Nueva base de datos de fósiles ofrece información única sobre los primeros ecosistemas de vertebrados
Hace unos 445 millones de años, la vida en la Tierra cambió para siempre. En un abrir y cerrar de ojos geológico, se formaron glaciares sobre el supercontinente Gondwana, secando como una esponja muchos de los vastos mares poco profundos y creando un clima de invernadero que, junto con una alteración radical de la química oceánica, provocó la extinción de aproximadamente el 85 % de todas las especies marinas, la mayor parte de la vida en la Tierra.
En un nuevo estudio, investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) han demostrado que este caos biológico, conocido como la Extinción Masiva del Ordovícico Tardío (LOME), dio lugar a una riqueza sin precedentes de vida vertebrada. Durante esta convulsión, un grupo llegó a dominar a todos los demás, dando paso a la vida hacia lo que hoy conocemos como vertebrados mandibulares.
"Hemos demostrado que los peces con mandíbulas solo se volvieron dominantes gracias a este evento", afirma la autora principal, la profesora Lauren Sallan, de la Unidad de Macroevolución del OIST. "Y, fundamentalmente, hemos matizado nuestra comprensión de la evolución al trazar una línea entre el registro fósil, la ecología y la biogeografía".
Una visión más completa de la vida en el ocaso del Ordovícico
El período Ordovícico, que abarca desde hace aproximadamente 486 hasta 443 millones de años, fue una época en la que la Tierra tenía un aspecto muy diferente. El supercontinente austral, Gondwana, dominaba el planeta, rodeado de vastos mares poco profundos. Los polos estaban libres de hielo y el agua era agradablemente cálida gracias a un clima de invernadero.
Y mientras las costas eran colonizadas lentamente por plantas parecidas a las hepáticas y artrópodos de muchas patas, las cuencas circundantes estaban repletas de diversas —y extrañas— formas de vida. Los conodontos de ojos grandes, similares a lampreas, serpenteaban alrededor de gigantescas esponjas marinas, los trilobites se escabullían entre enjambres de moluscos con concha, mientras que escorpiones marinos de tamaño humano y nautiloideos gigantes con conchas puntiagudas de hasta cinco metros de largo patrullaban las aguas en busca de presas.
Imagen: Un conodonte Promissum, de entre 5 y 50 cm de longitud, recibe su nombre de unos inusuales fósiles de dientes cónicos, que se cree que son los ancestros de las lampreas y mixinos modernos. Muy pocas especies de conodontes sobrevivieron a la Extinción del Ordovícico Tardío. Crédito: Nobu Tamura
Unos pocos y distantes entre sí, estos extraños animales fueron los humildes ancestros de los gnatóstomos, o vertebrados con mandíbulas, que más tarde llegarían a dominar la vida animal del planeta.
"Si bien desconocemos las causas últimas del fenómeno LOME, sí sabemos que hubo un antes y un después claros. El registro fósil lo demuestra", afirma la profesora Sallan.
La extinción se produjo en dos etapas. Primero, el planeta pasó rápidamente de un clima de invernadero a uno de hielo, cubriendo la mayor parte de Gondwana con glaciares que secaron los hábitats oceánicos poco profundos. Luego, unos pocos millones de años después, justo cuando la biodiversidad comenzaba a recuperarse, el clima cambió nuevamente, derritiendo los casquetes polares y ahogando la vida marina, ahora adaptada al frío, con agua cálida, sulfúrica y sin oxígeno.
Durante y después de estas olas de muerte, la mayoría de los vertebrados sobrevivientes quedaron confinados en refugios (puntos críticos de biodiversidad aislados, separados por franjas infranqueables de océano profundo), donde los gnatóstomos sobrevivientes evidentemente tenían una ventaja.
Imagen: La disminución de los vertebrados sin mandíbula coincide con el auge de los vertebrados con mandíbula tras los dos pulsos de la Extinción Masiva del Ordovícico Tardío (LOME). Las curvas de diversidad a nivel de género superior siguen la riqueza taxonómica global de géneros (es decir, el número de géneros identificados) por etapa geológica (A) y por millón de años en cada etapa (B). La curva C muestra la riqueza a nivel de género por etapa para 13 grupos diferentes de gnatóstomos. Crédito: OIST (Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, 沖縄科学技術大学院大学). Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0).
"Reunimos 200 años de paleontología del Ordovícico tardío y del Silúrico temprano", añade el primer autor Wahei Hagiwara, ex pasante de investigación en la Unidad de Macroevolución que ahora es estudiante de doctorado del OIST, "creando una nueva base de datos del registro fósil que nos ayudó a reconstruir los ecosistemas de los refugios.
"A partir de esto, pudimos cuantificar la diversidad a nivel de género del período, mostrando cómo LOME condujo directamente a un aumento gradual, pero drástico, de la biodiversidad de gnatóstomos. Y la tendencia es clara: los pulsos de extinción masiva condujeron directamente a una mayor especiación después de varios millones de años".
Desde los gusanos dentados hasta los pinzones de Darwin
Al crear esta completa base de datos de fósiles de todo el mundo, los investigadores pudieron vincular la creciente biodiversidad de gnatóstomos no solo con LOME, sino también con su ubicación.
"Esta es la primera vez que hemos podido examinar cuantitativamente la biogeografía antes y después de una extinción masiva. Pudimos rastrear el movimiento de especies a través del planeta, y así hemos podido identificar refugios específicos, que ahora sabemos que desempeñaron un importante papel en la diversificación posterior de todos los vertebrados", explica la profesora Sallan.
Hagiwara añade: "Por ejemplo, en lo que hoy es el sur de China, observamos los primeros fósiles de cuerpo entero de peces con mandíbulas, directamente emparentados con los tiburones modernos. Se concentraron en estos refugios estables durante millones de años hasta que desarrollaron la capacidad de cruzar el océano abierto hacia otros ecosistemas".
Al integrar el registro fósil con la biogeografía, la morfología y la ecología, estos hallazgos han contribuido a matizar la comprensión de la evolución.
"¿Evolucionaron las mandíbulas para crear un nuevo nicho ecológico, o nuestros ancestros ocuparon primero un nicho existente y luego se diversificaron?", pregunta la profesora Sallan.
"Nuestro estudio apunta a esto último. Al estar confinados a áreas geográficamente pequeñas con muchos espacios abiertos en el ecosistema dejados por los vertebrados sin mandíbula y otros animales muertos, los gnatóstomos podrían habitar repentinamente una amplia gama de diferentes nichos".
Una tendencia similar se observa en los pinzones de Darwin en las Islas Galápagos, que aprovecharon nuevas oportunidades para diversificar su dieta y sobrevivir; con el tiempo, sus picos evolucionaron hacia formas diferentes para adaptarse mejor al nicho que llegaron a ocupar.
Imagen: Una pareja de peces Sacabambaspis, de unos 35 cm de longitud, con ojos prominentes y una cabeza acorazada. No se han descubierto fósiles de animales como Sacabambaspis posteriores a la Extinción Masiva del Ordovícico Tardío. Crédito: Nobu Tamura
Mientras los peces con mandíbulas quedaron atrapados en el sur de China, sus parientes sin mandíbulas continuaron evolucionando en paralelo en otros lugares, dominando los mares más amplios durante los siguientes 40 millones de años. Estos se diversificaron en muchas diferentes formas de peces de arrecife, algunos de los cuales tenían estructuras bucales alternativas. Pero sigue siendo un misterio por qué los peces con mandíbulas, entre todos los demás supervivientes, llegaron a predominar más tarde, una vez que se expandieron desde los refugios.
Los investigadores descubrieron que, en lugar de hacer borrón y cuenta nueva, LOME desencadenó un reinicio ecológico. Los primeros vertebrados ocuparon los nichos dejados vacantes por conodontos y artrópodos, reconstruyendo la misma estructura ecológica, pero con nuevas especies.
Este patrón se repite a lo largo del Paleozoico después de eventos de extinción impulsados por similares condiciones ambientales, formando lo que el equipo llama un "ciclo de restablecimiento de la diversidad" recurrente en el que la evolución restaura los ecosistemas al convergir en los mismos diseños funcionales.
La profesora Sallan resume: "Al integrar la ubicación, la morfología, la ecología y la biodiversidad, finalmente podemos ver cómo los primeros ecosistemas de vertebrados se reconstruyeron tras grandes perturbaciones ambientales. Este trabajo ayuda a explicar por qué evolucionaron las mandíbulas, por qué los vertebrados con mandíbulas finalmente prevalecieron y por qué la vida marina moderna se remonta a estos supervivientes y no a formas anteriores como los conodontos y los trilobites".
"Revelar estos patrones a largo plazo y sus procesos subyacentes es uno de los aspectos apasionantes de la biología evolutiva".
El estudio se ha publicado en Science Advances: Mass extinction triggered the early radiations of jawed vertebrates and their jawless relatives (gnathostomes)
