Γιατί η ζωή μετακόμισε στη στεριά; Για την Θέα

Η ζωή στη Γη ξεκίνησε στο νερό. Έτσι, όταν τα πρώτα ζώα μετακόμισαν στη στεριά, έπρεπε να ανταλλάξουν τα πτερύγια τους με άκρα και τα βράγχια τους με πνεύμονες, τόσο καλύτερα να προσαρμοστούν στο νέο τους επίγειο περιβάλλον.

Μια νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε σήμερα, υποδηλώνει ότι η στροφή στους πνεύμονες και τα άκρα δεν λέει την πλήρη ιστορία της μεταμόρφωσης αυτών των πλασμάτων. Καθώς αναδύθηκαν από τη θάλασσα, κέρδισαν κάτι ίσως πιο πολύτιμο από τον οξυγονωμένο αέρα:πληροφορίες. Στον αέρα, τα μάτια μπορούν να δουν πολύ πιο μακριά από ό,τι κάτω από το νερό. Το αυξημένο οπτικό εύρος παρείχε μια «πληροφοριακή φερμουάρ» που ειδοποίησε τα αρχαία ζώα για άφθονες πηγές τροφής κοντά στην ακτή, σύμφωνα με τον Malcolm MacIver, νευροεπιστήμονα και μηχανικό στο Πανεπιστήμιο Northwestern.

Αυτή η φερμουάρ, υποστηρίζει ο MacIver, οδήγησε την επιλογή των υποτυπωδών άκρων, τα οποία επέτρεψαν στα ζώα να κάνουν τις πρώτες σύντομες επιδρομές τους στη στεριά. Επιπλέον, μπορεί να είχε σημαντικές επιπτώσεις για την εμφάνιση πιο προηγμένης γνώσης και πολύπλοκου σχεδιασμού. «Είναι δύσκολο να κοιτάξουμε τα άκρα του παρελθόντος και να σκεφτούμε ότι ίσως οι πληροφορίες, που δεν απολιθώνονται καλά, είναι πραγματικά αυτό που μας έφερε στη γη», είπε ο MacIver.

Ο MacIver και ο Lars Schmitz, ένας παλαιοντολόγος στα Κολλέγια Claremont, δημιούργησαν μαθηματικά μοντέλα που διερευνούν πώς η αύξηση των πληροφοριών που είναι διαθέσιμες στα πλάσματα που κατοικούν στον αέρα θα είχε εκδηλωθεί, με την πάροδο των αιώνων, με αύξηση του μεγέθους των ματιών. Περιγράφουν τα πειραματικά στοιχεία που έχουν συγκεντρώσει για να υποστηρίξουν αυτό που αποκαλούν την υπόθεση «buena vista» στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών .

Το έργο του MacIver κερδίζει ήδη επαίνους από ειδικούς στον τομέα για την καινοτόμο και εμπεριστατωμένη προσέγγισή του. Ενώ οι παλαιοντολόγοι εικάζουν εδώ και καιρό σχετικά με το μέγεθος των ματιών στα απολιθώματα και τι μπορεί να μας πει για την όραση ενός ζώου, «αυτό το πάει ένα βήμα παραπέρα», είπε ο John Hutchinson του Βασιλικού Κτηνιατρικού Κολλεγίου στο Ηνωμένο Βασίλειο. σε ποιοτικές παρατηρήσεις· δοκιμάζει υποθέσεις και παρακολουθεί τις μεγάλες αλλαγές ποσοτικά κατά τη διάρκεια του μακρο-εξελικτικού χρόνου.»

Υποβρύχιοι κυνηγοί

Ο MacIver συνήψε για πρώτη φορά την υπόθεσή του το 2007, ενώ μελετούσε το μαύρο ψάρι-φάντασμα της Νότιας Αμερικής - ένα ηλεκτρικό ψάρι που κυνηγά τη νύχτα παράγοντας ηλεκτρικά ρεύματα στο νερό για να αισθανθεί το περιβάλλον του. Ο MacIver συγκρίνει το αποτέλεσμα με ένα είδος συστήματος ραντάρ. Όντας κάτι σαν πολυμαθής, με ενδιαφέροντα και εμπειρία στη ρομποτική και τα μαθηματικά εκτός από τη βιολογία, τη νευροεπιστήμη και την παλαιοντολογία, ο MacIver κατασκεύασε μια ρομποτική έκδοση του knifefish, πλήρης με ένα ηλεκτροαισθητηριακό σύστημα, για να μελετήσει τις εξωτικές αισθητηριακές του ικανότητες και την ασυνήθιστα ευέλικτη κίνησή του.

Όταν ο MacIver συνέκρινε τον όγκο του χώρου στον οποίο το μαχαιρόψαρο μπορεί να ανιχνεύσει υδάτινους ψύλλους, ένα από τα αγαπημένα του θηράματα, με αυτό ενός ψαριού που βασίζεται στην όραση για να κυνηγήσει το ίδιο θήραμα, διαπίστωσε ότι ήταν περίπου το ίδιο. Αυτό ήταν εκπληκτικό. Επειδή το μαχαιρόψαρο πρέπει να παράγει ηλεκτρισμό για να αντιληφθεί τον κόσμο - κάτι που απαιτεί πολλή ενέργεια - περίμενε ότι θα είχε μικρότερο αισθητήριο όγκο για το θήραμα σε σύγκριση με αυτόν ενός ψαριού με επίκεντρο την όραση. Στην αρχή νόμιζε ότι είχε κάνει ένα απλό υπολογιστικό λάθος. Σύντομα όμως ανακάλυψε ότι ο κρίσιμος παράγοντας που εξηγεί τον απροσδόκητα μικρό οπτικό αισθητήριο χώρο ήταν η ποσότητα που το νερό απορροφά και διαχέει το φως. Σε γλυκό ρηχό νερό, για παράδειγμα, το «μήκος εξασθένησης» που μπορεί να διανύσει το φως πριν διασκορπιστεί ή απορροφηθεί κυμαίνεται από 10 εκατοστά έως δύο μέτρα. Στον αέρα, το φως μπορεί να ταξιδέψει από 25 έως 100 χιλιόμετρα, ανάλογα με το πόση υγρασία υπάρχει στον αέρα.

Εξαιτίας αυτού, τα υδρόβια πλάσματα σπάνια κερδίζουν πολλά εξελικτικά οφέλη από την αύξηση του μεγέθους των ματιών και έχουν πολλά να χάσουν. Τα μάτια είναι δαπανηρά από εξελικτικούς όρους, επειδή απαιτούν τόση πολλή ενέργεια για να διατηρηθούν. Τα κύτταρα των φωτοϋποδοχέων και οι νευρώνες στις οπτικές περιοχές του εγκεφάλου χρειάζονται πολύ οξυγόνο για να λειτουργήσουν. Ως εκ τούτου, οποιαδήποτε αύξηση στο μέγεθος των ματιών θα είχε καλύτερα σημαντικά οφέλη για να δικαιολογήσει αυτή την επιπλέον ενέργεια. Ο MacIver παρομοιάζει το αυξανόμενο μέγεθος των ματιών στο νερό με την ενεργοποίηση της μεγάλης σκάλας στην ομίχλη σε μια προσπάθεια να δει πιο μπροστά.

Αλλά μόλις βγάλετε τα μάτια από το νερό και εισέλθετε στον αέρα, το μεγαλύτερο μέγεθος των ματιών οδηγεί σε ανάλογη αύξηση στο πόσο μακριά μπορείτε να δείτε.

Ο MacIver κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το μέγεθος των ματιών θα είχε αυξηθεί σημαντικά κατά τη μετάβαση από νερό σε ξηρά. Όταν ανέφερε τη διορατικότητά του στον εξελικτικό βιολόγο Neil Shubin — μέλος της ομάδας που ανακάλυψε το Tiktaalik roseae , ένα σημαντικό μεταβατικό απολίθωμα πριν από 375 εκατομμύρια χρόνια που είχε πνεύμονες και βράγχια — ο MacIver ενθαρρύνθηκε να μάθει ότι οι παλαιοντολόγοι είχαν παρατηρήσει μια αύξηση στο μέγεθος των ματιών στο αρχείο απολιθωμάτων. Απλώς δεν είχαν αποδώσει μεγάλη σημασία στην αλλαγή. Ο MacIver αποφάσισε να ερευνήσει μόνος του.

Μάτια Κροκόδειλου

Ο MacIver είχε μια ενδιαφέρουσα υπόθεση, αλλά χρειαζόταν στοιχεία. Συνεργάστηκε με τον Schmitz, ο οποίος είχε εμπειρία στην ερμηνεία των κόγχων των τετράποδων απολιθωμάτων των τετράποδων (εκ των οποίων Tiktaalik ήταν ένα), και οι δύο επιστήμονες αναλογίστηκαν πώς να δοκιμάσουν καλύτερα την ιδέα του MacIver.

Οι MacIver και Schmitz έκαναν πρώτα μια προσεκτική ανασκόπηση του αρχείου απολιθωμάτων για να παρακολουθήσουν τις αλλαγές στο μέγεθος των κόγχων των ματιών, οι οποίες θα έδειχναν αντίστοιχες αλλαγές στα μάτια, καθώς είναι ανάλογες με το μέγεθος της κόγχης. Το ζευγάρι συνέλεξε 59 πρώιμα κρανία τετραπόδων που κάλυπταν τη μεταβατική περίοδο από νερό σε ξηρά, τα οποία ήταν αρκετά άθικτα για να τους επιτρέψουν να μετρήσουν τόσο την τροχιά των ματιών όσο και το μήκος του κρανίου. Στη συνέχεια τροφοδότησαν αυτά τα δεδομένα σε ένα μοντέλο υπολογιστή για να προσομοιώσουν πώς άλλαξε το μέγεθος της κόγχης των ματιών σε πολλές γενιές, έτσι ώστε να αποκτήσουν μια αίσθηση της εξελικτικής γενετικής μετατόπισης αυτού του χαρακτηριστικού.

Διαπίστωσαν ότι υπήρξε πράγματι μια αξιοσημείωτη αύξηση στο μέγεθος των ματιών - τριπλασιάστηκε μάλιστα - κατά τη μεταβατική περίοδο. Το μέσο μέγεθος της κόγχης των ματιών πριν από τη μετάβαση ήταν 13 χιλιοστά, σε σύγκριση με 36 χιλιοστά μετά. Επιπλέον, σε εκείνα τα πλάσματα που πήγαιναν από νερό σε στεριά και πίσω στο νερό — όπως το μεξικάνικο ψάρι σπηλαίων Astyanax mexicanus — το μέσο μέγεθος τροχιάς συρρικνώθηκε ξανά στα 14 χιλιοστά, σχεδόν το ίδιο με πριν.

Υπήρχε μόνο ένα πρόβλημα με αυτά τα αποτελέσματα. Αρχικά, ο MacIver είχε υποθέσει ότι η αύξηση συνέβη αφού τα ζώα έγιναν πλήρως επίγεια, καθώς τα εξελικτικά οφέλη από τη δυνατότητα να βλέπουν μακρύτερα στη στεριά θα είχαν οδηγήσει στην αύξηση του μεγέθους της κόγχης των ματιών. Αλλά η μετατόπιση συνέβη πριν ολοκληρωθεί η μετάβαση από νερό σε ξηρά, ακόμη και πριν τα πλάσματα αναπτύξουν στοιχειώδη ψηφία στα εξαρτήματά τους που μοιάζουν με ψάρια. Πώς θα μπορούσε, λοιπόν, το να βρίσκεσαι στη στεριά να έχει οδηγήσει στη σταδιακή αύξηση του μεγέθους της κόγχης των ματιών.

Σε αυτή την περίπτωση, «φαίνεται ότι το κυνήγι σαν κροκόδειλος ήταν η πύλη ναρκωτικών στην γήινη ζωή», είπε ο MacIver. "Ακριβώς όπως τα δεδομένα προηγούνται της δράσης, η εμφάνιση στη στεριά πιθανότατα ήταν για το πώς το τεράστιο κέρδος στην οπτική απόδοση από το τρύπημα των ματιών πάνω από το νερό για να δει μια ανεκμετάλλευτη πηγή θηράματος σταδιακά επιλεγμένη για άκρα."

Αυτή η εικόνα είναι συνεπής με την εργασία της Jennifer Clack, παλαιοντολόγου στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, σχετικά με ένα απολίθωμα γνωστό ως Pederpes finneyae , που είχε το παλαιότερο γνωστό πόδι για περπάτημα στη στεριά, αλλά δεν ήταν ένα πραγματικά επίγειο πλάσμα. Ενώ τα πρώιμα τετράποδα ήταν κυρίως υδρόβια και τα μετέπειτα τετράποδα ήταν ξεκάθαρα χερσαία, οι παλαιοντολόγοι πιστεύουν ότι αυτό το πλάσμα πιθανότατα περνούσε χρόνο στο νερό και στην ξηρά.

Αφού προσδιόρισε πόσο αυξήθηκαν τα μεγέθη των ματιών, ο MacIver ξεκίνησε να υπολογίσει πόσο μακρύτερα μπορούσαν να δουν τα ζώα με μεγαλύτερα μάτια. Προσάρμοσε ένα υπάρχον οικολογικό μοντέλο που λαμβάνει υπόψη όχι μόνο την ανατομία του ματιού, αλλά και άλλους παράγοντες όπως το περιβάλλον. Στο νερό, ένα μεγαλύτερο μάτι αυξάνει μόνο το οπτικό εύρος από λίγο πάνω από έξι μέτρα σε σχεδόν επτά μέτρα. Αλλά αυξήστε το μέγεθος των ματιών στον αέρα και η βελτίωση της εμβέλειας πηγαίνει από 200 μέτρα σε 600 μέτρα.

Ο MacIver και ο Schmitz έτρεξαν την ίδια προσομοίωση κάτω από πολλές διαφορετικές συνθήκες:φως ημέρας, νύχτα χωρίς φεγγάρι, αστρικό φως, καθαρό νερό και θολό νερό. «Δεν πειράζει», είπε ο MacIver. «Σε όλες τις περιπτώσεις, η αύξηση [στον αέρα] είναι τεράστια. Ακόμα κι αν κυνηγούσαν το μεσημέρι στο νερό και έβγαιναν μόνο τις νύχτες χωρίς φεγγάρι, εξακολουθεί να είναι επωφελές γι 'αυτούς, όσον αφορά την όραση."

Η χρήση ποσοτικών εργαλείων για την εξήγηση των προτύπων στο αρχείο απολιθωμάτων είναι κάτι σαν μια νέα προσέγγιση του προβλήματος, αλλά ένας αυξανόμενος αριθμός παλαιοντολόγων και εξελικτικών βιολόγων, όπως ο Schmitz, υιοθετούν αυτές τις μεθόδους.

«Τόσο μεγάλο μέρος της παλαιοντολογίας εξετάζει τα απολιθώματα και στη συνέχεια δημιουργεί αφηγήσεις για το πώς τα απολιθώματα θα μπορούσαν να ταιριάζουν σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον», είπε ο John Long, ένας παλαιοβιολόγος στο Πανεπιστήμιο Flinders στην Αυστραλία που μελετά πώς τα ψάρια εξελίχθηκαν σε τετράποδα. «Αυτό το έγγραφο έχει πολύ καλά σκληρά πειραματικά δεδομένα, δοκιμάζοντας την όραση σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Και αυτά τα δεδομένα ταιριάζουν με τα μοτίβα που βλέπουμε σε αυτά τα ψάρια."

Ο Schmitz εντόπισε δύο βασικές εξελίξεις στην ποσοτική προσέγγιση την τελευταία δεκαετία. Πρώτον, περισσότεροι επιστήμονες έχουν προσαρμόσει μεθόδους από τη σύγχρονη συγκριτική βιολογία στην ανάλυση αρχείων απολιθωμάτων, μελετώντας πώς σχετίζονται τα ζώα μεταξύ τους. Δεύτερον, υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τη μοντελοποίηση της εμβιομηχανικής των αρχαίων πλασμάτων με τρόπο που να είναι πραγματικά ελεγχόμενος - για να προσδιοριστεί πόσο γρήγορα θα μπορούσαν να τρέξουν οι δεινόσαυροι, για παράδειγμα. Μια τέτοια προσέγγιση βασισμένη σε μοντέλα για την ερμηνεία των απολιθωμάτων μπορεί να εφαρμοστεί όχι μόνο στην εμβιομηχανική αλλά και στην αισθητηριακή λειτουργία — σε αυτήν την περίπτωση, εξήγησε πώς η έξοδος από το νερό επηρέασε την όραση των πρώιμων τετραπόδων.

«Και οι δύο προσεγγίσεις φέρνουν κάτι μοναδικό, επομένως πρέπει να πάνε χέρι-χέρι», είπε ο Schmitz. «Αν είχα κάνει την ανάλυση [το μέγεθος της κόγχης των ματιών] από μόνη της, θα μου έλειπε αυτό που θα μπορούσε να σημαίνει πραγματικά. Τα μάτια γίνονται μεγαλύτερα, αλλά γιατί;» Η αισθητηριακή μοντελοποίηση μπορεί να απαντήσει σε αυτό το είδος ερώτησης με ποσοτικό και όχι ποιοτικό τρόπο.

Ο Schmitz σχεδιάζει να εξετάσει άλλες μεταβάσεις από νερό σε ξηρά στο αρχείο απολιθωμάτων - όχι μόνο αυτό των πρώιμων τετραπόδων - για να δει αν μπορεί να βρει μια αντίστοιχη αύξηση στο μέγεθος των ματιών. «Αν κοιτάξετε άλλες μεταβάσεις μεταξύ νερού και γης και τη γη πίσω στο νερό, θα δείτε παρόμοια μοτίβα που θα επιβεβαίωναν δυνητικά αυτήν την υπόθεση», είπε. Για παράδειγμα, το αρχείο απολιθωμάτων για τα θαλάσσια ερπετά, τα οποία βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στην όραση, θα πρέπει επίσης να δείχνει στοιχεία για αύξηση του μεγέθους της κόγχης των ματιών καθώς μετακινούνταν από το νερό στη στεριά.

Νέοι τρόποι σκέψης

Το υπόβαθρο του MacIver ως νευροεπιστήμονα τον οδήγησε αναπόφευκτα να αναλογιστεί πώς όλα αυτά θα μπορούσαν να επηρέασαν τη συμπεριφορά και τη γνώση των τετραπόδων κατά τη μετάβαση από νερό σε ξηρά. Για παράδειγμα, εάν ζείτε και κυνηγάτε στο νερό, το περιορισμένο εύρος όρασής σας - περίπου ένα μήκος σώματος μπροστά - σημαίνει ότι λειτουργείτε κυρίως με αυτό που ο MacIver ονομάζει "reactive mode":Έχετε μόλις λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου (που ισοδυναμεί με μερικούς χρόνους κύκλου ενός νευρώνα στον εγκέφαλο) για να αντιδράσει. «Τα πάντα έρχονται πάνω σου με έναν τρόπο ακριβώς στην ώρα τους», είπε. "Μπορείς είτε να φας είτε να σε φάνε, και καλύτερα να πάρεις αυτήν την απόφαση γρήγορα."

Αλλά για ένα χερσαίο ζώο, το να μπορείς να δεις μακρύτερα σημαίνει ότι έχεις πολύ περισσότερο χρόνο για να αξιολογήσεις την κατάσταση και να κάνεις στρατηγική για να επιλέξεις την καλύτερη πορεία δράσης, είτε είσαι αρπακτικό είτε θήραμα. Σύμφωνα με τον MacIver, είναι πιθανό τα πρώτα ζώα της ξηράς να άρχισαν να κυνηγούν θηράματα στη ξηρά αντιδραστικά, αλλά με την πάροδο του χρόνου, αυτά που θα μπορούσαν να προχωρήσουν πέρα ​​από τον αντιδραστικό τρόπο και να σκεφτούν στρατηγικά θα είχαν μεγαλύτερο εξελικτικό πλεονέκτημα. «Τώρα πρέπει να σκεφτείτε πολλαπλά συμβόλαια μελλοντικής εκπλήρωσης και να αποφασίσετε γρήγορα μεταξύ τους», είπε ο MacIver. "Αυτό είναι διανοητικό ταξίδι στο χρόνο ή προοπτική γνώση και είναι ένα πραγματικά σημαντικό χαρακτηριστικό των δικών μας γνωστικών ικανοτήτων."

Τούτου λεχθέντος, και άλλες αισθήσεις πιθανότατα έπαιξαν ρόλο στην ανάπτυξη πιο προηγμένης γνώσης. «Είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον, αλλά δεν νομίζω ότι η ικανότητα προγραμματισμού προέκυψε ξαφνικά μόνο με την όραση», δήλωσε η Barbara Finlay, εξελικτική νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο Cornell. Ως παράδειγμα, έδειξε πώς ο σολομός βασίζεται στις οσφρητικές οδούς για να μεταναστεύσει ανάντη.

Ο Hutchinson συμφωνεί ότι θα ήταν χρήσιμο να εξετάσουμε πώς ταιριάζουν οι πολλές αισθητηριακές αλλαγές κατά τη διάρκεια αυτής της κρίσιμης μεταβατικής περιόδου, αντί να μελετήσουμε μόνο την όραση. Για παράδειγμα, «γνωρίζουμε ότι η μυρωδιά και η γεύση αρχικά συνδυάστηκαν στο υδάτινο περιβάλλον και στη συνέχεια διαχωρίστηκαν», είπε. "Ενώ η ακοή άλλαξε πολύ από το υδάτινο στο χερσαίο περιβάλλον με την εξέλιξη του σωστού εξωτερικού αυτιού και άλλων χαρακτηριστικών."

Το έργο έχει επιπτώσεις στη μελλοντική εξέλιξη της ανθρώπινης γνώσης. Ίσως μια μέρα θα μπορέσουμε να κάνουμε το επόμενο εξελικτικό άλμα ξεπερνώντας αυτό που ο MacIver χαριτολογώντας αποκαλεί «παλαιευροβιολογία της ανθρώπινης βλακείας». Τα ανθρώπινα όντα μπορούν να αντιληφθούν τις συνέπειες των βραχυπρόθεσμων απειλών, αλλά ο μακροπρόθεσμος σχεδιασμός - όπως ο μετριασμός των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής - είναι πιο δύσκολο να επεξεργαστούμε. «Ίσως κάποιοι από τους περιορισμούς μας στη στρατηγική σκέψη να επανέρχονται στον τρόπο με τον οποίο διαφορετικά περιβάλλοντα ευνοούν την ικανότητα προγραμματισμού», είπε. «Δεν μπορούμε να σκεφτόμαστε σε γεωλογικές χρονικές κλίμακες». Ελπίζει ότι αυτό το είδος εργασίας με το αρχείο απολιθωμάτων μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό των δικών μας γνωστικών τυφλών σημείων. "Εάν μπορούμε να το κάνουμε αυτό, μπορούμε να σκεφτούμε τρόπους να ξεπεράσουμε αυτά τα τυφλά σημεία."