Phylogeny, classification and palaeodiversity of slit shells (order Pleurotomariida, Gastropoda)

Karapunar, Baran (2022): Phylogeny, classification and palaeodiversity of slit shells (order Pleurotomariida, Gastropoda). Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften

Abstract

Gastropoda are one of the most diverse living animal group and show an almost steady increase in diversity since their origination in the Cambrian. However, not all gastropod groups underwent this continuous diversification. Many groups became either extinct or decreased in diversity significantly during the evolutionary history of Gastropoda. Understanding why some groups got extinct while others survived over the course of gastropod evolution and also the phylogenetic relationships of extinct and extant taxa are two major challenges in the field of gastropod research and beyond it. The gastropod order Pleurotomariida is the only living group with a fossil record that can be reliably traced back to the Cambrian–Ordovician. This important gastropod group peaked in diversity in the Middle¬ and Late Palaeozoic and formed one of the most diverse gastropod groups in the Upper Palaeozoic assemblages. However, their diversity decreased sharply at the end-Permian mass extinction and continuously declined since then with the exception of a short Middle to Late Triassic recovery. The present thesis aims to improve the classification of Pleurotomariida, document their diversity in Earth history and to reconstruct their phylogeny with modern phylogenetic methods. The classification of Pleurotomariida is revised by studying new collections of exceptionally well-preserved specimens as well as and hitherto insufficiently known type specimens and by an extensive literature survey. The study of type material and of exceptionally well-preserved Late Palaeozoic and Triassic material facilitated the phylogenetic analyses with modern methods by increasing the number of shell characters. Finally, the diversity evolution of Pleurotomariida from an assemblage level to a global level is analyzed especially regarding the impact of the end-Permian mass extinction event. Over the last decades, gastropod researchers found that early ontogenetic shells (especially the protoconch) are of high value for classification. However, the protoconch and early ontogenetic development of many Pleurotomariida from the Palaeozoic have not yet been well documented. In second chapter (Karapunar et al. 2022a), exceptionally well-preserved Pennsylvanian pleurotomariidan gastropods from 37 localities from the USA are studied. A total of 38 species, representing 19 genera including 10 new species, one new genus and one new subgenus are described. Early ontogeny and protoconchs of numerous taxa are documented for the first time. Early shell characters are found to be conservative above species level, implying that they might be phylogenetically informative. Two globally distributed genera, Peruvispira and Platyzona, are excluded from Pleurotomariida (Vetigastropoda) and are placed in Caenogastropoda because they have protoconchs of the planktotrophic larval development type that is unknown in Vetigastropoda. Two studied Pennsylvanian assemblages from the Finis Shale Member and Colony Creek Shale Member of Texas indicate that Pleurotomariida were the most diverse and abundant group. However, their relative abundance depends on the sampling method and mesh size used in the analysis and they are more abundant in surface samples and coarser size fractions. Repaired shell scars were found in individuals as small as 1 mm in size, indicating the presence of considerable predatory pressure at all size ranges. Study of new assemblages from poorly studied regions are important to decrease the geographical bias in global diversity studies. In chapter three (Ketwetsuriya et al. 2020), a new silicified gastropod assemblage from the Middle Permian Khao Khad Formation of Thailand is studied. A total of 44 gastropod species representing 30 genera including 13 new species (five Pleurotomariida) and one new pleurotomariidan genus are described. The Khao Khad assemblage is the most diverse gastropod assemblage reported from the Permian of Thailand so far. In chapter four (Karapunar et al. 2022b), the oldest gastropod collections from the Permian of Thailand are described. In contrast to the previous report of this collection, no pleurotomariid gastropod was found in the Ban Kao assemblage. It yields only two species and is dominated strongly by Peruvispira, a genus which is no longer regarded as Pleurotomariida due to the presence of a protoconch reflecting planktotrophic larval development that is unknown in Vetigastropoda. The Triassic is a critical period in the evolutionary history of Pleurotomarida and of other members of the biota because it represents a relatively short period of time between two major mass extinction events. It witnessed a considerable turnover (extinction/origination) probably accentuated by the Late Triassic Carnian Pluvial Event. The Carnian St. Cassian Formation yields about a quarter of all globally known Triassic gastropod species. Nearly half of the Triassic pleurotomariidan genera are present in the St. Casssian Fm. and specimens are commonly exceptionally well preserved. In fifth chapter (Karapunar & Nützel 2021), all gastropods previously assigned to Pleurotomariida from the St. Cassian Fm were revised. Numerous type specimens including the types of several type species have been known only from their original drawings and descriptions for more than a century, which caused several erroneous attributions by subsequent authors. A total of 106 lectotypes were designated and figured, 67 species were described including 9 new genera and 8 new species. As a result of the revision, 77 pleurotomariidan species were found in the St. Cassian Fm, none of them representing Palaeozoic genera. This indicates all St. Cassian pleurotomariidan genera originated during the recovery after the end-Permian mass extinction. Additionally, the Triassic diversity of Pleurotomariida and four gastropod subclasses were analyzed with a global Triassic gastropod species database (comprising 2177 species). Furthermore, the diversity changes of Pleurotomariida and Gastropoda through the Permian–Triassic interval was analyzed by using this global Triassic database and the Paleobiology database (for Permian data). The analyses show that the recovery of Pleurotomariida during the Triassic was sluggish compared to other gastropod groups, especially caenogastropods and they never reached the diversity they had during the Permian and thus failed to recover fully in contrast to other gastropod clades. The analysis further indicates an interruption of recovery within the Carnian, likely as a result of the Carnian Pluvial Episode. There are only a few quantitative phylogenetic analyses of fossil gastropods. The evolutionary relationships between pleurotomariidan taxa are largely based on experts’ opinions. In sixth chapter (Karapunar & Nützel, in prep.), the first comprehensive phylogenetic analyses of Pleurotomariida are presented. Parsimony and Bayesian (Fossilized Birth Death (FBD) model) analyses are performed by using 93 morphological shell characters comprising 109 pleurotomariidan species representing 80 genera ranging from the Ordovician to the Recent. Similar clades were recovered in both analyses but the relationship of clades to each other differs drastically. Since FBD method incorporates the stratigraphic information in tree reconstruction, it reconstructs more stratigraphically congruent trees than the Parsimony method. According to the Bayesian (FBD) phylogeny, Pleurotomariida split into three lineages during the Devonian and two of them survived the end-Permian mass extinction. Although Wortheniellini showed a higher diversification during the Triassic, only Pleurotomariini could persist until today. This indicates that diversification dynamics of Pleurotomariida did not play a crucial role in surviving mass extinctions. The FBD tree further indicates that the clades with fossil records only known from the Triassic originated during the Permian although they have not been reported form the Permian. Therefore, the Permian fossil record needs further examination.

Abstract

Gastropoda sind eine der artenreichsten lebenden Tiergruppen und weisen seit ihrer Entstehung im Kambrium eine fast stetige Zunahme an Diversität auf. Allerdings haben nicht alle Gastropodengruppen diese kontinuierliche Diversifizierung durchlaufen. Viele Gruppen sind während der Evolutionsgeschichte der Gastropoda entweder ausgestorben oder haben in ihrer Diversität erheblich abgenommen. Um zu verstehen, warum einige Gruppen ausgestorben sind, während andere im Laufe der Evolution der Gastropoden überlebt haben, und wie die phylogenetischen Beziehungen zwischen den ausgestorbenen und noch vorhandenen Taxa sind, sind zwei große Herausforderungen auf dem Gebiet der Gastropodenforschung und darüber hinaus. Die Gastropodenordnung Pleurotomariida ist die einzige lebende Gruppe mit einem Fossilienbestand, der zuverlässig bis ins Kambrium-Ordovizium zurückverfolgt werden kann. Diese wichtige Gastropodengruppe erreichte im Mittel- und Spätpaläozoikum den Höhepunkt ihrer Vielfalt und bildete eine der vielfältigsten Gastropodengruppen in den fossilen Ansammlungen des Oberpaläozoikums. Ihre Vielfalt nahm jedoch am Ende des Perm-Massenaussterbens stark ab und ging seitdem kontinuierlich zurück, mit Ausnahme einer kurzen Erholung in der mittleren bis späten Trias. Die Ziele der vorliegenden Dissertation sind die Verbesserung der Klassifizierung der Pleurotomariida, die Dokumentation ihrer Diversität in der Erdgeschichte und die Rekonstruktion ihrer Phylogenie mit modernen phylogenetischen Methoden. Die Klassifizierung von Pleurotomariida wird durch das Studium neuer Sammlungen von außergewöhnlich gut erhaltenen Exemplaren sowie von bisher unzureichend bekannten Typusexemplaren und durch eine umfangreiche Literaturrecherche überarbeitet. Die Untersuchung von Typusmaterial und von außergewöhnlich gut erhaltenem spätpaläozoischen und triassischen Material erleichterte die phylogenetischen Analysen mit modernen Methoden, indem die Anzahl an Gehäuseeigenschaften erhöht wurde. Abschließend wird die Evolution der Diversität von Pleurotomariida von der Ansammlungsebene bis zur globalen Ebene analysiert, insbesondere im Hinblick auf die Auswirkungen des Massenaussterbens am Ende des Perm. In den letzten Jahrzehnten fanden Gastropodenforscher heraus, dass frühe ontogenetische Schalen (insbesondere der Protoconch) für die Klassifizierung von hohem Wert sind. Der Protoconch und die frühe ontogenetische Entwicklung vieler Pleurotomariida aus dem Paläozoikum sind jedoch noch nicht gut dokumentiert. Im zweiten Kapitel (Karapunar et al. im Druck) werden außergewöhnlich gut erhaltene Schlitzbandschnecken (Pleurotomariida) aus 37 Fundorten aus dem Pennsylvanium in den USA untersucht. Insgesamt werden 38 Arten beschrieben, die 19 Gattungen repräsentieren, darunter 10 neue Arten, eine neue Gattung und eine neue Untergattung. Frühe Ontogenese und Protoconche zahlreicher Taxa werden erstmals dokumentiert. Es wird festgestellt, dass frühe Schalenmerkmale von mehreren Arten geteilt werden, was darauf hindeutet, dass sie phylogenetisch informativ sein könnten. Zwei weltweit verbreitete Taxa (Peruvispira und Platyzona) werden von Pleurotomariida (Vetigastropoda) ausgeschlossen und werden Caenogastropoda zugeordnet, weil sie Protoconche des planktotrophen Larvenentwicklungstyps haben, der bei Vetigastropoda unbekannt ist. Zwei untersuchte Sammlungen aus dem Pennsylvanium von Texas (Finis Shale Member und Colony Creek Shale Member) weisen darauf hin, dass Pleurotomariida die vielfältigste und am häufigsten vorkommende Gruppe waren. Ihre relative Häufigkeit hängt jedoch von der bei der Analyse verwendeten Entnahmemethode und der Maschenweite der Siebe ab – sie sind in Oberflächenproben und gröberen Größenfraktionen häufiger anzutreffen. Reparierte Gehäusenarben wurden bei Individuen ab einer Größe von nur 1 mm gefunden, was auf das Vorhandensein eines beträchtlichen räuberischen Drucks in allen Größenbereichen hinweist. Die Untersuchung neuer fossiler Vergesellschaftungen aus wenig untersuchten Regionen ist wichtig, um die geografische Verzerrung in globalen Diversitätsstudien zu verringern. In Kapitel drei (Ketwetsuriya et al. 2020) wird eine neue verkieselte Gastropoden-Ansammlung aus der mittelpermischen Khao-Khad-Formation in Thailand untersucht. Insgesamt werden 44 Gastropodenarten aus 30 Gattungen beschrieben, darunter 13 neue Arten (fünf Pleurotomariida) und eine neue Gattung der Pleurotomariida. Die Ansammlung von Khao Khad ist die vielfältigste Ansammlung von Gastropoden, die bisher aus dem Perm von Thailand gemeldet wurde. In Kapitel vier (Karapunar et al. 2022b) werden die ältesten Schneckensammlungen aus dem Perm Thailands beschrieben. Im Gegensatz zum vorherigen Bericht dieser Sammlung wurden in der Ban-Kao-Ansammlung keine Pleurotomariida gefunden. Sie bringt nur zwei Arten hervor und wird stark von Peruvispira dominiert, einer Gattung, die nicht mehr als Pleurotomariida angesehen wird, da ein Protoconch vorhanden ist, der die bei Vetigastropoda unbekannte planktotrophe Larvenentwicklung aufzeigt. Die Trias ist eine kritische Periode in der Evolutionsgeschichte der Pleurotomariida und auch der restlichen Biota, da sie einen relativ kurzen Zeitraum zwischen zwei großen Massenaussterben darstellt. Sie erlebte einen beträchtlichen Artenwechsel (Aussterben / Neuentstehung), die wahrscheinlich durch das spättriassische karnische Pluvialereignis akzentuiert wurde. Die karnische St. Cassian-Formation liefert etwa ein Viertel aller weltweit bekannten triassischen Gastropodenarten. Fast die Hälfte der triassichen Gattungen der Pleurotomariida sind in der St. Casssian Fm vorhanden. und ihre Exemplare sind im Allgemeinen außergewöhnlich gut erhalten. Im fünften Kapitel (Karapunar & Nützel 2021) wurden alle zuvor Pleurotomariida zugeordneten Gastropoden aus der St. Cassian Fm überarbeitet. Zahlreiche Typusexemplare, einschließlich Typmaterial mehrerer Typusarten, sind seit mehr als einem Jahrhundert nur aus ihren Originalzeichnungen und -beschreibungen bekannt, was zu mehreren fehlerhaften Zuweisungen durch nachfolgende Autoren führte. Insgesamt wurden 106 Lectotypen bestimmt und abgebildet, 67 Arten wurden beschrieben, darunter neun neue Gattungen und acht neue Arten. Als Ergebnis der Überarbeitung wurden 77 Pleurotomariida-Arten in der St. Cassian Fm gefunden, von denen keine paläozoische Gattungen repräsentieren. Dies deutet darauf hin, dass alle St. Cassianer Pleurotomariida-Gattungen während der Erholung nach dem Massensterben am Ende des Perm entstanden sind. Zusätzlich wurde die Trias-Diversität der Pleurotomariida und vier Gastropoden-Unterklassen mit einer globalen Trias-Gastropoden-Artendatenbank (mit 2177 Arten) analysiert. Darüber hinaus wurden die Diversitätsänderungen der Pleurotomariida und Gastropoda während des Perm-Trias-Intervalls unter Verwendung dieser globalen Trias-Datenbank und der Paleobiology Database (für Perm-Daten) analysiert. Die Analysen zeigen, dass die Erholung von Pleurotomariida während der Trias im Vergleich zu anderen Gastropodengruppen, insbesondere Caenogastropoden, schleppend verlief und sie nie wieder die Diversität erreichten, die sie während des Perms hatten, und sich daher im Gegensatz zu anderen Gastropoden-Kladen nicht vollständig erholten. Die Analyse weist ferner auf eine Unterbrechung der Erholung innerhalb des Karnischen Meeres hin, wahrscheinlich als Ergebnis der Karnischen Pluvialepisode. Es gibt nur wenige quantitative phylogenetische Analysen fossiler Schnecken. Die evolutionären Beziehungen zwischen Pleurotomariida-Taxa basieren weitgehend auf Expertenmeinungen. Im sechsten Kapitel (Karapunar & Nützel, in Vorbereitung) werden die ersten umfassenden phylogenetischen Analysen von Pleurotomariida vorgestellt. Parsimony- und Bayes-Analysen (Fossilized Birth Death (FBD)-Modell) werden unter Verwendung von 93 morphologischen Schalenmerkmalen durchgeführt, die 109 Pleurotomariidan-Arten umfassen, die 80 Gattungen repräsentieren, und die vom Ordovizium bis zur Neuzeit reichen. In beiden Analysen wurden ähnliche Kladen wiedergefunden, aber die Beziehung der Kladen zueinander unterscheidet sich drastisch. Da die FBD-Methode die stratigraphischen Informationen in die Baumrekonstruktion einbezieht, rekonstruiert sie mehr stratigraphisch kongruente Bäume als die Parsimony-Methode. Gemäß der Bayesianischen (FBD) Phylogenie teilten sich Pleurotomariida während des Devon in drei Linien auf und zwei von ihnen überlebten das Massensterben am Ende des Perm. Obwohl Wortheniellini während der Trias eine höhere Diversifikation aufwiesen, konnten nur Pleurotomariini bis heute bestehen bleiben. Dies deutet darauf hin, dass die Diversifikationsdynamik der Pleurotomariida keine entscheidende Rolle beim Überleben von Massensterben spielte. Der FBD-Baum weist ferner darauf hin, dass die Kladen mit fossilen Vertretern, die nur aus der Trias bekannt sind, während des Perms entstanden sind, obwohl sie nicht aus dem Perm gemeldet wurden. Daher bedarf der Fossilienbestand des Perm einer weiteren Untersuchung.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
• Fakultäten: Fakultät für Geowissenschaften
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 6. Juli 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Nützel, Alexander