Forskning på fossiliserad fisk från den sena devonperioden, för ungefär 375 miljoner år sedan, beskriver utvecklingen av fenor när de började övergå till lemmar som var lämpliga att gå på land.

Den nya studien av paleontologer från University of Chicago, publiceras denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences , använder CT-skanning för att undersöka formen och strukturen hos fenstrålar medan de fortfarande är inkapslade i omgivande sten. Bildverktygen gjorde det möjligt för forskarna att konstruera digitala 3D-modeller av hela fenan på fishapod Tiktaalik roseae och dess släktingar i fossilregistret för första gången. De kunde sedan använda dessa modeller för att sluta sig till hur fenorna fungerade och förändrades när de utvecklades till lemmar.

Mycket av forskningen om fenor under detta viktiga övergångsskede fokuserar på de stora, distinkta ben och bitar av brosk som motsvarar dem i vår överarm, underarm, handled, och siffror. Känd som "endoskelettet, "Forskare spårar hur dessa ben förändrades till att bli igenkännbara armar, ben och fingrar hos tetrapoder, eller fyrbenta varelser.

De känsliga strålarna och ryggarna på en fisks fenor bildar en andra, inte mindre viktigt "dermalt" skelett, som också genomgick evolutionära förändringar under denna period. Dessa bitar förbises ofta eftersom de kan falla sönder när djuren fossiliseras eller för att de avlägsnas avsiktligt av fossila förberedare för att avslöja de större benen i endoskelettet. Hudstrålar bildar det mesta av ytan hos många fiskfenor men gick helt förlorade i de tidigaste varelserna med lemmar.

"Vi försöker förstå de allmänna trenderna och utvecklingen av det dermala skelettet innan alla de andra förändringarna hände och fullvärdiga lemmar utvecklades, sa Thomas Stewart, Ph.D., en postdoktor som ledde den nya studien. "Om du vill förstå hur djur utvecklades för att använda sina fenor i den här delen av historien, detta är en viktig datamängd."

Att se forntida fenor i 3D

Stewart och hans kollegor arbetade med tre sena devonfiskar med primitiva egenskaper hos tetrapoder:Sauripterus taylori, Eusthenopteron foordi och Tiktaalik roseae, som upptäcktes 2006 av ett team ledd av UChicago paleontolog Neil Shubin, Ph.D., seniorförfattaren till den nya studien. Sauripterus och Eusthenopteron troddes ha varit helt vattenlevande och använde sina bröstfenor för att simma, även om de kanske har kunnat stötta sig på botten av sjöar och vattendrag. Tiktaalik kan ha kunnat bära upp det mesta av sin vikt med sina fenor och kanske till och med använt dem för att våga sig upp ur vattnet för korta turer över grunt och lera.

"Genom att se hela fenan av Tiktaalik får vi en tydligare bild av hur den stöttade sig och rörde sig. Fenan hade en sorts palm som kunde ligga mot floder och bäckars leriga bottnar, " sa Shubin.

Stewart och Shubin arbetade med studenterna Ihna Yoo och Justin Lemberg, Ph.D., en annan forskare i Shubins labb, att skanna exemplar av dessa fossil medan de fortfarande var inkapslade i sten. Med hjälp av bildbehandlingsprogram, de rekonstruerade sedan 3D-modeller som tillät dem att röra sig, rotera och visualisera det dermala skelettet som om det var helt extraherat från det omgivande materialet.

Modellerna visade att dessa djurs fenstrålar var förenklade, och den totala storleken på fenbanan var mindre än den hos deras fiskare föregångare. Förvånande, de såg också att toppen och botten av fenorna höll på att bli asymmetriska. Fenstrålar bildas faktiskt av par av ben. I Eusthenopteron, till exempel, den dorsala, eller topp, fenstrålen var något större och längre än den ventrala, eller den nedersta. Tiktaaliks ryggstrålar var flera gånger större än dess ventrala strålar, vilket tyder på att den hade muskler som sträckte sig på undersidan av fenorna, som handflatans köttiga bas, för att stödja dess vikt.

"Detta ger ytterligare information som gör att vi kan förstå hur ett djur som Tiktaalik använde sina fenor i denna övergång, " sa Stewart. "Djur gick från att simma fritt och använda sina fenor för att kontrollera flödet av vatten runt dem, att anpassa sig till att trycka av mot ytan på botten av vattnet."

Stewart och hans kollegor jämförde också hudskeletten av levande fiskar som stör och lungfiskar för att förstå mönstren de såg i fossilerna. De såg några av samma asymmetriska skillnader mellan toppen och botten av fenorna, vilket tyder på att dessa förändringar spelade en större roll i fiskarnas utveckling.

"Det ger oss mer självförtroende och en annan datauppsättning som säger att dessa mönster är verkliga, utbredd och viktig för fiskar, inte bara i fossilregistret när det gäller övergången från fena till lem, men fenornas funktion i stort."