大約4.45億年前，地球經歷了重大變化，重新定義了未來生命的方向。在非常短的地質時期內，大量冰川遍布岡瓦納大陸南部。當冰儲存水時，大片淺海乾涸，形成“冰工廠氣候”並嚴重改變海洋化學。結果是災難性的，大約 85% 的海洋物種滅絕了。毀滅了地球上的大部分生命。
但這場災難卻帶來了意想不到的結果。根據發表在 科學進步沖繩科學技術研究所（OIST）的科學家表明，這一被稱為晚奧陶世大規模滅絕（LOM）的事件標誌著脊椎動物多樣性爆發的開始。在混亂期間，有一個群體獲得了持久的優勢，並最終改變了地球上的生命：有頜脊椎動物。 OIST宏觀進化部門的資深作者勞倫·薩蘭（Lauren Sallan）教授說：“我們已經證明，顎魚之所以成為主導，只是因為這種情況的發生。”“基本上，我們通過在化石記錄、生態學和生物地理學之間劃清界限，完善了我們對進化的理解。”
大崩潰之前的世界
奧陶紀持續了大約 486 至 4.43 億年前，與今天的地球完全不同。岡瓦納古陸位於南半球，周圍環繞著溫暖的淺海。當兩極沒有冰時，世界就會經歷支持健康海洋生態系統的溫室氣候。最初的土地上只有簡單的植物。與地錢相似的多足節肢動物沿著岸邊爬行。
然而，海洋裡已經充滿了奇異多樣的生物。睜大眼睛的七鰓鰻在高聳的海水泡沫森林中穿行。三葉蟲在海底密密麻麻的軟體動物中快速穿行。人類大小的海蝎子和帶有長達 5 米的尖殼的巨大鸚鵡螺在水中被獵殺。這些外星演員中就有最早的祖先。痔瘡或有下頜的脊椎動物在當時仍然很難找到並且不突出
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的確切原因，但我們確實知道事件發生之前和之後是清楚的。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，世界迅速從溫暖的溫室氣候轉變為寒冷的冰室氣候。冰川延伸穿過岡瓦納大陸，排出淺海的水。並破壞重要的海洋棲息地。數百萬年後，隨著生態系統開始恢復，氣候再次轉變。融化的冰層向海洋注入溫暖、富含硫、貧氧的水。它是一種非常適應寒冷天氣條件的物種。
在偏遠避難所生存
在反復發生的危機中，大多數倖存的脊椎動物都被限制在避難所中。這些生物多樣性集群被大多數物種無法跨越的深海屏障隔開。在這些避難區內，有顎的脊椎動物似乎具有重要的優勢。
為了了解這是如何發生的，研究小組建立了一個涵蓋奧陶紀晚期和志留紀早期古生物學兩個世紀的綜合化石數據庫。 “我們匯集了 200 年的奧陶紀和早期志留紀古生物學，”第一作者、該單位的前研究實習生 Wahei Hagiwara 說。宏觀進化“通過在這些難民中創建一個新的生態系統，研究人員能夠測量屬級多樣性隨時間的變化。他們的分析表明，滅絕後有頜脊椎動物的多樣性穩步但急劇增加。“而且趨勢很明顯——大規模滅絕浪潮直接導致數百萬年後物種形成的增加。
地理決定進化
化石數據庫還幫助研究小組調查這些進化變化發生的位置。通過追踪物種滅絕前後的分佈。研究人員已經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，”蘇蘭教授解釋道。繪製物種運動圖有助於識別後來促進脊椎動物多樣化的關鍵棲息地。
一個例子來自現在的中國南方。該地區的化石包括最古老的有頜魚類的遺骸，它們與現代鯊魚密切相關。根據萩原的說法，這些物種在數百萬年的時間裡一直集中在穩定的避難所中。後來，它們發展出了穿越公海並傳播到新環境的能力。
為什麼大白鯊成為優勢？
通過將化石證據與解剖學、地理學和生態學相結合，這項研究揭示了一個長期存在的進化問題。 “頜骨的進化是為了創造新的生態位。或者我們的祖先是在現有的生態系統中定居然後擴散出去的嗎？”薩蘭教授問道。 “我們的研究表明是後者。”
這是因為有頜脊椎動物僅限於較小的地理區域。因此，他們遇到了一個生態系統，其中有許多無頜動物和其他動物留下的開放角色。渠道的豐富使得它們迅速多樣化。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，它們適應不同的食物來源，當它們的飲食多樣化時，它們的喙也會進化以反映它們的生態作用。
重置而不是從頭開始
與此同時，有頜魚在中國南方仍然與世隔絕。無頜脊椎動物繼續在其他地方繁衍生息，並在公海中統治了另外 4000 萬年。這些群體多樣化為各種珊瑚魚。有些有其他的嘴結構。為什麼有頜脊椎動物在擴展到它們的避難所之外後最終克服了它們？但目前還沒有完全理解。
顯而易見的是，LOME 並不只是抹去生命並重新開始。但它刺激了研究人員所說的生態重置。早期脊椎動物所扮演的角色曾由牙形刺和節肢動物扮演。通過用新物種重建熟悉的生態系統結構。類似的模式反復出現。在整個古生代時期，在其他滅絕事件之後，這是由類似的環境變化驅動的。該團隊將這種重複模式稱為“世界上最常見的模式”。 “多樣性重置週期”，其中進化通過相同功能設計的融合來恢復生態系統。
追隨現代生活，了解古代倖存者。
薩蘭教授概述了研究結果的更廣泛含義。 “通過整合位置、形態、生態和生物多樣性，我們終於可以看到早期脊椎動物的生態系統是如何進化的。在重大環境破壞後如何重建？這項工作有助於解釋為什麼有頜進化。為什麼有頜脊椎動物最終獲勝？為什麼現代海洋生物可以追溯到這些倖存者？而不是像牙形刺和三葉蟲等早期形式，揭示這些長期形式及其潛在過程是進化生物學令人興奮的方面之一。”
