Forskere har været i stand til for første gang at rekonstruere den komplicerede tredimensionelle struktur i rygraden i tidlige tetrapods, de tidligste firbenede dyr.
Højenergi-røntgenstråler og en ny dataekstraktionsprotokol gjorde det muligt for forskerne at rekonstruere rygraden i de 360 millioner år gamle fossiler i enestående detaljer og kaste nyt lys over, hvordan de første hvirveldyr bevægede sig fra vand til land.
Det internationale forskerhold blev ledet af Stephanie E. Pierce fra The Royal Veterinary College i London og Jennifer A. Clack fra University of Cambridge. Det omfattede også forskere fra Uppsala Universitet (Sverige) og den europæiske Synchrotron-strålingsfacilitet ESRF i Grenoble (Frankrig).
Tetrapods er firbenede hvirveldyr, som i dag er repræsenteret af padder, krybdyr, fugle og pattedyr. For omkring 400 millioner år siden var tidlige tetrapods de første hvirveldyr, der foretog korte udflugter til lavt vand, hvor de brugte deres fire lemmer til at bevæge sig rundt. Hvordan dette skete, og hvordan de derefter blev overført til land, er genstand for intens debat blandt paleontologer og evolutionbiologer.
Dette er en kunstners indtryk af en Ichthyostega Tetrapod, med udskæringen viser 3D-rekonstruktion af to vetrebrae fra undersøgelsen. Billedkredit: Julia Molnar.
Alle tetrapods har en rygrad eller rygsøjle, som er en benstruktur, der er fælles for alle andre hvirveldyr, inklusive fisk, hvorfra tetrapods udviklede sig. En rygrad dannes fra ryghvirvler forbundet i en række - fra hoved til hale. I modsætning til rygraden i levende tetrapods (f.eks. Mennesker), hvor hver rygsæk er sammensat af kun en knogle, havde de tidlige tetrapods hvirvler bestående af flere dele.
”I mere end 100 år troede man, at tidlige tetrapods havde ryghvirvler sammensat af tre sæt knogler - en knogle foran, en på toppen og et par bag. Men ved at kigge inde i fossilerne ved hjælp af synchrotron-røntgenstråler har vi opdaget, at denne traditionelle opfattelse bogstaveligt talt fik det bagfra, ”siger Stephanie Pierce, der er hovedforfatter af publikationen.
Til analysen anvendte European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrig, hvor de tre fossile fragmenter blev scannet med røntgenstråler, en dataekstraktionsmetode for at afsløre små detaljer om fossile knogler, der er begravet dybt inde i stenmatrixen. De fossiliserede knogler er indlejret i sten, så tæt, at den absorberer de fleste af røntgenstrålene. ”Uden den nye metode ville det ikke have været muligt at afsløre elementerne i rygsøjlen i tre dimensioner med en opløsning på 30 um”, siger Sophie Sanchez, en medforfatter for publikationen, fra Uppsala University og ESRF.
I disse højopløselige røntgenbilleder opdagede videnskabsmændene, at det, der blev antaget at være den første knogle - kendt som intercentrum - faktisk er det sidste i serien. Og selv om dette kan virke som et trivielt tilsyn, har dette omarrangement i ryggvirvelstrukturen overordnede konsekvenser for den funktionelle udvikling af tetrapod-rygraden.
Stephanie Pierce forklarer, "Ved at forstå, hvordan hver af knoglerne passer sammen, kan vi begynde at undersøge rygsøjlenes mobilitet og teste, hvordan det kan have overført kræfter mellem lemmerne i de tidlige stadier af landbevægelsen".
Men fundene sluttede ikke der. Et af dyrene - kendt som Ichthyostega - viste sig også at have et udvalg af hidtil ukendte skeletfunktioner, inklusive en streng af knogler, der strækker sig ned midt i brystet.
Jennifer Clack siger: ”Disse brystknogler viste sig at være det tidligste evolutionære forsøg på at producere en benbenet brystben. En sådan struktur ville have styrket ribbenet i Ichthyostega og tillade, at den understøtter sin kropsvægt på brystet, mens den bevæger sig rundt på land. ”
Denne uventede opdagelse understøtter det nylige arbejde af Pierce og Clack, der viste Ichthyostega sandsynligvis flyttet ved at trække sig hen over fladt underlag ved hjælp af synkrone 'krykke' bevægelser på dets forben - meget som en mudskipper eller sæl. Dr. Pierce tilføjer: "Resultaterne af denne undersøgelse tvinger os til at omskrive bogen om udvikling af rygraden i de tidligste lemdyr."
”På ESRF gør den nye dataekstraktionsprotokol det muligt at studere fossiler i tæt og tung sten i en hidtil uset detalje. Det, vi har set i dag, er kun begyndelsen på flere overraskelser, der kommer, ”afslutter Sophie Sanchez.
Via ESRF