Innowacyjna skamieniałość

Palce, łokcie i ruchomą głowę zawdzięczamy tiktalikowi.

Darwinowska teoria ewolucji większości z nas kojarzy się przede wszystkim z doborem naturalnym jako mechanizmem prowadzącym do utrwalania się różnych biologicznych przystosowań. Ale nie mniej ważna jest Darwinowska idea wspólnego przodka wszystkich żywych istot. To on dał początek ludziom oraz szympansom, ptakom, rybom, żabom, a nawet owadom, grzybom, roślinom i bakteriom. Zdaniem Karola Darwina współczesne organizmy ewoluowały stopniowo przez kolejne stadia przejściowe. Zatem między wyraźnie odrębnymi dziś grupami należy się spodziewać kopalnych form pośrednich - brakujących ogniw ewolucji. Jedno z nich właśnie odkryto.

Teorie Darwina nie miały łatwego debiutu w XIX-wiecznym środowisku naukowym. Burzyły pewien porządek: wiarę w to, że życie na Ziemi i wszystkie jego formy powstały na skutek Boskiego aktu stwórczego. Manifest darwinizmu - opublikowaną w 1859 roku książkę O powstawaniu gatunków - przyjęto z niedowierzaniem, a nawet wrogo. Kolejne dziesięciolecia stały się czasem weryfikacji darwinowskiej teorii. Już w 1861 roku odkryto w Bawarii pierwszy okaz jurajskiego praptaka, archeopteryksa - zwierzęcia mającego cechy zarówno małych drapieżnych dinozaurów, jak i ptaków. Trafił on do londyńskiego Natural History Museum, gdzie do dziś uchodzi za najcenniejszy eksponat. Kolejny, lepiej zachowany okaz, odkryty w 1877 roku, przechowuje muzeum przyrodnicze berlińskiego Humboldt-Universität. Z czasem podobnych znalezisk przybywało. W ten sposób teoria ewolucji zyskała przekonujące potwierdzenie i jeszcze za życia Darwina została zaakceptowana przez większość biologów.

Rozszerzenie poszukiwań skamieniałości na inne kontynenty pozwoliło z czasem zapełnić kolejne luki w kopalnym zapisie ewolucyjnych przemian grup organizmów. W ostatnich latach na przykład posypały się odkrycia zarówno prymitywniejszych od archeopteryksa upierzonych dinozaurów, jak i ptaków nieco bardziej od niego ewolucyjnie zaawansowanych. Nasze własne, ludzkie, drzewo filogenetyczne także się zapełniło. Dziś znamy niemal kompletny poczet naszych przodków - od momentu rozejścia się ewolucyjnych dróg szympansów i linii prowadzącej do człowieka. To jednak nie wszystko. Liczące prawie ćwierć miliarda lat skamieniałości z Afryki Południowej pozwoliły zrekonstruować ewolucję triasowych gadów ssakokształtnych w ssaki. A co z najbardziej spektakularną transformacją w dziejach kręgowców - wyjściem ze środowiska wodnego na ląd?

Do niedawna znaliśmy tylko ichtiostegę, późnodewońskiego rybopłaza odkrytego na Grenlandii w latach trzydziestych. Wcześniejsze etapy ewolucji lądowych czworonogów praktycznie nie były znane. Prymitywniejsze czworonogi (np. grenlandzka akantostega jeszcze z ośmioma palcami na każdej łapie) i zaawansowane ryby mięśniopłetwe, takie jak panderichtys z Łotwy, opisano dopiero kilka lat temu. Czy to wszystko?

Ruchoma szyja łączyła z tułowiem ćwierćmetrową głowę tiktalika.

Jennifer A. Clack, słynna badaczka najwcześniejszych czworonogów, interesująco opisała to „wychodzenie kręgowców na ląd” [patrz: „Z wody na ląd”; Świat Nauki, styczeń 2006]. Podsumowując postęp, jaki się dokonał w ostatnich latach, autorka zapowiedziała kolejne odkrycia: „wyprawa na Wyspę Ellesmere'a w kanadyjskiej Arktyce, kierowana przez paleontologa Neila Shubina z University of Chicago, odkryła niezwykle dobrze zachowane szczątki ryby […]. Zespół Shubina musi najpierw ten gatunek opisać i formalnie nazwać, ale wygląda na to, że znaleźli niesłychanie interesujące zwierzę”. Już na początku kwietnia w Nature ukazały się aż trzy artykuły na temat tego „niesłychanie interesującego zwierzęcia”: formalny opis nowego gatunku, artykuł na temat ewolucji kończyn czworonogów w świetle nowego znaleziska oraz obszerny komentarz przeglądowy (współautorstwa Clack).

Nowo odkryte zwierzę nazwano Tiktaalik roseae. Tiktaalik w języku Inuitów (gospodarzy kanadyjskiej Arktyki, czyli Terytorium Nunavut) to miętus, duża słodkowodna ryba spotykana na tamtejszych płyciznach. Nazwa gatunkowa zaś - roseae - pochodzi od imienia sponsorki wyprawy. Na razie udało się znaleźć szczątki co najmniej 12 osobników, w tym trzy kompletne, które do czasu powstania muzeum na inuickim terytorium zdeponowane zostały w Canadian Museum of Nature w Ottawie. Prócz samego odkrycia godne uwagi jest to, że amerykańscy paleontolodzy - Shubin, a także Edward Daeschler i Farish Jenkins junior - udali się w teren niemal na pewniaka. Przewidzieli bowiem, że form pośrednich ewolucyjnie między znanymi już panderichtysem i akantostegą należy szukać w osadach późnodewońskich o wieku pośrednim między łotewskimi (385 mln lat) a grenlandzkimi (365 mln lat) na terenie Euroameryki, bo to tu prawdopodobnie nastąpiło to „wyjście na ląd”. Naukowcy nieprzypadkowo też wybrali Wyspę Ellesmere'a, gdzie odsłaniają się skały w odpowiednim wieku (osady rzeczne sprzed około 383 mln lat).

Trafność przewidywań spektakularnie się potwierdziła. Znaleziono tiktalika, zwierzę doskonale wpasowujące się w ciąg ewolucyjny, od typowych ryb mięśniopłetwych (których wodnymi potomkami są trzonopłetwe, np. latimeria, i dwudyszne, np. prapłaziec, prapłetwiec i rogoząb) do wczesnych czworonogów lądowych.

Tiktalik (T. roseae)

T. roseae był blisko dwumetrową rybą z wydłużonym, płaskim pyskiem przypominającym paszczę aligatora i blisko osadzonymi oczami na górnej powierzchni ćwierćmetrowej czaszki. Wciąż miał typowe dla ryb skrzela, o czym świadczą zachowane łuki skrzelowe. W odróżnieniu od swych krewniaków, takich jak panderichtys, nie miał jednak kostnego wieczka skrzelowego, którego ruchy zapewniać mogłyby przepływ wody przez ten narząd. Jak zatem oddychał? Wiele wskazuje na to, że wykorzystywał charakterystyczny dla płazów mechanizm pompy gardzielowej (być może woda do skrzeli zasysana była przez tryskawkę, czyli pierwszy otwór skrzelowy, którego pozostałością jest u ludzi przewód słuchowy oraz trąbka Eustachiusza). Zapewne też, podobnie jak spokrewnione z nim dzisiejsze ryby dwudyszne oraz wiele wczesnych kręgowców wodnych, tiktalik miał prawdopodobnie parzyste płuca i mógł oddychać powietrzem.

Jak ustalili paleontolodzy, w związku z zanikiem wieczka skrzelowego i innych kości tyłu czaszki tiktalik utracił typowe dla ryb sztywne połączenie z pasem barkowym. Jego głowa po raz pierwszy w ewolucji kręgowców była ruchoma względem tułowia. Pojawił się więc zaczątek szyi, charakterystycznej dla kręgowców lądowych. Tułów tiktalika pokrywały łuski jak u ryb, a ogon prawdopodobnie kończył się płetwą rozpiętą na promieniach (ta część szkieletu nie zachowała się, ale taki prymitywny ogon miały jeszcze akantostega i ichtiostega). Co zatem jeszcze tiktalik miał ze zwierzęcia lądowego?

Pod jego łuskami kryły się masywne żebra, tworzące mocny gorset usztywniający tułów. Z pewnością nie pomagało mu to w pływaniu, ale za to przydawało się na lądzie, gdzie bez wyporu wody narządy wewnętrzne tak dużej ryby byłyby narażone na zgniecenie pod jej własnym ciężarem (podobną klatkę piersiową z zachodzących na siebie żeber miała też ichtiostega). Jednak tylne kończyny tiktalika były niewielkie i słabe, raczej nieprzydatne na lądzie. Zapewne więc pełzał jak dzisiejsze poskoczki mułowe czy uchatki, wyginając tułów grzbietobrzusznie i podpierając się przednimi kończynami. Te szczególnie zainteresowały badaczy. Rozrośnięte i mocne miały niespotykaną dotąd u wodnych kręgowców budowę - w ich trzonach między pojedynczą kością u nasady (ramienną) a dwiema dalszymi kośćmi (odpowiednikami przedramienia) pojawił się staw, który umożliwiał zginanie i prostowanie kończyny. Taka budowa dawała pewne podparcie podczas pełzania. Tiktaliki były zapewne pierwszymi zwierzętami, które przyroda wyposażyła w łokcie. To jednak nie koniec anatomicznych innowacji…

Płetwy piersiowe tak jak u ryb zakończone były promieniami, chociaż krótszymi niż u panderichtysa. Pomiędzy nimi a kośćmi trzonu płetwy znajdowały się liczne drobne kosteczki tworzące jakby palce. Zatem znów mamy idealne wręcz stadium pośrednie między rybami a czworonogami. Nic więc dziwnego, że w komentarzu redakcyjnym Nature Per Erik Ahlberg i Clack przewidują, iż tiktalik może zostać uznany za sztandarową formę przejściową, tak jak archeopteryks. Tyle że w przeciwieństwie do archeopteryksa mógł być także naszym przodkiem. Pomyślmy o nim czasem, używając łokci, palców lub choćby kiwając głową.

BIOLOGICZNE WSPARCIE

Ewolucję życia poznajemy nie tylko dzięki paleontologii. Ostatnio dynamicznie rozwijają się inne dyscypliny biologiczne, na przykład genomika porównawcza i filogenetyka molekularna badające pokrewieństwo rozmaitych grup organizmów na podstawie analizy DNA. Metodami tymi nic się jednak nie zdziała, gdy brakuje zachowanego materiału genetycznego. Wtedy paleontologia nadal jest niezastąpiona. Inny prężny nurt to ewolucyjna biologia rozwoju (znana pod angielskim skrótem Evo-Devo). Pozwala ona zrozumieć, jak zmiany w genach przekładają się na budowę organizmów i jak mogły powstać formy pośrednie.

ARKTYCZNE TROPIKI

Współczesne płazy i ryby mięśniopłetwe żyją w ciepłym klimacie. Ich dewońscy przodkowie także zamieszkiwali obszary tropikalne, gdzie w porze suchej umiejętność oddychania powietrzem i przepełzania do jeszcze niewyschniętych zbiorników ratowała im życie. Dlaczego więc ich szczątków poszukuje się dziś w Arktyce? W późnym dewonie, czyli wtedy, gdy kręgowce wychodziły na ląd, pradawny kontynent Euroameryki rozciągał się w strefie okołorównikowej. Z czasem rozpadł się na kilka mniejszych, m.in. Laurencję (dziś Amerykę Północną i Grenlandię) oraz Baltikę (dzisiejszą Europę Północno-Wschodnią), które przez prawie 400 mln lat dryfowały na północ, a wraz z nimi - co oczywiste - także kopalne szczątki „brakujących ogniw ewolucji”.

---