Patedyrenes ryggrad er rare. Sammenlignet med andre firbeinte dyr som krypdyr, er pattedyrrygger en kompleks blanding av deler av forskjellig formede bein. Frankensteins monsterryggrad er en nøkkelkomponent i pattedyr som utvikler evnen til å bevege seg på en rekke forskjellige måter – sammenlign en gepard som løper, en person som går, en flaggermus som flyr og en hval som svømmer. En ny studie i Nature Communications fordyper seg i det grove av hvordan pattedyrenes ryggrad ble så kompleks. Forskerne oppdaget at prosessen var preget av store, dramatiske evolusjonære endringer, og at den er knyttet til at pattedyr er aktive dyr med høyt stoffskifte.
"Når vi ser oss rundt, er dyrene og plantene som omgir oss bemerkelsesverdig komplekse, men det er veldig vanskelig å sette et tall på dette fenomenet. Med denne studien ønsket vi å ta et komplekst system - pattedyrets ryggsøyle - og måle hvordan kompleksiteten endret seg over tid. Vi viser at økninger i kompleksitet var diskrete trinn som trinn på en stige i stedet for en jevn økning som en rampe. Tilpasninger for høyt aktivitetsnivå hos pattedyr ser ut til å utløse disse hoppene i kompleksitet, og de fortsetter å påvirke dens utvikling i dag, sier Katrina Jones, avisens første forfatter og paleontolog fra Harvard's Museum of Comparative Zoology.
"Det er i bunn og grunn historien om hvor rare pattedyrenes ryggrad er og hvordan de utviklet seg til å bli sånn, med utgangspunkt i eldgamle slektninger hvis ryggrader var mye enklere," sier Ken Angielczyk, paleontolog ved Field Museum og en av studiens forfattere. "Det ser ut som det ikke bare er en gradvis opphopning av små endringer over tid - det er mer diskrete endringer. Og en av disse store endringene kan være relatert til endringer i hvordan pattedyr er i stand til å bevege seg og puste som lar oss være så aktive."
Angielczyk og hans medforfattere, Jones og Stephanie Pierce fra Harvard's Museum of Comparative Zoology, ønsket å finne ut hvordan og når pattedyr og deres forfedre først utviklet disse spesialiserte ryggradene. De undersøkte fossile ryggrader fra pattedyrsslektninger k alt synapsider som levde for mellom 300 og 200 millioner år siden og tok nøyaktige mål av beinene for å finne ut hvordan ryggradene endret seg over tid. Deretter matet de alle dataene inn i et dataprogram som modellerte de forskjellige måtene ryggradene kunne ha utviklet seg.
Basert på informasjonen fra alle fossilene, viste modellen at endringene i synapsid-ryggrad sannsynligvis utviklet seg i relativt raske utbrudd, snarere enn en super-langsom, gradvis bane. Selvfølgelig, forklarer Angielczyk, er evolusjon en så langsom prosess at selv raske utbrudd av evolusjonære endringer kan ta millioner av år."Det ser raskt ut fra vårt fjelltoppsyn av evolusjon, men hvis du var et av disse dyrene, er det ikke slik at barnebarna dine ville sett helt annerledes ut enn deg," sier han. Snarere betyr disse store sprangene egentlig bare at de evolusjonære endringene skjedde raskere enn det du forventer å se i et helt tilfeldig system der mutasjoner og endringer ikke var gode eller dårlige, bare nøytrale. I utgangspunktet betyr store trinnvise hopp i evolusjonen at endringene som skjedde gjorde en stor forskjell i organismenes liv, noe som gjorde dem bedre i stand til å overleve og overføre genene sine.
Stadig mer komplekse ryggrader var en god ting for pattedyrs forfedre, hevder forskerne, fordi de var en del av en rekke endringer relatert til høyere aktivitetsnivå.
Sammenlignet med reptiler har moderne pattedyr svært høye metabolisme – vi har flere kjemiske reaksjoner som skjer for å holde kroppen i gang – og vi er mer aktive. Generelt kan pattedyr bevege seg mer effektivt og ha mer utholdenhet, men disse fordelene kommer med en kostnad: pattedyr må puste mer enn reptiler gjør, vi må spise mer, og vi trenger pels for å holde kroppen varm nok til å holde systemene våre går."Som en del av vår studie fant vi at moderne pattedyr med de mest komplekse ryggradene også vanligvis har de høyeste aktivitetsnivåene," sier Pierce, "og noen endringer i ryggradens kompleksitet utviklet seg omtrent samtidig som andre funksjoner assosiert med en mer aktiv livsstil utviklet seg, som pels eller spesialiserte muskler for å puste."
"Det unike med pattedyrs ryggrad er noe som har vært anerkjent i lang tid, og resultatene våre viser at det er en sterk sammenheng mellom utviklingen av ryggraden og utviklingen av bløtvevet i muskel- og luftveiene våre, " sier Angielczyk.
"Vi er interessert i det store bildet av hvordan ryggrader utvikler seg, og det er disse langvarige ideene om at det er relatert til utviklingen av pattedyrs respirasjon, bevegelse og høye aktivitetsnivåer," legger Angielczyk til. "Vi prøver å teste og avgrense disse hypotesene, og å bruke dem til å bedre forstå det bredere spørsmålet om hvordan kompleksiteten øker gjennom evolusjon.«
Og dette store bildet av hvordan pattedyrenes ryggrad ble kompleks kan bidra til å forklare mye om pattedyr som lever i dag, inkludert oss. "Pattedyr gjør på en måte sine egne ting," sier Angielczyk. "Hvis du ser på pattedyr i dag, har vi mange rare funksjoner i stoffskiftet og kroppen vår og reproduksjonsstrategier. Det ville vært veldig forvirrende å finne ut hvordan de utviklet seg hvis du bare så på moderne pattedyr. Men vi har en veldig god fossiler av tidlige pattedyrsslektninger, og det kan hjelpe oss å forstå historien til mange av disse svært uvanlige egenskapene."
"Denne studien hjelper oss å svare på et eldgammelt spørsmål - hvordan ble livet så komplekst?" sier Jones. Ved å se på dette eksempelsystemet viser vi at diskrete endringer, når de legges sammen over årtusener, kan produsere det som ved første øyekast ser ut til å være en langsiktig trend. Utviklingen av kompleksitet er, tør jeg si det, kompleks!"
