Wetenschap
Het fossiele stekelvarken uit Florida lost een lastig dilemma op dat al tien miljoen jaar in de maak is
Een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Current Biology beweert het dispuut te hebben verzoend, dankzij een uitzonderlijk zeldzaam, bijna compleet stekelvarkenskelet ontdekt in Florida.
De auteurs kwamen tot hun conclusie door de belangrijkste verschillen in botstructuur tussen Noord- en Zuid-Amerikaanse stekelvarkens te bestuderen, maar het was niet eenvoudig om daar te komen. Het kostte een hele klas afgestudeerde en niet-gegradueerde studenten en een aantal jaren van zorgvuldige voorbereiding en studie.
"Zelfs voor een doorgewinterde curator met alle benodigde expertise kost het ongelooflijk veel tijd om een heel skelet volledig te bestuderen en te verwerken", zegt hoofdauteur Natasha Vitek. Tijdens zijn studie als doctoraalstudent aan het Florida Museum of Natural History werkte Vitek samen met curator Jonathan Bloch van de paleontologie van gewervelde dieren om een collegecursus te creëren waarin studenten praktische onderzoekservaring opdeden door fossielen van stekelvarkens te bestuderen.
Oude straling heeft geleid tot het ontstaan van de grootste knaagdieren ter wereld
Stekelvarkens zijn een soort knaagdieren en hun voorouders zijn waarschijnlijk meer dan 30 miljoen jaar geleden in Afrika ontstaan. Hun nakomelingen zijn sindsdien over land naar Azië en delen van Europa getrokken, maar hun reis naar Zuid-Amerika is een bijzonder bepalende gebeurtenis in de geschiedenis van zoogdieren.
Ze staken de Atlantische Oceaan over – waarschijnlijk door te raften – toen Afrika en Zuid-Amerika veel dichter bij elkaar lagen dan nu. Ze waren de eerste knaagdieren die ooit voet op het continent zetten, waar ze zich ontwikkelden tot bekende groepen als cavia's, chinchilla's, capibara's en stekelvarkens.
Sommigen namen gigantische proporties aan. Er waren logge, ratachtige dieren van wel anderhalve meter lang, uitgerust met kleine hersenen die minder wogen dan een pruim. Uitgestorven familieleden van de capibara groeiden uit tot de grootte van koeien.
Stekelvarkens bleven relatief klein en ontwikkelden aanpassingen voor het leven in de boomtoppen van de weelderige regenwouden van Zuid-Amerika. Tegenwoordig reizen ze door het bladerdak met behulp van lange vingers, afgedekt met stompe, sikkelvormige klauwen die perfect onder een hoek staan om takken vast te pakken. Velen hebben ook lange, grijpstaarten die hun gewicht kunnen dragen, die ze gebruiken tijdens het klimmen en naar fruit reiken.
Ondanks hun uitstekende staat van dienst op het gebied van reizen, was Zuid-Amerika miljoenen jaren een doodlopende weg. Een uitgestrekte zeeweg met snelle stromingen scheidde Noord- en Zuid-Amerika, en de meeste dieren konden de oversteek niet maken – op enkele opmerkelijke uitzonderingen na.
Ongeveer vijf miljoen jaar geleden begon de landengte van Panama boven zeeniveau uit te stijgen, waardoor de Stille Oceaan werd afgesloten van de Atlantische Oceaan. Deze landbrug werd een paar miljoen jaar later het oude equivalent van een drukke snelweg, met verkeer dat in beide richtingen stroomde.
Prehistorische olifanten, sabeltandkatten, jaguars, lama's, pekari's, herten, stinkdieren en beren stroomden van Noord-Amerika naar het zuiden. De omgekeerde tocht werd gemaakt door vier verschillende soorten grondluiaards, extra grote gordeldieren, terreurvogels, capibara's en zelfs een buideldier.
De twee groepen wachtten een radicaal verschillend lot. De zoogdieren die naar het zuiden migreerden deden het redelijk goed; velen raakten met succes gevestigd in hun nieuwe tropische omgeving en overleefden tot op de dag van vandaag. Maar bijna alle geslachten die zich naar het noorden in koudere omgevingen waagden, zijn uitgestorven. Tegenwoordig zijn er slechts drie overlevenden:het negenbandgordeldier, de Virginia buidelrat en het Noord-Amerikaanse stekelvarken.
Nieuwe fossielen leggen de evolutie op heterdaad vast
Dieren die naar het noorden reisden, kregen te maken met nieuwe omgevingen die weinig leken op de omgeving die ze achterlieten. Warme, tropische bossen maakten plaats voor open graslanden, woestijnen en koude loofbossen. Voor stekelvarkens betekende dit het omgaan met strenge winters, minder hulpbronnen en uit de bomen komen om over land te lopen. Dat laatste hebben ze nog steeds niet helemaal onder de knie; Noord-Amerikaanse stekelvarkens hebben een maximale grondsnelheid van ongeveer 3 km/uur.
Zuid-Amerikaanse stekelvarkens zijn uitgerust met een dreigende laag holle, overlappende stekels, die een aanzienlijke hoeveelheid bescherming bieden, maar weinig doen om de lichaamstemperatuur te reguleren. Noord-Amerikaanse stekelvarkens hebben deze vervangen door een mix van isolerende vacht en lange, naaldachtige stekels die omhoog kunnen worden gebracht als ze zich bedreigd voelen. Ze moesten ook hun dieet aanpassen, waardoor de vorm van hun kaak veranderde.
"In de winter, als hun favoriete voedsel er niet is, bijten ze in boomschors om bij het zachtere weefsel eronder te komen. Het is geen geweldig eten, maar het is beter dan niets", zei Vitek. "We denken dat dit type voeding is geselecteerd vanwege een bepaalde kaakstructuur, waardoor ze beter kunnen slijpen."
Ze verloren ook hun grijpstaarten. Hoewel Noord-Amerikaanse stekelvarkens nog steeds van klimmen houden, is dit niet hun sterkste kant. Museumexemplaren vertonen vaak tekenen van genezen botbreuken, waarschijnlijk veroorzaakt door een val uit bomen.
Veel van deze eigenschappen zijn terug te vinden in fossielen. Het probleem is dat er niet veel fossielen beschikbaar zijn. Volgens Vitek zijn de meeste individuele tanden of kaakfragmenten, en onderzoekers voegen ze vaak toe aan Zuid-Amerikaanse stekelvarkens. Degenen waarvan wordt aangenomen dat ze tot de Noord-Amerikaanse groep behoren, missen de kritische kenmerken die paleontologen aanwijzingen zouden kunnen geven over hoe ze zijn geëvolueerd.
Dus toen paleontoloog Art Poyer van het Florida Museum een voortreffelijk bewaard skelet van een stekelvarken vond in een kalksteengroeve in Florida, waren ze zich terdege bewust van de betekenis ervan.
"Toen ze het voor het eerst binnenbrachten, was ik verbaasd", zegt Bloch, senior auteur van het onderzoek. "Het is zo zeldzaam om fossiele skeletten als deze te krijgen, met niet alleen een schedel en kaken, maar ook veel bijbehorende botten uit de rest van het lichaam. Het geeft een veel completer beeld van hoe dit uitgestorven zoogdier met zijn omgeving zou hebben omgegaan. We merkten meteen dat het anders was dan moderne Noord-Amerikaanse stekelvarkens, omdat het een gespecialiseerde staart had voor het grijpen van takken."
Door het fossiele skelet te vergelijken met botten van moderne stekelvarkens, waren Bloch en Vitek ervan overtuigd dat ze de identiteit ervan konden vaststellen. Maar de hoeveelheid werk die dit zou vergen, was meer dan één persoon in korte tijd alleen zou kunnen doen. Daarom creëerden ze samen een cursus paleontologie, waarbij de enige opdracht voor het hele semester het bestuderen van de botten van stekelvarkens was.
"Het is iets dat alleen kan worden onderwezen op een plek als het Florida Museum, waar je zowel collecties als genoeg studenten hebt om ze te bestuderen", zei Vitek. "We concentreerden ons op details van de kaak, ledematen, voeten en staarten. Het vereiste een zeer gedetailleerde reeks vergelijkingen die je bij de eerste passage misschien niet eens opmerkt."
De resultaten waren verrassend. Het fossiel miste de versterkte, schorsknaagende kaken en had een grijpstaart, waardoor het nauwer verwant leek aan de Zuid-Amerikaanse stekelvarkens. Maar, zei Vitek, andere kenmerken vertoonden een sterkere gelijkenis met Noord-Amerikaanse stekelvarkens, waaronder de vorm van het middenoorbeen en de vorm van de onderste voor- en achtertanden.
Met alle gegevens gecombineerd, leverden analyses consistent hetzelfde antwoord op. De fossielen behoorden tot een uitgestorven soort Noord-Amerikaans stekelvarken, wat betekent dat deze groep een lange geschiedenis heeft die waarschijnlijk begon voordat de landengte van Panama zich had gevormd. Maar er blijven vragen over hoeveel soorten er ooit in deze groep hebben bestaan of waarom ze zijn uitgestorven.
"Eén ding dat door onze studie niet wordt opgelost, is of deze uitgestorven soorten directe voorouders zijn van het Noord-Amerikaanse stekelvarken dat vandaag de dag nog leeft," zei Vitek. "Het is ook mogelijk dat stekelvarkens twee keer in gematigde streken zijn terechtgekomen, één keer langs de Golfkust en één keer in het westen. We zijn er nog niet."
Jennifer Hoeflich, Isaac Magallanes, Sean Moran, Rachel Narducci, Victor Perez, Jeanette Pirlo, Mitchell Riegler, Molly Selba, María Vallejo-Pareja, Michael Ziegler, Michael Granatosky en Richard Hulbert van het Florida Museum of Natural History zijn ook auteurs op papier .