Pradawne stworzenia, które pierwsze wyszły z wody na ląd, mogły dążyć do przewagi informacyjnej, jaką dawało widzenie w powietrzu.

Życie zaczęło się w wodzie. Kiedy zatem zwierzęta wyszły na ląd, zamieniły płetwy na kończyny, a skrzela na płuca, by lepiej przystosować się do nowego środowiska. Z opublikowanego niedawno badania wynika jednak, że ta historia była bardziej skomplikowana. Istoty, które pierwsze wyłoniły się ponad powierzchnię praoceanu, zyskały coś więcej niż tylko tlen w powietrzu – kwestią znacznie cenniejszą były informacje. Na lądzie wzrok sięga o wiele dalej niż pod wodą. Według Malcolma MacIvera, neurologa i inżyniera z Northwestern University, zwiększony zasięg widzenia był niczym „informacyjny ekspres”: dzięki niemu prastare zwierzęta dostrzegły obfite zasoby żywności opodal brzegu.

Ów ekspres, twierdzi MacIver, odpowiadał następnie za wykształcenie pierwotnych kończyn, dlatego zwierzęta zaczęły pomału zapuszczać się na ląd. Mógł mieć on również istotny wpływ na rozwój świadomości i myślenia strategicznego. „Nie kończyny wyprowadziły nas z wody, lecz informacja, nawet jeśli niełatwo to dostrzec, badając skamieliny” – mówi MacIver.

Razem z Larsem Schmitzem, paleontologiem z Claremont Colleges, MacIver opracował modele matematyczne wyjaśniające, jak przyrost informacji dostępnych dla istot żyjących poza wodą przełożył się na zwiększenie rozmiaru oka. Wspólnie sformułowali też tzw. hipotezę buena vista i na łamach amerykańskiego magazynu naukowego „Proceedings of the National Academy of Sciences” przedstawili potwierdzające ją dane z przeprowadzonych eksperymentów.

MacIver zebrał liczne pochwały od specjalistów za swoje innowacyjne podejście i analityczną skrupulatność. Paleontolodzy od dawna spekulowali na temat wielkości oczu skamieniałych organizmów i jej związku z jakością wzroku. „Teraz zrobiliśmy krok naprzód – mówi John Hutchinson z brytyjskiego Royal Veterinary College. – Nie mamy do czynienia jedynie z przedstawianiem historii z wykorzystaniem danych jakościowych. Postawiono hipotezy i przetestowano je w sposób matematyczny na przestrzeni milionów lat ewolucji”.

Podwodni łowcy

Najważniejsza hipoteza przyszła MacIverowi do głowy w 2007 r., kiedy badał ducha brazylijskiego – rybę, która poluje w nocy i wytwarza pole elektryczne w celu elektronawigacji. MacIver – polihistor interesujący się nie tylko biologią, neurologią i paleontologią, lecz także robotyką i matematyką – porównał system, jakim posługuje się ta ryba, do radaru oraz zbudował wyposażonego w system elektrorecepcji podobnie działającego robota. Dzięki pracom nad tym modelem lepiej zrozumiał specyficzny zmysł ryby i jej niezwykle zwinne ruchy.

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine; dane dzięki uprzejmości Malcolma MacIvera

Kiedy obliczył, na jaką odległość duch brazylijski potrafi wyczuwać wioślarki – maleńkie skorupiaki będące jego ulubionym pożywieniem – i zestawił to z zasięgiem widzenia także polującej na nie ryby, wynik był zaskakujący. Okazało się, że nie ma między nimi istotniejszych różnic. Duch brazylijski potrzebuje elektryczności do nawigowania w swoim otoczeniu, jej wytwarzanie wymaga zaś więcej energii. MacIver spodziewał się zatem, że duch będzie miał mniejszy zasięg sensoryczny niż ryba posługująca się wzrokiem. Z początku naukowiec sądził, że nastąpił błąd w obliczeniach. Szybko jednak dostrzegł, że chodziło o sposób, w jaki woda pochłania i rozprasza światło. W płytkiej, słodkiej wodzie światło jest tłumione na dystansie od 10 cm do 2 m. W powietrzu tymczasem, zależnie od jego wilgotności, może się rozpraszać na dystansie od 25 do 100 km.

Właśnie dlatego posiadanie większych oczu nie przynosi zazwyczaj zwierzętom wodnym znaczących korzyści ewolucyjnych. Z perspektywy ewolucji oczy są kosztowne. Pochłaniają dużo energii, bo fotoreceptory lub neurony w korze wzrokowej potrzebują mnóstwo tlenu. Jeśli oko się powiększa, musi to dawać określone pożytki usprawiedliwiające wydatek energetyczny. MacIver mówi, że dla zwierząt wodnych powiększanie oka byłoby jak włączanie reflektora we mgle w nadziei, że dzięki temu poprawi się widoczność. Kiedy jednak oczy znajdą się poza wodą, zasięg widzenia staje się proporcjonalny do ich wielkości.

MacIver uznał, że podczas przechodzenia na ląd rozmiar oczu musiał się znacząco zwiększyć. Kiedy podzielił się tą uwagą z biologiem ewolucyjnym Neilem Shubinem (członkiem zespołu badawczego, który odkrył Tiktaalik roseae, skamielinę kręgowca sprzed 375 mln lat, będącego formą przejściową pomiędzy rybami a płazami, mającego płuca i skrzela), ten przyznał, że także zauważył u skamielin występowanie coraz większych oczu, ale paleontolodzy nigdy nie przywiązywali wagi do tego faktu. MacIver postanowił zatem bliżej przyjrzeć się sprawie.

Krokodyle oczy

Hipoteza brzmiała intrygująco, lecz trzeba było dowodów. MacIver zaprosił więc do współpracy Schmitza, biegłego w badaniu oczodołów skamielin czworonogów z podgromady Tetrapodomorpha (do których zaliczał się Tiktaalik). Obaj zaczęli szukać najlepszej metody weryfikacji tej hipotezy.

Zaczęli od starannego przejrzenia danych dotyczących skamielin, by prześledzić zmiany rozmiaru oczodołów skorelowane oczywiście ze zmianą rozmiaru oczu. Zebrali 59 czaszek prymitywnych czworonogów z okresu wychodzenia na ląd. Były one w dostatecznie dobrym stanie, by wymierzyć zarówno oczodoły, jak i długość samej czaszki. Następnie przygotowali komputerową symulację zmian rozmiaru oczodołu na przestrzeni pokoleń – dzięki temu ujrzeli, jak cecha ta ewoluowała.

Okazało się, że w okresie przejściowym oczodoły (a więc i oczy) badanych zwierząt powiększyły się i to niemal trzykrotnie – z 13 do 36 mm. Co więcej oczy stworzeń, które po wyjściu na ląd wróciły do wody – takich jak lustrzeń meksykański, słodkowodna ryba żyjąca w jaskiniach – zmniejszyły się do 14 mm, a więc w zasadzie powróciły do punktu wyjścia.

Był tylko jeden problem. MacIver pierwotnie sądził, że oczy zaczęły powiększać się dopiero po wyjściu zwierząt na ląd, tam bowiem duży rozmiar oka dawał największe korzyści ewolucyjne. Zmiana jednak dokonała się jeszcze w okresie przejściowym – a nawet zanim istoty te wykształciły pierwotne palce u kończyn. Przypuszczenia okazały się więc nietrafne.

MacIver i Schmitz znów zagłębili się w danych i ustalili, że w okresie przejściowym oczodoły zmieniły pozycję. Wcześniej znajdowały się po bokach czaszki, następnie przemieściły się w górę i utworzyły kostne pagórki. Poza tym koło uszu pojawiły się tzw. przetchlinki, niewielkie otwory ułatwiające oddychanie w powietrzu. Krótko mówiąc, badane istoty przypominały krokodyla. I nagle wszystkie elementy układanki wskoczyły na swoje miejsce. „Nie przyszło mi do głowy, że zwierzęta mogły wykorzystywać widzenie w powietrzu, jeszcze zanim wyszły na ląd. Mylnie zakładałem, że jedno zbiegło się w czasie z drugim” – przyznał MacIver. Czworonogi z okresu przejściowego polowały jak krokodyle – czaiły się w płytkich nabrzeżnych wodach i zapuszczały się na brzeg ilekroć dostrzegły tam smaczną ofiarę.

„Wygląda na to, że polowanie metodą krokodyla stanowiło drogę do życia na lądzie – uważa MacIver. – Informacja poprzedza działanie, zatem proces wyjścia na ląd zaczął się zapewne dlatego, że wychylenie oczu ponad powierzchnię wody ogromnie zwiększyło zasięg widzenia. Zwierzęta ujrzały nowe, nietknięte źródła pożywienia i za sprawą doboru naturalnego wykształciły kończyny”. Ta teza jest zbieżna z ustaleniami Jennifer Clark, paleontolożki z University of Cambridge. Badała ona skamielinę Pederpes finneyae, najstarszego znanego nam stworzenia mającego stopy, które nie żyło wyłącznie na lądzie. Pierwsze czworonogi były zwierzętami wodnymi, obecnie czworonogi to zwierzęta lądowe. Według paleontologów natomiast Pederpes finneyae wiódł swój żywot i tu, i tam.

Oszacowawszy zmiany w rozmiarze oka, MacIver zabrał się za wyliczenie, jak bardzo zwiększył się dzięki nim zasięg widzenia. Zaadaptował istniejący już model, uwzględniający nie tylko takie czynniki, jak budowa oczu, lecz także zmienne środowiskowe. W wodzie większe oczy poprawiały zasięg z 6 do zaledwie 7 m. W powietrzu natomiast zysk zawierał się w przedziale od 200 do 600 m.

MacIver i Schmitz przeprowadzili tę samą symulację w rozmaitych warunkach. Badali, jak będzie wyglądała zmiana zasięgu przy świetle dziennym, w bezksiężycową noc, przy świetle gwiazd, w czystej wodzie i w wodzie mętnej. „Nie miało to znaczenia – mówi MacIver. – We wszystkich przypadkach zasięg [w powietrzu] zasadniczo się zwiększa. Nawet jeżeli zwierzę polowało za dnia w wodzie, a na ląd wychodziło tylko w jasne noce, odnosiło korzyści”.

Posługiwanie się danymi ilościowymi w celu wyjaśniania budowy skamielin jest cokolwiek nowatorskim podejściem, lecz stosuje je coraz więcej paleontologów i biologów ewolucyjnych, chociażby Schmitz. „Paleontologia w ogromnym stopniu sprowadza się do uważnego oglądania szczątków organizmów z minionych epok geologicznych i wymyślania historii na temat tego, jak dana istota przystosowywała się do określonego środowiska – mówi John Long, paleobiolog z australijskiego Flinders University, zajmujący się przemianą ryb w czworonogi. – „Natomiast artykuł [MacIvera i Schmitza] zawiera znakomite dane eksperymentalne i oszacowuje zasięg widzenia w różnego rodzaju otoczeniu. Wszystkie te dane pasują do naszych ustaleń z badań nad rybami”.

Schmitz wskazuje dwa zasadnicze osiągnięcia w badaniach ilościowych w ostatniej dekadzie. Po pierwsze, coraz więcej naukowców adaptuje metody współczesnej biologii porównawczej do analiz skamielin w celu studiowania pokrewieństwa między zwierzętami. Po drugie, częściej modeluje się biomechanikę pradawnych istot – na przykład szacuje się, jak szybko mogły biegać dinozaury. Podobne modele można wykorzystać jednak nie tylko w biomechanice, ale i do analizowania sensoryki – w tym przypadku pozwoliły wyjaśnić, w jaki sposób wyłonienie się z wody wpłynęło na jakość wzroku wczesnych czworonogów.

„Każde z owych dwóch podejść jest specyficzne, należy je zatem łączyć – przekonuje Schmitz. – Gdybym poprzestał na analizowaniu rozmiarów oczodołów, nie uchwyciłbym znaczenia tego faktu. Oczy zrobiły się większe – ale dlaczego?”. Modelowanie sensoryki przynosi odpowiedź na to pytanie – odpowiedź w postaci ilościowej, a nie jakościowej.

Schmitz zamierza badać inne przykłady wyjścia z wody na ląd (nie tylko dotyczące wczesnych czworonogów), by określić, czy i w tych przypadkach występuje odpowiedni wzrost rozmiaru oka. „Kiedy się przyjrzeć rozmaitym procesom przejścia z wody na ląd i z powrotem, widzimy podobne prawidłowości, co może potwierdzać naszą hipotezę”. Na przykład skamieliny gadów morskich, u których wzrok odgrywał niezwykle ważną rolę, także powinny dostarczyć dowodów na powiększanie się oczu w miarę wychodzenia na ląd.

Nowe sposoby myślenia

Wiedza neurologiczna MacIvera pozwoliła mu postawić pytanie, w jaki sposób wszystko to wpłynęło na zachowania i procesy poznawcze czworonogów w okresie przejściowym. Na przykład jeżeli żyjesz i polujesz w wodzie, masz ograniczony zasięg widzenia i funkcjonujesz w „trybie reaktywnym” – od dostrzeżenia niebezpieczeństwa do reakcji upływa zaledwie kilka milisekund. „Wszystko dzieje się natychmiast. Jesz albo sam zostaniesz zjedzony, musisz więc szybko podejmować decyzje” – zauważa badacz.

Zwierzę lądowe natomiast – czy to drapieżnik, czy potencjalna ofiara – widzi dalej, zyskuje zatem więcej czasu na ocenę sytuacji, opracowanie strategii i wybór działania. Według MacIvera pierwsze zwierzęta lądowe z początku polowały „reaktywnie”, z czasem jednak nabrały zdolności myślenia strategicznego, które zapewniło im ogromną przewagę ewolucyjną. „Musiały uwzględniać różne elementy otoczenia i szybko je oceniać – mówi naukowiec. – Zaczęła dokonywać się mentalna podróż w czasie, czyli poznanie prospektywne, będące bardzo istotnym elementem naszych zdolności kognitywnych”. Inne zmysły zapewne również odegrały tu rolę. Barbara Finlay, neurolożka z Cornell University zajmująca się procesami ewolucji, mówi: „To ciekawe, ale nie sądzę, by zwierzęta zawdzięczały zdolność szybkiego tworzenia planów wyłącznie wzrokowi” – i wskazuje, że na przykład łosoś wykorzystuje w migracjach zmysł węchu.

Hutchinson zgadza się, że zamiast skupiać się tylko na wzroku, warto ustalić, ile zmian sensorycznych z tamtego zasadniczego okresu przejściowego współwystępowało równolegle. „Wiemy, że pierwotnie, w środowisku wodnym, węch i smak były jednym, a rozdzieliły się dopiero później. Słuch także ogromnie się zmienił na skutek przejścia od jednego środowiska do drugiego. Wykształciło się chociażby ucho zewnętrzne” – zauważa.

Tego rodzaju rozważania są istotne z punktu widzenia przyszłej ewolucji gatunku ludzkiego. Pewnego dnia dokonamy może kolejnego ewolucyjnego skoku i przezwyciężymy to, co MacIver określa żartobliwie mianem „paleoneurobiologii ludzkiej głupoty”. Obecnie człowiek rozumie bezpośrednie zagrożenia, ale planowanie w dłuższej perspektywie – np. zapobieganie skutkom zmian klimatu – nastręcza mu znacznie więcej trudności. „Kto wie, czy to ograniczenie naszej zdolności myślenia strategicznego nie bierze się stąd, że planowanie zależy od otoczenia – zastanawia się MacIver. – Nie umiemy myśleć w skali geologicznej”. I ma nadzieję, że prace nad skamielinami przyczynią się do zidentyfikowania naszych poznawczych ślepych punktów. „Jeśli się to uda, może zdołamy im kiedyś zaradzić” – puentuje.

Artykuł przedrukowano za zgodą QuantaMagazine.org, redakcyjnie niezależnej publikacji Simons Foundation, której misją jest popularyzowanie wiedzy na temat rozwoju badań w dziedzinie matematyki i fizyki oraz nauk przyrodniczych.