Evoluția mișcării terenurilor la începutul tetrapodelor

De

Scena aeriană descrie primele tetrapode ale celor Doi Devoni, Ikhtyostega și Acanthoste, care ies din apă pentru a se deplasa pe uscat. Urmele urmează animalele pentru a arăta un sentiment de mișcare. Credit: Davide Bonadonna

Tranziția de la apă la uscat este una dintre cele mai importante și inspiratoare tranziții cheie în evoluția vertebratelor. Și întrebarea cum și când tetrapode trecerea de la apă la uscat a făcut mult timp obiectul uimirii și dezbaterii științifice.

Ideile timpurii subliniau că peștii deshidratați pun presiune în mod selectiv asupra dezvoltării iazurilor uscate și a accesoriilor asemănătoare deshidratării pentru a reveni în apă. La exemplarele nou descoperite în anii 1990, s-a emis ipoteza că multe dintre trăsăturile acvatice ale primelor tetrapode au fost păstrate, cum ar fi scoicile și aripioarele rotunde și tetrapodele ar putea dezvolta membrele în apă până se vor adapta la viața de pe uscat. Dar există încă incertitudine cu privire la momentul tranziției de la apă la uscat și care au fost cu adevărat tetrapodele terestre.

Lucrare publicată astăzi (25 noiembrie 2020) Natură abordează aceste întrebări folosind date fosile de înaltă precizie și arată că aceste tetrapode timpurii erau încă legate de apă și aveau proprietăți de apă, dar că aveau adaptări care arătau capacitatea lor de a se deplasa pe uscat. Deși, este posibil să nu fi fost foarte priceput în a face acest lucru, cel puțin conform standardelor actuale.

Dr. Blake Dixon, Ph.D., Departamentul de Biologie Organică și Evolutivă, nr. 20, și autor principal, Stephanie Pierce, Thomas D. Cabot, profesor asociat, Departamentul de biologie organică și evolutivă, și curator de paleontologie al vertebratelor la Muzeul Comparativ. Zoologia Universității Harvard a studiat 40 de modele tridimensionale ale humerului fosil al animalelor dispărute (osul brațului superior) care elimină trecerea de la apă la uscat.

Transformarea formelor de humerus

Există trei etape principale în evoluția formării humerusului: de la osul hioid al peștilor acvatici până la humerusul în formă de L al tetrapodelor și de la humerusul curbat al tetrapodelor terestre. Coloane (de la stânga la dreapta) = pești acvatici, tetrapod de tranziție și tetrapod terestru. Rânduri = Sus: siluete de animale dispărute; Mediu: rămășițe 3D ale humerusului; Partea de jos: zonele utilizate pentru a determina cantitatea de formă. Credit: Un compliment de la Blake Dixon

„Deoarece fosilele de tranziție terestră din tetrapode sunt atât de sărace, ne-am orientat spre o sursă de resturi care ar putea reflecta mai bine întreaga tranziție, de la pești acvatici întregi la tetrapode terestre”, a spus Dixon.

Două treimi din rămășițe sunt adăpostite în Muzeul Harvard de Zoologie Comparată, din colecții istorice din întreaga lume. Pentru a umple golurile, Pierce și-a apropiat colegii cu mostre cheie din Canada, Scoția și Australia. Descoperite recent de co-autorii Dr. Tim Smithson și Jennifer Clack, profesor la Universitatea Cambridge din Marea Britanie, ca parte a proiectului TW: eed, noile rămășițe subterane au fost importante în înțelegerea evoluției timpurii a dezvoltării terenurilor. tetrapode.

Cercetătorii au ales osul humerus, deoarece nu numai că este abundent și bine conservat în broască țestoasă, dar este prezent și în toate sarcopteriile – un grup de animale care includ pești selacant, pești pulmonari și toți tetrapodele, inclusiv toate fosilele lor. . „Ne așteptam ca humerusul să dea un semnal funcțional puternic, deoarece animalele au evoluat de la a fi pești complet funcționali la tetrapode terestre și am putea prezice acest lucru de când tetrapodele au început să se deplaseze pe uscat”, a spus Pierce. „Am constatat că abilitatea terestră coincide cu originea membrelor, ceea ce este foarte interesant”.

O schimbare evolutivă a formei humerusului în tot arborele

Calea și forma evoluției se schimbă de la humerusul de pești acvatici la humerusul tetrapod terestru. Credit: Un compliment de la Blake Dixon

Omoplatul leagă piciorul din față de corp, deține mulți mușchi și trebuie să reziste mult la stres în timpul mișcării membrelor. Prin urmare, are o mulțime de informații funcționale importante legate de mișcarea și ecologia animalului. Cercetătorii au arătat schimbări semnificative în schimbările evolutive ale formei osului humerus, de la scurt și scufundarea peștilor la alungirea și trecerea la mișcarea terenului, așa cum este descris în tetrapode. Această idee a fost rareori studiată în termeni cantitativi – adică până acum.

Când Dixon era student în anul doi, a fost uimit de aplicarea teoriei modelării cantitative a caracteristicilor pentru a înțelege evoluția funcțională, pe care a pionierat-o într-un studiu din 2016 condus de o echipă de paleontologi și co-autor de Pierce. Conceptul de peisaj adaptativ din 1944 al paleontologului George Gaylord Simpson, un concept robust de suprafață tridimensională, cu vârfuri și văi, cum ar fi lanțurile montane, este esențial pentru modelarea trăsăturilor cantitative. Creșterea înălțimii în acest peisaj implică o bună performanță funcțională și o pregătire flexibilă, iar selecția naturală este de așteptat să ridice populația la un vârf flexibil în timp.

Dixon și Pierce au crezut că ar putea folosi această metodă pentru a modela tranziția tetrapodelor de la apă la uscat. Ei au emis ipoteza că peisajul adaptiv se va schimba și odată cu schimbarea formei humusului. De exemplu, peștii ar avea un vârf adaptiv pentru care performanța funcțională a fost maximizată pentru înot, iar tetrapodele terestre ar avea un vârf adaptativ pentru performanța funcțională pentru înotul pe uscat. „Apoi am putea folosi aceste peisaje pentru a vedea dacă forma humerusului tetrapodelor anterioare era mai potrivită pentru a lucra în apă sau pe uscat”, a spus Pierce.

„Am început să ne gândim la ce caracteristici funcționale ar fi importante pentru apelarea humerusului”, a spus Dixon. “Nu a fost o sarcină ușoară, deoarece oasele de pește sunt atât de diferite de membrii tetrapode.” În cele din urmă, au redus atenția asupra a șase caracteristici care ar putea măsura în mod fiabil toate reziduurile, inclusiv lungimea relativă a osului ca un proxy pentru lungimea pașilor, cum ar fi lungimea relativă a osului și simularea stresului mecanic în diferite scenarii de ridicare a greutății. analiza complexă. prezicând puterea humerusului.

„Dacă aveți o reprezentare egală a tuturor caracteristicilor funcționale, atunci puteți găsi pe hartă cum se schimbă performanța pe măsură ce treceți de la un vârf flexibil la altul”, a explicat Dixon. Folosind optimizarea computațională, echipa a reușit să identifice o combinație precisă de caracteristici funcționale care maximizează performanța pentru peștii acvatici, tetrapodele terestre și cele mai vechi tetrapode. Rezultatele lor au arătat că cele mai vechi tetrapode aveau o combinație unică de caracteristici funcționale, dar nu se potriveau cu vârful lor de adaptare.

„Ceea ce am constatat a fost că humerusul tetrapodelor timpurii a fost colectat pe baza peisajului terestru”, a spus Pierce. “Performanța mișcării terenului este în creștere. Cu toate acestea, aceste animale au dezvoltat doar caracteristici funcționale limitate pentru a merge pe uscat.”

Cercetătorii notează că abilitatea de a se deplasa pe uscat poate fi limitată, deoarece alte depozite de deșeuri au fost selectate pe alte caracteristici, cum ar fi nutriția acvatică, care le leagă de mediul acvatic al strămoșilor lor. Odată ce tetrapodele au scăpat de această limitare, humerusul a fost liber să dezvolte morfologii și funcții care să îmbunătățească mișcarea membrelor, rezultând o invazie a ecosistemelor terestre.

„Cercetările noastre oferă prima înțelegere cantitativă și de înaltă precizie a evoluției mișcării terestre de la apă la uscat”, a spus Dixon. „De asemenea, prezice când și cum [the transition] care s-a produs și ce trăsături au fost importante în perioada de tranziție, cel puțin în humerus. “

„Mergând mai departe, suntem interesați să extindem cercetarea noastră la alte părți ale scheletului tetrapodului”, a spus Pierce. “De exemplu, există presupuneri că picioarele anterioare au fost capabile să lucreze pe uscat înainte de picioarele din spate și putem folosi noua noastră metodologie pentru a testa această nouă ipoteză.”

Dixon a început recent să lucreze ca cercetător postdoctoral în Laboratorul de mișcare a animalelor de la Universitatea Duke, dar continuă să colaboreze cu Pierce și membrii săi de laborator pentru cercetări suplimentare privind utilizarea acestor tehnici în alte părți ale scheletului și fosilelor.

Informații: „Peisajele adaptive funcționale prezic capacitățile terestre în originea membrelor” BVDixon, JA Klak, TR Smithson și SE Pierce, 25 noiembrie 2020. Natură.
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

Ingineria interfeței limită între materialele 2D și 3D

din David L. Chandler, Institutul de Tehnologie din Massachusetts 2 martie 2021 Aceste imagini ale „insulelor” atomilor de aur depuse într-un strat bidimensional de sulfură de...

Cipul microfluidic simplifică testarea COVID-19, oferă rezultate pe un telefon în 55 de minute sau mai puțin

Nanobeads programate sunt asociate cu un telefon mobil exterior și instrumentul de diagnosticare plug-in poate diagnostica COVID-19 în 55 de minute sau mai puțin,...

O mușcătură puternică, mortală, foarte rapidă a unei furnici Trap-maxilar

Micile schimbări de formă pot duce la inovații în funcție, arată un nou studiu. Cercetătorii au dezvăluit modul în care o capcană de furnici -...

Recenziile școlare parentale sunt legate de indicatorii demografici și rezultatele testelor, nu de performanța școlară

Comentariile părinților au reflectat diferențele dintre rasă și venituri în școlile publice de K-12. Prima analiză a comentariilor părinților despre școlile publice din K-12 din...

Un aisberg masiv – de 10 ori mai mare decât San Francisco – rupe raftul principal de gheață din Antarctica

Noile imagini radar captate de misiunea Copernicus Sentinel-1 arată o aisberg de 1.270 km² care se relaxează și se îndepărtează rapid de raftul de...

Newsletter

Subscribe to stay updated.