Evoliucijos detektyvai: trūkstamų grandžių radimas

Kai apie atradimą buvo paskelbta 2006-aisiais, pranešimas mirgėjo viso pasaulio antraštėse. Žmones stebino ne tik pati fosilija, bet taip pat ir jos radimo būdas. Darvino laikais, gamtininkai rinko rinko viską, kas įdomu ir daugelis atradimų buvo padaryti atsitiktinai. Daeschleris ieškojo sistematiškiau. “Tiktaalik,“ sako jis, „buvo puikus pavyzdys spėjimo, kurį padaręs, gali nueiti ir patikrinti“ – atrasdamas tinkamą fosiliją.

Dabartiniai trūkstamų grandžių ieškotojai vis dažniau imasi tokios taktikos, numatydami ir tada, naudodamiesi įvairiais pažangiais instrumentais, – nuo genomų sekoskaitos iki modernių vaizdo gavimo technikų –, ieškodami fosilinių įrodymų. Toks būdas leidžia paleontologams sparčiai aiškintis evoliucijos inovacijas gyvybės kelyje.

Gyvybė prasidėjo gerokai anksčiau, nei prieš 3 milijardus metų – tai nurodo anglies izotopų santykis 3,8 milijardų metų amžiaus Grenlandijos uolose. Bet tokių senų fosilijų radimas yra labai problematiškas. Pirmoji evoliucijos grandinės grandis galėjo nesifosilizuoti, o, netgi jei ir taip, ji galėjo būti neatpažįstamai kitokia, nei bet kokia dabar egzistuojanti gyvybė. 3,4 milijardų metų amžiaus mikroskopinės struktūros Australijos uolose gali būti seniausi kol kas rasti fiziniai gyvybės pėdsakai. Ne visi tuo įsitikinę.

Kaip bebūtų, naudodamiesi genų analize, darome kito svarbaus pokyčio įžvalgas. Maždaug 2,4 milijardų metų uolienose yra geležies oksido, žyminčio deguonį išskiriančių fotosintetinančių organizmų atsiradimą. Ilgai buvo manoma, kad šie organizmai – cianobakterijos – radosi jūroje. Bet kai Carrine Blank iš Montanos universiteto Missoula'oje nuskaitė dabartinių cianobakterijų genomą, norėdama nubraižyti jų giminės medį, ji rado stiprių įrodymų, kad visos protėvinės rūšys gyveno gėlame vandenyje (Geobiology, vol 8, p 1). Tai rodo, kad fotosintezė prasidėjo gėlame vandenyje, tikriausiai prieš 3 – 2,5 milijardo metų. Vadovaudamiesi šiuo atradimu, Blank kolegos, ieškodami cianobakterijų fosilijų, dėmesį sutelkė į senovinių ežerų ir upių nuosėdas

Pirmieji fotosintetintojai buvo vienaląsčiai be branduolio. Tada atsirado organizmai su ląstelių branduoliu, kurių seniausios iškasenos datuojamos maždaug 1,8 milijardo metų. Kitas evoliucijos didelis triukas buvo daugialąstės gyvybės atsiradimas – svarbiausia trūkstama grandis. Tyrimai, naudojantys genetinio kitimo spartą ekstrapoliacijai nuo dabartinių gyvūnų rodo, kad pirmieji gyvūnai atsirado prieš 1000 – 600 milijonų metų. Tačiau tokio amžiaus iškasenos itin retos, ir netgi kur jos egzistuoja, sunku atskirti paprastą daugialąstelinę gyvybę nuo vienaląsčių organizmų kolonijų.

Ediakarai – kempininiai, panašūs į susiraukšlėjusį kilimą, prie jūros dugno prisitvirtinę padarai – atsirado maždaug prieš 585 milijonus metų. Prieš 542 milijonus metų jie staiga išnyko evoliucinių pokyčių pliūpsnyje, žinomame, kaip Kambro sprogimas. Galime atsekti daugumos dabar gyvenančių gyvūnų grupių ištakas šiame periode, kuriame vyko pirmųjų gyvūnų su kietomis kūno dalimis ir pirmųjų plėšrūnų evoliucija. Šis pokytis taip smarkiai pakeitė gyvąjį pasaulį, kad ryšys tarp kambro ir ediakaro periodų faunos išlieka paslaptimi.

Tačiau neseni tyrinėjimai nušvietė pagrindinę inovaciją, nutikusią jūrose po 100 milijonų metų. „Viena iš didžiausių neišspręstų evoliucijos mįslių yra tarpas tarp stuburinių, neturinčių žandikaulių ir juos turinčių,“ sako Johnas Longas iš Los Andželo apygardos Gamtos istorijos muziejaus. Žandikaulių evoliucija buvo gyvybiškai svarbi rūšių vystymuisi, – nuo ryklių ir Tyrannosaurus rex iki žmonių. „Tam reikėjo visos kaukolės anatomijos pertvarkymo,“ pažymi Longas. Dabar žinoma, kada ir kur šis anatominis pertvarkymas prasidėjo. 2011 m., Zhikun Gai iš Stuburinių paleontologijos ir paleoantropologijos instituto Pekine, Kinijoje, paskelbė radęs svarbią tarpinę formą (Nature, vol 476, p 324). Atradimą jis padarė, naudodamas sinchrotroninę rentgeno spindulių mikroskopiją, suteikiančią galimybe daryti submikrometrinės raiškos 3D atvaizdus, nesunaikinant mėginio.

Gai skenuotas bežandės žuvies galeaspido mėginys jau buvo ištirtas optiniu mikroskopu, bet rentgeno spinduliai atskleidė kai ką naujo, paslėpto uoloje. Ne taip, kaip kitose bežandėse žuvyse, turinčiose vieną nosies skylę, Gai rado jų porą, po vieną abejose kaukolės pusėse. Tobulesnėse žuvyse erdvė tarp nosies ertmių leidžia embriono ląsteIei, iš kurios formuojasi žandikauliai, migruoti į reikiamą vietą. Tad, nors galeaspidai ir buvo bežandžiai, išvystę porines nosies skyles, jie pašalino barjerą žandikaulių formavimuisi. Gai dabar planuoja perkelti besiformuojančių žandikaulių paieškas toliau, jau po bežandžių žuvų.

Prabėgus 70 milijonų metų nuo to laiko, kai aptartasis galeaspidas plaukiojo jūrose, žuvys atliko dar vieną evoliucinį šuolį, išlipdamos į sausumą. Tiktaalik ir į jį panašūs buvo pirmosios žuvys, turėjusios pakankamai stiprias galūnes, kad galėtų išlipti į krantą, bet jie nebuvo tikrieji sausumos apgyvendintojai. Tikrų amfibijų išsivystymas truko dar dešimtis milijonų metų. Tikslų įvykio laiką ir būdą slepia tarpas fosilijų chronologijoje, vadinamasis Romerio spraga, pavadintas pirmojo jį pastebėjusio paleontologo Alfredo Romerio garbei. Kodėl fosilijų iš šio laikotarpio prieš 360 – 345 milijonus metų tiek mažai, tebediskutuojama, bet žinome, kad jis prasidėjo po devono periodo pabaigos masinio išmirimo, Hangenbergo įvykio, kai išnyko daugelis primityvių žuvų. Mėsingapelekės žuvys bei irklagalūniai Tiktaalik, Acanthostega palikuoniai išnyko. Kaip ir senovinės šarvuotos žuvys skydaodžiai, tarp kurių ir siaubingas 10 metrų ilgio Dunkleosteus. Po spragos, modernesnės spinduliapelekės žuvys ir rykliai dominavo jūrose, ir amfibijos salamandriškomis kojomis vaikštinėjo po sausumą.

Pa­sta­ruo­ju me­tu JK bu­vo at­ras­tos kelios Ro­me­rio spra­gos lai­kų fo­si­li­jų ra­dim­vie­tės. No­rė­da­mi tin­ka­mai šią spra­gą už­pil­dy­ti, pa­leon­to­log­ai pla­nuo­ja drą­sų pro­jek­tą: iš­gręž­ti 500 met­rų gy­lio grę­ži­nį per uo­lie­nas, ku­rio­se pa­laid­ot­os šios fo­si­li­jos. No­ri­ma gau­ti ker­ną, ap­im­an­tį tuos pa­slap­tin­guo­sius 15 mi­li­jo­nų me­tų. TW:eed pro­jek­tas, pa­va­din­tas pa­gal ka­si­nė­ji­mų vie­tą ne­to­li Tweed u­pės Ško­ti­jos ir Ang­li­jos pa­sie­ny­je, kai­nuos be­veik 400 000 £ ir jo fun­da­tor­ius bus JK Gam­ti­nės ap­lin­kos ty­ri­mo ta­ry­ba. To­kie bran­gūs grę­ži­niai ne­daž­ni pa­le­on­to­log­ij­oje, bet ty­rė­jai ma­no, kad pas­tan­gos at­si­pirks. Mik­ro­fo­si­li­jos iš ker­no tar­naus kaip žy­me­kliai ša­li­mais e­san­čių fo­si­li­jų da­ta­vi­mui ir jų są­sa­jų į­ver­ti­ni­mui, ir gal­būt de­mis­ti­fi­kuos am­fi­bi­jų at­si­ra­di­mą.

Ki­tur pa­le­on­to­log­ai stu­mia­si pir­myn, pa­žin­da­mi la­biau­siai nio­ko­jan­tį iš­ny­ki­mą. Iki 96 pro­cen­tų jū­rų gy­ven­to­jų ir 70 pro­cen­tų sau­su­mos stu­bu­ri­nių iš­mi­rė per­mo pe­rio­do pa­bai­gos iš­ny­ki­me, prieš 252 mi­li­jo­nus me­tų. Per ki­tus 20 mi­li­jo­nų me­tų iš­ki­lo ar­cho­zau­rai, „vieš­pa­tau­jan­čios rep­ti­li­jos“, da­vu­sios pra­džią vi­siems pauk­ščiams, kro­ko­di­lams, di­no­zau­rams ir pte­ro­zau­rams. Pir­mo­sios ar­cho­zau­rų fo­si­li­jos pa­si­ro­do tri­aso pra­džio­je. Ne­tru­kus gru­pė iš­si­ša­ko­jo į di­no­zau­rų ir kro­ko­di­lų li­ni­jas, ir čia rei­ka­lai da­ro­si mig­lo­ti. Maž­daug 247 mi­li­jo­nų me­tų am­žiaus Cte­no­sau­ris­cus bu­vo vie­nin­te­lis at­pa­žin­tas an­ksty­va­sis kro­ko­di­lų gi­mi­nai­tis 2011 m. (PLoS ONE, vol 6, p e25693). Dinozauro ar dinozauromorfo, jo artimo giminaičio pėdsakai, rasti Lenkijoje 2010-aisiais netgi dar senesni. Bet dar labai neseniai seniausia žinoma dinozauro fosilija tebuvo 230 milijonų metų amžiaus.

Pernai atrastas 10 – 15 milijonų metų senesnė iškasena. Nyasasaurus tapo siurprizu nemaža dalimi dėl to, kad dešimtmečius dulkėjo Gamtos istorijos muziejuje Londone. Jis ir Ctenosauriscus bu­vo identifikuoti kaip trūkstamos grandys dėl augančios ankstyvųjų archozaurų pavyzdžių duomenų bazės. Su programine įranga, lyginančia daugelio rūšių fizinius bruožus, galime aptikti sąsajas, kurios skeletuose nėra tokios akivaizdžios. Pavyzdžiui, Ctenosauriscus ant nugaros turi burę, bet kompiuteris atskleidė daug ne tokių akivaizdžių bruožų, priskiriančių juos krokodilams. Nyasasaurus kaip potencialią trūkstamą grandį pažymėjo Sterlingas Nesbittas iš Fieldo Gamtos istorijos muziejaus Čikagoje, atliekančio kasinėjimus Manda atodangoje Tanzanijoje, kur fosilija ir bu­vo rasta. Kompiuterinė analizė parodė, kad tai yra ankstyvasis dinozauras arba artimas giminaitis (Biology Letters, vol 9, p 20120949).

Nesbittas dar naudoja ir labiau paplitusį įrankį, kuris būtų labai pagelbėjęs praeities fosilijų medžiotojams. Pernai, prieš grįždamas prie Manda atodangų, jis su kolegomis pasinaudojo Google Earth. „Pasirodo, mes vaikščiojom šalia didelės atodangos, gal už 30-ies metrų šalia tako, bet negalėjome jo matyti per aukštą žolę,“ prisimena jis. Grįžus į radimvietę, pasirodė, kad atodangoje bu­vo pilna fosilijų.

Nežiūrint šių sėkmių, viena archozaurų palikuonių grupė lieka paslaptinga. Pterozaurai vystėsi triaso pradžioje ar viduryje, bet jų kaulai bu­vo tuščiaviduriai, o jų protėviai tikriausiai bu­vo maži ir lengvai sudėti, tad jų fosilijos retos. „Niekas tikrai nežino iš kur atsirado pterozaurai,“ sako Stephenas Brusatte iš Edinburgo universiteto, JK. „Pasigendame pterozauro archeopterikso.“ (žr. „Senovinis plakatų vaikas“.)

Kaip amfibijos ir archozaurai, dabariniai žinduoliai išsivystė po masinio išmirimo: manyta, kad asteroido smūgis prieš 66 milijonus metų dinozaurus išnaikino. Bet žinduoliai, atsiradę per vėlesnius 10 milijonų metų „vis dar paslaptis“, sako Thomasas Williamsonas iš Niu Meksiko Gamtos istorijos ir mokslo muziejaus Albukerkėje. Neseni kasinėjimai parodė kai kuriuos ryšius su dabartinėmis grupėmis, taip pat ir kulkšnies kaulus, rodančius, jog seniausias žinomas primatas, Purgatorius, laipiojo medžiais prieš 65 milijonus metų ten, kur dabar yra Montana. Bet kiti ryšiai lieka neaiškūs ir seniausios tokių grupių, kaip šikšnosparniai ir banginiai iškasenos pasirodo tik daug vėliau. Williamsonas ir Brusatte naudoja techniką, panašią į naudotą, medžiojant ankstyvuosius archozaurus, stengdamiesi suprasti, kaip žinduoliai atsirado ir paplito.

Tuo tarpu medžioklė tęsiasi keliose fosilijų radimvietėse, kur ankstyvieji žinduoliai išsaugoti su nepažeistais minkštaisiais audiniais. 2009 m., Darwinius, 47 milijonų metų iškasena bu­vo rasta Messel pelkėje, netoli Darmstadto, Vokietijoje. Pavadinta Ida, ši iškasena sukėlė didelį sujudimą, kaip galima trūkstama grandis žmogaus kilmės linijoje. Dabar žinome, kad tai bu­vo vėliau išnykusi atšaka, bet Darwinius vis vien suteikia svarbių įžvalgų ankstyvųjų primatų anatomijoje.

Kaip genetika padėjo išnarplioti ankstyviausių gyvybės formų kilmę, taip nušviečia ir mūsų pačių evoliucijos paslaptis. Pavyzdžiui, dabar žinome, kad žmonių ir šimpanzių genetinių linijų atsiskyrimas įvyko daug anksčiau, nei manyta. Naudojant mutacijų spartą, kaip molekulinį laikrodį, paaiškėjo, kad mūsų bendri protėviai gyveno maždaug prieš 7 – 13 mln. metų. (Ankstesnis ir netikslesnis laikrodis rodė, kad jie gyveno prieš 4 – 6 mln. m.) Be to, kad nukreipė fosilijų ieškotojus prie teisingo amžiaus nuosėdų, šis atradimas gali pakeisti vertinimą beždžionių fosilijų, kurios bu­vo laikomos pernelyg senomis.

Tačiau didžiausias genetikos pasiekimas paleontologijoje bu­vo prasmės suteikimas fosilijų atliekoms. Patys savaime, atskiri piršto kaulo, danties ir kojos piršto kaulo fragmentai, rasti Denisovo oloje Sibire mums sakė ne daugiau, nei tai, kad maždaug prieš 40 000 metų čia gyveno homininai. Bet nuskaityta DNR seka atskleidė, kad jie neišvaizdūs kaulai priklauso anksčiau nežinotai žmonių linijai, kuri dalinosi ledynmečio Euraziją su neandertaliečiais ir dabartinais žmonėmis. Atradimas daug reikšmingesnis, nei prarasto pusbrolio išsiaiškinimas: apie 5 procentus denisovo žmogaus genų išliko dabartinių Papua Naujosios Gvinėjos žmonėse. Panašiai ir neandertaliečių DNR analizė rodo, kad daugelis mūsų turime šiek tiek neandertaliečių palikimo.

Žinoma, kai kurie atradimai vis dar daromi senamadiškais tyrimais. Prieš dešimtmetį pasaulį pribloškė Homo floresiensis, „hobitas“. Jo skeletas rastas Indonezijos Flores saloje, kur gyveno bent iki 17 000 metų nuo mūsų dienų. Pernai atrasta, kad kita primityvių žmonių grupė Raudonojo Elnio Olos žmonės, gyveno dabartinės Kinijos teritorijoje netgi dar vėliau. Jei tyrėjams iš jų liekanų pavyktų išskirti DNR, mūsų supratimas apie žmonių evoliuciją smarkiai prasiplėstų.

Dabar esame geriau, nei bet kada pasiruošę išspręsti išlikusias evoliucijos paslaptis. Be sudėtingų technologijų įrankių, dabarties paleontologai turi dar vieną svarbų pranašumą prieš praeities paleontologus: per kartas sukauptas žinias. Kas kasinėjimuose anksčiau būdavo atmetama, dabar turi daugiau šansų būti atpažinta. Pavyzdžiui, Nesbittas, atpažino niekuo neišskirtinį 10 centimetrų ilgio kaulą, kaip archozauro šlaunikaulį, nuvedusį prie viso Xilousuchus, ankstyvojo krokodilo, skeleto atradimo.

„Beveik kasdien vyksta kažkas naujo ir jaudinančio, nauja fosilija ar publikacija,“ sako Brusatte. „Tai aukso amžius.“