Da vas bolje vidim: zašto je život izašao iz vode da sleti?

Život na Zemlji počeo je u vodi. Stoga su, kada su prve životinje došle na kopno, morale zamijeniti peraje za udove i škrgu za pluća kako bi se bolje prilagodile novom zemaljskom okruženju. Nedavno se pojavila nova studija koja je pokazala da prijelaz u pluća i udove ne otkriva potpunu sliku transformacije ovih stvorenja. Kad su napustili more, dobili su nešto, možda čak i vrjednije od zraka s kisikom: informacije. U zraku oči mogu vidjeti mnogo dalje nego pod vodom. Prema Malcolmu McIveru, neurologu i inženjeru sa Sveučilišta Northwestern, povećani opseg vidljivosti pružio je životinjama dodatne informacije o bogatim izvorima hrane u blizini obale.

Makiver je imao zanimljivu hipotezu, ali gledao jedokazi. Stoga se udružio sa Schmitzom koji je imao iskustvo u tumačenju očnih stanica četveronožnih fosiliziranih tetrapoda (od kojih je jedan bio tiktaalik), a dvojica su znanstvenika razmišljala kako je najbolje testirati Makiverovu ideju.

McIver i Schmitz prvo su pažljivo analiziralizapis o fosilima koji identificira promjene u veličini očnih utičnica, koje ukazuju na odgovarajuće promjene u očima, jer su proporcionalne veličini utičnica. Znanstvenici su sakupili 59 lubanja prvih četveronožnih nogu koji su se dogodili tijekom prijelaznog razdoblja između vode i kopna, a koje su bile netaknute za mjerenje orbite oka i duljine lubanje. Zatim su preuzeli ove podatke u računalni model kako bi ekstrapolirali promjenu veličine očne utičnice tijekom mnogih generacija i dobili predstavu o evolucijskom genetskom odljevu ove značajke.

Pokazalo se da je primjetno povećanje veličine očijustvarno promatrano - zapravo tri puta - tijekom prijelaznog razdoblja. Prosječna veličina očne utičnice prije prijelaza bila je 13 milimetara, a nakon - 36 milimetara. Pored toga, za ona stvorenja koja su izašla iz vode na kopno i vratila se u vodu - poput meksičke pećinske ribe Astyanax maxicanus - prosječna veličina očne orbite smanjena je na 14 milimetara, to jest, gotovo se vratila u svoje prethodno stanje.

Ti su rezultati imali jedan problem. McIver je prvobitno sugerirao da se porast dogodio nakon što su životinje postale potpuno kopnene, jer će evolucijske koristi vida na daljinu na kopnu povećati veličinu orbite. Ali do promjene je došlo prije nego što je prijelaz s vode na kopno dovršen, čak i prije nego što su stvorenja razvila rudimentarne udove na svojim ribljim prilozima. Kako bi boravak na kopnu mogao potaknuti postepeno povećanje veličine orbite oka?

Kad su Makiver i Schmitz analizirali podatke oveličine očiju u fosilnom zapisu, primijetili su da su orbite promijenile položaj tijekom prijelaznog razdoblja, pomjerale se od bočnih dijelova lubanje prema vrhu gdje su bile fiksirane u koštanim izbočenjima. Uočili su i sitne posjekotine u blizini ušne regije - spirale - koje su pomogle četveronožnim da dišu zrak. Ukratko, ta stvorenja su počela nalikovati krokodilima. Odjednom je sve sjelo na svoje mjesto.

„Nisam očekivao da će se ta stvorenja koristitizračni vid dok još uvijek pluta ", kaže McIver. "Pretpostavio sam da je zračni vid jednak letu na kopnu." Ovo nije tako. Umjesto toga, prijelazni tetrapodi trebali su loviti poput krokodila koji su se skrivali u plitkoj vodi na obali, kad su samo oči zavirile iznad površine u potrazi za ukusnim plijenom.

U ovom slučaju, "čini se kao lov, kaokrokodil je bio ulaz u zemlju ”, kaže McIver. "Baš kao što informacije prethode akciji, pojavljivanje na kopnu vjerojatno je posljedica ogromnog dobitka stjecanja vida zbog očiju koje strši iznad vode, a na njemu se može vidjeti netaknut izvor plena, a udovi su pronađeni nakon toga."

Ovo je stajalište u skladu s radom Jennifer Clack,paleontolog sa Sveučilišta u Cambridgeu, koji je poznat po fosilu Pederpes finneyae, najstarija je poznata "noga dizajnirana za hodanje po zemlji", a koja nije bila posve kopna. Iako su rani tetrapodi bili pretežno vodeni, a kasnije su tetrapodi postali očito kopneni, paleontolozi vjeruju da je to stvorenje provodilo vrijeme i u vodi i na kopnu.

Određujući koliko su vam velike oči,Makiver je odlučio izračunati koliko životinje mogu vidjeti velikim očima. Prilagodio je postojeći ekološki model koji uzima u obzir ne samo anatomiju očiju, već i druge čimbenike, poput okoliša. U vodi veće oko samo povećava vidni raspon s nešto više od šest metara na gotovo sedam metara. Ali povećajte veličinu očiju u zraku - i poboljšanje će narasti sa 200 na 600 metara.

Makiver i Schmitz učinili su istomodeliranje u različitim uvjetima: danje svjetlo, noć bez mjeseca, zvjezdano svjetlo, bistra voda, pa čak i mutna voda. "Nije važno", kaže McIver. - U svim je slučajevima porast zraka bio ogroman. Čak i ako su lovili na dnevnom svjetlu u vodi i izlazili samo bez noći bez mjeseca, to bi im sa gledišta i dalje bilo korisno. "

Korištenjem kvantitativnih alata zaobjašnjavanje obrazaca u zapisu o fosilima predstavlja potpuno novi pristup problemu. Sve više paleontologa i evolucijskih biologa poput Schmitza koristi ove metode.

„Paleontologija je u velikoj mjeri studijafosili, praćeni opisima kako se ti fosili mogu uklopiti u određeno okruženje, “kaže John Long, paleobiolog sa Sveučilišta Flinders u Australiji, koji proučava kako se riba evoluirala u tetrapod. „Ovaj članak sadrži vrlo dobre eksperimentalne podatke za testiranje vida u različitim okruženjima. A ti podaci odgovaraju onim obrascima koje vidimo na primjeru tih riba. "

Schmitz je istaknuo dva ključna događaja ukvantitativni pristup koji se dogodio u posljednjih deset godina. Prvo, sve više znanstvenika prilagođava metode moderne komparativne biologije analizi fosilnih zapisa, proučavajući odnos životinja među sobom. Drugo, veliko je zanimanje za modeliranje biomehanike drevnih bića na način koji se zapravo može provjeriti - kako bi se utvrdilo koliko brzo mogu upravljati dinosauri. Takav modelni pristup interpretaciji fosila može se primijeniti ne samo na biomehaniku, već i na osjetilnu funkciju - u ovom slučaju objasnite kako je izlazak iz vode utjecao na vid prvih četveronožnih životinja.

"Dakle, oba pristupa donose nešto jedinstvenomoraju ići ruku pod ruku ", kaže Schmitz. "Kad bih analizirao samu orbitu oko, ne bih shvatio što to zapravo znači. Oči su veće, ali zašto? " Senzorno modeliranje može odgovoriti na ova pitanja kvalitativno, a ne kvantitativno.

Schmitz planira istražiti druge prijelaze izvoda na kopnu u zapisu fosila - i to ne samo prvih četveronožnih - da se traže odgovarajuća povećanja veličine očiju. "Ako pogledate druge prijelaze između vode i kopna, između kopna i opet vode, vidjet ćete slične slike koje mogu potencijalno potvrditi ovu hipotezu", kaže on. Na primjer, fosili morskih gmizavaca koji se u velikoj mjeri oslanjaju na vid mogu također pokazati povećanje orbite oka prilikom slijetanja.

Razmislite na novi način

Iskustvo McGivera-neurologa neizbježno ga je prisililorazmišljati o tome kako bi sve to moglo utjecati na ponašanje i kognitivne sposobnosti četveronožca pri prelasku iz vode na kopno. Na primjer, ako živite i lovite u vodi, vaš ograničeni vid vida - otprilike jedna duljina tijela ispred - znači da živite u "reaktivnom načinu": imate samo nekoliko milisekundi za reagiranje. Sve se svodi na jednu shemu. Ili ćete jesti ili jesti, i bolje je brzo donijeti odluku.

Ali za kopnenu životinju sposobnost da vidinadalje znači da ima mnogo više vremena za procjenu situacije i izradu bolje strategije za djelovanje, bilo da je riječ o grabežljivcu ili žrtvi. Prema McIveru, vjerojatno su prve kopnene životinje počele reaktivno loviti proizvodnju zemlje, ali s vremenom su one koje su mogle nadići način mlaznog učenja i naučiti strateški razmišljati dobile evolucijsku prednost. "Sada morate procijeniti nekoliko budućih rezultata i brzo birati između njih", kaže znanstvenik. "Ovo je mentalno putovanje kroz vrijeme, koje je postalo važan dio naših vlastitih kognitivnih sposobnosti."

Vjerojatno su igrali i drugi osjećajiodređenu ulogu u razvoju razvijenije svijesti. "Izuzetno je uzbudljivo, ali ne mislim da se sposobnost planiranja odjednom pojavila samo kroz viziju", kaže Barbara Finlay, evolucijski neurofizičar sa Sveučilišta Cornell. Kao primjer ona ističe kako se losos oslanja na svoj miris tokom migracije uzvodno.

Hutchinson se slaže da bi to moglo biti od pomoćida razmotri koliko se senzornih promjena tijekom ovog kritičnog prijelaznog razdoblja kombinira međusobno, a ne da proučava sam vid. Na primjer, "znamo da su miris i okus bili prvo povezani u vodenom okolišu, a potom odvojeni", kaže on. "Ali sluh se dramatično promijenio tijekom prelaska iz vodenog u suho okruženje, zajedno s razvojem ispravnog vanjskog uha i drugih svojstava."

Ovo djelo ima posljedice za buduću evoluciju.ljudsko znanje. Možda ćemo jednog dana uspjeti napraviti još jedan evolucijski skok, prevladavajući ono što Makiver u šali naziva „paleoneurologijom ljudske gluposti“. Ljudi mogu razumjeti posljedice kratkoročnih prijetnji, ali dugoročno planiranje - na primjer, ublažavanje učinaka klimatskih promjena - mi praktično ne probavimo. "Možda se brojna naša ograničenja u strateškom razmišljanju vraćaju kako različiti uvjeti utječu na planiranje", kaže on. "Ne možemo razmišljati na geološkoj vremenskoj skali."

Njegov rad može nam pomoći prepoznati vlastite slijepe točke.