Wyzwanie – i przyjemność – jakie spotyka biolog ewolucyjny w pracy, to rozszyfrowywanie historii przyrody, niezależnie od tego jaka jest dziwaczna. A rzadko przyroda jest dziwaczniejsza, niż kiedy białucha (wal biały) śpiewa przez nos, żeby zobaczyć ocean.
Normalny wzrok nie działa w wodach oceanu tak dobrze, jak na lądzie, z powodu sposobu, w jaki światło podróżuje przez wodę. Dźwięk natomiast podróżuje czterokrotnie szybciej przez wodę niż przez powietrze. Białuchy i inne walenie zębowce (takie jak orki i kaszaloty) wykorzystują tę podwodną prędkość używając echolokacji.
Proces tworzenia echa jest skomplikowany. Jako ssaki zębowce muszą wciągać powietrze do płuc. Inne ssaki mogą oddychać przez usta lub przez nos, który znajduje się tuż nad ustami. U zębowców przewód nosowy biegnie ponad jego oczyma tworząc nozdrza na czubku głowy. Kiedy białucha wynurza się na powierzchnię, otwiera nozdrza. Pod wodą jednak zębowce potrafią używać powietrza w swoim przewodzie nosowym do wibrowania zestawem otaczających go mięśni. Trzymają nozdrza zamknięte, kiedy przepychają to powietrze wewnątrz swoich głów, używając szeregu komór do przechowywania go i ponownego użytku.
Wibracjami kieruje dziwaczna anatomia głowy zębowca. Za wibrującymi mięśniami czaszka podnosi się w klif, nie pozwalając, by dźwięk uciekał do tyłu. Z przodu mięśni jest duża gruda tkanki tłuszczowej zwana melonem. Znajduje się na szczycie wielkiej szczęki górnej walenia, która ma kształt półki. Przechodzące przez melon wibracje skupiają się. Waleń ma także potężne mięśnie przyczepione do boków szczęki górnej i otaczających kości, które pozwalają zwierzętom ściskać melon w rozmaite kształty – i w ten sposób kierować strumień dźwięku w różnych kierunkach.
Kiedy fala dźwiękowa uderza w coś przed waleniem – rafę koralową, rybę lub jakiś inny obiekt – część jej odbija się z powrotem ku zwierzęciu. Waleń wzmacnia słyszenie dolną szczęką, która zawiera długi, cylindryczny kawał tłuszczu biegnący po obu stronach. Wibracje, które uderzają w szczękę, podróżują z powrotem do ucha, które może odkryć dźwięk. Badając delfiny w niewoli naukowcy pokazali, że potrafią one rozpoznać skomplikowane kształty wyłącznie na podstawie ich echa. Mogą nawet dźwiękiem wykryć konsystencję.
Jak delfiny i inne walenie zębowce doszły do takiego dziwnego stanu? Skamieniałości i dowody z DNA pomogły naukowcom zrozumieć, jak wyewoluowały one ze zwierząt lądowych. Jest to temat, który omawiałem w książce At the Water’s Edge, i który próbowałem śledzić od tego czasu. Tutaj jest drzewo łączące zębowce z niektórymi ich żyjącymi i wymarłymi krewnymi. Pochodzi z niedawno opublikowanego drugiego wydania mojej książki The Tangled Bank. (Większą wersję można zobaczyć tutaj.)
Walenie wyewoluowały z ssaków lądowych i mają bliskiego wspólnego przodka z hipopotamami. Zaczynając od około 50 milionów lat temu stopniowo straciły kończyny i ich ciała wyewoluowały kształty nadające się do pływania zamiast chodzenia. Wiele linii waleni wyewoluowało i prosperowało, ale w końcu wymarły. Wszystkie żyjące walenie pochodzą z dwóch linii, które rozdzieliły się od siebie około 40 milionów lat temu – fiszbinowce i zębowce.
Choć tylna część waleni dostarcza najbardziej dramatycznego dowodu ich ewolucji – z zamianą nóg i cienkiego ogona na płetwy i płetwę ogonową – większość zasadniczych adaptacji miała miejsce w części przedniej. Walenie potrzebują głów do wyczuwania świata podwodnego i znajdowania w nim żywności. Wczesne walenie wyewoluowały długie, zębate paszcze do chwytania zdobyczy. Ale potem fiszbinowce i zębowce wyewoluowały różne uaktualnienia swojej anatomii.
Fiszbinowce straciły zęby (chociaż nadal mają niefunkcjonalne geny na tworzenie zębów). Zamiast zębów wyewoluowały płytki fiszbinu, przez które filtrują pokarm z gigantycznych łyków wody, jakie nabierają. Jak pisałem w Loom, paleontolodzy znajdują skamieniałości wczesnych fiszbinowców, które pokazują przejście od polującego do filtrującego zwierzęcia. Zębowce nadal chwytają indywidualną zwierzynę w sposób, w jaki robiły to pradawne walenie. W którymś momencie jednak dodały swoje nadzwyczajne wyposażenie do echolokacji – odbijający panel, komory używające powietrza, brzęczące wargi, melon i całą resztę.
Trudno było zmapować ewolucję echolokacji, ponieważ tak wiele z ich anatomii nie zachowuje się. To jest, po śmierci delfina, melon rozkłada się wraz z wargami, mięśniami i innymi narządami niezbędnymi do wytwarzania dźwięków. Jedyne, co pozostaje dla naukowców, kiedy patrzą na skamieniałości zębowców, to sama czaszka. Choć naukowcy od stulecia znajdują skamieniałości waleni zębowców, żadna ze starszych skamieniałości nie wykazuje cech, których można się spodziewać od posiadacza echolokacji. Naukowcy zastanawiali się więc, w jakim czasie po rozdzieleniu się fiszbinowców i zębowców rozwinęło się to wspaniałe wyposażenie akustyczne.
Dzisiaj w “Nature” Jonathan Geisler z New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine i jego koledzy pokazują detale nowej skamieniałości, liczącej 28 milionów lat. Odpowiada ona na wiele pytań o echolokację.
Czaszkę walenia, nazwanego
Cotylocara macei, znaleziono w rowie melioracyjnym w Południowej Karolinie. Ma wiele cech znajdowanych tylko u zębowców, co pokazuje, że należy do ich linii. Ma także wiele cech używanych przez zębowce do echolokacji. Na przykład, otwór, którym przewód nosowy opuszcza czaszkę otoczony jest kołnierzem, który mógł kontrolować brzęczące wargi. Czaszka ma jamy wokół otworu nosowego, które wyglądają jak komory używane przez delfiny i inne żyjące zębowce do przetwarzania powietrza. Kości szczęki są gęste, być może pozwalające na odbijanie fal dźwiękowych do melona. Górna szczęka tworzy szeroką półkę, która pozwoliłaby
Cotylocarana zakotwiczenie mięśni kontrolujących melon.
Te cechy wzięte razem, piszą Geisler i jego koledzy, “stanowią przekonujący argument, że Cotylocara używały echolokacji”.
Tym, co czyni
Cotylocara jeszcze bardziej interesującym zwierzęciem jest pytanie, jak blisko spokrewniony jest z delfinami i innymi żyjącymi zębowcami. No cóż, wcale nie jest to bliskie pokrewieństwo.
Kiedy przodkowie zębowców oddzielili się od przodków fiszbinowców, rozgałęzili się następnie w nowe linie rodowe. Jeden z najwcześniejszych podziałów prowadził do dwóch gałęzi. Jedna z tych gałęzi doprowadziła z czasem do żyjących dzisiaj zębowców. Druga gałąź prowadziła do grupy zębowców o nazwie Xenorophidae, która wymarła dawno temu. Cotylocara należy do tej wymarłej gałęzi Xenorophidae.
Naukowcy już wcześniej wykopali szereg innych skamieniałości Xenorophidae. Jeśli spojrzysz na dowolny gatunek, może on mieć kilka cech, które kojarzymy z echolokacją, takich jak szeroka szczęka górna lub jamy w czaszce. Żadna z nich nie dorównuje jednak tej nowej skamieniałości Cotylocara.
Niemniej anatomia, jakiej Cotylocara mogła używać do echolokacji, nie jest identyczna z tą, jakiej używają żyjące dzisiaj zębowce. Niektóre jamy znajdują się w miejscach w czaszce, gdzie na przykład delfiny ich nie mają. Wygląda na to, że samodzielnie wyewoluowały te cechy.
Wyjaśnieniem, które preferują Geisler i jego koledzy, jest, że echolokacja ma skomplikowaną historię. Przodek wszystkich zębowców – żyjących i wymarłych – już wyewoluował prymitywny rodzaj echolokacji. Jego potomkowie rozdzielili się następnie w nowe linie rodowe. W przynajmniej dwóch tych liniach zębowce wyewoluowały dużo bardziej wyrafinowane mięśnie, kości i rozmaite narządy, dając im większe panowanie nad wysyłanymi sygnałami. Choć Cotylocara wyewoluowały pewne cechy, które są charakterystyczne wyłącznie dla nich, wyewoluowały także kilka identycznych cech, do tych, jakie znajdujemy u żyjących zębowców, takich jak delfiny. (Ten rodzaj paralelnej ewolucji, którą ilustruję poniżej, nazywa się konwergencją.)
Geisler i jego koledzy wiedzą już, jak przetestować tę hipotezę. Jeśli mają rację, to wczesne zębowce nie tylko miały wyrafinowaną aparaturę do wytwarzania dźwięków. Musiały także mieć uszy zdolne do ich wykrycia. Czaszka Cotylocara nie zachowała się w okolicach uszu, więc nie wiemy jeszcze, jak dobrze potrafiły słyszeć. Geisler i jego koledzy przewidują jednak, że jeśli paleontolodzy zbadają uszy innych wczesnych zębowców, powinni znaleźć oznaki, że zwierzęta te były nieco bardziej zaadaptowane do słyszenia ech o wysokiej częstotliwości.
Cotylocara nie tylko odpowiada na kilka pytań, jakie mieliśmy o tym dziwacznym tworze natury, ale mówi nam, jakie nowe pytania powinniśmy postawić.
Seeing the ocean with a buzzing nose
The Loom, 12 marca 2014
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
