Od ponad wieku naukowcy zastanawiają się nad podstawową tajemnicą w naszej historii ewolucyjnej: w jaki sposób ssaki przechodzą od rozległych jak jaszczurki po koty jak koty i psy? To przejście – od rozległej postawy (jak jaszczurka) do pozycji (parasagittal) – oznaczało kluczowy moment w ewolucji ssaków. Podczas gdy najwcześniejsze synapsy nie ssaków, przodkowie żywych ssaków, mieli rozległą postawę, naukowcy debatowali, kiedy i jak ewoluowały pozytywne postawy współczesnych ssaków.
Teraz przełomowe badanie w biologii PLOS pod przewodnictwem dr Roberta Brocklehursta, byłego doktoktorowego na Wydziale Biologii Organizmu i Ewolucyjnej (OEB) na Uniwersytecie Harvarda, oferuje zaskakującą odpowiedź: ścieżka do pozycji wyprostowanej nie była liniowa, ale pełna nieoczekiwanych objazdów, ewolucyjnej eksperymentalnej i dramatycznej anatomicznej adatomicznej.
„Ewolucja ssaków była wcześniej scharakteryzowana jako seria kroków od rozległej, półprawcy, do pionowej”-powiedział Brocklehurst. „Jednak odkryliśmy bardziej nieliniowy postęp ewolucyjny w historii ssaków”.
Wszystkie ssaki – od nietoperzy i wielorybów po mole i ludzi – dzielą charakterystyczny sposób poruszania się: trzymają swoje kończyny pod ciałami, w przeciwieństwie do rozległej postawy z kończynami na bok. Ta postawa umożliwia bardziej wydajny ruch i jest związana z zdolnością ssaków do dostosowywania się do zróżnicowanego stylu życia, od kopania po latanie. Tym dramatycznym przejściu towarzyszyły również duże zmiany kształtu kości kończyn i mechaniki. Aby ocenić te zmiany, zespół przeanalizował kości ramienne (kość górnego ramienia) ponad 60 nie-ssakalskich skamielin synapsidowych i 140 żywych zwierząt, w tym ssaków, gadów i płazów.
Korzystając z nowej techniki analitycznej, pionierem w laboratorium starszym autora Stephanie Pierce'a (również w OEB), naukowcy zmapowali powierzchnię każdej kości, aby mierzyć cechy, takie jak długość, rozkład masy, dźwignia mięśni i skręcenie (stopień, w którym kości skręca się na jej długości). Cechy te korelują z określonymi trybami lokomocji i pozwoliły badaczom zrekonstruować postawę i lokomocję w skamielinach.
„Korelując kształt kości i biomechanikę kończyn z postawą, mogliśmy przetestować, jak dobrze kości kopalne zostały zoptymalizowane pod kątem określonych zadań funkcjonalnych, takich jak piesze w porównaniu z rozległym chodzeniem” – powiedział Brocklehurst. Naukowcy osiągnęli to poprzez mapowanie kopalnych synapsidów nie ssaków na funkcjonalny krajobraz adaptacyjny, podobny do mapy topograficznej, z pikami i dolinami, które odnoszą się do wysokiej i niskiej wydajności różnych pozycji lokomotorycznych.
„Spodziewaliśmy się, że zobaczymy schludne postęp – od rozległych pliksauurów po nieco bardziej pionowe terapsy, a następnie Cynodonts, a następnie w pełni wyprostowane ssaki” – powiedział Brocklehurst. „Zamiast tego znaleźliśmy wybuch innowacji”.
Odkrycia sugerują, że ewolucja ssaków obejmowała szereg adaptacyjnych promieniowania, przy czym każde główne grupy przodków badają szereg funkcji i pozycji kończyny przedniej – niektóre z nich były bliższe współczesnym ssakom, inne nie.
„Ścieżka do pozycji pionowej nie była linią prostą”, mówi Pierce – „przodkowie ssaków nie byli na drabinie z nowoczesnymi ssakami na szczycie. Ssaki ewoluowały i promieniowały w wielu różnych niszach i siedliskach w całej swojej historii, a ich pozycje odzwierciedlają tę różnicę”.
Jedna skamielina, bliski krewny dzisiejszych torbaczy i łożysków, wykazał cechy kości zgodne z nowoczesnym chodem pionowym, co sugeruje, że w pełni parasagitowe postawy ewoluowały stosunkowo późno w historii ssaków, w przeciwieństwie do wcześniej znajdujących się hipotez. Ten wynik wspiera ostatnie prace tego samego laboratorium na kręgosłupie i tylnej części końcowej.
„Nasza praca kwestionuje ideę, że postawa zmieniła się stopniowo i wcześnie” – powiedział Pierce, „zamiast tego pokazuje, że postawa pionowa i lokomocja były późną innowacją ewolucyjną, a nie wczesną cechą linii ssaków”.
Naukowcy podważają również od dawna ideę, że najwcześniejsze synapsy nie ssammalijskie rozszerzyły się w podobny sposób jak żywe jaszczurki lub krokodyle. „Nasze badanie wykazało, że większość kończyn synapsowych działała inaczej niż współczesne gady. Nie tylko kopie gadów, ale także charakterystyczne zwierzęta, które są nieco inne niż wszystko, co żyje dzisiaj”, mówi współautor Kenneth Angielczyk z Muzeum Field Chicago.
Aby porównać tak szeroką gamę kości – obejmujących setki gatunków, w tym w odległości setek milionów lat w wieku i szalenie różnego kształtu – zespół musiał pokonać poważne przeszkody techniczne. Tradycyjne metody opisujące kształt w podobnych strukturach nie działały. Tak więc zespół ponownie zaprojektował istniejący pakiet oprogramowania R zaprojektowany do innego zadania, przekształcając go w nowe „oparte na plasterkach” narzędzie zabytkowe dostosowane do tego badania. Współautor Magdalen Mercado, była studentka programu biologii integracyjnej na Harvardzie, pomógł zebrać obszerny zestaw danych w ramach swojej starszej pracy dyplomowej i badań w Pierce Lab.
Badanie opiera się na bogatej dziedzictwie naukowej – zarówno na Harvardzie, jak i w paleontologii. Pierce, który jest także kustoszem paleontologii kręgowców w Muzeum Zoologii Porównawczej (MCZ), zauważył, że „badacze i byli kuratorzy MCZ, tacy jak Alfred Sherwood Romer i Farish Jenkins, Jr., zmagali się z tymi samymi pytaniami stulecia temu.
To badanie oznacza pierwszą dużą analizę ewolucyjną postawy ssaków przy użyciu ilościowej biomechaniki. Ale to dopiero początek. Zespół buduje teraz szczegółowe modele przednie kończyny u wybranych gatunków kopalnych, aby zrozumieć, w jaki sposób stawy i mięśnie działały u starożytnych zwierząt, oferując jeszcze głębsze wgląd w ewolucję ruchu ssaków.
Jak to ujął Brocklehurst: „Zrozumienie, jak ssaki przybyły na wyprostowanie, nie dotyczy tylko kości, chodzi o odkrywanie dynamicznej historii życia na ziemi”.
Finansowanie zostało dostarczone przez National Science Foundation (Deb1754459 i Deb1754502), przez Harvard Museum of Comparative Zoology i Wetmore Colles Fund.
Robert Brocklehurst jest obecnie pracownikiem badawczym doktorantów na Wydziale Nauk Biologicznych na University of Massachusetts, Lowell. Magdalen Mercado jest obecnie absolwentem komitetu ds. Biologii ewolucyjnej na University of Chicago.