Как изменилась функция передних конечностей при переходе позвоночных на сушу?

Переход тетрапод (четвероногих позвоночных) от воды к суше примерно 390 миллионов лет назад положил начало эволюции ящериц, птиц, млекопитающих и всех наземных животных, включая человека.

Учёные знают, как плавники рыб превратились в конечности тетрапод, но остаются споры о том, как именно ранние тетраподы использовали свои конечности. В исследовании, опубликованном 22 января в Science Advances, международная команда под руководством Джулии Молнар (Нью-Йоркский институт технологий) и Стефани Пирс (Гарвардский университет) изучила эту проблему.

Метод: цифровое моделирование мышц и суставов

Исследователи построили трёхмерные цифровые модели костей, суставов и мышц для:

• Плавника рыбы Eusthenopteron (~385 млн лет, поздний девон).
• Передних конечностей двух ранних тетрапод: Acanthostega (365 млн лет) и Pederpes (348–347 млн лет, ранний карбон).
• Для сравнения — модели плавников современных рыб (целакант, двоякодышащая) и конечностей современных тетрапод (саламандра, ящерица).

Используя программное обеспечение для анализа движения, команда измерила два функциональных параметра: максимальный диапазон движений в суставах и способность мышц двигать эти суставы.

Результат: три уникальных этапа эволюции

Анализ показал, что конечности всех наземных тетрапод прошли через три функциональных этапа:

1. Этап «донной рыбы»: плавник Eusthenopteron напоминал плавник современной двоякодышащей рыбы.
2. Этап «ранних тетрапод»: конечности Acanthostega и Pederpes образовали отдельную группу, не похожую ни на рыбьи плавники, ни на конечности современных тетрапод.
3. Этап «коронных тетрапод»: конечности приобрели характеристики, свойственные современным ящерицам и саламандрам.

«Это было, пожалуй, самым удивительным. Они сформировали свой собственный отдельный кластер... который, вероятно, отражал их уникальную среду и поведение», — сказала Джулия Молнар.

Вывод: конечности для движения в воде, а не для опоры на суше

Результаты показали, что конечности ранних тетрапод были больше приспособлены для пропульсии (создания движущей силы), а не для несения веса.

• В воде конечности использовались, чтобы отталкиваться и двигаться, в то время как вода поддерживала вес тела.
• На суше необходимо отталкиваться вниз, чтобы преодолеть силу тяжести и поддерживать массу тела.

Это не означает, что ранние тетраподы не могли двигаться по суше, но их способ передвижения, вероятно, был уникальным. Они были всё ещё тесно связаны с водой, но начали осваивать сушу.

«Эти результаты подтверждают наше более раннее исследование... которое показало, что ранние тетраподы имели некоторую способность к движению по суше, но, возможно, не были в этом очень хороши», — отметила Стефани Пирс.

Следующие шаги

Чтобы полнее реконструировать эволюцию наземной локомоции, учёные планируют смоделировать задние конечности и изучить, как все четыре конечности работали вместе. Это может показать, когда произошёл переход от движения, в основном driven передними конечностями (как предполагается для ранних тетрапод), к движению, driven задними конечностями (как у современных тетрапод).