Evoliucijos detektyvai: trūkstamų grandžių radimas (135)
„Tai prasideda nuo klausimo,“ sako Tedas Daeschleris. „Kokie yra gyvybės istorijos lūžio taškai?“ Jis kalba apie evoliucijos inovatyviausius posūkius – pavyzdžiui, kaip pradėjo skraidyti paukščiai, kada žmonės atsiskyrė nuo šimpanzių ir kaip išsivystė žandikauliai. Norint išsiaiškinti šių pokyčių eigą, reikia, kaip paleontologai jas vadina, tranzitinių, pereinamųjų fosilijų – geriau žinomų kaip trūkstamų grandžių.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Daeschleriui, dirbančiam Gamtos mokslų akademijoje Filadelfijoje, Pensilvanijoje, didysis klausimas buvo toks: kaip sausumos gyviai išsivystė iš žuvų? Svarbiausias žingsnis, manoma, įvyko, kai spenelio formos kai kurių kaulinių žuvų pelekai išsivystė į galūnes maždaug prieš 375 milijonus metų. Bet nebuvo rasta tai patvirtinančių fosilijų. Tad Daeschleris susisiekė su Neilu Shubinu iš Čikagos universiteto ir kartu ėmėsi tirti geologinius žemėlapius, ieškodami reikiamo amžiaus paviršinių uolienų. Jų dėmesį patraukė Elsmyro sala Kanados Arktyje, ir ketvirtą kasinėjimų vasarą jie galiausiai atrado lobį: žuvį su keturiomis galūnėmis. Jie pavadino ją Tiktaalik.
Kai apie atradimą buvo paskelbta 2006-aisiais, pranešimas mirgėjo viso pasaulio antraštėse. Žmones stebino ne tik pati fosilija, bet taip pat ir jos radimo būdas. Darvino laikais, gamtininkai rinko rinko viską, kas įdomu ir daugelis atradimų buvo padaryti atsitiktinai. Daeschleris ieškojo sistematiškiau. “Tiktaalik,“ sako jis, „buvo puikus pavyzdys spėjimo, kurį padaręs, gali nueiti ir patikrinti“ – atrasdamas tinkamą fosiliją.
Dabartiniai trūkstamų grandžių ieškotojai vis dažniau imasi tokios taktikos, numatydami ir tada, naudodamiesi įvairiais pažangiais instrumentais, – nuo genomų sekoskaitos iki modernių vaizdo gavimo technikų –, ieškodami fosilinių įrodymų. Toks būdas leidžia paleontologams sparčiai aiškintis evoliucijos inovacijas gyvybės kelyje.
Gyvybė prasidėjo gerokai anksčiau, nei prieš 3 milijardus metų – tai nurodo anglies izotopų santykis 3,8 milijardų metų amžiaus Grenlandijos uolose. Bet tokių senų fosilijų radimas yra labai problematiškas. Pirmoji evoliucijos grandinės grandis galėjo nesifosilizuoti, o, netgi jei ir taip, ji galėjo būti neatpažįstamai kitokia, nei bet kokia dabar egzistuojanti gyvybė. 3,4 milijardų metų amžiaus mikroskopinės struktūros Australijos uolose gali būti seniausi kol kas rasti fiziniai gyvybės pėdsakai. Ne visi tuo įsitikinę.
Kaip bebūtų, naudodamiesi genų analize, darome kito svarbaus pokyčio įžvalgas. Maždaug 2,4 milijardų metų uolienose yra geležies oksido, žyminčio deguonį išskiriančių fotosintetinančių organizmų atsiradimą. Ilgai buvo manoma, kad šie organizmai – cianobakterijos – radosi jūroje. Bet kai Carrine Blank iš Montanos universiteto Missoula'oje nuskaitė dabartinių cianobakterijų genomą, norėdama nubraižyti jų giminės medį, ji rado stiprių įrodymų, kad visos protėvinės rūšys gyveno gėlame vandenyje (Geobiology, vol 8, p 1). Tai rodo, kad fotosintezė prasidėjo gėlame vandenyje, tikriausiai prieš 3 – 2,5 milijardo metų. Vadovaudamiesi šiuo atradimu, Blank kolegos, ieškodami cianobakterijų fosilijų, dėmesį sutelkė į senovinių ežerų ir upių nuosėdas
Pirmieji fotosintetintojai buvo vienaląsčiai be branduolio. Tada atsirado organizmai su ląstelių branduoliu, kurių seniausios iškasenos datuojamos maždaug 1,8 milijardo metų. Kitas evoliucijos didelis triukas buvo daugialąstės gyvybės atsiradimas – svarbiausia trūkstama grandis. Tyrimai, naudojantys genetinio kitimo spartą ekstrapoliacijai nuo dabartinių gyvūnų rodo, kad pirmieji gyvūnai atsirado prieš 1000 – 600 milijonų metų. Tačiau tokio amžiaus iškasenos itin retos, ir netgi kur jos egzistuoja, sunku atskirti paprastą daugialąstelinę gyvybę nuo vienaląsčių organizmų kolonijų.
Ediakarai – kempininiai, panašūs į susiraukšlėjusį kilimą, prie jūros dugno prisitvirtinę padarai – atsirado maždaug prieš 585 milijonus metų. Prieš 542 milijonus metų jie staiga išnyko evoliucinių pokyčių pliūpsnyje, žinomame, kaip Kambro sprogimas. Galime atsekti daugumos dabar gyvenančių gyvūnų grupių ištakas šiame periode, kuriame vyko pirmųjų gyvūnų su kietomis kūno dalimis ir pirmųjų plėšrūnų evoliucija. Šis pokytis taip smarkiai pakeitė gyvąjį pasaulį, kad ryšys tarp kambro ir ediakaro periodų faunos išlieka paslaptimi.
Tačiau neseni tyrinėjimai nušvietė pagrindinę inovaciją, nutikusią jūrose po 100 milijonų metų. „Viena iš didžiausių neišspręstų evoliucijos mįslių yra tarpas tarp stuburinių, neturinčių žandikaulių ir juos turinčių,“ sako Johnas Longas iš Los Andželo apygardos Gamtos istorijos muziejaus. Žandikaulių evoliucija buvo gyvybiškai svarbi rūšių vystymuisi, – nuo ryklių ir Tyrannosaurus rex iki žmonių. „Tam reikėjo visos kaukolės anatomijos pertvarkymo,“ pažymi Longas. Dabar žinoma, kada ir kur šis anatominis pertvarkymas prasidėjo. 2011 m., Zhikun Gai iš Stuburinių paleontologijos ir paleoantropologijos instituto Pekine, Kinijoje, paskelbė radęs svarbią tarpinę formą (Nature, vol 476, p 324). Atradimą jis padarė, naudodamas sinchrotroninę rentgeno spindulių mikroskopiją, suteikiančią galimybe daryti submikrometrinės raiškos 3D atvaizdus, nesunaikinant mėginio.
Gai skenuotas bežandės žuvies galeaspido mėginys jau buvo ištirtas optiniu mikroskopu, bet rentgeno spinduliai atskleidė kai ką naujo, paslėpto uoloje. Ne taip, kaip kitose bežandėse žuvyse, turinčiose vieną nosies skylę, Gai rado jų porą, po vieną abejose kaukolės pusėse. Tobulesnėse žuvyse erdvė tarp nosies ertmių leidžia embriono ląsteIei, iš kurios formuojasi žandikauliai, migruoti į reikiamą vietą. Tad, nors galeaspidai ir buvo bežandžiai, išvystę porines nosies skyles, jie pašalino barjerą žandikaulių formavimuisi. Gai dabar planuoja perkelti besiformuojančių žandikaulių paieškas toliau, jau po bežandžių žuvų.
Prabėgus 70 milijonų metų nuo to laiko, kai aptartasis galeaspidas plaukiojo jūrose, žuvys atliko dar vieną evoliucinį šuolį, išlipdamos į sausumą. Tiktaalik ir į jį panašūs buvo pirmosios žuvys, turėjusios pakankamai stiprias galūnes, kad galėtų išlipti į krantą, bet jie nebuvo tikrieji sausumos apgyvendintojai. Tikrų amfibijų išsivystymas truko dar dešimtis milijonų metų. Tikslų įvykio laiką ir būdą slepia tarpas fosilijų chronologijoje, vadinamasis Romerio spraga, pavadintas pirmojo jį pastebėjusio paleontologo Alfredo Romerio garbei. Kodėl fosilijų iš šio laikotarpio prieš 360 – 345 milijonus metų tiek mažai, tebediskutuojama, bet žinome, kad jis prasidėjo po devono periodo pabaigos masinio išmirimo, Hangenbergo įvykio, kai išnyko daugelis primityvių žuvų. Mėsingapelekės žuvys bei irklagalūniai Tiktaalik, Acanthostega palikuoniai išnyko. Kaip ir senovinės šarvuotos žuvys skydaodžiai, tarp kurių ir siaubingas 10 metrų ilgio Dunkleosteus. Po spragos, modernesnės spinduliapelekės žuvys ir rykliai dominavo jūrose, ir amfibijos salamandriškomis kojomis vaikštinėjo po sausumą.
Pastaruoju metu JK buvo atrastos kelios Romerio spragos laikų fosilijų radimvietės. Norėdami tinkamai šią spragą užpildyti, paleontologai planuoja drąsų projektą: išgręžti 500 metrų gylio gręžinį per uolienas, kuriose palaidotos šios fosilijos. Norima gauti kerną, apimantį tuos paslaptinguosius 15 milijonų metų. TW:eed projektas, pavadintas pagal kasinėjimų vietą netoli Tweed upės Škotijos ir Anglijos pasienyje, kainuos beveik 400 000 £ ir jo fundatorius bus JK Gamtinės aplinkos tyrimo taryba. Tokie brangūs gręžiniai nedažni paleontologijoje, bet tyrėjai mano, kad pastangos atsipirks. Mikrofosilijos iš kerno tarnaus kaip žymekliai šalimais esančių fosilijų datavimui ir jų sąsajų įvertinimui, ir galbūt demistifikuos amfibijų atsiradimą.
Kitur paleontologai stumiasi pirmyn, pažindami labiausiai niokojantį išnykimą. Iki 96 procentų jūrų gyventojų ir 70 procentų sausumos stuburinių išmirė permo periodo pabaigos išnykime, prieš 252 milijonus metų. Per kitus 20 milijonų metų iškilo archozaurai, „viešpataujančios reptilijos“, davusios pradžią visiems paukščiams, krokodilams, dinozaurams ir pterozaurams. Pirmosios archozaurų fosilijos pasirodo triaso pradžioje. Netrukus grupė išsišakojo į dinozaurų ir krokodilų linijas, ir čia reikalai darosi migloti. Maždaug 247 milijonų metų amžiaus Ctenosauriscus buvo vienintelis atpažintas ankstyvasis krokodilų giminaitis 2011 m. (PLoS ONE, vol 6, p e25693). Dinozauro ar dinozauromorfo, jo artimo giminaičio pėdsakai, rasti Lenkijoje 2010-aisiais netgi dar senesni. Bet dar labai neseniai seniausia žinoma dinozauro fosilija tebuvo 230 milijonų metų amžiaus.
Pernai atrastas 10 – 15 milijonų metų senesnė iškasena. Nyasasaurus tapo siurprizu nemaža dalimi dėl to, kad dešimtmečius dulkėjo Gamtos istorijos muziejuje Londone. Jis ir Ctenosauriscus buvo identifikuoti kaip trūkstamos grandys dėl augančios ankstyvųjų archozaurų pavyzdžių duomenų bazės. Su programine įranga, lyginančia daugelio rūšių fizinius bruožus, galime aptikti sąsajas, kurios skeletuose nėra tokios akivaizdžios. Pavyzdžiui, Ctenosauriscus ant nugaros turi burę, bet kompiuteris atskleidė daug ne tokių akivaizdžių bruožų, priskiriančių juos krokodilams. Nyasasaurus kaip potencialią trūkstamą grandį pažymėjo Sterlingas Nesbittas iš Fieldo Gamtos istorijos muziejaus Čikagoje, atliekančio kasinėjimus Manda atodangoje Tanzanijoje, kur fosilija ir buvo rasta. Kompiuterinė analizė parodė, kad tai yra ankstyvasis dinozauras arba artimas giminaitis (Biology Letters, vol 9, p 20120949).
Nesbittas dar naudoja ir labiau paplitusį įrankį, kuris būtų labai pagelbėjęs praeities fosilijų medžiotojams. Pernai, prieš grįždamas prie Manda atodangų, jis su kolegomis pasinaudojo Google Earth. „Pasirodo, mes vaikščiojom šalia didelės atodangos, gal už 30-ies metrų šalia tako, bet negalėjome jo matyti per aukštą žolę,“ prisimena jis. Grįžus į radimvietę, pasirodė, kad atodangoje buvo pilna fosilijų.
Nežiūrint šių sėkmių, viena archozaurų palikuonių grupė lieka paslaptinga. Pterozaurai vystėsi triaso pradžioje ar viduryje, bet jų kaulai buvo tuščiaviduriai, o jų protėviai tikriausiai buvo maži ir lengvai sudėti, tad jų fosilijos retos. „Niekas tikrai nežino iš kur atsirado pterozaurai,“ sako Stephenas Brusatte iš Edinburgo universiteto, JK. „Pasigendame pterozauro archeopterikso.“ (žr. „Senovinis plakatų vaikas“.)
Kaip amfibijos ir archozaurai, dabariniai žinduoliai išsivystė po masinio išmirimo: manyta, kad asteroido smūgis prieš 66 milijonus metų dinozaurus išnaikino. Bet žinduoliai, atsiradę per vėlesnius 10 milijonų metų „vis dar paslaptis“, sako Thomasas Williamsonas iš Niu Meksiko Gamtos istorijos ir mokslo muziejaus Albukerkėje. Neseni kasinėjimai parodė kai kuriuos ryšius su dabartinėmis grupėmis, taip pat ir kulkšnies kaulus, rodančius, jog seniausias žinomas primatas, Purgatorius, laipiojo medžiais prieš 65 milijonus metų ten, kur dabar yra Montana. Bet kiti ryšiai lieka neaiškūs ir seniausios tokių grupių, kaip šikšnosparniai ir banginiai iškasenos pasirodo tik daug vėliau. Williamsonas ir Brusatte naudoja techniką, panašią į naudotą, medžiojant ankstyvuosius archozaurus, stengdamiesi suprasti, kaip žinduoliai atsirado ir paplito.
Tuo tarpu medžioklė tęsiasi keliose fosilijų radimvietėse, kur ankstyvieji žinduoliai išsaugoti su nepažeistais minkštaisiais audiniais. 2009 m., Darwinius, 47 milijonų metų iškasena buvo rasta Messel pelkėje, netoli Darmstadto, Vokietijoje. Pavadinta Ida, ši iškasena sukėlė didelį sujudimą, kaip galima trūkstama grandis žmogaus kilmės linijoje. Dabar žinome, kad tai buvo vėliau išnykusi atšaka, bet Darwinius vis vien suteikia svarbių įžvalgų ankstyvųjų primatų anatomijoje.
Kaip genetika padėjo išnarplioti ankstyviausių gyvybės formų kilmę, taip nušviečia ir mūsų pačių evoliucijos paslaptis. Pavyzdžiui, dabar žinome, kad žmonių ir šimpanzių genetinių linijų atsiskyrimas įvyko daug anksčiau, nei manyta. Naudojant mutacijų spartą, kaip molekulinį laikrodį, paaiškėjo, kad mūsų bendri protėviai gyveno maždaug prieš 7 – 13 mln. metų. (Ankstesnis ir netikslesnis laikrodis rodė, kad jie gyveno prieš 4 – 6 mln. m.) Be to, kad nukreipė fosilijų ieškotojus prie teisingo amžiaus nuosėdų, šis atradimas gali pakeisti vertinimą beždžionių fosilijų, kurios buvo laikomos pernelyg senomis.
Tačiau didžiausias genetikos pasiekimas paleontologijoje buvo prasmės suteikimas fosilijų atliekoms. Patys savaime, atskiri piršto kaulo, danties ir kojos piršto kaulo fragmentai, rasti Denisovo oloje Sibire mums sakė ne daugiau, nei tai, kad maždaug prieš 40 000 metų čia gyveno homininai. Bet nuskaityta DNR seka atskleidė, kad jie neišvaizdūs kaulai priklauso anksčiau nežinotai žmonių linijai, kuri dalinosi ledynmečio Euraziją su neandertaliečiais ir dabartinais žmonėmis. Atradimas daug reikšmingesnis, nei prarasto pusbrolio išsiaiškinimas: apie 5 procentus denisovo žmogaus genų išliko dabartinių Papua Naujosios Gvinėjos žmonėse. Panašiai ir neandertaliečių DNR analizė rodo, kad daugelis mūsų turime šiek tiek neandertaliečių palikimo.
Žinoma, kai kurie atradimai vis dar daromi senamadiškais tyrimais. Prieš dešimtmetį pasaulį pribloškė Homo floresiensis, „hobitas“. Jo skeletas rastas Indonezijos Flores saloje, kur gyveno bent iki 17 000 metų nuo mūsų dienų. Pernai atrasta, kad kita primityvių žmonių grupė Raudonojo Elnio Olos žmonės, gyveno dabartinės Kinijos teritorijoje netgi dar vėliau. Jei tyrėjams iš jų liekanų pavyktų išskirti DNR, mūsų supratimas apie žmonių evoliuciją smarkiai prasiplėstų.
Dabar esame geriau, nei bet kada pasiruošę išspręsti išlikusias evoliucijos paslaptis. Be sudėtingų technologijų įrankių, dabarties paleontologai turi dar vieną svarbų pranašumą prieš praeities paleontologus: per kartas sukauptas žinias. Kas kasinėjimuose anksčiau būdavo atmetama, dabar turi daugiau šansų būti atpažinta. Pavyzdžiui, Nesbittas, atpažino niekuo neišskirtinį 10 centimetrų ilgio kaulą, kaip archozauro šlaunikaulį, nuvedusį prie viso Xilousuchus, ankstyvojo krokodilo, skeleto atradimo.
„Beveik kasdien vyksta kažkas naujo ir jaudinančio, nauja fosilija ar publikacija,“ sako Brusatte. „Tai aukso amžius.“
Priešistorinis afišų vaikis
Archaeopteryx tebelieka charizmatine tranzitine fosilija, mažu plėšriu dinozauru užfiksuotu vystymosi į paukščius metu prieš maždaug 150 milijonų metų. Geresnio laiko atradimui, nei 1861-ieji, vos pasirodžius Darwino Apie rūšių kilmę, nesugalvotum. Prireikė dar 130 metų, kol paleontologai rado puikiai išsilaikiusių plunksnuotų dinozaurų ir paukščių lobį. Šios fosilijos iš Jehol formacijos Kinijoje, iškėlė daug naujų klausimų apie paukščių evoliuciją, ypač apie tai, kaip mažiems dinozaurams išsivystė sparnai ir plasnojamosios plunksnos. Tačiau jie yra maždaug 20 milijonų metų jaunesni nei Archaeopteryx.
Nepaisant šlovės, Archaeopteryx yra gana vėlyvas reptilijų virtimo paukščiais egzempliorius. Tyrėjai tikrai norėtų rasti ankstesnių tranzitinių rūšių pavyzdžių, ir labai nudžiugo, kai prieš keletą metų atrado senesnes fosilijų radimvietes po Jehol. Deja, Daohugou formacija kol kas nepateisino lūkesčių: ten rasta vos 20 rūšių ir jokių paukščių, sako Davidas Hone'as iš Londono Karalienės Meri universiteto. Jų nebuvimas mįslingas, bet dar praėjo nedaug laiko. Be to, nuogulose rasta kita svarbi tranzitinė fosilija. 160 milijonų amžiaus Juramaia sinensis yra seniausias žinomas placentinis žinduolis, pasendinęs atsiskyrimą nuo sterblinių 35 milijonais metų (Nature, vol 476, p 442).
Jeff Hecht
New Scientist, № 2904