Global Biodiversity Patterns During the Cambrian Radiation Globale Biodiversitätsentwicklung Während Der Kambrischen Radiation
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Global Biodiversity Patterns during the Cambrian Radiation Globale Biodiversitätsentwicklung während der kambrischen Radiation Der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat vorgelegt von Lin Na aus Heilongjiang, V. R. China Erlangen 2016 Als Dissertation genehmigt von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Tag der mündlichen Prüfung: 2.11.2016. Vorsitzender des Promotionsorgans: Prof. Dr. Georg Kreimer Gutachter: Prof. Dr. Wolfgang Kießling Prof. Dr. Axel Munnecke Acknowledgments Foremost, I thank my supervisors Prof. Dr. Wolfgang Kießling. Only with his guidance, I could now fulfill my PhD study. From the day I decided to study abroad in Germany, Prof. Kießling gave me the greatest possible help with all aspects, including the design of research, analyses of data, publishing paper, and dissertation corrections. Along with his professional assistance and guidance, I would like to thank him for his help in daily life as well. My most heartfelt gratitude goes to my fiancé Qijian Li (Jason) for his care, his help, his understanding, his patience, and keeping me company all along in Germany. I thank my parents for not holding me back and kindly tolerated my absence from their life. I thank my parents for their understandings and cares and also thank them for giving me financial support whenever I needed. Without many other prerequisites and supports, this PhD study cannot be accomplished and presented here. I thank the following people: - Ex-supervisor in Nanjing Institute of Geology and Palaeontology: Guoxiang Li who gave me professional advices on taxonomy of SSF; - Leader of pre-project in Nanjing Institute of Geology and Palaeontology: Maoyan Zhu who kindly provided financial support for the field trips in South China; - Other colleagues in Nanjing Institute of Geology and Palaeontology for their help in organizing the field trip in China; - Christopher Heubeck and Michael Steiner from Freie Universität for their professional instructions in field trips of Kazakhstan and South China; - Colleagues from Museum für Naturkunde Berlin: Uta Merkel for her fantastic input of data from my study period, Heike Mewis, Melanie Hopkins, Melanie Tietje, and colleagues for all sorts of supports; - Colleagues in my Department from Friedrich-Alexander-Universität Erlangen- Nürnberg: Axel Munnecke, Birgit Leipner-Mata, Mihaela-Cristina Krause, Emilia Jarochowska, Manja Hethke, Patric Chellouche, Adam Kocsis, Christian Schulbert for all sorts of supports. Also, my work was supported and funded by Deutsche Forschungsgemeinschaft KI 806/9-1, embedded in the Research Unit “The Precambrian-Cambrian Biosphere (R)evolution: Insights from Chinese Microcontinents” (FOR 736). Summary The fossil record offers unique insights into the environmental and geographic partitioning of biodiversity during global diversifications. Global (gamma) diversity can be decomposed into local (alpha) and turnover (beta) components. Relationship of alpha and beta diversity in deep time during major evolutionary radiations has seldom been studied in paleobiology. Pathways of alpha- and beta- diversity in diversifying ecosystems notably differ depending on the relative role of various ecological interactions and environmental parameters. By combining the analysis of macroecological patterns of taxonomic composition and spatial distribution, we can assess the question which factors primarily controlled the diversification of life over geological times. Here I explore biodiversity patterns during the Cambrian radiation, the most dramatic radiation in Earth’s history. That the main pulse of the Cambrian radiation was in the early Cambrian has long been known, but defining the time of peak diversity has been hampered by problems with stratigraphic correlations. Many mechanisms of the Cambrian Explosion have been proposed, which can be subsumed as abiotic change, biotic interactions and genetic. This thesis aims at elucidating the role of biotic interactions using rigorous quantitative analyses of Ediacaran-Cambrian biodiversity dynamics. I use data from the Paleobiology Database (http://paleobiodb.org), which is a core infrastructure for modern paleobiological analyses. Based on well-established biostratigraphic correlation charts, I revised the stratigraphic assignments of all collections from the Ediacaran into the earliest Ordovician. I use sampling-standardized analyses of fossil occurrence data to derive accurate time series of alpha, beta, and gamma diversity. The vetted data demonstrate a prominent diversity peak in Stage 3, which is roughly equivalent to the Siberian Atdabanian and most of the Siberian Botomian. As diversity stabilized or declined subsequently, I conclude that Cambrian radiation only spanned the first three Cambrian stages in terms of biodiversity at the genus level. I assess how the overall increase in global diversity was partitioned between within-community (alpha) and between-community (beta) components and how beta i diversity was partitioned among environments and geographic regions. Alpha and beta diversity increased from the Fortunian to Stage 3, and fluctuated erratically through the following stages. Changes of Cambrian gamma diversity were chiefly driven by changes in beta diversity. The pattern of diversity partitioning along onshore-offshore gradients demonstrate that there is no clear trend. Major ecological innovations appeared randomly with respect to bathymetric gradients and the variation of genus turnover between communities was not governed by environmental heterogeneity. My study elucidates that global biodiversity during the Cambrian radiation was driven by niche contraction at local scales and vicariance at continental scales. At local scales, the combined trajectories of alpha and beta diversity during the initial diversification suggest low competition and high predation within communities. At continental scales, the increase of beta diversity was controlled by the high rate of community turnover among adjacent continents. Beta diversity has similar trajectories both among environments and geographic regions, but turnover between adjacent paleo- continents was probably the main driver of diversification. This finding supports the general importance of plate tectonics in large-scale diversifications. ii Zusammenfassung Der Fossilbericht bietet einzigartige Einblicke in die ökologische und geographische Partitionierung der biologischen Diversität bei globalen Diversifikationen. Globale (Gamma) Diversität kann in unterteilt werden in die Diversität lokaler Vergesellschaftungen (Alpha) und Unterschiede zwischen Vergesellschaften (Beta). Das Verhältnis von Alpha- und Beta-Diversität über geologische Zeitskalen während großer evolutionärer Radiationen ist bislang selten paläobiologisch untersucht worden. Die zeitlichen Muster von Alpha- und Beta-Diversität in diversifizierenden Ökosystemen unterscheiden sich vor allem in der relativen Rolle von verschiedenen ökologischen Interaktionen und Umweltparametern. Durch die Kombination der Analyse von makroökologischen Mustern, taxonomischer Zusammensetzung und deren räumlicher Verteilung können wir die Frage nach den Faktoren beantworten, die maßgeblich die Diversifizierung des Lebens über die geologischen Zeiten kontrollierten. Hier untersuche ich Muster der Biodiversität während der kambrischen Radiation, der dramatischsten Radiation der Erdgeschichte. Dass der Hauptimpuls der kambrischen Radiation im frühen Kambrium war, ist seit langem bekannt, aber die eine genauere Festlegung wurde durch Probleme mit globalen stratigraphischen Korrelationen behindert. Viele Mechanismen der kambrischen Explosion sind vorgeschlagen worden, die als abiotische Änderung, biotische Interaktionen und genetische Faktoren subsummiert werden können. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Rolle von biotischen Interaktionen mit Hilfe von probenstandardisierten Diversitätsdynamiken im Ediacarium und Kambrium aufzuklären. Ich verwende Daten aus der Paleobiology Database (http://paleobiodb.org), die eine zentrale Infrastruktur für moderne paläobiologische Analysen ist. Auf Basis etablierter biostratigraphischer Korrelationsdiagramme, wurde die stratigraphische Einstufung aller Sammlungen vom Ediacaran bis in das früheste Ordovizium überarbeitet. Ich benutze probenstandardisierte Analysen von Fossilvorkommen um daraus genaue Zeitreihen von Alpha-, Beta- und Gamma-Diversität abzuleiten. Die bereinigten Daten zeigen eine herausragende Diversitätsspitze in Stufe 3, die in etwa sibirischen Atdabanium und Botomium entspricht. Weil sich die Diversität anschließend stabilisierte iii oder sogar verringerte, schließe ich, dass die kambrische Radiation sich nur über die ersten drei Stufen des Kambriums vollzog, zumindest in Bezug auf die Biodiversität auf der Gattungsebene. Ich beurteile, wie sich die Zunahme der globalen Diversität auf die Diversität innerhalb (Alpha) und zwischen (Beta) Lebensgemeinschaften aufteilte und wie Beta- Diversität zwischen Ablagerungsräumen und geografischen Regionen verteilt war. Alpha und Beta-Diversität erhöhten sich vom Fortunium zu Stufe 3 und schwankten ohne Trend in den folgenden Stufen. Änderungen der kambrischen Gamma-Diversität wurden vor allem durch Veränderungen in der Beta-Diversität beeinflusst. Die Muster der Diversitätsverteilung entlang von Onshore-Offshore-Gradienten, zeigen keinen klaren Trend. Wesentliche ökologische Innovationen erschienen