Raczkowanie w ewolucji

Patrząc na skamieniałości takie jak Tiktaalik, można zacząć pojmować, jak ryby zostały czworonogami. Ostatnio wielu naukowców odkrywa nowe wskazówki, jak ryba zamieniła się w ten rodzaj stworzenia i jak ten rodzaj stworzenia zamienił się w stworzenia takie jak my.

Po drodze zmieniło się całe mnóstwo genów. Geny w jajeczku ryby kodowały cząsteczki, które dawały płetwy, skrzela i całą resztę ciała ryby. Czworonoga tworzy inny zestaw genów. Teraz naukowcy znajdują część mutacji, które przeprogramowały płetwy w stopy.

Ale  nowe badanie w “Nature” dodaje fascynujący nowy wgląd w historię naszego pochodzenia. Sugeruje, że nasi rybi przodkowie już mieli potencjał rozwinięcia podstaw organizmu czworonoga. Po prostu potrzebowali nieco czasu na lądzie, by potencjał ujawnił się.

Autorzy tego nowego badania, trzech naukowców z McGill University w Montrealu, badało ryby miastugi (Polypterus). Miastugi są żywymi pozostałościami bardzo starej linii ryb, które odłączyły się od linii innych ryb około 400 milionów lat temu. Choć w większości żyją w jeziorach i rzekach, czasami pełzną po suchym lądzie przy pomocy płetw. Mogą nawet utrzymać się przy życiu podczas takich podróży oddychając prymitywnymi płucami. Tutaj jest wideo pokazujące, jak chodzą.

Badacze z McGill zobaczyli pewne intrygujące paralele między miastugami a wczesnymi krewnymi czworonogów, takimi jak Tiktaalik. Miastugi używają przednich par płetw do unoszenia głowy i przedniej części tułowia nad ziemię. Następnie pchają tylną część tułowia, żeby posunąć się do przodu. Tiktaalik mógł poruszać się w podobny sposób.

Ale miastugi spędzają stosunkowo niewiele czasu na lądzie. Naukowcy z McGill zastanawiali się, co się stanie, jeśli zmuszą rybę do dorastania poza wodą. Żeby to zobaczyć, hodowali osiem miastug w terrarium z dnem ze żwiru. Mieli tam nawilżacz, który utrzymywał wilgoć skóry miastug, nie dopuszczając do ich wyschnięcia. Ryby rosły tam przez osiem miesięcy, gramoląc się wokół zamiast pływać.

Potem naukowcy zbadali te ryby, które wyrosły poza wodą. Odkryli, że osiem miesięcy na suchym lądzie (a przynajmniej na wilgotnym lądzie) dokonało głębokich przemian w miastugach.

Po pierwsze, chodziły teraz inaczej. Ogólnie rzecz biorąc, były bardziej skuteczne. Przy każdym kroku krócej opierały płetwy o ziemię i stawiały krótsze kroki. Zamiast machać płetwami po bokach umieszczały płetwy pod ciałem. Ich płetwy mniej się ślizgały, kiedy odpychały się nimi. Dokonywały mniej ruchów ogonami, żeby przebyć tę samą odległość, co miastugi wychowane pod wodą. Wodne miastugi chodziły po lądzie nieregularnymi krokami. Lądowe miastugi natomiast chodziły z większą gracją, raz za razem stawiając płetwy w tym samym miejscu w stosunku do ciała. Miastugi prawdopodobnie nabyły ten nowy styl chodzenia dzięki uczeniu się. Dorastanie na lądzie dało im więcej okazji testowania swoich ruchów i doskonalenia najlepszych.  Ale nie tylko ich mózgi zmieniły się na lądzie. Zmieniły się także ich ciała.               

Naukowcy z McGill zbadali kości lądowych miastug i porównali je z normalnymi. Znaleźli uderzające różnice w kościach, szczególnie w regionie barkowym. Niektóre kości były mniej ściśle związane ze sobą, dając miastugom większą możliwość manewru płetwami podczas chodzenia. W odróżnieniu od tego ich kości odpowiadające naszym obojczykom stały się większe i mocniej spięte, pozwalając zwierzęciu opierać się ciążeniu i wyżej podnosić ciała.

Chodzenie zmieniło kości ryb. Siły wywierane na nie zmieniły sposób rośnięcia komórek kości, doprowadzając je do nowych kształtów. Szczególnie intrygujący jest fakt, że te zmiany bardzo przypominają zmiany, jaki udokumentowali paleontolodzy w skamieniałościach czworonogów.

Przez miliony lat nasi przodkowie ewoluowali luźniejsze powiązania między pewnymi kośćmi barkowymi, co umożliwiało kończynom dłuższe ruchy, a także zaczęło oddzielać głowę od tułowia. Ewoluował także układ wsparcia tułowia, a więc mogli podnieść się z błota. To jest tak jak gdyby miastugi powtarzały tę ewolucję w trakcie swojego życia.

Nie po raz pierwszy biolodzy znaleźli paralele między doświadczeniami indywidualnych zwierząt i długoterminową ewolucją. Środowisko, w którym zwierzę dorasta, może sterować rozwojem ich ciał, a ewolucja może za tym podążyć.

Na przykład, w 2008 r. naukowcy hodowali  cierniki na dwóch różnych rodzajach pokarmu. Jedna grupa ryb jadła robaki wijące się na dnie ich akwarium. Druga grupa jadła krewetki skaczące po wodzie. Ryby jedzące robaki musiały przyciskać robaki, by je zjeść, podczas gdy grupa jedząca krewetki musiała tylko podkraść się do swojej zdobyczy i szybko ją połknąć.

Rezultatem tych różnych ruchów były różne głowy: ryby jedzące robaki miały krótkie, szerokie jamy gębowe, a ryby jedzące krewetki miały długie i wąskie jamy gębowe.

Te cierniki, których pełno jest w oceanie, wielokrotnie kolonizowały jeziora. Kiedy adaptowały się do nowego domu słodkowodnego, ewoluowały raz za razem w dwie odrębne populacje. Jedne żerują na dnie jeziora, podczas gdy inne pływają pod powierzchnią wody. I raz za razem ewoluowała im szeroka, krótka jama gębowa lub wąska i długa. Ewolucja szła śladem doświadczenia.

Zdolność zwierząt i roślin do innego rozwijania się w różnych warunkach jest znana jako plastyczność. Jest możliwe, że plastyczność otwiera drzwi do nowych ścieżek, jakimi może pójść ewolucja. Kiedy organizmy znajdują się w nowym środowisku, rozwijają się w sposób, który pomaga im dać sobie radę w nowym otoczeniu. Ich potomkowie mogą nabyć mutacje, które kodują tę anatomię w genach. Z czasem ewolucja prowadzi je poza to, dokąd potrafiła je zaprowadzić sama plastyczność.

Ten rodzaj ewolucji postępującej za doświadczeniem, znany jako asymilacja genetyczna, mogła ona także pomóc naszym przodkom wyjść z wody. Poprzednicy czworonogów mogli być zmuszeni do poruszania się po suchym lądzie bardziej niż ich przodkowie – może dla ucieczki przed drapieżnikami, może dla znalezienia partnera, może, by dostać się do innych strumieni i stawów. Ich podwodne genomy dały im plastyczność umożliwiającą jako tako przyzwoite chodzenie, tak jak miastugi robią to dzisiaj. A następne mutacje dały im ulepszoną anatomię. Nie musiały wychowywać się na piechurów: ich geny przejęły teraz zadanie i nasi przodkowie byli gotowi do pójścia dalej.

Evolutions baby steps

The Loom, 27 sierpnia 2014

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska