Ebolusyon ng Kilusang Terrestrial sa Maagang Tetrapods

Ni

Inilalarawan ng aerial scene ang dalawang Late Devonian na unang mga tetrapod – Ichthyostega at Acanthostega – na lumabas sa tubig upang ilipat ang mundo. Sinusubaybayan ng mga yapak ang mga likod ng mga hayop upang maipakita ang isang paggalaw. Kredito: Davide Bonadonna

Ang paglipat ng tubig sa lupa ay isa sa pinakamahalaga at nakakainspire ng pangunahing mga paglipat sa vertebrate evolution. At ang tanong ay paano at kailan tetrapods ang paglipat mula sa tubig patungo sa lupa ay matagal nang pinagmumulan ng kamangha-manghang pang-agham at debate.

Nabanggit ng mga maling akala na ang mga drying-up-pool ng tubig na na-trap sa ground fish at walang tubig ay nagbibigay ng opsyonal na presyon na baguhin ang maraming mga appendage tulad ng paa na lumalakad pabalik tubig Noong 1990s ang mga bagong natuklasan na ispesimen ay iminungkahi na ang mga unang tetrapod ay nagpapanatili ng maraming anyo ng tubig, tulad ng mga hasang at isang buntot, at na ang mga sanga ay maaaring nagbago ng tubig bago iakma ang mga tetrapod ng buhay sa mundo. Gayunpaman, walang katiyakan kung kailan naganap ang paglipat ng ground-water at kung ano ang mga terrestrial tetrapod.

Isang papel na inilathala ngayon (Nobyembre 25, 2020) noong kalikasan ang mga katanungang ito ay tinalakay gamit ang data ng fossil na may resolusyon at ipinapakita na kahit na ang mga unang tetrapod na ito ay nakatali pa rin sa tubig at may mga tampok sa tubig, mayroon din silang mga pagbagay na tumutukoy sa ilang mga kasanayan sa paggalaw sa lupa. . Gayunpaman, maaaring hindi sila masyadong mahusay sa paggawa nito, kahit na may kasalukuyang pamantayan.

Nangungunang may-akda na si Blake Dickson, PhD ’20 ng Kagawaran ng Organismic at Evolutionary Biology ng Harvard University, at nakatatandang may-akda na si Stephanie Pierce, Thomas D. Cabot Associate Professor ng Kagawaran ng Organismic at Evolutionary Biology at vertebrate curator Ang paleontology ng Museum of Comparative Zoology sa Harvard University, ay sumuri sa 40 three-dimensional na mga modelo ng fossil humeri (mahabang buto sa braso) mula sa mga patay na hayop na nag-tulay sa siklo ng tubig patungo sa lupa

Umiikot na Humerus Shapes

Tatlong pangunahing yugto ng humerus ang umuusbong: mula sa blocky humerus sa mga aquatic environment, hanggang sa L-form humerus sa transitional tetrapods, at ang twisted humerus sa terrestrial tetrapods. Mga Pillar (kanan) = aquatic fish, tetrapod transaksyon, at terrestrial tetrapod. Mga hilera = Itaas: mga patay na silhouette ng hayop; Gitna: 3D fossil ng humerus; Sa ibaba: mga landmark na ginamit upang ilagay ang karamihan ng form. Kredito: Sa kabutihang loob ni Blake Dickson

“Dahil ang tala ng mga fossil na lumilipat sa lupain ng tetrapods ay napakahirap nagpunta kami sa isang mapagkukunan ng mga fossil na maaaring maging mas kinatawan ng buong paglipat hanggang sa makumpleto ang isang buong sukat na tubig sa isa perpektong terrestrial tetrapod, “sabi ni Dickson.

Dalawang ikatlo ng mga fossil ay mula sa mga kolektibong kasaysayan na nakalagay sa Harvard’s Museum of Comparative Zoology, mula sa buong mundo. Upang mapunan ang mga puwang, inabot ni Pierce ang mga kasamahan na may kaugnay na mga ispesimen mula sa Canada, Scotland, at Australia. Ang kahalagahan ng pag-aaral ng mga bagong fossil na natuklasan kamakailan ng mga kapwa may-akda na sila Dr. Sina Tim Smithson at Propesor Jennifer Clack, University of Cambridge, UK, bilang bahagi ng TW: eed project, isang hakbangin na dinisenyo upang maunawaan ang maagang pag-unlad ng mundo. tetrapods.

Pinili ng mga mananaliksik ang buto ng humerus dahil hindi lamang ito sagana at napanatili nang maayos sa tala ng fossil, ngunit mayroon din ito sa lahat ng mga sarcopterygian – isang pangkat ng mga hayop na coelacanth fish, lungfish , at lahat ng mga tetrapod, kabilang ang lahat ng mga kinatawan ng fossil. . “Inaasahan namin na ang humerus ay magdadala ng isang malakas na signal ng paggalaw habang ang mga hayop ay lumilipat mula sa pagiging isang ganap na gumaganang isda patungo sa isang ganap na terrestrial tetrapod, at maaari natin itong magamit upang hulaan kung kailan ang paggalaw ng mga tetrapod, “sabi ni Pierce. “Nalaman namin na ang kakayahang terrestrial ay nagpakita ng isang tugma sa pinagmulan ng mga limbs, na talagang kapanapanabik.”

Ang Pagbabago ng Humerus Shape Kasabay ng Evolution Tree

Ang evolutionary pathway at hitsura ay nagbago mula sa isang aquerus aquatic fish patungong terrestrial tetrapod humerus. Kredito: Sa kabutihang loob ni Blake Dickson

Ang humerus ay naka-angkla sa harap na binti ng katawan, nagho-host ng maraming kalamnan, at kailangang makatiis ng maraming pag-igting ng paggalaw na nakabatay sa paa. Bilang isang resulta, naglalaman ito ng maraming kritikal na impormasyon sa pagganap na nauugnay sa pag-uugali ng isang hayop at ekolohiya. Iminumungkahi ng mga mananaliksik na ang mga pagbabago sa ebolusyon sa hugis ng buto ng humerus, mula sa maikli at paglupasay ng isda hanggang sa mas mataas at ipinakita sa mga tetrapod, ay may makabuluhang implikasyon para magamit sa paglipat ng locomotion ng lupa. Ang ideyang ito ay bihirang tuklasin mula sa isang solong pananaw – iyon ay, hanggang ngayon.

Nang si Dickson ay nagtapos sa pangalawang taon, siya ay namangha na ilapat ang teorya ng maraming mga modelo ng pag-uugali upang maunawaan ang proseso ng ebolusyon, isang proseso na pinangunahan ng isang pag-aaral sa 2016 na pinangunahan ng isang pangkat ng mga paleontologist at kasamahan na isinulat ni Pierce. Sentral sa maraming mga modelo ng tauhan ang paleontologist na si George Gaylord Simpson noong 1944 na konsepto ng isang angkop na tanawin, isang masungit na three-dimensional na ibabaw na may mga taluktok at lambak, tulad ng isang bundok. Sa senaryong ito, ang pagtaas sa taas ay kumakatawan sa isang mas mahusay na pagganap ng pagpapaandar at pagbagay ng pagbagay, at kalaunan inaasahan na ang likas na pagpipilian ay itulak ang mga populasyon paitaas patungo sa isang kaukulang tugatog.

Naniniwala sina Dickson at Pierce na magagamit nila ang pamamaraang ito upang ma-modelo ang paglipat ng tetrapod mula sa tubig patungo sa lupa. Ipinapalagay nila na habang nagbabago ang hugis ng humerus, kaya nababago rin ang eksena. Halimbawa, ang isda ay may isang nababaluktot na tuktok kung saan ang propulsion system ay pinalaki para sa paglangoy at ang terrestrial tetrapods ay may isang adaptive apex kung saan ang propulsion function ay sapilitan ng lupa. “Maaari naming gamitin ang mga eksenang ito upang matukoy kung ang hugis ng humerus ng mga naunang tetrapod ay pinakaangkop sa paggawa ng tubig o lupa,” sabi ni Pierce.

“Nagsimula kaming mag-isip tungkol sa kung anong mahalagang mga ugali ay maaaring maging mahalaga upang makalabas sa humerus,” sabi ni Dickson. “Alin ang hindi madaling gawain dahil ang mga palikpik ng isda ay ibang-iba sa mga bukirin ng tetrapod.” Panghuli, pinili nilang ituon ang anim na katangian na maaasahan upang masukat ang lahat ng mga fossil kabilang ang mga simpleng resistensya tulad ng haba ng buto haba bilang isang proxy para sa haba ng hakbang at mas sopistikadong pinag-aaralan na ginagaya ang stress ng mekanikal sa ilalim ng iba’t ibang mga sitwasyon na nagdadala ng timbang upang tantyahin ang lakas ng humerus.

“Kung mayroon kang parehong representasyon ng lahat ng mga katangian na maaaring magamit maaari mong mapa kung paano ka pinalitan ng pagbabago mula sa isang pinasadya patungo sa isa pa,” paliwanag ni Dickson. Gamit ang computational optimization ang koponan ay nagawang ibunyag ang eksaktong kumbinasyon ng mga magagamit na katangian na nagpapakinabang sa potensyal para sa mga tubig sa tubig, terrestrial tetrapods, at mga first-time tetrapod. Ipinapakita ng kanilang mga resulta na ang mga pinakamaagang tetrapod ay may natatanging kumbinasyon ng mga ugali na maaaring magamit, ngunit hindi umaayon sa kanilang sariling tumpak na iniangkop.

“Ang natagpuan namin ay ang humeri ng mga pinakaunang tetrapod na naipon sa terrestrial na tanawin,” sabi ni Pierce. “Isinasaad ang tumaas na produksyon para sa paggalaw sa lupa. Ngunit ang mga hayop na ito ay gumagawa lamang ng isang limitadong hanay ng mga ugali na maaaring magamit para sa mabisang paglalakad sa lupa.”

Iminumungkahi ng mga mananaliksik na ang kakayahang ilipat ang lupa ay maaaring limitahan ng pagpili ng iba pang mga katangian, tulad ng pagpapakain ng tubig, na nagbubuklod sa mga maagang tetrapod sa kanilang karagatang ninuno. Kapag ang tetrapods ay pinakawalan mula sa pagpipigil na ito, ang humerus ay walang pagbabago sa mga morphology at pag-andar na nagpapataas ng locomotion na batay sa paa at ang kasunod na pagsalakay sa mga terrestrial ecosystem.

“Ang aming pag-aaral ay nagbibigay ng isang unang-rate, mataas na resolusyon ng pag-unawa sa ebolusyon ng terrestrial locomotion sa pamamagitan ng kapalit na tubig sa lupa,” sinabi ni Dickson. “Nagbibigay din ito ng hula kung kailan at paano [the transition] nangyayari at kung anong mga aktibidad ang mahalaga upang ilipat, hindi bababa sa humerus. “

“Sa pagpapatuloy, interesado kaming mapalawak ang aming pagsasaliksik sa iba pang mga bahagi ng balangkas na tetrapod,” sabi ni Pierce. “Halimbawa, iminungkahi na ang mga forelimbs ay maging terrestrially may kakayahan bago gamitin ang mga hindlimbs at ang aming diskarte sa nobela upang makatulong na masubukan ang palagay na iyon.”

Kamakailan lamang nagsimula si Dickson bilang isang Postdoctoral Researcher sa Animal Locomotion lab sa Duke University, ngunit patuloy na nakikipagtulungan kasama si Pierce at ang kanyang mga miyembro ng lab sa karagdagang pag-aaral na kinasasangkutan ng paggamit ng mga diskarteng ito sa ibang lugar. sa tala ng kalansay at fossil.

Sanggunian: “Functional Adaptive Landscapes Predict Terrestrial Capacity at the Beginning of Limbs” ni BV Dickson, JA Clack, TR Smithson at SE Pierce, Nobyembre 25, 2020. kalikasan.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2974-5

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Doblein ang bilang ng mga kilalang lente ng gravity gamit ang artipisyal na intelihensiya

Mga halimbawa ng mga gravity lens sa data ng Pag-aaral ng Pamana ng DESI. Kredito: DESI Heritage Imaging Surveys / LBNL / DOE...

Pagkuha ng mga materyales sa 2D para sa pagikot

Paglalarawan ng artistikong konsepto ng Spintronic. Ang mga siyentista mula sa Unibersidad ng Tsukuba at ang Institute of High Pressure Physics ay gumagawa ng isang...

Natuklasan ng mga Mananaliksik ang Kamakailang Genetic Communication sa Pagitan ng Mga Chimpanzee Subspecies

Ang mga sample ng dumi ng Chimpanzee ay nakolekta sa buong Africa upang matukoy kung ang mga tao ay kamakailan-lamang na konektado sa kabila...

Ang “misteryo ng nawawalang yelo” ay sa wakas ay nalutas sa paggalaw ng crust ng Earth

Greenland Glaciers 2018. Credit: NIOZ, Kim Chatter Isang bagong pandaigdigang muling pagtatayo ng yelo sa nakaraang 80,000 taon. Sa panahon ng mga yelo, bumabagsak ang pandaigdigang...

Isang Hindi Inaasahang Pag-ikot sa Quantum Physics Maaaring Maipaliwanag ang Imbalanse ng Matter / Antimatter

Kakulangan ng mahusay na proporsyon sa qubits, hindi maitama ang mga error dito computing ng kabuuanngunit maaari nitong ipaliwanag ang kawalan ng timbang ng...

Newsletter

Subscribe to stay updated.