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Combien de fois la vie terrestre a-t-elle émergé de l'océan ?


L'évolution est souvent décrite à tort comme linéaire dans la culture populaire. Une caractéristique principale de cette représentation dans la culture populaire, mais même dans la vulgarisation scientifique, est qu'un animal vivant dans l'océan perd ses écailles et ses nageoires et rampe sur la terre.

Bien sûr, cela ne présente que une lignée ancestrale pour une espèces spécifiques (Homo sapiens). Ma question est: Où d'autre la vie a-t-elle évolué de l'eau vers la terre ?

Intuitivement, cela semble être un énorme saut à franchir (s'adapter à un environnement fondamentalement étranger) mais cela a quand même dû se produire plusieurs fois (séparément au moins pour les plantes, les insectes et les cordés, puisque leur ancêtre commun respectif le plus récent est la mer). En fait, plus j'y pense, plus je trouve d'exemples.


Je doute que nous connaissions le nombre précis, ou même n'importe où près de lui. Mais il existe plusieurs colonisations théorisées bien étayées qui pourraient vous intéresser et vous aider à vous faire une idée de la fréquence à laquelle la vie passe à la terre ferme. Nous pouvons également utiliser des faits connus sur le moment où différentes lignées évolutives ont divergé, ainsi que des connaissances sur les colonisations antérieures de la terre, pour déterminer certains événements par nous-mêmes. Je l'ai fait ici pour de larges clades taxonomiques à différentes échelles - si vous êtes intéressé, vous pouvez refaire la même chose pour les sous-clades inférieurs.

Comme vous le soulignez à juste titre, il doit y avoir eu au moins un événement de colonisation pour chaque lignage présent sur des terres qui divergeaient des autres lignages terrestres présents avant la colonisation des terres. En utilisant les preuves et le raisonnement que je donne ci-dessous, à tout le moins, les 9 colonisations indépendantes suivantes se sont produites :

  • bactéries
  • cyanobactéries
  • archée
  • protistes
  • champignons
  • algues
  • les plantes
  • nématodes
  • arthropodes
  • vertébrés

Colonisation bactérienne et archéenne
La première preuve de vie sur terre semble provenir d'il y a 2,6 (Watanabe et al., 2000) à 3,1 (Battistuzzi et al., 2004) il y a des milliards d'années. Étant donné que les preuves moléculaires indiquent que les bactéries et les archées ont divergé il y a 3,2 à 3,8 milliards d'années (Feng et al., 1997 - un article classique), et puisque les bactéries et les archées se trouvent sur terre (par exemple, Taketani & Tsai, 2010), elles doivent ont colonisé des terres de façon indépendante. Je dirais qu'il y aurait eu aussi de nombreuses colonisations bactériennes différentes. Une au moins est certaine - les cyanobactéries doivent avoir colonisé indépendamment de certaines autres formes, puisqu'elles ont évolué après la première colonisation bactérienne (Tomitani et al., 2006), et se trouvent maintenant sur terre, par ex. dans les lichens.

Protistan, colonisation fongique, algale, végétale et animale
Les protistes sont un groupe polyphylétique d'eucaryotes simples, et puisque la divergence fongique d'eux (Wang et al., 1999 - un autre classique) est antérieure à l'émergence fongique de l'océan (Taylor & Osborn, 1996), ils doivent avoir émergé séparément. Ensuite, puisque les plantes et les champignons ont divergé alors que les champignons étaient encore dans l'océan (Wang et al., 1999), les plantes ont dû coloniser séparément. En fait, il a été explicitement découvert de diverses manières (par exemple, les méthodes d'horloge moléculaire, Heckman et al., 2001) que les plantes ont dû quitter l'océan séparément pour les champignons, mais qu'elles se sont probablement appuyées sur eux pour pouvoir le faire (Brundrett, 2002 - voir note au bas de ce document). Ensuite, des animaux simples… Les arthropodes ont colonisé la terre de manière indépendante (Pisani et al, 2004), et comme les nématodes ont divergé avant les arthropodes (Wang et al., 1999), ils ont dû eux aussi trouver la terre de manière indépendante. Puis, avançant lourdement à la fin, sont arrivés les tétrapodes (Long & Gordon, 2004).

Remarque concernant le papier Brundrett : il compte PLUS DE 300 RÉFÉRENCES ! Ce type devait espérer une sorte de prix.

Les références

  • Battistuzzi FU, Feijao A, Hedges SB. 2004. Une échelle de temps génomique de l'évolution des procaryotes : aperçu de l'origine de la méthanogenèse, de la phototrophie et de la colonisation des terres. BMC Evol Biol 4:44.
  • Brundett MC. 2002. Coévolution des racines et des mycorhizes des plantes terrestres. Nouveau Phytologue 154 : 275-304.
  • Feng D-F, Cho G, Doolittle RF. 1997. Détermination des temps de divergence avec une horloge protéique : mise à jour et réévaluation. Actes de l'Académie nationale des sciences 94 : 13028 -13033.
  • Heckman DS, Geiser DM, Eidell BR, Stauffer RL, Kardos NL, Hedges SB. 2001. Preuves moléculaires de la colonisation précoce des terres par les champignons et les plantes. Sciences 293 : 1129 -1133.
  • Long JA, Gordon MS. 2004. La plus grande étape de l'histoire des vertébrés : une revue paléobiologique de la transition poisson-tétrapode. Zoologie physiologique et biochimique 77 : 700-719.
  • Pisani D, Poling LL, Lyons-Weiler M, Hedges SB. 2004. La colonisation des terres par les animaux : phylogénie moléculaire et temps de divergence chez les arthropodes. BMC Biol 2: 1.
  • Taketani RG, Tsai SM. 2010. L'influence de différentes utilisations des terres sur la structure des communautés d'archées dans les anthrosols amazoniens basés sur l'ARNr 16S et les gènes amoA. Microb Ecol 59 : 734-743.
  • Taylor TN, Osborn JM. 1996. L'importance des champignons dans la formation du paléoécosystème. Revue de paléobotanique et palynologie 90 : 249-262.
  • Wang DY, Kumar S, Hedges SB. 1999. Estimations du temps de divergence pour l'histoire précoce des phylums animaux et l'origine des plantes, des animaux et des champignons. Proc Biol Sci 266 : 163-171.
  • Watanabe Y, Martini JEJ, Ohmoto H. 2000. Preuve géochimique des écosystèmes terrestres il y a 2,6 milliards d'années. Nature 408 : 574-578.

La réponse de Richard est fantastique, et je ne vais pas être aussi complète. Mais voici d'autres exemples :

  • Tortues (qui ont fait de la mer à la terre à la mer à la terre !)
  • Gastropoda (escargots et limaces)
  • Tardigrada (ours d'eau)
  • Onychophora (vers de velours)
  • Planaria (vers plats)
  • Annélides (vers annélides)

Avec les exemples de Richard qui comprend tous les exemples d'animaux terrestres donnés sur wikipedia.


Comment la vie multicellulaire a-t-elle évolué ?

Les scientifiques découvrent des façons dont des cellules individuelles pourraient avoir développé des traits qui les ont ancrées dans un comportement de groupe, ouvrant la voie à une vie multicellulaire. Ces découvertes pourraient faire la lumière sur la façon dont la vie extraterrestre complexe pourrait évoluer sur des mondes extraterrestres.

Les chercheurs ont détaillé ces résultats dans le numéro du 24 octobre 2016 de la revue Science.

Les premiers organismes unicellulaires connus sont apparus sur Terre il y a environ 3,5 milliards d'années, environ un milliard d'années après la formation de la Terre. Des formes de vie plus complexes ont mis plus de temps à évoluer, les premiers animaux multicellulaires n'apparaissant qu'il y a environ 600 millions d'années.

L'évolution de la vie multicellulaire à partir de microbes unicellulaires plus simples a été un moment charnière dans l'histoire de la biologie sur Terre et a radicalement remodelé l'écologie de la planète. Cependant, un mystère sur les organismes multicellulaires est de savoir pourquoi les cellules ne sont pas retournées à la vie unicellulaire.

"L'unicellularité est clairement un succès - les organismes unicellulaires sont beaucoup plus abondants que les organismes multicellulaires et existent depuis au moins 2 milliards d'années supplémentaires", a déclaré l'auteur principal de l'étude Eric Libby, biologiste mathématique à l'Institut Santa Fe au Nouveau-Mexique. « Alors, quel est l'avantage d'être multicellulaire et de le rester ? »

La réponse à cette question est généralement la coopération, car les cellules ont plus bénéficié de travailler ensemble que de vivre seules. Cependant, dans les scénarios de coopération, il existe constamment des opportunités tentantes « pour les cellules de se dérober à leurs devoirs, c'est-à-dire de tricher », a déclaré Libby.

"À titre d'exemple, considérons une colonie de fourmis où seule la reine pond des œufs et les ouvrières, qui ne peuvent pas se reproduire, doivent se sacrifier pour la colonie", a déclaré Libby. « Qu'est-ce qui empêche la fourmi ouvrière de quitter la colonie et de former une nouvelle colonie ? Eh bien, évidemment, la fourmi ouvrière ne peut pas se reproduire, elle ne peut donc pas créer sa propre colonie. Mais s'il avait une mutation qui lui permettait de le faire, alors ce serait un vrai problème pour la colonie. Ce genre de lutte est répandu dans l'évolution de la multicellularité parce que les premiers organismes multicellulaires n'étaient qu'une mutation loin d'être strictement unicellulaires.

Des expériences ont montré qu'un groupe de microbes qui sécrète des molécules utiles dont tous les membres du groupe peuvent bénéficier peut croître plus rapidement que les groupes qui ne le font pas. Mais au sein de ce groupe, les freeloaders qui ne dépensent pas de ressources ou d'énergie pour sécréter ces molécules se développent le plus rapidement. Un autre exemple de cellules qui se développent d'une manière qui nuit aux autres membres de leurs groupes sont les cellules cancéreuses, qui sont un problème potentiel pour tous les organismes multicellulaires.

En effet, de nombreux organismes multicellulaires primitifs ont probablement connu à la fois des états unicellulaires et multicellulaires, offrant des opportunités de renoncer à un mode de vie de groupe. Par exemple, la bactérie Pseudomonas fluorescens évolue rapidement pour générer des tapis multicellulaires sur les surfaces afin d'avoir un meilleur accès à l'oxygène. Cependant, une fois qu'un tapis s'est formé, les tricheurs unicellulaires sont incités à ne pas produire la colle responsable de la formation du tapis, conduisant finalement à la destruction du tapis.

Pour résoudre le mystère de la persistance de la vie multicellulaire, les scientifiques suggèrent ce qu'ils appellent des « mécanismes de cliquet ». Les cliquets sont des dispositifs qui permettent un mouvement dans une seule direction. Par analogie, les mécanismes de cliquet sont des traits qui offrent des avantages dans un contexte de groupe mais sont préjudiciables aux solitaires, empêchant finalement un retour à un état unicellulaire, a déclaré Libby et le co-auteur de l'étude William Ratcliff au Georgia Institute of Technology à Atlanta.

En général, plus un trait rend les cellules d'un groupe interdépendantes, plus il sert de cliquet. Par exemple, des groupes de cellules peuvent diviser le travail de sorte que certaines cellules développent une molécule vitale tandis que d'autres cellules développent un composé essentiel différent, de sorte que ces cellules réussissent mieux ensemble que séparément, une idée soutenue par des expériences récentes avec des bactéries.

Le cliquet peut également expliquer la symbiose entre les anciens microbes qui a conduit à des symbiotes vivant à l'intérieur des cellules, tels que les mitochondries et les chloroplastes qui aident respectivement leurs hôtes à utiliser l'oxygène et la lumière du soleil. Les organismes unicellulaires connus sous le nom de Paramecia réussissent mal lorsqu'ils sont dérivés expérimentalement de symbiotes photosynthétiques, et à leur tour, les symbiotes perdent généralement les gènes nécessaires à la vie en dehors de leurs hôtes.

Ces mécanismes de cliquet peuvent conduire à des résultats apparemment absurdes. Par exemple, l'apoptose, ou mort cellulaire programmée, est un processus par lequel une cellule subit essentiellement le suicide. Cependant, des expériences montrent que des taux d'apoptose plus élevés peuvent en fait avoir des avantages. Dans les grands amas de cellules de levure, les cellules apoptotiques agissent comme des maillons faibles dont la mort permet à de petits amas de cellules de levure de se libérer et de se propager ailleurs où elles pourraient avoir plus d'espace et de nutriments pour se développer.

"Cet avantage ne fonctionne pas pour les cellules individuelles, ce qui signifie que toute cellule qui abandonne le groupe subira un désavantage", a déclaré Libby. « Ce travail montre qu'une cellule vivant en groupe peut vivre un environnement fondamentalement différent d'une cellule vivant seule. L'environnement peut être si différent que des caractéristiques désastreuses pour un organisme solitaire, comme des taux de mortalité accrus, peuvent devenir avantageuses pour les cellules d'un groupe.

En ce qui concerne la signification de ces découvertes dans la recherche de vie extraterrestre, Libby a déclaré que cette recherche suggère que le comportement extraterrestre peut sembler étrange jusqu'à ce que l'on comprenne mieux qu'un organisme peut être membre d'un groupe.

"Les organismes dans les communautés peuvent adopter des comportements qui sembleraient bizarres ou contre-intuitifs sans tenir dûment compte de leur contexte communautaire", a déclaré Libby. « C'est essentiellement un rappel qu'une pièce de puzzle est un puzzle jusqu'à ce que vous sachiez comment elle s'intègre dans un contexte plus large. »

Libby et ses collègues prévoient d'identifier d'autres mécanismes de cliquet.

"Nous avons également quelques expériences en cours pour calculer la stabilité fournie par certains traits de cliquet possibles", a déclaré Libby.

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Une histoire de l'astrobiologie

Peu de temps après la création de la NASA en 1958, l'agence a lancé un vaste effort pour apprendre à rechercher la présence - à la fois ancienne et actuelle - de la vie au-delà de la Terre. Rejoindre les programmes spatiaux humains et robotiques de l'agence avec une ramification de la biologie n'a pas toujours été une solution facile ou acceptée, d'autant plus qu'aucun échantillon réel de vie n'a jamais été trouvé ailleurs. Mais à présent, les deux programmes sont devenus si imbriqués, si interdépendants, que chacun serait profondément endommagé sans l'autre.

Une partie de cet appariement initial découle d'un timing fortuit, de la juxtaposition de deux avancées historiques. D'abord, des découvertes surprenantes et des théories complémentaires sur la façon dont la vie s'organise et comment elle aurait pu commencer sur Terre. Cela a été suivi peu de temps après par nos premiers succès dans les voyages spatiaux et la promesse implicite de beaucoup plus à venir.

Ainsi, la capacité de la nation à atteindre l'espace est arrivée à un moment où les gens étaient ouverts, voire désireux d'en savoir plus sur la dynamique et les origines de la vie sur Terre… et peut-être au-delà.

Le lien entre l'exploration spatiale et l'astrobiologie (alors appelée exobiologie) a été mis en évidence et légitimé très tôt par le biologiste moléculaire devenu exobiologiste Joshua Lederberg. Même avant la création officielle de la NASA, il contactait ses collègues sur les possibilités de trouver de la vie au-delà de la Terre. Il a remporté le prix Nobel (à 33 ans, pour ses découvertes sur la génétique des bactéries) la même année que la NASA a été fondée.

En 1960, il écrivait dans le journal Science que: "L'exobiologie n'est pas plus fantastique que la réalisation du voyage spatial lui-même, et nous avons la grave responsabilité d'explorer ses implications pour la science et pour le bien-être humain avec nos meilleures connaissances et connaissances scientifiques."

Alors que les années 1960 ont été définies au sein de la NASA principalement par les efforts visant à faire atterrir des humains sur la Lune, tout au long de cette période, l'agence a également soutenu un effort solide pour se préparer à une mission sur Mars. Son objectif principal : rechercher des signatures de vie au-delà de la Terre.

Cet effort a nécessité des recherches approfondies et un débat inévitable sur la nature de la « vie » que le Viking les atterrisseurs seraient à la recherche. Qui plus est, ceux qui travaillent dans les domaines biologiques se sont dûment inquiétés de la vie microbienne Viking des atterrisseurs pourraient amener sur Mars depuis la Terre et projeter plus loin sur la vie extraterrestre qui pourrait un jour être renvoyée sur notre planète.

Ainsi, alors que la chasse à la vie présente ou passée sur Mars était une idée très populaire, elle a ouvert une boîte de Pandore de questions extrêmement difficiles sur la nature et les origines encore mystérieuses de la vie. Néanmoins, la possibilité de trouver réellement une vie extraterrestre a atteint un paroxysme d'excitation au cours de la Viking atterrissage en 1976. Beaucoup ont prédit que la vie serait trouvée sur Mars - y compris Carl Sagan, qui avait hâte de rencontrer, via Viking, des créatures visibles, peut-être flottantes.

Mais ces prédictions ont cédé la place aux premières images d'un paysage martien sombre et stérile, puis à des conclusions scientifiques négatives mais aussi déroutantes quant à savoir si des signes de vie, ou même de composés organiques, avaient été détectés.

L'expérience était suffisamment dégrisante pour que l'étude de Mars soit brusquement passée au second plan, et il faudrait des décennies avant que l'intérêt ne reprenne. Et tandis que les orbiteurs, les atterrisseurs et les rovers sont revenus sur Mars dans les années 1990 et 2000, ce n'est qu'à l'atterrissage de Curiosity en 2012 qu'une autre mission d'astrobiologie (mais pas de détection de vie) a commencé. Heureusement, beaucoup de choses avaient été apprises dans l'intervalle.

Par exemple, des communautés microbiennes jusque-là inconnues ont été découvertes sur Terre qui survivent, voire prospèrent, dans ce qui était auparavant considéré comme des environnements morts et inhabitables. La première grande découverte « extrêmophile » a été faite dans la noirceur de l'océan profond au large des îles Galapagos, à côté des cheminées hydrothermales qui parsèment le fond marin. Non seulement des microbes et plus tard des vers tubicoles ont été trouvés vivant dans l'obscurité totale, mais ils vivaient dans de l'eau rendue extrêmement chaude par les évents.

Cette découverte de 1977 a conduit les chercheurs dans des environnements extrêmes à travers le monde, où ils ont trouvé des microbes vivant dans un froid glacial, dans des eaux très acides et salées, dans la roche des mines d'or creusées à des kilomètres sous terre, dans l'atmosphère au-dessus du sol et dans des environnements avec des niveaux élevés. de la radioactivité.

Cette explosion de recherches souvent financées par la NASA a beaucoup appris aux scientifiques sur la vie sur Terre, mais elle a aussi très clairement suggéré que la vie peut exister au-delà de la Terre dans des conditions longtemps considérées comme insurmontables – comme les océans gelés de la lune de Jupiter Europa.

Les chercheurs ont également trouvé tous les produits chimiques nécessaires à la vie dans l'espace et de nombreux éléments constitutifs clés des météorites et même des comètes. Des acides aminés, par exemple, ont été trouvés dans des échantillons de la comète Wild 2 après que le vaisseau spatial Stardust de la NASA ait traversé le coma poussiéreux de la comète en 2004, et des nucléotides ont été découverts par des scientifiques de la NASA dans des météorites. Ces résultats du domaine de "l'astrochimie" ont indiqué aux scientifiques que les ingrédients présumés nécessaires à la vie tombent en réalité sur les planètes, les lunes et les astéroïdes partout.

La façon dont ces composés organiques et d'autres pourraient s'organiser en formes auto-répliquantes, et finalement en organismes, a été l'un des domaines les plus difficiles de l'astrobiologie. En creusant à la fois dans l'infrastructure génétique de la vie et en essayant de la recréer en laboratoire, les scientifiques ont repoussé le mystère des origines de la vie à un monde ARN primitif et même à un monde pré-ARN. Mais le processus par lequel les substances non vivantes ont pris les attributs de la vie reste insaisissable.

La recherche terrestre a été essentielle à l'astrobiologie et a considérablement changé notre compréhension de la Terre et de ce qui pourrait être possible sur d'autres mondes. Mais la NASA et les missions robotiques européennes et les télescopes spatiaux ont le plus souvent été les moteurs qui alimentent le terrain.

Guidées par le mantra « Suivez l'eau », les missions de la NASA dans notre système solaire ont découvert une variété surprenante de cibles d'astrobiologie. D'abord vint la lune de Jupiter Europa, avec un océan sous sa croûte glacée. Les recherches en cours suggèrent que l'eau est salée, une saumure avec des parallèles apparents avec nos océans. Et plus récemment, des panaches de cette eau ont peut-être été détectés fuyant de la lune - similaires à certains égards à ceux qui jaillissent de la lune de Saturne Encelade.

L'histoire de l'eau sur Mars a été particulièrement prometteuse, avec l'identification de chenaux fluviaux profonds, de systèmes de vallées, de cônes alluviaux et, plus récemment, de lacs et de suggestions d'un océan nordique autrefois grandiose. La planète naine Cérès et la lune de Jupiter Ganymède semblent désormais également contenir des océans intérieurs, et les possibilités de trouver plus de mondes aquatiques semblent infinies.

C'est parce que les vingt dernières années ont été témoins d'une révolution dans notre compréhension des exoplanètes - des corps qui orbitent autour de soleils lointains. Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que d'autres étoiles produisent des systèmes solaires, mais ce n'est qu'en 1995 que la première a été détectée. Depuis lors, des milliers d'autres ont été identifiés, notamment par le télescope spatial Kepler de la NASA, mais aussi grâce à des observations au sol.

Alors que le nombre estimé d'exoplanètes est passé à plusieurs milliards, la possibilité que certaines abritent des organismes vivants est devenue plus plausible et fait l'objet de recherches approfondies. Les scientifiques ont déterminé que certaines des planètes sont rocheuses et « semblables à la Terre » et tournent autour de leur soleil bien dans une « zone habitable » – à une distance où l'eau peut rester liquide à la surface de la planète pendant au moins une partie du temps. . Il faut bien plus qu'une surface rocheuse et parfois de l'eau liquide pour rendre une planète vraiment habitable, mais c'est un début important.

Rétrospectivement, nous pouvons voir qu'un large éventail d'avancées en astrobiologie ont ouvert la voie à ce qui est immédiatement devenu la plus grande nouvelle de toutes : la détection possible de signes de l'ancienne vie martienne.

Les gros titres en 1996 parlaient d'une équipe de recherche de la NASA, dirigée par David McKay, qui avait trouvé six indicateurs de vie passée dans une météorite de Mars. La célèbre météorite ALH84001, découverte dans la région d'Allan Hills en Antarctique en 1984, a été présentée comme contenant des signes clairs que la vie microbienne existait autrefois sur Mars. Il y avait même des images de ce qui a été interprété comme les restes fossiles d'une forme de vie ressemblant à une bactérie.

Comme avec le Viking résultats, cependant, beaucoup dans les communautés de Mars et d'astrobiologie n'étaient pas convaincus. Alors que les auteurs des deux Viking résultats et les résultats de la météorite de Mars soutiennent leur travail, le consensus scientifique les a largement rejetés, concluant que les résultats pouvaient être expliqués sans la présence de la biologie.

Néanmoins, la météorite de Mars et l'excitation qui l'entoure ont donné un coup de fouet à la recherche renouvelée de la NASA pour la vie au-delà de la Terre. L'Institut d'astrobiologie de la NASA a été fondé deux ans après la publication de l'article sur la météorite de Mars, avec le lauréat du prix Nobel Baruch Blumberg comme directeur, et l'organisation finance depuis des recherches de grande envergure.

Une partie du travail consiste à étudier des environnements sur Terre pour mieux comprendre ceux potentiellement similaires au-delà de la Terre (appelés «environnements analogiques»). D'autres travaux portent sur le développement technologique à utiliser sur d'autres planètes et lunes, tandis que d'autres recherches explorent les origines et le développement précoce de la vie sur notre planète.


Évolution : hors de la mer

Le jeudi 26 juillet a vu le lancement de SciLogs.com, un nouveau réseau de blogs scientifiques en anglais. SciLogs.com, la toute nouvelle maison des blogueurs de Nature Network, fait partie de la collection internationale de blogs SciLogs qui existe déjà en allemand, espagnol et néerlandais. Pour célébrer cet ajout à la famille des blogs scientifiques NPG, certains des blogs NPG publient des articles axés sur les « débuts ».

Le blog Soapbox Science de nature.com, le blog Student Voices de Scitable et les blogueurs de SciLogs.com, SciLogs.de, Scitable et Scientific American’s Blog Network participent à ce festival de blogs inter-réseaux. Rejoignez-nous alors que nous explorons les diverses interprétations des débuts - des exemples scientifiques tels que les cellules souches aux premières expériences telles que la publication de votre premier article. Vous pouvez également suivre et contribuer aux conversations sur les réseaux sociaux en utilisant le hashtag #BeginScights. -Bora

Au début, la terre était sans forme, et le vide et les ténèbres étaient sur la face de l'abîme, alors qu'un nuage géant de gaz et de poussière s'effondrait pour former notre système solaire. Les planètes ont été forgées lors de la rotation de la nébuleuse, mise en mouvement par une supernova voisine, et au centre, la compression la plus rapide de particules s'est enflammée pour devenir notre soleil. Il y a environ 4,5 milliards d'années, une terre en fusion a commencé à se refroidir. De violentes collisions avec des comètes et des astéroïdes ont amené le fluide de la vie - l'eau - et les nuages ​​​​et les océans ont commencé à prendre forme. Ce n'est qu'un milliard d'années plus tard que la première vie a vu le jour, remplissant l'atmosphère d'oxygène.

Au cours des quelques milliards d'années qui ont suivi, les organismes unicellulaires ont fusionné et sont devenus des plans corporels multicellulaires qui se sont diversifiés et rayonnés, explosant en un éventail d'invertébrés. Pourtant, toute cette abondance et cette vie se limitaient aux mers, et une terre vaste et abondante restait inutilisée. Il y a environ 530 millions d'années, il existe des preuves que des animaux ressemblant à des mille-pattes ont commencé à explorer le monde au-dessus de l'eau. Il y a environ 430 millions d'années, les plantes ont colonisé la terre nue, créant une terre riche en nourriture et en ressources, tandis que les poissons ont évolué à partir de vertébrés ancestraux dans la mer. Il a fallu encore 30 millions d'années avant que ces poissons préhistoriques ne sortent de l'eau et ne commencent la lignée évolutive sur laquelle nous sommes assis aujourd'hui. Pour comprendre la vie telle que nous la connaissons, nous devons regarder d'où nous venons et comprendre comment nos ancêtres ont bravé un tout nouveau monde au-dessus des vagues.

C'était un petit pas pour les poissons, mais un pas de géant pour les animaux. Cependant, en regardant les espèces de poissons modernes, il n'est pas si difficile d'envisager la lente adaptation à la vie hors de la mer. L'autre jour, je nourrissais mon poisson-scorpion Stumpy, et il m'a surpris avec ce rampement lent et délibéré vers sa nourriture :

Un certain nombre de poissons présentent des traits qui ne sont pas sans rappeler ceux des premiers tétrapodes : les vertébrés à quatre membres qui ont bravé la vie sur terre pour la première fois, descendants directs des anciens poissons. De nombreux membres de la famille de Stumpy, y compris les grondins, sont connus pour leurs comportements de « marche ». De même, les mudskippers se sont adaptés anatomiquement et comportementalement pour survivre sur terre. Non seulement ils peuvent utiliser leurs nageoires pour sauter d'un endroit à l'autre, mais ils peuvent aussi respirer à travers leur peau comme le font les amphibiens, ce qui leur permet de survivre lorsqu'ils quittent leurs bassins peu profonds. Les poissons-chats ambulants ont tellement modifié leur système respiratoire qu'ils peuvent survivre des jours hors de l'eau. Mais tout cela n'est qu'un aperçu de la façon dont les premiers tétrapodes ont commencé, car aucun de ces animaux ne s'est complètement adapté à la vie sur terre. Pour comprendre comment les tétrapodes ont réussi un tel exploit, nous devons d'abord comprendre les barrières qui se dressent entre leur vie sous la mer et la terre au-dessus qui les attendait.

Vivre dans l'air au lieu de l'eau est semé d'embûches. La locomotion est un problème, même si, comme l'a montré l'évolution d'un certain nombre de lignées, ce n'est pas un problème aussi important qu'on pourrait le penser. Pourtant, alors que les mudskippers et les poissons-chats semblent marcher avec aisance, on ne peut pas en dire autant de nos ancêtres. Certains des premiers tétrapodes, comme Ichthyostega étaient assez encombrants sur terre et passaient probablement la plupart de leur temps dans le confort de l'eau. Ces premiers tétrapodes provenaient d'une ancienne lignée de poissons appelée Sarcoptérygii ou poisson à nageoires lobées, dont seuls quelques-uns survivent aujourd'hui. Comme son nom l'indique, ces animaux ont des nageoires charnues en forme de pagaie au lieu des rayons fragiles de la plupart des espèces de poissons modernes. Ces nageoires lobées, couvertes de chair, étaient mûres pour s'adapter en membres.

Mais ces premiers tétrapodes ont dû développer plus qu'une nouvelle façon de marcher - leurs squelettes entiers ont dû changer pour supporter plus de poids, car l'eau supporte la masse d'une manière que l'air ne fait tout simplement pas. Chaque vertèbre devait devenir plus forte pour se soutenir. Les côtes et les vertèbres ont changé de forme et ont évolué pour un soutien supplémentaire et une meilleure répartition du poids. Les crânes se sont déconnectés, et les cous ont évolué pour permettre une meilleure mobilité de la tête et absorber le choc de la marche. Des os ont été perdus et déplacés, rationalisant les membres et créant le motif à cinq chiffres qui se reflète encore dans nos propres mains et pieds. Articulations articulées pour le mouvement et tournées vers l'avant pour permettre de ramper à quatre pattes. Dans l'ensemble, il a fallu environ 30 millions d'années pour développer un plan corporel adapté à la marche sur terre.

Dans le même temps, ces aspirants terriens encombrants se sont heurtés à un autre obstacle : l'air lui-même. Avec des branchies capables de puiser l'oxygène de l'eau, les premiers tétrapodes étaient mal équipés pour respirer de l'air. Alors que beaucoup pensent que les premiers tétrapodes ont transformé leurs branchies en poumons, ce n'est en fait pas vrai - c'est plutôt le système digestif du poisson qui s'est adapté pour former des poumons. Les premiers tétrapodes à quitter l'eau respirent en avalant de l'air et en absorbant de l'oxygène dans leur intestin. Au fil du temps, une poche spéciale s'est formée, permettant un meilleur échange de gaz. Chez de nombreux poissons, une structure similaire - appelée vessie natatoire - existe qui leur permet d'ajuster la flottabilité dans l'eau, et donc beaucoup ont émis l'hypothèse que les poumons des tétrapodes sont des vessies natatoires cooptées. En fait, on ne sait pas exactement quand les tétrapodes ont développé des poumons. Alors que les seuls parents survivants des premiers tétrapodes - les poissons poumons - possèdent également des poumons (si leur nom ne l'indique pas), de nombreux tétrapodes fossiles ne semblent pas en avoir, ce qui suggère que les poissons poumons ont développé indépendamment leur capacité à respirer de l'air. Ce que nous savons, c'est que ce n'est qu'il y a environ 360 millions d'années que les tétrapodes respiraient vraiment comme leurs descendants modernes.

L'autre problème avec l'air est qu'il a tendance à rendre les choses sèches. Vous avez peut-être entendu la statistique selon laquelle notre corps est composé à 98% d'eau, mais, en tant qu'organismes terrestres bien évolués, nous avons des structures très évoluées qui garantissent que toute cette eau ne s'évapore pas simplement. Les premiers tétrapodes devaient les développer eux-mêmes. Au début, comme les amphibiens qui en découleraient, de nombreux tétrapodes se sont probablement collés aux habitats humides pour éviter la perte d'eau. Mais finalement, pour conquérir les terres arides et les déserts, les animaux ont dû trouver un autre moyen de ne pas se dessécher. Il est probable que bon nombre des premiers tétrapodes ont commencé à expérimenter des moyens d'imperméabiliser leur peau. La question des œufs secs était encore plus importante. Les amphibiens résolvent le problème de la sécheresse en pondant leurs œufs dans l'eau, mais les tétrapodes qui ont conquis la terre n'ont pas eu ce luxe.

La solution à la nature sèche de la terre était d'enfermer les œufs dans un certain nombre de couches de membranes, dans ce qu'on appelle maintenant un œuf amniote. Même nos propres enfants le reflètent, car les bébés humains grandissent toujours dans un sac amniotique qui entoure le fœtus, même si nous ne pondons plus d'œufs. Cette adaptation cruciale a permis aux animaux de rompre les liens avec les habitats aquatiques et de distinguer la lignée principale des tétrapodes, y compris les reptiles, les oiseaux et les mammifères, des amphibiens.

Ces adaptations cruciales aux squelettes et à l'anatomie des tétrapodes leur ont permis de conquérir le monde au-dessus des vagues. Sans leur ingéniosité évolutionniste, un ensemble diversifié d'animaux, y compris tous les mammifères, ne serait pas là où ils sont aujourd'hui. Pourtant, nous comprenons encore à peine les paramètres écologiques qui ont chassé ces premiers animaux de la mer. La terre ferme offrait-elle une abondance infinie de nourriture à ne pas laisser passer ? Peut-être, mais il existe des preuves que nos ancêtres ont bravé le monde sec très tôt, avant même la plupart des plantes ou des insectes terrestres, il est donc possible que la terre soit stérile. Échappaient-ils à la concurrence et à la prédation dans les profondeurs ? Ou la terre était-elle importante pour une raison encore indéterminée ? Nous ne le saurons peut-être jamais. Mais alors que nous réfléchissons à nos débuts, nous devons donner du crédit aux animaux audacieux qui ont commencé la lignée évolutive diversifiée dont nous faisons partie. Bien que nous ne comprenions peut-être jamais pourquoi ils ont quitté l'eau, nous sommes reconnaissants qu'ils l'aient fait.

Autres articles de la série Evolution :

Photo : Un modèle de Tiktaalik rosea, l'un des premiers ancêtres des tétrapodes. Photo reproduite avec l'aimable autorisation de Tyler Keillor.


Combien de fois la vie terrestre a-t-elle émergé de l'océan ? - La biologie

Les êtres vivants (même les organismes anciens comme les bactéries) sont extrêmement complexes. Cependant, toute cette complexité n'a pas sauté entièrement formée de la soupe primordiale. Au lieu de cela, la vie est presque certainement née d'une série de petites étapes, chacune s'appuyant sur la complexité qui évoluait auparavant :

    Des molécules organiques simples se sont formées.
    Des molécules organiques simples, similaires au nucléotide illustré ci-dessous, sont les éléments constitutifs de la vie et doivent avoir été impliquées dans son origine. Des expériences suggèrent que des molécules organiques auraient pu être synthétisées dans l'atmosphère de la Terre primitive et se sont déversées dans les océans. Les molécules d'ARN et d'ADN, le matériel génétique de toute vie, ne sont que de longues chaînes de nucléotides simples.

De nombreux biologistes émettent l'hypothèse que cette étape a conduit à un "monde de l'ARN" dans lequel l'ARN a fait de nombreuses tâches, stockant des informations génétiques, se copiant et exécutant des fonctions métaboliques de base. Aujourd'hui, ces tâches sont effectuées par de nombreuses sortes de molécules (ADN, ARN et protéines, principalement), mais dans le monde de l'ARN, l'ARN a tout fait.

Self-replication opened the door for natural selection. Once a self-replicating molecule formed, some variants of these early replicators would have done a better job of copying themselves than others, producing more "offspring." These super-replicators would have become more common — that is, until one of them was accidentally built in a way that allowed it to be a super-super-replicator — and then, cette variant would take over. Through this process of continuous natural selection, small changes in replicating molecules eventually accumulated until a stable, efficient replicating system evolved.


Contenu

The term terrestrial is typically applied for species that live primarily on the ground, in contrast to arboreal species, which live primarily in trees.

There are other less common terms that apply to specific groups of terrestrial animals:

  • Saxicolous creatures are rock dwelling. Saxicolous is derived from the Latin word "saxum," meaning a rock.
  • Arenicolous creatures live in the sand.
  • Troglofauna predominantly live in caves.

Terrestrial invasion is one of the most important events in the history of life. [1] [2] [3] Terrestrial lineages evolved in several animal phyla, among which vertebrates, arthropods, and mollusks are representatives of more successful groups of terrestrial animals.

Terrestrial animals do not form a unified clade rather, they share only the fact that they live on land. The transition from an aquatic to terrestrial life has evolved independently and successfully many times by various groups of animals. [3] Most terrestrial lineages originated under a mild or tropical climate during the Paleozoic and Mesozoic, whereas few animals became fully terrestrial during the Cenozoic.

When excluding internal parasites, free living species in terrestrial environments are represented by the following eleven phyla:

    (hairy-backs) live in transient terrestrial water and go dormant during desiccation (wheel animals) live in transient terrestrial water and go dormant during desiccation (roundworms) by going dormant during desiccation (water bears) live in transient terrestrial water and go dormant during desiccation (land planarians) require moist habitats and have restricted range (ribbon worms in Monostilifera) require moist habitats and have restricted range (velvet worms) require moist habitats and have restricted range, the only solely terrestrial phylum (Clitellates) require moist habitats, highly diverse and derived from their marine relatives (fully terrestrial members: Insects, Arachnids, Myriapods, Woodlice, Sandhoppers, and Terrestrial crabs, semi-terrestrial members include Water Fleas, Copepods, and Seed Shrimp) (Gastropods: land snails and slugs) (Tetrapods)

Roundworms, gastrotrichs, tardigrades, rotifers and some smaller species of arthropods and annelids are microscopic animals that require a film of water to live in, and are therefore considered semi-terrestrial. [4] Flatworms, ribbon worms, velvet worms and annelids all depend on more or less moist habitats. The three remaining phyla, arthropods, mollusks, and chordates, all contain species that have adapted totally to dry terrestrial environments, and which have no aquatic phase in their life cycles.

Difficulties Edit

Labeling an animal species "terrestrial" or "aquatic" is often obscure and becomes a matter of judgment. Many animals considered terrestrial have a life-cycle that is partly dependent on being in water. Penguins, seals, and walruses sleep on land and feed in the ocean, yet they are all considered terrestrial. Many insects, e.g. mosquitos, and all terrestrial crabs, as well as other clades, have an aquatic life cycle stage: their eggs need to be laid in and to hatch in water after hatching, there is an early aquatic form, either a nymph or larva.

There are crab species that are completely aquatic, crab species that are amphibious, and crab species that are terrestrial. Fiddler crabs are called "semi-terrestrial" since they make burrows in the muddy substrate, to which they retreat during high tides. When the tide is out, fiddler crabs search the beach for food. The same is true in the mollusca. Many hundreds of gastropod genera and species live in intermediate situations, such as for example, Truncatella. Some gastropods with gills live on land, and others with a lung live in the water.

As well as the purely terrestrial and the purely aquatic animals, there are many borderline species. There are no universally accepted criteria for deciding how to label these species, thus some assignments are disputed.

Fossil evidence has shown that sea creatures, likely related to arthropods, first began to make forays on to land around 530 million years ago. There is little reason to believe, however, that animals first began living reliably on land around this same time period. A more likely hypothesis is that these early arthropods' motivation for venturing on to dry land was to mate (as modern horseshoe crabs do) or lay eggs out of the reach of predators. [5] As time went on, evidence suggests that by approximately 375 million years ago [3] the bony fish best adapted to life in shallow coastal/swampy waters (such as Tiktaalik roseae), were much more viable as amphibians than were their arthropod predecessors. Thanks to relatively strong, muscular limbs (which were likely weight-bearing, thus making them a preferable alternative to traditional fins in extremely shallow water), [6] and lungs which existed in conjunction with gills, Tiktaalik and animals like it were able to establish a strong foothold on land by the end of the Devonian period. As such, they are likely the most recent common ancestor of all modern tetrapods.

Gastropod mollusks are one of the most successful animals that have diversified in the fully terrestrial habitat. [7] They have evolved terrestrial taxa in more than nine lineages. [7] They are commonly referred to as land snails and slugs.

Terrestrial invasion of gastropod mollusks has occurred in Neritopsina, Cyclophoroidea, Littorinoidea, Rissooidea, Ellobioidea, Onchidioidea, Veronicelloidea, Succineoidea, and Stylommatophora, and in particular, each of Neritopsina, Rissooidea and Ellobioidea has likely achieved land invasion more than once. [7]

Most terrestrialization events have occurred during the Paleozoic or Mesozoic. [7] Gastropods are especially unique due to several fully terrestrial and epifaunal lineages that evolved during the Cenozoic. [7] Some members of rissooidean families Truncatellidae, Assimineidae, and Pomatiopsidae are considered to have colonized to land during the Cenozoic. [7] Most truncatellid and assimineid snails amphibiously live in intertidal and supratidal zones from brackish water to pelagic areas. [7] Terrestrial lineages likely evolved from such ancestors. [7] The rissooidean gastropod family Pomatiopsidae is one of the few groups that have evolved fully terrestrial taxa during the late Cenozoic in the Japanese Archipelago only. [7] Shifts from aquatic to terrestrial life occurred at least twice within two Japanese endemic lineages in Japanese Pomatiopsidae and it started in the Late Miocene. [7]

About one-third of gastropod species are terrestrial. [8] In terrestrial habitats they are subjected to daily and seasonal variation in temperature and water availability. [8] Their success in colonizing different habitats is due to physiological, behavioral, and morphological adaptations to water availability, as well as ionic and thermal balance. [8] They are adapted to most of the habitats on Earth. [8] The shell of a snail is constructed of calcium carbonate, but even in acidic soils one can find various species of shell-less slugs. [8] Land-snails, such as Xerocrassa seetzeni and Sphincterochila boissieri, also live in deserts, where they must contend with heat and aridity. [8] Terrestrial gastropods are primarily herbivores and only a few groups are carnivorous. [9] Carnivorous gastropods usually feed on other gastropod species or on weak individuals of the same species some feed on insect larvae or earthworms. [9]

Terrestrial arthropods come from many distinct lineages: both sister Panarthropod phyla Velvet Worms and Water Bears have some degree of terrestrialization, with Velvet Worms being solely terrestrial. Among Euarthropods Myriapods, Arachnids, and Insects all independently adapted to terrestrial life and diversified in very ancient times. More recently three groups of Crustaceans have also independently adapted to terrestrial life: Woodlice Sandhoppers and Terrestrial Crabs, according to the Pancrustacea hypothesis insects are crustaceans, but of a very distant group from either of those groups

Additionally many microscopic crustacean groups like copepods and amphipods (of which Sandhoppers are members) and Seed Shrimp are known to go dormant when dry and live in transient bodies of water

Semi-terrestrial animals are macroscopic animals that rely on very moist environments to thrive, they may be considered a transitional point between true terrestrial animals and aquatic animals. Among vertebrates Amphibians have this characteristic relying on a moist environment and breathing through their moist skin.

Many other animal groups solely have terrestrial animals that live like this: Land Planarians, Land Ribbon Worms, Nematodes, and Land Annelids breathe like this.

Land Annelids are primarily of the group Clitellata and demonstrate many unique terrestrial adaptations especially in their methods of reproduction, they tend towards being simpler than their marine relatives, laking many of the complex appendages polychaetes have.

Velvet worms are prone to desiccation not due to breathing through their skin but due to their spiracles being inefficient at protecting from desiccation, like Clitellates they demonstrate extensive terrestrial adaptations and differences from their marine relatives including live birth. During the Carboniferous the marine relatives of Velvet Worms went extinct, making them the only solely terrestrial phylum.

Many animals live in terrestrial environments by thriving in transient often microscopic bodies of water and moisture, these include Rotifers and Gastrotrichs which lay resilient eggs capable of surviving years in dry environments, and some of which can go dormant themselves. Nematodes are usually microscopic with this lifestyle. Water Bears although only having lifespans of a few months, famously can enter suspended animation during dry or hostile conditions and survive for decades, this allows them to be ubiquitous in terrestrial environments despite needing water to grow and reproduce. Many microscopic crustacean groups like copepods and amphipods (of which Sandhoppers are members) and Seed Shrimp are known to go dormant when dry and live in transient bodies of water too [4]

    (2002). Gaining ground: the origin and evolution of tetrapods. Indiana University Press, 369 pp., ISBN978-0-253-34054-2.
  • Cloudsley-Thompson J. L. (1988). Evolution and adaptation of terrestrial arthropods. Springer, 141 pp., 978-3-540-18188-0.
  • Dejours P. et al. (1987). Comparative physiology: life in water and on land. Liviana Editrice, Italy, 556 pp., 978-0-387-96515-4.
  • Gordon M. S. & Olson E. C. (1995). Invasions of the land: the transitions of organisms from aquatic to terrestrial life. Columbia University Press, 312 pp., 978-0-231-06876-5.
  • Little C. (1983). The colonisation of land: Origins and adaptations of terrestrial animals. Cambridge University Press, Cambridge. 290 pp., 978-0-521-25218-8.
  • Little C. (1990). The terrestrial invasion. An ecophysiological approach to the origin of land animals. Cambridge University Press, Cambridge. 304 pp. 978-0-521-33669-7.
  • Zimmer, Carl (1999). At the Water's Edge : Fish with Fingers, Whales with Legs, and How Life Came Ashore but Then Went Back to Sea. New York: Touchstone. ISBN0684856239 .

This article incorporates CC-BY-2.0 text from the reference [7] and CC-BY-2.5 text from the reference [8] and CC-BY-3.0 text from the reference [9]


Disciplinary divide

Looking closer, the divide between those who support a terrestrial and those supporting an oceanic origin is split between disciplines. Synthetic chemists generally favour a continental origin and geologists and biologist mostly deep-sea hydrothermal vents. Chemists argue it&rsquos impossible to do the chemistry in hydrothermal vents, while biologists argue that the terrestrial chemistry proposed just isn&rsquot like anything seen in biochemistry and doesn&rsquot narrow the gap between geochemistry and biochemistry.

So is there a way to unite the disciplines? &lsquoAt the moment there is not much common ground between these ideas,&rsquo Lane says. Deamer agrees. &lsquoAt this point, all we can say is that everyone has the right to do a plausibility judgement on the basis of their ideas but then they also must do experimental and observational tests.&rsquo

The smaller problems will be solvable &ndash that&rsquos what gets me out of bed in the morning

What is needed is that killer piece of evidence or experiment that could join the dots together and explain how and where life began from a prebiotic world. &lsquoIt would really be a big breakthrough if we can find a ribozyme among all of these trillions of random polymers that we are making,&rsquo suggests Deamer. Ribozymes are RNA catalysts that are part of the cell&rsquos protein-synthesis machinery, but are candidates for the first self-replicating molecules.

Further evidence to support the origins of life in deep sea hydrothermal vents centres on showing a plausible set of metabolic steps leading to complex molecules. At JPL, they are looking at how amino acid behave in their chemical gardens, according to Barge. &lsquoWe are working on making an amino acid, and then seeing whether [amino acids] get stuck in the chimneys and whether you can concentrate them and maybe make some peptides.&rsquo

&lsquoThere are problems and difficulties,&rsquo Lane acknowledges. &lsquoCan we really make carbon dioxide react with hydrogen to make more complex molecules like amino acids and nucleotides? I&rsquom fairly confident we can do that, but I am aware we have not demonstrated that yet.&rsquo Other difficult questions include whether lipid membranes can be stabilised in seawater with its high calcium and magnesium ion concentrations. But says Lane the big problem of the thermodynamic driving force is solved by hydrothermal vents. &lsquoWhich gives me confidence that the smaller problems will be solvable in that context too, even if they look difficult now &ndash that&rsquos what gets me out of bed in the morning.&rsquo

Of course there is one other possibility &ndash that life did not start on earth at all. Panspermia &ndash the theory that life was seeded from space, seems eccentric, but not everybody counts it out. &lsquoAn argument can be made that life actually began on Mars,&rsquo according to Deamer, because it was first to cool down to a temperatures that could support life.

Whether this is the case or not, life elsewhere is certainly feasible. Jupiter&rsquos moon Europa and Saturn&rsquos moon Enceladus are candidates because they both have oceans beneath icy shells. In the next five years, Nasa is planning to send a spaceprobe to both these moons to look for signs of life. Understanding our own origin story could help us work out where to look.

Les références

1 M J Russell, R M Daniel and A J Hall, Terra Nova, 1993, 5, 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x)

2 W Martin and M J Russell, Philos. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci., 2003, 358, 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)

3 L M Barge et al, Angew. Chem. Int. Éd. Engl., 2015, 54, 8184 (DOI: 10.1002/anie.201501663)

4 B Herschy et al, J. Mol. Évol., 2014, 79, 213 (DOI: 10.1007/s00239-014-9658-4)

5 F Klein et al, Proc. Natl Acad. Sci. Etats-Unis, 2015, 112, 12036 (DOI: 10.1073/pnas.1504674112)

6 L Da Silva, M C Maurel and D Deamer, J. Mol. Évol., 2015, 80, 86 (DOI: 10.1007/s00239-014-9661-9)

7 M W Powner, B Gerland and J D Sutherland, La nature, 2009, 459, 239 (DOI: 10.1038/nature08013)

8 B H Patel et al, Nat. Chem., 2015, 7, 301 (DOI: 10.1038/nchem.2202)

This article is reproduced with permission from Chemistry World. The article was first published on April 16, 2017.


Crocodile Eyes

MacIver had an intriguing hypothesis, but he needed evidence. He teamed up with Schmitz, who had expertise in interpreting the eye sockets of four-legged “tetrapod” fossils (of which Tiktaalik was one), and the two scientists pondered how best to test MacIver’s idea.

MacIver and Schmitz first made a careful review of the fossil record to track changes in the size of eye sockets, which would indicate corresponding changes in eyes, since they are proportional to socket size. The pair collected 59 early tetrapod skulls spanning the water-to-land transition period that were sufficiently intact to allow them to measure both the eye orbit and the length of the skull. Then they fed those data into a computer model to simulate how eye socket size changed over many generations, so as to gain a sense of the evolutionary genetic drift of that trait.

They found that there was indeed a marked increase in eye size — a tripling, in fact — during the transitional period. The average eye socket size before transition was 13 millimeters, compared to 36 millimeters after. Furthermore, in those creatures that went from water to land and back to the water — like the Mexican cave fish Astyanax mexicanus — the mean orbit size shrank back to 14 millimeters, nearly the same as it had been before.

There was just one problem with these results. Originally, MacIver had assumed that the increase occurred after animals became fully terrestrial, since the evolutionary benefits of being able to see farther on land would have led to the increase in eye socket size. But the shift occurred before the water-to-land transition was complete, even before creatures developed rudimentary digits on their fishlike appendages. So how could being on land have driven the gradual increase in eye socket size.

Early tetrapods probably hunted like crocodiles, waiting with eyes out of the water.

In that case, “it looks like hunting like a crocodile was the gateway drug to terrestriality,” MacIver said. “Just as data comes before action, coming up on land was likely about how the huge gain in visual performance from poking eyes above the water to see an unexploited source of prey gradually selected for limbs.”

This insight is consistent with the work of Jennifer Clack, a paleontologist at the University of Cambridge, on a fossil known as Pederpes finneyae, which had the oldest known foot for walking on land, yet was not a truly terrestrial creature. While early tetrapods were primarily aquatic, and later tetrapods were clearly terrestrial, paleontologists believe this creature likely spent time in water and on land.

After determining how much eye sizes increased, MacIver set out to calculate how much farther the animals could see with bigger eyes. He adapted an existing ecological model that takes into account not just the anatomy of the eye, but other factors such as the surrounding environment. In water, a larger eye only increases the visual range from just over six meters to nearly seven meters. But increase the eye size in air, and the improvement in range goes from 200 meters to 600 meters.

MacIver and Schmitz ran the same simulation under many different conditions: daylight, a moonless night, starlight, clear water and murky water. “It doesn’t matter,” MacIver said. “In all cases, the increment [in air] is huge. Even if they were hunting in broad daylight in the water and only came out on moonless nights, it’s still advantageous for them, vision-wise.”

Using quantitative tools to help explain patterns in the fossil record is something of a novel approach to the problem, but a growing number of paleontologists and evolutionary biologists, like Schmitz, are embracing these methods.

“So much of paleontology is looking at fossils and then making up narratives on how the fossils might have fit into a particular environment,” said John Long, a paleobiologist at Flinders University in Australia who studies how fish evolved into tetrapods. “This paper has very good hard experimental data, testing vision in different environments. And that data does fit the patterns that we see in these fish.”

Schmitz identified two key developments in the quantitative approach over the past decade. First, more scientists have been adapting methods from modern comparative biology to fossil record analysis, studying how animals are related to each other. Second, there is a lot of interest in modeling the biomechanics of ancient creatures in a way that is actually testable — to determine how fast dinosaurs could run, for instance. Such a model-based approach to interpreting fossils can be applied not only to biomechanics but to sensory function — in this case, it explained how coming out of the water affected the vision of the early tetrapods.

A model of Tiktaalik roseae, a 375-million-year-old transitional fossil that had a neck — unheard of for a fish — and both lungs and gills.

“Both approaches bring something unique, so they should go hand in hand,” Schmitz said. “If I had done the [eye socket size] analysis just by itself, I would be lacking what it could actually mean. Eyes do get bigger, but why?” Sensory modeling can answer this kind of question in a quantitative, rather than qualitative, way.

Schmitz plans to examine other water-to-land transitions in the fossil record — not just that of the early tetrapods — to see if he can find a corresponding increase in eye size. “If you look at other transitions between water and land, and land back to water, you see similar patterns that would potentially corroborate this hypothesis,” he said. For example, the fossil record for marine reptiles, which rely heavily on vision, should also show evidence for an increase in eye socket size as they moved from water to land.


From Fins to Limbs and Water to Land: Evolution of Terrestrial Movement in Early Tetrapods

The aerial scene depicts two Late Devonian early tetrapods — Ichthyostega and Acanthostega — coming out of the water to move on land. Footprints trail behind the animals to show a sense of movement. Credit: Davide Bonadonna

The water-to-land transition is one of the most important and inspiring major transitions in vertebrate evolution. And the question of how and when tetrapods transitioned from water to land has long been a source of wonder and scientific debate.

Early ideas posited that drying-up-pools of water stranded fish on land and that being out of water provided the selective pressure to evolve more limb-like appendages to walk back to water. In the 1990s newly discovered specimens suggested that the first tetrapods retained many aquatic features, like gills and a tail fin, and that limbs may have evolved in the water before tetrapods adapted to life on land. There is, however, still uncertainty about when the water-to-land transition took place and how terrestrial early tetrapods really were.

A paper published today (November 25, 2020) in La nature addresses these questions using high-resolution fossil data and shows that although these early tetrapods were still tied to water and had aquatic features, they also had adaptations that indicate some ability to move on land. Although, they may not have been very good at doing it, at least by today’s standards.

Lead author Blake Dickson, PhD 󈧘 in the Department of Organismic and Evolutionary Biology at Harvard University, and senior author Stephanie Pierce, Thomas D. Cabot Associate Professor in the Department of Organismic and Evolutionary Biology and curator of vertebrate paleontology in the Museum of Comparative Zoology at Harvard University, examined 40 three-dimensional models of fossil humeri (upper arm bone) from extinct animals that bridge the water-to-land transition.

Three major stages of humerus shape evolution: from the blocky humerus of aquatic fish, to the L-shape humerus of transitional tetrapods, and the twisted humerus of terrestrial tetrapods. Columns (left to right) = aquatic fish, transitional tetrapod, and terrestrial tetrapod. Rows = Top: extinct animal silhouettes Middle: 3D humerus fossils Bottom: landmarks used to quantified shape. Credit: Courtesy of Blake Dickson

“Because the fossil record of the transition to land in tetrapods is so poor we went to a source of fossils that could better represent the entirety of the transition all the way from being a completely aquatic fish to a fully terrestrial tetrapod,” said Dickson.

Two thirds of the fossils came from the historical collections housed at Harvard’s Museum of Comparative Zoology, which are sourced from all over the world. To fill in the missing gaps, Pierce reached out to colleagues with key specimens from Canada, Scotland, and Australia. Of importance to the study were new fossils recently discovered by co-authors Dr. Tim Smithson and Professor Jennifer Clack, University of Cambridge, UK, as part of the TW:eed project, an initiative designed to understand the early evolution of land-going tetrapods.

The researchers chose the humerus bone because it is not only abundant and well preserved in the fossil record, but it is also present in all sarcopterygians — a group of animals which includes coelacanth fish, lungfish, and all tetrapods, including all of their fossil representatives. “We expected the humerus would carry a strong functional signal as the animals transitioned from being a fully functional fish to being fully terrestrial tetrapods, and that we could use that to predict when tetrapods started to move on land,” said Pierce. “We found that terrestrial ability appears to coincide with the origin of limbs, which is really exciting.”

The evolutionary pathway and shape change from an aquatic fish humerus to a terrestrial tetrapod humerus. Credit: Courtesy of Blake Dickson

The humerus anchors the front leg onto the body, hosts many muscles, and must resist a lot of stress during limb-based motion. Because of this, it holds a great deal of critical functional information related to an animal’s movement and ecology. Researchers have suggested that evolutionary changes in the shape of the humerus bone, from short and squat in fish to more elongate and featured in tetrapods, had important functional implications related to the transition to land locomotion. This idea has rarely been investigated from a quantitative perspective — that is, until now.

When Dickson was a second-year graduate student, he became fascinated with applying the theory of quantitative trait modeling to understanding functional evolution, a technique pioneered in a 2016 study led by a team of paleontologists and co-authored by Pierce. Central to quantitative trait modeling is paleontologist George Gaylord Simpson’s 1944 concept of the adaptive landscape, a rugged three-dimensional surface with peaks and valleys, like a mountain range. On this landscape, increasing height represents better functional performance and adaptive fitness, and over time it is expected that natural selection will drive populations uphill towards an adaptive peak.

Dickson and Pierce thought they could use this approach to model the tetrapod transition from water to land. They hypothesized that as the humerus changed shape, the adaptive landscape would change too. For instance, fish would have an adaptive peak where functional performance was maximized for swimming and terrestrial tetrapods would have an adaptive peak where functional performance was maximized for walking on land. “We could then use these landscapes to see if the humerus shape of earlier tetrapods was better adapted for performing in water or on land” said Pierce.

“We started to think about what functional traits would be important to glean from the humerus,” said Dickson. “Which wasn’t an easy task as fish fins are very different from tetrapod limbs.” In the end, they narrowed their focus on six traits that could be reliably measured on all of the fossils including simple measurements like the relative length of the bone as a proxy for stride length and more sophisticated analyses that simulated mechanical stress under different weight bearing scenarios to estimate humerus strength.

“If you have an equal representation of all the functional traits you can map out how the performance changes as you go from one adaptive peak to another,” Dickson explained. Using computational optimization the team was able to reveal the exact combination of functional traits that maximized performance for aquatic fish, terrestrial tetrapods, and the earliest tetrapods. Their results showed that the earliest tetrapods had a unique combination of functional traits, but did not conform to their own adaptive peak.

“What we found was that the humeri of the earliest tetrapods clustered at the base of the terrestrial landscape,” said Pierce. “indicating increasing performance for moving on land. But these animals had only evolved a limited set of functional traits for effective terrestrial walking.”

The researchers suggest that the ability to move on land may have been limited due to selection on other traits, like feeding in water, that tied early tetrapods to their ancestral aquatic habitat. Once tetrapods broke free of this constraint, the humerus was free to evolve morphologies and functions that enhanced limb-based locomotion and the eventual invasion of terrestrial ecosystems

“Our study provides the first quantitative, high-resolution insight into the evolution of terrestrial locomotion across the water-land transition,” said Dickson. “It also provides a prediction of when and how [the transition] happened and what functions were important in the transition, at least in the humerus.”

“Moving forward, we are interested in extending our research to other parts of the tetrapod skeleton,” Pierce said. “For instance, it has been suggested that the forelimbs became terrestrially capable before the hindlimbs and our novel methodology can be used to help test that hypothesis.”

Dickson recently started as a Postdoctoral Researcher in the Animal Locomotion lab at Duke University, but continues to collaborate with Pierce and her lab members on further studies involving the use of these methods on other parts of the skeleton and fossil record.

Reference: “Functional Adaptive Landscapes Predict Terrestrial Capacity at the Origin of Limbs” by Blake V. Dickson, Jennifer A. Clack, Timothy R. Smithson and Stephanie E. Pierce, 25 November 2020. La nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2974-5


How life may have first emerged on Earth: Foldable proteins in a high-salt environment

A structural biologist at the Florida State University College of Medicine has made discoveries that could lead scientists a step closer to understanding how life first emerged on Earth billions of years ago.

Professor Michael Blaber and his team produced data supporting the idea that 10 amino acids believed to exist on Earth around 4 billion years ago were capable of forming foldable proteins in a high-salt (halophile) environment. Such proteins would have been capable of providing metabolic activity for the first living organisms to emerge on the planet between 3.5 and 3.9 billion years ago.

The results of Blaber's three-year study, which was built around investigative techniques that took more than 17 years to develop, are published in the journal Actes de l'Académie nationale des sciences.

The first living organisms would have been microscopic, cell-like organizations capable of replicating and adapting to environmental conditions -- a humble beginning to life on Earth.

"The current paradigm on the emergence of life is that RNA came first and in a high-temperature environment," Blaber said. "The data we are generating are much more in favor of a protein-first view in a halophile environment."

The widely accepted view among scientists is that RNA, found in all living cells, would have likely represented the first molecules of life, hypothesizing an "RNA-first" view of the origin of living systems from non-living molecules. Blaber's results indicate that the set of amino acids produced by simple chemical processes contains the requisite information to produce complex folded proteins, which supports an opposing "protein-first" view.

Another prevailing view holds that a high-temperature (thermophile) environment, such as deep-ocean thermal vents, may have been the breeding ground for the origin of life. "The halophile, or salt-loving, environment has typically been considered one that life adapted into, not started in," Blaber said. "Our study of the prebiotic amino acids and protein design and folding suggests the opposite."

Without the ability to fold, proteins would not be able to form the precise structures essential for functions that sustain life as we know it. Folding allows proteins to take on a globular shape through which they can interact with other proteins, perform specific chemical reactions, and adapt to enable organisms to exploit a given environment.

"There are numerous niches that life can evolve into," Blaber said. "For example, extremophiles are organisms that exist in high temperatures, high acidity, extreme cold, extreme pressure and extreme salt and so on. For life to exist in such environments it is essential that proteins are able to adapt in those conditions. In other words, they have to be able to fold."

Comet and meteorite fragments, like those that recently struck in the Urals region of Russia, have provided evidence regarding the arrival of amino acids on Earth. Such fragments predate Earth and would have been responsible for delivering a set of 10 prebiotic (before life) amino acids, whose origins are in the formation of our solar system.

Today the human body uses 20 common amino acids to make all its proteins. Ten of those emerged through biosynthetic pathways -- the way living systems evolve. Ten -- the prebiotic set -- can be made by chemical reactions without requiring any living system or biosynthetic pathway.

Scientific evidence exists to support many elements in theories of abiogenesis (the emergence of life), including the time frame (around 3.5 to 3.9 billion years ago) and the conditions on Earth and in its atmosphere at that time. Earth would have been made up of volcanic land masses (the beginning of the formation of continents), salty oceans and fresh-water ponds, along with a hot (around 80 degrees Celsius) and steamy atmosphere comprising carbon dioxide and nitrogen. Oxygen would have come later as a by-product of green plant life and bacteria that emerged.

Using a technique called top-down symmetric deconstruction, Blaber's lab has been able to identify small peptide building blocks capable of spontaneous assembly into specific and complex protein architectures. His recent work explored whether such building blocks can be composed of only the 10 prebiotic amino acids and still fold.

His team has achieved foldability in proteins down to 12 amino acids -- about 80 percent of the way to proving his hypothesis.

If Blaber's theory holds, scientists may refocus where they look for evidence in the quest to understand where, and how, life began.

"Rather than a curious niche that life evolved into, the halophile environment now may take center stage as the likely location for key aspects of abiogenesis," he said.

"Likewise, the role of the formation of proteins takes on additional importance in the earliest steps in the beginnings of life on Earth."


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