammenhängen. Die Formen, die unter Ediacaran-Organismen erkennbar sind, sind größtenteils wirklich einzigartig - und wir sind dem Verständnis ihres Platzes in der Evolutionsgeschichte nicht näher gekommen.

Anstatt nach Merkmalen zu suchen, die es uns ermöglichen würden, einige dieser Organismen in bekannte Tiergruppen einzuteilen, haben wir einen anderen Ansatz gewählt. Es basiert auf einer Technik namens Computational Fluid Dynamics, mit der wir rückentwickeln können, wie diese Organismen in ihrer Meeresumgebung lebten.

Geheimnisfossilien

Die Ediacaran-Zeit markiert ein entscheidendes Intervall in der Erdgeschichte. Am Anfang stehen die letzten der sogenannten "Schneeball-Erde" -Ereignisse, die Millionen von Jahren dauern, als die gesamte Oberfläche unseres Planeten mit Eis bedeckt war. Es geht in die nachfolgende geologische Periode des Kambriums über, in der viele der Tiergruppen, die wir heute kennen, zum ersten Mal auftauchten. Dies wird allgemein als kambrische Explosion bezeichnet.

Als im Ediacaran große, komplexe Fossilien entdeckt wurden, erwarteten die Forscher natürlich, dass viele von ihnen frühe Verwandte derselben Tiergruppe darstellen würden, die im Kambrium erkannt worden waren. Aber diese Ediacaraner scheinen sich völlig von modernen Tieren zu unterscheiden.

Zum Beispiel waren die Rangeomorphs eine Sammlung von blatt- und mattenartigen Organismen mit einer einzigartigen fraktalen Architektur, die aus einer Reihe von verzweigten „Wedel“-Elementen mit einer Länge von jeweils wenigen Zentimetern aufgebaut waren, von denen jedes selbst aus einem kleineren, identischen Wedel besteht Elemente.

Ein anderes - Tribrachidium - war ein kleiner halbkugelförmiger Organismus mit drei erhabenen Zweigen, die sich oben am Organismus treffen und sich gegen den Uhrzeigersinn zum Rand hin krümmten.

Wie passen solche seltsamen Kugeln zu dem, was vorher und was danach kam? Wir konnten sie einfach nicht auf einen Evolutionsbaum setzen.

Um diese Organismen besser zu verstehen, mussten Paläontologen einen anderen Ansatz wählen. Wir haben alle Annahmen darüber aufgegeben, womit sie zusammenhängen könnten, und stattdessen versucht, grundlegendere Fragen zu beantworten. Sind sie zum Beispiel umgezogen? Wie haben sie gefüttert? Wie haben sie sich reproduziert? Durch die Beantwortung dieser Fragen können wir beginnen, ihre Biologie und Ökologie zu verstehen, was wiederum Hinweise darauf geben kann, wie diese Organismen mit anderen mehrzelligen Lebensformen zusammenhängen. Auf diese Weise haben wir begonnen, die Ediacara-Biota zurückzuentwickeln.

Modellierung der Fluiddynamik zur Rückentwicklung von Fossilien

Eine der wichtigsten Techniken, die uns zur Verfügung stehen, ist die Computational Fluid Dynamics (CFD), eine Methode zur virtuellen Simulation von Flüssigkeitsströmen um Objekte mithilfe von Computern.

Der Grund für die Verwendung dieses Ansatzes liegt in der Beobachtung von Organismen in modernen Ozeanen. Wir wissen, dass viele (wenn nicht alle) Tiere, die in flachen Meeresumgebungen leben, Anpassungen entwickelt haben, die es ihnen ermöglichen, mit Strömungen zu interagieren und diese zu manipulieren, entweder um den Luftwiderstand zu verringern und zu verhindern, dass sie weggefegt werden (denken Sie an Napfschnecken und Seepocken), oder um zu helfen Fütterung (denken Sie an Crinoide, Seeanemonen und Gorgonienkorallen). So können wir viel über die Biologie und Ökologie eines Organismus lernen, indem wir untersuchen, wie er sich in sich bewegenden Flüssigkeiten verhält.

Mit modernen Arten können Forscher den Flüssigkeitsfluss um lebende Tiere untersuchen. Aber für Organismen, die seit über einer halben Milliarde Jahren ausgestorben sind - wie die biota-virtuellen Ediacara-Simulationen mit CFD - ist der einzige Ansatz.

So machen wir es Zuerst erhalten wir ein digitales 3D-Modell eines Fossils und legen es in einen virtuellen Abwassertank. Dann simulieren wir Wasser, das über und um das digitale Fossil fließt. Durch die Visualisierung von Fluss- und Rezirkulationsmustern um den Organismus können wir Hypothesen darüber testen, wie sich der Organismus bewegt und ernährt hat. Mit etwas so Geheimnisvollem und Dunklem wie der Ediacara-Biota können diese Erkenntnisse uns näher an das Verständnis bringen, was sie sind.

Unsere jüngste Arbeit mit dem rätselhaften Ediacaran-Fossil Parvancorina ist ein Beispiel für diesen Ansatz. Parvancorina ist ein einfach aussehender, schildförmiger Organismus mit einer typischen Länge von 1 bis 2 Zentimetern und einer ankerartigen Reihe von Graten auf seiner Oberseite. Obwohl es auf verschiedene Arten interpretiert wurde, haben die meisten Wissenschaftler angenommen, dass es am Meeresboden befestigt ist - was wir als sitzend bezeichnen. Niemand hat mit Parvancorina erhaltene Gliedmaßen gesehen und es wurde nie in Verbindung mit versteinerten Spuren oder Pfaden gefunden.

Wir haben uns entschlossen, diese Idee zu testen, indem wir 3D-Modelle der beiden bekannten Parvancorina-Arten erstellt und dann mithilfe von CFD untersucht haben, wie sich ihre einzigartigen Oberflächenstrukturen auf Muster des Flüssigkeitsflusses in unterschiedlichen Orientierungen auswirken. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Muster des Wasserflusses um das Modell herum dramatisch unterschiedlich waren, je nachdem, wie es in der Strömung ausgerichtet war.

Unter der Annahme, dass Parvancorina ein Suspensionsförderer war, zeigen unsere Ergebnisse, dass es nur dann gut gewesen wäre, die Nahrung im Meerwasser einzufangen, wenn sie in eine bestimmte Richtung ausgerichtet wäre. Dies ist offensichtlich eine schlechte Nachricht, wenn Sie wie einige andere Mitglieder der Ediacara-Biota ein Sessile Suspension Feeder sind. Wenn Sie sich auf die Strömung verlassen, um mit Nährstoffen und Speiseresten beladenes Wasser zu Ihrem Mund oder Fütterungsgerät zu transportieren, möchten Sie, dass dies unabhängig von der Strömung der Strömung geschieht. Wenn Sie an einem Ort festsitzen und sich die aktuellen Änderungen ändern, haben Sie ein Problem, wenn Sie nur dann Lebensmittel sammeln können, wenn sie aus einer Richtung auf Sie zukommen. Jede andere plausible Art der Fütterung - zum Beispiel das Aufräumen - würde auch bedeuten, dass diese Kreaturen einen mobilen Lebensstil hatten.

Wir haben diese Simulationen auch verwendet, um den Luftwiderstand in verschiedenen Ausrichtungen zu berechnen. Obwohl es in Parvancorina etwas problematisch ist, über Vorder- und Hinterenden zu sprechen (weil wir nicht einmal sagen können, ob es etwas hat, das Kopf und Schwanz ähnelt), denken wir normalerweise an das Schildende als das Vorderende. Wir haben gezeigt, dass der Luftwiderstand von Parvancorina in der Regel geringer war, wenn er frontal auf den Strom gelegt wurde, als wenn er seitlich auf den Strom gestellt wurde. Dies ist auch eine schlechte Nachricht, wenn Sie ein sitzender Organismus sind, da Sie dadurch in starken Strömungen aus dem Sediment gerissen werden können.

Die Schlussfolgerung aus diesen beiden Beobachtungen ist klar: Parvancorina war besser an das Leben als mobiler als als sitzender Organismus angepasst.

Neues Verständnis des Lebensstils von Parvancorina

Diese Schlussfolgerung mag wie eine kleine Fußnote in der Geschichte des Lebens auf der Erde klingen. Wir glauben jedoch, dass dies starke Auswirkungen darauf hat, wie wir die Ediacara-Biota als Ganzes betrachten.

Erstens ist derzeit so wenig über Parvancorina bekannt, dass zusätzliche Informationen von entscheidender Bedeutung sind. Das Wissen, dass es mobil war, wird uns helfen herauszufinden, wo dieses Fossil in den Baum des Lebens passt.

Zweitens ist die Schlussfolgerung, dass Parvancorina mobil war, aber dennoch keine Spur seiner Bewegung hinterlassen hat, wichtig - es bedeutet, dass viele andere Ediacaran-Fossilien, von denen wir angenommen haben, dass sie sitzend sind, möglicherweise auch mobil waren. Dies kann erfordern, dass wir uns die Ediacaran-Ökosysteme als viel dynamischer und damit viel komplexer vorstellen, als wir bisher dachten.

Durch die Verwendung von Werkzeugen wie der rechnergestützten Fluiddynamik zur Rückentwicklung der Ediacara-Biota kommen wir dem Verständnis näher, was sie darstellen und wie sie 15 Millionen Jahre vor der Explosion im Kambrium gelebt und funktioniert haben.

Beliebt nach Thema