Monisoluiset eläimet kehittyvät

Taulun koordinaatit Galileo -koordinaatistossa (kyberturvallisuuskeskus.fi/fi/toimintamme/satelliittipaikannus): 69,8944, 269920

Ajanjaksolla 800 miljoonaa vuotta sitten, Proterotsooinen geologinen aikakausi eli eoni on lähestymässä loppuaan, ja muuttumassa fanetrotsooiseksi eoniksi. Eletään Myöhäis-proterotsooista, prekambrista geologista aikakautta.

http://weppi.gtk.fi/aineistot/mp-opas/aikakaudet.htm

Tässä vaiheessa maailmassa on olemassa jo vakaa eliökunta, joka koostuu suurimmalta osalta yksisoluisista bakteereista, arkeoneista, sekä tumallisista alkueläimistä ja levistä, sekä monisoluisista rihmamaisitsa levistä. Kaikki elämä on vielä merissä, elämä ei voi sielä selviytyä kuivalla maalla, sillä ilmakehässä ei ole riittävästi happea eikä otsonia, jotka pysäyttäisivät tuhoisan UV-säteilyn. Hapen määrä ilmakehässä on kuitenkin nousuemassa, sillä merissä elävä runsas levä-lajisto yhteyttää tehokkaasti ja tuottaa happea.

Näinä aikoina planeetalla tapahtuu suuria ja merkittäviä muutoksia eliökunnan kehittymisessä. Ympäristön muutokset ajavat lajien kehitystä uuteen suuntaan, ja lajiston muuttuminen muuttaa ympäristöolosuhteita. Suurten muutokset ja rauhallisemmat aikakaudet vuorottelevat vuosimiljoonien vaihtuessa.

Ajanjaksolla 720 – 635 miljoonaa vuotta sitten koko planeetta oli totaalisen jääkauden vallassa. Aikaa kutsutaan kryogeeniseksi jääkaudeksi, ja sen aikana planeetta oli joko kokonaan, tai ainakin lähes kokonaan jään ja lumen peitossa. Jäisten olosuhteiden ankaruus vaihteli tämän kauden aikana niin että jääkausi voidaan katsoa jakaantuvan kahteen eri osaan, eli Stuartilaiseen ja Marinolaiseen jäätiköitymisen aikaan, jotka tapahtuivat 717-643  ja 650-635 miljoonaa vuotta sitten, niin että niiden välinn jäi lauhkeampi ajanjakso.

Yleiskuva kokonaan jäätyneen planeetan pinnasta. Olosuhteet ovat äärimmäisen ankarat, mutta elämä voi kuitenkin säilyä meressä jään alla, esimerkiksi mustien savuttajine tarjoaman energian varassa. https://en.wikipedia.org/wiki/Snowball_Earth

Tämä lähes sata miljoonaa vuotta jatkunut totaalijääkausi oli valtava stressi olemassaolevalla yksisoluisten eliöiden eliökunnalle, ja suuri osa lajeista ja biomassassata tuhoutui. Elämä kuitenkin selviytyi hengissä ankarien olosuhteiden yli; suuri merkitys selviytymisessä oli syanobakteereilla ja muilla yhteyttävillä lajeilla jotka, saattoivat jatkaa elintoimintojaan myös ohuen jään alla, ja jään ja lumen sisällä. Myös meren pohjalla toimivat kuumat lähteet tarjosivat energiaa joillekin niiden ympäristöön sopeutuneille lajeille.

Totaalijääkausi päättyy

Myös yksisoluisten alkueläinten lajistoa selvisi läpi tästä suuresta sukupuuttoajasta. Stressaavissa olosuhteissa niistä kehittyi uusi ja monimutkaisempi eliökunnan eläintyyppi, eli ensimmäiset monisoluiset eläimet. Näiden kantamuotona oli yksisoluinen kaulussiimaeliö, jonka kolonioista kehittyi alkeellinen sienieläintä muistuttava monisoluinen eläin.

Varhainen pesusienifossiili, jonka kaltaisia esiintyi myös kryogeenikaudelta. (Z. Yin et al./ PNAS)

Jääkauden päättyessä elinolosuhteet matalissa merissä muuttuivat vähitellen hyvin suotuisiksi. Vedet lämpenivät, tilaa ja ravinteita oli tarjolla runsaasti, ja fotosynteettiset eliöt tuottivat tehokkaasti happea niin että veden happipitoisuus oli noin 15 %, ja kohoamassa.

O₂ lisääntyminen Maan ilmakehässä ajan kuluessa, punainen ja vihreä viiva osoittamvat arvioden ylä- ja alarajaa. https://en.wikipedia.org/wiki/Great_Oxidation_Event

Totaalijääkauden kylmät olosuhteet ovat hyvin stabiilit, sillä jäisen planeetan valkoinen pinta heijastaa pois kaiken valo—ja lämpösäteilyn, eikä planeetta pääse lämpenemään. Kuitenkin Maa-planeetta sisältää omassa rakenteessaan mekanismin joka pystyy sulattamaan tällaisen pysyvästi jäätyneen tilanteen: riittävä tulivuoriaktiivisuus tuottaa pinnalle jonkin verran tummaa tuhkaa, ja se tuottaa myös ilmakehään hiilidioksidia joka toimii kasvihuonekaasuna ja mahdollistaa pinnan lämpenemisen. Tämä geologinen ”lämmityslaite” pystyy lämmittämään planeetan hyvin tehokkaasti ja nopeasti. Jään sulettua se jää helposti ”päälle” vielä pitkäksi aikaa: jäisen planeetan ilmakehään kertynyt korkea kasvihuonekaasupitoisuus voi nostaa lämpötilan nopeasti merkittävän ylös.

Tulivuoritoiminta on aina palauttanut ilmakehään CO 2:ta, ja edesauttanut jääkausien päättymistä https://en.wikipedia.org/wiki/Snowball_Earth

Uusissa suotuisissa olosuhteissa monisoluiset eläimet kehittyivät nopeasti ja tuottivat merten pohjalle uuden pehmeärunkoisten eläinten lajiston. Ensimmäisen löytöpaikkansa mukaan lajistoa kutsutaan Ediakaran eläimiksi. Pehmeistä ja tukirangattomista eläimistä ei ole säilynyt paljoakaan fossiloituneita näytteitä, mutta ilmeisesti niiden lajisto oli rikas ja monimuotoinen, ja laajalle levinnyt. Lajit muistuttivat nykyisiä yksinkertaisia merieläimiä, kuten meduusoja, sienieläimiä ja koralleja.

Ediacaran ajan eläimet olivat pehmeitä ja usein paikoilleen kiinnittyneitä. (Christian Jeguu)

Kambrikausi  540 – 500 miljoonaa vuotta sitten

Jopa kahden metrin mittainen Anomalocaris oli kambrikauden jättipeto. (Walter Myers)

Merten happipitoisuus on nousemassa, ilmasto oli lämmin. Merenpinnat olivat korkealla, minkä vaikutuksesta monia mantereisia alueita peittivät matalat meret. Eläimet lisääntyivät nopeasti näiden pohjalla. Lajistoon kehittyi ravintoketjuja, eri lajit kilpailivat selviytymisen mahdollisuuksista. Uudet kovarakenteiset tukirangat mahdollistavat eläinten tehokkaan liikkumisen, mikä ajoi nopeaa saalis- ja petoeläinten kehittymistä.

Tämä nopea kehitysvaihe tuotti suuren valikoiman mitä erilaisimpia eliöiden rakenteita, ja eliötyyppeihin sisältyi jo suurin osa kaikista nykyisistä eläinten pääjaksoista, kuten selkäjänteiset. Eläinten kovat rakenteet mahdollistivat myös niiden säilymisen rikkaana fossiililajistona. Tätä eläinlajien nopeaa monimuotoistumista kutsutaan kambrikauden räjähdykseksi.

Kambrikausi päättyi pieneen joukkotuhoon 490 miljoonaa vuotta sitten. Sitä seuraavaa aikakautta kutsutaan Ordovikaudeksi.

Ordoviikkikausi 500 – 435 miljoonaa vuotta sitten

Ordovikikaudella elämän kehittyminen jatkui merissä. Ilmakehän happipitoisuus oli noin 20%, ja  otsonikaasua oli nyt kertymässä ilmakehän yläosaan niin paljon että se alkoi ehkäistä UV-valon paahdetta maan pinnalla. Nyt vähitellen elämä alkoi levittäytyä myös kuivalle maalle, ensin sekovartisten kasvien eli sammalten ja maksasammalten muodossa. Vesiympäristöissä kehittyi myös putkilokasveja.

Oikosarvisia, trilobiitteja ja meritähti. (Walter Myers)

Eläinkunnan monimuotoistuminen jatkui. Valtameren keskiselänteiden vulkaanisen aktiivisuuden ja koon kasvun vuoksi valtamerialtaat madaltuivat, ja valtameren pinta kohosi. Matalat meret ulottuivat laajalle ja korallit, sammaleläimet, lonkerojalkaiset ja trilobiitit muodostivat kalkkikivikerrostumia Itämeren alueella mm. Gotlannissa, Virossa ja Suomessa. Itämeren alueella eli ordoviikkikaudella myös jopa 9-metrisiä oikosarvia, jotka olivat mustekalojen kaukaisia sukulaisia. Meriin ilmestyivät myös ensimmäiset leuattomat selkärankaiset. Myös nahkiaisen kaltaiset selkäjänteiset, ja ensimmäiset oikeat selkärankaiset kalat, eli leuattomat panssarikalat ilmestyivät lajistoon.  

Ilmakehässä oli myös runsaasti hiilidioksidia, joka 10 kertaa enemään kuin nykyisin. Ilmasto oli hyvin lämmin, missään planeetalla ei ollut jäätiköitä ja meren pinnat olivat korkealla, jopa 100 – 200 metriä korkeammalla kuin nytkyään. Myös fotosynteesi oli tehokasta ja ilmakehän happitoisuus oli nousemassa.

Ordovikikauden edessä ilmasto viileni johtuen siitä että suuri osa mantereita siirtyi lähelle etelänapaa, muodostaen Gondwanan supermantereen. Tämä aiheutti jäätiköitymisiä eteläisillä mantereilla, kuten Saharanssa  ja Etelä-Amerikassa.

Maailman paleogeografinen kartta Ordoviikkikauden puolivälissä, 470 miljoonaa vuotta sitten. https://en.wikipedia.org/wiki/Ordovician

Jäätiköiden kasvaessa merenpinta laski. (Edubucher / Wikimedia Commons)

 Kausi päättyi 443 miljoonaa vuotta sitten yli 10 miljoonaa vuotta kestäneeseen ankaraan jääkauteen. Jään sitoessa runsaasti vettä merenpinta laski noin 100 metriä nykyistä alemmaksi. Noin 85% merten eliöistä kuoli sukupuuttoon

Ensimmäiset putkilokasvit kehittyivät. Merissä eli panssarikaloja, jotka liovat ensimmäisiä leuallisia selkärankaisia, sekä rustokaloja eli haiden ja rauskujen sukulaisia. Euroopan ja Pohjois-Amerikan mantereet törmäsivät ja Kaledoninen vuorijono syntyi.

Siluurikausi 435 – 410 miljoonaa vuotta sitten

Liekojen kaltaisia Gosslingia-suvun varhaisia putkilokasveja. (Walter Myers)

Ilmasto oli lämpenemässä ja merenpinta alkoi jälleen nousta. Jäätiköitä ei enää laajemmin esiintynyt. Manneralueiden reunoja peittivät jälleen matalat ja lämpimät meret, joissa eli monimuotoinen eliölajisto.

Ensimmäiset putkilokasvit ilmaantuivat. Niihin oli kehittynyt aivan uudenlaisia tuki- ja johtosolukoita, joiden avulla putkilokasvit pystyivät painovoimasta piittaamatta kurkottamaan kohti korkeuksia, jotka olivat olleet mahdottomia sammalille. Varhaisilla putkilokasveilla ei kuitenkaan ollut vielä kehittyneitä juuria tai lehtiä.

Ensimmäisiä leuallisia selkärankaisia olivat jo ordovikkikauden puolella kehittyneet panssarikalat. Leuat olivat tärkeä askel selkärankaisten evoluutiossa. Ne kehittyivät kiduskaarista ja mahdollistivat aivan uudenlaisten ravinnonlähteiden hyödyntämisen. Esimerkiksi ennen leukojen kehittymistä huippupedot tulivat aivan muista eläinryhmistä, kuten niveljalkaisista. Lähes kaikki nykyiset selkärankaiset nahkiaisia ja vastaavia lukuun ottamatta ovat leuallisia.

Euroopan ja Pohjois-Amerikan mantereet törmäsivät päiväntasaajan alueella toisiinsa. Törmäyksen seurauksena nousi Caledonian vuoristo. Nykyinen Kölivuoristo Norjan ja Ruotsin rajalla, Suomen Haltitunturi, Yhdysvaltojen Appalakit ja Skotlannin vuoristot ovat tämän poimuvuoriston jatkeita.

Devonikausi 410 – 355 miljoonaa vuotta sitten

Devonikaudella Kalalajit ja maakasvit monimuotoistuivat. Ensimmäiset sammakkoeläimet ja hyönteiset kehittyivät. Himalajan korkuinen Kaledoninen vuorijono kului, ja siitä syntyivät paksut jokikerrostumat peittävät Etelä-Suomen. Kaledonisesta vuorijonosta on yhä jäljellä mm. Skandit eli Kölivuoristo ja Appalakit.

Varhainen sammakkoeläin Ichtostega. (Walter Myers)

Lämpimässä ja kosteassa ilmastossa sanikkaiset monimuotoistuivat. Niille kehittyi kunnolliset juuret ja lehdet. Vähitellen maa peittyy reheviin lieko-, korte- ja saniaismetsiin, joiden puut saattoivat kasvaa jopa 30 metriä korkeiksi. Kauden lopulla ilmaantuivat myös ensimmäiset siemenkasvit, joista myöhemmin kehittyvät mm. havupuut.

Devonikautta kutsutaan usein kalojen valtakaudeksi. Meriä hallitsivat erilaiset panssarikalat, joista suurin, Duncleosteus, kasvoi noin 6 m pitkäksi. Myös ensimmäiset rustokalat, joihin nykyiset hait ja rauskut kuuluvat, olivat kehittyneet jo siluurikauden puolella, mutta niiden kukoistus alkoi vasta panssarikalojen hävittyä. Ensimmäiset viuhkaevä- ja varsieväkalat kehittyivät makeissa vesistöissä. Viuhkaeväkalat ovat nykyään selkärankaisten eläinten runsaslajisin ryhmä.

Ensimmäiset maaselkärankaiset kehittyivät varsieväkaloista kauden lopulla. Yksi tunnetuimpia kalojen ja sammakkoeläinten välimuotoja on 2006 löydetty fossiili Tiktaalik. Myös niveljalkaisiin kuuluvat hyönteiset ja hämähäkkieläimet kehittyivät ja mönkivät maalle. Elämä levittäytyi kuivalla maalle todenteolla.

Nykyisten Alppien korkuinen Caledonian vuoristo alkoi kulua. Paksut jokikerrostumat peittivät laajalti Etelä-Suomea ja Luoteis-Eurooppaa. Kölivuoristo, Skotlannin ylämaat ja Appalakit ovat Caledonian vuoriston jäänteitä. Devonikautinen Suomi sijaitsi päiväntasaajalla, joten olosuhteet poikkesivat melkoisesti nykypäivän viileydestä.