Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Najpopularniejsza koncepcja ewolucyjna, tłumacząca wyjście zwierząt z wody i rozwinięcie się tetrapodów, czyli czworonogów, do których należą dziś wszystkie żyjące na lądzie kręgowce (płazy, gady, ptaki i ssaki), jako główny czynnik wskazuje wysychanie obszarów wodnych na całej Ziemi. Presja, związana z tym, że część zwierząt znalazło się nagle w przy brzegu a okresowo na suchym lądzie, doprowadziła do rozwoju wypustek, które z czasem rozwinęły się w kończyny. Co ciekawe, na pierwszym etapie służyły one przede wszystkim powrotowi do wody przez zwierzęta wyrzucane przez fale na brzeg.

W latach 90-tych nowoodkryte gatunki kopalne pozwoliły na kolejne ustalenia – pierwsze tetrapody posiadały wiele cechy typowych dla zwierząt wodnych, jak skrzela i płetwę ogonową. Na tej podstawie stwierdzono, że kończyny wyewoluowały jeszcze u zwierząt żyjących w wodzie, zanim przystosowały się do życia na lądzie. Wciąż jednak jest jeszcze bardzo wiele niewiadomych, dotyczących tego, kiedy właściwe przekształcenie miało miejsce i jak wyglądały pierwsze lądowe tetrapody.

Badania biologów ewolucyjnych z Uniwersytetu Harvarda, opublikowane w czasopiśmie „Nature” 25 listopada 2020 roku podejmują ten wątek. Punktem wyjścia nie są nowe znaleziska, ale znacznie bardziej szczegółowa niż dotychczas analiza posiadanych materiałów, z wykorzystaniem najnowszych osiągnięć obrazowania trójwymiarowego. Ślady kopalne dotyczące wyjścia tetrapodów z wody są bardzo ubogie, dlatego postanowiono zebrać jak najwięcej danych i dostosować je do analizy dzięki digitalizacji.

Do badania wykorzystano 40 kości ramienia (łac. humeri) różnych gatunków, które uczestniczył w procesie przejścia z wody na ląd. Kości zostały zdigitalizowane techniką obrazowania trójwymiarowego, wykorzystywaną w badaniach medycznych. Tak przygotowany materiał mógł zostać poddany znacznie bardziej precyzyjnemu badaniu i modelowaniu, niż wyciągnięcie z harvardzkiego muzeum oryginały.

Badacze wybrali jako główny obiekt swojej obserwacji kości o łacińskiej nazwie humerus (l.m. humeri), czyli inaczej kość przedramienia. Ich kolekcja kopalna jest obfita i często są dość dobrze zachowane. Kość ta obecna jest u wszystkich zwierząt z obszernej grupy (lub gromady) mięśniopłetwych (Sarcopterygii), czyli posiadających umięśnione płetwy przypominające kończyny, albo po prostu – posiadające kończyny. Grupa mięśniopłetwych obejmuje więc zarówno dwie podgromady ryb kostnoszkieletowych, jak i wszystkie czworonogi. Badacze założyli więc, że precyzyjna analiza kości przedramienia u różnych gatunków kopalnych z kluczowego momentu prehistorycznego może przynieść duże korzyści dla pogłębienia wiedzy o procesie przejścia zwierząt z życia wodnego na lądowe. Nie pomylili się.

Z kości ramienia można odczytać wiele istotnych informacji związanych z ruchem i środowiskiem życia zwierzęcia. Kości te zawierają zwykle wiele mięśni i muszą wytrzymać duży nacisk związany z poruszaniem się. Dlatego badacze uznali, że ewolucyjne zmiany tej właśnie kości – od krótkiej i przysadzistej u ryb do długiej kości typowej dla poruszających się stale po lądzie czworonogów – są istotne do zrozumienia i opisania kolejnych etapów wodno-lądowego przekształcenia.

Oceniając wyniki badacze posłużyli się starą teorią krajobrazu adaptacyjnego, która zakłada, że zdolności przystosowawcze do środowiska są skorelowane z pięciem się pod górę w krajobrazie. Gatunki coraz lepiej dostosowane, zajmują coraz wyższe partie krajobrazu, co oznacza, że w pewnym momencie całkowicie wycofają się ze środowiska wodnego. Dla porównania tak niepodobnych do siebie elementów anatomicznych jak umięśnione płetwy i w pełni rozwinięte odnóża, naukowcy wyznaczyli sześć cech adaptatywnych, takich jak stopień skręcenia kości, jej względna długość czy to, w jakie ma możliwości obrotowe wokół stawu i jakie obciążenia może wytrzymać.

Na podstawie tych cech możliwa była ocena, jak zmienia się wydajność danej kości w określonym środowisku. Jak się okazało, gatunki określane jako pierwsze tetrapody posiadały wspólny zestaw poszukiwanych cech, który z pewnością nie pozwolił im jeszcze na w pełni lądowe życie.

– Odkryliśmy, że kości ramienne najwcześniejszych czworonogów skupiały się u podstawy ziemskiego krajobrazu – wyjaśnia Stephanie Pierce, profesor biologii organicznej i ewolucyjnej na Uniwersytecie Harvarda. – „Wskazuje to na coraz większą wydajność w poruszaniu się po lądzie. Ale te zwierzęta rozwinęły tylko ograniczony zestaw cech funkcjonalnych umożliwiających efektywne poruszanie się po ziemi”.

Rozwój zdolność poruszania się po lądzie nabrał tempa wraz ze zmianą innych cech, takich jak miejsce i sposób żywienia się. To umożliwiło też szybszy rozwój badanej cechy anatomicznej. Aby to jednak dobrze określić, konieczne jest zbadanie innych cech z podobnym pogłębieniem,  jakim zbadano kości ramienia. To plan zespołu badaczy z Harvardu na kolejne projekty.

Badania źródłowe:

Dickson, B.V., Clack, J.A., Smithson, T.R. et al. Functional adaptive landscapes predict terrestrial capacity at the origin of limbs. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2974-5

Opracowano na podstawie artykułu From Fins to Limbs and Water to Land: Evolution of Terrestrial Movement in Early Tetrapods opublikowanego na portalu EurekAlert!