Как и когда менялся позвоночник в эволюции млекопитающих

Новое исследование Гарвардского университета и Филдовского музея естественной истории проливает свет на то, как и когда происходили изменения позвоночника в эволюции млекопитающих. Работа показывает, как сочетание изменений в развитии и адаптационного давления на позвоночники синапсид — вымерших предшественников млекопитающих — заложило основу для разнообразия позвоночных столбов у современных млекопитающих.

Сравнив биомеханику двух современных животных (кошки и ящерицы) и данные КТ-сканирования окаменелостей синапсид, исследователи опровергли традиционное представление о том, что постепенное накопление различных регионов (независимых отделов) позвоночника само по себе объясняет его эволюционную сложность. Новые данные свидетельствуют, что регионы (например, грудной и поясничный) сформировались задолго до появления новых функций позвоночника, таких как сгибание и скручивание. Исследование указывает на то, что правильное давление естественного отбора или поведение животных в сочетании с уже существующими физическими отделами сыграли значительную роль в эволюции их уникальных функций.

Ключевая роль «сырого материала»

Современные млекопитающие развили компартментализированные отделы позвоночника, которые принимают разнообразные формы и функции, не влияя на другие его части. Это позволило животным адаптироваться к разным образам жизни.

В более ранней работе (2018 г.) авторы показали, что у вымерших предшественников млекопитающих в ходе эволюции сформировались небольшие, но отчётливые отделы. Как пояснила Стефани Пирс, хотя позвонки ранних предков млекопитающих выглядели очень похожими, их тонкие различия создавали отдельные зоны развития. Новое исследование демонстрирует, что эти зоны были критически важны, так как предоставили «сырой материал», который облегчил функциональную дифференциацию. Без этих отдельных зон развития и при наличии давления отбора все позвонки адаптировались бы одинаково.

Эволюционный триггер: высокая активность

Долгое время считалось, что развитие различных отделов позвоночника — важный шаг к эволюции многофункционального позвоночника. Однако Пирс и её коллега Катрина Джонс показывают, что этого недостаточно. Потребовался эволюционный триггер — в данном случае переход к высокоактивному образу жизни, который предъявил новые требования к позвоночнику.

Исследователи сравнили позвоночники кошки (с высокоразвитыми отделами) и ящерицы (с довольно однородным позвоночником). Они изучили, как суставы позвоночника каждого животного сгибаются в разных направлениях, чтобы определить, как форма позвонков отражает их функцию. Оказалось, что у ящерицы позвоночник состоит из нескольких отчётливых отделов, но все они функционируют одинаково.

Когда функции разделились?

Затем учёные, включая Кеннета Энджелчика из Филдовского музея, выясняли, когда разные отделы начали выполнять разные функции в эволюции млекопитающих. Используя данные по кошке и ящерице (показавшие, что если два сустава позвоночника выглядят по-разному, то они, как правило, имеют разные функции), они проследили, как менялась функция позвоночника у ископаемых синапсид с течением времени.

Несмотря на наличие зон развития, способных выполнять разные функции, уровень функционального разнообразия, наблюдаемый у современных млекопитающих, начал закрепляться лишь на поздних этапах эволюции синапсид.

Роль млекопитающих черт

Это совпадает с наблюдениями, что в группе, где возникает это функциональное разнообразие — у цинодонтов, непосредственно предшествовавших млекопитающим, — появляется ряд черт млекопитающих. В частности, есть свидетельства, что они могли дышать как млекопитающие. Исследователи полагают, что эти черты сместили функцию дыхания с позвоночника и рёбер на новообразованную диафрагму, освободив позвоночник от древнего биомеханического ограничения. Это позволило ему адаптироваться к новому поведению (например, уходу за шерстью) и обрести новые функции.

Следующий шаг для Пирс и Джонс — выяснить, как именно выглядели эти функции у вымерших животных.

Исследование опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution.