У бурых медведей есть древняя тайна, скрытая в их жемчужно-белой шерсти
Медведи выглядят как классические млекопитающие, но в их эволюционной истории скрываются два радикальных отклонения от стандартной схемы роста и адаптации. Впервые учёные выяснили, когда и как древние медведи нарушали правила и вторгались в природу по необходимости.
Учёные из Баварского государственного собрания естественной истории (SNSB) исследовали пасти медведей в разные эпохи и обнаружили нечто поистине необычное для млекопитающих. Древние медведи не просто обзавелись новыми зубами – они переписали один из основных правил роста коренных зубов млекопитающих. Более того, они дважды меняли этот механизм в ответ на значительные изменения в рационе питания, вызванные климатическими изменениями. И эти изменения до сих пор наблюдаются у всех современных видов медведей.
Зубная система является одной из самых недооцененных «супердержав» в биологии - то, что у нас во рту, может рассказать нам так много об эволюции, экологии, поведении, диете и даже климате. Именно по этой причине, а также потому, что они такие прочные, зубы были названы черным ящиком природы. У млекопитающих большинство видов млекопитающих следуют предсказуемой схеме, когда развиваются моляры. Когда каждый зуб формируется, он высвобождает химические сигналы, которые частично подавляют рост следующего, создавая аккуратно организованный градиент вдоль челюсти. Эта «модель ингибирующего каскада» (ICM) достаточно надежна, чтобы плотоядных, травоядных и всеядных можно было предсказуемо сгруппировать при сравнении их зубов. Например, у плотоядных млекопитающих первый моляр обычно больше третьего, в то время как у травоядных все наоборот.
Однако медведи не вписываются в эту концепцию. Их средний (второй) коренной зуб непропорционально велик, и всё семейство всегда находилось в противоречии с законами природы. В этом новом исследовании учёные изучили челюсти медведей на протяжении всей истории, от древних окаменелостей возрастом не менее 13 миллионов лет, относящихся к миоцену, до современных видов, чтобы выяснить, почему эти млекопитающие нарушили эволюционные законы в два разных периода истории, которые также были периодами экстремальных экологических потрясений.
Первое крупное нарушение правил произошло около 3,6 миллионов лет назад у Ursus minimus, позднеплиоценового медведя — и общего предка большинства современных видов — чей увеличенный средний коренной зуб ознаменовал большой сдвиг в развитии по сравнению с его предшественником Ursus boeckhi. Оба вида охватывают период климатических потрясений в раннем и позднем плиоцене, на территории современной Европы, где в то время развивалась эта часть генеалогического древа медведей. Среда обитания сместилась с теплых, влажных субтропических лесов на более прохладные, сухие ландшафты, где преобладают лесные массивы и появляющиеся луга. Мелкие позвоночные, лазающие млекопитающие, птицы и рептилии, которые составляли большую часть рациона U. boeckhi, стали менее многочисленными, а крупные травоядные млекопитающие, которые обосновались на этих новых открытых ареалах, были слишком велики для охоты этих относительно небольших медведей. Однако растительная пища, корни, луковицы, семена, орехи и беспозвоночные, такие как личинки жуков, стали более доступными. Это привело к значительному переходу медведей к более всеядному рациону питания, что потребовало иного набора биологических инструментов.
Эволюция обеспечила это, поскольку у медведей снизилось количество молекулярных ингибирующих сигналов, продуцируемых первым моляром (m1). Это означало, что второй моляр (m2) мог свободно расти до необычайно больших размеров – и больше, чем позволяют стандартные правила развития моляров. Исследователи называют эту новую конфигурацию «частичным ингибирующим каскадом», поскольку общая схема по-прежнему соответствует общему направлению роста моляров внутренней клеточной массы (ВКМ) других млекопитающих, но вся система смещена вверх благодаря этому увеличенному среднему зубу. Таким образом, U. minimus появился с увеличенным m2, что ознаменовало собой существенный прорыв в правилах развития млекопитающих.
Затем, примерно от 1,25 до 0,7 миллиона лет назад, во время раннего и среднего плейстоценового перехода, произошёл второй прорыв, когда по всей Европе распространились луга, а климат похолодал. В этот период предки доисторических пещерных медведей (Ursus spelaeus), Ursus deningeri, стали всё более травоядными. И снова программа роста моляров претерпела изменения, на этот раз за счёт снижения ингибирующих сигналов от m2, что привело к увеличению размера третьего моляра (m3), что повысило его перетирающую способность и позволило перерабатывать больше растительной пищи.
«По всей видимости, баланс химических соединений, ингибирующих или активирующих рост различных коренных зубов, в эти периоды менялся, — сказала Аннеке ван Хетерен, ответственная за коллекцию млекопитающих в SNSB. — Эти изменения, вероятно, связаны с адаптацией медведей к питанию в ходе их эволюции. На пути от плотоядности к всеядности или травоядности медведи адаптировались к изменившемуся спектру питания, но не следовали модели внутриклеточного цистернального питания (ICM). Их спектр по-прежнему варьируется от чистых плотоядности до чистых травоядности, причём большинство современных медведей являются всеядными».
Действительно, миллион лет спустя современные медведи всё ещё несут в себе эти древние модификации. Бурые медведи (Ursus arctos) и чёрные медведи (Ursus americanus) имеют увеличенные вторые моляры, что связано с плиоценовой всеядностью. Белые медведи (Ursus maritimus), несмотря на то, что являются чрезвычайно плотоядными, также имеют тот же самый строй, хотя он больше не нужен им для перетирания растений. Даже большие панды (Ailuropoda melanoleuca) сохраняют базовую структуру, хотя их путь сильно отклонился — у них укреплённые челюсти и выступающие премоляры, а не увеличенные моляры, чтобы справляться с перебиранием бамбука.
Хотя это может показаться нормальной эволюционной реакцией на меняющийся мир, внутриклеточная матрица зубов (ВКМ) — это строго контролируемое правило развития, которое управляет ростом моляров у большей части млекопитающих. Однако медведи нашли способы обойти эти ограничения дважды, взломав саму программу, что до сих пор заметно по пастям их потомков.
Исследователи также отмечают южноамериканского очкового медведя (Tremarctos ornatus) как вид, не совсем соответствующий этой истории. Он обладает характерным рисунком с большой m2, унаследованным от древних медведей-нарушителей правил, но поскольку ни один из его вымерших короткомордых родственников не был представлен в наборе ископаемых остатков, использованном в этом исследовании, учёные до сих пор не знают, как эволюционировало это необычное расположение зубов.
«Необходимо провести дополнительные исследования Arctotheriini, чтобы определить, произошел ли аналогичный сдвиг у одного из предков T. ornatus», — отметили они.
Научная статья об этом опубликована в журнале Boreas.