Szczątkowa cecha ptaków, która mogła być funkcjonalna u przodków: zdalne wyczuwanie drgań dziobem (nadal czynne u kiwi)

Ten artykuł trafnie streszcza Veronique Greenwood w dziale “Trilobite” w „New York Times”:

Trzy grupy ptaków wyewoluowały niezwykłą cechę: zdolność zdalnego wyczuwania zwierzyny (tj. wykrywanie zwierzyny  bez dotykania jej) przez wbijanie dziobu w ziemię i wyczuwanie drgań. Tymi grupami są kiwi, ibisy i niektóre ptaki brodzące. Wykrywanie może odbywać się albo przez bezpośrednie wyczuwanie drgań przy ruchach zwierzyny, albo przez odbicie fal dźwięków od twardej skorupy ofiary, kiedy ptak uderza dziobem w podłoże. Nazywa się to “zdalny dotyk”.

Okazuje się, że czubki dziobów ptaków ze “zdalnym dotykiem” są upstrzone małymi wgłębieniami, które zawierają komórki o nazwie “ciałka Herbsta”, a te są narządami wykrywającymi ruch. U tych ptaków rozrósł się także obszar mózgu używany do przetwarzania niezmiernie ważnych sygnałów dotyku.   

Inne gatunki mają inne sposoby używania dziobów, by wykrywać zwierzynę dotykiem. Kaczki i gęsi mają kościsty narząd na czubkach swoich dziobów, który także ma wgłębienia z ciałkami Herbsta, ale są inaczej zorganizowane – mają ponadto receptory czuciowe. Tego właśnie używają kaczki, kiedy wystawiają tylko kuper ponad powierzchnię wody i pakują dzioby w dno, żeby żerować.  

Poniżej są zdjęcia z artykułu, pokazujące różne rodzaje czubków dziobów. Autorzy badali także czaszki setek żyjących gatunków i robili sekcje tkanki dziobu, żeby zobaczyć, czy są tam ciałka Herbsta związane z wgłębieniami na dziobie.

Pierwsze: ptak bez zdalnego wyczuwania, jak u większości ptaków. Jest to mewa południowa (Larus dominicus). Ma kilka wgłębień na czubku dziobu, ale analiza miękkich tkanek nie wykazała komórek receptorowych. Nie żeruje przez dotyk.  

Tutaj są dwa ptaki ze zdalnym dotykiem. Pierwszym jest ibis białowąsy (Bostrychia hagedash). Proszę zauważyć dużo wgłębień na samym czubku dziobu (powiększenie). Ma także ciałka Herbsta, jak również powiększony obszar mózgu do wyczuwania dotyku. (Ten ptak, podobnie jak wszystkie inne ptaki poza bezgrzebieniowcami i kusaczami należy do dużej grupy gatunków zwanych ptakami neognatycznymi.)

To samo dotyczy kiwi, który należy do drugiej grupy ptaków, paleognatycznych, małej grupy, która obejmuje tylko duże, nielotne ptaki lub bezgrzebieniowce (emu, strusie, itp.) oraz kusacze, które potrafią latać, ale niezbyt dobrze. Narząd zdalnego dotyku z ciałkami Herbsta mieści się na samym czubku długiego dziobu. Stosunek długości dziobu do rozmiarów czaszki jest jedną z kilku wskazówek do diagnozowania, czy ptaki mają zdalny dotyk.

Wreszcie kusacz, ptak paleognatyczny, który ma narząd zdalnego dotyku z wgłębieniami, ale nie ma w nich ciałek Herbsta. Ten gatunek jednak nie żeruje przez sondowanie gruntu. Inne bezgrzebieniowce, takie jak struś i emu, także mają pełen wgłębień dziób, ale nie mają wyczuwających drgania komórek. Wgłębienia wydają się być pozostałością po przodkach, dla których wgłębienia mogły być użyteczne, ponieważ zawierały wykrywające drgania komórki. Innymi słowy, jest to cecha szczątkowa.

Innym bezgrzebieniowcom także brak powiększonego obszaru mózgu do przetwarzania informacji od receptorów dotyku. To ma sens, bo choć może niewiele kosztować zachowanie wgłębień w dziobie, kiedy ich nie potrzebujesz, tkanka mózgowa jest metabolicznie kosztowna i jeśli jej nie używasz, opłaca się skierowanie tych zasobów na inne funkcje, które pomogą ci rozmnożyć się.

Jak powiedziałem, obecność wgłębień u ptaków, które ich nie używają, sugeruje, że jest to szczątkowa cecha przeniesiona od przodka. Można odróżnić ptaki ze zdalnym dotykiem od innych gatunków przez połączenie stosunku długości dziobu do rozmiarów czaszki, liczby wgłębień i odległości między wgłębieniami.

Ale jakiego przodka? Okazuje się, że mamy skamieniałe czaszki wymarłych ptaków, lithornithidae, które są bardzo wczesnymi ptakami paleognatycznymi. Chociaż ich miękka tkanka nie jest dostępna, niektóre z gatunków pokazują narząd czuciowy – co widać po liczbie i rozrzucie wgłębień, jak również stosunku długości dziobu do wielkości czaszki, który jest charakterystyczny dla  żerujących zdalnie. Tutaj jest zdjęcie dwóch czaszek lithornithidae; podpisy pod zdjęciami z artykułu.

Wnioskiem jest, że domniemani przodkowie ptaków paleognatycznych byli gatunkiem ze zdalnym dotykiem. Fakt, że żyjące ptaki paleognatyczne, takie jak emu i kusacze nadal zachowują wgłębienia, sugeruje, że ten niefunkcjonalny "narząd" jest bezużyteczną resztką cechy odziedziczonej przez wszystkie ptaki paleognatyczne od przodka - lithornithidae. Istotnie, autorzy sądzą, że przodek wszystkich ptaków mógł mieć narząd do zdalnego dotyku (moje podkreślenie):  

Nasza analiza potwierdza, że bazalne ptaki palaeognatyczne, małe, lotne lithornithidae, miały dotykowy, kościsty narząd na czubku dziobu, umożliwiający im używanie zdalnego dotyku, by lokalizować zagrzebane bezkręgowce. To odkrycie w połączeniu z naszym rozumieniem ewolucji lithornithidae, sugeruje, że układ zdalnego dotyku u współczesnych ptaków pochodzi z okresu sprzed rozdziału na palaeognatyczne–neognatyczne.

Dlaczego wśród żyjących ptaków paleognatycznych tylko kiwi mu funkcjonujący narząd zdalnego dotyku, skoro był obecny u wymarłego przodka, można wytłumaczyć według dwóch scenariuszy. Pierwszy mówi o utracie tego narządu u bliższego w czasie gatunku przodków i ponownym jego nabyciu tylko w linii kiwi. Drugą możliwością jest, że kiwi zatrzymały narząd zdalnego dotyku przodków, podczas gdy wszystkie inne ptaki paleognatyczne utraciły go. Autorzy nie potrafią wybrać między tymi scenariuszami.

A co z ptakami neognatycznymi, które mają narząd zdalnego dotyku, takimi jak ibis i ptaki brodzące? Czy zachowały narząd przodków podczas gdy wszystkie inne ptaki neognatyczne  (olbrzymia większość żyjących ptaków), utraciła go? Prawdopodobnie nie; jak mówią autorzy, to jest wypadek niezależnej ewolucji.

Jeszcze bardziej fascynująca jest możliwość, że ta zdolność wykrywania zwierzyny na odległość mogła istnieć u gadzich przodków ptaków, którymi według wielu naukowców były dinozaury teropody: 

Co ciekawe, istnieje coraz więcej dowodów, że niektóre teropody miały wyspecjalizowane narządy umieszczone w dystalnej części ich rostrum, w oparciu o wysoki stopień zewnętrznych otworów/wgłębień zachowanych na ich szczękach. Zgadujemy, że może takie wrażliwe pyski i nieptasich terapodów mogły być prekursorami ewolucji zdalnego dotyku u ich ptasich krewnych. 

Warto zauważyć, że aligatory i krokodyle także mają wrażliwe na dotyk “receptory kopułkowe” w górnych szczękach, również związane z wgłębieniami w kościach. Archozaury są grupą wczesnych gadów, przodków zarówno ptaków, jak krokodyli i może receptory, jakie widzimy u krokodyli i aligatorów są w jakiś sposób związane z wgłębieniami w dziobie kiwi.  

To wszystko są spekulacje, dość solidne wydaje się jednak to, że wgłębienia w dziobie i bezużyteczne “narządy dotyku” u innych niż kiwi oraz kusacze bezgrzebieniowców są szczątkowymi pozostałościami funkcjonującego narządu prastarego przodka. A to jest dowód na ewolucję.

______________

Toit, C. J. d., A. Chinsamy, and S. J. Cunningham. 2020. Cretaceous origins of the vibrotactile bill-tip organ in birds. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 287:20202322.

A vestigial trait of birds that may have been functional in ancestors remote sensing of vibrations in the bill (still activein the kiwi)

Why Evolution Is True, 11 grudnia 2020

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska