Een brachiopode lijkt veel op een schelpdier, tenminste als je hem van buitenaf bekijkt. Het heeft twee kleppen, leeft op de zeebodem en filtert het water. Het behoort echter tot een heel andere evolutionaire tak en honderden miljoenen jaren lang was het een van de meest voorkomende dieren in de oceanen.
Toen, ongeveer 252 miljoen jaar geleden, vond de grootste bekende massa-uitsterving plaats. De Grote Die-off heeft tot 96% van de mariene soorten en ongeveer 70% van de landdieren uitgeroeid. Brachiopoden, crinoïden – de zogenaamde zeelelies – en vele andere onbeweeglijke bewoners van de zeebodem werden gedecimeerd. Weekdieren, vissen, egels en zeesterren deden het veel beter.
Vanaf dat moment veranderde de balans van de zee. Dit is ook de reden waarom we vandaag de dag mosselschelpen en zeeslakken op de stranden aantreffen, terwijl brachiopoden zeldzame verschijningen zijn geworden. Een studie gepubliceerd in PNAS hij reconstrueerde het mechanisme dat sommige groepen bevoordeelde en andere veroordeelde. Het antwoord ligt in de relatie tussen temperatuur, zuurstof en metabolisme.
De zee werd te heet om te ademen
Aan het einde van het Perm brachten enorme vulkaanuitbarstingen enorme hoeveelheden kooldioxide en methaan in de atmosfeer vrij. De temperatuur op aarde is in de loop van duizenden jaren met ongeveer 8-12°C gestegen. De oceanen warmden op, verloren zuurstof en werden zuurder.
Voor zeedieren was het een verwoestende combinatie. Heet water bevat minder opgeloste zuurstof. Tegelijkertijd versnelt de temperatuurstijging de chemische reacties van het lichaam en verhoogt de energiebehoefte. De dieren moesten toen meer ademen, net omdat de beschikbare zuurstof afnam.
Een onderzoek uit 2018, gepubliceerd op Wetenschaphadden de opwarming en het verlies van zuurstof al geïdentificeerd als de belangrijkste oorzaken van uitsterven. De gebruikte fysiologische kennis was echter voornamelijk afkomstig van moderne vissen en schaaldieren, die vaak werden bestudeerd vanwege hun commerciële waarde. Directe gegevens over dieren die het meest leken op de meest gewelddadig getroffen Paleozoïsche groepen ontbraken.
Het nieuwe werk vulde deze leemte op door soorten samen te brengen die zowel tot de oude fauna behoorden als tot de groepen die na de catastrofe dominant werden. De onderzoekers verzamelden levende brachiopoden op de San Juan-eilanden, in de staat Washington, en bestudeerden ze samen met andere zeedieren.
In het laboratorium werden de organismen in respirometriekamers geplaatst, apparaten die het zuurstofverbruik kunnen meten als de temperatuur van het water verandert. De experimentele gegevens werden vervolgens geïntegreerd met de geografische verspreiding van de soort en ingevoegd in een model dat de balans tussen beschikbare zuurstof en metabolische behoeften reconstrueert.
Het langzame metabolisme werd een valstrik
De resultaten hebben een aantal verwachtingen tenietgedaan. Brachiopoden slaagden erin met heel weinig zuurstof te leven, in omstandigheden die veel moderne dieren in moeilijkheden konden brengen. Deze weerstand werkte echter alleen bij lage temperaturen.
Naarmate het water warmer werd, nam hun zuurstofbehoefte veel sneller toe. Het langzame metabolisme, perfect geschikt voor de koele en stabiele oceanen van het Paleozoïcum, werd een beperking. Het lichaam vroeg om meer zuurstof en beschikte over inefficiënte structuren om dit te verkrijgen.
Vissen, tweekleppige dieren, buikpotigen en egels zijn begonnen met een hoger energieverbruik. Verplaatsen, jagen, graven in sediment en zoeken naar voedsel vergt energie. Dat actievere leven had de ontwikkeling van spieren, kieuwen en systemen bevorderd die in staat waren een intensievere ademhaling tijdens de warming-up te ondersteunen.
Kokkels, mosselen en oesters hebben grote lichamen en vaak een gespierde voet die wordt gebruikt om te graven of te verplaatsen. Brachiopoden hebben heel weinig zacht weefsel. Vandaar de grap van Erik Sperling, een van de coördinatoren van het onderzoek: we maken mosselsoep omdat er heel weinig vlees in de brachiopoden zit. De simulaties bevestigen dat tijdens de Perm-crisis de mariene ruimte die nog steeds bewoonbaar is door de Paleozoïsche fauna veel sneller zou zijn gekrompen. Het door het model berekende verlies valt samen met de uitstervingen die aan de hand van fossielen zijn gereconstrueerd.
De zogenaamde temperatuurafhankelijke hypoxie slaagt er dus in de omvang van de Grote Die-off, de geografische spreiding van verliezen en de selectie tussen verschillende diergroepen te verklaren. Verzuring heeft bijgedragen aan de crisis doordat het moeilijker werd om kalkstenen schelpen en structuren te bouwen. De grootste schade kwam door de combinatie van hitte en zuurstofgebrek.
De overwinning van de granaten
Vóór het uitsterven hadden de brachiopoden de zeebodem ongeveer 280 miljoen jaar lang gedomineerd en waren ze duidelijk in de minderheid dan de tweekleppigen. Tegenwoordig overleven slechts 400 soorten. Er zijn tussen de 10.000 en 15.000 soorten tweekleppigen, waaronder mosselen, mosselen en oesters. Ongeveer de helft van de weekdieren wist de catastrofe te overleven. Samen met vissen en stekelhuidigen bezetten de overlevenden de vrijgekomen ruimtes en bouwden ze mariene ecosystemen die veel meer leken op de huidige.
Sperling vergelijkt deze overgang met het verdwijnen van dinosauriërs, met uitzondering van vogels. De zoogdieren veroverden de lege nissen en behielden die positie. Iets soortgelijks gebeurde in de oceanen van het Trias: de overlevende groepen namen de controle over en hebben deze sindsdien gehandhaafd.
Het precedent betreft ook de huidige zeeën. De oceanen absorberen een groot deel van de warmte die wordt geproduceerd door de opwarming van de aarde, verliezen zuurstof en worden zuurder door CO₂. De voorspelde temperaturen voor 2100 blijven lager dan de 8-12 °C van de Perm-Trias-crisis, maar de huidige verandering concentreert zich in slechts honderd tot tweehonderd jaar.
In de slechtste klimaatscenario’s, waarschuwt Sperling, zou de aarde na verloop van tijd een opwarmingsniveau kunnen benaderen dat vergelijkbaar is met dat van de Grote Die-off. De onderzoekers gaan nu andere zeedieren bestuderen om te begrijpen hoe hitte, hypoxie en verzuring samenwerken. De schelpen die we vandaag op het zand verzamelen, komen ook uit die verre selectie. Na 252 miljoen jaar blijft de zee haar winnaars aan land brengen.
