O QUE PROVOCOU A EXPLOSÃO CAMBRIANA?

Uma explosão evolutiva 540 milhões de anos atrás encheu os mares com uma espantosa diversidade de animais. O gatilho por trás da revolução está finalmente entrando em foco.

Os mares cambrianas fervilhava com novos tipos de animais, tais como o predador Anomalocaris (centro). John Sibbick / Museu de História Natural

Os mares cambrianas fervilhava com novos tipos de animais, tais como o predador Anomalocaris (centro). John Sibbick / Museu de História Natural

Uma série de pináculos escuro e íngremes sobe 80 metros acima das planícies da Namíbia. Os picos dizem a nossa mente que é algo antigo – os túmulos de civilizações passadas ou as pontas das grandes pirâmides enterradas pelas eras.

As formações rochosas são realmente monumentos de um império desaparecido, mas não de qualquer coisa talhada por mãos humanas. Eles são os recifes de pináculos, construídos por cianobactérias no fundo de um mar raso de 543 milhões de anos atrás, durante um tempo conhecido como o período Ediacarano. O mundo antigo ocupado por estes recifes foi verdadeiramente alienígena. Os oceanos tinham tão pouco oxigênio que os peixes modernos rapidamente morreriam ali. Uma esteira pegajosa de micróbios cobria o fundo do mar na época, e sobre esse cobertor viveu uma variedade de animais enigmáticos cujos corpos se assemelhando a finos travesseiros acolchoados. A maioria era estacionária, mas alguns serpenteavam cegamente sobre o lodo, pastando sobre os micróbios. A vida animal neste momento era simples, e não havia predadores. Mas uma tempestade evolutiva logo derrubou este mundo quieto.

Dentro de alguns milhões de anos, este ecossistema simples desapareceria, e daria lugar a um mundo governado por animais altamente móveis que ostentou modernas características anatômicas. Na explosão cambriana, como é chamada, artrópodes com pernas e olhos compostos, vermes com brânquias e predadores rápidos que poderiam esmagar presas na mandíbula com dentes foram produzidos. Os biólogos têm argumentado há décadas sobre o que acendeu esta explosão evolutiva. Alguns pensam que um aumento acentuado no oxigênio provocou a mudança, enquanto outros dizem que eles surgiram a partir do desenvolvimento de alguma inovação evolutiva chave, tais como visão. A causa precisa permaneceu uma incógnita, em parte porque pouco se sabia sobre o ambiente físico e químico naquele momento.

Mas ao longo dos últimos anos, as descobertas começaram a render algumas pistas interessantes sobre o fim do período Ediacarano. As evidências recolhidas dos recifes da Namíbia e outros locais sugerem que as teorias anteriores eram demasiadamente simplistas – que a explosão cambriana, na verdade, surgiu a partir de uma interação complexa entre pequenas mudanças ambientais que desencadeou grandes desenvolvimentos evolutivos.

Alguns cientistas acreditam agora que um pequeno, talvez temporário, aumento do oxigênio cruzou um limite ecológico, permitindo o aparecimento de predadores. A ascensão dos carnívoros teria detonar uma corrida armamentista evolucionária que levou à explosão de tipos de corpo complexos e comportamentos que encheram os oceanos atuais. “Este é o evento mais significativo na evolução da Terra”, diz Guy Narbonne, um paleobiólogo da Universidade de Queen em Kingston, Canadá. “O advento da carnivoria generalizada, tornou-se possível devido á oxigenação, e é provável que tenha sido um grande gatilho”.

Energia para queimar

No mundo moderno, é fácil esquecer que os animais complexos são recém-chegados em relação à Terra. Desde que a vida surgiu pela primeira vez mais de 3 bilhões de anos atrás, organismos unicelulares têm dominado o planeta durante a maior parte de sua história. Prosperando em ambientes que faltava oxigênio, eles contaram com compostos, tais como dióxido de carbono, moléculas que contêm enxofre ou minerais de ferro que funcionam como agentes oxidantes para quebrar a comida. Grande parte da biosfera microbiana da Terra ainda sobrevive nessas vias anaeróbias.

Animais, no entanto, dependem do oxigênio – uma maneira muito mais rica para ganhar a vida. O processo de metabolizar alimentos na presença de oxigênio libera muito mais energia do que a maioria das vias anaeróbias. Animais contam com esta combustão potente, controlada para conduzir inovações de elevado consumo energético, tais como os músculos, sistema nervoso e as ferramentas de defesa e carnivoria – escudos mineralizados, exoesqueletos e dentes.

Dada a importância do oxigênio para os animais, os investigadores suspeitaram que um aumento repentino no gás para níveis quase-modernas no oceano poderiam ter estimulado a explosão cambriana. Para testar essa ideia, eles estudaram sedimentos oceânicos antigos estabelecidos durante os períodos de Ediacara e Cambrianos, que juntos decorreram de cerca de 635 milhões até 485 milhões de anos atrás.

Na Namíbia, China e outros lugares ao redor do mundo, os pesquisadores coletaram rochas que antes eram fundos marinhos antigos, e analisaram as quantidades de ferro, molibdênio e outros metais em si. A solubilidade dos metais depende fortemente da quantidade de oxigênio presente, de modo a quantidade e o tipo desses metais em rochas sedimentares antigas refletem a quantidade de oxigênio estava na água há muito tempo, quando os sedimentos foram formados.

Estes representantes pareciam indicar que as concentrações de oxigênio nos oceanos aumentaram em várias etapas, aproximando-se das concentrações da superfície do mar de hoje, no início do Cambriano, há cerca de 541 milhões de anos atrás – pouco antes dos animais mais – modernos aparecerem de repente e diversificados. Estes achados apoiaram a ideia de que o oxigênio atuou como um gatilho chave para a explosão evolutiva.

Mas no ano passado, um dos principais estudos dos antigos sedimentos do fundo do mar desafiou esse ponto de vista. Erik Sperling, um paleontólogo da Universidade de Stanford, na Califórnia, compilou um banco de dados de 4.700 medições de ferro retirado de rochas em todo o mundo que mediu os períodos Ediacaranos e Cambrianos. Ele e seus colegas não encontraram qualquer aumento estatisticamente significativo na proporção de oxigênio na água anóxica na fronteira entre o Ediacarano e o Cambriano.

“Qualquer evento de oxigenação deve ter sido muito, muito menor do que o que as pessoas normalmente consideram”, conclui Sperling. A maioria das pessoas assume “que o evento da oxigenação essencialmente levantou oxigênio para os essencialmente níveis modernos. E que provavelmente não foi o caso”, diz ele.

Os últimos resultados vêm em um momento em que os cientistas já estão reconsiderando o que estava acontecendo com os níveis do oceano oxigênio durante esse período crucial. Donald Canfield, um Geobiologist na Universidade do Sul da Dinamarca, em Odense, duvida que o oxigênio era um fator limitante para animais primitivos. Em um estudo publicado na PNAS, ele e seus colegas sugerem que os níveis de oxigênio já eram elevados o suficiente para apoiar animais simples, como esponjas, centenas de milhões de anos antes que eles realmente aparecerem. Animais do Cambriano teria precisado de mais oxigênio no início esponjas, admite Canfield. “Mas você não precisa de um aumento do oxigênio em todo o limite Ediacarano/cambriano”, diz ele; o oxigênio já poderia ter sido abundante o suficiente “por um longo, longo tempo antes”.

“O papel do oxigênio nas origens de animais tem sido fortemente debatidos”, diz Timothy Lyons, um Geobiologista na Universidade da Califórnia, em Riverside. “Na verdade, isso nunca foi mais debatido do que é agora.” Lyons vê um papel para o oxigênio em mudanças evolutivas, mas em seu próprio trabalho com molibdênio e outros metais de traço sugere que os aumentos de oxigênio, pouco antes do Cambriano eram de picos e em sua maior parte temporários que duraram alguns milhões de anos e, gradualmente, deu um passo para cima.

Nik Spencer/Nature

Nik Spencer/Nature

Espelhos modernos

Sperling tem procurado insights sobre oceanos de Ediacara, estudando regiões pobres em oxigênio nos mares modernos em todo o mundo. Ele sugere que os biólogos têm convencionalmente tomado a abordagem errada para pensar sobre como o oxigênio atuou na evolução animal. Ao reunir e analisar dados publicados anteriormente com algumas de sua autoria, ele descobriu que pequenos vermes sobrevivem em áreas do fundo do mar, onde os níveis de oxigênio são incrivelmente baixos – menos de 0,5% das concentrações médias da superfície do mar globais. Teias alimentares nesses ambientes pobres em oxigênio são simples, e os animais se alimentam diretamente sobre micróbios. Em lugares onde os níveis de oxigênio do fundo do mar são um pouco mais alto – cerca de 0,5 – 3% das concentrações na superfície do mar – animais são mais abundantes, mas as suas teias alimentares permanecem limitadas: os animais ainda se alimentam de micróbios ao invés de um ao outro. Mas em algum lugar entre 3% e 10% de oxigênio níveis, predadores emergiram e começar a consumir outros animais.

As implicações desta descoberta para a evolução são profundas, disse Sperling. O aumento modesto do oxigênio que ele acredita que pode ter ocorrido pouco antes do Cambriano teria sido suficiente para desencadear uma grande mudança. “Se os níveis de oxigênio foram de 3% e subiu passado que limiar de 10%, teria tido uma enorme influência sobre evolução animal primitiva”, diz ele. “Há tanta coisa em ecologia animal, estilo de vida e tamanho do corpo que parece mudar de forma tão dramática através desses níveis”.

O surgimento gradual de predadores, impulsionado por um pequeno aumento em oxigênio, teria significado problemas para os animais de Ediacara que não tinham defesas óbvias. “Você está observando formas de corpo mole, principalmente imóveis e que provavelmente viveram suas vidas através da absorção de nutrientes através da pele”, diz Narbonne.

Estudos desses antigos de recifes da Namíbia sugerem que os animais estavam realmente começando a ser vítima de predadores até o final do Ediacarano. Quando a palaeobiologista Rachel Wood, da Universidade de Edimburgo, Reino Unido, analisou as formações rochosas, ela encontrou pontos onde um animal primitivo chamado Cloudina tinha assumido partes do recife microbiano. Ao invés de ir se espalhando ao longo do fundo do oceano, essas criaturas em forma de cone viviam em colônias lotadas, que escondiam suas partes do corpo vulneráveis ​​dos predadores – uma dinâmica ecológica que ocorre em recifes modernos.

Cloudina estava entre os primeiros animais conhecidos por terem crescido rígidos, com exoesqueletos mineralizados. Mas eles não estavam sozinhos. Dois outros tipos de animais nesses recifes também tiveram partes mineralizadas, o que sugere que vários grupos, independentes evoluíram escudos esqueleto em torno do mesmo tempo. “Esqueletos são bastante caros para produzir”, diz Wood. “É muito difícil chegar a uma razão que não seja a defesa de por que um animal deve se preocupar em criar um esqueleto para si mesmo.” Wood acredita que os esqueletos forneceram proteção contra predadores recém evoluídos. Alguns fósseis de Cloudina desse período ainda têm buracos em seus lados, que os cientistas interpretam como as marcas de atacantes que perfuraram as conchas dessas criaturas.

Paleontólogos descobriram outros indícios de que os animais tinham começado a comer uns aos outros na primitiva Ediacarana. Na Namíbia, Austrália e Terra Nova, no Canadá, alguns sedimentos do fundo do mar ter preservado um tipo incomum de túnel feito por uma criatura em forma de verme desconhecido. São chamas de tocas de Treptichnus, estes criadouros se ramificam novo e de novo, como se um predador logo abaixo do tapete microbiano tivesse sistematicamente sondado a presa na parte superior. As tocas de Trepticnus se assemelham a dos priapulidas modernos, ou vermes “pênis”, – vorazes predadores que caçam de uma forma muito semelhante ao cachadores de assoalho modernos.

O aumento da predação neste momento coloca os grandes animais de Ediacara sedentários em grande desvantagem. “Sentados sem fazer nada se torna uma responsabilidade”, diz Narbonne.

O mundo em 3D

O momento de transição do Ediacarano ao mundo Cambriano é gravado em uma série de afloramentos de pedra arredondada por antigos glaciares na borda sul de Newfoundland. Abaixo desse limite são impressões deixadas por animais de Ediacara acolchoadas, os últimos fósseis registrados na Terra. E apenas 1,2 metros acima deles, os siltstones cinzas mantém trilhas de marcas de arranhões, que teriam sido feitas por animais com exoesqueletos, andando sobre pernas articuladas – a evidência mais antiga de artrópodes na história da Terra.

Ninguém sabe quanto tempo passou intervindo na rocha – talvez tão pouco como alguns séculos ou milênios, diz Narbonne. Mas durante esse curto período, os de corpo mole, a fauna de Ediacara estacionárias de repente desapareceram, levada à extinção por predadores, sugere-se.

Narbonne estudou de perto os poucos da fauna que sobreviveram esta transição, e os seus resultados sugerem que alguns deles tinham adquirido novos tipos mais complexos de comportamento. As melhores pistas vêm de vestígios deixados pelos pacíficos animais vermiformes que pastavam na esteira microbiana. As primeiras trilhas sinuosas de cerca de 555 milhões de anos atrás cruzaram ao acaso, indicando um sistema nervoso pouco desenvolvido que era incapaz de sentir ou reagir a outros herbívoros nas proximidades – e muito menos predadores. Mas no final do Ediacarano e início do Cambriano, as trilhas se tornam mais sofisticadas: criaturas esculpidas voltam mais apertadas, aradas e espaçadas, com linhas paralelas através dos sedimentos. Em alguns casos, um rastro de alimentação curvilínea com transições abruptamente em uma linha reta, o que Narbonne interpreta como evidência potencial de um predador.

Esta mudança no estilo de pastagem pode ter contribuído para a fragmentação do tapete microbiano, que começou no início do Cambriano. E a transformação do fundo do mar, diz Narbonne, “pode ​​ter sido a mudança mais profunda na história da vida na Terra”. O tapete tinha anteriormente abrangido o fundo do mar como uma camada de filme plástico, deixando os sedimentos subjacentes largamente anóxicos e fora dos limites dos animais. Porque os animais não poderiam escavar profundamente no Ediacarano, diz ele, “o tapete significava que a vida era bidimensional”. Quando as capacidades de pastoreio melhoraram, animais penetraram no tapete e fez primeiro os sedimentos se tornarem habitáveis, o que abriu um mundo 3D.

Faixas do Cambriano primitivo mostram que os animais começaram a escavar vários centímetros nos sedimentos debaixo do tapete, o que proporcionou o acesso a nutrientes anteriormente inexplorados – bem como um refúgio contra predadores. Também é possível que os animais foram na direção oposta. Sperling diz que a necessidade de evitar predadores (e perseguir presas) pode ter levado os animais a colunas de água acima do fundo do mar, onde os níveis de oxigênio reforçados permitiu-lhes gastar energia através de natação.

A evidência emergente sobre os limites de oxigênio e ecologia também pode lançar luz sobre uma outra questão evolutiva importante: quando é que os animais se originaram? Os primeiros fósseis indiscutíveis de animais aparecem apenas 580 milhões de anos atrás, mas a evidência genética indica que grupos básicos animais se originaram, tanto mais para trás como 700 – 800 milhões de anos atrás. De acordo com Lyons, a solução pode ser que os níveis de oxigênio subiram talvez de 2% ou 3% dos níveis modernos a cerca de 800 milhões de anos atrás. Estas concentrações poderiam ter erguido pequenos animais, simples, assim como fazem hoje em zonas pobres em oxigênio do oceano. Mas os animais com grandes corpos não poderia ter evoluído até que os níveis de oxigênio subissem mais alto que no Ediacarano.

Entender como o oxigênio influenciou o aparecimento de animais complexos exigirá cientistas provocar pistas mais sutis fora das rochas. “Estamos desafiando as pessoas a trabalhar em fósseis para amarrar seus fósseis mais de perto aos nossos representantes do oxigênio”, diz Lyons. Isso vai significar decifrar o quais diferentes níveis de oxigênio estavam em diferentes ambientes antigos, e conectando esses valores com os tipos de características exibidas pelos fósseis de animais encontrados nos mesmos locais.

Deste do outono passado, Wood visitou a Sibéria com esse objetivo em mente. Ela recolheu fósseis de Cloudina e um outro animal esqueletizado, Suvorovella, desde os dias finais do Ediacarano. Esses locais deu-lhe a oportunidade de reunir fósseis de profundidades muitos diferentes no oceano antigo, desde as águas mais superficiais ricas em oxigênio para zonas mais profundas. Wood planeia procurar padrões em que os animais foram crescendo esqueletos mais duros, se eles estavam sob ataque de predadores e se nada disso tinha uma ligação clara com os níveis de oxigênio, diz ela. “Só então você pode escolher a história.”

Fonte: Nature

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