Punktem wyjścia dla tego wpisu stało się pytanie za milion złotych, które padło w marcu 2024 w teleturnieju „Milionerzy”. Pytanie, dodajmy, proste dla osób na tyle obeznanych z przyrodą, by wiedzieć, że owady mają sześć nóg i bardzo różnią się od pozostałych grup wymienionych w pytaniu. Wystarczy do tego pamiętać, co opowiadano na lekcjach biologii, ale oczywiście w dzisiejszych czasach uczenie się wiedzy w szkole jest niemodne i większość młodej populacji z radością korzysta z okazji, by się od tego wymigać. A starsza jej część, choć na ogół dysponuje bez wątpienia lepszym zasobem wiedzy ogólnej w porównaniu z na przykład 30-latkami, ma pełne prawo nie pamiętać tego, co słyszała od swoich nauczycieli 40-50 lat temu…
Pojawia się zatem kwestia, dlaczego do czworonogów mielibyśmy zaliczyć gady en masse (przecież węże!) oraz ptaki. Już Arystoteles stwierdził, że ptaki są podobne do człowieka, ale ponieważ człowiek nie ma pierza, więc trzeba dla niego utworzyć osobną kategorię – i nazwał człowieka „dwunogiem bezpiórym”, co implikuje, że ptaki są również dwunogami. Ale mają skrzydła! A to oznacza, że mają cztery kończyny, co jest właśnie śladem tego, że wywodzą się z czworonogów: gadów, a konkretniej dinozaurów. (Wyjątek stanowią kiwi i wymarłe moa, które prawie nie miały/nie mają układu kostnego kończyn przednich, więc można uznać, iż rzeczywiście mają dwie kończyny – ale to nie eliminuje ich spośród czworonogów, gdyż ważniejsza jest ewolucja).
Jeśli chodzi o biologię i fizykę, to Arystoteles w ogóle plótł brednie, włącznie z bajkami o jaskółkach zimujących na dnie stawu, myszach lęgnących się z brudu i o tym, że mężczyzna jest zdolny do ograniczonej liczby ejakulacji w życiu i powinien się seksualnie oszczędzać, bo inaczej uwiędnie przedwcześnie. Ale trudno się temu dziwić, skoro przedkładał filozoficzne spekulacje nad eksperymenty (ta postawa niestety zahamowała rozwój nauki na Zachodzie na wiele wieków).
Idąc dalej w kwestii nożności, przypomnę zagadkę z Koziołka Matołka, którą bohater zadaje podczas swoich podróży bodaj afrykańskiemu królowi (bardzo okrężna była ta koziołkowa droga do Pacanowa). Pierwszy stopień zagadki brzmi „co ma dwie nogi i pierze”, na co oczywiście afrykański król prędko znajduje odpowiedź, że „ptak”. Nieco więcej kłopotu przysparza mu drugi stopień, brzmiący „co cztery nogi ma i pierze” – jednak i tu sobie poradził, dochodząc do tego, że odpowiedź brzmi „dwa ptaki”. Ale trzecim stopniem Koziołek zapędził go, nomen omen, w kozi róg: „co dwie ręce ma i pierze?” (odpowiedź na końcu wpisu)
Ale wracajmy z wycieczki w krainę dygresji, bo moja nieuleczalna skłonność do tychże sprawia czasem, że myślowy tok moich tekstów przypomina niekiedy pokręconą drogę do Pacanowa. W rzeczywistości o tym, co zaliczamy formalnie do czworonogów, decydują drogi rozwojowe organizmów. Te zaś tylko pozornie są pokrętne, w rzeczywistości stają się dość jasne, gdy poznamy okoliczności towarzyszące ewolucji.
Mutacje i rekombinacja genów jako podstawy ewolucyjnej zmienności
Przede wszystkim trzeba pamiętać, że wpływ na ewolucję mają m.in. mutacje, czyli zmiany w genomach zachodzące pod wpływem różnych wpływów środowiska. Drugim czynnikiem jest rekombinacja genów – ta jednak pojawiła się w ewolucji ziemskiego życia dość późno i jest związana z wynalezieniem płci i seksu. Rekombinacja genów jest procesem „układania” genomu potomnego z genów pochodzących od rodziców, przy czym jeśli się da, to uszkodzone egzemplarze genów są odrzucane. Dzięki temu udaje się wyeliminować większość wad i zapobiec przekazaniu ich potomstwu, chyba że obie kopie genu są wadliwe. Przykładem jest tu gen wrażliwości na kolory, sprzężony z chromosomem płciowym. Kobiety mające chromosom XX dysponują dwiema kopiami tego genu, a mężczyźni (chromosom XY) – tylko jedną. Jego uszkodzenie powoduje daltonizm. Więc kobieta może być nosicielem daltonizmu, ale prawidłowo rozpoznawać kolory (fuksja? to kwiatek jest), jeśli dysponuje przynajmniej jednym prawidłowym egzemplarzem tego genu. Natomiast jeśli mężczyzna ma uszkodzony gen rozpoznawania barw, to jest to jego jedyny gen od tego – i mamy daltonistę.
Coś w rodzaju seksu uprawiają już nawet jednokomórkowe pantofelki, jednak one wymieniają się chromosomami bezpośrednio, bez całej fatygi związanej z zalotami, przynoszeniem kwiatków i pierścionków, oraz, rzecz jasna, bez przyjemności. Dlatego traktuje się to jako osobny proces i nazywa „koniugacją”.
Z kolei mutacje na ogół zachodzą co prawda w stałym tempie przez cały okres trwania ewolucji biologicznej, ale ich wpływ na organizm może nie być natychmiastowy. Natychmiastowy wpływ zawsze wywiera grupa mutacji „psujących” organizm potomny – nazywa się je „letalnymi” (śmiertelnymi), gdyż zwykle powodują śmierć w życiu płodowym albo po przyjściu na świat, więc taki organizm nie dożywa wieku reprodukcyjnego i mutacje letalne się nie dziedziczą. Mogą się za to powtarzać, gdyż nie ma żadnej przeszkody, by u innego organizmu doszło do mutacji w tym samym genie.
Dziedziczyć się natomiast mogą mutacje szkodliwe, ale niepowodujące śmierci od razu. Wzrost liczby takich mutacji wśród ludzi – nazywanych wadami genetycznymi – „zawdzięczamy” niestety rozwojowi medycyny, która potrafi osobniki z uszkodzonymi genami utrzymywać przy życiu na tyle długo, by zdążyli się rozmnożyć (przykładem może być hemofilia zwana też „chorobą królów”).
Ciekawostka: niejaki Leopold książę Albanii (zdjęcie) dostał gen hemofilii od mamusi, królowej Wiktorii, a ponieważ rodziny królewskie uprawiają chów wsobny, to za pośrednictwem swoich dwóch córek i ich potomstwa przekazał go hojnie większości europejskich rodów panujących.
Czynniki intensyfikujące mutacje
Jednak gdy organizmy żyją w stałych warunkach środowiska, brak silnego czynnika, który różnicowałby przeżywalność różnych zmian w genomie. Tylko statystycznie, rzadko, mogą pojawiać się zmiany zapewniające jakąś trwałą korzyść, np. dostęp do wcześniej niewykorzystywanej niszy ekologicznej. Przykładem tej sytuacji jest wykształcenie układu silnych płetw o parzystej symetrii u ryb trzonopłetwych, co umożliwiło im poruszanie się po lądzie.
W takich czasach ewolucja przebiega powoli, ale sytuacja jest inna, gdy dochodzi do poważnych zmian w środowisku: jakaś epoka lodowcowa, masowe wybuchy wulkanów, upadek asteroidy, fala promieniowania od niedalekiej supernowej, emisja zabójczego tlenu do wcześniej beztlenowego środowiska…
Po pierwsze, w takich przypadkach organizmy przestają być przystosowane do panujących warunków, co w drastyczny sposób wpływa na ich przeżywalność. Nagle okazuje się, że większe szanse przeżycia mają te osobniki, u których pojawiły się np. geny zapewniające odporność na promieniowanie albo sprawiające, że lepiej czują się w niskich temperaturach. Te przeżywają i przekazują swojemu owe geny zapewniające przewagę w obecnych warunkach. Inne? Giną bezpotomnie (albo wydają na świat potomstwo, które też ginie).
Po drugie, mniejsze czy większe wymieranie spowodowane przez katastrofę „zwalnia” całe mnóstwo nisz ekologicznych, otwiera dostęp do „zajętych” wcześniej zasobów pokarmowych. Rozpoczyna się zaciekła rywalizacja o te zasoby, w której również osobniki przystosowane do dotychczasowych warunków są zwykle na gorszej pozycji od tych, które mają nietypowe, w dawniejszych warunkach „nieprzydatne” cechy. Wtedy tempo ewolucji przyśpiesza – jest to proces zwany w biologii „radiacją adaptatywną”, czyli gwałtownym rozprzestrzenianiem się połączonym z dostosowywaniem się do nowych warunków środowiska.
W ten sposób wpływ środowiska powoduje utrwalanie zmian w genomie.
Jak tam z nogami?
Ta przydługa powtórka z ewolucji miała na celu wskazanie, że organizmy żywe na Ziemi – a najprawdopodobniej także we wszystkich innych miejscach, w których powstało życie – nieustannie się zmieniają. Tzw. żywe skamieniałości, czyli gatunki, które przetrwały w niezmienionej formie wiele milionów lat, występują bardzo rzadko. Należą do nich m.in. stawonóg skrzypłocz (ang. horseshoe crab), ryba trzonopłetwa latimeria, a pod względem niektórych cech gad zwany tuatarą lub hatterią, reprezentant gadów ryjogłowych z mezozoiku (ma odziedziczone po rybach trzecie oko oraz organa słuchu wyłącznie wewnętrzne).
Ciekawostka: tuatara imieniem Henry (na zdjęciu), zamieszkująca w nowozelandzkim Southland Museum and Art Gallery, słynie z tego, że w wieku 111 lat wciąż jest aktywna seksualnie. Tuatary w ogóle żyją w innym tempie, dojrzałość seksualną osiągają w wieku kilkunastu lat (co jest niezwykłe jak na gady długości pół metra), a ich puls spoczynkowy wynosi 11 uderzeń na minutę. Niestety, jak praktycznie wszystkie gady, nie mają penisów i seks odbywa się u nich jedynie poprzez zetknięcie kloak w celu przekazania nasienia. Kloaką w biologii nazywa się otwór stanowiący wspólne ujście wszystkich kanałów wydalniczych oraz jajowodów/nasieniowodów. Rytuał „seksualny” tuatar bywa nazywany „pocałunkiem kloacznym”, a ich plemniki to prawdziwe Michaele Phelpsy, pływają 2-4 razy szybciej niż plemniki wszystkich innych zbadanych pod tym względem gadów. Ci naukowcy to już nie mają czego mierzyć…
W trakcie tych zmian różne części ciała organizmów ulegają przeróżnym zmianom: niektóre mogą zmieniać swoją funkcję, kształt, lub budowę, a po kolejnych mileniach ewolucji je odzyskiwać. Wspomniane oko ciemieniowe, które dziś nadal znajdujemy u niektórych ryb, płazów i niższych gadów, u bardziej odmienionych organizmów, takich jak ptaki i ssaki, wniknęło w głąb czaszki i zmieniło się w szyszynkę. Jest to gruczoł wydzielania wewnętrznego, produkujący melatoninę, substancję, która reguluje rytm snu i czuwania. Tak właśnie działa ewolucja, na zasadzie swoistej prowizorki: gdy potrzeba czegoś nowego, o wiele mniej skomplikowane i ekonomiczniejsze jest przekształcenie innego narządu niż tworzenie nowego całkiem od podstaw. Dlatego nietoperzom nie wyrosły skrzydła jak u aniołów, tylko na skrzydła zostały „przerobione” kończyny górne (podobnie jak wcześniej u pterozaurów i ptaków).
Ciekawostka: szyszynka szczura wydziela prócz melatoniny jeszcze dimetylotryptaminę, alkaloid występujący w wielu roślinach, rosnących głównie w Ameryce Południowej i wykorzystywanych do wytwarzania tabaki albo napojów psychodelicznych takich jak ayahuasca. Jeśli chodzi o kwestię, czy szczury są wobec tego na permanentnym haju, to na razie nie znalazłem odpowiedzi. Risercz w toku.
Inne narządy czasem zanikają, tak jak pancerz u żółwi – znany jest gatunek, który wielokrotnie zmieniał środowisko życia z lądowego na wodne i z powrotem. U żółwi ściśle wodnych kostny pancerz jest obciążeniem, więc ten żółw tracił go za każdym razem, gdy przystosowywał się do życia w wodzie, i wykształcał na nowo, gdy „na stałe” wracał na ląd. I dlatego można w jego budowie dziś wyróżnić ślady po trzech takich zmianach. (Nie znaczy to bynajmniej, że zachodziły one u tego samego osobnika – te procesy trwały za każdym na przestrzeni wielu pokoleń, przez dziesiątki tysięcy lat).
W podobny sposób zanikły kończyny u węży, które wywodzą się od jaszczurek. Węże jednak mają słabe szanse na odzyskanie nóg, gdyż z uwagi na uzyskanie silniej wydłużonej i wąskiej budowy ciała nie mają już pasa barkowego (do którego przymocowane są kończyny przednie), a większość gatunków nie ma też w ogóle pasa miednicznego. Aczkolwiek pytony i boa zachowały wyrostki opatrzone pazurami w miejscu kończyn tylnych – są to tzw. ostrogi analne służące do przytrzymywania partnera podczas kopulacji, żeby nie uciekł. (Innym przystosowaniem węży do „podłużności” jest posiadanie tylko jednego płuca i ułożenie nerek jedna za drugą).
Niemniej właśnie z uwagi na pochodzenie od jaszczurek, które są przeważnie czworonożne, węże zalicza się również do czworonogów. Zasadniczo do czworonogów zalicza się wszystkich potomków płazów, które z kolei wywodzą się od ryb trzonopłetwych, które w trakcie wychodzenia na ląd wykształciły parzystosymetryczny układ płetw, a było ich cztery, bo to minimalna liczba kończyn zapewniająca stabilność. Co prawda w opowiadaniu Kobyszczę Trurl stwierdza, że cztery nogi to zbędny ekspens materiału, ale jak wszyscy wiemy, na trójnożnym taborecie znacznie łatwiej się wywalić niż na czworonożnym.
Znamy wiele „innonogich” czworonogów. Np. foki i morsy mają w zasadzie dwie kończyny (przednie), a ichtiozaury i walenie nie mają/miały nóg w ogóle. To ostatnie stwierdzenie opiera się na zasadzie, że przecież ryba nie ma nóg, tylko płetwy (OK, OK, ichtiozaury były gadami, a walenie to ssaki). Ale tu jako zagwozdkę mogę polecić ryby trzonopłetwe 😀
Czy owad z czterema nogami byłby czworonogiem? Jeden z rozmówców pod moim wpisem na Facebooku napisał słusznie: „Nie ma też powodu, aby kiedyś nie pojawił się jakiś owad z czterema odnóżami. Jednak i tak wtedy nie będzie zaliczony do czworonogów”. Dokładnie tak, ponieważ jego przodkowie nie byli czworonogami w sensie formalnym. Ewolucyjne drogi stawonogów i czworonogów rozeszły się jakieś 555 milionów lat temu, w czasie rozdzielenia się pierwoustych (tu są robale) i wtóroustych (tu są kręgowce). Tak przy okazji kryterium rozróżnienia tych dwóch ustych dotyczy rozwoju zarodkowego i stanowi je sposób wykształcania się odbytnicy.
Owady mają sześć nóg, pajęczaki osiem, niektóre inne stawonogi 10. U krocionogów liczba odnóży idzie w dziesiątki lub setki, a rekordzistką jest wij Eumillipes persephone, u którego naliczono 1306 kończyn, i to na ciele mającym zaledwie niecałe 10 cm długości.
Zatem pająki mają osiem nóg – chyba że ktoś im jakieś urwie. W powieści Juliusze Verne’a „Piętnastoletni kapitan” występuje entomolog-krótkowidz Benedykt, którego służący znajduje sześcionogiego pająka. Byłaby to sensacja przyrodnicza na skalę światową i Benedykt, który w trakcie perypetii na morzu utracił okulary, widzi się już w gronie największych luminarzy nauki. Niestety po powrocie do domu i założeniu szkieł dostrzega, że nieudolny służący w trakcie pozyskiwania okazu pozbawił go niechcący dwóch nóg…
A odpowiedź na zagadkę Koziołka Matołka „Co dwie ręce ma i pierze?” brzmi: praczka.
[źródła ilustracji: Kevin Schafer / Getty Images (wiodąca); TVN; Sidney Harris via CartoonStock; Makuszyński/Walentynowicz; By Alexander Bassano – Royal Collection, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=76006849; Shubham Chatterjee – Praca własna, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27667459; By Bruce A.S. Henderson – Fraser, Michael D.; Henderson, Bruce A.S.; Carstens, Pieter B.; Fraser, Alan D.; Henderson, Benjamin S.; Dukes, Marc D.; Bruton, Michael N. (26 March 2020). "Live coelacanth discovered off the KwaZulu-Natal South Coast, South Africa". South African Journal of Science. 116 (3/4 March/April 2020). doi:10.17159/sajs.2020/7806 © 2020. The Author(s). Published under a Creative Commons Attribution Licence., CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=88732486; By KeresH – Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4514923; Alamy Stock Photo; By Nobu Tamura (http://spinops.blogspot.com) – Own work, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19460050]