Onderzoek naar gefossiliseerde vissen uit het late Devoon, ongeveer 375 miljoen jaar geleden, beschrijft de evolutie van vinnen toen ze begonnen over te gaan in ledematen die geschikt waren om op het land te lopen.

De nieuwe studie door paleontologen van de Universiteit van Chicago, deze week gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , gebruikt CT-scanning om de vorm en structuur van vinstralen te onderzoeken terwijl ze nog steeds zijn ingekapseld in de omringende rots. Met de beeldvormingstools konden de onderzoekers voor het eerst digitale 3D-modellen maken van de hele vin van de fishapod Tiktaalik roseae en zijn verwanten in het fossielenbestand. Ze konden deze modellen vervolgens gebruiken om af te leiden hoe de vinnen werkten en veranderden terwijl ze zich tot ledematen ontwikkelden.

Veel van het onderzoek naar vinnen tijdens deze belangrijke overgangsfase is gericht op de grote, verschillende botten en stukjes kraakbeen die overeenkomen met die van onze bovenarm, onderarm, pols, en cijfers. Bekend als het "endoskelet, "Onderzoekers volgen hoe deze botten veranderden in herkenbare armen, benen en vingers in tetrapoden, of vierpotige wezens.

De delicate stralen en stekels van de vinnen van een vis vormen een tweede, niet minder belangrijk "dermaal" skelet, die in deze periode ook evolutionaire veranderingen onderging. Deze stukken worden vaak over het hoofd gezien omdat ze uit elkaar kunnen vallen wanneer de dieren worden gefossiliseerd of omdat ze opzettelijk worden verwijderd door fossielenbereiders om de grotere botten van het endoskelet te onthullen. Huidstralen vormen het grootste deel van het oppervlak van veel visvinnen, maar gingen volledig verloren in de vroegste wezens met ledematen.

"We proberen de algemene trends en evolutie van het dermale skelet te begrijpen voordat al die andere veranderingen plaatsvonden en volwaardige ledematen evolueerden, " zei Thomas Stewart, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker die de nieuwe studie leidde. "Als je wilt begrijpen hoe dieren evolueerden om hun vinnen te gebruiken in dit deel van de geschiedenis, dit is een belangrijke dataset."

Oude vinnen zien in 3-D

Stewart en zijn collega's werkten met drie laat-Devoon vissen met primitieve kenmerken van tetrapoden:Sauripterus taylori, Eusthenopteron foordi en Tiktaalik roseae, die in 2006 werd ontdekt door een team onder leiding van UChicago-paleontoloog Neil Shubin, doctoraat, de senior auteur van de nieuwe studie. Sauripterus en Eusthenopteron werden verondersteld volledig in het water te zijn geweest en gebruikten hun borstvinnen om te zwemmen, hoewel ze misschien in staat waren om zich op de bodem van meren en beken te drijven. Tiktaalik heeft misschien het grootste deel van zijn gewicht kunnen dragen met zijn vinnen en misschien zelfs gebruikt om uit het water te komen voor korte tochten over ondiep water en wad.

"Door de hele vin van Tiktaalik te zien, krijgen we een duidelijker beeld van hoe hij zichzelf overeind hield en zich voortbewoog. De vin had een soort palm die vlak tegen de modderige bodems van rivieren en beken kon liggen, ' zei Shubin.

Stewart en Shubin werkten samen met student Ihna Yoo en Justin Lemberg, doctoraat, een andere onderzoeker in het laboratorium van Shubin, om exemplaren van deze fossielen te scannen terwijl ze nog in de rotsen zaten. Met behulp van beeldsoftware, ze reconstrueerden vervolgens 3D-modellen waarmee ze konden bewegen, roteer en visualiseer het dermale skelet alsof het volledig uit het omringende materiaal is gehaald.

De modellen toonden aan dat de vinstralen van deze dieren vereenvoudigd waren, en de totale omvang van het vinweb was kleiner dan die van hun visservoorgangers. Verrassend genoeg, ze zagen ook dat de boven- en onderkant van de vinnen asymmetrisch werden. Vinstralen worden eigenlijk gevormd door paren botten. In Eusthenopteron, bijvoorbeeld, de dorsale, of boven, vinstraal was iets groter en langer dan de ventrale, of onderste. De rugstralen van Tiktaalik waren meerdere malen groter dan de buikstralen, wat suggereert dat het spieren had die zich uitstrekten aan de onderkant van zijn vinnen, als de vlezige basis van de handpalm, om zijn gewicht te helpen dragen.

"Dit levert meer informatie op die ons in staat stelt te begrijpen hoe een dier als Tiktaalik zijn vinnen gebruikte bij deze overgang, Stewart zei. "Dieren gingen niet meer vrij zwemmen en gebruikten hun vinnen om de waterstroom om hen heen te regelen, om te wennen aan het afzetten tegen het oppervlak op de bodem van het water."

Stewart en zijn collega's vergeleken ook de huidskeletten van levende vissen zoals steur en longvissen om de patronen te begrijpen die ze in de fossielen zagen. Ze zagen enkele van dezelfde asymmetrische verschillen tussen de boven- en onderkant van de vinnen, wat suggereert dat die veranderingen een grotere rol speelden in de evolutie van vissen.

"Dat geeft ons meer vertrouwen en een andere dataset om te zeggen dat deze patronen echt zijn, wijdverbreid en belangrijk voor vissen, niet alleen in het fossielenarchief als het gaat om de overgang van vin naar ledemaat, maar de functie van vinnen in het algemeen."