Pangea

Minden, ami földtudomány

Kaotikus evolúciós dinamika a (pre)kambriumban

2017. május 21. 20:00 - Hágen András

A Föld történetében 600 millió évvel ezelőtt egy valóságos diverzitás robbanás játszódott le. A kambriumi robbanás elnevezés a legtöbb ma ismert állatcsoport hirtelen megjelenésére utal. Bár akkor még nem élt annyi állatfaj, mint a mai tengerekben, az előgerinchúrosok (Urochordata) képviselői jelen voltak a kambriumi óceánokban. A Kriogén végén keletkezett fedő karbonát réteg a proterozoiukum utolsó emeletét, s egyben az Ediacara korszak (635-542 millió év) kezdetét jelzi. Az Ediacara-dombság Ausztráliában van, itt található a korszakra jellemző több mint 30 lelőhely közül a névadó. A fosszíliák többsége 560 millió évesnél fiatalabb.

Az Edicara fauna

Hogy mi okozta és mi hajtotta a robbanásszerű diverzitásnövekedést, azt nem tudjuk. A Darwin-féle evolúciós elméletet követve, azt láthatjuk, hogy az evolúció lassan és állandó sebességgel zajlik. Elképzelését felfordított kúpokkal ábrázolhatnánk, ami azt jelöli, hogy a morfológiai változatosság folyamatosan növekedik az idő előrehaladásával.

A kambriumi robbanás szereplőit és a későbbi fosszilis maradványokat vizsgálva azonban kiderült, hogy a földtörténet során nem jelentek meg folyamatosan újabb és újabb morfológiai elemek. Ezt tehát nem egy kúpszerű, folyamatosan növekvő grafikonnal szemléltethetjük, hanem inkább egy téglalappal, amelynek már alapjánál megjelennek a morfológiai újítások, és azután nagyjából állandó marad az élővilág morfológiai kincsestára. Számos állatcsoport korai evolúciója jellemezhető erősen felgyorsult fejlődési szakaszokkal.

A következőkben megpróbáljuk matematikai formába önteni a kambriumi robbanást.

Az Ediacara bióta (~Vendobióta) tagjai különböző méretű (1cm-1,5m), váz nélküli, lágy testű élőlények voltak, melyek homokkőben őrződtek meg és mind az öt kontinensen elterjedtek. A legidősebb 600-580 millió éves leletek a kínai Doushantuo formációból került elő: a Vernanimalcula guizhouena bilateria állatfosszília, embriófosszíliák, óriás baktériumok, szivacsok. (A fosszíliák egy része talán szervetlen képződmény.)

Az Ediacara típusú megafosszíliák után a korszak végén 550 millió éve feltűnt egy eltérő fauna, mely az első lelet-együttesek alapján a kis kagylós fosszíliák nevet (SSF: small shally fossils) kapta (1. ábra). 

1. ábra Kis kagylós fosszíliák

Egyik jelentőségét az adja, hogy felfedezhetők benne a kambriumi robbanáskor diverzifikálódott állatcsoportok ősi, kis méretű tagjainak vázmaradványai, amelyek legtöbbször mindössze milliméteres nagyságúak. Nagyon fontos momentum a biomineralizáció megjelenése a kalcium karbonát szervezetbe való beépítésével, s ennek következtében a szilárd váz kialakulása. A szilárd váznak számos előnye van: védelem, támaszték, aljzathoz való tapadás, izomtapadási felületek, a táplálék tartása. 

A kemény állati testrészek, mint például a csigák és kagylók, valamint más puhatestűek kalcium-karbonát héja valószínűleg hulladékként keletkeztek először (Margulis, L. 2000). A tengervízben jelen lévő kalciumionok a sejten belül mérgezőek, így a sejteken belüli kalciumkoncentrációt a tengervíznél ezerszer alacsonyabb szinten kell tartani, különben a mitózisok mikrotubulusai, továbbá a növekedés leáll. A kalcium kipréselése mint salakanyag-eltávolítás kezdődött, majd ez átalakult szilárd váz építésévé, amelyből később kifejlődtek a fogak, páncéllemezek, és a csontvázak. 

Fajgazdagság és a fagráf

A gráfelméletben azokat nevezzük fagráfnak, amely bármelyik két csúcsát pontosan egy út köti össze, azaz a fák körmentes összefüggő gráfok. Az Edicarai faunában megjelent élőlényekből egy tökéletes fagráfot lehet alkotni, hiszen a távoli jövőben belőlük fejlődnek ki a napjainkban élő állatok – még az emberek (Homo sapiens) – ősei.

Az ediacara-fauna az archaikum végéről, az ediacara időszakból származó, a világ több pontjáról előkerült fosszíliák által ismert élőlénytársulások összessége. Ezek a legrégebbi életközösségek, melyekből többsejtű állatok ismertek. A legtöbb faj csalánozó-szerű forma, toll, diszkosz, fekvő toll, korong alakú lények és üregkitöltések ismertek. Valószínűleg a Kimberella egy ősi, váz nélküli puhatestű lehetett.

A kambriumból származó lerakódásokban Megjelennek a puhatestűek valamennyi ismert osztályának képviselői: kagylók, csigák (haslábúak), tintahalak (fejlábúak vagy lábasfejűek). Utóbbiaknak külső héjuk volt.

Az Edicarai faunában megjelenő Kimberella fajból felépíthető a puhatestűek osztálya fagráf segítségével.

2. ábra A Kimberella faj fagráfja

A Kimberellán kívül további fajokkal kapcsolatosan is megalkothatjuk a fagrágunkat, például az emlősök elődjének számító parányi Pikaia gracilis.

A következőkben vizsgáljuk meg, hogy a kambriumi élővilág robbanással kapcsolatosan azonosítani tudjuk e a kaotikus evolúciós mechanikát.

A kaotikus dinamikájú mechanizmus

A kaotikus viselkedés az egyszerű, a kevés változóval leírható nemlineáris rendszerek mozgása, és időbeli viselkedése. A három fő tulajdonsága közül az első, hogy időben szabálytalan, soha nem ismétli önmagát, és semmilyen időtávon nem periódikus. Másodsorban hosszú távon előrejelezhetetlen, és érzékeny a kezdeti feltételekre. A harmadik fő tulajdonsága pedig, hogy ábrázolásban rendezett, fraktálszerkezet társul hozzá.

A említett tulajdonságok általában egyszerre vannak jelen, vagyis egy egyszerű biológiai, vagy fizikai rendszer hosszú távon aperiodikus, akkor időbeli fejlődése megjósolhatatlan és egyben fraktálszerű. A hagyományos szemlélet oldaláról nézve mindhárom tulajdonság újszerű és meglepő (Gruiz M. 2013).

Egy közös vonás van a három tulajdonságban, az hogy a hosszú idejű viselkedés véletlenszerű, s ezért csak valószínűségi fogalmakkal írható le.

A szabályos biológiai rendszerektől az különbözteti meg, hogy véletlenszerűsége a kevés összetevő elem erős kölcsönhatásából, a belső dinamikából adódik.

A kalcium-karbonát héjak kifejlődése a kambriumi robbanás során véges ideig tart, az ilyen típusú dinamikát tranziens káosznak nevezzük.

A kaotikus mozgások egyik legfontosabb tulajdonsága a közeli mozgáspályák idő függvényében való nagyon gyors (exponenciális) távolodása. Biológiába átültetve a kaotikus evolúciós dinamika, a rendszertanilag közeli fajok nagyon gyors szétvállása, lehetőleg belső fejlődésük miatt.

A helyileg és átlagosan is mérhető a távolodás gyorsasága, a mérésből kapott függvény exponensét (λ) Ljapunov-exponensnek nevezzük: 

d(t) = doeλt,                                         (1)

ahol t az idő, do és d(t) az evolúciós dinamika kezdeti és pillanatnyi távolsága (Tél T. et al. 2002).

A kezdeti kis hibák is exponenciális gyorsasággal terebélyesednek ki, amelyek következménye a káoszra jellemző előrejelezhetőség. Minnél nagyobb a λ, annál erősebb a káosz, amikor pedig egyenlő vagy kisebb mint 0, akkor nincs távolodás, és a mozgás sem kaotikus. A kaotikus mozgás ún. előrejelzési ideje a Ljapunov-exponens reciprokjaként, vagyis 1/λ-ként becsülhető.

A másik fontos, immár kimondottan a tranziens káosznál mérhető mennyiség a szökési ráta. A sejtek véletlenszerűen hagyják el a halmaz környékét. Ha N0 különböző pályát egyszerre indítottuk, s figyeljük a bent maradók N(t) számát az idő függvényében, akkor az exponenciálisan fog csökkenni:

N(t) = N0e-κt,                                     (2)

Itt is mérhető tehát egy exponens, amely nevében is hordozza a jelenség lényegét: szökési rátának hívják és κ-val jelöljük. A káosz átlagos élettartalma, amelyet τ-val szokás jelölni, a szökési ráta reciprokaként becsülhető: τ ~ 1/κ (Tél, T. et al. 2006). A káosz átlagos élettartama (τ ~ 1/κ) 0,0000001 volt.

Az evolúciós fejlődést (természetesen a prekambriumban), ahol megáll (egy faj esetében, amelyik nem fejlődik tovább) attraktornak nevezzük. A 3. ábrán látható az evolúciós fejlődést bemutató fraktál, ahol kettő attraktor jól kivehető:

3. ábra Az élővilág fejlődésének fraktálszerkezete, ahol a kezdeti élőlényekből további fajok alakulnak ki.

Az élővilág diverzitását két attraktorral mutatom meg. A 3. ábra központi részén elhelyezkedő attraktor jelzi az élővilág egyetlen közös ősét, amely évmilliárdok alatt tovább, komplexebb élőlényekké fejlődik. Matematikai nyelven mondva a két attraktorhoz egy-egy szint rendelve szimulálással könnyen kiszinezhető az egész sík: egy adott pont színe jelzi, hogy az evolúciós dinamika melyik színű attraktorban fog megállni.

Az azonos színű területek az úgynevezett vonzási tartományok, amelyek mutatják az adott attraktorhoz vezető kezdeti helyek összességét. Az attraktorok vonzási határa első ránézésre fraktálszerkezetű.

A vonzási tartományok vizsgálatánál bármilyen kis területet is nagyítunk ki, a szinthatár közelében, mindig a színek keveredését fogjuk látni.

Következtetés

Aki figyelemmel olvasta a cikket, annak feltűnt, hogy a 10 millió éven át tartó fajgazdagságot hozó időszak megfelel a kaotikus evolúcióhoz. A kaotikus mozgások első fő tulajdonságának abban felel meg, hogy időben váratlanul jelentek meg az új fajok, hiszen közel 3 milliárd éven keresztül alig fejlődött az élővilág. A kambriumi robbanás sosem ismételte meg önmagát, hiszen ekkor hirtelenjében fajgazdag élővilág népesítette be a Föld vizeit.

Másodsorban annak tesz eleget, hogy hosszú távon előrejelezhetetlen (őslénytani adatok alapján előrejelezhető) az új sejtdifferenciálódás kialakulása. A kezdeti feltételekre érzékenyen reagált az élővilág, hiszen a tengerek magas kalcium tartalma miatt először a kiválasztó szerveknek köszönhetően hulladékként megszabadult a kalciumtól az élőlény, később azonban szilár vázat épít magának a víz magas oldott kalcium tartalma miatt.

Harmadik tulajdonságnak abban felel meg, hogy nem volt a fajgazdagság kialakulása periódushoz kötve, így aperiodikus volt, tehát fraktálszerkezetű, mint ahogy azt a 2. ábra is mutatja.

Mindent összevetve elmondható, hogy a kambriumi robbanás újszerű volt az élővilág fejlődésében és meglepő is volt egyben, hiszen semmi sem indokolta a fajgazdagság kialakulását.

A kaotikus mechanizmus definícó szerint nem tart sokáig, ebben az esetben is elmondhatjuk ugyanezt, annak ellenére, hogy 10 millió évig tartott (530-520 millió év), hiszen a 10 millió elhanyagolható a Föld történetében, hiszen előtte közel 2,5 milliárd éven át nem történt semmi lényeges dolog az élővilág fejlődésében.

 

Irodalom

  • Gruiz M. 2013: Káosz mint komplexitás. – Természet Világa Különszám, 144. évf. II. különszám, pp. 8-14.
  • Margulis, L. 2000: Az együttélés bolygója. – Vince Kiadó, pp. 97-101.
  • Tél T.–Gruiz M. 2002: Kaotikus dinamika. Bevezetés a kaotikus dinamika világába a klasszikus mechanika jelenségén keresztül. – Nemzeti Tankönyvkiadó.
  • Tél T.–Gruiz M. 2006: Chaotic dynamics, An introduction Based on Classical Mechanics. – Cambridge University Press.
8 komment

A bejegyzés trackback címe:

https://pangea.blog.hu/api/trackback/id/tr8212478167

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

spinat 2017.05.23. 09:56:39

"A Föld történetében 600 millió évvel ezelőtt egy valóságos diverzitás robbanás szerű növekedése játszódott le. "
Ez a mondat értelmetlen, nylevtanilag helytelen.

"Bár akkor még nem élt annyi állatfaj, mint a mai tengerekben, a legtöbb (ha nem az összes) ma élő állatcsoport képviselői jelen voltak a kambriumi óceánokban."
Ez meg nem igaz. Talán még gerincesek sem léteztek.

"Ha a Darwin-féle evolúciós elméletet követjük, miszerint az evolúció lassan és állandó sebességgel zajlik."
Milyen más evolúciós elmélet van még? Bár ha arra gondolsz, hogy Darwin mit gondolt, nem tudom,, hogy ö mondott-e valamit az evolúciósebességéröl, ugyanis ezt a kifejezést nem is használta. Van, amikor az evolúció lassú, és egyenletes, van amikor meg nem.

Hágen András 2017.05.23. 13:07:11

Kedves Olvasó,

Köszönöm, hogy olvastad és megosztottad velem észrevételeidet, hasznos tanácsaidat. Az első kiemelést javítottam, a másodikban kicsit nagyvonalú voltam, és nem pontosítottam, hogy a prekambriumban már voltak előgerinchúrosok, és a kambrium végén jelennek meg a gerincesek.
A harmadik kiemelést is pontosítottam.

spinat 2017.05.23. 16:05:09

már megérte :)
az még érdekelne, hogy matematikus, vagy biológus vagy-e. Egy biológustól a matemmatikai része elég erös, matematikustól meg a biológiai része.

Hágen András 2017.05.23. 16:16:16

@spinat: geográfus, aki tanult őslénytant. A geofizika, és geomatematika révén pedig matematikát. Ha esetleg többet szeretnél megtudni, kérlek személyes e-mail címemen keress. hagen13@freemail.hu

Papp Levente 2017.05.23. 20:30:38

Mi van a nem fosszilizálódó élőlényekkel? Akárhány fajtobbanást megérhettek de ha a nyomorultaknak nem volt meszes vázuk, akkor nem létezhettek?

rdos · http://h2o.ingyenweb.hu/tema/6.html 2017.05.28. 06:49:39

Apróság, de ha már említésre került. Darwin aki geológus és botanikus? vagy biológus? volt (akkor még egyben tanították ezeket a szakmákat) éppen hogy azon "filózott" sokat, hogy mitől olyan lassú az evolúció. Azt már tudták hogy a Föld keletkezése nem ie. 44oo-ban volt (a biblia alapján egy lelkes szerzetes "kiszámolta a teremtés időpontját", mint tudjuk nem ez volt a klérus egyetlen tévedése), azt is tudták hogy jóval sokkal jóval korábban volt már élet a bolygónkon, de mivel abszolút kormeghatározás akkor még nem létezett, "csak" olyan dolgokból tudtak matekolni, hogy pl milyen lassan telik fel egy tó - üledékgyűjtő. Ezek alapján sok-sok millió vagy sok száz millió évesnek "kellett már akkor lennie" a Földnek. Boccs az idétlen fogalmazásért de talán átment.

Ehhez képest a fajtanemesítők emberi léptékben voltak képesek megváltoztatni fajokat - na jó, csak alfajokat (de ha egy bernáthegyire és egy tacskóra nézünk nehéz elhinni hogy mindketten "farkas ivadékok") pusztán csak a természetes változékonyság irányított párosításával (korai "génsebészet"). Aztán "jöttek" a Galápagos-szigeteken a Darwin pintyek. És ekkor esett le a tantusz, hogy ahhoz hogy a természetben is gyors legyen az evolúció ahhoz elzártság és betöltetlen élőhelyek kellenek, meg persze egy pinty pár, aki odakerülve életképes utódokat és új fajokat volt képes geológiailag rövid idő alatt "létrehozni".

Ettől a kambriumi robbanás jelentősége semmit sem változik, inkább csak "technikatörténeti -
tudománytörténeti adalékul" szántam mondandómat.

Hágen András 2017.05.30. 19:50:07

@rdos: Kedves Olvasóm,
köszönöm észrevételedet és a történeti füzéred a cikkhez.
Darwin teológiát tanult, de nem érezte hihetőnek az Isteni tanítást. Sokkal inkább közelebb érezte magához a földtant, az őslénytant és a paleobiogeográfiát. Nem véletlen, hogy őslénytanból született az első publikációja, 1827-ben.
James Ussher írországi érsek a Biblia alapján 1654-ben a Föld korát Kr. e. 4004. október 26-án délelőtt 9 órára teszi. A 19. századra már egy kicsit sántított a dolog, ezért James Hutton skót geológus a felszíni formák erózióját, a mállását, és az üledékképződés sebességét vizsgálta, míg Darwin az evolúciós változások IDŐIGÉNYÉVEL PRÓBÁLTA az időt megbecsülni.
Hutton több tízmillió évet becsült meg, míg Darwin több milliárd évet tartott szükségesnek az élővilág kialakulásához.
Hú remélem kielégítő választ adtam kérdésedre.