大約 4.45 億年前，地球經歷了一場徹底的轉變，重塑了生命的未來。在一個非常短的地質時期內，巨大的冰川遍布巨大的南部岡瓦納大陸。由於冰困住了水，廣闊的淺海乾涸，形成了“冰氣候”，並從根本上改變了海洋的化學成分。結果是災難性的。近 85% 的海洋物種已經消失，地球上的大部分生命都消失了。
但這次破壞出現了意想不到的結果。根據發表在 科學的進步沖繩科學技術研究所（OIST）的科學家表明，這一被稱為奧陶紀晚期大規模滅絕（LOME）的事件為脊椎動物多樣性的爆發鋪平了道路。在混亂期間，一個群體獲得了永久的優勢，並最終重塑了地球上的生命：有頜脊椎動物。 “我們已經證明，由於這一事件的發生，有頜魚類才變得占主導地位，”OIST 宏觀進化部門的首席研究員 Loren Salan 教授說道。 “從本質上講，我們通過在化石記錄、生態學和生物地理學之間劃清界限，提高了對進化的理解。”
大死亡之前的地球
奧陶紀距今約486年至4.43億年，與當今世界完全不同。岡瓦納大陸主宰南半球，周圍環繞著溫暖的淺海。由於兩極沒有冰，地球經歷了氣候變暖，支持了豐富的海洋生態系統。早期的地球剛剛開始生長簡單的、類似地錢的植物，以及沿著海岸爬行的多足節肢動物。
但海洋中已經充滿了奇異而多樣的生命。有著七鰓鰻般的大眼睛的針葉樹在高聳的海綿森林中移動。三葉蟲在海底密集的彈射軟體動物群中穿行。人類大小的海蝎子和帶有尖頭貝殼的巨型魚類在水面上延伸達五米。在這個奇怪的群體中，有頜類動物或有頜脊椎動物的祖先，它們在當時仍然很罕見且不起眼。
兩次滅絕浪潮
儘管科學家們仍在爭論最終導致LOME的原因，但化石記錄清楚地顯示了事件前後的清晰分界線。 “雖然我們不知道LOME的最終原因，但我們確實知道事件前後存在明顯的現象。化石記錄表明了這一點，”薩蘭教授說。
滅絕發生在兩個不同的階段。首先，地球迅速從溫暖的溫室狀態轉變為冰冷的氣候。岡瓦納大陸上的冰川不斷擴張，耗盡了淺海的水份，並破壞了重要的海洋棲息地。幾百萬年後，當生態系統開始恢復時，氣候再次發生逆轉。融化的冰蓋向海洋注入富含硫磺和低氧的溫水，導致物種適應寒冷的環境。
在孤立的避難所中生存
在這些反復出現的危機中，倖存的脊椎動物大部分被限制在避難所中。這些是生物多樣性的孤立區域，被大多數物種無法跨越的深海屏障隔開。在這些避難所中，有頜脊椎動物似乎具有決定性的優勢。
為了了解這是如何發生的，研究小組建立了一個廣泛的化石數據庫，涵蓋兩個世紀的奧陶紀晚期和志留紀早期的古生物學。 “我們結合了 200 年的晚奧陶世和早志留世古生物學，”第一作者 Wahi Hagiwara 說，他曾是宏觀進化部門的研究實習生，現在是 OIST 的博士生。通過重建這些保護區內的生態系統，研究人員能夠測量屬水平上多樣性隨時間的變化。他們的分析顯示，滅絕後有頜脊椎動物的多樣性穩步但驚人地增加。 “趨勢很明顯：大規模滅絕脈衝直接導致了幾百萬年後物種的增加。”
地理學形式的發展
化石數據庫還使研究小組能夠檢查這些進化變化發生的位置。通過追踪滅絕前後的物種分佈，研究人員能夠以前所未有的細節研究生物地理學。 “這是我們第一次能夠定量研究大規模滅絕事件前後的生物地理學，”薩蘭教授解釋道。繪製物種遷徙圖有助於確定主要的棲息地，從而促進了脊椎動物隨後的多樣化。
一個例子來自現在的中國南方。該地區的化石包括與現代鯊魚密切相關的最古老的完整有頜魚類遺骸。據萩原介紹，這些物種數百萬年來一直集中在穩定的避難所中。直到後來，它們才具備了穿越公海並傳播到新環境的能力。
為什麼下巴成為優勢
通過將化石證據與解剖學、地理和生態學數據相結合，這項研究為長期存在的進化問題提供了新的線索。 “頜骨的進化是為了創造一個新的生態位，還是我們的祖先首先填補了一個現有的生態位，然後多樣化？”薩蘭教授問道。 “我們的研究表明是後者。”
由於有頜脊椎動物被限制在狹小的地理區域內，它們遇到了由滅絕的無頜物種和其他動物留下的具有許多開放角色的生態系統。豐富的可用領域使他們能夠迅速實現多元化。在加拉帕戈斯群島的達爾文雀身上也可以看到類似的模式，隨著時間的推移，它們已經適應了不同的食物來源。隨著它們的飲食多樣化，它們的喙也不斷進化以適應它們所扮演的生態角色。
重置而不是從頭開始
雖然有頜魚類在中國南方仍然與世隔絕，但無頜脊椎動物卻在其他地方繼續繁衍生息，並在公海中又統治了 4000 萬年。這些群體分化為多種珊瑚魚，其中一些具有不同的口腔結構。為什麼有頜脊椎動物在走出避難所後最終在競爭中勝過它們，目前尚不完全清楚。
顯而易見的是，LOME 並不是簡單地抹去生命並重新開始。相反，它導致了研究人員所說的環境重置。早期脊椎動物扮演了以前由牙形刺和節肢動物佔據的角色，用新物種重建了熟悉的生態系統結構。在類似環境變化驅動的其他滅絕事件之後，類似的模式在整個古生代反復出現。該團隊將這種重複出現的模式稱為“多樣性重置週期”，其中進化通過收斂於相同的功能設計來恢復生態系統。
追踪古代倖存者的現代生活
薩蘭教授總結了研究結果的更廣泛影響。 “通過整合位置、形態、生態和生物多樣性，我們最終可以看到早期脊椎動物生態系統如何在重大環境擾動後重建。這項工作有助於解釋為什麼頜會進化，為什麼有頜脊椎動物最終占主導地位，以及為什麼現代海洋生物可以追溯到這些倖存者，而不是牙形刺和三葉蟲等早期形式。揭示這些長期模式及其潛在過程是進化生物學的一個令人興奮的方面。”
