Jeden oddech, który zmienił planetę

Piotr Naskręcki

2014-04-16

Dźwięk, kiedy wczesny przodek tej ryby dwudysznej – prapłetwca (Protopterus annectens) zaczerpnął pierwszego łyku powietrza, oznaczał zasadniczy moment w historii życia na Ziemi. Pojawienie się tego zachowania wraz z rozwojem czterech kończyn ustawiło scenę na podbój środowisk lądowych przez kręgowce oraz ewolucję wszystkich czworonogów.

Około 400 milionów lat temu, w dewonie, w wpłytkim, słodkowodnym stawie, w jakiejś tropikalnej części świata, ryba wydała dźwięk, który rozpoczął dramatyczny łańcuch zdarzeń, a jego kulminacją było narodzenie się was i mnie. Był to dźwięk wciąganego powietrza, kiedy ryba uniosła pysk nad powierzchnię wody, rozpaczliwie próbując podnieść opadający poziom tlenu w swoim krwioobiegu. Wkrótce chwytanie świeżego powietrza stało się koniecznością, bo skrzelom nie udawało się dostarczyć zwierzęciu wystarczającej ilości tlenu z ciepłej błotnistej wody. Jego pęcherz, który dotąd pomagał zachować nośność potrzebną do pływania, zaczął służyć jako narząd wymiany gazów, wczesna wersja płuc. Równocześnie płetwy miednicowe i piersiowe stawały się solidniejsze, a ich powiązanie do reszty szkieletu bardziej zdolne do dźwigania ciała. Z tymi dwoma krokami scena dla podboju lądu przez kręgowce była już ustawiona. Prawdopodobnie nigdy nie dowiemy się, kiedy i gdzie miało miejsce to doniosłe przejście, ale jesteśmy dość pewni tego, jak ta ryba wyglądała. Wpatruję się w nią właśnie teraz, a ona patrzy na mnie z dna mojego pojemnika do chłodzenia piwa.

Południowo afrykański prapłetwiec (Protopterus annectens)

Od kiedy po raz pierwszy postawiłem nogę w Parku Narodowym Gorongosa w Mozambiku, obsesyjnie chciałem się spotkać z moim najstarszym żyjącym kuzynem wśród kręgowców, rybą dwudyszną, prapłetwcem (Protopterus annectens). Mimo jej skromnego wyglądu, przypominającego dużego węgorza, ta ryba dwudyszna zajmuje specjalne miejsce w historii życia na Ziemi. Biolodzy zawsze podejrzewali, że ryby dwudyszne dają nam wgląd w początki kręgowców lądowych, ale dopiero w zeszłym roku olbrzymia molekularno-filogenetyczna analiza (pdf), bazująca na 251 (!) genach, dowiodła, że ryba dwudyszna jest taksonem siostrzanym wszystkich czworonogów – płazów, gadów, ptaków oraz ciebie i pozostałych ssaków. Poprzednio to miejsce było zarezerwowane dla latimerii, ryby morskiej równie pradawnego pochodzenia, ale teraz wygląda na to, że latimeria jest wcześniejszą odnogą ryb, która poszła własną, równie ciekawą, ale mniej dramatycznie zmieniającą bieg historii drogą.

Moje pierwsze spotkanie z rybą dwudyszną miało miejsce parę miesięcy temu, kiedy natknąłem się na rybaka, który złowił ich kilka. Niestety, kiedy go spotkałem, zdążył już je zabić i wypatroszyć, zostawiając mnie ze złamanym sercem i jeszcze większą obsesją. Tym razem oznajmiałem wyraźnie każdemu, kto chciał mnie słuchać, że chcę żywego prapłetwca i w zeszłym tygodniu rybak ze wsi Vinho wreszcie wręczył mi jeden okaz.

W Parku Narodowym Gorongosa ryby dwudyszne są powszechnymi, choć rzadko widywanymi mieszkańcami sezonowych zbiorników wodnych. Podczas sezonu suchego, kiedy zbiorniki wyparowują, prapłetwce zagrzebują się w mule i przez kilka miesięcy przebywają w estywacji. W tym okresie ich przemiana materii obniża się o około 60%, a wymiany gazów dokonują wyłącznie płucami.

Trudno opisać niemal nabożną cześć, jaką czułem, kiedy zobaczyłem moją pierwszą żywą rybę dwudyszną. Tutaj było zwierzę, które wyglądało jak coś, co mógłbym zobaczyć w stawach we wczesnym paleozoiku, na długo przed pierwszymi płazami, także na długo przed dinozaurami. Kiedy wpatrywałem się w rybę, powoli pływającą w moim pojemniku do chłodzenia piwa, nagle wysunęła łeb nad wodę i głośno wciągnęła łyk powietrza. Nie sądzę, bym kiedykolwiek zapomniał ten dźwięk.

Prapłetwce nie mają płetw jak inne ryby. Zamiast tego mają dwie pary przypominających bicze wyrostków, które działają jak słabe, ale bardzo dobrze funkcjonujące nogi. Ciekawe badanie (pdf) eksperymentalne z 2011r. pokazało, że prapłetwiec używa płetw miednicowych w bardzo podobny sposób do tego, w jaki zwierzęta lądowe używają tylnych nóg, zarówno do chodzenia, jak odbijania się. To z kolei rzuciło nowe światło na znalezione skamieniałe ślady z wczesnego dewonu, o których sądzono, że zostawiły je prymitywne płazy – w rzeczywistości są to prawdopodobnie ślady tych półlądowych przodków ryb dwudysznych. Rozwój połączonych stawowo kończyn z palcami nie wydaje się już dłużej warunkiem wstępnym podboju lądu.

Jeśli uważasz, że wygląda to jak chodzenie, to dlatego, że tym właśnie jest. Prapłetwiec używa płetw miednicowych w sposób bardzo podobny do nóg czworonogów – końcowa część płetwy staje się „stopą”, a płetwa daje zarówno chód, jak ruchy odbicia.

Im więcej badamy prapłetwca, tym bardziej staje się fascynujący. Obecnie jest jasne, że to zwierzę ukrywa tajemnicę rozwoju uszu czworonogów i że one pierwsze rozwinęły pokryte szkliwem zęby, jakie obecnie my, ssaki, mamy. Prapłetwce są również znakomicie przystosowane do surowych sezonów na sawannie południowej Afryki i potrafią zagrzebać się w ziemi i przetrwać miesiące bez wody, schowane przed gorącym słońcem w błotnych kokonach (pełno jest opowieści o afrykańskich farmerach, którzy ze swych suchych pól wykopywali duże, żywe ryby). Jego zależność od tlenu w powietrzu jest tak duża, że prapłetwiec utonie, jeśli nie może oddychać ponad powierzchnią wody. Jego ostro zredukowane skrzela są właściwie niefunkcjonalne, ale podczas rozwoju larwalnego są zewnętrzne i pierzaste, przypominające skrzela larwy salamandry.

Portret południowoafrykańskiego prapłetwca brunatnego (Protopterus annectens) z Gorongosa.

W Gorongosa ryby dwudyszne występują powszechnie w sezonowych zbiornikach wody i rzekach parku, żerując na szerokim wachlarzu wodnych bezkręgowców, mniejszych ryb i żab. Są bardzo terytorialne i jest prawdopodobne, że niemal każdy zbiornik wody na tych równinach zawiera przynajmniej jedno z tych niezwykłych zwierząt. Wielka szkoda, że odwiedzający park nigdy ich nie widzą – moim zdaniem prapłetwiec przewyższa znaczeniem i fantastycznym zestawem cech wszystkie inne kręgowce w Gorongosa, włącznie z lwami i słoniami. Przysięgam uczynić moją misją szerzenie wiedzy o ich istnieniu.

W zeszłym tygodniu, 27 marca, oficjalnie otwarto E.O. Wilson Biodiversity Laboratory, co stanowiło kulminację marzeń moich i wielu innych ludzi. Wkrótce napiszę więcej o tym laboratorium, ale uznałem za właściwe, że pierwszą próbką kręgowca do naszego ogólnego zbioru jest mały ścinek płetwy ogonowej prapłetwca, zachowany do przyszłego badania DNA. Samo zwierzę zostało wypuszczone z powrotem do swojego środowiska, ale mam nadzieję, że nie jest to ostatni raz, kiedy spojrzałem w oczy brata bliźniaka mojego pra…pradziadka.

Przypominając przerośniętą salamandrę prapłetwiec ma cztery wyraźne kończyny, długi ogon i tylko pozostałości skrzeli. Skrzela są praktycznie niefunkcjonalne i ryba utonie, jeśli nie może oddychać ponad powierzchnią wody.

A single breath that changed the planet

4 kwietnia 2014

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Piotr (Peter) Naskręcki

Entomolog, fotograf, popularyzator nauki. Ukończył studia na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, doktorat na University of Connecticut, pracuje w Museum of Comparative Zoology, Harvard University.

Piotr Naskręcki prowadzi znakomity blog naukowy The Smaller Majority. Jego zdjęcia owadów (i nie tylko owadów) fascynują i kuszą, żeby je sobie natychmiast ściągnąć. Nie należy tego jednak robić bez pozwolenia, gdyż zarówno zdjęcia, jak i teksty zastrzeżone są prawami autorskimi.