Come è cambiata la funzione degli arti dei vertebrati al passaggio sulla Terra

Quando i tetrapodi, vertebrati a quattro zampe, hanno iniziato a spostarsi dall’acqua alla terra circa 390 milioni di anni fa, ha messo in moto l’ascesa di lucertole, uccelli, mammiferi e tutti gli animali terrestri che esistono oggi, inclusi gli esseri umani e alcuni vertebrati acquatici come le balene e delfini.

I primi tetrapodi hanno avuto origine dai loro antenati pesci nel periodo Devoniano e hanno più del doppio dell’età dei fossili di dinosauro più antichi; un incrocio tra una salamandra gigante e un coccodrillo ed erano lunghi circa 1-2 metri, avevano branchie, piedi palmati e pinne caudali ed erano ancora fortemente legati all’acqua.

Come è cambiato l’uso degli arti nei primi vertebrati

Gli scienziati sanno come le pinne dei pesci si sono trasformate negli arti dei tetrapodi, ma restano controversie su dove e come i primi tetrapodi usassero i loro arti. E, sebbene siano state proposte molte ipotesi, pochissimi studi le hanno rigorosamente testate utilizzando la documentazione fossile. Un recente studio ha esaminato modelli digitali tridimensionali delle ossa, delle articolazioni e dei muscoli delle pinne e degli arti di due primi tetrapodi per rivelare come funziona il l’arto anteriore è cambiato quando le pinne si sono evolute in arti.

Il team ha scoperto tre distinti stadi funzionali nella transizione dalle pinne agli arti e che questi avevano un modello molto distinto di leva muscolare che non assomigliava a una pinna di pesce o ai moderni arti di tetrapodi. Per ricostruire il funzionamento degli arti dovevano prima capire quali muscoli fossero presenti negli animali fossili. Un compito impegnativo poiché i muscoli non sono conservati nei fossili e i muscoli delle pinne dei pesci moderni sono completamente diversi da quelli degli arti dei tetrapodi.

Determinare quali muscoli fossero presenti in un fossile di 360 milioni di anni ha richiesto molti anni di lavoro solo per arrivare al punto in cui si poteva iniziare a costruire modelli muscolo-scheletrici molto complicati. C’era bisogno di sapere quanti muscoli erano presenti negli animali fossili e dove si attaccavano alle ossa in modo da poter testare come funzionavano.

Per determinare come funzionavano le pinne e gli arti, i ricercatori hanno utilizzato un software computazionale originariamente sviluppato per studiare la locomozione umana. Questa tecnica era stata usata di recente per studiare la locomozione negli antenati degli umani e anche nei dinosauri come il T. rex , ma mai in qualcosa di antico come un tetrapode primitivo.

Visitare la terraferma anche se l’acqua rimane l’habitat preferito

Manipolando i modelli nel software, il team è stato in grado di misurare due tratti funzionali: la massima libertà di movimento dell’articolazione e la capacità dei muscoli di muovere le articolazioni delle pinne o degli arti. Le due misurazioni rivelerebbero compromessi nel sistema locomotore e consentirebbero ai ricercatori di testare ipotesi di funzione in animali estinti.

I risultati dimostrano che gli arti anteriori di tutti i tetrapodi terrestri passavano attraverso tre distinti stadi funzionali: uno stadio di “pesce bentonico” che assomigliava al moderno pesce polmone, uno stadio di “tetrapode precoce” diverso da qualsiasi animale estinto e uno stadio di “tetrapode corona” con caratteristiche di entrambe le lucertole e salamandre.

I primi arti dei tetrapodi erano più adatti alla propulsione piuttosto che al carico. Nell’acqua, gli animali usano gli arti per la propulsione per spostarsi in avanti o indietro permettendo all’acqua di sostenere il loro peso corporeo. Spostarsi sulla terra, tuttavia, richiede che l’animale agisca contro la gravità e spinga verso il basso con gli arti per sostenere la massa corporea.

I mezzi di locomozione erano probabilmente unici per questi animali che erano ancora molto legati all’acqua, ma si avventuravano anche sulla terraferma, dove c’erano molte opportunità per gli animali vertebrati ma poca competizione o paura dei predatori.

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