Nowe badania Princeton pokazują, że prehistoryczne rekiny megazębne – największe rekiny, jakie kiedykolwiek żyły – były drapieżnikami wierzchołkowymi na najwyższym poziomie, jaki kiedykolwiek zmierzono.
Rekiny megazębne zawdzięczają swoją nazwę masywnym zębom, z których każdy może być większy niż ludzka ręka. Grupa obejmuje Megalodon, największy rekin, jaki kiedykolwiek żył, a także kilka pokrewnych gatunków.
Podczas gdy takie czy inne rekiny istniały na długo przed dinozaurami – przez ponad 400 milionów lat – te rekiny megazębne wyewoluowały po wyginięciu dinozaurów i rządziły morzami zaledwie 3 miliony lat temu.
„Jesteśmy przyzwyczajeni do myślenia o największych gatunkach – płetwalach błękitnych, rekinach wielorybich, a nawet słoniach i diplodokach – jako filtratorach lub roślinożercach, a nie drapieżnikach” – powiedziała dr Emma Kast z 2019 roku. absolwent nauk o Ziemi, który jest pierwszym autorem nowego badania w bieżącym numerze Science Advances. „Ale Megalodon i inne rekiny megazębne były naprawdę ogromnymi drapieżnikami, które zjadały inne drapieżniki, a Meg wyginęła zaledwie kilka milionów lat temu”.
Jej doradca Danny Sigman, profesor nauk geologicznych i geofizycznych w Dusenbury w Princeton, dodał: „Gdyby Megalodon istniał we współczesnym oceanie, całkowicie zmieniłby interakcje człowieka ze środowiskiem morskim”.
Zespół naukowców z Princeton odkrył teraz wyraźne dowody na to, że Megalodon i niektórzy z jego przodków znajdowali się na najwyższym szczeblu prehistorycznego łańcucha pokarmowego – który naukowcy nazywają najwyższym „poziomem troficznym”. Rzeczywiście, ich sygnatura troficzna jest tak wysoka, że musiały zjadać inne drapieżniki i drapieżniki drapieżników w skomplikowanej sieci pokarmowej, twierdzą naukowcy.
„Oceaniczne sieci pokarmowe są zwykle dłuższe niż łańcuch pokarmowy zwierząt lądowych, jeleni-wilków, ponieważ zaczyna się od tak małych organizmów”, powiedział Kast, obecnie na Uniwersytecie Cambridge, który napisał pierwszą iterację tego badania jako rozdział w jej rozprawie. „Aby osiągnąć poziomy troficzne, które mierzymy u tych rekinów megazębnych, musimy nie tylko dodać jeden poziom troficzny – jednego drapieżnika wierzchołkowego na szczycie morskiego łańcucha pokarmowego – musimy dodać kilka na szczycie nowoczesnego morska sieć pokarmowa”.
Megalodon został ostrożnie oszacowany na 15 metrów długości – 50 stóp – podczas gdy współczesne żarłacze białe zwykle osiągają długość około pięciu metrów (15 stóp).
Aby wyciągnąć wnioski na temat prehistorycznej morskiej sieci pokarmowej, Kast, Sigman i ich koledzy wykorzystali nowatorską technikę pomiaru izotopów azotu w zębach rekinów. Ekolodzy od dawna wiedzą, że im więcej azotu-15 ma organizm, tym wyższy jest jego poziom troficzny, ale naukowcy nigdy wcześniej nie byli w stanie zmierzyć maleńkich ilości azotu zachowanych w warstwie szkliwa zębów tych wymarłych drapieżników.
„Mamy serię zębów rekina z różnych okresów i byliśmy w stanie prześledzić ich poziom troficzny w stosunku do ich wielkości” – powiedział Zixuan (Crystal) Rao, doktorant w grupie badawczej Sigman i współautor obecnego artykułu. .
Jednym ze sposobów na schowanie dodatkowego poziomu troficznego lub dwóch jest kanibalizm, a kilka linii dowodów wskazuje na to zarówno u rekinów megazębnych, jak i innych prehistorycznych drapieżników morskich.
Wehikuł czasu z azotem
Bez wehikułu czasu nie ma łatwego sposobu na odtworzenie sieci pokarmowych wymarłych stworzeń; bardzo niewiele kości przetrwało ze śladami zębów, które mówią: „Przeżuł mnie ogromny rekin”.
Na szczęście Sigman i jego zespół spędzili dziesięciolecia na opracowywaniu innych metod, opartych na wiedzy, że poziomy izotopów azotu w komórkach stworzeń ujawniają, czy znajdują się one na szczycie, środku czy na dole łańcucha pokarmowego.
„Całym kierunkiem mojego zespołu badawczego jest poszukiwanie chemicznie świeżej, ale fizycznie chronionej materii organicznej – w tym azotu – w organizmach z odległej geologicznej przeszłości” – powiedział Sigman.
Kilka roślin, glonów i innych gatunków znajdujących się na dnie sieci troficznej opanowało umiejętność przekształcania azotu z powietrza lub wody w azot w swoich tkankach. Organizmy, które je zjadają, następnie włączają ten azot do swoich ciał i, co najważniejsze, preferencyjnie wydalają (czasem z moczem) więcej lżejszego izotopu azotu, N-14, niż jego cięższy kuzyn N-15.
Innymi słowy, N-15 rośnie w stosunku do N-14, gdy wspinasz się w górę łańcucha pokarmowego.
Inni badacze zastosowali to podejście do stworzeń z niedalekiej przeszłości – ostatnich 10-15 tysięcy lat – ale do tej pory u starszych zwierząt nie było wystarczającej ilości azotu do pomiaru.
Czemu? Tkanka miękka, taka jak mięśnie i skóra, prawie nigdy nie jest zachowana. Sprawę komplikuje fakt, że rekiny nie mają kości – ich szkielety są zrobione z chrząstki.
Ale rekiny mają jeden złoty bilet do zapisu kopalnego: zęby. Zęby są łatwiej zachowane niż kości, ponieważ są pokryte szkliwem, twardym jak skała materiałem, który jest praktycznie odporny na większość rozkładających się bakterii.
„Zęby są zaprojektowane tak, aby były odporne chemicznie i fizycznie, aby mogły przetrwać w bardzo reaktywnym chemicznie środowisku jamy ustnej i rozbijać pokarm, który może mieć twarde części” – wyjaśnił Sigman. Ponadto rekiny nie ograniczają się do około 30 perłowo białych, które mają ludzie. Stale rosną i tracą zęby – współczesne rekiny piaskowe tracą ząb średnio każdego dnia przez całe dziesięciolecia – co oznacza, że każdy rekin produkuje tysiące zębów w ciągu swojego życia.
„Kiedy spojrzysz na zapis geologiczny, jednym z najliczniejszych typów skamielin są zęby rekina” – powiedział Sigman. „A w zębach znajduje się niewielka ilość materii organicznej, która została użyta do budowy szkliwa zębów – i jest teraz uwięziona w tym szkliwie”.
Ponieważ zęby rekina są tak liczne i tak dobrze zachowane, sygnatury azotu w szkliwie umożliwiają pomiar statusu w sieci pokarmowej, niezależnie od tego, czy ząb wypadł z paszczy rekina miliony lat temu, czy wczoraj.
Nawet największy ząb ma tylko cienką obudowę szkliwa, którego składnik azotowy jest tylko drobnym śladem. Jednak zespół Sigmana opracowuje coraz bardziej wyrafinowane techniki ekstrakcji i pomiaru tych proporcji izotopów azotu, a przy niewielkiej pomocy wierteł dentystycznych, chemikaliów czyszczących i drobnoustrojów, które ostatecznie przekształcają azot z wnętrza szkliwa w podtlenek azotu, są teraz w stanie precyzyjnie zmierzyć stosunek N15-N14 w tych starożytnych zębach.
„Jesteśmy trochę jak browar” – powiedział. „Hodowlamy drobnoustroje i karmimy je naszymi próbkami. Produkują dla nas podtlenek azotu, a następnie analizujemy podtlenek azotu, który wyprodukowali”.
Analiza wymaga zbudowanego na zamówienie, zautomatyzowanego systemu przygotowania podtlenku azotu, który ekstrahuje, oczyszcza, koncentruje i dostarcza gaz do specjalistycznego spektrometru mas o stabilnym stosunku izotopów.
„To była wieloletnia misja, w której brałem udział, aby opracować podstawową metodę pomiaru tych śladowych ilości azotu” – powiedział Sigman. Od mikroskamieniałości w osadach przenieśli się do innych rodzajów skamieniałości, takich jak koralowce, kości uszu ryb i zęby rekina. „Następnie my i nasi współpracownicy stosujemy to do zębów ssaków i zębów dinozaurów”.
Głębokie zanurzenie się w literaturze podczas blokady
Na początku pandemii, gdy jej przyjaciele robili przystawki na zakwasie i objadali się Netflixem, Kast przeglądała literaturę ekologiczną, szukając pomiarów izotopów azotu u współczesnych zwierząt morskich.
„Jedną z fajnych rzeczy, które zrobiła Emma, było naprawdę przeszukać literaturę – wszystkie dane, które były publikowane przez dziesięciolecia – i powiązać je z zapisem kopalnym” – powiedział Michael (Mick) Griffiths, paleoklimatolog i geochemik w William Patterson. Uniwersytet i współautor artykułu.
Kiedy Kast poddała się kwarantannie w domu, skrupulatnie ustanowiła rekord z ponad 20 000 osobników ssaków morskich i ponad 5000 rekinów. Chce posunąć się znacznie dalej. „Nasze narzędzie ma potencjał do dekodowania starożytnych sieci pokarmowych; teraz potrzebujemy próbek” – powiedział Kast. „Chciałbym znaleźć muzeum lub inne archiwum z migawką ekosystemu – zbiór różnego rodzaju skamieniałości z jednego czasu i miejsca, od otworów u podstawy sieci pokarmowej po otolity – ucho wewnętrzne kości — od różnych gatunków ryb, po zęby ssaków morskich, a także zęby rekinów. Moglibyśmy przeprowadzić tę samą analizę izotopów azotu i złożyć całą historię starożytnego ekosystemu.
Oprócz wyszukiwania literatury, ich baza danych zawiera własne próbki zębów rekina. Współautor Kenshu Shimada z DePaul University związany z akwariami i muzeami, podczas gdy współautorzy Martin Becker z William Patterson University i Harry Maisch z Florida Gulf Coast University zebrali okazy megazębne na dnie morza.
„To naprawdę niebezpieczne; Harry jest mistrzem nurkowania i naprawdę musisz być ekspertem, aby je zdobyć” – powiedział Griffiths. „Na plaży można znaleźć małe zęby rekina, ale aby uzyskać najlepiej zachowane próbki, musisz zejść na dno oceanu. Marty i Harry zebrali zęby z całego miejsca”.