Более 200 миллионов лет назад предки современных лягушек лишились зубов на нижней челюсти. Как сумчатая лягушка Гюнтера вернула их?
Сумчатая лягушка Гюнтера с длинными конечностями и выразительными рогами над глазами - странное животное-амфибия из туманных облачных лесов на склонах Анд. Как и другие сумчатые лягушки, этот вид, известный как Gastrotheca guentheri, не производит свободно плавающих головастиков, а выращивает детенышей под лоскутом кожи на спине.
Но у него есть еще одна загадочная черта: он обладает полным набором зубов.
У лягушек есть зубы? На самом деле, да: у большинства лягушек их небольшое количество находится на верхней челюсти. Но практически у всех 7000 видов живых лягушек отсутствуют зубы вдоль нижней челюсти, за исключением G. guentheri.
Из-за отсутствия исследования многие вопросы остались невыясненными, в том числе один очень простой: как выглядит челюсть этой чудаковатой лягушки?
К сожалению, этот вид не был замечен с 1996 года - и даже до этого редко обнаруживался или изучался. В музейных коллекциях очень мало образцов животных - во всем мире может существовать менее 30 экземпляров. В результате реальных изображений самих зубов не существовало.
Дэниел Палух, герпетолог, доктор наук в Университете Флориды, хотел восполнить этот пробел в знаниях. Вместе с коллегами из Музея естественной истории Флориды он использовал сканер микро-компьютерной томографии, чтобы заглянуть в черепа шести экземпляров G. guentheri, которые десятилетиями хранились в спирте.
Изображения и анализ, опубликованные 10 ноября в журнале Evolution, дают первое глубокое представление о челюстях и зубах этого вида.
Зубы потеряны, зубы восстановлены
Исследование также помогает разрешить другие вопросы. Около 230 миллионов лет назад предки современных лягушек навсегда лишились зубов на нижней челюсти. Так почему же у сумчатой лягушки Гюнтера есть зубы и как они возникли?
Для начала Палух и его коллеги показали, что эти зубы действительно настоящие и образованы костной тканью, называемой дентином, и заключены в эмаль, опровергая предположения о том, что эти структуры, возможно, были «псевдозубами». Исследователи также обнаружили, что эти зубы, полученные из Музея естественной истории Канзасского университета, очень напоминают зубы на верхней челюсти других сумчатых лягушек, что делает их более вероятными.
Эти открытия предоставляют соблазнительные доказательства, опровергающие вековую эволюционную теорию, известную как закон необратимости Долло. Теория, придуманная палеонтологом Луи Долло, утверждает, что, если какая-то особенность теряется в группе организмов, она исчезает навсегда. Считается, что организм не может заново развить то, что утратил его предок, например, как люди не заново развили хвосты.
Хотя логика теории кажется здравой, биологи-эволюционисты вытащили дыры в законе Долло на примерах, начиная от ящериц, перестраивающих откладывание яиц, до насекомых-палочников, теряющих, а затем вновь обретающих крылья.
Но повторная эволюция зубов у G. guentheri может быть еще самым маловероятным случаем. В 2011 году биолог-эволюционист Джон Винс реконструировал эволюционные отношения между 170 различными видами лягушек, чтобы создать временную шкалу между тем, когда лягушки потеряли свои нижние зубы 230 миллионов лет назад, и когда у G. guentheri снова появились зубы. Он обнаружил, что зубы не были восстановлены примерно 20 миллионов лет назад - это «беспрецедентный» промежуток времени между потерей признака и его повторной эволюцией.
Винс, который в настоящее время работает в Университете Аризоны и не участвовал в недавнем исследовании, считает, что у G. guentheri было одно преимущество, когда дело дошло до реэволюции зубов - у него все еще была функциональная сеть генов, создающих зубы вдоль верхних отделов зубов. челюсть.
«Не то чтобы им приходилось заново развивать зубы с нуля», - говорит Винс. «Вопрос лишь в том, чтобы поместить их в то место, где они не были 200 миллионов лет».
Этот процесс, вероятно, был бы невозможен у других прыгающих амфибий, таких как жабы, которые совершенно беззубые. Джон Абрамян, биолог из Мичиганского университета в Дирборне, который также не принимал участия в исследовании, недавно исследовал гены, кодирующие эмаль у жаб, которые полностью потеряли свои зубы около 60 миллионов лет назад. Он обнаружил, что гены по существу выродились в псевдогены за миллионы лет.
«Эти гены, по сути, безработные» и нефункциональные, - говорит Абрамян. «[Но] поскольку у большинства лягушек все еще остаются зубы на верхней челюсти, у них теоретически есть все инструменты, чтобы сделать функциональный зуб, так что это меньший эволюционный скачок».
Эволюционная загадка
Тем не менее, это не говорит нам, почему и как этот вид восстановил свои нижние зубы, хотя диета определенно играет роль, говорит Палух. В качестве основного орудия, которое животные используют для того, чтобы кусать и пережевывать пищу, зубы часто формируются в зависимости от того, что находится в меню. Палух считает, что пристрастие большинства лягушек к мелким насекомым и использование липких языков, чтобы поймать добычу, сделали зубы менее важными для некоторых видов. Однако G. guentheri обладает здоровым аппетитом, который включает добычу размером с ящерицу и других лягушек. При охоте на крупную дичь может быть полезно иметь нижние зубы, чтобы обезопасить извивающуюся добычу.
Но если зубы эволюционировали заново, чтобы помочь сумчатой лягушке Гюнтера поглощать более крупную добычу, почему зубы не эволюционировали заново у других плотоядных лягушек? У некоторых лягушек, таких как громоздкие южноамериканские лягушки Pacman, на нижней челюсти есть зазубренные клыки, чтобы обезопасить добычу. Но эти клыки - псевдозубы - костные продолжения нижней челюсти, лишенные дентина и эмали.
По словам Алексы Сэдье, биолога-эволюциониста из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, некоторые ответы могут скрываться в эмбрионах древесной лягушки. Хотя она в основном изучает эволюцию зубов летучей мыши, недавно она рассмотрела несколько случаев, когда утраченные черты оставались на ранних стадиях развития существа. Она считает, что сравнение развития G. guentheri с эмбрионами других видов лягушек может помочь понять, как и когда гены включают или выключают формирование зубов.
Она ожидает, что, если исследователи все же просканируют эмбрионы, они обнаружат больше свидетельств того, что зубы исчезают во время развития, а также сопутствующие генетические связи.
Палух также надеется провести некоторую генетическую работу с лягушкой, но свежие эмбрионы не подходят - живой экземпляр G. guentheri не был замечен в дикой природе с 1996 года, даже во влажных вулканических предгорьях Эквадора Котакачи Каяпас. Резерв, где они когда-то процветали. Хотя о них мало что известно, их число сократилось, поскольку сельское хозяйство и лесозаготовки опустошают облачные леса Эквадора и Колумбии. Некоторые опасаются, что этот вид уже вымер.
Однако внезапное повторное открытие предполагаемой вымершей лягушки не является чем-то беспрецедентным. Например, в 2018 году исследователи обнаружили рогатую сумчатую лягушку (Gastrotheca cornuta) после того, как не смогли обнаружить ее в течение 13 лет в тех же тропических лесах Эквадора, где когда-то наблюдалась G. guentheri.
Палух надеется, что сумчатая лягушка Гюнтера также появится снова - не в последнюю очередь потому, что живые образцы этой амфибии будут иметь решающее значение для изучения их зубов и решения этой эволюционной загадки.