Cosa ti viene in mente quando pensi a una balena? Blubber, blowholes e flukes sono tra i tratti distintivi delle circa 80 specie di cetacei (balene, delfini e focene) che vivono oggi. Ma, poiché sono mammiferi, sappiamo che devono essersi evoluti dagli antenati della terra.
Circa 375 milioni di anni fa, i primi tetrapodi - vertebrati con braccia e gambe - si spinsero fuori dalle paludi e iniziarono a vivere sulla terra. Questa grande transizione evolutiva ha posto le basi per tutti i successivi gruppi di vertebrati terrestri, tra cui un diverso lignaggio chiamato sinapsidi, che ha avuto origine circa 306 milioni di anni fa. Anche se queste creature, come Dimetrodon, sembravano rettili, erano in realtà i precursori arcaici dei mammiferi.
Quando i primi mammiferi si sono evoluti 200 milioni di anni fa, tuttavia, i dinosauri erano i vertebrati dominanti. I mammiferi si diversificarono all'ombra dei grandi archosauri e rimasero piuttosto piccoli e segreti fino a quando i dinosauri non aviari furono spazzati via da un'estinzione di massa 65 milioni di anni fa. Questa catastrofe globale ha spianato la strada a un'importante radiazione di mammiferi. Fu solo circa 10 milioni di anni dopo questa estinzione - e più di 250 milioni di anni da quando i primi tetrapodi strisciarono sulla terra - che le prime balene si sono evolute. Questi primi cetacei non erano come le balene che conosciamo oggi e solo recentemente i paleontologi sono stati in grado di riconoscerli.
Per più di un secolo, la nostra conoscenza dei reperti fossili di balene è stata così scarsa che nessuno poteva essere certo di come fossero gli antenati delle balene. Ora la situazione è cambiata. Nell'arco di soli tre decenni, un'inondazione di nuovi fossili ha colmato le lacune nelle nostre conoscenze per trasformare l'origine delle balene in uno degli esempi meglio documentati di cambiamento evolutivo su larga scala nella documentazione fossile. Queste creature ancestrali erano più strane di quanto nessuno si aspettasse. Non vi fu una marcia in linea retta di mammiferi terrestri che portavano a balene completamente acquatiche, ma una rivolta evolutiva di cetacei anfibi che camminavano e nuotavano lungo fiumi, estuari e coste dell'Asia preistorica. Per quanto strani siano le balene moderne, i loro predecessori fossili erano persino più strani.
I pionieri che sgombrarono la terra in Alabama e Arkansas trovarono spesso enormi ossa rotonde. Alcuni coloni li usavano come focolari del camino; altri sostenevano recinti con le ossa o li usavano come pietre angolari; gli schiavi usavano le ossa come cuscini. Le ossa erano così numerose che in alcuni campi furono distrutte perché interferivano con la coltivazione della terra.
Nel 1832, una collina crollò sulla proprietà dell'Arkansas del giudice H. Bry ed espose una lunga sequenza di 28 ossa circolari. Pensò che potessero essere di interesse scientifico e inviò un pacchetto all'American Philosophical Society di Filadelfia. Nessuno sapeva cosa farsene. Alcuni dei sedimenti attaccati all'osso contenevano piccoli gusci che mostravano che una volta la grande creatura aveva vissuto in un mare antico, ma si poteva dire poco con certezza.
La donazione di Bry fu presto eguagliata e persino superata da quella del giudice John Creagh dell'Alabama. Aveva trovato vertebre e altri frammenti mentre faceva esplodere la sua proprietà e aveva anche inviato alcuni campioni alla società di Filadelfia. Richard Harlan ha rivisto i fossili, che erano diversi da quelli che aveva visto prima. Chiese altre ossa e Creagh inviò presto parti del cranio, mascelle, arti, costole e spina dorsale della creatura enigmatica. Dato che sia Creagh che Bry hanno affermato di aver visto colonne vertebrali intatte di lunghezza superiore a 100 piedi, la creatura vivente deve essere stata uno dei più grandi vertebrati che abbia mai vissuto. Ma che tipo di animale era?
Harlan pensava che le ossa fossero molto simili a quelle dei rettili marini estinti come i plesiosauri dal collo lungo e gli ittiosauri aerodinamici. Gli assegnò provvisoriamente il nome Basilosaurus. Non ne era certo, però. La mascella conteneva denti che differivano per dimensioni e forma, caratteristica dei mammiferi ma non della maggior parte dei rettili. Perché il più grande rettile fossile mai esistito aveva denti simili a mammiferi?
Harlan si recò a Londra nel 1839 per presentare il Basilosauro ad alcuni dei principali paleontologi e anatomisti del giorno. Richard Owen, una stella nascente nella comunità accademica, scrutò attentamente ogni osso e ricevette persino il permesso di tagliare i denti per studiare la loro struttura microscopica. La sua attenzione a dettagli così piccoli alla fine stabilì l'identificazione del mostro marino. Il basilosauro condivideva alcuni tratti con i rettili marini, ma questo era solo un caso superficiale di convergenza - di animali nello stesso habitat che evolvono tratti simili - perché entrambi i tipi di creatura avevano vissuto nel mare. La costellazione complessiva di tratti, compresi i denti a doppia radice, ha senza dubbio identificato il Basilosauro come un mammifero.
Dopo aver ispezionato le vertebre e altri frammenti trovati in Alabama, Richard Harlan della American Philosophical Society di Filadelfia pensò che le ossa fossero più simili a quelle dei rettili marini estinti. Gli assegnò provvisoriamente il nome Basilosaurus . Nella foto è un modello 3D di un Basilosaurus . (DK Limited / Corbis) 
Un'illustrazione del "Hydrarchos" del collezionista di fossili di origine tedesca Albert Koch come appariva in mostra. (Da Fowler, OS 1846. The American Phrenological Journal and Miscellany, Vol. 8. New York: Fowler & Wells.) Alcuni anni dopo, uno scienziato che maneggiava un campione diverso con i suoi colleghi tirò fuori un osso dal cranio, lo lasciò cadere e si frantumò sul pavimento. Quando gli scienziati innervositi hanno raccolto i frammenti, hanno notato che l'osso ora rivelava l'orecchio interno. C'era solo un altro tipo di creatura con un orecchio interno che corrispondeva: una balena.
Non molto tempo dopo che la vera identità del Basilosauro fu risolta, la teoria dell'evoluzione di Charles Darwin per mezzo della selezione naturale sollevò interrogativi su come si fossero evolute le balene. I reperti fossili erano così scarsi che non si poteva fare una determinazione definitiva, ma in un esperimento mentale incluso in L'origine delle specie, Darwin speculò su come la selezione naturale potesse creare nel tempo una creatura simile alla balena:
In Nord America l'orso nero è stato visto [dall'esploratore Samuel] Hearne nuotare per ore con la bocca spalancata, catturando così, come una balena, insetti nell'acqua. Anche in un caso così estremo come questo, se l'offerta di insetti era costante e se non esistevano già concorrenti meglio adattati nel paese, non vedo alcuna difficoltà nel rendere una razza di orsi, per selezione naturale, sempre più acquatico nella loro struttura e abitudini, con bocche sempre più grandi, fino a quando una creatura fu prodotta mostruosa come una balena.
Darwin è stato ampiamente ridicolizzato per questo passaggio. I critici presumevano che stesse proponendo che gli orsi fossero antenati diretti delle balene. Darwin non aveva fatto nulla del genere, ma la beffa gli ha fatto modificare il passaggio nelle successive edizioni del libro. Ma mentre preparava la sesta edizione, decise di includere una piccola nota sul Basilosauro . Scrivendo al suo fedele avvocato TH Huxley nel 1871, Darwin chiese se l'antica balena potesse rappresentare una forma di transizione. Huxley rispose che non potevano esserci dubbi sul fatto che il Basilosauro fornisse indizi sull'origine delle balene.
Huxley pensava che il Basilosauro rappresentasse almeno il tipo di animale che collegava le balene ai loro antenati terrestri. Se questo era vero, allora sembrava probabile che le balene si fossero evolute da una specie di mammifero carnivoro terrestre. Un'altra balena estinta chiamata Squalodon, un delfino fossile con un sorriso malvagio pieno di denti triangolari, suggeriva allo stesso modo che le balene si erano evolute da antenati che mangiavano carne. Come Basilosaurus, tuttavia, Squalodon era completamente acquatico e forniva pochi indizi sullo stock specifico da cui provenivano le balene. Insieme, queste balene fossili erano appese in una sorta di limbo scientifico, in attesa di qualche scoperta futura per collegarle ai loro antenati.
Nel frattempo, gli scienziati hanno speculato su come avrebbero potuto essere gli antenati delle balene. L'anatomista William Henry Flower ha sottolineato che le foche e i leoni marini usano gli arti per spingersi attraverso l'acqua mentre le balene perdono gli arti posteriori e nuotano per le oscillazioni della coda. Non riusciva a immaginare che i primi cetacei usassero gli arti per nuotare, per poi passare alla propulsione a coda unica in un momento successivo. Le lontre e i castori semi-acquatici, secondo lui, erano modelli alternativi migliori per i primi antenati terrestri delle balene. Se i primi antenati delle balene avessero code grandi e larghe, ciò spiegherebbe perché hanno evoluto un modo di nuotare così unico.
Contrariamente all'ipotesi del carnivoro di Huxley, Flower pensava che ungulati o mammiferi con zoccoli condividessero alcune affascinanti somiglianze scheletriche con le balene. Il cranio del Basilosauro aveva più in comune con gli antichi "Ungulati simili a un maiale" che con le foche, dando così il nome comune per la focena, "porco di mare", un anello di verità. Se alla fine si potessero trovare antichi ungulati onnivori, ragionò Flower, sarebbe probabile che almeno alcuni sarebbero buoni candidati per i primi antenati delle balene. Immaginò un ipotetico antenato cetaceo che si alleggeriva nelle secche:
Possiamo concludere immaginandoci alcuni primitivi animali generalizzati e inquietanti di palude con scarsa copertura di peli come il moderno ippopotamo, ma con code larghe e nuotanti e arti corti, onnivori nella loro modalità di alimentazione, probabilmente combinando piante acquatiche con cozze, vermi e crostacei d'acqua dolce, diventando gradualmente sempre più adattati per riempire il luogo vuoto pronto per loro sul lato acquatico della terra di confine in cui abitavano, e quindi gradualmente modificato in creature simili a delfini che abitano laghi e fiumi e alla fine trovano si fanno strada nell'oceano.
I resti fossili di una tale creatura sono rimasti inafferrabili. Alla fine del 20 ° secolo le balene fossili più antiche erano ancora rappresentate dal Basilosauro e forme simili come Dorudon e Protocetus, tutte completamente acquatiche: non c'erano fossili per colmare il divario dalla terra al mare. Come ha ammesso ED Cope in una revisione delle balene del 1890: "L'ordine Cetacea è uno di quelli della cui origine non abbiamo una conoscenza definita". Questo stato di cose è continuato per decenni.
Mentre analizzava le relazioni degli antichi mammiferi che mangiavano carne nel 1966, tuttavia, il biologo evoluzionista Leigh Van Valen fu colpito dalle somiglianze tra un gruppo estinto di carnivori che abitavano la terra chiamati mesonichidi e le prime balene conosciute. Spesso chiamati "lupi con zoccoli", i mesonchidi erano predatori di medie e grandi dimensioni con musi lunghi e denti a punta e punte con zoccoli piuttosto che artigli affilati. Erano grandi predatori nell'emisfero settentrionale da poco dopo la scomparsa dei dinosauri fino a circa 30 milioni di anni fa, e la forma dei loro denti assomigliava a quella delle balene come Protocetus .
Guarda le riprese subacquee del mammifero e ascolta i suoi strani suoni di clic che sono cruciali per la loro sopravvivenza. Video di Tony WuVan Valen ipotizzò che alcuni mesonychid potessero essere abitanti delle paludi, "mangiatori di molluschi che catturavano un pesce occasionale, le falangi allargate [ossa delle dita e dei piedi] aiutandole su superfici umide". Una popolazione di mesonychids in un habitat paludoso avrebbe potuto essere attratta da l'acqua dai frutti di mare. Una volta che avessero iniziato a nuotare per la cena, le generazioni successive si sarebbero adattate sempre più acquaticamente fino a quando qualcosa "mostruoso come una balena" si sarebbe evoluto.
Una sorprendente scoperta fatta nelle aride sabbie del Pakistan, annunciata dai paleontologi dell'Università del Michigan Philip Gingerich e Donald Russell nel 1981, ha finalmente prodotto la forma di transizione che gli scienziati speravano. In sedimenti di acqua dolce risalenti a circa 53 milioni di anni fa, i ricercatori hanno recuperato i fossili di un animale che chiamavano Pakicetus inachus . Poco più della parte posteriore del cranio dell'animale era stata recuperata, ma possedeva una caratteristica che lo collegava inconfondibilmente ai cetacei.
I cetacei, come molti altri mammiferi, hanno ossa dell'orecchio racchiuse in una cupola di osso nella parte inferiore dei loro crani chiamata bulla uditiva. Dove le balene differiscono è che il margine della cupola più vicino alla linea mediana del cranio, chiamato involucro, è estremamente denso, denso e altamente mineralizzato. Questa condizione si chiama pachioosteosclerosi e le balene sono gli unici mammiferi noti per avere un involucro così pesantemente ispessito. Il cranio di Pakicetus presentava proprio questa condizione.
Ancora meglio, due frammenti di mascella hanno mostrato che i denti di Pakicetus erano molto simili a quelli dei mesonchidi. Sembrava che Van Valen avesse avuto ragione, e Pakicetus era proprio il tipo di creatura che abitava nella palude che aveva immaginato. Il fatto che sia stato trovato in depositi di acqua dolce e non avesse specializzazioni dell'orecchio interno per l'udito subacqueo ha mostrato che era ancora molto presto nella transizione acquatica, e Gingerich e Russell pensavano a Pakicetus come "uno stadio intermedio anfibio nella transizione di balene dalla terra al mare ", anche se hanno aggiunto che" I resti postcranici [ossa diverse dal cranio] forniranno il miglior test di questa ipotesi ". Gli scienziati avevano tutte le ragioni per essere cauti, ma il fatto che una balena di transizione avesse è stato trovato così stupendo che le ricostruzioni di Pakicetus su tutto il corpo sono apparse in libri, riviste e in televisione. Fu presentato come una creatura monotona, simile a una foca, un animale catturato tra i mondi.
Durante gli anni '90, gli scheletri di antiche o più o meno adattate acquatiche balene antiche, o archeoceti, sono stati scoperti a un ritmo vertiginoso. Con questo nuovo contesto, tuttavia, la forma tozza, simile a un sigillo, per Pakicetus, rappresentata in così tanti luoghi, cominciò ad avere sempre meno senso. Quindi, nel 2001, JGM Thewissen e colleghi hanno descritto lo scheletro a lungo cercato (al contrario del solo cranio) di Pakicetus attocki . Era un animale simile a un lupo, non l'animale liscio e simile a un sigillo che era stato originariamente previsto. Insieme ad altri generi recentemente scoperti come Himalayacetus, Ambulocetus, Remingtonocetus, Kutchicetus, Rodhocetus e Maiacetus, si adatta perfettamente a una collezione di archeoceti che documentano in modo squisito una radiazione evolutiva delle prime balene. Sebbene non sia una serie di antenati e discendenti diretti, ogni genere rappresenta uno stadio particolare dell'evoluzione delle balene. Insieme illustrano come è avvenuta l'intera transizione.
I primi archeoceti conosciuti erano creature come il Pakicetus di 53 milioni di anni e l' Himalayacetus leggermente più vecchio. Sembrava che sarebbero stati più a casa a terra che in acqua, e probabilmente si sono aggirati nei laghi e nei fiumi facendo la paletta. Un milione di anni dopo visse Ambulocetus, una balena primitiva con un teschio simile a un coccodrillo e grandi piedi palmati. Successivamente apparvero i remingtonocetidi dal muso lungo e simili a lontre, tra cui piccole forme come il Kutchicetus di 46 milioni di anni. Queste prime balene vivevano in ambienti vicino alla riva, dalle paludi d'acqua salata al mare poco profondo.
Vivere all'incirca nello stesso periodo dei remingtonocetidi era un altro gruppo di balene ancora più adattate dal punto di vista acquatico, i protocolli. Queste forme, come Rodhocetus, erano quasi interamente acquatiche e alcuni protocolli successivi, come Protocetus e Georgiacetus, stavano quasi certamente vivendo la loro intera vita nel mare. Questo spostamento ha permesso alle balene completamente acquatiche di espandere le loro gamme sulle coste degli altri continenti e di diversificarsi, e i basilosauridi più eleganti come Dorudon, Basilosaurus e Zygorhiza hanno popolato i mari caldi del tardo Eocene. Queste forme alla fine si estinsero, ma non prima di dare origine ai primi rappresentanti dei due gruppi di balene vivi oggi, le balene dentate e le balene baleen. I primi rappresentanti di questi gruppi apparvero circa 33 milioni di anni fa e alla fine diedero vita a forme diverse come il delfino del fiume Yangtze e la gigantesca balena blu.
Gli studi che escono dal campo della biologia molecolare sono in conflitto con la conclusione dei paleontologi secondo cui le balene si sono evolute dai mesonchidi. Quando i geni e le sequenze di aminoacidi delle balene viventi sono stati confrontati con quelli di altri mammiferi, i risultati hanno spesso mostrato che le balene erano più strettamente correlate agli artiodattili, ungulati dalla punta uniforme come antilopi, maiali e cervi. Ancora più sorprendente è stato il fatto che i confronti di queste proteine utilizzate per determinare le relazioni evolutive spesso mettevano le balene all'interno dell'Artiodactyla come i parenti viventi più vicini agli ippopotami.
Questo conflitto tra le ipotesi paleontologiche e molecolari sembrava intrattabile. I mesonichidi non potevano essere studiati dai biologi molecolari perché erano estinti e non era stata trovata alcuna caratteristica scheletrica che collegasse in modo conclusivo gli archeoceti agli antichi artiodattili. Quali erano i denti o i geni più affidabili? Ma il conflitto non fu senza speranza di risoluzione. Molti degli scheletri dei primi archeoceti erano estremamente frammentari e spesso mancavano le ossa della caviglia e del piede. Un particolare osso della caviglia, l'astragalo, aveva il potenziale per risolvere il dibattito. Negli artiodattili questo osso ha una forma di "doppia puleggia" immediatamente riconoscibile, un mesonychid caratteristico non condiviso. Se si potesse trovare l'astragalo di un antico archeocete, ciò fornirebbe un test importante per entrambe le ipotesi.
Nel 2001, gli archeoceti in possesso di questo osso furono infine descritti e i risultati furono inconfondibili. Gli archeoceti avevano un astragalo a “doppia puleggia”, a conferma che i cetacei si erano evoluti da artiodattili. I mesonychid non erano gli antenati delle balene e gli ippopotami sono ora noti per essere i parenti viventi più vicini alle balene.
Recentemente gli scienziati hanno determinato quale gruppo di artiodattili preistorici ha dato origine alle balene. Nel 2007, Thewissen e altri collaboratori hanno annunciato che Indohyus, un piccolo mammifero simile a un cervo appartenente a un gruppo di artiodattili estinti chiamati raoellidi, era il parente più vicino conosciuto alle balene. Mentre preparava la parte inferiore del cranio di Indohyus, uno studente nel laboratorio di Thewissen interruppe la sezione che copre l'orecchio interno. Era denso e altamente mineralizzato, proprio come l'osso nelle orecchie di balena. Lo studio del resto dello scheletro ha anche rivelato che Indohyus aveva ossa contrassegnate da un simile tipo di ispessimento, un adattamento condiviso dai mammiferi che trascorrono molto tempo in acqua. Quando i dati fossili sono stati combinati con i dati genetici di Jonathan Geisler e Jennifer Theodor nel 2009, è venuto alla luce un nuovo albero genealogico di balene. I raoellidi come Indohyus erano i parenti più vicini alle balene, con ippopotami i parenti più vicini ad entrambi i gruppi messi insieme. Alla fine, le balene potrebbero essere saldamente radicate nell'albero evolutivo dei mammiferi.
Adattato da Written in Stone: Evolution, Fossil Record e Our Place in Nature, di Brian Switek. Copyright 2010. Con il permesso dell'editore, Bellevue Literary Press.
