Аннотация:
В течение долгого времени палеонтологическое сообщество считало, что ранние четвероногие отделяли голову от плеч и развили независимую шею, чтобы их головы могли вращаться более свободно, тем самым более эффективно добывая пищу и избегая хищников в воде или на суше. Однако новое исследование бросает вызов этой гипотезе, которая была популярна на протяжении десятилетий: самые ранние шеи на самом деле были довольно жесткими, что давало голове очень ограниченное пространство для движений.
У рыб ремни прикреплены непосредственно к черепу, поэтому рыба может поворачивать все тело только в том случае, если хочет посмотреть влево или вправо. Около 380 миллионов лет назад у некоторых животных, перешедших из воды на сушу, начали отрастать шеи, отдельные от тела. Но новые исследования показывают, что это структурное изменение не дало их головам достаточной свободы движений. Исследование объединило новые данные окаменелостей с моделированием механических испытаний живых рыб и показало, что эти ранние шеи оставались жесткими. Это международное исследование провел Том Стюарт, доцент кафедры биологии Пенсильванского государственного университета, а результаты были опубликованы в журнале Nature 14 октября.
Девонский период длился от 420 до 360 миллионов лет назад. Окаменелости этого периода свидетельствуют о многих животных, которые имеют как водные характеристики, так и характеристики, связанные с наземной жизнью. У некоторых из них были толстые плавники, которые, возможно, были достаточно прочными, чтобы выдерживать вес их тела, позволяя им опираться на мелководье или двигаться по дну; в то же время у этих переходных рыб стали появляться и четко дифференцированные шеи.
Стюарт сказал, что это очень интересный период в истории Земли, когда формируются первые леса и Земля претерпевает драматическую реорганизацию. Понимание того, когда и как наша линия совершила переход от воды к суше и какие анатомические системы изменились, является важной частью этой истории. Интересно, что многие изменения, произошедшие в костях около 380 миллионов лет назад, до сих пор отражаются в нашем организме.
К этому типу переходных рыб относится тиктаалик, окаменелости которого были найдены на острове Элсмир за Полярным кругом в Нунавуте, Канада. Стюарт сказал, что эта партия материала важна, потому что тиктаалик — один из ближайших родственников позвоночных с конечностями, и он помогает нам реконструировать многие промежуточные этапы перехода к жизни на суше, такие как переход от сосания воды к кусанию на суше и от плавания к ходьбе.
Предкам четвероногих (позвоночных с четырьмя конечностями) способность смотреть вниз или в стороны, возможно, помогала им находить пищу и избегать хищников на мелководье или на суше. Поэтому ученые пришли к выводу, что независимое движение головы может иметь большую ценность в такой среде, чем в глубокой воде. Стюарт сказал, что тиктаалик был впервые описан в 2006 году, и на протяжении десятилетий разумно предполагалось, что такое разделение головы и плеч должно было позволить голове двигаться более свободно. Поэтому гипотеза о том, что «подвижность шеи является эволюционной движущей силой такого изменения в строении тела четвероногих», была доминирующей, по крайней мере, до сих пор.
Чтобы проверить это объяснение, необходимо реконструировать позвоночник, который отличается от позвоночника большинства современных позвоночных. У ранних четвероногих и их родственников была стержнеобразная ткань, называемая хордой, которая проходила по всей длине их шипов; их позвонки были очень маленькими, располагались вокруг этой гигантской массы мягких тканей, а их механическое поведение сильно отличалось от суставов между позвонками у современных животных. Стюарт объясняет, что шипы рыб, претерпевающих эти изменения, в основном состоят из мягких тканей, которые не так легко сохраняются в окаменелостях, как кости. В этом случае современных животных можно использовать как отсылку к прошлому, точно так же, как живые птицы помогают нам понять вымерших динозавров.
Шипы, построенные вокруг хорды, сегодня редки, но когда-то они были обычным явлением на протяжении всей истории жизни. Осетр, рыба дальнего родственника, которую иногда называют «живым ископаемым» из-за его первоначальных особенностей, до сих пор сохраняет этот шип, что делает его полезным объектом для изучения механических свойств, отсутствующих в окаменелости. «Мы хотим понять, как жили эти ранние четвероногие животные и как это отражалось на изменениях их тел», — сказал Стюарт. Очень сложно реконструировать, где живет животное, как оно передвигается и каково его поведение. Что делает это исследование примечательным, так это то, что оно объединяет данные окаменелостей с исследованиями живых животных, чтобы реконструировать то, что наблюдаемые нами анатомические изменения означают для их поведения с механической и функциональной точки зрения.
Исследователи измерили жесткость хорды современных осетровых, а затем применили эти свойства материала к моделям шеи ранних четвероногих и переходных родственников, таких как тиктаалик, чтобы проверить, действительно ли отделение плеч от черепа позволит голове свободно двигаться, учитывая существующую структуру позвоночника. Дана Конессель, первый автор статьи и научный сотрудник Уппсальского университета в Швеции, сказала, что она провела это исследование, чтобы выяснить, какое влияние оказало это анатомическое изменение на этих животных. Структура позвоночника осетровых аналогична структуре позвоночника ранних четвероногих, но она не кажется особенно жесткой, поэтому она с удивлением обнаружила, что после моделирования почти у всех таких животных отсутствует значительная подвижность головы.
Эти оценки учитывают только сам позвоночник. Мышцы, кожа и кости, встроенные в кожу многих из этих животных, могут еще больше ограничивать движение, а это означает, что диапазон движения шеи реального животного может быть меньше, чем предполагает модель. По словам Конесселя, эти животные поднимают голову не больше, чем на уровень рыбы, а иногда и меньше, и тот поворот головы, который мы можем сделать, когда качаем головой, у этих животных невозможен.
Поскольку голова получила мало места для дополнительных движений, исследователи предполагают, что появление независимой шеи, скорее всего, является результатом анатомических изменений, связанных с передвижением передних конечностей, причем большая гибкость скорее является более поздним преимуществом, чем преимуществом, которое первоначально привело к разделению головы и плеч. «Мы знаем, что четвероногие в конечном итоге приобрели большую подвижность шеи, что в конечном итоге было очевидным преимуществом, но ранние четвероногие не могли воспользоваться этим преимуществом из-за анатомических ограничений», — сказал Конессель.
Документ называется «Моделирование подвижности шеи у ранних четвероногих с использованием существующих аналогий». В число авторов входят Дана Э. Корнесел, Кассандра М. Донателли, Хан Линфанг, Томас А. Стюарт, Эндрю Л. Трейнор, Бенджамин К. А. Отто, Маркос Мартинес, Тецуо Мияшита, Эмили М. Стэнден и Хилари К. Мартин. Исследование было поддержано премией Стивена Коэна за студенческие исследования от Общества палеонтологии позвоночных и финансированием Совета естественных наук и инженерных исследований Канады.
Комментарии