Vývoj pozemského pohybu v časných tetrapodech

Podle

Letová scéna ukazuje dva pozdně devonské rané tetrapody – Ichthyostega a Acanthostega – vystupující z vody, aby se mohli pohybovat po zemi. Stopy zanechávají za zvířaty stopy a ukazují pocit pohybu. Fotografický kredit: Davide Bonadonna

Přechod z vody na pevninu je jedním z nejdůležitějších a inspirativních důležitých přechodů ve vývoji obratlovců. A otázka, jak a kdy Tetrapods Přechod z vody na pevninu byl dlouho zdrojem údivu a vědeckých debat.

První myšlenky věřily, že vysušení vody, která vykládá ryby na pevninu, a nedostatek vody zajišťují selektivní tlak na vývoj končetinovitých přívěsků pro návrat do vody. V 90. letech 20. století nově objevené vzorky naznačovaly, že první tetrapody si zachovaly mnoho vodních prvků, jako jsou žábry a ocasní ploutve, a že se končetiny mohly vyvinout ve vodě dříve, než se tetrapody přizpůsobily životu na zemi. Stále však panuje nejistota, kdy došlo k přechodu z vody na pevninu a jaké byly rané pozemské tetrapody.

Článek publikovaný dnes (25. listopadu 2020) v Příroda řeší tyto otázky pomocí fosilních dat s vysokým rozlišením a ukazuje, že zatímco tito rané tetrapods byli stále vázáni na vodu a vykazovali vodní prvky, vykazovali také úpravy, které naznačují určitou schopnost pohybu po zemi. I když se jim to možná nedařilo, přinejmenším podle dnešních měřítek.

Vedoucí autor Blake Dickson, PhD ’20 na katedře organistické a evoluční biologie na Harvardské univerzitě; a hlavní autorka Stephanie Pierce, Thomas D. Cabot, docentka na katedře organistické a evoluční biologie a kurátorka paleontologie obratlovců v Muzeu srovnávací matrice Zoologie na Harvardově univerzitě zkoumala 40 trojrozměrných modelů fosilních humer (kostí paže) vyhynulých zvířat, které překlenují přechod z vody na pevninu.

Rotující humerální tvary

Tři hlavní fáze vývoje tvaru humeru: od blokového humeru vodních ryb přes humerus přechodných tetrapodů ve tvaru L až po zkroucený humerus suchozemských tetrapodů. Sloupce (zleva doprava) = vodní ryby, přechodové tetrapody a suchozemské tetrapody. Řádky = nahoře: vyhynulé siluety zvířat; Uprostřed: 3D fosilie humeru; Dole: Orientační body pro kvantifikaci tvaru. Fotografický kredit: s laskavým svolením Blake Dickson

„Protože fosilní populace jsou tak chudí v přechodu na přistání v tetrapodech, vybrali jsme si fosilní zdroj, který by mohl lépe představovat celý přechod od plně vodních ryb k plně suchozemským tetrapodům,“ řekl Dickson.

Dvě třetiny fosilií pocházejí z historických sbírek Harvardského muzea srovnávací zoologie, které pocházejí z celého světa. Aby doplnil chybějící mezery, Pierce oslovil kolegy s klíčovými vzorky z Kanady, Skotska a Austrálie. Pro tuto studii byly důležité nové fosílie, které nedávno zveřejnily spoluautory Dr. Tim Smithson a profesorka Jennifer Clack z Cambridgeské univerzity ve Velké Británii v rámci projektu TW: eed, iniciativy zaměřené na pochopení raného vývoje pobřežních tetrapodů.

Vědci si vybrali humerální kost, protože je nejen bohatá a dobře zachovaná ve fosilních záznamech, ale nachází se také ve všech sarkopterygiích – skupině zvířat, která zahrnuje ryby rodu Coelacanth, ryby plic a všechny tetrapody, včetně všech jejich fosilních zástupců . „Očekávali jsme, že humerus bude přenášet silný funkční signál, když zvířata přecházejí z plně funkční ryby na plně suchozemského tetrapoda, a že budeme schopni předpovědět, kdy se tetrapody přesunou na souši,“ řekl Pierce. „Zjistili jsme, že pozemské schopnosti se shodují s původem končetin, což je opravdu vzrušující.“

Změna tvaru pažní kosti podél evolučního stromu

Cesta vývoje a tvaru se změnila z humeru vodních ryb na humerus čtyřnohý. Fotografický kredit: s laskavým svolením Blake Dickson

Humerus ukotví přední nohu k tělu, je domovem mnoha svalů a při pohybu končetinami musí odolat velkému stresu. Z tohoto důvodu obsahuje mnoho důležitých funkčních informací o pohybu a ekologii zvířete. Vědci navrhli, že evoluční změny ve tvaru humerální kosti, od krátkých a dřepu u ryb po prodloužené a nalezené v tetrapodech, měly důležité funkční důsledky související s přechodem na pohyb země. Doposud byla tato myšlenka zřídka zkoumána z kvantitativního hlediska.

Když byl Dickson druhák, zaujalo ho použití teorie kvantitativního modelování rysů k pochopení funkční evoluce, techniky vyvinuté ve studii z roku 2016 vedené týmem paleontologů a spoluautorem Pierce. Ve středu kvantitativního modelování rysů je koncept paleontologa George Gaylorda Simpsona z roku 1944 pro adaptivní krajinu, drsný trojrozměrný povrch s vrcholy a údolími jako pohoří. V této krajině znamená zvětšení velikosti těla lepší funkční výkon a adaptivní kondici a v průběhu času se očekává, že přirozený výběr povede populace do kopce k adaptivnímu vrcholu.

Dickson a Pierce si mysleli, že by tento přístup mohli použít k modelování tetrapodského přechodu z vody na pevninu. Předpokládali, že jak se humerus změní ve tvaru, změní se i adaptivní krajina. Například ryby by měly adaptivní vrchol, kde byl funkční výkon maximalizován při plavání, a suchozemští tetrapods by měli adaptivní vrchol, kde byl funkční výkon maximalizován při chůzi po zemi. „Mohli bychom pak pomocí těchto krajin zjistit, zda je humerální tvar předchozích tetrapodů vhodnější pro výkon ve vodě nebo na souši,“ řekl Pierce.

„Začali jsme přemýšlet o tom, jaké funkční vlastnosti jsou důležité pro učení se z humeru,“ řekl Dickson. „Nebyl to snadný úkol, protože rybí ploutve se velmi liší od tetrapodých končetin.“ Nakonec zúžili své zaměření na šest prvků, které lze spolehlivě měřit na všech fosiliích, včetně jednoduchých měření, jako je relativní délka kosti jako proxy pro délku kroku a složitější analýzy pro odhad mechanického napětí při různých simulacích tloušťky humeru.

„Pokud vykreslíte všechny funkce stejně dobře, můžete vidět, jak se výkon mění při přechodu z jednoho adaptivního vrcholu na druhý,“ řekl Dickson. Pomocí počítačové optimalizace byl tým schopen určit přesnou kombinaci funkcí, které maximalizovaly výkon vodních ryb, suchozemských tetrapodů a prvních tetrapodů. Jejich výsledky ukázaly, že nejčasnější tetrapody měly jedinečnou kombinaci funkčních vlastností, ale neodpovídaly jejich vlastnímu adaptivnímu vrcholu.

„Zjistili jsme, že humeri prvních tetrapodů se shlukovalo na úpatí pozemské krajiny,“ řekl Pierce. “To ukazuje rostoucí výkon při přesunu na břeh.” U těchto zvířat se však pro efektivní chůzi na Zemi vyvinul pouze omezený počet funkčních znaků. “

Vědci naznačují, že schopnost pohybovat se po zemi byla omezena kvůli výběru dalších vlastností, jako je krmení, které vázaly rané tetrapody na jejich vodní vodní prostředí předků. Jakmile se tetrapodové odtrhli od tohoto omezení, humerus mohl volně rozvíjet morfologie a funkce, které zlepšovaly pohyb končetin a případnou invazi do suchozemských ekosystémů

„Naše studie poskytuje první kvantitativní pohled na vývoj pozemské lokomoce v přechodu voda-země s vysokým rozlišením,“ řekl Dickson. “Existuje také předpověď, kdy a jak.” [the transition] se stalo a které funkce byly během přechodu důležité, alespoň v humeru. “

„V budoucnu máme zájem rozšířit náš výzkum do dalších částí tetrapodské kostry,“ řekl Pierce. „Navrhuje se například, že přední končetiny se staly pozemskými schopnými před zadními končetinami, a k testování této hypotézy lze použít naši novou metodiku.“

Dickson nedávno začal jako postdoktorand v laboratoři Animal Locomotion Lab na Duke University, ale nadále pracuje s Piercem a jejími členy laboratoře na dalších studiích týkajících se použití těchto metod na jiné části kostry a fosilních záznamů.

Odkaz: „Funkční adaptivní krajiny předpovídají pozemskou kapacitu na počátku končetin“ od BV Dickson, JA Clack, TR Smithson a SE Pierce 25. listopadu 2020. Příroda.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2974-5

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Kampaň NASA SnowEx kopání hluboko v roce 2021

Měření sněhu se může zdát jednoduché, ale každé prostředí představuje pro přístroje jedinečné výzvy. Například sněžení v lesích se zachytává na větvích nebo...

Agresivní tržní model vývoje energie z jaderné syntézy

Koncept ARC Fusion Pilot Plant byl vyvinut na MIT, aby demonstroval potenciál vysokoteplotních supravodivých magnetů pro nastavení hodnoty rychlosti fúzní energie և. Půjčka:...

LSD může nabídnout udržitelnou léčbu úzkosti a jiných duševních poruch

McGill studoval krok v porozumění mechanismu vlivu psychedelik na mozek a potenciálu pro terapeutické použití. Vědci z McGill University poprvé objevili jeden z možných mechanismů,...

Nenechte si ujít příští úplněk – sníh, bouře a hladový měsíc

Uznání: NASA / Bill Dunford Příští úplněk je měsíc se sněhem, bouří a hladem; měsíc během svátků svátku Puim; festival čínských luceren; Magha Purnima a...

Chytré tetování OLED. Inženýři vytvářejí tetování vyzařující světlo

OLED tetovací zařízení. Půjčka Barsotti - italský technologický institut Vědci z UCL և IIT -Istituto Italiano di Tecnologia (Italský technologický institut) vytvořili dočasné...

Newsletter

Subscribe to stay updated.