Csak vonszolták magukat az első kétéltűek

3D-s számítógépes modellekkel sikerült feltárni, hogyan illeszkedtek egymáshoz az első kétéltűek csontjai, és miként mozgathatták az állatok végtagjaikat. Ez lehetővé teszi annak a kulcsfontosságú átalakulásnak a vizsgálatát, amelynek során a gerincesek áttértek az úszásról a járásra.

Az első szárazföldi gerinceseknek, a kétéltűeknek nagyon hosszú földtörténeti múltjuk van. Jellegzetes tulajdonságaik többsége azért jelent meg, mert bár képesek a szárazföldön élni, a legtöbb fajuk még mindig nagyon szorosan kötődik a vízhez, legalábbis életciklusának nagy részében. A kulcsfontosságú kétéltű-tulajdonságok már azoknál a Tetrapodáknál (elsődlegesen négylábú gerincesek: kétéltűek, hüllők, madarak és emlősök) megjelentek, amelyek először másztak ki a devon időszakban a szárazföldre, mintegy 370 millió évvel ezelőtt.

Hal-kétéltű átmenet

Az őslénytani leletekből nagyon jól követhető, hogyan fejlődtek ki a legkorábbi kétéltűek a halakból. Szinte valamennyi kulcsfontosságú átmeneti formát ("hiányzó láncszemet") felfedezték már Kanada sarki területein (Tiktaalik), Grönlandon (Ichthyostega) és Lettországban (Ventostega). Ezek a területek persze a mainál jóval melegebb éghajlatúak voltak a devon időszakban, hiszen az egykori trópusokon helyezkedtek el.

Az Ichthyostega rekonstrukciója

Habár még nem tudjuk pontosan, hogy a kétéltűek miért özönlötték el először a szárazföldeket, ezeknek az átmeneti állatoknak a fosszíliái azt mutatják, hogy fokozatosan alkalmazkodtak a szárazföldi környezetekhez. A későbbi fajok már olyan alapvető adaptációkat fejlesztettek ki, mint például az erős bordaketrec, amely alátámasztotta a megnövekedett testsúlyukat a vízen kívül. Az ősi állatok szárazföldi mozgásáról azonban csak most jelent meg az első alapos tanulmány.

Csontvázkirakós

A Nature legújabb számában megjelent tanulmány Stephanie E. Pierce és John R. Hutchinson, a brit Királyi Állatorvosi Egyetem (Royal Veterinary College), valamint Jennifer A. Clack, a Cambridge-i Egyetem tanára vezetésével készült. A kutatók egy 360 millió éves fosszilis négylábú állat, az Ichthyostega végtagjainak mozgékonyságát vizsgálták meg oly módon, hogy elkészítették az állat csontvázának háromdimenziós számítógépes modelljét.

Az Ichthyostega rekonstruált csontváza

A cikk vezető szerzője, dr. Pierce elmondta, hogy majdnem háromévi kemény munkába telt az ősállat csontvázának rekonstruálása a fosszilis maradványokból. Végül azonban sikerült rájönni, hogyan illeszkednek az Ichthyostega csontjai, és miként mozogathatta az állat a végtagjait. "Nagyon izgalmas a munka, mivel lehetővé teszi számunkra annak a hatalmas átalakulásnak a vizsgálatát, ahogy a gerincesek áttértek az úszásról a járásra" - mondta Pierce.

A csoport különleges számítógépes tomográfia alkalmazásával több tucat fosszilis példányt szkennelt be, és digitális eljárással elválasztotta a csontokat az azokat körülvevő kőzettől. Ezután egy animációs szoftver segítségével, kirakós játékhoz hasonlóan összerakták a csontokból a csontvázat, és hosszadalmas állítgatásokkal meghatározták minden egyes ízület maximális mozgástartományát.

Nehézkesen járt az Ichthyostega

"Rekonstrukciónk azt mutatja, hogy téves az a népszerűsítő könyvekben és a múzeumi kiállításokon megjelenő régi gondolat, amely szerint az Ichthyostega nagy szalamandraként nézett ki és mozgott négy tömzsi lábán" - mondta Clack.

Adataikat öt ma élő állat (szalamandra, krokodil, kacsacsőrű emlős, fóka és vidra) mozgásadataival összehasonlítva a kutatók azt tapasztalták, hogy az Ichthyostega váll- és csípőízületeinek mozgása szokatlanul korlátozott volt. Ez azt jelenti, hogy az állat nem használhatta ezeket a megszokott "járó" lépésekre. A tanulmány felderítette, hogy az Ichthyostega végtagjai képtelenek voltak elfordulni a hosszanti tengelyük mentén, amely kritikus fontosságú a ma élő szárazföldi állatok helyváltoztatásában.

A tanulmány alapján a végtagok korlátozott elfordulási képességéből az következik, hogy a legősibb szárazföldi állatok nem túl jól mozoghattak négy lábon. A 3D-s modell elemzése azt mutatja, hogy az Ichthyostega-szerű állatok szárazföldi helyváltoztatása valószínűleg a mellső lábak egyidejű mozgatásával történhetett, miközben a hátsó lábak alig érhettek le a talajra. Valószínűleg csak kisebb támasztó szerepet játszhattak a farokkal együtt.

Ezek a korai négylábúak valószínűleg a ma élő gébekhez hasonlóan mozoghattak. Ezek a halak mellső úszójukra/lábukra támaszkodva emelik fel és vonszolják előre testüket. Mivel a korai négylábúak még főként vízi életmódot folytattak, ez a fajta mozgás segíthetett stabilizálni a testüket első szárazföldi kalandozásaik folyamán, mondta Pierce.

A kutatók elmondták, hogy a következő lépésben egyesítik a végtagmozgásról készített modelljüket a csontváz többi részéről és az izomzatról készített hasonló modellekkel, és így kifinomultabb biomechanikai elemzéseket készíthetnek ezeknek az állatoknak a mozgásáról. A modern 3D-s modellezés felhasználásával például kiderülhet az is, hogy mikor alakult ki az evolúció folyamán a futás képessége.

Nem könnyű a szárazföldi élet

Az új vizsgálatok is megerősítik, hogy a vízi életmódról a szárazföldire való fokozatos áttérés sokkal több változást követelt meg, mint egyszerűen a végtagok evolúcióját. A szárazföldi állatoknak tökélyre kellett fejleszteniük a levegőből való légzést, amely - kezdetleges formában - már egyes halaknál is megjelent. Fontos lépés volt a fej szabad mozgását lehetővé tevő nyak kialakulása, amely először a Tiktaalikon figyelhető meg.

A fejlődés ellenére a hal-kétéltű átmeneti formák, illetve még a kétéltűek is, sok szempontból vízhez kötöttek maradtak. Nyálkás bőrük nem adott és ad elég védelmet a kiszáradás ellen, és petéik kizárólag vízben tudnak kikelni. A víztől igazán független első állatcsoport a hüllőké volt. Tőlük kezdve már viszonylag "könnyen ment" a szárazföldi evolúció az emlősökig, köztük az emberig.