Yüzgeçlerden Uzuvlara

Omurgalılar uzuvlarını alıp karaya çıktıkça ön ayak işlevi nasıl değişti?

Tetrapodlar (dört kollu omurgalılar) yaklaşık 390 milyon yıl önce sudan karaya hareket etmeye başladığında, kertenkelelerin, kuşların, memelilerin ve insanlar ve balinalar gibi bazı su omurgalıları da dahil olmak üzere bugün var olan tüm kara hayvanlarının yükselişini harekete geçirdi. ve yunuslar.

En eski tetrapodlar, Devoniyen dönemindeki balık atalarından gelmektedir ve en eski dinozor fosillerinin iki katından daha eskidir. Dev bir semender ile timsah arasındaki bir haçı andırıyorlardı ve yaklaşık 1-2 metre uzunluğundaydılar, solungaçları, perdeli ayakları ve kuyruk yüzgeçleri vardı ve hala suya yoğun bir şekilde bağlıydılar. Kısa kolları ve bacaklarının her iki elinde ve ayağında sekiz parmak vardı ve muhtemelen pusuya düşmüş yırtıcılardı, sığ sularda avın yaklaşmasını bekliyorlardı.

Bilim adamları, balık yüzgeçlerinin nasıl tetrapodların uzuvlarına dönüştüğünü biliyorlar, ancak ilk tetrapodların uzuvlarını nerede ve nasıl kullandıkları konusunda tartışmalar devam ediyor. Ve birçok hipotez öne sürülmüş olsa da, çok az çalışma onları fosil kayıtlarını kullanarak titizlikle test etti.

22 Ocak’ta Science Advances’da yayınlanan bir makalede , uluslararası bir araştırma ekibi, soyu tükenmiş iki erken tetrapodun yüzgeçlerinin ve uzuvlarının kemiklerinin, eklemlerinin ve kaslarının üç boyutlu dijital modellerini ve yakından ilişkili bir fosil balığın işlevini ortaya çıkarmak için inceledi yüzgeçler uzuvlara dönüşürken ön ayak değişti. New York Institute of Osteopathic Medicine’de Yardımcı Doçent Julia Molnar ve Harvard Üniversitesi’nde Organizma ve Evrimsel Biyoloji Profesörü Thomas D.Cabot Stephanie Pierce tarafından yürütülen araştırma, yüzgeçlerden uzuvlara geçişte üç farklı fonksiyonel aşama keşfetti. ve bu erken tetrapodların, balık yüzgeci veya modern dört ayaklı uzuvlara benzemeyen çok farklı bir kas kaldıracı modeline sahip olduklarını.

Molnar, Pierce ve ortak yazarlar John Hutchinson (Kraliyet Veteriner Koleji), Rui Diogo (Howard Üniversitesi) ve Jennifer Clack’in (Cambridge Üniversitesi) bilinen en eski tetrapodların uzuvlarının nasıl işlediğini yeniden yapılandırmak için önce hangi kasların mevcut olduğunu bulması gerekiyordu. fosil hayvanlarda. Fosillerde kaslar korunmadığı için zorlu bir görev ve modern balık yüzgeçlerinin kasları, dört ayaklı kollarınkinden tamamen farklı. Ekip, soruyu cevaplamak için birkaç yıl harcadı: Bir yüzgecin birkaç basit kası, tam olarak nasıl bir tetrapod uzuvda her türlü işlevi yerine getiren düzinelerce kas haline geldi?

Pierce, “360 milyon yıllık bir fosilde hangi kasların bulunduğunu belirlemek, sadece çok karmaşık kas-iskelet sistemi modelleri oluşturmaya başlayabileceğimiz noktaya gelmek için uzun yıllar aldı” dedi. “Fosil hayvanlarda kaç kas bulunduğunu ve bunların kemiklerde nereye bağlandığını bilmemiz gerekiyordu, böylece nasıl çalıştıklarını test edebildik.”

Eusthenopteron’da (yaklaşık 385 milyon yıl önce Geç Devoniyen döneminde yaşamış olan tetrapodlarla yakından ilişkili bir balık) pektoral yüzgecin üç boyutlu kas-iskelet modellerini ve iki erken tetrapodun, Acanthostega’nın (365 milyon yıllık, Geç Devoniyen dönemi sonu) ve Pederpes (348-347 milyon yaşında, erken Karbonifer dönemi). Karşılaştırma için, canlı balıkların (Coelacanth, lungfish) pektoral yüzgeçlerinin ve yaşayan tetrapodların (semender, kertenkele) ön ayaklarının benzer modellerini de inşa ettiler.

Yüzgeçlerin ve uzuvların nasıl çalıştığını belirlemek için araştırmacılar, başlangıçta insan hareketini incelemek için geliştirilen hesaplama yazılımını kullandılar. Bu teknik son zamanlarda insanların atalarında ve aynı zamanda T. rex gibi dinozorlarda hareketliliği incelemek için kullanılmıştı , ancak hiçbir zaman erken bir tetrapod kadar eski bir şeyde kullanılmadı.

Yazılımdaki modelleri manipüle eden ekip, iki işlevsel özelliği ölçebildi: eklemin maksimum hareket açıklığı ve kasların yüzgeç veya uzuv eklemlerini hareket ettirme yeteneği. İki ölçüm, lokomotor sistemdeki değiş tokuşları ortaya çıkaracak ve araştırmacıların soyu tükenmiş hayvanlarda işlev hipotezlerini test etmesine izin verecektir.

Ekip, tüm karasal dörtayaklıların ön ayaklarının üç farklı işlevsel aşamadan geçtiğini buldu: modern akciğer balıklarına benzeyen bir “bentik balık” aşaması, soyu tükenmiş herhangi bir hayvana benzemeyen “erken bir dört ayaklı” aşaması ve her iki kertenkelenin özelliklerine sahip bir “taç tetrapod” aşaması ve semenderler.

Pierce , ” Eusthenopteron’dan gelen yüzgeç , tetrapodların en yakın yaşayan akrabalarından biri olan akciğer balığını andıran bir desene sahipti” dedi. “Ancak ilk dört ayaklı uzuvlar, balıklardan veya modern dörtayaklılardan daha fazla birbirine benzerlik gösterdi.”

“Bu belki de en şaşırtıcı olanıydı,” dedi Molnar. ” Pederpes ve muhtemelen Acanthostega’nın modern dörtayaklılar arasında oldukça iyi bir yere denk geleceğini düşündüm . Ancak modern bir dört ayaklı uzuv veya balık yüzgeci gibi görünmeyen kendi ayrı kümelerini oluşturdular. Ortada şaplak değildiler. ancak muhtemelen benzersiz ortamlarını ve davranışlarını yansıtan kendi özellikleri koleksiyonuna sahipti. “

Sonuçlar, erken tetrapod uzuvların ağırlık taşımaktan ziyade tahrik için daha uygun olduğunu gösterdi. Suda hayvanlar, suyun vücut ağırlıklarını desteklemesine izin vererek kendilerini ileri veya geri hareket ettirmek için uzuvlarını itme gücü için kullanırlar. Ancak karada hareket etmek, hayvanın yerçekimine karşı hareket etmesini ve vücut kütlesini desteklemek için uzuvlarıyla aşağı doğru itmesini gerektirir.

Bu, erken dönem dörtayaklıların karada hareket edemeyecekleri anlamına gelmez, aksine günümüzde yaşayan bir dört ayaklı gibi hareket etmediler. Hareket kabiliyetleri muhtemelen hala suya çok bağlı olan, ancak aynı zamanda omurgalı hayvanlar için pek çok fırsatın olduğu, ancak yırtıcılardan çok az rekabet veya korkunun olduğu karaya çıkmış olan bu hayvanlara özeldi.

Pierce, “Bu sonuçlar, geçen yıl tamamen farklı fosiller ve yöntemler kullanarak yayınladığım bir çalışmayı bağımsız olarak destekledikleri için heyecan verici,” dedi. “Üst kol kemiğine odaklanan bu çalışma, erken dönem dörtayaklıların kara hareketi için bir miktar kapasiteye sahip olduklarını, ancak bu konuda çok iyi olmayabileceklerini gösterdi.”

Araştırmacılar, karasal hareketin evrimini yeniden inşa etmeye daha yakınlar, ancak daha fazla çalışmaya ihtiyaç var. Dört uzvun birlikte nasıl çalıştığını araştırmak için arka ayağı bir sonraki modellemeyi planlıyorlar. İlk tetrapodların ön ayaklarını itme için kullandıkları öne sürülmüştür, ancak modern tetrapodlar itici güçlerinin çoğunu arka bacaklardan alırlar.

Molnar, “Modern dört ayaklılar gibi, ön ayaklarla hareket eden hareketten arka uzuv sürüş hareketine doğru bir geçişe dair herhangi bir kanıt aramayı planlıyoruz” dedi. Ön ayağa ve arka ayağa birlikte bakmak, sudan karaya geçiş ve dörtayaklıların nihayetinde karasal aleme nasıl hükmetmeye başladıkları hakkında daha fazla bilgi verebilir.