Ενώ οι ώμοι μας μπορεί να στηρίζουν τα χέρια μας σήμερα, νέα έρευνα δείχνει ότι μπορεί αρχικά να βοήθησαν τους υδρόβιους προγόνους μας να αναπνεύσουν. Από πού προήλθαν τα άκρα μας; Είναι ένα ερώτημα που απασχολεί τους επιστήμονες για περισσότερα από 150 χρόνια.
Ενώ τα χέρια και τα πόδια ήταν ζωτικής σημασίας για την επιτυχία των ανθρώπων και των προγόνων μας, είναι δύσκολο να βρεθούν στοιχεία για το πού και πότε εμφανίστηκαν για πρώτη φορά. Τώρα, νέες σαρώσεις ενός ψαριού ηλικίας 407 εκατομμυρίων ετών, γνωστό ως Kolymaspis sibirica, υποδηλώνουν ότι η προέλευσή τους συνδέεται τελικά με την ανάπτυξη του κεφαλιού.
Το απολίθωμα δείχνει σημάδια ότι ένα ζεύγος βραγχιακών τόξων, δομές που στηρίζουν τα βράγχια στα ψάρια, σταδιακά μετατράπηκε από το βοηθητικό ψάρι να αναπνεύσει σε μια «άρθρωση» στο πίσω μέρος του κεφαλιού. Για εκατομμύρια χρόνια, αυτή η δομή έγινε τελικά ο ώμος. Καθώς το κεφάλι και το σώμα χωρίστηκαν, η περαιτέρω προσαρμογή θα επέτρεπε σε μέρη του σκελετού να γίνουν η βάση των πρώτων πτερυγίων.
Ο Δρ Martin Brazeau , ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, λέει: «Οι βραγχιακές καμάρες φαίνεται να εμπλέκονται στον πρώιμο διαχωρισμό του κεφαλιού και του σώματος μέσω του ώμου. Αλλά δεν έχουμε πλέον καμάρες από βράγχια – παρόλο που ο ώμος ήταν διαμορφωμένος πάνω τους, δεν χρειάζεται να υπάρχουν ακόμα σήμερα».
«Αυτό είναι σύμφωνο με ορισμένες προηγούμενες μελέτες που έδειξαν ότι οι μύες μπορούν να παραμείνουν πολύ σταθεροί, ενώ τα συγκεκριμένα οστά που τους υποστηρίζουν σταδιακά αντικαθιστούν το ένα από το άλλο».
Τα ευρήματα της μελέτης δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature .
Γιατί τα σπονδυλωτά έγιναν τόσο διαδεδομένα;
Γυρίστε πίσω το ρολόι 500 εκατομμύρια χρόνια και οι πρόγονοί μας των σπονδυλωτών θα ήταν πολύ διαφορετικοί από αυτό που είμαστε τώρα. Ήταν κυρίως χωρίς άκρα, και ίσως παρόμοιοι με τα ψάρια και τις λάμπες. Πρόκειται για δύο ομάδες ψαριών χωρίς γνάθο που μοιάζουν με χέλι, που χωρίστηκαν από τα υπόλοιπα σπονδυλωτά πολύ νωρίς στην εξέλιξή τους.
Αυτά τα πρώιμα σπονδυλωτά θα προκαλούσαν τελικά μια ποικιλία ζώων, συμπεριλαμβανομένων των πτηνών , των θηλαστικών , των ερπετών και των ψαριών.
Το κλειδί για αυτήν την επιτυχία ήταν μια ποικιλία προσαρμογών που επέτρεψαν στα σπονδυλωτά να επωφεληθούν από το περιβάλλον τους. Η εξέλιξη της γνάθου , για παράδειγμα, σήμαινε ότι αυτά τα ζώα μπορούσαν να τρώνε ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών τροφών, επιτρέποντάς τους να επιβιώσουν σε μια σειρά από περιβάλλοντα.
Τα ζευγαρωμένα εξαρτήματα ήταν επίσης βασικό μέρος αυτής της πρώιμης εξέλιξης. Σχεδόν όλα τα ζωντανά σπονδυλωτά έχουν τουλάχιστον ένα ζευγάρι πτερύγια, φτερά, χέρια ή πόδια.
Στους ωκεανούς , αυτά επέτρεψαν στα πρώιμα σπονδυλωτά να ελέγχουν καλύτερα το κολύμπι τους και να εκμεταλλεύονται τα υποβρύχια ρεύματα. Βοήθησαν επίσης στον αερισμό των βραγχίων, επιτρέποντας στα ζώα να αναπνέουν πιο αποτελεσματικά.
Τελικά, αυτά τα ζευγαρωμένα πτερύγια επέτρεψαν επίσης στα σπονδυλωτά να κάνουν τα πρώτα τους βήματα στη γη πριν από περίπου 390 εκατομμύρια χρόνια πριν εξελιχθούν σε χέρια και πόδια. Από τότε, τα άκρα επέτρεψαν στα ζώα να σκαρφαλώνουν στα δέντρα, να ανεβαίνουν στον ουρανό και να χειρίζονται τρόφιμα και εργαλεία .
Παρά το πόσο κοινά είναι αυτά τα εξαρτήματα στη φύση, είναι εκπληκτικά δύσκολο να γνωρίζουμε από πού προέρχονται. Μέρος του ζητήματος είναι ότι τα πρώιμα σπονδυλωτά έτειναν να έχουν εσωτερικούς σκελετούς φτιαγμένους από χόνδρο και όχι από οστά, που δεν απολιθώνονται πολύ καλά .
Από όσα έχουν βρεθεί, οι επιστήμονες έχουν καταλήξει σε δύο βασικές θεωρίες σχετικά με το από πού προήλθαν αυτά τα προσαρτήματα.
Η πρώτη είναι γνωστή ως υπόθεση της πτυχής των πτερυγίων, όπου οι μυϊκές ράχες που εκτείνονται κατά μήκος κάθε πλευράς του σώματος χωρίζονται στα δύο κατά την πρώιμη εξέλιξη των σπονδυλωτών. Το μπροστινό μέρος έγιναν τα θωρακικά πτερύγια (τα οποία θα συνέχιζαν να σχηματίζουν τα χέρια), ενώ τα πίσω άκρα αναπτύχθηκαν από το πίσω μισό (που θα γίνονταν πόδια).
Αυτή η υπόθεση προέκυψε ως ο πρωτοπόρος στον αγώνα για να εξηγήσει από πού προέρχονται τα άκρα, καθώς αυτές οι κορυφογραμμές έχουν βρεθεί σε μια ποικιλία πρώιμων ψαριών με σαγόνι. Μελέτες για τη γενετική και την ανάπτυξη των σύγχρονων ψαριών φάνηκε επίσης να υποστηρίζουν αυτήν την ιδέα.
Ωστόσο, η υπόθεση του fin-fold δεν ταίριαζε με όλα τα στοιχεία. Ένα θέμα ήταν ότι τα μπροστινά πτερύγια εμφανίζονται νωρίτερα στο αρχείο απολιθωμάτων από τα πίσω πτερύγια, όταν η υπόθεση προβλέπει ότι θα έπρεπε να είχαν εξελιχθεί περίπου την ίδια στιγμή.
Αυτό δεν είναι ένα ζήτημα με την άλλη θεωρία, γνωστή ως υπόθεση της αψίδας των βραγχίων. Σε αυτό το σενάριο, η θωρακική ζώνη (στους ανθρώπους, η ωμοπλάτη και η κλείδα) σχηματίστηκε από το βραγχιακό τόξο. Αυτό θα είχε απελευθερώσει μια άλλη δομή στήριξης γνωστή ως ακτίνα βραγχίων για να γίνει η βάση των πρώτων πτερυγίων.
Ενώ αυτή η ανταγωνιστική υπόθεση θα μπορούσε να εξηγήσει περισσότερα από τα διαθέσιμα στοιχεία, υπήρχε ένα βασικό πρόβλημα. Τα βραγχιακά τόξα είναι κατασκευασμένα από χόνδρο, επομένως είναι εξαιρετικά σπάνια ως απολιθώματα.
Για να βοηθήσουν στην επίλυση αυτού του προβλήματος, οι ερευνητές στράφηκαν σε μια ομάδα ζώων γνωστών ως πλακοδέρματα , τα οποία ήταν μια ποικιλία από διαφορετικά βαριά θωρακισμένα, αρπακτικά ψάρια. Αν και οι καμάρες των βραγχίων τους δεν έχουν επιβιώσει, οι εγκεφαλικές θήκες τους σώζονται, πράγμα που σημαίνει ότι οι ερευνητές μπορούν να δουν πού συνδέονταν κάποτε οι καμάρες και ο σχετικός μαλακός ιστός με το κεφάλι τους.
Να πάρει ένα κεφάλι
Για να διερευνήσει εάν αυτές οι συνδέσεις θα μπορούσαν τελικά να δώσουν στους ερευνητές τη διορατικότητα που αναζητούσαν, η ομάδα εξέτασε το Kolymaspis sibirica , ένα είδος που βρέθηκε στη Σιβηρία τη δεκαετία του 1950. Το μόνο γνωστό απολίθωμα διατηρεί μέρος του κρανίου αυτού του πλακοδέρματος σε 3D, επιτρέποντας στην ομάδα να εξετάσει τη δομή του.
Βρήκαν στοιχεία για σημεία στην εγκεφαλική θήκη όπου θα μπορούσε να έχει προσκολληθεί ο χόνδρος. Είναι σημαντικό ότι αυτά ευθυγραμμίζονται με τα αιμοφόρα αγγεία και τα νεύρα που εξυπηρετούν το θωρακικό πτερύγιο. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το έκτο βραγχιακό τόξο προσαρμόστηκε σταδιακά με την πάροδο του χρόνου για να γίνει μια άρθρωση που χώριζε το κεφάλι από τη νέα ζώνη ώμου.
Αν και οι ερευνητές δεν είναι ακόμα ακριβώς σίγουροι πώς σχηματίστηκαν τα θωρακικά πτερύγια, πιστεύουν ότι μέρη του κεφαλιού και του σώματος συγχωνεύτηκαν. Αυτό μπορεί να σημαίνει ότι τμήματα των υποθέσεων της πτυχής των πτερυγίων και του βραγχιακού τόξου είναι και τα δύο σωστά .
Προχωρώντας προς τα εμπρός, η ομάδα ελπίζει ότι οι νέες έρευνες απολιθωμάτων που βρίσκονται σε συλλογές και η ανακάλυψη νέων δειγμάτων θα μπορούσαν να τους δώσουν το πόδι για την εξέλιξη που περίμεναν.
Η Dr Zerina Johanson , συν-συγγραφέας και έρευνα στο Μουσείο Φυσικής Ιστορίας, προσθέτει: «Η ομάδα θα επικεντρωθεί στη συνέχεια σε δείγματα από τη συλλογή απολιθωμάτων ψαριών του Μουσείου Φυσικής Ιστορίας . Αυτό θα περιλαμβάνει ψάρια χωρίς γνάθους που έχουν πτερύγια, αλλά δεν διαθέτουν ξεχωριστή ζώνη ώμου».
«Αυτή τη στιγμή επεξεργαζόμαστε δεδομένα αξίας πολλών gigabyte και ανυπομονώ να δω τι θα προσθέσουν στην ιστορία αυτά τα σημαντικά δείγματα από τη συλλογή».