태초
오늘날 우리는 서로를 잡아먹는 다양한 동물 군집에 살고 있다는 것을 당연하게 여깁니다. 우리의 생태계는 범고래가 물개를 먹고, 물개가 오징어를 먹고, 오징어가 크릴을 먹는 것처럼 먹이 관계에 따라 구조화되어 있습니다. 이 동물들과 다른 동물들은 음식에서 에너지를 추출하기 위해 산소가 필요합니다. 하지만 지구의 삶은 그렇지 않았습니다.

산소가 없고 메탄이 많은 환경이라면 지구는 역사의 대부분 동안 동물에게 환영받는 곳이 아니었을 것입니다. 우리가 아는 가장 초기의 생명체는 약 37억 년 된 바위에 존재의 신호를 남긴 미세한 유기체(미생물)였습니다. 이 신호는 생명체가 생성하는 일종의 탄소 분자로 구성되었습니다.

미생물의 증거는 또한 35억 년 전으로 거슬러 올라가는 단단한 구조(“스트로마톨라이트”)에도 보존되어 있습니다. 스트로마톨라이트는 미생물의 끈적끈적한 매트가 퇴적물을 가두고 묶어 층으로 만듭니다. 미네랄은 층 내부에서 침전되어 미생물이 죽어가더라도 내구성 있는 구조를 만듭니다. 과학자들은 오늘날의 희귀한 살아있는 스트로마톨라이트 암초를 연구하여 지구 최초의 생명체를 더 잘 이해합니다.

산소 대기
남조류가 적어도 24억 년 전에 진화했을 때, 그들은 놀라운 변형의 무대를 마련했습니다. 그들은 지구 최초의 광합성자가 되어 물과 태양 에너지를 사용하여 음식을 만들고 그 결과 산소를 ​​방출했습니다. 이로 인해 산소가 갑자기 극적으로 증가하여 산소를 견딜 수 없는 다른 미생물에게 덜 친화적인 환경이 되었습니다.

이 대산화 사건의 증거는 띠철광층 또는 BIF라고 하는 해저 암석의 변화에 ​​기록되어 있습니다. 산소가 풍부한 얕은 물이 철이 풍부한 깊은 물과 섞이면 철이 산소와 화학적으로 반응하여(산화됨) 산화철 미네랄을 형성합니다. 이러한 미네랄은 해저로 가라앉아 바위에 어둡고 철분이 풍부한 층을 형성합니다.

산소의 초기 펄스 후, 그것은 더 낮은 수준에서 안정화되어 수십억 년 더 유지되었습니다. 사실, 남조류가 죽어 물속으로 표류하면서, 그들의 몸이 분해되면서 산소 수치가 감소했을 것입니다. 따라서 바다는 여전히 충분한 산소가 필요한 대부분의 생명체에게 적합한 환경이 아니었습니다.

다세포 생명체
그러나 다른 혁신이 일어나고 있었습니다. 미생물은 많은 화학 물질을 처리할 수 있지만 복잡한 몸에 필요한 특수 세포가 없었습니다. 동물의 몸에는 피부, 혈액, 뼈와 같은 다양한 세포가 있으며, 각각 다른 역할을 하는 세포소기관이 있습니다. 미생물은 세포소기관이 없고 DNA를 포장할 핵이 없는 단일 세포일 뿐입니다.

미생물이 다른 미생물 안에서 살면서 다른 미생물의 세포소기관 역할을 하기 시작하면서 혁명적인 일이 일어났습니다. 음식을 에너지로 처리하는 세포소기관인 미토콘드리아는 이러한 상호 유익한 관계에서 진화했습니다. 또한, DNA가 처음으로 핵에 포장되었습니다. 새로운 복잡한 세포(“진핵 세포”)는 전체 세포를 지탱하는 특수한 역할을 하는 특수한 부분을 자랑했습니다.

세포는 또한 특정 이점을 얻을 수 있었기 때문에 함께 살기 시작했습니다. 세포 그룹은 더 효율적으로 먹이를 먹거나 단순히 더 커지는 것으로부터 보호를 받을 수 있습니다. 집단적으로 사는 세포는 각 세포가 특정 작업을 수행하여 그룹의 필요를 지원하기 시작했습니다. 일부 세포는 그룹을 하나로 묶기 위한 접합부를 만드는 임무를 맡았고, 다른 세포는 음식을 분해할 수 있는 소화 효소를 만들었습니다.

최초의 동물
이러한 특수하고 협력하는 세포 클러스터는 결국 최초의 동물이 되었으며, DNA 증거에 따르면 약 8억 년 전에 진화했습니다. 해면은 가장 초기의 동물 중 하나였습니다. 해면의 화학 화합물은 7억 년 된 암석에 보존되어 있지만, 분자 증거는 해면이 훨씬 더 일찍 발달했음을 지적합니다.

바다의 산소 수치는 오늘날에 비해 여전히 낮았지만 해면은 저산소 조건을 견딜 수 있습니다. 다른 동물과 마찬가지로 대사를 위해 산소가 필요하지만, 활동성이 높지 않기 때문에 많은 산소가 필요하지 않습니다. 특수 세포가 몸 전체로 펌핑한 물에서 음식 입자를 추출하여 가만히 앉아 먹이를 먹습니다.

스펀지의 단순한 신체 평면도는 물로 가득 찬 공동 주변의 세포 층으로 구성되어 있으며, 단단한 골격 부분으로 지지됩니다. 점점 더 복잡하고 다양한 신체 평면도가 진화하면서 결국에는 뚜렷한 동물 그룹이 생겨났습니다.

동물의 신체 평면도에 대한 조립 지침은 유전자에 있습니다. 일부 유전자는 오케스트라 지휘자처럼 작용하여 특정 장소와 시간에 다른 많은 유전자의 발현을 제어하여 구성 요소를 올바르게 조립합니다. 즉시 실행되지는 않았지만 복잡한 신체에 대한 지침의 일부는 가장 초기의 동물에도 존재했다는 증거가 있습니다.

단단한 골격 덕분에 스펀지는 지구상 최초의 산호초 건설자가 되었습니다. 스미소니언의 클라우스 뤼츨러 박사와 같은 과학자들은 오늘날 지구상에 살고 있는 수천 종의 해면 동물의 진화를 이해합니다.

에디아카라 생물군
약 5억 8천만 년 전(에디아카라기)에는 해면 동물 외에도 다른 유기체가 급증했습니다. 이 다양한 해저 생물은 잎사귀, 리본, 심지어 이불과 같은 모양의 몸을 가지고 있었으며 8천만 년 동안 해면 동물과 함께 살았습니다. 이들의 화석 증거는 전 세계의 퇴적암에서 찾을 수 있습니다.

그러나 대부분의 에디아카라 동물의 신체 평면도는 현대 동물 그룹과 비슷하지 않았습니다. 스미소니언의 더글러스 어윈 박사는 비교 발달 증거를 사용하여 화석화된 에디아카라 동물 중 현대 동물과 관련이 있는지 조사했습니다.

에디아카라기가 끝날 무렵 산소 수치가 상승하여 산소 기반 생명체를 유지하기에 충분한 수준에 접근했습니다. 초기 해면 동물은 실제로 박테리아를 먹고 분해 과정에서 박테리아를 제거하여 산소를 증가시키는 데 도움이 되었을 수 있습니다. Dickinsonia costata라는 유기체의 흔적은 아마도 미생물 매트를 먹고 바다 바닥을 따라 이동했을 것이라고 암시합니다.

에디아카라 말 멸종
그러나 약 5억 4천 1백만 년 전, 에디아카라 생물 대부분이 사라져 더글러스 어윈과 다른 과학자들이 여전히 이해하기 위해 노력하고 있는 중대한 환경 변화의 신호였습니다. 진화하는 동물의 신체 구조, 먹이 관계 및 환경 공학이 역할을 했을 수 있습니다.

에디아카라 말의 화석 기록에서 발견된 굴은 벌레와 같은 동물이 바다 바닥을 파기 시작했음을 보여줍니다. 이 초기 환경 공학자들은 퇴적물을 교란하고 아마도 공기를 공급하여 다른 에디아카라 동물의 환경을 파괴했습니다. 일부 동물의 환경 조건이 악화되면서 다른 동물의 환경 조건이 개선되어 종의 변화를 촉진할 가능성이 있습니다.

캄브리아기 폭발
캄브리아기(5억 4천 1백만~4억 8천 5백만 년 전)에는 새로운 생명체가 엄청나게 폭발적으로 증가했습니다. 새로운 굴을 파는 생활 방식과 함께 조개와 가시와 같은 단단한 신체 부위가 생겨났습니다. 단단한 신체 부위 덕분에 동물은 굴을 파는 것과 같이 환경을 더욱 극적으로 조작할 수 있었습니다. 또한 먹이를 쫓기 위해 방향성 있는 움직임을 위한 명확한 머리와 꼬리가 있는 보다 활동적인 동물로의 전환이 발생했습니다. 삼엽충과 같은 잘 무장한 동물의 활발한 먹이 섭취는 부드러운 에디아카라 생물이 살았던 해저를 더욱 파괴했을 수 있습니다.

(비디오 “고생물학자 카르마 낭글루와 함께하는 캄브리아기 생명의 폭발”을 시청하세요.)

독특한 먹이 스타일이 환경을 분할하여 더 다양한 생명체를 위한 공간을 마련했습니다. 1909년 스미소니언의 네 번째 사무국장인 찰스 둘리틀 월콧은 캄브리아기 생명의 전례 없는 생물학적 다양성을 보여주는 버제스 셰일 화석을 발견했습니다. 왑티아가 바다 바닥을 수색하는 동안, 프리아풀리드 벌레는 퇴적물에 굴을 파고, 위왁시아는 스펀지에 부착하고, 아노말로카리스는 위를 순항했습니다.

이러한 이상하게 생긴 유기체 중 다수는 5개의 눈을 가진 오파비니아와 같은 진화적 실험이었습니다. 그러나 삼엽충과 같은 일부 그룹은 수억 년 동안 번성하여 지구를 지배했지만 결국 멸종했습니다. 스트로마톨라이트 산호초를 형성하는 박테리아도 감소했고, 완족류라고 불리는 유기체가 만든 산호초는 지구의 조건이 계속 변화함에 따라 생겨났습니다. 오늘날의 주요 산호초 형성자인 단단한 산호는 수억 년 후에야 나타났습니다.

그러나 다가올 모든 변화에도 불구하고 캄브리아기 말에는 거의 모든 기존 동물 유형 또는 문(연체동물, 절지동물, 환형동물 등)이 확립되었고, 먹이 사슬이 생겨나 오늘날 지구 생태계의 기초를 형성했습니다

Smithsonian National Museum of Natural History

Early Life on Earth – Animal Origins

In the Beginning

Today we take for granted that we live among diverse communities of animals that feed on each other. Our ecosystems are structured by feeding relationships like killer whales eating seals, which eat squid, which feed on krill. These and other animals require oxygen to extract energy from their food. But that’s not how life on Earth used to be.

With an environment devoid of oxygen and high in methane, for much of its history Earth would not have been a welcoming place for animals. The earliest life forms we know of were microscopic organisms (microbes) that left signals of their presence in rocks about 3.7 billion years old. The signals consisted of a type of carbon molecule that is produced by living things.

Evidence of microbes was also preserved in the hard structures (“stromatolites”) they made, which date to 3.5 billion years ago. Stromatolites are created as sticky mats of microbes trap and bind sediments into layers. Minerals precipitate inside the layers, creating durable structures even as the microbes die off. Scientists study today’s, rare living stromatolite reefs to better understand Earth’s earliest life forms.

An Oxygen Atmosphere

When cyanobacteria evolved at least 2.4 billion years ago, they set the stage for a remarkable transformation. They became Earth’s first photo-synthesizers, making food using water and the Sun’s energy, and releasing oxygen as a result. This catalyzed a sudden, dramatic rise in oxygen, making the environment less hospitable for other microbes that could not tolerate oxygen.

Evidence for this Great Oxidation Event is recorded in changes in seafloor rocks called Banded Iron Formations, or BIFs. When shallow water, enriched in oxygen, mixes with deep, iron-rich water, the iron reacts chemically with oxygen (it gets oxidized) and forms iron oxide minerals. These minerals sink down to the seafloor, forming dark, iron-rich layers in the rocks.

After the initial pulse of oxygen, it stabilized at lower levels where it would remain for a couple billion years more. In fact, as cyanobacteria died and drifted down through the water, the decomposition of their bodies probably reduced oxygen levels. So, the ocean was still not a suitable environment for most lifeforms that need ample oxygen.

Multicellular Life

However, other innovations were occurring. While they can process lots of chemicals, microbes did not have the specialized cells that are needed for complex bodies. Animal bodies have various cells – skin, blood, bone – which contain organelles, each doing a distinct job. Microbes are just single cells with no organelles and no nuclei to package their DNA.

Something revolutionary happened as microbes began living inside other microbes, functioning as organelles for them. Mitochondria, the organelles that process food into energy, evolved from these mutually beneficial relationships. Also, for the first time, DNA became packaged in nuclei. The new complex cells (“eukaryotic cells”) boasted specialized parts playing specialized roles that supported the whole cell.

Cells also began living together, probably because certain benefits could be obtained. Groups of cells might be able to feed more efficiently or gain protection from simply being bigger. Living collectively, cells began to support the needs of the group by each cell doing a specific job. Some cells were tasked with making junctions to hold the group together, while other cells made digestive enzymes that could break down food.

The First Animals

These clusters of specialized, cooperating cells eventually became the first animals, which DNA evidence suggests evolved around 800 million years ago. Sponges were among the earliest animals. While chemical compounds from sponges are preserved in rocks as old as 700 million years, molecular evidence points to sponges developing even earlier. 

Oxygen levels in the ocean were still low compared to today, but sponges are able to tolerate conditions of low oxygen. Although, like other animals, they require oxygen to metabolize, they don’t need much because they are not very active. They feed while sitting still by extracting food particles from water that is pumped through their bodies by specialized cells.

The simple body plan of a sponge consists of layers of cells around water-filled cavities, supported by hard skeletal parts. The evolution of ever more complex and diverse body plans would eventually lead to distinct groups of animals.

The assembly instructions for an animal’s body plan are in its genes. Some genes act like orchestra conductors, controlling the expression of many other genes at specific places and times to correctly assemble the components. While they were not played out immediately, there is evidence that parts of instructions for complex bodies were present even in the earliest animals.

Thanks to their hard skeletons, sponges became the first reef builders on Earth. Scientists like Smithsonian’s Dr. Klaus Ruetzler are working to understand the evolution of the thousands of sponge species living on Earth today.  

Ediacaran Biota

By about 580 million years ago (the Ediacaran Period) there was a proliferation of other organisms, in addition to sponges. These varied seafloor creatures – with bodies shaped like fronds, ribbons, and even quilts – lived alongside sponges for 80 million years. Their fossil evidence can be found in sedimentary rocks around the world.

However, the body plans of most Ediacaran animals did not look like modern groups. Smithsonian’s Dr. Douglas Erwin, using comparative developmental evidence, has examined whether any of the fossilized Ediacaran animals were related to modern animals.

By the end of the Ediacaran, oxygen levels rose, approaching levels sufficient to sustain oxygen-based life. The early sponges may actually have helped boost oxygen by eating bacteria, removing them from the decomposition process. Tracks of an organism named Dickinsonia costata suggest that it may have been moved along the sea bottom, presumably feasting on mats of microbes.

The End-Ediacaran Extinction

However, about 541 million years ago, most of the Ediacaran creatures disappeared, signaling a major environmental change that Douglas Erwin and other scientists are still working to understand. Evolving animal body plans, feeding relationships, and environmental engineering may have played a role.

Burrows found in the fossil record, dating to the end of the Ediacaran, reveal that worm-like animals had begun to excavate the ocean bottom. These early environmental engineers disturbed and maybe aerated the sediment, disrupting conditions for other Ediacaran animals. As environmental conditions deteriorated for some animals, they improved for others, potentially catalyzing a change-over in species.

The Cambrian Explosion

The Cambrian Period (541-485 million years ago) witnessed a wild explosion of new life forms. Along with new burrowing lifestyles came hard body parts like shells and spines. Hard body parts allowed animals to more drastically engineer their environments, such as digging burrows. A shift also occurred towards more active animals, with defined heads and tails for directional movement to chase prey. Active feeding by well-armored animals like trilobites may have further disrupted the sea floor that the soft Ediacaran creatures had lived on. 

(Watch video, “The Cambrian Explosion of Life with Paleontologist Karma Nanglu.”)

Unique feeding styles partitioned the environment, making room for more diversification of life. In 1909 the Smithsonian’s fourth Secretary, Charles Doolittle Walcott, discovered the Burgess Shale fossils that revealed the unprecedented biodiversity of Cambrian life. While Waptia scoured the ocean bottom, priapulid worms burrowed into the sediment, Wiwaxia attached to sponges, and Anomalocaris cruised above.

Many of these odd-looking organisms were evolutionary experiments, such as the 5-eyed Opabinia. However, some groups, such as the trilobites, thrived and dominated Earth for hundreds of millions of years but eventually went extinct. Stromatolite reef-building bacteria also declined, and reefs made by organisms called brachiopods arose as conditions on Earth continued to change. Today’s dominant reef-builders, the hard corals, did not emerge until a couple hundred million years later

However, despite all the changes that were to come, by the end of the Cambrian nearly all existing animal types, or phyla, (mollusks, arthropods, annelids, etc.) were established, and food webs were emerging, forming the foundation for the ecosystems on Earth today.