Bu keşif, hayvanların neden belirgin boyunlar geliştirdiğine dair onlarca yıllık bir açıklamayı sorguluyor. Boyunlar, baş hareketlerini iyileştirmek için evrimleşmek yerine, hayvanların ön uzuvlarını hareket için kullanmalarına olanak tanıyan iskeletteki daha geniş değişikliklerin bir parçası olarak ortaya çıkmış olabilir.

Bu olasılığı araştırmak için uluslararası bir araştırma ekibi, yeni fosil kanıtlarını yaşayan balıklar üzerinde yapılan deneyler ve eski anatominin bilgisayar modelleriyle birleştirdi. 14 Ekim’de Nature dergisinde yayınlanan bulguları , Dünya tarihinin en önemli evrimsel geçişlerinden birine yeni bir bakış açısı sunuyor.

“Bu, Dünya tarihinin gerçekten ilginç bir dönemi; ilk ormanların oluştuğu ve Dünya’nın radikal bir şekilde yeniden düzenlendiği bir dönem,” diyor Penn State’te biyoloji yardımcı doçenti ve araştırma ekibinin üyesi Tom Stewart. “Dolayısıyla, soyumuzun sudan karaya geçişini tam olarak ne zaman, nasıl gerçekleştirdiğini ve hangi anatomik sistemlerin değiştiğini anlamak, bu öykünün önemli bir parçası. Harika olan şey, yaklaşık 380 milyon yıl önce iskelette meydana gelen değişikliklerin çoğunun bugün hala kendi vücutlarımızda yansımasının olması.”

Bilim insanları hayvanların boyunlarının evrimleştiğini neden düşünüyordu?

On yıllarca geçerli olan açıklama, boyunların, dört uzuvlu omurgalıların ataları olan erken tetrapodların, su dışındaki yaşama uyum sağlarken başlarını daha iyi kontrol edebilmeleri için evrimleştiği yönündeydi.

Mantık oldukça basit görünüyordu. Sığ sularda yaşayan veya karaya çıkan bir hayvan, avını bulmak, tehditleri tanımak ve çevresini keşfetmek için aşağıya bakmaktan veya başını sağa sola çevirmekten fayda görürdü. Esnek bir boyun, tüm vücudunu yeniden konumlandırmadan bunu yapmasına olanak tanırdı.

Modern balıkların genellikle belirgin bir boyunları yoktur çünkü omuz yapıları doğrudan kafataslarına bağlanır. Başka bir yöne bakmak için genellikle vücutlarını döndürmek zorunda kalırlar. Bu nedenle, başın omuzlardan ayrılması, daha fazla hareketlilik için önemli bir adım gibi görünmektedir.

Ancak, bu eski hayvanların nasıl hareket ettiğini belirlemek zor olmuştur. Omurgalarının büyük bir kısmı, fosilleşecek kadar uzun süre hayatta kalması nadir olan yumuşak dokulardan oluştuğu için, bilim insanları boyunlarının nasıl işlev gördüğüne dair eksik bir bilgiye sahip olmuştur.

Stewart, “Bu değişimleri geçiren balıkların omurgası büyük ölçüde yumuşak dokudan oluşuyordu ve kemiğin aksine, bu doku fosil kayıtlarında nadiren korunuyor,” dedi. “Bu durumlarda, tıpkı yaşayan kuşların bize artık soyu tükenmiş dinozorlar hakkında bilgi verebilmesi gibi, geçmişe dair analoglar olarak modern hayvanlara bakabiliriz.”

Antik Balık Fosilleri Evrimde Bir Dönüm Noktasını Ortaya Koyuyor

Su ortamından kara ortamına geçişe dair en iyi kanıtlardan bazıları, yaklaşık 420 ila 360 milyon yıl önce yaşamış olan Devoniyen Dönemi’ndeki balıklardan elde edilmektedir.

Bu antik hayvanlar alışılmadık bir özellik kombinasyonuna sahipti. Su balıklarının birçok özelliğini korurken, bazılarının ağırlıklarını desteklemeye yardımcı olabilecek daha güçlü ve daha iri yüzgeçleri vardı. Bu tür adaptasyonlar, kendilerini dipten kaldırmalarına veya sığ sularda ilerlemelerine olanak sağlamış olabilir.

Aynı zamanda, bazı türlerde kafatası ve omuzlar arasında belirgin bir ayrım görülmeye başlandı ve ilk belirgin boyunlar ortaya çıktı.

Özellikle önemli bir örnek, ilk olarak 2006’da tanımlanan fosil balık Tiktaalik’tir. Kalıntıları, Kuzey Kutbu’ndaki Kanada’nın Nunavut bölgesinde bulunan Ellesmere Adası’nda keşfedilmiştir. Tiktaalik, uzuvlu en eski omurgalılara yakın akraba olduğu için, anatomisi, karada yaşamı mümkün kılan evrimsel değişiklikler hakkında değerli ipuçları sağlamaktadır.

“Tiktaalik bu fosil balıklardan biri ve ilk olarak 2006’da tanımlandı,” dedi Stewart. “On yıllardır, baş ve omuzların bu şekilde ayrılmasının başın daha serbestçe hareket etmesine olanak sağladığı makul bir şekilde varsayılıyor, bu nedenle boyun hareketliliğinin dört ayaklı vücut planındaki bu değişimin evrimsel bir itici gücü olduğu hipotezi, en azından şimdiye kadar, geçerliliğini korudu.”

Tiktaalik, araştırmacıların bu evrimsel geçiş sırasında meydana gelen diğer önemli değişiklikleri anlamalarına da yardımcı oluyor; bunlar arasında su altında emme yoluyla yiyeceği ağza çekmekten karada ısırmaya geçiş ve yüzme yapılarının kademeli olarak yürümek için kullanılan uzuvlara dönüşmesi yer alıyor.

Stewart, “Bu materyaller gerçekten çok önemli çünkü Tiktaalik, uzuvlu omurgalılara en yakın akrabalardan biri,” dedi. “Bu, karada yaşamaya geçişteki birçok ara adımı yeniden oluşturmamıza yardımcı oluyor; örneğin suda emme yoluyla beslenmeden karada ısırmaya veya yüzmekten yürümeye geçiş gibi.”

Modern Mersin Balığı Antik Bir Gizemi Çözmeye Nasıl Yardımcı Oldu?

Boyun evrimine ilişkin geleneksel açıklamayı test etmenin anahtarı beklenmedik bir kaynaktan geldi: bazen yaşayan fosil olarak tanımlanan, çünkü birçok eski anatomik özelliğini koruyan modern bir balık olan mersin balığı.

İlk dört ayaklıların omurgaları, günümüzde yaşayan çoğu omurgalınınkinden çok farklıydı. Eklemlerle birbirine bağlanan bir dizi büyük omur yerine, omurga sütunlarında notokord adı verilen belirgin bir yapı bulunuyordu.

Notochord, omurga boyunca uzanan ve vücudu desteklemeye yardımcı olan uzun, esnek bir doku çubuğudur. Bu eski hayvanlarda, tek tek omurlar nispeten küçüktü ve çok daha büyük bir yumuşak doku tüpünün etrafına dizilmişlerdi.

Bu düzenleme modern bir omurgadan farklı şekilde kuvvetlere tepki verdiği için, araştırmacılar ne kadar esneklik sağlayabileceğini belirlemekte zorlanmışlardı. Bu belirsizlik, boyunların başlangıçta baş hareketini iyileştirmek için evrimleştiği fikrini doğrudan test etmelerini engelledi.

Mersin balığı bu sorunun üstesinden gelmek için bir fırsat sağladı. Çalışılan antik hayvanlarla yalnızca uzaktan akraba olsalar da, omurgaları benzer bir notokord yapısına sahiptir.

Araştırma ekibi, modern mersin balığının notokordundaki sertliği ve mekanik özelliklerini ölçtü. Daha sonra bu ölçümleri, Tiktaalik gibi erken dönem dört ayaklılar da dahil olmak üzere fosil hayvan modellerine entegre ederek, boyunlarının gerçekte ne kadar hareket edebileceğini tahmin ettiler.

Sonuçlar çarpıcıydı. Baş ve omuzlar anatomik olarak ayrılmış olsa bile, omurganın yapısı hareketi ciddi şekilde kısıtlamış olacaktı. En eski boyunların, araştırmacıların varsaydığından çok daha az esnek olduğu ortaya çıktı.

İsveç’teki Uppsala Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı ve makalenin ilk yazarı olan Dana Korneisel, “Dört ayaklıların sonunda daha yüksek boyun hareketliliği kazandığını biliyoruz,” dedi. “Elbette bu durum sonunda avantajlıydı, ancak anatomilerinin sınırlamaları nedeniyle bu erken dönem dört ayaklılar için henüz mevcut bir avantaj değildi.”

İlk boyunlar şaşırtıcı derecede sertti.

Araştırmacılar, yeni modellerin erken boyun gelişiminin ne kadar ek hareket kabiliyeti sağladığını açıklığa kavuşturacağını ummuşlardı. Bunun yerine, inceledikleri hayvanların çoğunun başlarını yeniden konumlandırma yeteneğinde çok az bir artış elde ettiğini buldular.

“Bu çalışmayı, anatomideki bu değişimin bu hayvanlar için ne kadar büyük bir fark yarattığını öğrenmek için üstlendim,” dedi Korneisel. “Mersin balıklarının omurgaları, erken dönem dört ayaklılarınkine çok benziyor, ancak çok sert görünmüyorlardı. Bu nedenle, modellemeyi yaptıktan sonra, bu hayvanların neredeyse tamamında kafa hareketliliğinin önemli ölçüde olmaması büyük bir sürpriz oldu.”

Bulgular, belirgin boyun yapısına sahip ilk hayvanların, günümüzdeki birçok kara hayvanının yapabildiği gibi, çevrelerini gözlemlemek için başlarını basitçe çeviremediklerini göstermektedir.

Başlarını kaldırma yetenekleri de son derece sınırlıydı, bazen balıklarda beklenen seviyenin bile altına düşüyordu.

Korneisel, “Bu hayvanlardaki baş kaldırma hareketi, balıklarda bekleyeceğinizden fazla değildi, hatta bazen daha da azdı,” dedi. “Başımızı salladığımızda yapabildiğimiz türden baş döndürme hareketinin bu hayvanların hiçbirinde mümkün olmadığını gördük.”

Araştırmacılar ayrıca tahminlerinin, mümkün olan hareket miktarını abartmış olabileceği konusunda da uyarıda bulundular.

Modellerinde omurganın mekanik özelliklerini dikkate almışlardı, ancak diğer yapılar daha fazla kısıtlama getirmiş olabilirdi. Kaslar, deri ve hatta bazı erken dönem dört ayaklıların derisine gömülü kemikler, boyunlarını daha da sertleştirmiş olabilir.

Boyunlar, bakmaktan önce yürümek için evrimleşmiş olabilir.

Bulgular bir araya getirildiğinde, boynun kökenine dair farklı bir açıklamaya işaret ediyor.

Hayvanların başlarını çevirme ihtiyacından dolayı ortaya çıkmak yerine, kafatası ve omuzların ayrılması, ön uzuvların vücudu desteklemesine ve hareket ettirmesine olanak tanıyan anatomik değişikliklerle birlikte gelişmiş olabilir.

Başka bir deyişle, en erken boyunlar, gelişmiş görme veya baş hareketine yönelik bir adaptasyondan ziyade, hareket etmeye yönelik adaptasyonların bir sonucu olabilir.

Boyun esnekliği zamanla evrimleşti ve kara omurgalıları için önemli bir avantaj haline geldi. Ancak yeni kanıtlar, bu avantajın boynun temel yapısı zaten oluştuktan sonra ortaya çıktığını gösteriyor.

Bu keşif aynı zamanda hayvan evrimini anlamada notokordun önemini de vurguluyor. Bu yapının baskın olduğu omurgalar yaşayan omurgalılarda nadirdir, ancak Dünya tarihinin büyük bir bölümünde yaygındı. Bu nedenle, benzer anatomiyi koruyan modern hayvanları incelemek, bilim insanlarının soyu tükenmiş canlıların nasıl hareket ettiğini ve davrandığını yeniden yapılandırmalarına yardımcı olabilir.

“Bu erken dönem dört ayaklıların nasıl yaşadığını ve bunun vücutlarındaki değişikliklere nasıl yansıdığını anlamak istiyoruz,” dedi Stewart. “Bir hayvanın nerede yaşadığını, nasıl hareket ettiğini, davranışlarının ne olduğunu yeniden oluşturmak gerçekten zor bir şey. Bu öykünün en güzel yanı, fosillerden elde edilen verileri ve yaşayan hayvanlar üzerindeki çalışmaları mekanik ve işlevsel bir bakış açısıyla birleştirerek, hayvanın anatomisinde gördüğümüz değişikliklerin davranışları için ne anlama geldiğini yeniden oluşturmasıdır.”

Fosil keşiflerini, yaşayan balıklar üzerinde yapılan deneyleri ve biyomekanik modellemeyi bir araya getiren araştırmacılar, günümüzde insan ve diğer birçok omurgalının vücutlarında merkezi bir rol oynayan anatomik bir özelliğe dair yaygın bir açıklamayı sorguladılar.

Araştırma Ekibi ve Finansman

Stewart ve Korneisel’in yanı sıra, uluslararası araştırma ekibinde Washington Üniversitesi’nden Cassandra M. Donatelli; Kanada’daki Ottawa Üniversitesi’nden Linfang Han, Marcos Martinez, Tetsuto Miyashita ve Emily M. Standen; ve Kanada’daki Carleton Üniversitesi’nden Andrew L. Traynor, Benjamin KA Otoo ve Hillary C. Maddin yer aldı.

Bu araştırma, Omurgalı Paleontoloji Derneği tarafından verilen Steven Cohen Öğrenci Araştırma Ödülü ve Kanada Doğal Bilimler ve Mühendislik Araştırma Konseyi (RGPIN-06442) tarafından desteklenmiştir. İçerik tamamen yazarlara aittir ve fon sağlayan kuruluşların görüşlerini yansıtmayabilir.