Evolusi gerakan terestrial di cetropoda awal

Penulis

Udara menggambarkan dua hewan berkaki empat awal Devonian – Ichthyostega dan Acanthostega – muncul dari air untuk bergerak ke darat. Jejak kaki mengikuti hewan untuk menunjukkan gerakan. Penulis: David Banadona

Transisi dari air ke darat adalah salah satu transisi utama yang paling penting dan menginspirasi dalam evolusi vertebrata. Dan pertanyaannya adalah bagaimana dan kapan berkaki empat transisi dari air ke darat telah lama menjadi sumber kejutan dan perdebatan ilmiah.

Ide awal berpendapat bahwa kolam pengeringan air yang ditemukan di darat dan kurangnya air memberikan tekanan selektif untuk pengembangan pelengkap yang lebih mirip tungkai untuk kembali ke air. Pada tahun 1990-an, spesimen yang baru-baru ini ditemukan menunjukkan bahwa hewan berkaki empat pertama mempertahankan banyak ciri akuatik, seperti insang dan sirip ekor, dan bahwa anggota badan tersebut mungkin telah berevolusi di dalam air sebelum hewan berkaki empat beradaptasi dengan kehidupan di darat. Namun demikian, masih ada ketidakpastian mengenai kapan peralihan air ke darat terjadi dan sejauh mana hewan berkaki empat awal tersebut benar-benar terestrial.

Dokumen yang diterbitkan hari ini (25 November 2020) di Alam mengatasi masalah ini dengan menggunakan data fosil resolusi tinggi, dan menunjukkan bahwa meskipun hewan berkaki empat awal ini masih terikat dengan air dan memiliki fitur akuatik, mereka juga memiliki perangkat yang menunjukkan kemampuan untuk bergerak di darat. Meskipun mungkin mereka tidak melakukannya dengan baik, setidaknya menurut standar saat ini.

Penulis utama Blake Dixon, Ph.D., Departemen Biologi Organik dan Evolusi Universitas Harvard, dan penulis senior Stephanie Pierce, Thomas D. Cabot, profesor biologi organik dan evolusioner dan kurator paleontologi vertebrata di Universitas Gardener model fosil tulang humerus (tulang lengan atas) hewan punah yang mengatasi peralihan air ke darat.

Bentuk putar humerus

Tiga tahap utama dalam evolusi bentuk humerus: dari humerus blok ikan air ke humerus berbentuk L dari hewan berkaki empat transisi dan humerus bengkok pada hewan berkaki empat darat. Kolom (kiri ke kanan) = ikan air, peralihan berkaki empat dan darat berkaki empat. Baris = atas: siluet hewan punah; Tengah: fosil fosil 3D; Bawah: tolok ukur yang digunakan untuk penghitungan. Penulis: Atas kebaikan Blake Dixon

“Karena fosil tentang peralihan ke daratan dari hewan berkaki empat sangat buruk, kami mencari sumber fosil yang dapat mewakili keseluruhan transisi dari ikan air sepenuhnya ke ikan berkaki empat yang terestrial sepenuhnya,” kata Dixon.

Dua pertiga fosil berasal dari koleksi sejarah yang disimpan di Harvard Museum of Comparative Zoology yang berasal dari seluruh dunia. Untuk mengisi kekosongan tersebut, Pierce mendekati kolega dengan sampel utama dari Kanada, Skotlandia, dan Australia. Penting untuk penelitian ini adalah fosil baru yang baru-baru ini ditemukan oleh rekan penulis Dr. Tim Smithson dan Profesor Jennifer Clack dari Universitas Cambridge, Inggris, sebagai bagian dari proyek TW: eed, sebuah inisiatif yang bertujuan untuk memahami evolusi awal pergerakan tanah. berkaki empat.

Para peneliti memilih humerus karena tidak hanya kaya dan terawetkan dengan baik dalam fosil, tetapi juga ada di semua sarcopterygii – sekelompok hewan yang mencakup ikan coelacanth, ikan paru-paru, dan semua hewan berkaki empat, termasuk semua fosilnya. . “Kami berharap humerus memiliki sinyal fungsional yang kuat saat hewan berpindah dari ikan yang berfungsi penuh ke hewan berkaki empat darat, dan kami dapat menggunakannya untuk memprediksi kapan hewan berkaki empat akan mulai bergerak di darat,” kata Pierce. “Kami menemukan bahwa kemampuan bumi tampaknya bertepatan dengan asal usul anggota badan, yang sangat mengasyikkan.”

Mengubah bentuk humerus di sepanjang pohon evolusi

Jalur dan bentuk evolusi bervariasi dari humerus ikan air hingga humerus darat hewan berkaki empat. Penulis: Atas kebaikan Blake Dixon

Humerus menahan kaki depan ke tubuh, menahan banyak otot dan harus menahan beban yang besar selama gerakan pada anggota badan. Karenanya, di dalamnya terdapat banyak informasi fungsional penting terkait dengan pergerakan dan ekologi hewan. Para peneliti percaya bahwa perubahan evolusioner dalam bentuk humerus – dari pendek dan jongkok pada ikan menjadi lebih memanjang dan diwakili dalam empat kaki – memiliki konsekuensi fungsional penting yang terkait dengan transisi ke pergerakan darat. Ide ini jarang dieksplorasi dari sudut pandang kuantitatif – sejauh ini.

Ketika Dixon menjadi mahasiswa tahun kedua, ia tertarik untuk menerapkan pemodelan sifat kuantitatif untuk memahami evolusi fungsional, teknik yang muncul dalam studi tahun 2016 yang dipimpin oleh sekelompok ahli paleontologi dan ditulis bersama oleh Pierce. Inti dari pemodelan fitur kuantitatif adalah konsep lanskap adaptif paleontolog George Gaylord Simpson pada tahun 1944, permukaan tiga dimensi yang kokoh dengan puncak dan lembah yang menyerupai pegunungan. Dalam lanskap ini, peningkatan ketinggian mewakili kinerja fungsional dan kemampuan beradaptasi terbaik, dan seiring waktu diharapkan seleksi alam akan membawa populasi ke atas ke puncak adaptif.

Dixon dan Pierce mengira mereka dapat menggunakan pendekatan ini untuk mensimulasikan transisi hewan berkaki empat dari air ke darat. Mereka menyarankan bahwa saat bentuk humerus berubah dan lanskap adaptif akan berubah. Misalnya, ikan akan memiliki puncak adaptif di mana kinerja fungsional akan maksimal untuk berenang, dan hewan berkaki empat darat akan memiliki puncak adaptif di mana kinerja fungsional akan maksimal untuk berjalan di darat. “Kami kemudian dapat menggunakan lanskap ini untuk mengetahui apakah bentuk humerus berkaki empat sebelumnya lebih cocok untuk tampil di air atau di darat,” kata Pierce.

“Kami sudah mulai memikirkan tentang ciri-ciri fungsional apa yang penting untuk disoroti dari humerus,” kata Dixon. “Itu bukan tugas yang mudah, karena sirip ikan sangat berbeda dengan anggota tubuh berkaki empat.” Akhirnya, mereka berfokus pada enam sifat yang dapat diukur secara andal di semua fosil, termasuk pengukuran sederhana seperti panjang tulang relatif sebagai contoh untuk panjang langkah dan analisis yang lebih canggih yang mensimulasikan beban mekanis di bawah skenario gravitasi yang berbeda. . untuk menilai kekuatan humerus.

“Jika Anda memiliki semua fitur fungsional yang sama, Anda dapat menjelaskan bagaimana kinerja berubah ketika Anda beralih dari satu puncak adaptif ke puncak lainnya,” Dixon menjelaskan. Dengan menggunakan pengoptimalan komputasi, tim dapat menemukan kombinasi yang tepat dari fitur fungsional yang memaksimalkan kinerja ikan air, hewan darat berkaki empat, dan hewan berkaki empat paling awal. Hasilnya menunjukkan bahwa hewan berkaki empat paling awal memiliki kombinasi fitur fungsional yang unik tetapi tidak sesuai dengan puncak adaptif mereka sendiri.

“Kami menemukan bahwa humerus dari hewan berkaki empat paling awal berkumpul di dasar lanskap darat,” kata Pierce. “Yang menunjukkan peningkatan produktivitas di darat. Tetapi hewan-hewan ini hanya mengembangkan serangkaian sifat fungsional terbatas untuk berjalan di darat yang efektif. “

Para peneliti menyarankan bahwa kemampuan untuk bergerak melalui darat dapat dibatasi karena pilihan alasan lain, seperti makan di air, yang mengikat hewan berkaki empat awal ke habitat akuatik. Setelah hewan berkaki empat dibebaskan dari pembatasan ini, humerus mampu mengembangkan morfologi dan fungsi yang meningkatkan pergerakan berbasis ekstremitas dan kemungkinan invasi ekosistem darat.

“Studi kami memberikan wawasan kuantitatif pertama tentang evolusi lalu lintas darat melalui transisi air-darat,” kata Dixon. “Ini juga memberikan ramalan kapan dan bagaimana [the transition] dan fungsi apa yang penting dalam transisi, setidaknya untuk humerus. “

“Ke depan, kami tertarik untuk memperluas penelitian kami ke bagian lain dari kerangka berkaki empat,” kata Pierce. “Misalnya, telah disarankan bahwa kaki depan telah mampu memiliki tanah hingga kaki belakang, dan metodologi baru kami dapat digunakan untuk menguji hipotesis ini.”

Dixon baru-baru ini mulai bekerja sebagai mahasiswa doktoral di Laboratorium Pergerakan Hewan di Universitas Duke, tetapi terus bekerja sama dengan Pierce dan anggotanya dalam penelitian lebih lanjut tentang penggunaan teknik ini pada bagian lain kerangka dan fosil.

Referensi: “Bentang alam adaptif fungsional memprediksi kemampuan terestrial dalam asal usul anggota badan” BV Dixon, J. A. Clack, T. R. Smithson, dan S. E. Pierce, 25 November 2020. Alam.
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

Diet junk food dapat meningkatkan risiko mengemudi berbahaya di antara pengemudi truk

Diet tidak sehat yang terkait dengan kelelahan yang lebih besar: Faktor kunci dalam peningkatan risiko kecelakaan, kata para peneliti. Pola makan yang tidak sehat dapat...

Fotosintesis buatan menjanjikan sumber energi yang bersih dan berkelanjutan

Manusia dapat melakukan banyak hal yang tidak dapat dilakukan oleh tumbuhan. Kita bisa berjalan, berbicara, mendengarkan, melihat dan menyentuh. Tetapi tanaman memiliki...

Es laut di pantai Arktik menipis secepat yang saya kira

Es Arktik yang menurun bisa dibilang salah satu korban terbesar perubahan iklim, dan dampaknya sangat luas, dari keadaan beruang kutub yang ikonik dan satwa...

Dinosaurus terbesar di Australia – “Titan Selatan” – baru saja memasuki buku rekor!

Kolaborasi Australia, "Titan Cooper Selatan." Penulis: Vlad Konstantinov, Scott Hoknul © Museum Sejarah Alam Eromanga Apa lapangan basket yang lebih tinggi dari b-double, dan...

Maju dengan roket SLS Moon raksasa, pertemuan dekat dengan Ganymede dan gerhana cincin api

Inti roket Space Launch System (SLS) seberat 188.000 pon telah naik ke peluncur bergerak, di antara dua pendorong roket padat. Kredit: NASA Bergerak maju...

Newsletter

Subscribe to stay updated.