Ssaki, w tym ludzie, wyróżniają się wyraźnie wyprostowaną postawą, co jest kluczową cechą, która zapewniła im spektakularny sukces ewolucyjny. Jednak najwcześniejsi znani przodkowie współczesnych ssaków bardziej przypominali gady, z kończynami sterczącymi na boki w rozciągniętej postawie.
Przejście z wyprostowanej postawy, takiej jak jaszczurki, do wyprostowanej postawy współczesnych ssaków, na przykład ludzi, psów i koni, oznaczało kluczowy moment w ewolucji. Wiązało się to z poważną reorganizacją anatomii kończyn i funkcji synapsydów – grupy obejmującej zarówno ssaki, jak i ich przodków niebędących ssakami – co ostatecznie doprowadziło do powstania ssaków teriańskich (torbaczy i łożyskowców), które znamy dzisiaj. Pomimo ponad stu lat badań dokładne „jak”, „dlaczego” i „kiedy” stojące za tym ewolucyjnym skokiem pozostaje nieuchwytne.
Teraz w nowym badaniu opublikowanym w Science Advances badacze z Harvardu dostarczają nowego wglądu w tę tajemnicę, ujawniając, że przejście z postawy wyprostowanej u ssaków nie było proste. Korzystając z najnowocześniejszych metod łączących dane kopalne z zaawansowanym modelowaniem biomechanicznym, naukowcy odkryli, że to przejście było zaskakująco złożone i nieliniowe oraz nastąpiło znacznie później, niż wcześniej sądzono.
Główny autor dr Peter Bishop, stażysta podoktorski, oraz starsza autorka, profesor Stephanie Pierce, oboje z Wydziału Biologii Organizmu i Ewolucji na Harvardzie, rozpoczęli od zbadania biomechaniki pięciu współczesnych gatunków, które reprezentują pełne spektrum pozycji kończyn, w tym jaszczurka tegu (rozłożona), aligator (półprosta) i chart (pionowy).
„Najpierw badając te współczesne gatunki, znacznie poprawiliśmy naszą wiedzę na temat związku anatomii zwierzęcia ze sposobem, w jaki stoi i porusza się” – powiedział Bishop. „Moglibyśmy następnie umieścić to w ewolucyjnym kontekście tego, jak postawa i chód faktycznie zmieniły się od wczesnych synapsydów po współczesne ssaki”.
Naukowcy rozszerzyli swoją analizę na osiem przykładowych gatunków kopalnych z czterech kontynentów na przestrzeni 300 milionów lat ewolucji. Gatunki te sięgały od 35 g prassaka Megazostrodon do 88 kg Ophiacodon i obejmowały kultowe zwierzęta, takie jak Dimetrodon żaglowy i drapieżnik szablozębny Lycaenops. Korzystając z zasad fizyki i inżynierii, Bishop i Pierce zbudowali cyfrowe modele biomechaniczne pokazujące, w jaki sposób mięśnie i kości są ze sobą połączone. Modele te umożliwiły im wygenerowanie symulacji określających, jaką siłę kończyny tylne (tylne) mogą przyłożyć do podłoża.
„Siła, jaką kończyna może przyłożyć do podłoża, jest krytycznym wyznacznikiem sprawności ruchowej zwierząt” – powiedział Bishop. „Jeśli nie będziesz w stanie wytworzyć wystarczającej siły w danym kierunku, kiedy jest to potrzebne, nie będziesz w stanie biegać tak szybko, skręcać się tak szybko lub, co gorsza, możesz się przewrócić”.
Symulacje komputerowe pozwoliły stworzyć trójwymiarową „możliwą przestrzeń sił”, która odzwierciedla ogólną wydajność funkcjonalną kończyny. „Obliczanie możliwych przestrzeni sił pośrednio uwzględnia wszystkie interakcje, które mogą wystąpić między mięśniami, stawami i kośćmi całej kończyny” – powiedział Pierce. „Dzięki temu mamy wyraźniejszy obraz szerszego obrazu, bardziej całościowy obraz funkcji kończyn i poruszania się oraz ich ewolucji na przestrzeni setek milionów lat”.
Chociaż koncepcja możliwej przestrzeni sił (opracowana przez inżynierów biomedycznych) istnieje od lat 90. XX wieku, niniejsze badanie jest pierwszym, w którym zastosowano ją do zapisu kopalnego, aby zrozumieć, w jaki sposób przemieszczały się kiedyś wymarłe zwierzęta. Autorzy połączyli symulacje w nowe, „przyjazne skamieniałościom” narzędzia obliczeniowe, które mogą pomóc innym paleontologom w badaniu własnych pytań. Narzędzia te mogą również pomóc inżynierom w projektowaniu lepszych robotów inspirowanych biologią, które będą w stanie poruszać się po skomplikowanym lub niestabilnym terenie.
Badanie ujawniło kilka ważnych „sygnałów” lokomocji, w tym informację, że ogólna zdolność wytwarzania siły u współczesnych gatunków była maksymalna w przypadku pozycji, jakie każdy gatunek przyjmował w swoim codziennym zachowaniu. Co ważne, oznaczało to, że Bishop i Pierce mogli być pewni, że wyniki uzyskane dla wymarłych gatunków rzeczywiście odzwierciedlają sposób, w jaki stały i poruszały się za życia.
Po przeanalizowaniu wymarłych gatunków naukowcy odkryli, że sprawność ruchowa osiągała szczyt i spadała przez miliony lat, a nie postępowała w prosty, liniowy sposób od pozycji wyprostowanej do wyprostowanej. Niektóre wymarłe gatunki okazały się również bardziej elastyczne – mogły zmieniać pozycję między bardziej rozciągniętymi a bardziej wyprostowanymi, tak jak robią to współczesne aligatory i krokodyle. Podczas gdy inne wykazały silny zwrot w kierunku bardziej rozciągniętych pozycji, zanim wyewoluowały ssaki. W połączeniu z innymi wynikami badania wskazuje to, że cechy związane z wyprostowaną postawą u współczesnych ssaków wyewoluowały znacznie później, niż wcześniej sądzono, najprawdopodobniej blisko wspólnego przodka terian.
Odkrycia te pomagają również pogodzić kilka nierozwiązanych problemów w zapisie kopalnym. Wyjaśnia na przykład utrzymywanie się asymetrycznych stawów dłoni, stóp i kończyn u wielu przodków ssaków, co jest cechą typowo kojarzoną z wyprostowaną postawą współczesnych zwierząt. Może to również pomóc w wyjaśnieniu, dlaczego skamieniałości wczesnych przodków ssaków często spotyka się w pozycji zgniecionego, rozpostartego orła – pozycji, którą częściej można osiągnąć przy rozciągniętych kończynach, podczas gdy współczesne skamieliny łożyskowe i torbacze zwykle znajdują się na boku.
„To dla naukowca bardzo satysfakcjonujące, gdy jeden zestaw wyników może pomóc w naświetleniu innych obserwacji, przybliżając nas do bardziej wszechstronnego zrozumienia” – powiedział Bishop.
Pierce, którego laboratorium bada ewolucję planu ciała ssaków od prawie dziesięciu lat, zauważa, że te odkrycia są zgodne z wzorcami obserwowanymi w innych częściach ciała synapsydów, takich jak kręgosłup. „Wyłania się obraz, że pełny zestaw typowo teriańskich cech zgromadził się w złożonym i długotrwałym okresie, przy czym pełny zestaw uzyskano stosunkowo późno w historii synapsydów” – stwierdziła.
Badanie sugeruje, że poza ssakami niektóre główne przejścia ewolucyjne, takie jak przejście do pozycji wyprostowanej, były często złożone i potencjalnie miały na nie wpływ zdarzenia przypadkowe. Na przykład silne odwrócenie postawy synapsydów w stronę bardziej rozciągniętych pozycji wydaje się zbiegać z masowym wymieraniem permu i triasu, kiedy to wyginęło 90% życia. To wydarzenie wymieranie doprowadziło do tego, że inne grupy, takie jak dinozaury, stały się dominującymi grupami zwierząt na lądzie, spychając synapsydy z powrotem w cień. Naukowcy spekulują, że z powodu tej „ekologicznej marginalizacji” ewolucyjna trajektoria synapsydów mogła zmienić się tak bardzo, że zmienił się sposób ich poruszania.
Niezależnie od tego, czy hipoteza ta okaże się potwierdzona, czy nie, zrozumienie ewolucji postawy ssaków od dawna stanowi złożoną zagadkę. Pierce podkreślił, jak postępy w mocy obliczeniowej i modelowaniu cyfrowym zapewniły naukowcom nowe perspektywy umożliwiające rozwiązanie tych starożytnych tajemnic. „Stosowanie tych nowych technik w przypadku starożytnych skamieniałości pozwala nam uzyskać lepszą perspektywę ewolucji tych zwierząt i zobaczyć, że nie była to tylko prosta, liniowa historia ewolucji” – powiedziała. „To było naprawdę skomplikowane. Zwierzęta te prawdopodobnie żyły i poruszały się w swoim środowisku w sposób, którego wcześniej nie docenialiśmy. Wiele się działo, a dzisiejsze ssaki są naprawdę wyjątkowe”.