آیا انفجار کامبرین فرگشت را به چالش می‌کشد؟

“انفجار کامبرین” به ظهور مدارک فسیلی از اکثر طرح‌های اصلی بدن حیوانات در حدود 543 میلیون سال پیش گفته می‌شود. فسیل‌های جدید دارای فاصله زمانی تقریبا 20 میلیون سال یا کمتر هستند. در مقیاس‌های زمانی تکاملی، 20 میلیون سال یک انفجار سریع است که به نظر می‌رسد با سرعت تدریجی تغییرات تکاملی ناسازگار باشد. با این حال، تغییرات سریع اینچنینی، در زمان‌های دیگر (اغلب پس از انقراض‌های بزرگ) در فسیل‌ها ظاهر شده است. انفجار کامبرین تعدادی سوال تحقیقاتی جالب و مهم با خود به همراه دارد اما به طور اساسی تز اصلی تکامل را به چالش نمی‌کشد.

اصطلاح “انفجار کامبرین” به ظهور و تنوع سریع اکثر طرح‌های اصلی بدن جانوران زنده (فیلا) در مدارک فسیلی در فاصله‌ای حدود 20 میلیون سال یا کمتر گفته می‌شود که دوره‌ای نسبتاً کوتاه در تاریخ تکامل بشمار می‌آید. این زمان به کامبرین اولیه معروف است و حدود 543 میلیون سال پیش آغاز شده است. این فاصله زمانی توسط برخی از ذخایر فسیلی ثبت‌ شده و شامل فسیل‌هایی از حیوانات اولیه است که به خوبی حفظ شده‌اند. دو نمونه معروف عبارتند از شیل برگس در کانادا و چنگ جیانگ در چین. علیرغم ادعای برخی، کامبرین آغاز حیات جانوران چند سلولی نیست. مدارک فسیلی بعدی حداقل به 30 میلیون سال قبل باز می‌گردد.

انفجار کامبرین اغلب به عنوان چالشی برای تکامل مطرح می‌شود، زیرا به نظر می‌رسد انفجار ناگهانی تغییرات در شواهد فسیلی با سرعت معمول و تدریجی تغییرات تکامل ناسازگار باشد. گرچه این انفجار از برخی جهات مقوله متفاوتی است اما تغییرات سریع مانند این در زمان‌های دیگر (اغلب پس از انقراض‌های بزرگ) نیز در فسیل‌ها ظاهر شده است. انفجار کامبرین سؤالات چالش‌برانگیز و مهمی را مطرح می‌کند زیرا روایت زمانی است که طی آن شاخه‌های اصلی درخت حیات جانوری ایجاد شده‌اند اما به طور اساسی تز اصلی تکامل، یعنی نیای مشترک همه گونه‌های زنده را زیر سوال نمی‌برد. این دوره مهمی در تاریخ حیات است و میلیون‌ها سال طول کشیده که زمان زیادی برای تکامل یافتن به این اشکال بدنی جدید (فیلا) محسوب می‌شود. علاوه بر این، شواهد فسیلی نمونه‌های متعددی از ارگانیسم‌هایی را ارائه می‌کند که به نظر می‌رسد بین فیلاهای زنده و اجداد مشترکشان در حال گذار هستند. تحقیقات مداوم در مورد دوره کامبرین فرصتی هیجان‌انگیز برای ارتقای درک ما از نحوه عملکرد فرآیندهای تکاملی و عوامل محیطی شکل‌دهنده آنها است.

طرح‌های اصلی بدن حیوانات که در انفجار کامبرین ظاهر شد شامل ظهور گروه‌های حیوانی مدرن مانند ستاره‌های دریایی، خرچنگ‌ها، حشرات، ماهی‌ها، مارمولک‌ها، پرندگان و پستانداران نمی‌شود. این گروه‌های جانوری همگی در زمان‌های مختلف و بسیار دیرتر در آثار فسیلی ظاهر شدند. اشکالی که در انفجار کامبرین ظاهر شدند، بدوی‌تر از گروه‌های بعدی و اکثراً موجوداتی با بدنی نرم بودند. با این حال، آنها دارای ویژگی‌های اساسی هستند که شاخه‌های اصلی درخت حیات که اشکال حیات بعدی به آنها تعلق دارد را تعریف می‌کند. به عنوان مثال، مهره‌داران بخشی از گروه Chordata هستند. Chordateها با طناب عصبی، کیسه‌های آبششی و میله‌ای به نام نوتوکورد متمایز و شناسایی می‌شوند. در جانوران کامبرین ابتدا فسیل موجوداتی نرم با این خصوصیات را می‌بینیم در حالی که گروه‌های زنده مهره‌داران بسیار موخرتر هستند. همچنین درک این نکته مهم است که بسیاری از موجودات کامبرین، اگرچه به احتمال زیاد نزدیک پایه شاخه‌های اصلی درخت حیات هستند، اما همه ویژگی‌های تعیین‌کننده طرح‌های بدن حیوانات مدرن را ندارند. این ویژگی‌های تعیین‌کننده به تدریج در یک دوره زمانی بسیار طولانی‌تر ظاهر شده‌اند.

تفسیر انفجار کامبرین

همه دانشمندان قبول ندارند که انفجار کامبرین نشان‌دهنده یک انتقال تکاملی سریع و غیرعادی است. سابقه فسیلی به ویژه برای اشکال کوچک و نرم بدن بسیار ناقص است. برخی از محققان استدلال می‌کنند که تنوع سریع ظاهری طرح‌های بدن، مصنوع از افزایش سرعت فسیل‌سازی و تا حدی هم به دلیل تکامل اسکلت‌هاست که به طور مؤثرتری به فسیل تبدیل می‌شوند. در بسیاری از موارد، این ساختارهای معدنی(خارها، اسپیکول‌ها، پلاک‌ها و غیره) که غالباً بسیار ریز هستند، همه چیزی است که به عنوان فسیل یافت می‌شود. تغییرات عمده‌ای در محیط‌های دریایی و شیمی از اواخر پیشا-کامبرین تا کامبرین وجود داشته و ممکن است بر ظهور اسکلت‌های معدنی در میان موجودات با بدن نرم قبلی تأثیر گذاشته باشد.

اکثر دانشمندان متقاعد شده‌اند که اتفاق مهمی در سپیده‌دم عصر کامبرین رخ داده است و انفجار کامبرین را محدوده‌ای برای تحقیقات هیجان‌انگیز و سازنده می‌دانند. به عنوان مثال، دانشمندان اکنون به درک بهتری از آنچه قبل از انفجار کامبرین بعنوان نتیجه اکتشافات فسیلی جدید وجود داشته، به دست آورده‌اند. اکتشافات اخیر در حال یافتن شواهد فسیلی برای جانوران پیشا-کامبرین با موجودات نرم مانند آنهایی است که در مجموعه‌های Ediacaran در سراسر جهان یافت می‌شوند. اکتشافات فسیلی پیشا-کامبرین متأخر نیز اکنون شامل نمونه اسفنج‌ها، cnidarians (گروهی که شامل چتر دریایی مدرن، مرجان‌ها و شقایق‌ها می‌شود)، نرم‌تنان و گروه‌های مختلف کرم‌مانند است. برخی از اکتشافات فسیلی جدید، در واقع به نظر می‌رسد که پیش‌سازهای اولیه‌تری از طرح‌های بدن کامبرین باشند. کشف چنین پیش‌سازهایی حاکی از این است که ارگانیسم‌های کامبرین از هوای رقیق ظاهر نشده‌اند. اکتشافات بیشتر بدون شک رابطه موجودات پیشا-کامبرین را با موجودات موجود در رسوبات معدنی برگس شیل و چنگ جیانگ به وضوح آشکار می‌کند.

مطالعات ژنومی بینش بیشتری در مورد منشاء انفجار کامبرین ارائه می‌دهد. اگرچه واگرایی ژنتیکی موجودات قبل از شناسایی طرح‌های بدنی جدید در فسیل‌ها انجام می‌شد، اما انباشته شدن داده‌های ژنومی به طور کلی با شواهد فسیلی مطابقت دارد. هر دو به ظهور بی‌مهرگان (جانوران بی‌مهره متقارن دو طرفه) در آخرین دوره پیشا-کامبرین Ediacaran و انفجار اکولوژیکی آنها در تنوع موجود در کامبرین اشاره می‌کنند.

فسیل پوسته گاستروپود به اوایل کامبرین باز می‌گردد.

سوالات بی‌پاسخ

 تغییر ناگهانی عصر کامبرین، در شرایط نسبی، برای روند تکامل چندان ناگهانی نبود. تغییرات در دوران کامبرین در طول دهه‌ها، قرن‌ها یا حتی هزاران سال اتفاق نیفتاده بلکه در طول میلیون‌ها سال رخ داده‌اند که زمان زیادی برای تغییرات تکاملی محسوب می‌شود. با این حال، برای میلیون‌ها سال قبل، طرح‌های بدن حیوانات نسبتا ثابت باقی مانده و تا این دوره زمانی تغییر قابل توجهی رخ نداده بود. سؤالات باقی‌مانده عبارتند از: چه چیزی باعث انفجار کامبرین شد؟ و چرا این حجم از تغییرات در طول این زمان رخ داده است؟ چندین نظریه مختلف به منشأ انفجار کامبرین می‌پردازند و پیشنهاد می‌کنند که تغییرات چشمگیر محیطی باید زمینه‌های جدیدی برای عمل انتخاب طبیعی ایجاد کرده باشد. این پیشنهادات شامل نظریه یخبندان سراسری یا زمین گوی برفی است، که ادعا می‌کند یخچال‌ها برای مدت کوتاهی بیشتر سطح زمین را می‌پوشانند و از دست دادن زیستگاه منجر به ایجاد گلوگاه‌هایی شده که به تکامل فرصت عملکرد سریعتری داده‌اند. نظریه دیگری می‌گوید که تغییر در میزان اکسیژن اتمسفر منجر به این انفجار ناگهانی در تغییرات تکاملی شده است. نظریه بعدی این است که تغییرات عمده در بستر دریا، از سطوح پوشیده از حصیر جلبک در اواخر پیشا-کامبرین تا کف گلی نرم، بعدا در کامبرین اثرات چشمگیر تکاملی و زیست محیطی داشته است.

فسیل‌های دوران کامبرین، ارائه پاسخ

در حالی که علل انفجار کامبرین همچنان مورد بحث و هیجان‌انگیز است، اکتشافات فسیلی مستمر از دوران کامبرین و پیشا-کامبرین به پازل تکاملی وضوح بیشتری می‌بخشد. این فسیل‌ها بینشی ارزشمند، به ویژه برای تجسم اجداد مشترک گروه‌های مختلف ارائه می‌دهند. به عنوان مثال، مهره‌داران (ماهی) و خارپوستان (خارپشت دریایی، ستاره دریایی) بخشی از گروهی به نام دوتروستوم هستند. بدون شواهد فسیلی، تصور یک جد مشترک برای این موجوداتِ بسیار متفاوت قطعا دشوار خواهد بود. فسیل‌های کامبرین در حال پر کردن جاهای خالی این تصویر هستند.

منابع:

1. Derek Briggs, Douglas Erwin, and Frederick Collier, The Fossils of the Burgess Shale(Washington: Smithsonian Institution Press, 1994). Junyuan Chen and Guiqing Zhou, “Biology of the Chengjiang Fauna,” in Junyuan Chen, Yen-nien Cheng, and H.V. Iten (eds.), The Cambrian Explosion and the Fossil Record, Bulletin of the National Museum of Natural Science 10 (Taichung, Taiwan, China, 1997), 11-105.
2. David Campbell and Keith Miller, “The ‘Cambrian Explosion’: A Challenge to Evolutionary theory?” in Keith Miller (ed.), Perspectives on an Evolving Creation(Grand Rapids, MI: Wm. b. Eerdmans Pub. Co., 2003), 182-204.
3. Darrel R. Falk, Coming to Peace with Science: Bridging the Worlds between Faith and Biology(Downers Grove, IL: InterVarsity Press, 2004), 95.
4. Graham Budd and Soren Jensen, “A Critical Reappraisal of the Fossil Record of the Bilaterian Phyla,” Biological Reviews75 (2000): 253-295.
5. Darrel R. Falk, Coming to Peace with Science: Bridging the Worlds between Faith and Biology(Downers Grove, IL: InterVarsity Press, 2004), 94
6. Simon Conway Morris, “The Cambrian Explosion,” course, September 16, 2007; and S.T. Brennan, T.K. Lowenstein, and J. Horita, 2004, “Seawater chemistry and the advent of biocalcification,” Geology32 (2004): 473-476.
7. A. Fedonkin, “Vendian faunas and the early evolution of metazoa,” In, J.H. Lipps and P.W. Signor (eds.), Origin and Early Evolution of the Metazoa(New York: Plenum Press, 1992), p.87-129. G.M. Narbbonne, M. Laflamme, C. Greentree, and P. Trusler, “Reconstructing a lost world: Ediacaran rangeomorphs from Spaniard’s Bay, Newfoundland,” Journal of Paleontology 83, no. 4 (2009): 503-523.
8. David Campbell and Keith Miller, “The ‘Cambrian Explosion’: A Challenge to Evolutionary theory?”
9. For a technical discussion, see for example, Douglas H. Erwin and Eric H. Davidson, “The Last Common Bilaterian Ancestor,” Development 129 (2002): 3021-32
10. Kevin J. Peterson et al., “The Ediacaran Emergence of bilaterians: Congruence between the genetic and the geological fossil records,” Philosophical Transactions of the Royal Society B363 (2008), 1435–43.
11. F. Hoffman and D.P. Schrag, “The snowball Earth hypothesis: testing the limits of global change,” Terra Nova14 (2002): 129-155.
12. Simon Conway Morris, The Cambrian Explosion; and D.A. Fike, J.P. Grotzinger, L.M. Pratt, and R.E. Summons, “Oxidation of the Ediacaran ocean,” Nature444 (2006): 744-747.
13. David Bottjer, James Hagadorn, and Stephen Dornbos, “The Cambrian Substrate Revolution,” GSA Today10, no. 9 (2000): 1-7.
14. Shu, D-G., et al., “Primitive deuterstomes from the Chengjiang Lagerstatte ( Lower Cambrian, China),” Nature414 (2001): 419-424.