Когда четвероногие позвоночные (или на латыни, тетраподы) начали выходить из воды на сушу приблизительно 390 миллионов лет назад, они в итоге породили земноводных, птиц, млекопитающих и вообще всех наземных теплокровных, которые существуют сейчас, включая людей и некоторых водных позвоночных, таких как киты и дельфины.
Ранние четвероногие произошли от своих предков-рыб в девонском периоде, и они в два раза старше, чем древнейшие окаменелости динозавров. Они напоминали помесь гигантской саламандры и крокодила, были 1-2 метра в длину, имели жабры, перепонки на лапах, а также хвостовые плавники и всё ещё были сильно привязаны к воде. Их короткие руки и ноги имели до 8 пальцев на каждой ладони и стопе. Скорее всего, они охотились из засады, поджидая свою добычу на мелководье.
Учёные знают, как плавники рыб превратились в конечности тетрапод, но есть некоторые споры насчёт того, где и как ранние четвероногие использовали свои конечности. И хотя было предложено множество гипотез, очень мало исследований тщательно проверяло их по записям об окаменелостях.
В статье, опубликованной 22 января в журнале Science Advances международная команда исследователей изучила трёхмерные цифровые модели костей, суставов и мускулов плавников и конечностей двух вымерших ранних четвероногих и близкородственных окаменелостей рыб, чтобы выяснить, как функция передней конечности изменилась по мере эволюции плавников в лапы. Исследование вели Джулия Молнар, доцент факультета остеопатической медицины Нью-йоркского технологического института и Стефани Пирс, профессор программы Томаса Д. Кэбота в области эволюционной биологии и биологии организмов Гарвардского университета. Они открыли три отдельных функциональных стадии перехода от плавников к конечностям, а также тот факт, что эти ранние четвероногие имели отличительный характер распределения и прикрепления мускулов, который не похож ни на рыбий плавник, ни на конечности современных четвероногих.
Для реконструкции работы конечностей самых ранних известных тетрапод Молнар, Пирс и их соавторам Джону Хатчинсону (Королевский ветеринарный колледж), Руи Диого (Говардский университет) и Дженнифер Клэк (Кембриджский университет) сперва нужно было выяснить, какие мышцы были у окаменевших животных. Проблема в том, что мышцы в окаменелостях не сохраняются, а мышцы современных рыб полностью отличаются от мышц конечностей тетрапод. Команда потратила несколько лет в попытках ответить на вопрос, как именно несколько простых мышц плавника стали десятками мышц, которые выполняют разнообразные функции в конечностях четвероногих.
«Определение того, какие мышцы были у окаменелости возрастом в 360 миллионов лет заняло несколько лет работы. И это лишь привело нас к точке, с которой мы могли начать построение очень сложных мускульно-скелетных моделей, — сказала Пирс. — Нам нужно было знать, сколько мышц имелось у окаменевших животных, и где они прикреплялись к костям, чтобы протестировать, как они функционировали».
Они построили трёхмерные мускульно-скелетные модели грудного плавника Eusthenopteron (вид рыб, близкий родственников тетрапод, который жил в позднем девонском периоде около 385 миллионов лет назад) и передних конечностей двух ранних тетрапод: акантостеги (365 миллионов лет, жили ближе к концу позднего девонского периода) и педерпеса (348-347 миллионов лет, жили во время раннего мелового периода).Для сравнения они также построили похожие модели грудных плавников ныне живущих рыб (латимерий и двоякодышащих) и передних конечностей ныне живущих четвероногих (саламандр и ящериц).
Чтобы определить, как работали плавники и лапы, исследователи использовали вычислительные программы, изначально разработанные для изучения механизмов движения человека. Недавно этот метод использовали для изучения движения предков человека, а также для динозавров, таких как T. rex, но никогда не применяли для чего-то такого старого, как ранние четвероногие.
Управляя моделями, команде удалось измерить две важных черты: максимальный диапазон движения сустава и способность мышц двигать плавник или суставы конечности. Эти два измерения помогут понять компромиссы, которые привели к развитию опорно-двигательного аппарата и позволят протестировать гипотезы о функционировании его у вымерших животных.
Команда обнаружила, что передние конечности всех наземных четвероногих прошли через три отличительные функциональные стадии: стадия донной рыбы, наподобие современных двоякодышащих; стадия раннего четвероногого, не похожая ни на одно вымершее животное, и стадия амниот с характеристиками, присущими ящерицам и саламандрам.
«Плавник Eusthenopteron имел распределение мышц, напоминающее двоякодышащих рыб, которые являются ближайшими ныне живущими родственниками тетраподов, — сказала Пирс. — Но конечности ранних тетраподов показали больше сходств друг с другом, чем с рыбами или современными четвероногими».
«Это, наверное, оказалось самым удивительным, — сказала Молнар. — Я думала, что педерпес и, наверное, арахностега окажутся более-менее в диапазоне современных тетрапод. Но они образовали свой отличительный кластер, который не похож ни на конечность современных тетрапод, ни на рыбий плавник. Они не были строго посередине, а имели свой собственный набор характеристик, видимо, отражающий их уникальную среду обитания и поведение».
Результаты показали, что конечности ранних тетрапод были больше приспособлены к толканию, чем к выдерживанию веса. В воде животные использовали конечности для передвижения вперёд или назад, позволяя воде поддерживать вес их тела. Передвижение по земле, однако, требует от животного преодолевать гравитацию и отталкиваться конечностями от земли, чтобы поддерживать вес своего тела.
Это не означает, что ранние четвероногие не были способны передвигаться по земле. Скорее, они двигались не так, как современные четвероногие. Их способ передвижения был, видимо, уникален для этих животных, которые всё ещё были сильно привязаны к воде, но также отправлялись на сушу, где было много возможностей для позвоночных и мало конкуренции и угроз хищников.
«Эти результаты восхитительны тем, что они независимо подтверждают исследование, которое я опубликовала в прошлом году на совершенно других окаменелостях и методах, — сказала Пирс. — То исследование, которое фокусировалось на костях плеча, показало, что, хотя ранние тетраподы и могли как-то передвигаться по суше, они вряд ли делали это хорошо».
Теперь исследователи подошли ближе к реконструкции наземного передвижения, но нужно больше работы. Сейчас они планируют смоделировать заднюю конечность, чтобы определить, как все четыре конечности работали вместе. Была версия, что ранние тетраподы использовали свои передние лапы для толкания вперёд, но современные четвероногие получают большую часть двигательной мощности от задних конечностей.
«Мы планируем искать любые свидетельства перехода от такого “переднеприводного” передвижения к “заднеприводному”, характерному для современных четвероногих», — сказала Молнар. Рассмотрение передних и задних конечностей вместе может открыть больше информации о переходе из воды на сушу, и о том, как четвероногие со временем стали доминировать на земле.
_______________
Исследование — https://advances.sciencemag.org/content/7/4/eabd7457
Перевод Антон Меньшенин, редактор Марлен Тальберг.
Если хотите поддержать наш проект, сделать это можно по ссылке.
_______________