De första landdjuren

Våra förfäder plaskade runt i varma sumpmarker för 370 miljoner år sedan. De liknade mer små krokodiler än något annat och vi skulle ha svårt att känna igen oss i dem om vi såg dem idag.

Men det var de som tog det avgörande klivet upp på land för vår gren av utvecklingsträdet.

Och vi är fortfarande ett slags ombyggda fiskar.

Bilden av hur det gick till när några djur för alltid lämnade vattenlivet blir allt tydligare.

Det var en smygande start på en explosiv utveckling av livet på land. Och flera svenska forskare har gjort viktiga upptäckter för att bringa klarhet i historien.

Det började på Grönland för 75 år sedan.

en text från Allt om Vetenskap 2008

Sommaren 1931 gjorde en stor dansk Grönlandsexpedition ett märkligt fynd på Ymerön på den Grönländska östkusten. På sluttningen av Celsiusberget hittade expeditionens geologer fossila rester efter vad som såg ut att vara den felande länken mellan livet i vatten och på land. Det var ett 365 miljoner år gammalt skelett av en varelse som dels var en fisk med gälar, men som också hade benliknande extremiteter både fram och bak. Djuret härstammade från slutet av devontiden, den period då ryggradsdjuren först tog klivet upp ur vattnet. Och här var kanske pionjären, den som var först med det epokgörande steget.

Ledaren för geologerna var den unge svensken Gunnar Säve-Söderberg, och han döpte djuret till Ichtyostega. Fyndet gjorde sensation, och fisken som gick på ben blev omskriven i världspressen.

Men den fyrbenta fisken var viktig också av andra skäl. Under mellankrigstiden konkurrerade Danmark och Norge om rätten att styra över Grönland. Det var en fråga som just då låg i händerna på den internationella domstolen i Haag, och ett stort paleontologiskt fynd av en dansk expedition blev ett viktigt vapen i kriget om opinionen. Det vapnet ville danskarna utnyttja fullt ut.

Ichtyostega hamnade på Naturhistoriska muséet i Stockholm, där den tidens ledande experter på just den här typen av fossil höll till. Säve-Söderberg var Stockholmsmuséets begåvade coming man, och det låg nu på hans axlar att analysera och presentera fyndet för världen.

Men det kom aldrig att bli så. Det skulle dröja ända till 1990-talet innan kunskapen om Devontidens första landdjur började ta form på allvar. För det var här som allt högre liv på land startade. Tidigare fanns förstås växter, insekter och mikroorganismer däruppe i luften. Nu kom ryggradsdjuren.

Livet på jorden har formats under nästan fyra miljarder år. Hela tiden pågår en långsam, omärkbar förändring som omskapar arterna, och som tvingar dem att hela tiden anpassa sig till en föränderlig omgivning. Det händer runt omkring oss just nu, men så långsamt att vi inte kan uppfatta det med vårt extremt korta tidsperspektiv. Människans liv varar bara ett geologiskt ögonblick. Vi hinner helt enkelt inte med.

Men i fossilsamlingarna framträder mönster som ger utvecklingen ett dramatiskt sammandraget förlopp, som en snabbrepris. Plötsligt händer något, och det som i verkligheten tog tio miljoner år kan markeras av några decimeters avstånd i sedimentlagren i en klippvägg. Utvecklingen tar ett språng, som man brukar säga.

Förflyttningen från ett vattenliv till en tillvaro på land är kanske ett av de mest dramatiska sprången. Den innebar en total make-over som krävde nya konstruktioner av snart sagt hela kroppsbygget. Andningsteknik, extremiteter, sättet att äta, hud och sinnesorgan, allt måste förändras. Och eftersom vi är ättlingar i rakt nedstigande led till de första landdjuren, så bär vi på de nya lösningarna än idag i våra kroppar oavsett om vi är älgar, ödlor eller örnar. Man kan säga att vi alla är utskott på en udda gren på fiskarnas utvecklingsträd. En gren som hamnade på land.

”Erövringen av land” framställs av tradition som en av de stora bedrifterna under jordens historia, något i stil med ”ett litet steg för en fisk, men ett jättekliv för mänskligheten”.

Per Ahlberg är professor i evolutionsbiologi i Uppsala och en av de forskare som har bidragit mest till vad vi idag vet om de tidiga fyrfota landdjuren. På sin dator har han samlat ihop några typiska bilder på måfå, som skildrar händelsen. Han visar upp dem en efter en, bilder av ett fiskliknande djur som liksom släpar sig upp på en strand av ett stort hav.

– Och det är alltid några som kommer strax bakom, säger Per Ahlberg. Ser du vad det påminner om?

Nästa bild på datorskärmen föreställer den berömda flaggresningen på Iwo Jima. Amerikanska marinsoldater hissar stjärnbaneret efter segern. Utvecklingen av de första landdjuren skildras som en förövning till Kolumbus färd till Amerika, eller landstigningen i Normandie. Ett avgörande steg mot evolutionens mål: människan.

Så dramatiskt gick det nu inte till. Men det finns ändå något djupt fascinerande med de här vandrande fiskarna. De är föregångare till alla moderna ryggradsdjur och de gav oss ett arv som vi bär på än idag: en kropp byggd efter samma grundplan.

Men åter till Ichtyostega, den vandrande fisken från 1931:

Gunnar Säve-Söderberg som skulle beskriva fyndet kom att insjukna i tuberkulos, och avled efter flera års sjukdom 1948. Ansvaret för Ichtyostega föll på hans kollega Erik Jarvik, också vid Riksmuséet i Stockholm. Jarvik beskrivs som en oerhört noggrann forskare, något egensinnig, men kunnig. Kort sagt, det dröjde länge innan han publicerade en slutgiltig beskrivning av fyndet från 1931. En preliminär rapport kom på 50-talet, men den stora beskrivningen av Ichtyostega daterades så sent som 1996. Under åren som gått hade många andra forskare väntat otåligt.

I Cambridge i England fanns Jennifer Clack, en specialist på den här epoken. När hon en dag rotade i några lådor på universitetets zoologiska museum hittade hon fossila skallar från en nära släkting till Ichtyostega, en art som också Säve-Söderberg och Jarvik hade hittat på Grönland och som de kallade Acanthostega.

Clack kunde se att skallarna från lådan passade ihop, och att de alltså kom från samma fyndort. Fossilen hade hittats av en brittisk geolog, och Jennifer Clack fick tillgång till hans fältanteckningar, där man kunde läsa exakt var på Grönland han hittat djuren.

Ett par år senare, 1987, hade Clack samlat ihop pengar och medarbetare till en egen Grönlandsexpedition. Per Ahlberg, som då befann sig i Cambridge, följde med.

– Efter några dagar hittade vi platsen, och började samla in fossil, berättar han. Det var en stor rasbrant, där det stack fram stycken av fast berg här och var. En av branterna var täckt av bitar av Acanthostega. De fanns i stora mängder.

Clack och hennes kolleger hade återfunnit en plats där en hel flock av de drygt meterlånga djuren hade drabbats av något slags katastrof för mer än 350 miljoner år sedan, en massdöd. Idag låg platsen övergiven, mer än 50 mil från närmaste bosättning på den Grönländska östkusten. Resultatet av expeditionen blev en omvärdering av hur det gick till när de fyrbenta djuren tog sig upp på land.

Acanthostega hade ett slags ben och fötter. Den hade kvar en lång stjärtfena, och den andades både med gälar och lungor. Men det var uppenbart att buk- och bröstfenorna inte utvecklats till ben för att gå på torra land. De stack ut från kroppen och skulle aldrig ha klarat att bära upp den. De var mera lika paddlar och måste ha utvecklats hos ett vattenlevande djur. Extremiteterna som var försedda med hela åtta tår vardera såg ut att ha använts för att ta sig fram i grunda, strandnära vatten, trodde Clack.

Det var alltså inte så att fiskar som släpade sig fram mellan vattensamlingar så småningom utvecklade ben, och blev bättre och bättre på att gå – för att slutligen utvecklas till fullfjädrade fyrbeningar. Ben och fötter hörde från början hemma i vattnet, men i grunda, trånga vatten, där det kunde vara svårt att ta sig fram.

Fler och fler fynd under 80- och 90-talen började bekräfta bilden av en vitt förgrenad grupp av rovdjur, som låg och tryckte i träskliknande områden, och som med tiden blev allt bättre utrustade för att röra sig både över och under vatten. En av dem skulle så småningom ge upphov till alla däggdjur, inklusive oss. Men vilken?

Acanthostega skulle visa sig vara en ännu tydligare övergångsform än Jarviks gamla Ichtyostega från 30-talet. Men fler felande länkar väntade på upptäckt.

Panderichtys, till exempel, är den ”sista fisken” i den här släktsagan, en klar föregångare till vad som skulle komma. Den hittades redan på 1940-talet, men hur den såg ut blev inte ordentligt klarlagt förrän härom året. Panderichtys hade fenor, med tunna ben i solfjäderform, så som vi är vana att se hos fiskar. Men fenorna hade ett skelett av samma typ som vi har i armar och ben. Därifrån utgår ett tjugotal tunna strålar, det som senare ska bli våra fem fingrar.

Panderichtys är alltså den fisk som står närmast vår utvecklingslinje, det som ska bli tetrapoderna – ”fyrfotingarna”, till exempel Acanthostega.

Men när och hur dök tetrapoderna upp? Per Ahlberg, som nu börjar kliva in i den här berättelsen på allvar, flyttade på egen hand historien tio miljoner år tillbaka mer eller mindre genom en slump.

– Jag hade fått en tjänst som forskningsassistent i Oxford, och sysslade bland annat med att katalogisera en samling fynd från 1860-talet från Skottland, berättar han. Då hittade jag ett benfragment som jag direkt såg var en bit av en nos från en tetrapod. Den var platt och lite krokodilartad, och hade de typiska mönstren på ytan.

Det går alltså att driva forskningen framåt både genom att rota i gamla lådor på anrika universitet eller via strapatsrika expeditioner till arktiska bergstrakter.

Det nya djuret fick namnet Elginerpeton, efter den ursprungliga fyndplatsen.

Acanthostega, som Ahlberg samlat ihop tillsammans med Jenny Clack och hennes kolleger 1987 kunde pusslas ihop till ett närmast komplett skelett. Den kunskapen användes nu till att granska Ichtyostega, som Jarvik slutligen hade skrivit färdigt om. Ahlberg, Clack och uppsalaforskaren Henning Blom gjorde en omvärdering av Jarviks analys.

– Vi gjorde en rätt drastisk omtolkning, säger Per Ahlberg. Jarvik höll på väldigt länge, men man kan undra hur han körde fast så som han gjorde.

Omtolkningen, som är den accepterade bilden idag, visar att Ichtyostega inte var någon fyrbent fisk. Den såg ut att vara mer anpassad till land än Acanthostega, men den kunde knappast gå, snarare resa sig på ”frambenen”.

– Ichtyostega var verkligen en udda tetrapod, när man ser den i dagens ljus, säger Per Ahlberg. Knappast någon typisk övergångsform, mer ett evolutionens experiment.

Men fortfarande fanns stora luckor i tidsföljden. Mellan den ”sista fisken”, Panderichtys, och de tidigaste tetrapoderna som Elginerpeton, fyrfotingarna med primitiva ben och fingrar, låg en lucka på cirka tio miljoner år. Men år 2006 presenterades den som skulle fylla luckan.

Två år tidigare hade ett amerikanskt forskarteam tagit sig upp till devonavlagringarna i arktiska Kanada, och på den avlägsna Ellesmere Island hittat Tiktaalik, en verklig felande länk i serien av fiskar som är på väg att bli landdjur.

Tiktaalik är en fisk, men en fisk med tydliga drag av tetrapod som levde för ungefär 375 miljoner år sedan. Med sitt tillplattade huvud och avlånga kropp hade även den det krokodilliknande utseende som de senare tetrapoderna. Till skillnad från vanliga fiskar så saknade Tiktaalik gällock av ben. Det gjorde att den kunde ha ett slags hals, och därmed kunde vrida huvudet en aning åt bägge håll. Ovanpå hjässbenet fanns två andningshål, vilket betyder att den förutom gälar hade primitiva lungor. Fenorna var ledade och fisken kunde antagligen resa sig upp på bröstfenorna. Längst ut satt enkla tår.

Allt det här stämmer precis in på vad man skulle förvänta sig av en mellanform på vägen från fisken Panderichtys till tetrapoden Acanthostega. Det säger också en hel del om hur Tiktaalik levde, och i vilken miljö förmågan att leva på land växte fram.

Benen med de enkla tårna, eller ”fingrarna” var till för att ta sig fram och hålla sig fast i grunda vatten, kanske tidvattenzoner liknande dagens mangroveträsk där vattnet ibland strömmade. Käkarna med två rader av vassa tänder visar tydligt att det var ett rovdjur. Man kan tänka sig att de låg dolda, med andningshålen över ytan, i väntan på lämpliga offer. De dubbla andningssystemen visar för övrigt att livsmiljön säkerligen var mer syrefattig än det öppna havet.

Det råder ingen som helst tvekan om att vägen till oss själva börjar här. Och tidsmässigt täcker fossilen in epoken ganska bra. Men det saknas fortfarande mellanformer, säger Per Ahlberg.

Han är själv klar att publicera sitt senaste bidrag till den här historien: nya rön om en tetrapod som heter Ventastega. På andra sidan Östersjön, i Lettland, har Ahlberg tillsammans med lettiska och ryska kolleger grävt i de devonavlagringar som finns där.

– Ventastega är ganska nära släkt med Acanthostega. Vi vet inte om det är vår direkta förfader, men det är en nära släkting. Om inte morfar, så kanske morfars bror, säger Per Ahlberg.

Ventastega tillbringade troligen större delen av sin tid i vatten, men kunde ta sig över land när det behövdes. Platsen där den hittades var en kustmiljö vid ett tropiskt hav som för 360 miljoner år sedan täckte dagens Vitryssland.

– Det finns inget större tidsgap längre, säger Per Ahlberg. Snarare en lucka i formförändringen från fenor till ben. Men det börjar stå klart att det handlar om ett stort antal arter. Det är ungefär som människan. Samtidigt som Homo sapiens befolkar jorden finns neandertalarna. Det finns konservativa grenar som hänger kvar. Tetrapoderna från devon är relativt ovanliga, men de spreds till många platser. De krävde en speciell miljö, och det betyder att de lätt blev isolerade och så uppkom en lokal mångfald. Och en av de här varianterna tog det avgörande steget. Vi vet genom molekylärbiologiska studier att vi har ett gemensamt ursprung.

Och ursprunget finns någonstans bland alla tetrapoder som hittas. Ungefär en och en halv meter lång, med ett tillplattat huvud och vassa tänder. Så såg våra förfäder ut.

Under nästa geologiska period, karbon, så har ryggradsdjuren på land blivit amfibier. De har tappat stjärtfenorna, fått ordentliga ben och leder, och andades enbart med lungor.

Övergången från vatten till land under devon var en stor och viktig förändring, men den som var där skulle inte ha sett någonting märkvärdigt. Det som skedde var helt normala biologiska processer, och ingen kunde veta vad det skulle bli av de små rovdjuren som tog sig upp ur träsket.

Fem små fingrar.

Varför ska man just ha fem fingrar och tår? Inget djur har fler, några har färre. Fem såg länge ut som ett närmast magiskt tal för antalet fingrar eller tår. Erik Jarvik rapporterade att den fyrbenta fisken Ichtyostega hade just fem tår på extremiteterna – ytterligare ett tecken på dess betydelse i utvecklingen.

Men vid omvärderingen 2005 visade den sig ha hela sju små tår på bakbenet. Och Acanthostega hade åtta, både fram och bak. Inget självklart i det numera allmänna femtalet alltså.

Någonstans på vägen, hos de landbaserade ryggradsdjurens sista gemensamma förfader, blev de fem, och har så förblivit. Hur skulle vi annars ha räknat idag, kan man undra, om inte tio fingrar blivit grunden för talsystemet?

Grundplanen

Vi är ombyggda fiskar. Det var några stora förändringar som skiljde oss från benfiskarna under den stora omvandlingen under slutet av devonperioden för 360-370 miljoner år sedan.

Fenorna fick ett ordentligt skelett och blev början till armar och ben. Redan hos den sista fisken i utvecklingskedjan, Panderichtys, fanns ett övre och två nedre ben i armar och ben, precis som hos oss. Bröstfenorna blev först till armar, och kopplades till skulderleder på bägge sidor av kroppen. Bukfenorna blev senare till ben, som fick ett bäcken för att få fäste mot ryggraden. Gälar och spruthål blev till delar av käke och våra mellanöron.

De flesta förändringar har skett genom att gamla delar bytt form och funktion. Förändringarna kan följas under fosterutvecklingen, där mastergener slår på och av tillväxten hos kroppens olika delar. En sådan mastergen som heter HoxD13 styr uppbyggnaden av radialbenen i fiskarnas fenor. Men samma gen styr också uppbyggnaden av våra tår. Det är samma kroppsdelar, med nya funktioner i en förändrad livsmiljö.