בתור הקמבריון, שהחל לפני כ-541 מיליון שנה והסתיים לפני כ-485 מיליון שנה, התחולל גל פתאומי של פריחה ושגשוג של מגוון המינים הביולוגיים באוקיינוסים הקדומים של כדור הארץ. האירוע הזה, שמכונה "הפיצוץ הקמבריוני", היה משמעותי עד כדי כך שיש מי שמתייחסים אליו בתור המפץ הגדול של עולם הביולוגיה.
מהתקופה הזאת התגלו מאובנים רבים ומגוונים במיוחד של יצורים ימיים, ביניהם נמצאים האבות הקדמונים של קבוצות רבות, ביניהם מערכת המיתרנים (Chordata) הכוללת גם אותנו, בני האדם. במהלך ה"פיצוץ" הופיעו לראשונה חידושים אנטומיים שחלקם קיימים גם במערכות ביולוגיות מודרניות, לדוגמה הופעתם של פרוקי רגליים (Arthropods) בעלי רגליים ועיניים מורכבות, או תולעים עם זימים.
המגוון הכל כך רחב הזה הוביל גם להופעתם של המינים הטורפים הראשונים, שכן עד אז ידוע לנו רק על לקטים, לא ציידים, שניזונו מאצות חד-תאיות ומחיידקים. לטורפים הללו היו לסתות ושיניים – חידוש שלא נראה קודם לכן, והם ניחנו ביכולת שחייה מפותחת שאפשר להם לצוד ולטרוף.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
המרוץ המדעי נגד הקורונה: עדכון
זיהום סביבה קטלני
האם מכוניות חשמליות ידידותיות יותר לסביבה?
לפני הפיצוץ
התור הגיאולוגי שקדם לקמבריון נקרא אדיקר (Ediacaran). הוא החל לפני כ-635 מיליון שנה, ובמהלכו עלו מאוד כמויות החמצן החופשי בכדור הארץ, כנראה בזכות עליית טמפרטורות שהביאה לנסיגת קרחונים. התנאים החדשים שנוצרו אפשרו לאצות חד-תאיות לשגשג והאצות, בתורן, עשו פוטוסינתזה – תהליך שבו הן קולטות פחמן דו-חמצני ומים מהסביבה, ומשתמשות באנרגיית השמש כדי להפיק מהם סוכרים. תוצר הלוואי של התהליך הזה הוא חמצן, שמשתחרר לאטמוספרה.
בשכבות גיאולוגיות מתור האדיקר נמצאו שרידים מאובנים של יצורים רב-תאיים המזכירים מדוזות, תולעים וספוגים. מאובנים כאלה נמצאו בכל היבשות פרט לאנטארקטיקה. חוקרים שיערו בעבר שהיצורים הללו נעלמו מהעולם אחרי האדיקר, והם נחשבו לכישלון אבולוציוני. עם זאת, בין המאובנים מהקמבריון שנמצאו בדרום אוסטרליה היו גם יצורים רב-תאיים זהים לאלה מתור האדיקר.
אבל העובדה שמינים מתור האדיקר הוסיפו להתקיים גם אחריו אינה מספיקה כדי להוכיח שמהם התפתחו בעלי החיים המאפיינים את הפיצוץ הקמבריוני. במחקר שהתפרסם ב-2018 בכתב העת Science, הצליחו חוקרים מאוסטרליה, בשיתוף עמיתים מרוסיה ומגרמניה, להראות שאכן היו בעלי חיים בתור האדיקר שמהם התפתחו בעלי חיים נוספים בתור הקמבריון. בעזרת מאובן שמור היטב של דיקינסוניה (Dickinsonia), יצור רב-תאי שטוח ועגול, אפיינו החוקרים מולקולות אורגניות מהמאובן וגילו ביניהן כולסטרול – סימן היכר לבעלי החיים של זמננו. זו ראיה חזקה לכך שבעלי החיים מתור הקמבריון, ויורשיהם בימינו, הם המשך אבולוציוני ישיר של בעלי חיים קדומים יותר מתור האדיקר.
למעשה קיימים ממצאים של מאובנים דמויי ספוגים כבר מלפני 760 מיליון שנה, מתור הקריוגן (Cryogenian) שקדם לתור האדיקר. מדובר בתקופה שקדמה להתחממות כדור הארץ שאפשרה לכמויות החמצן לעלות, אבל עדיין לא הצליחו להוכיח שאכן מדובר בבעלי חיים.
כך הראו שדיקינסוניה הוא בעל חיים - סרטון של האוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה (אנגלית):
ה"מרעום" שהוביל לפיצוץ
חוקרים סבורים שכדור הארץ נוצר לפני כ-4.5 מיליארדי שנים, אך עד לפני כ-600 מיליון שנה האבולוציה התקדמה בו בקצב איטי, והיצורים החיים היחידים היו חיידקים, פלנקטון ואצות חד-תאיות. במהלך הפיצוץ הקמבריוני המגמה השתנתה בבת אחת והתרחשה ההתפתחות המשמעותית והגדולה ביותר במגוון ובמורכבות של בעלי החיים בכדור הארץ.
קשה להניח את האצבע על הגורמים הנקודתיים שהובילו לפיצוץ, אבל חוקרים רבים סבורים שהסיבה המרכזית לכך הייתה העלייה באחוז החמצן באטמוספרה בתקופה הזאת. במחקר של צוות בינלאומי בהובלת חוקרים מאוניברסיטת טסמניה באוסטרליה, מדדו החוקרים את נוכחותם של יסודות שכמותם מזערית (יסודות קורט) באלפי סלעי פיריט, מינרל המוכר גם כ"זהב השוטים". באמצעותם הם העריכו כמה חמצן וחומרים מזינים היו בכדור הארץ בעבר הרחוק. אחדים מהיסודות הללו, למשל סֶלֶנְיוּם (Se), רגישים מאוד לחמצן ונוטים להגיב איתו, כך ששינויים ברמת החמצן מביאים ליצירת תרכובות אחרות, שמשתמרות בסלעי הפיריט במשך מיליארדי שנים. כך מדידת ההרכב של הפיריט מאפשרת להעריך כמה חמצן היה באטמוספרה כשהסלע נוצר.
החוקרים גילו שאחרי עלייה משמעותית שחלה בריכוז החמצן באטמוספרה של כדור הארץ לפני 2.5 מיליארדי שנים, הוא החל לרדת בהדרגה. לפני כ-600 מיליון שנה השתנתה המגמה וריכוז החמצן באטמוספרה של כדור הארץ החל לעלות בחדות והגיע לשיא לפני כ-500 מיליון שנה, בשיא הפיצוץ הקמבריוני.
ייתכן שהעלייה בריכוז החמצן נגרמה מתזוזה של לוחות טקטוניים, שהובילה לפעילות געשית נרחבת ולרעידות אדמה שערבלו את מי הים והעשירו אותם בחמצן. בנוסף, רעידות האדמה והפעילות הגעשית יצרו כנראה סביבה קשה למחיה, אשר עודדה התאמות ביולוגיות שהגבירו את יכולתם של יצורים מסוימים לשרוד.
תהליכים ביולוגיים יכולים להתרחש גם ללא חמצן, למשל על בסיס פחמן דו-חמצני, מולקולות המכילות גופרית או מינרלים המכילים ברזל, אבל לחמצן יש יתרון – הוא מאפשר לתא לייצר הרבה יותר אנרגיה ולכן הוא חשוב להפעלת מערכות מורכבות שצורכות אנרגיה רבה.
עליית החמצן נבעה כנראה מפעילות מוגברת של אצות חד-תאיות. האצות הללו שגשגו, כאמור, בזכות עליית הטמפרטורה בתקופה הזאת, שהביאה להפשרת קרחונים. הקרחונים שהפשירו שחררו למים חומרי הזנה רבים, שבשילוב עם הטמפרטורה הנוחה תרמו כנראה לפריחת האצות המשמעותית.
כשריכוז החמצן משתנה
גם כיום יש בעולם אזורים דלי חמצן שיכולים ללמד אותנו על האקולוגיה ששררה כאן בימי קדם. במחקר שהתפרסם בשנת 2013 בדקו חוקרים מאוניברסיטת הרווארד בארצות הברית את הקשר בין אקולוגיה לבין רמות החמצן. הם בחנו מידע שנאסף על תולעים רב-זיפיות (Polychaete) באזורים דלי חמצן על קרקעית הים, ומצאו כי במקומות שריכוז החמצן בהם אינו עולה על 0.5 אחוז מריכוזו הממוצע על פני הים חיות בעיקר תולעים זעירות שניזונות ישירות מיצורים חד-תאיים. במקומות שבהם ריכוז החמצן אינו עולה על שלושה אחוזים, כבר אפשר למצוא מגוון מינים גדול יותר, אבל רשת המזון עדיין פשוטה ומבוססת בעיקר על יצורים חד-תאיים. רק בריכוזי חמצן גבוהים יותר מתחילים להופיע טורפים אוכלי בשר, מארג המזון מסתעף ומורכבתו עולה.
הממצאים הללו עומדים בקנה אחד עם תיעוד המאובנים שמצאנו עד כה ועם ריכוזי החמצן המשוערים שהיו בתקופות הללו. בתור האדיקר, ריכוזי החמצן אפשרו התפתחות מסוימת של בעלי חיים קדומים שניזונו בעיקר מיצורים חד תאיים. עם עליית ריכוז החמצן התפתחו בעלי חיים מורכבים יותר, כמו טורפים בעלי עיניים מורכבות, לסתות ושיניים.
החיים בתור הקמבריון
בעלי החיים המזוהים ביותר עם תור הקמבריון הם הטרילוביטים, פרוקי רגליים בעלי שריון קשיח, ראש ורגליים. ידועים כיום יותר מ-20 אלף מינים של טרילוביטים. לחלקם היו עיניים, חלקם היו טורפים אוכלי בשר ואחרים ניזונו מרקב או מאצות חד-תאיות.
בעל חיים מעניין במיוחד שמזוהה עם תור הקמבריון הוא האנומלוקריס (Anomalocaris). חוקרים רבים סבורים שהוא היה טורף העל של זמנו. אורכו הגיע עד מטר בערך, מה שאולי לא נשמע הרבה אבל הספיק כדי להפוך אותו לבעל החיים הגדול ביותר שאנחנו מכירים מהקמבריון. האנומלוקריס דמה בצורתו לחסילון, עם זנב ארוך, שתי זרועות קדמיות קוצניות ופה מרובע מלא שיניים. היו לו עיניים מפותחות מאוד, המזכירות את עיניהם של פרוקי רגליים בני זמננו.
הפיצוץ הקמבריוני גם הביא לעולם את המשפחה הענפה של קווצי העור, הכוללת בין השאר את כוכבי הים, מלפפוני הים, וקיפודי הים. המאובן הקדום ביותר מהמשפחה הזאת הוא ההליקוציסטיס (Helicocystis), שהגיע מתור הקמבריון. חוקרים קבעו שמדובר בבעל חיים ממשפחת קווצי העור, כי יש לו סימטריה פֶּנְטָמֶרִית, כלומר הוא מורכב מחמישה מקטעים עיקריים ומלוחיות שלד, כמו אלה שמאפיינות בעלי חיים מהמשפחה הזאת. המאובן שהתגלה מזכיר קיפודי ים, אך שונה מקרוביהם כוכבי הים בכך שחמשת המקטעים המרכיבים אותו מחוברים זה לזה.
שמו של ההליקוציסטיס בא מהמילה הליקס, שמשמעותה בעברית סליל, שכן חמשת המקטעים שלו מלופפים בצורת סליל. המראה שלו לא היה מרשים במיוחד: אורכו לא עלה על חמישה ס"מ והוא היה מקובע לקרקעית באיבר גזע קטן, אך הדמיון שלו לקווצי העור של זמננו הופך אותו לחלק חשוב בתצרף האבולוציוני.
ולבסוף הפיקאיה (Pikaia gracilens), שחי לפני 505 מיליון שנה, בעיצומו של תור הקמבריון, הוא בעל החוליות הקדום ביותר המוכר לאנושות. חוקרים רבים סבורים שקדמו לו בעלי חוליות אחרים, אך מכיוון שלבעלי חוליות יש גוף רך וחסר שריון הם אינם משתמרים טוב במיוחד במאובנים. עד כה נמצאו מאובני פיקאיה רק בקנדה, וכל עוד לא יימצא מאובן עתיק יותר, הפיקאיה נחשב לאב הקדום ביותר של בעלי החוליות – הכוללים את העופות, הזוחלים, דגי הגרם והיונקים, בהם בני האדם.
סוף המסיבה
תור הקמבריון הסתיים כנראה באירוע הכחדה המוני ופתאומי שהביא בין השאר להיעלמותם של מינים רבים של טרילוביטים. חוקרים סבורים שהסיבה להכחדה הפתאומית היא הידלדלות החמצן והיווצרות של סולפידים רעילים – תרכובות המכילות גופרית.
בשנת 2011 דיווחו חוקרים מארצות הברית כי מצאו בסלעים שנוצרו בסוף תור הקמבריון מאפיינים דומים לאלה של סביבות ימיות דלות חמצן בנות זמננו, כגון הים השחור. הממצא מבוסס על דגימות סלעים שנאספו ממקומות רחוקים מאוד אלה מאלה, דבר שעשוי להצביע על כך שזו הייתה תופעה כלל עולמית בתקופה ההיא. הסיבה לירידה החדה הזאת בשיעור החמצן באטמוספרה אינה ידועה וממשיכה להעסיק את עולם המדע. בעלי החיים ששרדו את ההכחדה ההמונית הם האבות הקדמונים שמהם התפתחו כל המערכות הביולוגיות המוכרות לנו כיום.
בתור הקמבריון היה פיצוץ של חיים בסדר גודל שלא נראה כמותו לפניו או אחריו בכדור הארץ. מעולם ביולוגי דל, שהיה מורכב כמעט כולו מיצורים חד-תאיים ובעלי חיים פשוטים שניזונו מהם, התפתחה מערכת ביולוגית ואקולוגית מורכבת הכוללת מאות אלפי מינים.
אנחנו יכולים רק לשער מה היה הרכב האוכלוסייה הימית בימים ההם, איך בדיוק הם נראו, מה הם אכלו ומה הביא להכחדה ההמונית של רובם, אבל כנראה לעולם לא נדע בוודאות מה קרה שם. השערותינו מבוססות בעיקר על מידע עקיף, שיכול להיות מושפע ממשתנים רבים. ייתכן שעוד לפני הפיצוץ הקמבריוני היו מינים רבים של בעלי חיים חסרי שריון, אבל הם לא הותירו חותם גיאולוגי, היות שאיברים ביולוגיים רכים משתמרים הרבה פחות טוב מקונכיות ושריונות קשים.
ייתכן, אם כן, שהפיצוץ הקמבריוני אינו אלא תקופה שבה התפתחו שריונות קשים. לכן אנחנו, שתלויים במידע המגיע משרידים מאובנים, סבורים שזה היה המפץ הגדול של הביולוגיה. ועם זאת, תנאים מיוחדים כמו מפולות בוץ קדומות הצליחו לשמר גם מבנים ביולוגיים רכים, ועל בסיסם אנחנו לומדים רבות גם על היצורים הרכים של העולם הקדום, אולם עדיין מדובר בממצאים נדירים. כך, עם הכלים שהמדע מעמיד כיום לרשותנו, אנחנו יכולים לזכות לפחות להצצה מוגבלת על אותה תקופה דינמית ובראשיתית שהייתה, כפשוטו, "פיצוץ" של חיים.
אורי ברמן, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
