Как плавники превратились в конечности: математика раскрыла эволюционный путь

Около 400 миллионов лет назад позвоночные начали выбираться из моря на сушу. Исследование, опубликованное 8 мая в Science Advances, с помощью инновационного метода математического анализа — анализа анатомических сетей (AnNA) — объяснило ключевой этап этой трансформации: как плавники рыб превратились в специализированные конечности тетраподов (наземных позвоночных).

Ключевое открытие: упрощение и модульность

Анализ окаменелостей с помощью AnNA (метода, основанного на теории графов и анализирующего связи между объектами — в данном случае, костями) показал чёткую закономерность:

• В процессе эволюции от рыб к тетраподам структура конечностей стала проще и модульнее.
• Кости в плавниках имеют множество взаимосвязей в разных направлениях.
• Кости в конечностях тетраподов соединяются преимущественно "цепочкой": одна кость связана с предыдущей и последующей (как в пальцах).

Эволюционное преимущество

Это упрощение костных связей не означало упрощения функций. Напротив, модульность (разделение на условные "плечо", "предплечье", "кисть" и "пальцы") позволила развить специализацию. Один и тот же модуль (пальцы) эволюционировал в противопоставленный большой палец человека или в длинные кости крыла летучей мыши.

По словам Стефани Пирс, соавтора исследования из Гарвардского музея сравнительной зоологии (MCZ), такая анатомическая гибкость была критически важна для освоения новой наземной среды: «То, как устроена структура, вероятно, позволило тетраподам, выйдя из воды на сушу, адаптироваться ко всем новым наземным нишам».

Следующий шаг: от структуры к движению

Текущие исследования команды направлены на понимание того, как эти изменения повлияли на способность ходить. Учёные создают компьютерные модели перехода от рыб к тетраподам, чтобы изучить изменения в скелете и мышцах. «Скелет упростился, но мускулатура стала гораздо сложнее, чтобы справляться с силами гравитации», — поясняет Пирс.

Международная коллаборация

Исследование стало примером современной международной научной коллаборации. Работа была поддержана программой Horizon 2020 ЕС (стипендия Марии Склодовской-Кюри для ведущего автора Борхи Эстеве-Альтавы), а в команду вошли учёные из США, Великобритании, Испании и Новой Зеландии.