Wyjście z wody

Jeśli pytać o przełomowe osiągnięcia ewolucji, można spodziewać się licznych odpowiedzi wskazujących na wyjście kręgowców na ląd. Rzecz jasna trudno ustalić gradację w grupie przełomów takich jak fotosynteza, tkanki czy oko, ale skoro jesteśmy lądowymi kręgowcami, a blog jest o rybach, to notka na ten temat wydaje się całkiem na miejscu w dniu urodzin Darwina.

Parcie na ląd jest ogromne. Nawet dziś, gdy wszystkie tereny lądowe są zasiedlone przez kręgowce, możemy doliczyć się 130 gatunków ryb, które nie najgorzej radzą sobie poza wodą; od węgorza i poskoczka mułowego, przez sumy i babki wspinające się po skałach,  po znanego Wam strumieniaka i łaźca, który migruje przez Indonezję na piechotę. Tylko na podstawie systematyki można wysnuć wniosek, że radzenie sobie na lądzie stało się ewolucyjną strategią co najmniej 33 razy, bo w tylu rodzinach obserwuje się dziś ryby wychodzące na ląd.

Stan obecnej wiedzy jest taki, że wszystkie lądowe kręgowce pochodzą od jednej grupy ryb mięśniopłetwych (dawniej: trzonopłetwych), na co wskazuje specyficzna budowa ich płetw. To im zawdzięczamy, uda, łokcie, pięty oraz pięciopalczaste dłonie i stopy. Swoją drogą, ta uparta pięciopalczastość stanowiła bardzo ciekawe zagadnienie dla biologów. Bo patrząc na wyjątki czteropalczaste, trój-, czy jednopalczaste – zawsze odkrywano, że powstaje pięć zawiązków i część z nich ulega redukcji. Podobnie szósty palec u pandy i niektórych żab nie rozwija się jak szanujący się zawiązek palca, tylko jest zmodyfikowaną częścią nadgarstka, a w jego rozwoju gra inna orkiestra genowa niż w przypadku palców właściwych. Z kolei dodatkowe palce, które przytrafiają się praktycznie każdemu gatunkowi czworonogów, w tym ludziom, stanowią patologiczne i często niekompletne powielenie podstawowego motywu rozwoju kończyny. Swoją drogą, fakt że liczba palców jest taka a nie inna stanowi przykład ewolucyjnego przypadku, bowiem pośród ryb kostnoszkieletowych, obserwuje się wielką różnorodność planów budowy płetw. Równie dobrze mogliśmy wszyscy mieć po 3 lub 8 palców*. Ale przyjrzyjmy się jeszcze tym pierwszym krokom, jakie nasz rybi przodek postawił na lądzie. Na pewno zdarzały się też skoki z odbijaniem się ogonem od podłoża, jakie mogliście zobaczyć w wykonaniu strumieniaka, ale kluczową okazała się motoryka wykorzystująca nowatorską budowę płetw.

fins2 eastern universiter of kentucky
Porównanie płetwy piersiowej okonia, ryby dwudysznej i wymarłej ryby mięśniopłetwej. Materiały edukacyjne Eastern Kentucky University

Umiejętność kroczenia ma czterech kończynach wydaje nam się oczywista, ale oprócz kości i mięśni wymaga specyficznego okablowania i schematu impulsów nerwowych pozwalających na stosowne ruchy. W ubiegłym tygodniu w czasopiśmie Cell ukazała się publikacja opisująca funkcjonowanie systemu nerwowego Leucoraja erinacea ryby z rodziny płaszczek, u których obserwuje się ruchy ciała przywodzące na myśl kroczenie.

Raja erinacea Jeff Rotman naturepl com
Leucoraja erinacea © Jeff Rotman

Okazało się, że architektura układu nerwowego tych ryb, jak również genowa orkiestra zawiadująca jej powstawanie, są jednakowe u tych chrzęstnoszkieletowych ryb i naziemnych kręgowców, w tym ludzi. Ostatni wspólny przodek tych chrzęstnoszkieletowych ryb i czworonogów żył około 420mln lat temu, co oznacza, że ten model ruchu czekał na swoją wielką chwilę przynajmniej 20 mln lat.

Raja erinacea
Sekwencja z oryginalnej publikacji w Cell; © Jung, Baek, Dasen et al.

Ewolucja działa inaczej niż ludzkie wyobrażenie o projekcie. Każdy żywy organizm jest składanką rozmaitych wynalazków, które powstały przy okazjach nie mających zbyt wiele wspólnego z produktem finalnym. Szkliwo zębowe powstało jako substancja utwardzająca łuski jakieś 100mln lat przed „wielkim krokiem” ryb trzonopłetwych. Bywa i tak, że pewne zaszłości wydają się absurdalne, jak nerw błędny, który u ryb odgrywa rolę w regulacji rytmu serca i motoryki oddechowej. Jego prawa gałąź** przechodzi pod tętnicą podobojczykową, a lewa pod aortą – i wracają do szyi, gdzie obsługują górną część gardła. Dzięki tej pętli u żyrafy długość tego nerwu wynosi ponad 4 metry.

Czy Darwin, nie mający pojęcia o naturze dziedziczenia i złożoności procesów rozwojowych, przeczuwał jaką piękną układankę opisał w dziele swojego życia?

Tomasz Kijewski

* Było blisko, bo jedne z pierwszych czworonogów, Acanthostega miały po osiem palców.

** Chodzi o nerw krtaniowy wsteczny, który jest odgałęzieniem nerwu błędnego.

 

Źródełka:

Hinchliffe J.R: Evolutionary developmental biology of the tetrapod limb; Development; 1994

Jung H. i inni: The Ancient Origins of Neural Substrates for Land Walking; Cell 2018

King H.M. i inni: Behavioral evidence for the evolution of walking and bounding before terrestriality in sarcopterygian fishes; Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America; 2011

Niedźwiedzki G. i inni: Tetrapod trackways from the early Middle Devonian period of Poland; Nature 2010

Ord T.J. i Cooke G.M.:  Repeated evolution of amphibious behavior in fish and its implications for the colonization of novel environments; Evolution 2016

Qu Q. i inni: New genomic and fossil data illuminate the origin of enamel; nature 2015

Comparative Vertebraye Anatomy; lecture notes; Eastern Kentucky University – materiały edukacyjne.

Zdjęcie w nagłówku przedstawia popularną naklejkę i pochodzi z domeny publicznej.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Google

Komentujesz korzystając z konta Google. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj /  Zmień )

Połączenie z %s