Devonikauden keuhkokalojen arvoitukset paljastuvat uudelleen

Pieni ja odottamaton havainto on kääntänyt tutun luvun Maan syvästä menneisyydestä uuteen asentoon. Kulunut kallo, joka oli tulkittu väärin vuosien ajan, ja Yunnanista löydetty erinomaisesti säilynyt näyte pakottavat paleontologit harkitsemaan uudelleen, miten ne kalat — jotka lopulta johtivat maalle siirtyneisiin selkärankaisiin — alun perin monipuolistuivat.

Uudet rekonstruoinnit, jotka ovat mahdollistuneet modernin tietokonetomografian (CT) ja kolmiulotteisen kuvantamisen avulla, ovat paljastaneet anatomisia yksityiskohtia fossiileista, jotka aiemmin oli hylätty liian vaurioituneina tutkittavaksi. Tulokset yhdistävät kertomuksia kahdelta mantereelta: pohjoisen Australian devonikauden riutoilta ja Etelä-Kiinan merellisistä sedimenteistä. Yhdessä ne paljastavat varhaisten keuhkokalojen — lohifinnisten (Sarcopterygii) ryhmän, joka on lähimpänä nelijalkaisia (tetrapodit) johtavaa haaraa — sisällä tapahtuneen innovaatioryöpyn.

Väärin luetun kallon paljastus

Länsi-Australian Kimberleyn alueella sijaitsee Gogo-kerrostuma, riuttikompleksi, jota usein kutsutaan muinaiseksi Suureksi valliriutaksi. Useiden vuosikymmenien ajan se on ollut devonikauden fossiilien aarreaitta, josta on löytynyt erinomaisesti säilyneitä näytteitä, jotka tallentavat pehmeää anatomiaa — ominaisuuksia, jotka yleensä harvoin fossiloituvat. Yksi erikoinen Gogo-näyte on kuitenkin vaivannut tutkijoita: se oli epätäydellinen, vääristynyt ja niin outo, että sen ensimmäisen kuvauksen tekijät vuonna 2010 pohtivat, edustaisiko se kokonaan uutta kalalajia.

Korkean erotuskyvyn CT-kuvantamisen ja ANSTO:n sekä muiden tutkimuslaitosten tuen avulla Flindersin yliopiston paleontologit uusintaskannasivat näytteen ja rakensivat yksityiskohtaiset digitaaliset mallit kallosta ja aivokammioista. Kuva muuttui. Se, mitä aiemmat tutkijat olivat tulkinneet pinnan jälkien perusteella, oli kirjaimellisesti paikoin ylösalaisin ja takaperin. Sisäiset rakenteet — erityisesti sisäkorvan alue ja kalloontelo — asettuivat lähempänä tunnettuja Gogo-keuhkokaloja kuin aiemmin arvioitiin, mutta näytteessä on edelleen epätavallisia piirteitä, jotka vihjaavat riuttayhteisön kätketystä monimuotoisuudesta.

Chirodipterus australis -lajin kallon 3D-tulostus, keuhkokala Gogo-kerrostumasta, joka jakaa lähellä samankaltaisuuksia Cainocara enigma -näytteen kanssa.

Johtanut uudelleentulkintaan osallistunut tohtori Alice Clement toteaa, että tutkimus ei vain korjaa vanhaa tulkintaa; se laajentaa Gogo-kerrostumasta säilyneiden anatomisten variaatioiden luetteloa. Se, mikä aiemmin näytti vauriolta tai deformoitumiselta, tarjoaa nyt uuden datapisteen siitä, kuinka kallon rakenteet kehittyivät devonikauden keuhkokalojen joukossa — ryhmässä, jolla on keskeinen rooli tetrapodien synnyn tarinassa. Tämä lisätieto auttaa myös erittelemään, mitkä piirteet ovat tila- tai yksilökohtaisia deformaatioita ja mitkä todellisia morfologisia innovaatioita.

Lisäksi digitaalinen rekonstruktio mahdollistaa samalla lailla pinnalta näkymättömien liitosten ja pienien luuaukkojen tarkastelun, mikä parantaa taksonomisia vertailuja. Esimerkiksi sisäkorvan käytävien muoto ja niiden suhteet aivokammioon ovat usein systemaattisesti informatiivisia piirteitä, jotka voivat erottaa lähisukulaiset lajit toisistaan tai kertoa sopeutumisista tiettyihin ekologisiin lokeroihin, kuten matalavesien riutta- tai laguuniympäristöihin.

410 miljoonan vuoden ikäinen hetkikuva Kiinasta

Sillä välin kun australialaiset fossiilit selvensivät yhtä arvoitusta, Etelä-Kiinasta löytynyt erillinen näyte lisäsi toisen palan palapeliin. Lähes täydellinen kallo, joka on kuvattu nimellä Paleolophus yunnanensis (joissain populaarikuvauksissa myös Paleolopus), ajoittuu noin 410 miljoonan vuoden taakse. Tämä näyte edustaa siirtymämuotoa: se ei ole keuhkokalojen varhaisimpia edustajia, mutta kuuluu ajanjaksoon, jolloin linja kehittyi nopeasti kohti purentamekaniikkaa ja leukarakenteita, joita myöhemmin nähdään laajemmin devonikaudella.

Paleolophus paljastaa piirteiden mosaiikin. Jotkut sen ominaisuuksista toistavat eteläisestä Kiinasta tunnettuja primitiivisiä Diabolepis‑fossiileja; toiset vastaavat devonin keskivaiheen muotoja, jotka on kuvattu Wyomingista, sekä edistyneempiä lajeja, jotka on kirjattu Australiasta. Tuloksena on selkeämpi kuva siitä, miten ruokintasovellukset — murskaavat hammaskilvet, leukojen niveltymien muutokset ja kalloontelon vahvistuminen — syntyivät ja monipuolistuivat suhteellisen lyhyen geologisen ikkunan aikana.

Dr. Brian Choo, joka osallistui Yunnan-tutkimukseen, kuvaa fossiilia ennennäkemättömäksi näkymäksi ryhmän monimuotoistumisvaiheeseen. Kiinalainen näyte korostaa maantieteellisia yhteyksiä muinaisen Gondwanan ja Laurussian välillä, mikä viittaa siihen, että keuhkokalojen anatomiset kokeilut olivat laaja-alaisia eikä vain paikallisia erikoisuuksia. Tällaiset löydöt tukevat ajatusta siitä, että devonikauden merialueet mahdollistivat samanaikaisia evolutiivisia kokeiluja eri mantereilla, mahdollisesti johtuen samanlaisista ekologisista paineista kuten kilpailusta, saalistuspainetta ja muuttuvista merenpinnan korkeuksista.

Tämänlaajuiset vertailevat analyysit, joissa yhdistetään morfometriaa, fylogeneettisiä malleja ja funktionaalista anatomiaa, auttavat myös erittelemään, kuinka usein samanlaiset ratkaisut (konvergentti evoluutio) ilmestyivät eri paikoissa. Esimerkiksi murskaavien hammaskilpien kehittyminen useassa eri perimässä voi heijastaa laajalle levinnyttä sopeutumista kovempaa ravintoaineistoa kohtaan, kuten kuorellisia tai panssaroituja selkärangattomia lajeja vastaan.

Teknologiat, jotka muuttavat fossiilikertomuksia

Moderni kuvantaminen muokkaa enemmän kuin luita. CT-skannaus voi paljastaa sisäkorvan pienet käytävät, jotka kertovat, miten nämä eläimet aistivat liikettä ja asentoaan. Se voi ratkaista aivoontelon muotoja, jotka vihjaavat hermostollisista erikoistumisista, ja rekonstruoida herkkiä luukalvoja, jotka aikaisemmin olivat kadonneet eroosion myötä. Kun tutkijat yhdistävät skannauksia elävistä keuhkokaloista ja fossiloituneista kallioista, he voivat testata evoluutiollisia skenaarioita tarkkuudella, joka oli aiemmin mahdoton.

CT- ja µCT-menetelmät mahdollistavat myös 3D-tulostukset ja digitaalisen morfometrisen analyysin, joiden avulla voidaan simuloida leukojen liikeratoja ja purentavoimia. Nämä funktioon perustuvat rekonstruktiot tarjoavat suoraa näyttöä siitä, miten tietyt morfologiset muutokset olisivat voineet muuttaa ravinnon käyttöä ja sitä kautta lajien ekologista roolia. Esimerkiksi leukojen nivelpintojen muutos voi viitata siirtymiseen vetäytyvästä purennasta voimakkaaseen murskaukseen, mikä heijastuu fossiilisten hammaskilpien pinnan kulumismalleissa.

Yhteistyö museoiden, kuvantamiskeskusten ja kansainvälisten tutkimuslaitosten välillä on ollut ratkaisevaa. Koautori Hannah Thiele korosti työn olevan poikkitieteellistä ja riippuvaista laajasta osaamisesta: kenttökeräyksistä, laboratorioanalyysistä, laskennallisesta morfologiasta ja vertailevasta anatomiasta. Se muistuttaa, että elämän suurten lukujen tarinoita ei aina kirjoiteta uusilla kaivauksilla, vaan vanhojen näytteiden tuoreilla näkökulmilla.

Tohtori Alice Clement, vasemmalla, ja paleontologiopiskelija Hannah Thiele Flindersin yliopistossa, Australiassa.

Asiantuntijan näkemys

"Fossiilit eivät ole staattista näyttöä; ne ovat hypoteeseja, jotka odottavat uudelleentarkastelua", sanoo tohtori Maria López, evolutiivinen paleobiologi, joka ei ollut mukana tutkimuksissa. "Kun kuvantaminen paljastaa sisäisiä rakenteita, joita emme voineet nähdä pinnalta, koko fylogeneettinen sijoittelu voi muuttua. Tämä aaltoliike vaikuttaa siihen, miten mallinnamme raajojen, keuhkojen ja niiden piirteiden alkuperää, jotka yhdistävät kalat tetrapodeihin."

Nämä tutkimukset eivät sulje kirjaa devonikauden keuhkokaloista. Ne avaavat uusia sivuja. Jokaisen skannauksen ja uudelleenanalyysin myötä paleontologit pääsevät lähemmäs rekonstruoimaan paitsi sitä, keitä nämä eläimet olivat, myös kuinka nopeasti ja toistuvasti evolutiiviset kokeilut tapahtuivat kriittisellä kohtaa Maan historiassa. Seuraava näennäisesti käsittämätön fossiili saattaa olla se, joka viimein täyttää toisen aukon sillassa vedestä maalle.

Lisätutkimukset, mukaan lukien laajennetut fylogeneettiset analyysit, biomekaaniset simulaatiot ja laajempi näytteenotto eri devonikauden kerrostumista, ovat seuraava askel. Yhdistämällä perinteinen paleontologia moderniin kuvantamiseen ja laskennallisiin menetelmiin tiedeyhteisö voi paitsi puhdistaa vanhoja tulkintoja myös tunnistaa uusia kehityslinjoja, jotka auttavat selittämään, miten elämä siirtyi merestä monimuotoiseen maaekosysteemiin.