Палеонтологи из Гарвардского университета реконструировали дыхательную систему рептилий, обитавших на Земле 300 млн лет назад. Оказалось, что превращение амфибий в рептилий сопровождалось радикальной перестройкой механики вдоха от глотательных движений к использованию ребер. Результаты работы опубликованы в журнале eLife.
Сегодняшние амфибии нагнетают воздух в легкие движениями дна ротовой полости, т. е. работают как живой насос. Рептилии пошли другим путем, у них межреберные мышцы расширяют грудную клетку и создают отрицательное давление, засасывающее воздух внутрь. Переходные формы пользовались обоими способами, это подтверждают окаменелости капториноморфов, ранних амниот из пермского периода. Их ребра оказались длиннее и подвижнее амфибийных, но все еще короче, чем у поздних рептилий.
Исследователи применили компьютерную томографию для сканирования ископаемых скелетов из музейных коллекций США и Германии. Цифровые модели помогли рассчитать объем грудной клетки при различных положениях ребер и понять биомеханику древнего дыхания. Анализ мест крепления мускулатуры показал: межреберные мышцы у капториноморфов развились слабее, чем у современных ящериц. Строение позвонков указало на гибкость корпуса, а ведь это необходимое условие для буккального (глоточного) типа дыхания.
Переход к реберному механизму дал рептилиям серьезное преимущество. Объем вдыхаемого воздуха вырос, а ротовая полость освободилась для других задач — захвата добычи и терморегуляции через открытую пасть. Капториноморфы достигали 40 см в длину и населяли засушливые области суперконтинента Пангея, где эффективное дыхание становилось вопросом выживания.
Внутреннее устройство легких у этих существ оказалось сложнее амфибийного — больше складок и перегородок повышали эффективность газообмена. Эволюция дыхательной системы растянулась примерно на 50 млн лет и завершилась к концу пермского периода, когда рептилии окончательно освоили сушу. Находки демонстрируют, как постепенные анатомические изменения приводили к качественному скачку в физиологии, как зависимость от водоемов исчезла и существа перешли к полноценной наземной жизни.
Компьютерная томография позволяет изучать окаменелости без физического вмешательства, а цифровые модели дают возможность буквально «двигать» ребра в виртуальном пространстве и замерять объем грудной клетки при разных положениях костей. Сами окаменелости при этом не трогают, что особенно важно для редких музейных экземпляров из коллекций США и Германии, которые использовались в работе.
Интересно, что параллельное исследование, опубликованное в Scientific Reports, предложило неожиданное объяснение тому, почему ребра вообще начали двигаться. Согласно этой гипотезе, реберная механика сначала развилась не для дыхания, а для ходьбы. Когда ранние рептилии передвигались, их туловище изгибалось из стороны в сторону и ребра вращались вокруг позвонков точно так же, как при вдохе и выдохе. То есть дыхательный механизм мог быть побочным эффектом локомоции, который эволюция затем подхватила и развила в самостоятельную систему.
Ранее мы писали о том, что слухи о смерти старейшей черепахи в мире оказались сильно преувеличены.