Η αρχαιότερη ανάσα: Απολίθωμα 289 εκατ. ετών αποκαλύπτει την εξέλιξη της αναπνοής

Η Ανακάλυψη απολιθώματος από την Οκλαχόμα φωτίζει ένα κρίσιμο στάδιο στην εξέλιξη της αναπνοής των πρώτων χερσαίων σπονδυλωτών. Ένα μικροσκοπικό, μουμιοποιημένο ερπετό που πέθανε πριν από περίπου 289 εκατομμύρια χρόνια αποκαλύπτει τον αρχαιότερο γνωστό μηχανισμό αναπνοής με πλευρικούς μύες στα αμνιωτά — την ομάδα που περιλαμβάνει όλα τα ερπετά, τα πτηνά, τα θηλαστικά και τους κοινούς προγόνους τους.

Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, περιγράφει την εξαιρετική διατήρηση του αρχαιότερου γνωστού συστήματος αναπνοής στα πλευρά σε δείγμα του Captorhinus aguti, ενός μικρού ερπετού της πρώιμης Πέρμιας περιόδου. Το απολίθωμα, μήκους λίγων εκατοστών, διατηρεί όχι μόνο οστά αλλά και τρισδιάστατο δέρμα, ασβεστοποιημένο χόνδρο και πρωτεϊνικά κατάλοιπα που προηγούνται κατά σχεδόν 100 εκατομμύρια χρόνια από κάθε άλλο γνωστό εύρημα.

«Το Captorhinus είναι ένα ενδιαφέρον ερπετό που μοιάζει με σαύρα και είναι κρίσιμο για την κατανόηση της πρώιμης εξέλιξης των αμνιωτών», δήλωσε ο Ethan Mooney, ο οποίος συν-ηγήθηκε της έρευνας ως φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο, στο εργαστήριο του καθηγητή Robert R. Reisz.

Ο Mooney, σήμερα υποψήφιος διδάκτορας στο Τμήμα Οργανισμικής και Εξελικτικής Βιολογίας του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ, συνεργάζεται με την παλαιοντολόγο καθηγήτρια Stephanie Pierce, συνεχίζοντας την έρευνά του για τα πρώιμα ερπετά.

Ένα μοναδικό απολίθωμα από την Πέρμια περίοδο

Τα είδη Captorhinus, μεγέθους από λίγα εκατοστά έως αρκετά πόδια, ήταν από τα πρώτα ερπετά που δοκίμασαν τη ζωή στη στεριά. Βρέθηκαν στις σπηλιές του Richards Spur στην Οκλαχόμα, μια περιοχή εξαιρετικά πλούσια σε απολιθώματα της ύστερης Παλαιοζωικής εποχής, γνωστή για την ποικιλία των χερσαίων σπονδυλωτών της.

Οι ιδιαίτερες συνθήκες του χώρου — υδρογονάνθρακες από πετρελαιοπηγές και λάσπη χωρίς οξυγόνο — επέτρεψαν τη διατήρηση όχι μόνο των οστών αλλά και του δέρματος και του χόνδρου, δημιουργώντας ένα τρισδιάστατο απολίθωμα σε στάση θανάτου, με το μπροστινό άκρο διπλωμένο κάτω από το σώμα.

Αποκάλυψη μέσω τεχνολογίας αιχμής

Με τη χρήση νετρονικής υπολογιστικής τομογραφίας (nCT) σε εξειδικευμένη εγκατάσταση στην Αυστραλία, οι ερευνητές κατάφεραν να εξετάσουν το απολίθωμα χωρίς να το καταστρέψουν. «Άρχισα να βλέπω δομές τυλιγμένες γύρω από τα οστά… υπήρχε ένα όμορφο περίβλημα δέρματος γύρω από τον κορμό, με υφή σαν ακορντεόν», ανέφερε ο Mooney. Το μοτίβο θύμιζε τις φολίδες των σύγχρονων σκωληκόσαυρων, μικρών ερπετών που ζουν υπόγεια.

Η πρώτη αναπαράσταση αναπνοής σε πρώιμο ερπετό

Η ομάδα μελέτησε τρία δείγματα Captorhinus από το Richards Spur και εντόπισε χόνδρινο στέρνο, πλευρικούς χόνδρους και συνδέσεις με την ωμική ζώνη. Για πρώτη φορά ήταν δυνατή η ανακατασκευή του πλήρους αναπνευστικού μηχανισμού ενός πρώιμου αμνιωτού.

Πριν την εμφάνιση αυτού του συστήματος, τα αμφίβια ανέπνεαν μέσω του δέρματος και με αντλία στόματος και λαιμού — μια μέθοδος ανεπαρκής για πιο ενεργό τρόπο ζωής. Η αναπνοή με πλευρική σύσπαση, δηλαδή η επέκταση και συμπίεση του θώρακα με τους μεσοπλεύριους μύες, αποτέλεσε εξέλιξη-κλειδί, επιτρέποντας την είσοδο περισσότερου οξυγόνου και την αποβολή διοξειδίου του άνθρακα.

«Προτείνουμε ότι το σύστημα που βρέθηκε στο Captorhinus αντιπροσωπεύει την πρόγονο μορφή της αναπνοής με πλευρική υποβοήθηση που υπάρχει σήμερα σε ερπετά, πτηνά και θηλαστικά», εξήγησε ο Reisz.

Εξέλιξη και διατήρηση πρωτεϊνών

Η χρήση των μυών του θώρακα αποτέλεσε καθοριστική καινοτομία για την κατάκτηση της στεριάς από τους πρώτους προγόνους των σύγχρονων ερπετών και θηλαστικών. «Ήταν μια αλλαγή παιχνιδιού που επέτρεψε σε αυτά τα ζώα να αποκτήσουν πολύ πιο ενεργό τρόπο ζωής», σημείωσε ο Mooney.

Ακόμη πιο εντυπωσιακό ήταν το εύρημα πρωτεϊνικών καταλοίπων σε οστά, χόνδρο και δέρμα, μέσω υπέρυθρης φασματοσκοπίας σύγχροτρον. Τα οργανικά αυτά μόρια, τα αρχαιότερα που έχουν εντοπιστεί ποτέ σε απολιθώματα της Παλαιοζωικής εποχής, προηγούνται κατά σχεδόν 100 εκατομμύρια χρόνια από το προηγούμενο αρχαιότερο δείγμα.

«Η ανακάλυψη πρωτεϊνικών καταλοίπων είναι εξαιρετική και επεκτείνει δραματικά τα όρια της κατανόησής μας για τη διατήρηση μαλακών ιστών στα απολιθώματα», τόνισε ο Mooney.

Τα απολιθώματα φυλάσσονται πλέον στο Royal Ontario Museum στο Τορόντο, όπου είναι διαθέσιμα για μελλοντική έρευνα. Ο Mooney συνεχίζει στο Χάρβαρντ την εξερεύνηση των εξελικτικών μυστικών των πρώιμων ερπετών, συμβάλλοντας στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι αρχαίοι αυτοί οργανισμοί διαμόρφωσαν τον σημερινό κόσμο.