Hvordan fiskefinner udviklede sig lige før overgangen til land

Forskning i forstenede fisk fra den sene Devonperiode, for omkring 375 millioner år siden, beskriver udviklingen af ​​finner, da de begyndte at gå over i lemmer, der var egnede til at gå på land.

Den nye undersøgelse foretaget af palæontologer fra University of Chicago, offentliggjort i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences , bruger CT-scanning til at undersøge formen og strukturen af ​​finnestråler, mens de stadig er indkapslet i omgivende sten. Billedværktøjerne gjorde det muligt for forskerne for første gang at konstruere digitale 3D-modeller af hele finnen af ​​fishapoden Tiktaalik roseae og dens slægtninge i fossiloptegnelsen. De kunne derefter bruge disse modeller til at udlede, hvordan finnerne fungerede og ændrede sig, efterhånden som de udviklede sig til lemmer.

Meget af forskningen i finner i denne vigtige overgangsfase fokuserer på de store, tydelige knogler og bruskstykker, der svarer til dem i vores overarm, underarm, håndled, og cifre. Kendt som "endoskelettet, "Forskere sporer, hvordan disse knogler ændrede sig til at blive genkendelige arme, ben og fingre hos tetrapoder, eller firbenede væsner.

De sarte stråler og rygsøjler af en fisks finner danner et sekund, ikke mindre vigtigt "dermalt" skelet, som også undergik evolutionære ændringer i denne periode. Disse stykker bliver ofte overset, fordi de kan falde fra hinanden, når dyrene er fossiliserede, eller fordi de med vilje fjernes af fossile præparater for at afsløre de større knogler i endoskelettet. Dermale stråler danner det meste af overfladearealet på mange fiskefinner, men gik helt tabt i de tidligste væsner med lemmer.

"Vi forsøger at forstå de generelle tendenser og udviklingen af ​​det dermale skelet, før alle de andre ændringer skete og fuldgyldige lemmer udviklede sig, " sagde Thomas Stewart, Ph.D., en postdoc-forsker, der ledede det nye studie. "Hvis du vil forstå, hvordan dyr udviklede sig til at bruge deres finner i denne del af historien, dette er et vigtigt datasæt."

At se gamle finner i 3D

Stewart og hans kolleger arbejdede med tre sene devonske fisk med primitive træk fra tetrapoder:Sauripterus taylori, Eusthenopteron foordi og Tiktaalik roseae, som blev opdaget i 2006 af et hold ledet af UChicago palæontolog Neil Shubin, Ph.D., seniorforfatteren til den nye undersøgelse. Sauripterus og Eusthenopteron blev antaget at have været fuldt vandlevende og brugte deres brystfinner til svømning, selvom de måske har været i stand til at støtte sig op på bunden af ​​søer og vandløb. Tiktaalik kan have været i stand til at bære det meste af sin vægt med sine finner og måske endda brugt dem til at vove sig ud af vandet på korte ture på tværs af lavvandede områder og vadehav.

"Ved at se hele finnen på Tiktaalik får vi et klarere billede af, hvordan den støttede sig og bevægede sig. Finnen havde en slags palme, der kunne ligge i flue mod den mudrede bund af floder og vandløb, " sagde Shubin.

Stewart og Shubin arbejdede med bachelorstuderende Ihna Yoo og Justin Lemberg, Ph.D., en anden forsker i Shubins laboratorium, at scanne eksemplarer af disse fossiler, mens de stadig var indkapslet i sten. Ved hjælp af billedbehandlingssoftware, de rekonstruerede derefter 3-D-modeller, der gjorde det muligt for dem at bevæge sig, roter og visualiser det dermale skelet, som om det var helt udtrukket fra det omgivende materiale.

Modellerne viste, at disse dyrs finnestråler var forenklet, og den samlede størrelse af finnenettet var mindre end deres fiskerige forgængere. Overraskende nok, de så også, at toppen og bunden af ​​finnerne var ved at blive asymmetriske. Finnestråler er faktisk dannet af par af knogler. I Eusthenopteron, for eksempel, ryggen, eller top, finnestrålen var lidt større og længere end den ventrale, eller den nederste. Tiktaaliks rygstråler var flere gange større end dens ventrale stråler, tyder på, at den havde muskler, der strækker sig på undersiden af ​​dens finner, som den kødfulde base af håndfladen, for at hjælpe med at støtte dens vægt.

"Dette giver yderligere information, der giver os mulighed for at forstå, hvordan et dyr som Tiktaalik brugte sine finner i denne overgang, " sagde Stewart. "Dyr gik fra at svømme frit og bruge deres finner til at kontrollere strømmen af ​​vand omkring dem, at blive tilpasset til at skubbe af mod overfladen i bunden af ​​vandet."

Stewart og hans kolleger sammenlignede også de dermale skeletter af levende fisk som stør og lungefisk for at forstå de mønstre, de så i fossilerne. De så nogle af de samme asymmetriske forskelle mellem toppen og bunden af ​​finnerne, tyder på, at disse ændringer spillede en større rolle i fiskenes udvikling.

"Det giver os mere selvtillid og et andet datasæt, der siger, at disse mønstre er ægte, udbredt og vigtig for fisk, ikke kun i fossiloptegnelsen, da den relaterer til overgangen fra finne til lem, men finnernes funktion bredt."