Karaya ilk çıkanların boynu vardı ama başlarını neredeyse hiç oynatamıyorlardı

2008'deki "ilk boyun" ve yerleşen varsayım

Tiktaalik roseae, Kanada'nın Nunavut bölgesindeki Ellesmere Adası'nda bulunan, yaklaşık 375 milyon yıllık bir balık ile dört ayaklı arası formdur. Chicago Üniversitesi, Jason Downs, Neil Shubin ve Ted Daeschler'in 2008'de Nature'da yayımlanan makalesi için çıkardığı duyuruda şu cümleye yer vermişti: "Fosil kayıtlarında ilk kez Tiktaalik'te görülen boyun, bedenin görece sabit kaldığı ortamlarda, yani sığ suda ve gövdenin zemine basan uzantılarla desteklendiği karada avantaj sağlar."

Bu düşünce zamanla yerleşti; baş ile omzun ayrılması, boynun hareket kabiliyetinin arttığına işaret sayıldı. Yeni makalenin yazarlarına göre ise bu tahmin işlevsel olarak hiç sınanmamıştı. Bunun da somut bir nedeni var: bu hayvanların omurgası bugünkü kara omurgalılarınınkine benzemiyordu.

Kemik değil, yumuşak bir çubuk

Bizim omurgamızda her omur gövdesi kemikleşmiştir; omurlar birbirine eklem yüzeyleriyle bağlanır ve hareketin sınırını büyük ölçüde bu eklemler çizer. Erken dört ayaklılar ise ömür boyu notokord denen esnek bir doku çubuğunu korudu. Bütün omurgalıların embriyosunda bulunan bu "sırt ipliği", onlarda omurganın asıl taşıyıcısıydı. Küçük kıkırdak ya da kemik yaylar bu kalın, yumuşak tüpün çevresine diziliydi ve aralarında kemikten kemiğe eklem yoktu.

Böyle bir yapıyı fosilden modellemek zor: hareketi eklemler değil dokunun kendi sertliği belirliyor, o doku da fosilleşmiyor. Bugün yaşayan hiçbir dört ayaklının omurgası buna benzemediği için araştırmacılar bambaşka bir canlıya baktı.

Mersin balığını bükmek ve burmak

Çalışmanın baş yazarı Dana E. Korneisel, araştırmayı Kanada'daki Carleton Üniversitesi'nde yürüttü; şu an İsveç'teki Uppsala Üniversitesi'nde çalışıyor. Ekipte Ottawa Üniversitesi, Kanada Doğa Müzesi, Washington Üniversitesi (Tacoma) ve Pennsylvania Eyalet Üniversitesi'nden araştırmacılar da var.

Model olarak göl mersin balığını (Acipenser fulvescens) seçtiler. Karadeniz'den tanıdığımız mersin balıklarıyla aynı cinsten olan bu Kuzey Amerika balığı da notokordunu yetişkinlikte korur; omurgasındaki yayların notokord kanalına oranı erken dört ayaklılarınkine benzer. Bu benzerlik akrabalıktan gelmiyor: mersin soyu bu yapıya sonradan, bağımsız olarak ulaşmış. Yani mersin bir ata değil, aynı malzemeden yapılmış bir benzer.

Ekip, ölü olarak teslim alınan on adet bir yaşındaki mersin balığının omurgasını çıkardı, bir malzeme test makinesinde yana ve yukarı doğru büktü, ardından parçaları kendi ekseni etrafında 30 derece burdu. Aynı testleri yalnız notokord üzerinde de tekrarladılar. İlk sürpriz burada çıktı: bütün omurga, tek başına notokorddan çok daha sertti. Hareketi sınırlayan notokordun kendisi değil, onu saran yaylar ve bağ dokusuyla birlikte oluşan bütündü.

Korneisel, Uppsala Üniversitesi'nin duyurusunda yöntemi şöyle özetliyor: "Test ettiğiniz şeyin ve hareketini modellemek istediğiniz hayvan bölümünün boyutunu ve biçimini ölçebiliyorsanız, iş mersin balığı değerini bölüp fosil değerini çarpmaya kalıyor."

Altı hayvan, birkaç derece

Araştırmacılar mersinden elde ettikleri sertlik değerlerini, omurga ölçüleri fosilden çıkarılabilen altı türe uyguladı: kendine özgü bir boyun bölgesi olmayan loblu yüzgeçli balık Eusthenopteron, Tiktaalik, Acanthostega, Whatcheeria, Greererpeton ve bugünkü dört ayaklıların ortak atasından sonra gelen soydan Trimerorhachis. Her tür için boynu oynatacak kas kesitini de hesapladılar ve bu kas alanını hayvanın kafa arkasındaki kesitle sınırladılar. Makalede verilen tahminleri tek tabloda topladık:

Dikkat çekici olan, kafatası ile omzun ayrıldığı noktada hiçbir sıçrama görülmemesi. Bu ayrılık Tiktaalik ile Acanthostega'nın ortak atalarında gerçekleşti, Eusthenopteron'da yoktu. Buna rağmen boynu "serbest" Tiktaalik, boyunsuz Eusthenopteron'dan daha esnek çıkmadı; Acanthostega ve Greererpeton ise ikisinden de sertti. Korneisel'in sözleriyle: "Bu hayvanlarda başı kaldırma, bir balıkta bekleyeceğinizden fazla değildi, hatta bazen daha azdı."

Ekibe göre farkı iki şey belirliyor: boyun uzunluğu ve omurların biçimi. Bükmek için gereken kuvvet boyun uzunluğunun küpüyle ters orantılı değiştiği için kısa boyun çok daha sert davranıyor; Trimerorhachis'in boynu yalnız üç omurdan oluşuyor ve 3 santimetreden kısa. Yüksek ve dar omurlar da hareketi kısıtlıyor: Acanthostega'da omurun yüksekliği genişliğinin 2,17 katına çıkıyor ve başı kaldırma payı bir dereceyi bulmuyor.

Whatcheeria: kuralı bozan uzun boyun

Altı hayvan içinde tek istisna Whatcheeria. Boynu kafatası uzunluğunun yüzde 89'u kadar, yaklaşık 20 santimetre; bu oran Acanthostega'da yüzde 34,2, Greererpeton'da yüzde 37,6. Model, Whatcheeria'nın başını öteki erken dört ayaklılardan yaklaşık on kat fazla yana, sekiz kat fazla yukarı oynatabildiğini öngörüyor.

Yazarlar onu kural değil, aykırı örnek olarak görüyor. Belirgin baş hareketi dört ayaklılarda ancak sonradan, boyunlar uzayıp omurlar arasında hareketli eklemler gelişince yaygınlaştı.

Başı çevirmek: bir metrelik kolun ucunda 20 kilo

Dönme hareketi daha da kısıtlı çıktı. Kas anatomisi en fazla dönme açısını hesaplamaya yetecek kadar bilinmediği için ekip tersinden gitti ve başı yalnız 5 derece çevirmek için gereken torku, yani döndürme etkisini hesapladı. En "kolay" tür Tiktaalik'ti ve onda bile 200 newton-metre gerekiyordu; bu, bir metrelik bir kolun ucuna yaklaşık 20 kilo asmanın yarattığı döndürme etkisine denk. Öteki türlerde değer 314 ile 746 newton-metre arasında. Kafatasının hemen arkasında ayrı atlas ve aksis omurları bulunan Greererpeton da bu kısıttan kurtulamıyor.

Korneisel bunu şöyle anlatıyor: "Başımızı sallarken yaptığımız türden bir baş çevirmenin bu hayvanların hiçbirinde mümkün olmadığını gördük."

Boyun öyleyse neden ayrıldı?

Yazarlara göre boyun, başı oynatmak için ortaya çıkmış bir uyarlanma değil, başka bir değişimin yan ürünü. Dört ayaklılara giden soyda göğüs yüzgeci ve omuz kemeri adım adım değişti; omuz, başı gövdeye bağlayan bir parça olmaktan çıkıp ön uzuvları taşıyan bir yapıya dönüştü. Makale, Eusthenopteron'un üst kol kemiğinde bile yük taşımaya elverişli süngerimsi bir iç yapı bulunduğunu hatırlatıyor. Ekip, kafatası ile omzun ayrılmasını en iyi bu ön uzuvla hareket etme yönelimiyle açıklıyor.

Korneisel'e göre sonuçlar, boyun hareketliliğinin ortaya çıktığı anı zamanda ileriye ve soy ağacında yukarıya taşıyor: "Bunun sonunda avantajlı olduğu açık, ama anatomilerinin sınırları yüzünden bu erken dört ayaklıların henüz erişebildiği bir avantaj değildi."

Sert boyun bu hayvanların yaşam biçimiyle de çelişmiyor. Yazarlar, çoğu erken dört ayaklının hem suda hem karada yaşadığı görüşüyle uyumlu olarak, hareketsiz bir boynun yüzerken enerji tasarrufu sağlamış ve karada yerçekimine karşı kendiliğinden bir direnç oluşturmuş olabileceğini yazıyor. Öte yandan bulgu, bazı erken dört ayaklılara biçilen karada avlanma senaryolarını zorluyor: ön ayak yere basılıyken başı yana atıp av yakalamak, belki Whatcheeria dışında, bu hayvanların yapabileceği bir hareket değildi.

Rakamlar bir üst sınır

Çalışmanın sınırlarını yazarlar kendileri sıralıyor. Hesaplar yalnız omurgayı hesaba katıyor; deri, kaslar, kaburgalar ve birçok türde deriye gömülü kemik plakalar boynu daha da sertleştirmiş olmalı. Korneisel bu yüzden gerçek hareket payının tahminlerden düşük olduğunu vurguluyor. Solungaç düzeneği gibi iç organlar da başın hareketine ayrıca sınır koymuş olabilir.

Mersin balığının omurgası da erken dört ayaklılarınkiyle birebir aynı değil; örneğin alt yayların notokord çevresindeki dizilişi farklı. Yöntem, notokordun yerini büyük ölçüde kemik omur gövdelerinin aldığı daha gelişmiş türlere de uygulanamıyor; onlar için başka bir yaklaşım gerekecek.

Tokyo Üniversitesi'nden Tatsuya Hirasawa, Nature'da çalışma için kaleme aldığı değerlendirme yazısının özetinde durumu şöyle koyuyor: balıklar dört uzuvlu canlılara evrilirken kafatası omuzlardan ayrılıp boynu oluşturdu, "şimdi bu ilk boynun şaşırtıcı derecede sert olduğunu öğreniyoruz".

Sırada ne var

Korneisel, mersin omurgalarıyla çalışırken dokunun kendisine pek sert gelmediğini, hesaplar bitince neredeyse bütün hayvanlarda kayda değer bir baş hareketi çıkmamasının "büyük bir sürpriz" olduğunu anlatıyor. Ekip mersinin yalnız ön bölümünü değil bütün omurgasını test etti. Bu veriyle, iskeleti yeterince iyi canlandırılabildiği sürece erken dört ayaklıların gövdesi ve kuyruğu için, hatta notokordlu omurgaya sahip başka soyu tükenmiş gruplar için de benzer hesap yapılabilir. Makale açık erişimli; ölçüm verileri de paylaşıldı.

Notokord ağırlıklı omurga bugün nadir, ama yaşamın uzun tarihinde yaygındı. Geriye büyük bir soru kalıyor: dört ayaklıların boynu tam olarak hangi dalda, hangi değişimle gerçekten oynar hale geldi?

Fotoğraf: James St. John, CC BY 2.0, Wikimedia Commons