Одной из наиболее интересных тем в эволюции позвоночных животных является переход плавниковых рыб на четырехлапых тетраподов.
Этот переход повлек за собой изменения во многих аспектах биологии наших предков рыб, включая их дыхание, удаление отходов и функционирование скелетной системы.
Эволюция конечностей, которая в конечном итоге привела к появлению рук и ног, была предпосылкой для покорения земли тетраподами и способности развивать удивительное многообразие форм тела и средств передвижения, наблюдаемое как у вымерших позвоночных, так и у современных животных.
Учитывая ключевую роль этого перехода на сушу, основное внимание уделялось анатомическим преобразованиям не только в палеонтологических исследованиях, но и в исследованиях эволюционной биологии развития и взаимосвязи между анатомическими структурами и их функциями.
Их результаты позволят глубже понять развитие и эволюцию наших четырехногих предшественников.
Хотя в понимании эволюционного перехода от рыбы к тетраподу было достигнуто немало успехов, ключевой фрагмент головоломки остается невыясненным - каким образом росли первые тетраподы?
Процесс, посредством которого организм развивается от оплодотворенной яйцеклетки до взрослой формы (известной как онтогенез), раскрывает подробности эволюции и биологии вида, которые невозможно получить, изучая взрослых особей в одиночку.
Ряд ископаемых, отражающих развитие тетраподов от личинок до взрослых особей в более позднем возрасте, предоставили богатые данные о развитии.
Однако онтогенетическое развитие самых ранних тетрапод плохо изучено, поскольку такая информация редко встречается в ископаемых окаменелостях, и не выявлены молодые и подростковые стадии.
Acanthostega , один из самых ранних тетрапод, жил около 365 миллионов лет назад в девонский период.
Синхротронная микротомография - неразрушающий метод получения трехмерных структурных представлений микроструктуры ископаемой кости - была использована для изучения длинной верхней кости переднего плечевого сустава у Acanthostega.
Кость - это динамичная ткань, и изучение ее микроструктуры может выявить уникальную информацию о физиологии, росте и истории жизни позвоночных, поскольку внутренние структуры дают представление о том, как быстро животное росло, сколько ему было лет и когда его рост прекратился.
Ученые исследовали образцы Acanthostega из ископаемого сырья, в результате чего установи все они погибли вместе, вероятно, во время засухи после катастрофического наводнения.
У тетраподов плечевая кость первоначально формируется как хрящевой материал, а затем откладывается в процессе, известном как окостенение.
Удивительно, но данные визуализации показывают, что все исследованные образцы все еще находились в стадии роста и половой зрелости.
Еще более удивительно, что Acanthostega, казалось бы, достиг почти своего окончательного размера, сохранив хрящевую плечевую кость в детстве, которое длилось несколько лет (когда окончательный размер был пости достигнут, микроструктура кости показала, что рост существенно замедлился).
Напротив, оссификация костей конечностей у современных тетрапод начинается гораздо раньше, чем у Acanthostega или у их предшественников рыб.
Вывод о том, что Acanthostega вырос почти до окончательного размера и все еще имела хрящевую плечевую кость, подтверждает гипотезу о том, что первые тетраподы вели преимущественно, если не исключительно, водный образ жизни, поскольку хрящевая плечевая кость, вероятно, была бы неспособна нести большой вес.
Это указывает на то, что конечности первоначально служили для других целей на суше, кроме передвижений.
Однако наиболее убедительные результаты заключаются в четкой разнице между размером и степенью оссификации: некоторые особи достигли такой же степени оссификации в длинных костях при гораздо меньшем размере тела, чем другие.
Считается, что пластичность развития, способность организма гибко реагировать на различные внешние сигналы на протяжении всей жизни, играет важную роль в эволюции.
Исследования ископаемых и современных земноводных выявили сложную и увлекательную связь между пластичностью развития и реакцией индивидуумов на динамику популяции и экологические факторы, включая конкуренцию между молодыми особями, продолжительность периода роста, климатические факторы и хищничество.
В своем исследовании ученые выделили два класса размеров, хотя небольшой размер выборки ограничивает интерпретацию возможных факторов пластичности.
Вероятнее, было больше классов размеров, которые могут быть выявлены при наличии дополнительных выборок.
Разделение размеров и степени оссификации у Acanthostega на длительную подростковую стадию может указывать на то, что пластичность развития и, возможно, альтернативные жизненно-исторические стратегии уже присутствовали у самых ранних тетраподах.
Высокая степень пластичности развития могла бы обеспечить нашим ранним предкам средства для реагирования на изменение внутренних и экологических условий и тем самым сыграть центральную роль в первоначальном успехе эволюции и последующей диверсификации тетрапод.
