Aurinko paahtoi La Buitreran aavikolla Patagonian pohjoisosissa Argentiinassa, kun kolme paleontologia etsi fossiileja. He konttasivat ja etsivät kivien ja hiekan joukosta merkkejä vanhoista luista.
Kun yksi paleontologeista löysi pyöreän kiven, kävi ilmi, että se oli käärmeen pääkallon fossiili. Vain muutaman senttimetrin pituinen kallo on lähes täydellisesti säilynyt. Kolmiulotteinen käärmeen kallo on todella kiinnostava löytö, sillä tutkijat ovat pitkään kaivanneet puuttuvia palasia käärmeiden kehityshistoriaan.
Aiemmat kallolöydöt eivät ole olleet täydellisiä, tai ne ovat litistyneet miljoonien vuosien aikana maakerroksissa. La Buitreran löydöt avasivat siis tutkijoille uuden maailman.
Nyt heillä on käytössään erittäin hyvin säilynyt varhaiskäärmeen kallo sekä seitsemän muuta samalta alueelta löydettyä käärmefossiilia.
Laboratoriossa tutkijoille selvisi, että kallo kuului liitukaudella 93–100 miljoonaa vuotta sitten eläneelle Najash rionegrina -varhaiskäärmeelle. Tutkimuksissa kävi ilmi, että käärmeet kadottivat eturaajansa huomattavasti varhaisemmassa vaiheessa kuin tähän asti on oletettu. Yllättävää oli se, että käärmeiden takaraajat säilyivät eturaajojen katoamisen jälkeen vielä miljoonia vuosia. Najash rionegrinalla oli vielä takaraajat, joten se siis yhdistää käärmeiden menneisyyden liskoihin.
Kallofossiili osoittaa, että laji on kehittynyt matelijoista, mutta Najash rionegrinalla ei vielä ollut nykykäärmeille tyypillistä joustavaa leukaniveltä.
Fossiilien vähäinen määrä epäilyttää
Käärmeet kuuluvat samaan suomumatelijoiden lahkoon kuin liskot ja sisiliskot. Käärmeet ja sisiliskot ovat kehittyneet muinaisista sisiliskoista. Tähän asti tutkijat ovat yksimielisiä, mutta muuten käärmeiden evoluutioon liittyy vielä monia epävarmoja seikkoja.
Teorioiden mukaan ensimmäiset käärmeet kehittyivät joko meressä tai maalla elävistä sisiliskoista. Epävarmuus johtuu siitä, että suurin osa käärmeistä on ollut hyvin pieniä eläimiä, joiden luut olivat heikkoja. Siksi käärmefossiilien arkisto on puutteellinen ja se koostuu pääasiassa erilaisista selkärangan osista.
Lisäksi suuri osa muinaiskäärmeistä katosi niin, että niistä ei ole jäänyt jälkiä, koska fossiilit ovat ajan myötä tuhoutuneet.
Käärmeen luikerteleva kehityshistoria
170 miljoonaa vuotta sitten: Neljä jalkaa
Vanhimmista käärmelajeista on tehty hyvin vähän fossiililöytöjä. Tetrapodophis amplectus, joka eli 110–115 miljoonaa vuotta sitten, osoittaa, että käärmeiden kehitys erkani sisiliskoista, liskoista ja varaaneista. Etu- ja takaraajojen paikat voi aavistaa yllä olevasta kuvasta.
115–110 miljoonaa vuotta sitten: Eturaajat katoavat
110–115 miljoonaa vuotta sitten oli vielä olemassa käärmelajeja, joilla oli neljä jalkaa, mutta vähitellen eturaajat alkoivat kadota. Joillakin 90–100 miljooonaa vuotta sitten eläneillä käärmeillä oli ainoastaan takaraajat. Najash rionegrina oli yksi niistä.
100–90 miljoonaa vuotta sitten: Takaraajat katoavat
Viimeiset käärmelajit, joilla oli takaraajat, elivät noin 90–100 miljoonaa vuotta sitten. Ei tiedetä tarkkaan, milloin käärmeiden takaraajat katosivat kokonaan, mutta se tapahtui siinä vaiheessa, kun käärmeet alkoivat hakeutua luoliin saalistamaan.
Nykyisin: Takaraajojen aihiot ovat edelleen olemassa
Nykykäärmeillä ei ole toimivia raajoja. Pyton- ja boalajeilla on kuitenkin takaraajojen jäänteinä kannukset kloaakkiaukon molemmilla puolilla, mutta niillä ei ole merkitystä liikkumisen kannalta. Tutkijoiden mukaan takaraajageeni voi aktivoitua uudelleen.
Käärmeiden evoluution kehityksessä otettiin tärkeä askel vuonna 1997, kun kanadalaisen Albertan yliopiston ja australialaisen Sydneyn yliopiston tutkijat kertoivat löytäneensä Lähi-idästä ikivanhan Pachyrhachis-nimen saaneen käärmelajin fossiilin.
Ensimmäistä kertaa tutkijoilla oli edessään käärmefossiili, jossa oli selviä merkkejä hyvin kehittyneistä takaraajoista. Hieman myöhemmin Lähi-idästä löydettiin myös kahden muun takaraajallisen käärmelajin (Hassiophis ja Eupodophis) fossiilit.
Kaikki kolme löytöä tehtiin samasta geologisesta kerrostumasta, joka 100 miljoonaa vuotta sitten oli veden alla. Löytö poiki teorian, jonka mukaan varhaiset käärmeet kehittyivät vedessä eläneistä matelijoista, oletettavasti mosasauruksista.
Najash nosti käärmeet maalle
Teoria koki kuitenkin kolauksen, kun tutkijat ensimmäistä kertaa löysivät merkkejä Najash rionegrinasta, joka eli suunnilleen samaan aikaan kuin Lähi-idästä löydetyt käärmefossiilit. Najash rionegrinan fossiili löydettiin alueelta, joka ei käärmeen elinaikana ollut veden alla. Ja koska sillä oli takaraajat, tutkijat päättelivät sen eläneen maalla.
Teoriaa tuki myös Brasiliasta löydetty 110–115 miljoonaa vuotta vanha käärmefossiili, jolla oli neljä raajaa. Laji, joka sai nimekseen Tetrapodophis amplectus, oli suhteellisen pieni, vain 20 sentin mittainen, ja sen pää oli noin ihmisen peukalon kokoinen. Eturaajat olivat noin sentin pituiset ja niissä oli kyynärpäät, ranne ja vain viiden millimetrin mittaiset kämmenet. Tetrapodophis amplectuksen takaraajat olivat eturaajoja pidemmät ja jalkapohjat olivat suuremmat kuin eturaajojen kämmenet.
Miljoonien vuosien kuluessa käärmeet ovat kehittyneet niin, että nykyisin ne eivät juuri muistuta sisiliskomaisia esivanhempiaan. Raajat ovat kadonneet, vartalosta on tullut pitkä ja virtaviivainen, ja leuka aukeaa 180 astetta kallon ja leukaluun muutosten ansiosta. Tutkijoilla on kuitenkin ollut vaikeuksia käärmeiden sukupuun hahmottamisessa ja käärmeiden ja muiden suomumatelijoiden suhteen määrittämisessä.
Muinaiskäärmeellä sisiliskon ja käärmeen piirteitä
Najash rionegrina kuvaa hyvin sitä, miten käärme oli kehittynyt sisiliskosta vatsallaan eteneväksi eläimeksi. Pitkä vartalo ja kallo osoittavat, että se oli jo selvästi erilainen kuin liskot.
Kallo oli välivaihe
Najash rionegrinan kallossa oli sisiliskon kallon tavoin leukaluu. Nykykäärmeiden suu on pienempi, mutta koska leuka on evoluution myötä muuttunut joustavaksi, käärme voi avata suunsa ammolleen. Tässä kehitysvaiheessa jo kadonneiden eturaajojen merkitys on epäselvä. Tutkijat arvelevat, että vain parin sentin mittaisilla raajoilla käärme saattoi pitää kiinni saaliistaan.
Venynyt vartalo
Najash rionegrinan vartalo oli muiden varhaiskäärmeiden tavoin pidempi kuin sisiliskoilla. Siten se saattoi kietoutua saaliinsa ympärille ja liikkua aaltomaisesti, mikä sopii hyvin etenemiseen maanalaisissa onkaloissa.
Takaraajat paritteluun
Takaraajat eivät todennäköisesti auttaneet Najash rionegrinaa liikkumisessa, vaan tutkijat arvelevat, että muutaman sentin mittaiset raajat olivat kätevä apuväline parittelussa.
Takaraajat säilyivät miljoonia vuosia
Käärmeiden kehitys raajattomiksi eläimiksi kesti ainakin 70 miljoonaa vuotta. Paleontologit ovat löytäneet neljän eri käärmeheimon fossiileja, joilla kaikilla oli pienet takaraajojen tyngät. Tutkijoiden arvioiden mukaan takaraajallisten käärmelajien vartalon muoto säilyi miljoonia vuosia.
Arviota tukee se, että Najash rionegrinalla ja kahdella muulla käämelajilla, joilla oli takaraajat, ei havaittu minkäänlaisia merkkejä eturaajoista. Eturaajojen katoamisprosessi oli ilmeisesti ollut käynnissä jo pitkään, ennen kuin Najash rionegrina eli 90–100 miljoonaa vuotta sitten.
Eturaajojen menetys oli ensimmäinen tärkeä virstanpylväs käärmeiden kehityshistoriassa.
Koska takaraajat säilyivät monilla muinaisilla käärmelajeilla pitkän aikaa, kyseessä ei ollut vain väliaikainen ylimenovaihe. Tutkijat arvelevat, että pitkä vartalo ja pienet takaraajat olivat käärmeille hyödyllinen yhdistelmä. Käärmeet tuskin käyttivät takaraajojaan liikkumiseen, mutta niillä on voinut olla tärkeä rooli parittelussa.
Käärmeet ovat ehkä pitäneet takaraajoillaan parittelun aikana kiinni kumppanista, kunnes siittiöt ovat päässeet naaraan viemärisuoleen.
Käärmeen kallo on ainutlaatuinen
Käärmeet tunnetaan parhaiten pitkulaisista vartaloistaan, mutta raajattomuus ei kuitenkaan tee niistä ainutlaatuisia eläinten joukossa. Menestyksen salaisuus on niiden erittäin joustava kallo, jossa monet luut ovat hyvin joustavasti kiinni toisissaan. Siksi käärme pystyy avaamaan kitansa suureksi ja nielemään kokoonsa nähden suuria saaliseläimiä.
Käärmeiden sisiliskoista poikkeava kallo on pitkään hämmästyttänyt tutkijoita. Asiaan saatiin valaistusta, kun Najash rionegrinan lähes täydellisesti säilynyt kallo löytyi.
Kalloa on tutkittu laboratoriossa erilaisilla kuvantamislaitteilla. Mikroskoopeilla tutkijat puolestaan saivat tietoa kallon luiden rakenteesta, ja sen jälkeen tietoja verrattiin nykyisin elävien käärme- ja sisiliskolajien kalloihin.
Kallo osoittautui olevan sisiliskon jäykän kallon ja nykykäärmeiden joustavan kallon välimuoto.
Myrkyllisin: aavikkotaipaani (Oxyuranus microlepidotus)
Maailman myrkyllisin käärme aavikkotaipaani elää Australian autiomaassa, missä se tappaa jyrsijöitä myrkkykoktaililla. Myrkky sisältää muun muassa erittäin voimakkaita hermomyrkkyjä, jotka lamauttavat hermot, lihakset ja sydämen, sekä verimyrkkyä, joka estää verta hyytymästä ja aiheuttaa sisäisiä verenvuotoja. Yhden täysikasvuisen aavikkotaipaanin kerralla erittämällä myrkkymäärällä voisi tappaa 100 ihmistä.
Pisin: verkkopyton (Python reticulatus)
Maailman pisin käärme verkkopyton elää Kaakkois-Aasiassa. Se voi kasvaa jopa kymmenmetriseksi eli venytettynä se ylettyisi lähes linja-auton päästä päähän. Pisin koskaan elänyt käärmelaji oli Titanoboa, joka saattoi olla peräti 15 metriä pitkä.
Painavin: viheranakonda (Eunectes murinus)
Etelä-Amerikan suoalueilla viihtyy valtava kuristajakäärme, joka voi painaa lähes 250 kiloa. Naaraat ovat koiraita huomattavasti kookkaampia. Kun viheranakondaa verrataan muinaisiin jättiläiskäärmeisiin, se jää höyhensarjalaiseksi. Verkkopytonin tavoin viheranakonda kalpenee Titanoboan edessä, sillä Titanoboa saattoi painaa jopa 1 135 kiloa.
Nopein: mustamamba (Dendroaspis polylepis)
Etelä- ja Itä-Afrikan savanneilla ja vuoristorinteillä luikertelee mustamamba jopa 20 kilometrin tuntinopeudella. Myrkyllinen käärme voi kasvaa 4,5 metriä pitkäksi. Maailman nopeimmin etenevä käärme myös iskee saaliiseensa salamannopeasti. Mustamamba saalistaa pieniä nisäkkäitä, lepakoita ja lintuja.
Kallon tutkimukset ovat muuttaneet biologien käsitystä käärmeiden kehityksestä. Kallon luiden rakenne sekä vertailu varhaisiin ja nykyisiin sisilisko- ja käärmelajeihin antoivat tutkijoille eri vaihtoehtoja käärmeiden todennäköiseksi sukupuuksi.
Esimerkiksi nykykäärmeistä primitiivisin suku, aitosokkokäärmeet, on saanut sukupuussa uuden paikan. Matoja muistuttavat aitosokkokäärmeet ovat nimensä mukaan sokeita ja erittäin hyviä kaivajia. Aiemmissa tutkimuksissa ne on sijoitettu varhaisimpiin käärmelajeihin, mutta uusien löytöjen valossa Najash rionegrina kuuluu niitä varhaisempaan sukupuun oksaan.
Tällä hetkellä maailman vanhinta löydettyä käärmefossiilia kuvattiin Nature-tiedelehdessä vuonna 2015. Kyseessä on Eophis underwoodi -lajin fossiili, joka löydettiin Britanniasta Oxfordin lähistöltä. Noin 25 senttiä pitkä fossiili on peräisin jurakaudelta 170 miljoonan vuoden takaa. Eophis underwoodi -fossiilin analyyseissä kävi ilmi, että käärmeitä on saattanut olla olemassa jo 190 miljoonaa vuotta.
Raajat voivat kehittyä uudelleen
Nykykäärmeillä ei ole raajoja, mutta joidenkin nykylajien perimässä raajat elävät edelleen. Esimerkiksi pytonin sikiölle kehittyy munassa takaraajat. Raajat kehittyvät vielä vuorokausi sen jälkeen, kun naaras on muninut munansa, mutta sitten prosessi pysähtyy ja pienet raajat surkastuvat.
Aikuisilla pytoneilla ja boakäärmeillä on yhä takaraajojen jäänteinä kannukset kloaakkiaukon molemmilla puolilla. Tutkijat ovat analysoineet pytonin perimää ja havainneet, että siinä on yhä olemassa koodi takaraajojen kehittymistä varten. Pytonin takaraajat jäävät kuitenkin kehittymättä, koska jokin geneettinen mekanismi estää sen.
Jos raajojen kehitystä aktivoiva geeni saisi jatkaa toimintaansa, pytoneille ja muille käärmeille voisi jälleen kasvaa raajat. Siten tulevaisuus kääntyisikin takaisin menneisyyteen.