Ieşirea din ape: cum au cucerit animalele uscatul?

Aventura a avut multe etape, mai multe episoade. Primele care au colonizat uscatul au fost microorganismele; au urmat plantele şi ciupercile. Pe urmele lor, au sosit animalele nevertebrate, iar ultimele – vertebratele, reprezentate la vremea acceea doar prin peşti, cele mai complexe forme de viaţă, cele „mai sus” pe scara evoluţiei acum cca. 395 de milioane de ani, când a început aventura. Asupra lor, a vertebratelor, ne vom opri, încercând să înţelegem cum s-a trecut de la peştii dependenţi de mediul acvatic la tetrapode – vertebratele cu patru „picioare” – capabile să trăiască pe uscat, să respire aer şi să se deplaseze suportând şi înfruntând permanent forţa gravitaţională care tinde să le lipească de pământ.

Tetrapodele sunt azi reprezentate prin patru clase de animale:

• Fizicienii au găsit dovezi pentru „timpul negativ”
• Astronomii din Galați au descoperit o nouă stea variabilă! Ce nume a primit?

• amfibienii (broaşte, tritoni, salamandre), care îşi împrat viaţa între două lumi, cea a apelor şi cea a uscatului
• reptilele (dintre care fac parte şerpii, şopârlele, ţestoasele, crocodilii), în marea lor majoritate adaptate complet modului de viaţă terestru, cel puţin sub aspect reproductiv, aşa cum veţi vedea
• păsările
• mamiferele

Toate au evoluat, cumva, din peştii care populau mările Devonianului (acum 419-359 milioane de ani), perioadă geologică poreclită, de altfel, Era Peştilor, datorită exploziei evolutive a acestui grup, diversificării lui masive în această epocă a istoriei vieţii pe Terra.

O lume plină de provocări

A trece din mediul acvatic în cel terestru este un salt foarte dificil. Atât de mari sunt diferenţele între cele două medii, încât schimbarea a implicat adevărate tururi de forţă ale evoluţiei, în ceea ce priveşte adaptările, căci problemele pe care au trebuit să le rezolve vertebratele pentru a putea trăi pe uscat au fost extrem de complicate.

În primul rând, exista problema gravitaţiei. În mediul lichid, apa, cu densitatea ei mare, susţinea corpul animalelor, care astfel se puteau mulţumi cu structuri de rezistenţă mai firave şi se puteau deplasa cu mai multă uşurinţă. Pe uscat, însă, creaturi care în apă înotau sau pluteau cu graţie deveneau greoaie sau chiar incapabile să se deplaseze oricât de puţin, imobilizate de atracţia gravitaţională – necompensată de forţa de susţinere a apei – care le trântea la pământ.

Dar care a fost punctul de pornire în această evoluţie? Din ce grup de vieţuitoare au evoluat tetrapodele? Dovezile fosile arată că în  Devonian (acum 419-359 milioane de ani) au existat peşti numiţi tetrapodomorfi, care prezentau, adică, şi anumite caracteristici ce aminteau de tetrapode, aşa cum este Tiktaalik, un peşte azi dispărut, dintr-un grup numit sarcopterigieni; aceştia sunt peşti la care unele dintre înotătoare sunt ataşate de câte un peduncul musculos, ca un picior.

Reconstituirea lui Tiktaalik, peştele tetrapodomorf ale cărui înotătoare laterale au câte un peduncul musculos, amintind de un picior.    

Pare logic să considerăm că din peşti de acest gen au apărut primele tetrapode, care apoi au pornit să cucerească uscatul. Dar lucrurile nu sunt aşa de simple.â

Multă vreme s-a crezut că primele tetrapode au evoluat din peşti care dobândiseră deja capacitatea de a se târî pe sol, ieşind temporar din apă, poate pentru a trece de la un ochi de apă la altul.

Existenţa, şi în ziua de azi, a unor peşti capabili „să facă naveta” între cele două medii, deplasându-se uşor în apă şi ceva mai greu, dar îndeajuns de eficient, şi pe uscat (aşa cum este Periophtalmus – în fotografia şi materialul video de de mai jos) păreau să suţină această ipoteză.

Periophtalmus, un peşte actual capabil să se deplaseze şi pe uscat, sprijinindu-se pe înotătoarele pectorale ca pe nişte cârje.    

Se considera, aşadar, că dintr-un grup de peşti în stare să trăiască alternativ în cele două medii şi să se deplaseze pe uscat s-ar fi desprins primele tetrapode, un grup cunoscut sub numele de labiritodonte, care şi-ar fi petrecut o mare parte a vieţii pe uscat, hrănindu-se în acest mediu, dar reţinând din viaţa acvatică a strămoşilor lor reproducerea în mediul lichid, prin intermediul unui stadiu de mormoloc, aşa cum există şi azi la amfibieni.

Dar când a au fost analizate mai atent fosilele unui astfel de tetrapod străvechi, numit Acanthostega, despre care se crezuse că a realizat deja saltul evolutiv de la peşte la amfibian, s-a constat că ipoteza nu stă în picioare, cum nu stătea nici animalul respectiv. Examinarea, ]n 1987, a unui schelet fosil aproape complet de Acanthostega, vechi de 363 de milioane de ani, a arătat că acest animal, lung de vreun metru, deşi avea picioare şi prezenta atât branhii, cât şi plămâni (putând aşadar să respire în ambele medii de viaţă), n-ar fi putut totuşi trăi pe uscat: articulaţiile membrelor sale erau prea slabe pentru a-i putea susţine greutatea pe  sol, iar coastele erau prea scurte pentru a-i proteja plămânii, care ar fi fost turtiţi de greutatea animalului, atunci când acesta ar fi fost întins la pământ. Aşa că vechea ipoteză a fost înlocuită cu una nouă: Acanthostega era, probabil, un prădător care-şi petrecea toată viaţa în apă, şi anume în ape puţin adânci, iar scheletul său – care diferă destul de mult de cel al peştilor – era astfel adaptat încât să-i permită să-şi ridice capul deasupra apei pentru a respira aer, în timp ce restul corpului rămânea în apă. Oasele maxilarelor erau astfel alcătuite încât să-i permită animalului „să ia câte o gură de aer”, oasele de la baza craniului erau îmbinate strâns, oferind un suport solid petnru ancorarea muşchilor care permiteau înălţarea capului deasupra apei, iar animalul prezenta un gât, ca parte distinctă a corpului, ceea ce îl  deosebea clar de peşti.

Acanthostega, una dintre formele de tranziţie de la peşti spre amfibieni.    

Se crede că proliferarea plantelor terestre în perioada devoniană, în care a trăit Acanthostega, ar fi contribuit la apariţia acestor adaptări: cantităţile mari de frunze căzute în apă se descompuneau, consumând oxigenul dizolvat în apă, aşa că o soluţie adaptativă găsită de unele organisme acvatice ar fi fost trecerea la respiraţia aeriană, prin plămâni.

Scenariul complet al acestei treceri de la un mediu de viaţă la altul este însă departe de a fi complet. Se cunosc fosile ale mai multor forme de tranziţie între peşti şi creaturi ca Acanthostega, dar „post –Acanthostega„, lucrurile nu mai sunt atât de clare:  există o lacună, un gol de vreo 15 de milioane de ani (numit golul lui Romer, după numele paleontologului care a observat problema) între fosilele tetrapodelor ancestrale şi formele de tetrapode bine adaptate anatomic la viaţa  în mediul terestru. Nu putem decât să sperăm că viitoarele cercetări şi descoperiri vor umple cît mai repede acest gol.

Un al doilea obstacol în calea cuceririi uscatului de către animalele acvatice era reprezentat de pericolul deshidratării. Iar ameninţarea începea, pentru animale, încă dinainte de venirea lor pe lume.

Pe când tot ceea ce mişca pe planeta Terra trăia în apă, animalele acvatice îşi duceau viaţa fără nici o grijă pentru economia de apă, căci apa le înconjura din toate părţile şi exista din belşug. Ţinând seama de felul în care erau alcătuite şi funcţionau aceste organisme, viaţa în afara apei nu era posibilă, nici viaţa individului, nici viaţa speciei: animalele trăiau şi se reproduceau în mediul acvatic. Ouăle depuse aici, bogate în apă, erau înconjurate de o membrană moale, permeabilă, aşa cum sunt şi azi icrele peştilor şi ouăle broaştelor, de pildă. Ieşind din ape, însă, vertebratele au descoperit un mediu dur, ostil făpturilor acvatice, astfel încât au fost necesare milioane de ani de adaptare.

Unele specii n-au realizat trecerea completă, iar dintre speciile de azi, multe păstreaza în biologia lor amintirea „marii treceri”, mărturia felului în care s-au petrecut lucrurile. Amfibienii, de pildă, îşi trag numele tocmai de la natura lor „duală”: respiră prin plămâni, ca animalele terestre, dar pielea lor subţire şi umedă nu rezistă mult într-un mediu uscat şi, mai ales, au nevoie de prezenţa apei pentru a se reproduce. Broaştele, salamandrele, tritonii  îşi depun ouăle în apă sau cel puţin în locuri umede, iar la marea majoritate a speciilor, din ouă apar mormoloci în întregime acvatici, care respiră prin branhii, asemenea strămoşilor-peşti. Metamorfoza – trecerea de la ou la adult, prin stadiul intermediar de mormoloc  – este o reamintire, o versiune foarte prescurtată şi rapidă a lungului proces prin care s-a trecut de la vertebratele acvatice la cele de uscat.

Amfibienii sunt dependenţi de apă pentru a se reproduce, deoarece îşi depun ouăle în mediul acvatic.    

Au existat însă şi specii care au mers până la capăt, pă­ră­sind definitiv apele şi adaptându-se complet uscatului, iar acestea au trebuit să inoveze, nu glumă. Oul cu înveliş moale, hidratat, nu mai era potrivit pentru noul mediu, deoarece, expus aerului, s-ar fi uscat şi nimic viu n-ar mai fi putut ieşi din el. Aşa ca a fost „inventat” oul cu coajă. Tipic reptilelor şi păsărilor, acest aşa-numit ou amniotic reprezintă o strălucită soluţie tehnică la problema deshidrătarii: coaja sa groasă (nu întotdeauna dură, uneori pieloasă, dar, oricum, rezistentă) permite trecerea oxigenului, dar e o barieră eficienta împotriva deshidratării. Adăpostit în ea, embrionul se hrăneşte dintr-un concentrat de substanţe nutritive, până când este îndeajuns de dezvoltat pentru a se lipsi de oul protector, începându-şi viaţa în mediul dur al uscatului planetei, unde va produce, la rându-i, ouă, pui…

Ouă de piton, cu o coajă flexibilă,dar suficient de rezistentă pentru a apăra embrionul, inclusiv de pericolul deshidratării.    

Păsările au perfecţionat oul amniotic, acesta dobândind o coajă groasă, ce apără de deshidratare embrionul.    

Dar, ca să se ajungă la ouă şi pui, trebuia mai întâi să aibă loc fecundarea, nu-i aşa? Reproducerea pe uscat s-a dovedit şi din acest punct de vedere o provocare. În mediul acvatic, animalele practicau predominant fecundaţia externă: ovulele şi spermatozoizii erau eliberate în apă, unde spermatozoizii fecundau ovulele. (Aşa cum se întâmplă şi azi la majoritatea peştilor şi a nevertebratelor acvatice). Dar pe uscat metoda asta n-avea cum să funcţioneze. Era nevoie de o inovaţie. Şi aşa a apărut fecundarea internă, modul universal de înmulţire în lumea vertebratelor terestre.

Respiraţia a fost, iarăşi, una dintre problemele cărora a trebuit să i se găsească o rezolvare. Branhiile peştilor, care asigurau respiraţia pe baza oxigenului dizolvat în apă, nu mai puteau funcţiona pe uscat; era nevoie de stucturi noi, specializate. Treptat, au apărut plămânii, iar primele vertebrate capabile să respire astfel semănau, probabil mult, în această privinţă, cu unele dintre cele câteva specii de peşti pulmonaţi actuali, numiţi peşti dipneuşti sau dipnoi. Sunt cunoscute numai 6 specii în întreaga lume şi trăiesc numai în emisfera sudică, în Australia, Africa şi America de Sud. Sunt peşti cu plămâni,  „dotări” anatomice ce le permit să respire aer atmosferic. În Devonian, treptat, din peştii asemănători dipnoilor, capabili să-şi împartă viaţa între mediul acvatic şi cel terestru s-au dezvoltat vertebratele care au trecut definitiv la respiraţia aeriană.

Pe vremea când primele tetrapode păşeau pe pământ…

Timp de decenii, oamenii d ştiinţă au crezut că trecerea la viaţa terestră a avut loc la sfârşitul perioadei devoniene, acum 370-360 milioane de ani. Era un interval surprinzător de scurt pentru o schimbare aşa de importantă, dar, în lipsa unor date mai precise, lumea ştiinţifică se mulţumea cu atât. Însă descoperiri recente arată că, totuşi, procesul a început cu mai multă vreme în urmă. În 2010, în Munţii Świętokrzyskie din Polonia au fost descoperite urme ale paşilor unor tetrapode, unele dintre urme având şi amprente de degete. Acolo unde se înalţă acum aceşti munţi, cândva se întindea marea, iar urmele s-au păstrat în sedimente marine pietrificate. Vârsta acestor urme este de 395 de milioane de ani – cu 18 milioane de ani mai vechi decât cele mai vechi resturi  scheletice de tetrapode cunoscute până în prezent. Urmele au fost lăsate de un animal capabil efectiv să păşească, adică să-şi împingă în faţă membrele, un tip de locomoţie de care peştii tetrapodomorfi precum menţionatul Tiktaalik nu erau capabili.
Se estimează că animalul care a lăsat urmele descoperite în Polonia avea până la 2,5 m lungime (ditamai tetrapodul ancestral!), iar descoperirea sugerează un scenariu în care aceste tetrapode primitive ar fi trăit în zona intertidală  (dintre linia fluxului şi cea a refluxului), hrănindu-se cu organisme marine aruncate pe ţărm.

Una dintre marile probleme ale noii lumi pe care au cucerit-o verterbratele consta în faptul că mediul acvatic, în general, era mult mai uniform decât cel terestru, care oferă o varietate de habitate – tot atâtea provocări ce necesită soluţii adaptative.

Însă, cu toate dificultăţile, posibilităţile mediului terestru erau uriaşe, oportunităţile pe care le oferea erau extraordinare: o mulţime de nişe ecologice noi aşteptau să fie ocupate de specii care ar fi izbutit să se adapteze, realizând tranziţia de la acvatic la terestru. Odată cu această tranziţie, posibilităţile de diversificare  a animalelor s-au multiplicat considerabil: s-au deschis mii de drumuri noi, ducând la apariţia claselor de vertebrate terestre pe care le cunoaştem şi azi: reptilele şi descendenţii lor – păsările şi mamiferele.  Iar acestei reuşite îi datorăm şi noi, oamenii, cele mai evoluate tetrapode – sau aşa ne place nouă să credem – faptul că ne aflăm acum aici şi discutăm despre modul în care s-ar fi putut petrece Marea Tranziţie.