Kärpäsestä härkänen, eli kuinka nisäkkäistä tuli jättiläisiä

Suuri on kaunista, vai kuinkas se menee? Eläinten koon evoluutio on kiehtova aihe. Koko vaikuttaa eläimen elintoimintoihin ja rajoittaa esimerkiksi sen ravintoa ja käyttäytymistä mielenkiintoisilla tavoilla, jotka näyttävät tututkin eläimet aivan uudessa valossa (kuva: Ville Sinkkonen).

Suomalaispaleontologi Juha Saarisen ja kollegoiden uunituoreessa tutkimuksessa selviteltiin nisäkkäiden koon kehitystä koko niiden valtakauden aikana, liitukauden lopusta ja dinosaurusten tuhosta nykypäivään. Siitä innostuin selvittämään nisäkkäiden kokoa ja sen muutoksia vähän laajemminkin. Miksi nisäkkäistä tuli dinosaurusten kadottua äkkiä niin paljon isompia, ja toisaalta, miksei se tapahtunut sen nopeammin? Ja miksi ylipäätään vaivautua kasvamaan isoksi?

Ruumiinkoon monimutkaiset vaikutukset eläimeen ovat jännittävä ja monitahoinen aihe. Siihen liittyy olennaisesti pituuden, pinta-alan ja painon epäsuhtainen muutos: kun eläimen koko muuttuu, sen pituuden ei tarvitse muuttua kuin hieman, kun muutokset ihon ja muiden elinten pinta-alassa ovat jo merkittäviä ja painossa valtavia.

Niinpä koon kasvaessa sattuu kaikenlaista hassua: isommat eläimet ovat esimerkiksi suhteessa omaan painoonsa heikompia (koska lihasvoiman määrää lihasten pinta-ala, ei paino). Käytännössä tätä havainnollistaa alkujaan Galileo Galilein kynästä oleva pohdinta: pienen koiran selkään voisi sitoa toisen samankokoisen koiran, eikä se sitä paljonkaan hidastaisi, mutta hevonen uhkaisi rusentua toisen samanmoisen alle. Norsulle kävisi tietenkin vielä heikommin. Pysyäkseen ylipäätään koossa isot eläimet tarvitsevat suhteessa tukevammat luut, isommat keuhkot, tiuhemman verisuoniston ja niin edelleen.

Äkkiseltään tuntuisikin, että isommaksi kasvamisessa ei ole mitään järkeä. Mutta paljon muitakin sääntöjä on löydetty, kun erikokoisia nisäkkäitä on vertailtu erilaisissa ominaisuuksissa. Monessa mielessä isot eläimet ovat itse asiassa pieniä taloudellisempia.

Esimerkiksi energiankulutus muuttuu mielenkiintoisella tavalla. Tuplasti isompi eläin tarvitsee tietenkin enemmän energiaa, mutta ei tuplasti enemmän, vaan kutakuinkin 65 % enemmän (mikäli kaikki muu pysyy samana). Samoin puolta pienempi eläin ei pärjää puolikkailla annoksilla. Juuri tästä syystä pikkunisäkkäät, kuten päästäiset, ovat niin hurjia suursyömäreitä. Pienten eläinten on myös saatava ruokaa useammin: iso eläin kestää paastoa paljon pidempään. Norsulla kestää kuukausia kuolla nälkään, kun taas päästäisiä on hyvin vaikea pyydystää tutkimustarkoituksissa vankeuteen, koska ne yleensä ehtivät nääntyä nälkään sen muutaman tunnin aikana, jonka ne joutuvat elävänä pyytävässä loukussa hakijaansa odottamaan.

Hauska yksityiskohta on, että jatkuvan syömisen tarve määrää myös minimikoon märehtijöille. Märehtijät ovat erinomaisen hyviä hyödyntämään hankalasti sulavaa kasviravintoa. Useimmat märehtijät ovat kuitenkin verraten suuria ja pienimmätkin parikiloisia (kuvassa maailman pienin märehtijä, Tragulus kanchii -kääpiökauris. Linda Kenney/Flickr). Syy on ilahduttavan yksinkertainen: märehtimiseen vaadittu aika on poissa uuden ravinnon etsimisestä ja syömisestä. Riittävän pienelle eläimelle tämä ajanhukka on jo elämän ja kuoleman kysymys.

Suunnilleen samanlaisessa epäsuhdassa koon kanssa kasvaa myös juomaveden tarve, lämmönhukka ja liikkumiseen tarvittava energia. Isommat eläimet tarvitsevat kaikkea enemmän, mutta eivät yhtä paljon enemmän kuin kokoero antaisi olettaa. Pitkiä matkoja liikkuessaan isot eläimet säästävät aikaa (ottavathan ne pidempine koipineen paljon pidempiä askelia kuin pikkuotukset), mutta eivät energiaa. Koska pienille eläimille aika on kortilla, ovat pitkänmatkan vaeltajat yleensä isoja eläimiä.

Jääkauden jätit

Syystä tai toisesta nisäkkäät ovat 65 miljoonan viime vuoden aikana saavuttaneet jättiläismäisiä mittasuhteita. Dinosaurusten 150 miljoonaa vuotta kestäneellä valtakaudella nisäkkäät olivat mukana kuvioissa alusta loppuun, mutta koko maailmankauden suurin tunnettu nisäkäs oli ison ketun tai pienen mäyrän kokoluokkaan asettunut Repenomamus. Useimmat olivat paljon pienempiä. Nisäkkäiden koko alkoi kasvaa hurjaa tahtia vasta dinosaurusten poistuttua kuvioista. Mielenkiintoista kyllä, koon kasvu ja sen ajoittainen taukoaminen noudattavat suurin piirtein samaa kaavaa eri mantereilla ja aivan erilaisissa nisäkäsryhmissä. Meneillään oli siis jotain universaalia. Selitykseksi on tarjottu kahta eri hypoteesia.

Toinen perustuu Copen sääntöön, joka on yksinkertaisuudessaan se, että eläimillä on taipumus kasvaa ajan mittaan. Se ei tietenkään yksinään selitä mitään, vaan tarvitaan vielä mekanismi. Sellaiseksi on esitetty, että monimuotoisuuden kasvaessa ajan mittaan lajit alkavat myös hyödyntää laajempaa valikoimaa ekologisia lokeroita, ja niistä osa suosii isoa kokoa. Pienet lajit eivät oikeastaan katoa mihinkään, vaan niiden rinnalle tulee enenevissä määrin myös niitä suuria, joihin ihmiset tietenkin helpommin kiinnittävät huomiota.

Vaihtoehtoisena selityksenä toimii Bergmannin sääntö, joka liittyy juuri suurten eläinten taloudellisuuteen. Säännön mukaan lähempänä napaseutuja elävät eläimet ovat suurempia kuin sukulaisensa päiväntasaajan tuntumassa. Sen ei tarvitse tarkoittaa ainoastaan Maapallon leveysasteita nyt, vaan ylipäätään ilmaston ankaruutta eri aikoina ja paikoissa. Kylmät ja/tai kuivat ilmastokaudet siis suosisivat suurikokoisia eläimiä. Nehän ovat parempia sietämään sekä kylmyyttä että pitkiä paastoja.

Miltä nisäkkäiden koon kasvun historia sitten näyttää? Saarinen kollegoineen tarkasteli sitä, milloin eri nisäkäslahkot ovat saavuttaneet maksimikokonsa. Kävi ilmi, että piikkejä on kolme, joista yhden todellisuus tosin on kyseenalainen. Kaksi varmempaa tapausta selittyvät kauniisti Copen ja Bergmannin säännöillä.

Eoseenikauden keskivaiheille sijoittuva piikki on suoraa jatkoa liitukauden lopun massasukupuutosta lähteneelle koon kasvulle. Kyse on ilmeisesti yksinkertaisesti siitä, että nisäkkäät ryntäsivät täyttämään dinosauruksilta vapautuneet isojen eläinten ekologiset lokerot. Eoseenikaudella nopea koon kasvu taittui, kun erilaiset fysiologiset, energiataloudelliset ja kenties lisääntymisnopeuteen liittyvät rajoitteet alkoivat tulla vastaan. Silloiset isot eläimet olisivat vaikuttaneet aikamatkaajan silmään aika oudoilta, sillä vallalla olivat vielä sellaiset arkaaiset nisäkäsryhmät kuin kreodontit, pantodontit, mesonychidit ja tillodontit.

Viimeisin, silmäänpistävän jyrkkä piikki sen sijaan selittyy ilmastolla. Se sijoittuu pleistoseenikauden sarastukseen, juuri siihen vaiheeseen, jolloin maapalloa edelleen riepotteleva jääkausien sarja alkoi. Suuret eläimetkin ovat tuttua porukkaa: sorkkaeläimiä, petoeläimiä, norsuja ja kädellisiä (kuva: pleistoseenin eläimiä Pohjois-Espanjasta, Mauricio Antón/PLoS Biology). Oli joukossa toki myös nykymaailmassa tuntemattomia eteläamerikkalaisia kummajaisia.

Ja kyllä, nykyhetkeen saavuttaessa näkyvä jyrkkä lasku johtuu meistä. Samoihin aikoihin nykyihmisen saapumisen kanssa osui suurten eläinten valikoiva katoaminen, joka näkyy nimenomaan ryhmiensä suurimpien lajien häviämisenä kaikilta mantereilta Afrikkaa ja Etelä-Aasiaa lukuun ottamatta.

Keskimmäinen piikki oligoseenikaudella saattaa tutkijoiden arvion mukaan olla silkkaa sattumaa: tältä ajalta vain on sattunut säilymään isojen nisäkkäiden fossiileja paremmin kuin edeltäviltä ja seuraavilta aikakausilta. Voi myös olla, että näihin aikoihin tapahtunut ilmaston viileneminen ja ruohomaiden leviäminen todella aiheutti nisäkkäiden koon kasvua samaan tapaan kuin jääkausien alku myöhemmin. Joka tapauksessa ajankohta on sikäli silmäänpistävä, että silloin elivät kaikkien aikojen suurimmat nisäkkäät. Indricotheerit olivat suunnattomia, pitkäkaulaisia, sarvettomia sarvikuonoja. Sellainen kohoaa norsujen ylle tämän artikkelin avauskuvassa.

Hiljaa hyvä tulee

Mielenkiintoinen pohdinnan aihe on sekin, miksi nisäkkäillä kesti niin kovin kauan vallata isojen dinosaurusten jälkeensä jättämät ekologiset lokerot. Liitukauden lopulta eoseenikauden piikkiin on kuitenkin matkaa hyvinkin parikymmentä miljoonaa vuotta. Jos seurataan eläinten koon evoluutiota lyhyillä aikaväleillä, sanotaan vaikka kotieläinten jalostusta, sen pitäisi olla paljon nopeampaa: teoriassa hiirenkokoisesta eläimestä pienen norsun kokoluokkaan (eli 100 000 kertaa painavammaksi) ei pitäisi tarvita kuin 200 000 sukupolvea, eli hyvinkin alle miljoona vuotta.

Ongelmahan on tietenkin se, ettei evoluutiolla ole pitkän aikavälin suunnitelmaa, vaan se sahailee edestakaisin ja vaihtelee suuntaa kulloistenkin valintapaineiden mukaan. Lisäksi luonnonvalinnan kohteeksi sopivaa perinnöllistä muuntelua koossa ei tietenkään ole määrättömiin, vaan evoluution on ”odoteltava” materiaalikseen sopivia uusia mutaatioita. Mutta on siinä toinenkin mutta: isot koon muutokset eivät ole ollenkaan simppeleitä.

Kuten jo aluksi todettiin, massan ja pinta-alan suhde tekee isojen eläinten elämästä hankalampaa. Ne tarvitsevat suhteessa tehokkaamman hengitys- ja ruoansulatuselimistön ja verenkierron sekä massiivisemmat luut, että ylipäätään pysyvät kasassa ja elossa. Ruumiinrakennekaan ei toimi samanlaisena hiirestä norsuun, vaan mittasuhteiden on muututtava. Toisessa varsin tuoreessa tutkimuksessa laskettiin nisäkkäiden koon kasvun maksiminopeuksia pitkillä aikaväleillä ja päädyttiin siihen, että matka hiirestä norsuun kestää parinsadan tuhannen sijaan 24 miljoonaa sukupolvea. No, eipä ihme, että isojen nisäkkäiden kehittymiseen meni aikaa.

Kasvaminen voi olla vaikeaa, mutta kutistuminen on helppoa. Se tapahtuukin sopivan tilanteen tullen yli kymmenen kertaa nopeammin. Täysin loogista: suoraan suuremmaksi skaalatun eläimen elimistö on riittämätön, mutta kutistuva eläin päin vastoin ylenmäärin huolellisesti rakennettu. Se pärjäisi vähemmälläkin luulla ja verisuonilla, mutta niistä ei ole sille muuta haittaa kuin lievä ylimääräinen energiakuluerä. Siitä ehtii hankkiutua eroon myöhemminkin. Tietenkin kutistuminen on sikälikin helppoa, että kaikki eläimet aloittavat elämänsä pienempinä. Kutistua voi yksinkertaisesti lakkaamalla aiemmin kasvamasta.

———————————————————————————

Aiheesta aiemmin Planeetanihmeissä (kyllä, tämä on lempiaiheitani):

Pieni on kaunista, tai ainakin omituista – eläinten skaalautumisen sääntöjä pienten otusten ja Salainen valtakunta -leffan näkökulmasta katsoen.

Tosielämän tappajahailla on viikset – päästäisten elämästä pikakelauksella.

Koolla on väliä – miksi dinosaurukset kasvoivat niin isoiksi?

Lentävät hirviöt, eli voiko linnulla ratsastaa? – Lentävien eläinten skaalautumisesta jättiläiskokoon.

Vaihtolämpöinen minivuohi ja kumppanit – eläinten kääpiöityminen ja jättiläiskasvu saarilla.

————————————————————————-

Lähteitä ja lisätietoa:

John Tyler Bonner (2011) Why Size Matters? From Bacteria to Blue Whales. Princeton University Press.

Damuth & MacFadden (1990) Body Size in Mammalian Paleobiology: Estimation and Biological Implications. Cambridge University Press.

Evans ym. 2012: The maximum rate of mammal evolution. PNAS.