Около 390 миллионов лет назад позвоночные впервые вышли из воды на сушу. Но как именно этот переход произошел? Очень много вопросов и так мало ответов.
Переход от воды к суше стал поворотным моментом в истории позвоночных. Это отправная точка для развития новых экосистем с большим разнообразием наземных позвоночных (четвероногих). Предыдущие исследования показали, что этот эволюционный шаг начался существ, похожих на современное ископаемое латимерию. Они жили в водоемах, которые могли пересыхать, создавая эволюционное давление для адаптации к жизни на суше. Однако с 1990-х годов было известно, что у первых четвероногих все еще были такие особенности, как жабры и хвостовой плавник. Считается, что конечности, похожие на ноги, развились в воде. Как и когда они адаптировались к жизни на суше, до сих пор неясно, особенно с учетом того, что предыдущие исследования были ограничены несколькими ископаемыми видами.
Старые и новые окаменелости
Исследователи под руководством Блейка Диксона из Гарвардского университета проанализировали 40 ископаемых костей плечевой кости вымерших видов животных, которые могли потенциально выходить на сушу. Для этого они использовали как давно известные окаменелости, так и те, которые были обнаружены совсем недавно. Исследование проводилось на таких видах животных, как Акантостега, Тиктаалик, Ихтиостега, Педерпес. По словам исследователей, плечевая кость была особенно подходящей для исследований, поскольку она встречается у всех видов животных, имеющих отношение к вопросу, и часто хорошо сохраняется в окаменелостях. Кроме того, эта кость особенно важна для перехода от водных животных к наземному образу жизни: в зависимости от того, должны ли они обеспечивать гибкость движений плавниками или выдерживать вес наземных животных, они должны иметь разную форму.
«Мы ожидали, что в плечевой кости произойдут сильные функциональные изменения, которые мы сможем использовать, чтобы предсказать, в какой момент четвероногие начали выходить на берег», - говорит коллега Диксона Стефани Пирс.
У рыб кость короткая и имеет форму блока, что является оптимальной адаптацией к плаванию. С другой стороны, у наземных позвоночных она удлиненная, слегка повернута и достаточно прочна, чтобы выдерживать вес животных и позволять ходить. В окаменелостях на переходе между водой и сушей плечевая кость имеет L-образную форму - своего рода компромиссное решение.
Адаптивные ландшафты показывают адаптацию
Чтобы показать, насколько хорошо различные изученные виды были адаптированы к соответствующим средам обитания, исследователи использовали так называемые адаптивные ландшафты. Идеальным приспособлением к среде обитания является "вершина горы"; формы, менее оптимизированные для среды обитания, образуют долины. Адаптивная изюминка для рыб в этой модели - оптимальная адаптация формы костей к плаванию; для наземных позвоночных это оптимальная адаптация к передвижению на суше.
«Мы смогли использовать эти адаптивные ландшафты, чтобы увидеть, была ли форма плечевых костей четвероногих лучше адаптирована к жизни в воде или на суше», - объясняет Пирс.
Во-первых, исследователи должны были определить, какие свойства плечевой кости они хотели бы включить в анализ. Это была непростая задача, потому что рыбьи плавники сильно отличаются от конечностей четвероногих. В конечном итоге они остановились на шести характеристиках, включая длину и прочность кости. Используя компьютер, исследователи смоделировали, насколько функциональными были соответствующие вариации передвижения в воде и на суше.
Противоположное давление выбора
Результат: самые ранние четвероногие демонстрировали уникальное сочетание характеристик, но они не соответствовали собственному адаптивному пику. Напротив, это были переходные формы, представлявшие лишь слегка оптимизированный компромисс между приспособлениями к воде и суше. Что касается адаптивных ландшафтов, они, таким образом, находились в долине у подножия горы для наземной жизни. Это указывает на возможность увеличения передвижения на суше. Но у этих животных развился лишь ограниченный набор функциональных качеств для эффективной ходьбы по суше.
С эволюционной точки зрения исследователи объясняют эту неадекватную адаптацию тем фактом, что давление отбора для быстрой адаптации к наземной жизни было очень низким - в конце концов, эти животные были первыми, кто колонизировал новую среду обитания. В то же время давление отбора все еще оставалось в другом направлении: например, животные продолжали искать пищу в воде. Только когда они освободились от этих ограничений путем внесения изменений в другие области, дальнейшая оптимизация плечевой кости приобрела смысл.
«Наше исследование дает первое количественное представление с высоким разрешением об эволюции наземных движений при переходе от воды к суше», - говорит Диксон. В будущем исследователи хотят провести дальнейшие исследования с помощью своего метода адаптивных ландшафтов. «Например, есть гипотеза, что передние лапы приспособились к жизни на суше раньше, чем задние. Эта методология может помочь проверить гипотезу.
Источник: Блейк Диксон (Гарвардский университет, Кембридж) и др., Nature, DOI: 10.1038 / s41586-020-2974-5
Друзья, если вам понравился наш обзор, просим отметить его лайком. Репост в любую социальную сеть безмерно осчастливит автора. Спасибо, что читаете канал. До новых встреч!
