Πώς τα φίδια εξελίχθηκαν να γλιστρούν

Ενας κινέζικος γρίφος ρωτάει τι είναι εκείνο που τρέχει χωρίς πόδια, κολυμπά χωρίς πτερύγια και πετάει χωρίς φτερά. Η απάντηση, φυσικά, είναι τα φίδια. Σήμερα υπάρχουν περισσότερα από 3.000 είδη φιδιών, που γλιστρούν στη στεριά, κολυμπούν στο νερό ή πηδάνε από δέντρο σε δέντρο. Οι αρχαίοι πρόγονοί τους, ωστόσο, είχαν άκρα διαφόρων σχημάτων. Πώς, όμως, τα φίδια έχασαν τα πόδια τους;
Συγκεκριμένες μορφές άκρων σχετίζονται συνήθως με συγκεκριμένα ενδιαιτήματα. Οι φάλαινες, που είναι θηλαστικά, εξελικτικά ανέπτυξαν πτερύγια ως προσαρμογή στο υδάτινο βασίλειο στο οποίο ξαναγύρισαν. Τα πουλιά ανέπτυξαν φτερά καθώς άρχισαν να περνούν μέρος της ζωής τους στον αέρα. Επί δεκαετίες οι εξελικτικοί βιολόγοι προσπαθούν να προσδιορίσουν τι είδους περιβάλλον βοήθησε να σχηματιστεί το μοναδικό μοντέλο σώματος που διαθέτουν τα φίδια, καθώς η παγκόσμια διάδοσή τους δεν τους βοηθά στον προσδιορισμό αυτού του ιδιαίτερου περιβάλλοντος, αλλά και τα απολιθώματα φιδιών που δείχνουν την εξέλιξή τους στο γεωλογικό χρόνο είναι σχετικά σπάνια. Η συζήτηση επικεντρώθηκε σε δύο ανταγωνιστικές εικασίες. Η μία υποθέτει ότι τα φίδια έχασαν τα πόδια τους στη στεριά καθώς προσαρμόζονταν στη ζωή σε υπόγεια περιβάλλοντα, ενώ η άλλη εικάζει ότι τα φίδια διαμόρφωσαν το μακρουλό σώμα χωρίς πόδια στη ζωή μέσα στη θάλασσα.

Ταξίδι στο χρόνο

Κρανίο του φιδιού Δινιλίσια (1) με ευμεγέθη προθάλαμο του εσωτερικού αυτιού, όπως έδειξε υψηλής ευκρίνειας απεικόνισή του με ακτίνες-Χ. Πρόκειται για χαρακτηριστικό ζώων που σκάβουν λαγούμια και ζουν μεγάλο μέρος της ζωής του μέσα σ' αυτά. Κάτω σκελετός του φιδιού Νατζάς με τα μικροσκοπικά πίσω πόδια του (3).

Η απάντηση στο ερώτημα θα δινόταν εύκολα αν μπορούσαμε να ταξιδέψουμε πίσω στο χρόνο, στην Κρητιδική περίοδο, 145 έως 66 εκατομμύρια χρόνια πριν, όταν πρωτοεμφανίστηκαν τα φίδια και να δούμε πού και πώς ζούσαν, αν ευημερούσαν σκάβοντας τρύπες στο έδαφος ή κολυμπώντας. Η αναπαράσταση της οικολογίας ενός ζώου μόνο από τα απολιθώματά του είναι δύσκολη υπόθεση, πολύ περισσότερο όταν δεν υπάρχουν διαθέσιμα πολλά απολιθώματα και τα περισσότερα είναι αποσπασματικά. Ομως την τελευταία δεκαετία, πρόοδοι στις τεχνικές απεικόνισης επέτρεψαν στους ειδικούς να ξεπεράσουν τα εμπόδια στην κατανόηση της προέλευσης των φιδιών. Η απεικόνιση με ακτίνες-Χ υψηλής Ενέργειας των κρανίων απολιθωμένων φιδιών, αποκάλυψε κρυμμένα σε κοινή θέα χαρακτηριστικά τους, που δίνουν σαφείς ενδείξεις για την οικολογία τους. Στο μεταξύ, μελέτες στο πεδίο της αναπτυξιακής βιολογίας διαφώτισαν τους γενετικούς μηχανισμούς που σχετίζονται με την απώλεια άκρων, αλλά και την αύξηση των σπονδύλων. Αν και απέχουμε ακόμη από την πλήρη κατανόηση, οι εξελίξεις αυτές επιτρέπουν στους επιστήμονες να αρχίσουν να συναρμολογούν το παζλ του εξαιρετικού εξελικτικού μετασχηματισμού που οδήγησε στα σύγχρονα φίδια.
Τα φίδια δεν έχασαν τα πόδια τους μονομιάς. Τα απολιθώματα δείχνουν ότι το πρώτο φίδι χωρίς πόδια ήταν η Δινιλίσια της Παταγονίας (Dinilysia patagonica), που εμφανίστηκε πριν από 85 εκατομμύρια χρόνια, στην Υστερη Κρητιδική περίοδο, όταν ακόμη οι δεινόσαυροι κυριαρχούσαν. Το φίδι αυτό είχε μήκος περίπου όσο το μέσο ύψος ενός ανθρώπου, δεν είχε άκρα, αλλά και κανένα ίχνος οστών των ώμων ή της πυελικής ζώνης, που θα μπορούσε να υποστηρίζει άκρα. Βρέθηκε σε ιζηματογενή πετρώματα της στεριάς και συμπεραίνεται ότι δεν επρόκειτο για υδρόβιο είδος.

Φίδια της ίδιας γεωλογικής περιόδου συνέχιζαν να έχουν πόδια, όπως το Νατζάς του Ρίο Νέγκρο (Najash rionegrina), με απολίθωμα ηλικίας 92 εκατομμυρίων ετών. Είχε μήκος όσο ένα μακαρόνι και διέθετε μικροσκοπικά πίσω πόδια, με οστά από το γοφό ως τους αστραγάλους, πολύ αδύνατα για να στηρίξουν το βάρος του. Γι' αυτό οι ειδικοί θεωρούν πως θα μπορούσαν να χρησιμεύουν μόνο για σταθεροποίηση κατά το ζευγάρωμα.
Αλλα φίδια της Υστερης Κρητιδικής με πόδια ζούσαν στη θάλασσα, όπως ο Παχυράχης και ο Χαασιόφις. Αυτά είχαν τα οστά των πίσω ποδιών, αλλά δεν διέθεταν λεκάνη που να τα συνδέει με το υπόλοιπο σώμα, με αποτέλεσμα να τους είναι ελάχιστα χρήσιμα στο κολύμπι. Ολα τα ευρήματα δείχνουν ότι ήδη στην Υστερη Κρητιδική περίοδο η εξέλιξη των φιδιών είχε προχωρήσει πολύ. Το μακρουλό σώμα με σχεδόν ανύπαρκτα άκρα είχε ήδη αποκτηθεί και τα φίδια βρίσκονταν σε κατάσταση ευρείας διαφοροποίησης και δημιουργίας νέων ειδών, για την κάλυψη οποιασδήποτε διαθέσιμης οικολογικής γωνιάς. Αρα η απάντηση για το χαρακτηριστικό σώμα των φιδιών έπρεπε να αναζητηθεί σε παλαιότερα απολιθώματα.

Ζωή μέσα στο χώμα

Τα τελευταία πέντε χρόνια ανακαλύφθηκαν αρκετά τέτοια απολιθώματα, έστω και αν δεν είναι πλήρη, από ζώα που μοιάζουν με φίδια και έζησαν στη Πρώιμη Κρητιδική, ακόμη και την Ιουρασική περίοδο. Αν ήταν πράγματι φίδια επιβεβαιώνουν ότι ξεκίνησαν από μικρό μέγεθος και η εξέλιξή τους έγινε στη στεριά, αλλά δεν απαντούν σχετικά με τον περιβαλλοντικό παράγοντα που τα έκανε να αποκτήσουν τόσο μακρουλό σώμα. Η ζωή κάτω από το έδαφος θα μπορούσε να είναι αυτός ο παράγοντας. Τα σημερινά φίδια και οι σαύρες που ζουν μέσα σε τρύπες, απλώς πιέζουν το κεφάλι τους μέσα στο σαθρό χώμα για να ανοίξουν σήραγγες μέσα στο έδαφος. Αν είχαν πόδια, θα τους δημιουργούσαν μόνο πρόβλημα.
Η ανακάλυψη με απεικόνιση με ακτίνες-Χ του μεγάλου προθάλαμου του εσωτερικού αυτιού στο απολίθωμα του φιδιού Δινιλίσια σηματοδοτεί ότι το ζώο όχι μόνο ζούσε στη στεριά, αλλά ήταν δεινός δημιουργός λαγουμιών στο έδαφος. Ο μεγάλος προθάλαμος βοηθάει τα ζώα που δραστηριοποιούνται κάτω από το έδαφος να ακούνε καλύτερα και είναι μεγαλύτερος σε αυτά που σκάβουν τα ίδια αντί να χρησιμοποιούν σήραγγες που έχουν ανοίξει άλλα ζώα. Μάλιστα η τάση για μεγάλο προθάλαμο είναι η ίδια ανεξάρτητα από το μέγεθος και τη δομή των άκρων του ζώου που σκάβει: έχει παρατηρηθεί σε βόες της άμμου μήκους ενός μέτρου, σε ασιατικά φίδια μήκους 25 εκατοστών, αλλά και σε μια παράξενη σαύρα που σκάβει τρύπες και έχει μόνο μπροστινά πόδια.
Το γεγονός ότι η ζωή κάτω από το έδαφος κυριαρχούσε ως τάση στους προγόνους των σημερινών φιδιών, δεν σημαίνει ότι στην Κρητιδική περίοδο κάποια ομάδα από σαύρες αποφάσισε να ζήσει υπόγεια και σταδιακά έχασε τα άκρα της μετατρεπόμενη σε ομάδα φιδιών. Η βιολογική εξέλιξη λειτουργεί με τρόπο που προσομοιάζει περισσότερο σε αυτό που αποκαλείται στα μαθηματικά στοχαστική διαδικασία. Είναι συνάρτηση του χρόνου, που κάθε τιμή της (το αποτέλεσμά της) είναι μια τυχαία μεταβλητή (μέτρο της πιθανότητας για τη συγκεκριμένη παρατήρηση). Η δραστηριοποίηση κάτω από το έδαφος ήταν ένα από τα πολλά γεγονότα με επίδραση, που συνέβησαν στο πέρασμα των εκατομμυρίων ετών, όταν διαμορφώθηκε το μοναδικό σχήμα σώματος των φιδιών. Αυτός ο νέος τρόπος ζωής πιθανώς αφαίρεσε συγκεκριμένους περιορισμούς στο γονιδίωμα των πρωτόγονων φιδιών, που πριν ήταν απαραίτητοι για την επιβίωση. Απελευθερωμένα από αυτούς τους περιορισμούς, τα άκρα και ο κορμός μπορούσαν να αλλάξουν δραστικά. Γι' αυτό στο ιστορικό των απολιθωμάτων υπάρχει μεγάλη ποικιλία τύπων άκρων και μήκους κορμού των προγόνων των φιδιών.

Σπόνδυλοι και πλευρά

Τα φίδια έχουν περισσότερους από 300 σπονδύλους, όταν οι άνθρωποι έχουν 33 και οι σαύρες γύρω στους 65. Η σπονδυλική στήλη στα έμβρυα δομείται από συσσωματώματα κυττάρων που ονομάζονται σωμίτες. Κάθε σωμίτης οδηγεί στο σχηματισμό ενός σπονδύλου. Ο ρυθμός με τον οποίο παράγονται τα κύτταρα που οδηγούν σε σωμίτες καθορίζει τον αριθμό των σωμιτών κατά την εμβρυική περίοδο και κατ' επέκταση τον αριθμό των σπονδύλων. Ο ρυθμός αυτός αποδείχτηκε ότι καθορίζεται κυρίως από ένα γονίδιο το οποίο στα φίδια είναι πολύ πιο ενεργό απ' ό,τι στις σαύρες.
Κάθε σπόνδυλος στα φίδια, με εξαίρεση ελάχιστους στο λαιμό και τους σπονδύλους της ουράς, διαθέτει και ένα ζευγάρι πλευρά. Αποδείχτηκε ότι τα φίδια κληρονόμησαν την κατανομή σπονδύλων από τους προγόνους τους που είχαν άκρα, αλλά το πολύ μακρύ σώμα το εξέλιξαν στην πορεία τα ίδια. Αντίθετα, τα θηλαστικά και οι αλιγάτορες εξέλιξαν αυτόνομα την έλλειψη πλευρών στους σπονδύλους του λαιμού και της ουράς, καθώς τα πρώτα τετράποδα (μεταξύ τους και τα πρώτα θηλαστικά και οι πρώτοι κροκόδειλοι) είχαν πλευρά σε όλους τους σπονδύλους πάνω από τους γοφούς.
Πειράματα με ποντίκια έδειξαν ότι όταν τροποποιήθηκε στο γονιδίωμά τους ένας «διακόπτης» της ανάπτυξης άκρων, τα ποντίκια που γεννήθηκαν είχαν πολύ κοντά άκρα. Χρειάζεται μία και μόνο μετάλλαξη στη ρυθμιστική ακολουθία ZRS του DNA, για να υπάρξει μεγάλη αλλαγή στην ανάπτυξη των άκρων. Γι' αυτό η ακολουθία ZRS παραμένει σταθερή στα τετράποδα στο πέρασμα του χρόνου, ενώ στα φίδια παρουσιάζει μεγάλες διαφοροποιήσεις, συνεπείς με τις ποικιλομορφία των άκρων τους. Τα πιο πρωτόγονα από τα σύγχρονα φίδια, οι βόες και οι πύθωνες, διατηρούν ένα μικρό μέρος της ακολουθίας και έχουν υποτυπώδη πίσω πόδια, που μοιάζουν με σπιρούνια. Αντίθετα, τα πιο εξελιγμένα φίδια, έχουν απολέσει την ακολουθία ZRS και δεν έχουν κανένα ανατομικό ίχνος που σχετίζεται με άκρα. Το απολίθωμα του Χαασιόφι, αν και δεν έχει λεκάνη, έχει τα οστά του μηρού, της κνήμης, του αστραγάλου και του ταρσού, συνδυασμός που δεν υπάρχει σε κανένα σύγχρονο φίδι, ένδειξη αλληλεπιδράσεων που μπορεί να είχαν ακολουθίες σαν τη ZRS στους προγόνους των φιδιών.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»