Fòssils

Com van evolucionar les balenes? | Ciència

Què et ve al cap quan penses en una balena? Les grasses, els bufadors i els flocs són alguns dels trets distintius de les aproximadament 80 espècies de cetacis (balenes, dofins i marsopes) que viuen actualment. Però, com que són mamífers, sabem que devien evolucionar a partir d’avantpassats que vivien a la terra.

Fa uns 375 milions d’anys, els primers tetràpodes —vertebrats amb braços i cames— es van empènyer fora dels pantans i van començar a viure a la terra. Aquesta important transició evolutiva va establir l’escenari per a tots els grups posteriors de vertebrats que habiten la terra, inclòs un llinatge divers anomenat sinàpsids, que es va originar fa uns 306 milions d’anys. Tot i que aquestes criatures, com ara Dimetrodon , semblaven rèptils, en realitat eren els precursors arcaics dels mamífers.

Quan els primers mamífers van evolucionar fa 200 milions d’anys, però, els dinosaures eren els vertebrats dominants. Els mamífers es van diversificar a l’ombra dels grans archosaures i van romandre força petits i secrets fins que els dinosaures no aviaris van ser arrasats per una extinció massiva fa 65 milions d’anys. Aquesta catàstrofe mundial va obrir el camí a una important radiació de mamífers. Només van passar uns 10 milions d’anys després d’aquesta extinció —i més de 250 milions d’anys des que els primers tetràpodes es van arrossegar cap a terra— que van evolucionar les primeres balenes. Aquests primers cetacis no eren com les balenes que coneixem actualment i només recentment els paleontòlegs els han pogut reconèixer.





Durant més d’un segle, el nostre coneixement del registre fòssil de balenes era tan escàs que ningú no podia estar segur de com eren els avantpassats de les balenes. Ara la marea ha canviat. En només tres dècades, una inundació de nous fòssils ha omplert els buits del nostre coneixement per convertir l’origen de les balenes en un dels exemples més ben documentats de canvis evolutius a gran escala del registre fòssil. Aquestes criatures ancestrals eren més desconegudes del que ningú esperava. No hi va haver cap marxa en línia recta de mamífers terrestres que conduïa cap a les balenes totalment aquàtiques, sinó un motí evolutiu de cetacis amfibis que caminaven i nedaven al llarg dels rius, estuaris i costes de l'Àsia prehistòrica. Per estranyes que siguin les balenes modernes, els seus predecessors fòssils eren encara més estranys.

Els pioners que netejaven terres a Alabama i Arkansas sovint trobaven enormes ossos rodons. Alguns colons les utilitzaven com a xemeneies; d’altres van apuntalar tanques amb els ossos o les van utilitzar com a pedres angulars; els esclaus feien servir els ossos com a coixins. Els ossos eren tan nombrosos que en alguns camps van ser destruïts perquè van interferir en el conreu de la terra.



El 1832, un turó es va esfondrar a la propietat d’Arkansas del jutge H. Bry i va deixar al descobert una llarga seqüència de 28 ossos circulars. Va pensar que podrien ser d’interès científic i va enviar un paquet a la American Philosophical Society de Filadèlfia. Ningú no sabia ben bé què en fer. Alguns dels sediments units a l’os contenien petites petxines que demostraven que la gran criatura havia viscut alguna vegada en un antic mar, però poc més es podria dir amb certesa.

La donació de Bry aviat va ser igualada, i fins i tot superada, per la del jutge John Creagh d’Alabama. Havia trobat vèrtebres i altres fragments mentre explotava a la seva propietat i també va enviar algunes mostres a la societat de Filadèlfia. Richard Harlan va revisar els fòssils, que eren diferents de tots els que havia vist abans. Va demanar més ossos i Creagh aviat va enviar parts del crani, mandíbules, extremitats, costelles i columna vertebral de l’enigmàtica criatura. Atès que tant Creagh com Bry van dir que havien vist intactes columnes vertebrals de més de 100 peus de longitud, la criatura viva devia ser un dels vertebrats més grans que hagi viscut mai. Però, de quin tipus d’animal es tractava?

Harlan va pensar que els ossos eren els més semblants als dels rèptils marins extingits, com els plesiosaures de coll llarg i els ictiosaures estilitzats. Provisionalment li va assignar el nom de Basilosaure. No estava segur, però. La mandíbula contenia dents que tenien diferències de mida i forma, una característica dels mamífers, però no la majoria dels rèptils. Per què el rèptil fòssil més gran que hagi viscut mai tenia dents semblants als mamífers?



Harlan va viatjar a Londres el 1839 per presentar-lo Basilosaure a alguns dels paleontòlegs i anatomistes més importants del moment. Richard Owen, una estrella en ascens de la comunitat acadèmica, va examinar acuradament tots els ossos i fins i tot va rebre permís per tallar-los a les dents per estudiar la seva estructura microscòpica. La seva atenció a detalls tan minúsculs va acabar resolent la identificació del monstre marí. Basilosaure compartia alguns trets amb els rèptils marins, però aquest era només un cas superficial de convergència —d’animals del mateix hàbitat que evolucionaven amb trets similars— perquè tots dos tipus de criatures havien viscut al mar. La constel·lació general de trets, incloses les dents de doble arrel, identificada indubtablement Basilosaure com a mamífer.

Després d’inspeccionar vèrtebres i altres fragments trobats a Alabama, Richard Harlan de la American Philosophical Society de Filadèlfia va pensar que els ossos eren els més similars als dels rèptils marins extingits. Provisionalment li va assignar el nom Basilosaure . A la imatge es mostra un model 3D d’un Basilosaure .(DK Limited / Corbis)

Una il·lustració del 'Hydrarchos' del col·leccionista de fòssils d'origen alemany Albert Koch tal com apareixia a la pantalla.(De Fowler, EUA, 1846. The American Phrenological Journal and Miscellany, vol. 8. Nova York: Fowler & Wells.)

Uns anys més tard, un científic que manipulava un exemplar diferent amb els seus col·legues va treure un os del crani, el va deixar caure i es va trencar al terra. Quan els científics desconcertats van recollir els fragments, es van adonar que l’os revelava ara l’oïda interna. Només hi havia un altre tipus de criatura amb una orella interna que coincidia: una balena.

el que va conduir a la revolució americana

Poc després de la veritable identitat de Basilosaure es va resoldre, la teoria de l’evolució de Charles Darwin mitjançant la selecció natural va plantejar qüestions sobre com van evolucionar les balenes. El registre fòssil era tan escàs que no es podia fer una determinació definitiva, sinó en un experiment de pensament inclòs a Sobre l’origen de les espècies , Darwin va especular sobre com la selecció natural podria crear una criatura semblant a una balena amb el pas del temps:

A l'Amèrica del Nord, l'ós negre va ser vist per [l'explorador Samuel] Hearne nedant durant hores amb la boca molt oberta, captant així, com una balena, insectes a l'aigua. Fins i tot en un cas tan extrem com aquest, si el subministrament d’insectes era constant i si no existien competidors més ben adaptats al país, no veig cap dificultat en què una selecció natural cada vegada provoca una carrera d’óssos. aquàtics en la seva estructura i hàbits, amb boques cada vegada més grans, fins que una criatura es va produir tan monstruosa com una balena.

Darwin va ser ridiculitzat per aquest passatge. La crítica va considerar que proposava que els óssos fossin avantpassats directes de les balenes. Darwin no havia fet res, però la burla el va provocar que modifiqués el fragment en les següents edicions del llibre. Però mentre preparava la sisena edició, va decidir incloure una petita nota sobre Basilosaure . Escrivint al seu ferm defensor T.H. Huxley el 1871, Darwin va preguntar si l'antiga balena podria representar una forma de transició. Huxley va respondre que no hi podia haver dubtes Basilosaure va proporcionar pistes sobre l’ascendència de les balenes.

Huxley va pensar això Basilosaure almenys representava el tipus d’animal que relacionava les balenes amb els seus avantpassats terrestres. Si això era cert, semblava probable que les balenes haguessin evolucionat a partir d'algun tipus de mamífer carnívor terrestre. Una altra balena extingida anomenada Squalodon , un dofí fòssil amb un somriure dolent ple de dents triangulars, de la mateixa manera, insinuava que les balenes havien evolucionat a partir d’avantpassats que menjaven carn. M'agrada Basilosaure , però, Squalodon era totalment aquàtic i proporcionava poques pistes sobre l'estoc específic del qual sorgien les balenes. Juntes aquestes balenes fòssils penjaven en una mena de llimbs científics, a l'espera que es descobrís en algun futur per connectar-les amb els seus avantpassats que vivien a la terra.

Mentrestant, els científics van especular sobre com podrien haver estat els avantpassats de les balenes. L'anatomista William Henry Flower va assenyalar que les foques i els lleons marins utilitzen les seves extremitats per impulsar-se per l'aigua mentre les balenes perdien les extremitats posteriors i nedaven per oscil·lacions de la cua. No es podia imaginar que els primers cetacis utilitzaven les seves extremitats per nedar i després van passar a la propulsió només de cua en algun moment posterior. Les llúdrigues i els castors semi-aquàtics, segons ell, eren millors models alternatius per als avantpassats terrestres de les balenes. Si els primers avantpassats de les balenes tenien cues grans i amples, això podria explicar per què van evolucionar una manera tan única de nedar.

Contràriament a la hipòtesi dels carnívors de Huxley, Flower pensava que els ungulats o mamífers amb peülles compartien algunes similituds esquelètiques intrigants amb les balenes. El crani de Basilosaure tenia més en comú amb els antics Ungulats semblants a porcs que les foques, donant així el nom comú de la marsopa, porc marí, un anell de veritat. Si finalment es podien trobar antics ungulats omnívors, segons raonava Flower, seria probable que almenys alguns fossin bons candidats per als primers avantpassats de les balenes. Va imaginar un hipotètic avantpassat de cetaci que s’endinsava cap a les profunditats:

Podem concloure imaginant-nos alguns animals primitius generalitzats que persegueixen els pantans amb escassa cobertura de pèl com l’hipopòtam modern, però amb cues amples i natatives i extremitats curtes, omnívores en el seu mode d’alimentació, probablement combinant plantes aquàtiques amb musclos, cucs , i crustacis d’aigua dolça, cada cop s’adapten més per omplir el lloc buit que hi ha a la banda aquàtica del territori fronterer on habitaven i, per tant, es van modificant en criatures semblants a dofins que habiten llacs i rius i, finalment, troben el seu camí cap a l’oceà.

Les restes fòssils d’aquesta criatura van romandre esquives. Al començament del segle XX, les balenes fòssils més antigues encara eren representades per Basilosaure i formes similars com Dorudon i Protocetus , tots ells totalment aquàtics: no hi havia fòssils per salvar la distància entre terra i mar. Com E.D. Cope va admetre en una revisió de balenes de 1890: l’ordre Cetacea és un dels orígens del qual no tenim coneixements definits. Aquest estat de coses va continuar durant dècades.

Tot i analitzar les relacions dels antics mamífers que menjaven carn el 1966, el biòleg evolutiu Leigh Van Valen es va sorprendre amb les similituds entre un grup extingit de carnívors que viuen a la terra anomenats mesoníquids i les balenes més antigues conegudes. Sovint anomenats llops amb peülles, els mesoníquids eren depredadors de mida mitjana a gran, amb els musells llargs i dentats i els dits dels peus inclinats amb peülles en comptes d’urpes afilades. Van ser els principals depredadors de l’hemisferi nord des de poc després de la desaparició dels dinosaures fins fa uns 30 milions d’anys, i la forma de les seves dents s’assemblava a la de les balenes com Protocetus .

Mireu les imatges subaquàtiques del mamífer i escolteu els estranys clics que són crucials per a la seva supervivència. Imatges de Tony Wu

Van Valen va fer la hipòtesi que alguns mesoníquids podrien haver estat habitants de pantans, menjadors de mol·luscs que capturaven algun peix ocasional, les falanges eixamplades (ossos dels dits i dels dits dels peus) els ajudaven a les superfícies humides. Una població de mesoníquids en un hàbitat pantanós podria haver estat seduïda a l'aigua pels mariscs. Un cop haguessin començat a nedar per sopar, les successives generacions s’adaptaran cada cop més de manera aquàtica fins que evolucionés quelcom tan monstruós com una balena.

Un sorprenent descobriment fet a les àrides sorres del Pakistan anunciat pels paleontòlegs de la Universitat de Michigan Philip Gingerich i Donald Russell el 1981 va donar finalment la forma de transició que els científics esperaven. En sediments d’aigua dolça que daten de fa uns 53 milions d’anys, els investigadors van recuperar els fòssils d’un animal que van anomenar Pakicetus inachus . Poc més que la part posterior del crani de l’animal s’havia recuperat, però posseïa una característica que el connectava inconfusiblement amb els cetacis.

Els cetacis, com molts altres mamífers, tenen ossos de les orelles tancats en una cúpula d’os a la part inferior del crani anomenada bulla auditiva. Allà on les balenes difereixen és que el marge de la cúpula més proper a la línia mitjana del crani, anomenat involucre, és extremadament espès, dens i altament mineralitzat. Aquesta malaltia es denomina paciosteosclerosi, i les balenes són els únics mamífers que tenen un involucre tan espès. El crani de Pakicetus va presentar només aquesta condició.

Encara millor, dos fragments de mandíbula van mostrar que les dents de Pakicetus eren molt similars als dels mesoníquids. Semblava que Van Valen havia tingut raó i Pakicetus era només el tipus de criatura que vivia a la marjal que havia imaginat. El fet que es trobés en dipòsits d’aigua dolça i no tingués especialitzacions de l’oïda interna per a l’audició submarina va demostrar que encara era molt aviat en la transició aquàtica i Gingerich i Russell van pensar en Pakicetus com a etapa intermedia amfibia en la transició de les balenes de terra a mar, tot i que van afegir la advertència que les restes postcranials [ossos diferents del crani] proporcionaran la millor prova d'aquesta hipòtesi. Els científics tenien totes les raons per ser prudents, però el fet d’haver trobat una balena de transició era tan estupend que les reconstruccions de cos sencer de Pakicetus va aparèixer a llibres, revistes i a la televisió. Es va presentar com una criatura de pota de pota semblant a un segell, un animal atrapat entre mons.

Al llarg de la dècada de 1990, els esquelets de balenes antigues més o menys adaptades aquàticament, o arqueocets, es van descobrir a un ritme vertiginós. Amb aquest nou context, tanmateix, la forma tossuda i semblant a un segell per a Pakicetus representat a tants llocs va començar a tenir cada vegada menys sentit. Després, el 2001, J.G.M. Thewissen i els seus col·legues van descriure l'esquelet tan buscat (a diferència del crani) Pakicetus attocki . Es tractava d’un animal semblant a un llop, no un animal llis i semblant a un segell que s’havia previst originalment. Juntament amb altres gèneres descoberts recentment com Himàlaia , Ambulocet , Remingtonocetus , Kutchicetus , Rodhocetus i Maiacet , s’adapta perfectament a una col·lecció d’arqueocets que documenten exquisidament una radiació evolutiva de les primeres balenes. Tot i que no és una sèrie d’avantpassats i descendents directes, cada gènere representa una etapa particular de l’evolució de les balenes. Junts il·lustren com va tenir lloc tota la transició.

museu d'història natural de peluix roosevelt

Els primers arqueocets coneguts eren criatures com la de 53 milions d’anys Pakicetus i la una mica més gran Himàlaia . Semblaven com si haguessin estat més a casa a la terra que a l’aigua, i probablement van rodejar llacs i rius fent el rem de gossets. Un milió d’anys després va viure Ambulocet , una balena primerenca amb un crani semblant a un cocodril i uns grans peus palmats. Els remingtonocètids de llarga musellada i semblants a les llúdrigues van aparèixer a continuació, incloses formes petites com la de 46 milions d’anys Kutchicetus . Aquestes primeres balenes vivien en entorns propers a la costa, des de pantans d’aigua salada fins al mar poc profund.

Viure aproximadament al mateix temps que els remingtonocètids era un altre grup de balenes encara més adaptades a l’aigua, els protocètids. Aquestes formes, com Rodhocetus , eren gairebé completament aquàtics, i alguns protocètids posteriors, com Protocetus i Georgiacet , gairebé segur que vivien tota la vida al mar. Aquest canvi va permetre a les balenes completament aquàtiques expandir la seva àrea d’accés a les costes d’altres continents i diversificar-se, i als basilosaurids més elegants com Dorudon , Basilosaure i Zygorhiz va poblar els càlids mars del final de l’Eocè. Aquestes formes van acabar amb la desaparició, però no abans de donar lloc als primers representants dels dos grups de balenes amb vida, les balenes dentades i les balenes. Els primers representants d'aquests grups van aparèixer fa uns 33 milions d'anys i van donar lloc a formes tan diverses com el dofí del riu Yangtze i la gegantina balena blava.

No obstant això, els estudis que van sortir del camp de la biologia molecular van entrar en conflicte amb la conclusió dels paleontòlegs que les balenes havien evolucionat a partir dels mesònquids. Quan es van comparar els gens i les seqüències d’aminoàcids de les balenes vives amb els d’altres mamífers, els resultats van mostrar sovint que les balenes estaven més relacionades amb els artiodàctils: ungulats de peu uniforme com l’antílop, els porcs i els cérvols. Encara més sorprenent va ser que les comparacions d’aquestes proteïnes utilitzades per determinar relacions evolutives sovint situaven les balenes dins els Artiodactyla com els parents vius més propers als hipopòtams.

Aquest conflicte entre les hipòtesis paleontològiques i moleculars semblava intratable. Els biòlegs moleculars no van poder estudiar els mesoníquids perquè estaven extingits i no s’havia trobat cap tracte esquelètic que relacionés els arqueocets amb els antics artiodàctils. Quins eren més fiables, les dents o els gens? Però el conflicte no va estar sense esperança de resolució. Molts dels esquelets dels primers arqueocets eren extremadament fragmentaris i sovint els faltaven els ossos del turmell i del peu. Un os particular del turmell, l’astràgal, tenia el potencial per resoldre el debat. En els artiodàctils, aquest os té una forma de doble politja immediatament recognoscible, un mesoníquid característic no compartia. Si es pogués trobar l’astràgal d’un primer arqueocet, proporcionaria una prova important per a ambdues hipòtesis.

El 2001 es van descriure finalment els arqueocets que posseïen aquest os i els resultats van ser inconfusibles. Els arqueocets tenien un astràgal de doble politja, cosa que confirma que els cetacis havien evolucionat a partir dels artiodàctils. Els mesoníquids no eren els avantpassats de les balenes i ara se sap que els hipopòtams són els parents vius més propers a les balenes.

Recentment, els científics van determinar quin grup d’artiodàctils prehistòrics va donar lloc a les balenes. El 2007, Thewissen i altres col·laboradors ho van anunciar Indohyus , un petit mamífer semblant a un cérvol que pertanyia a un grup d'artsodàctils extingits anomenats raoèl·lids, era el parent més conegut de les balenes. Mentre preparava la part inferior del crani de Indohyus , un estudiant del laboratori de Thewissen va trencar la secció que cobria l’oïda interna. Era gruixut i molt mineralitzat, igual que l’os de les orelles de balena. L’estudi de la resta de l’esquelet també va revelar-ho Indohyus tenia ossos marcats per un tipus d’espessiment similar, una adaptació compartida pels mamífers que passen molt de temps a l’aigua. Quan les dades de fòssils es van combinar amb dades genètiques de Jonathan Geisler i Jennifer Theodor el 2009, va sortir a la llum un nou arbre genealògic de balenes. Als raoèl·lids els agrada Indohyus eren els parents més propers a les balenes, sent els hipopòtams els parents més propers a tots dos grups combinats. Per fi, les balenes podrien estar fermament arrelades a l’arbre evolutiu dels mamífers.

Adaptat de Escrit a Stone: Evolution, the Fossil Record i Our Place in Nature , de Brian Switek. Copyright 2010. Amb el permís de l'editor, Bellevue Literary Press.





^