Быстрая эволюция: Устойчивые высокие темпы эволюции объясняют, как тетраподы произошли от рыб
Один из главных вопросов эволюции — когда и как впервые появились основные группы животных. Возникновение тетрапод (всех четвероногих позвоночных) из их рыбоподобных родственников — одно из важнейших эволюционных событий в истории жизни. Этот переход «от рыбы к тетраподу» произошёл между средним и поздним девоном (~400–360 млн лет назад) и ознаменовал начало крупного экологического сдвига, когда позвоночные впервые вышли на сушу. Однако фундаментальные вопросы о динамике этого перехода десятилетиями оставались без ответа.
В исследовании, опубликованном 23 августа в Nature Ecology and Evolution, учёные из Гарварда установили дату происхождения первых тетрапод и обнаружили, что они приобрели несколько ключевых новых адаптивных признаков, позволивших позвоночным жить на суше, с ускоренными темпами эволюции.
Исследование под руководством доктора Тиаго Р. Симойнша, постдока, и старшего автора профессора Стефани Э. Пирс из Департамента организмной и эволюционной биологии Гарвардского университета, применило недавно разработанные статистические методы (байесовский эволюционный анализ) для точной оценки времени и темпов анатомической эволюции в период возникновения тетрапод. Байесовский метод был адаптирован из методов, изначально созданных в эпидемиологии для изучения эволюции вирусов вроде COVID-19, и лишь недавно стал инструментом в палеонтологии.
Исследование также новаторски сочетает данные об ископаемых следах и окаменелостях тела, чтобы определить время появления тетрапод. «Обычно следы появляются в летописи позже окаменелостей тех, кто их оставил. В данном случае у нас есть следы тетрапод, которые на несколько миллионов лет старше первых окаменелостей их тел, что крайне необычно. Объединив данные о следах и окаменелостях, мы смогли точнее определить возраст появления тетрапод», — сказала Пирс.
«Мы смогли установить очень точный возраст происхождения тетрапод — примерно 390 млн лет назад, что на 15 млн лет старше древнейшей окаменелости тела тетрапода», — сказал Симойнш.
Исследователи также обнаружили, что у большинства близких родственников тетрапод темпы анатомической эволюции были исключительно медленными, что говорит о хорошей адаптации рыбьих родственников тетрапод к водному образу жизни.
«С другой стороны, мы обнаружили, что эволюционные линии, ведущие к первым тетраподам, отошли от этой стабильной модели, приобретя несколько основных новых адаптивных признаков с невероятно высокой скоростью, которая сохранялась примерно 30 млн лет», — сказал Симойнш.
Симойнш и Пирс также применили молекулярные подходы, чтобы изучить, как быстро эволюционировали разные части плана тела ранних тетрапод — череп, челюсти и конечности — и силу естественного отбора, действовавшего на каждую из них. Они обнаружили, что все части скелета тетрапод находились под сильным направленным отбором на развитие новых адаптивных черт, но череп и челюсти эволюционировали быстрее, чем остальное тело, включая конечности.
«Это говорит о том, что изменения черепа играли более важную роль на начальных этапах перехода от рыбы к тетраподу, чем изменения в остальном скелете. Эволюция конечностей для жизни на суше была важна, но в основном на более позднем этапе, когда тетраподы стали более наземными», — сказала Пирс.
«Мы видим несколько анатомических новшеств в их черепе, связанных с питанием и добычей пищи, что позволило перейти от рыбного способа захвата добычи путём всасывания к тетраподному укусу, а также увеличение и изменение положения глазниц», — сказал Симойнш. «Эти изменения подготовили тетрапод к поиску пищи на суше и освоению новых пищевых ресурсов, недоступных их рыбным родственникам».
Исследователи также выяснили, что высокие темпы анатомической эволюции у линии тетрапод не были связаны с быстрыми темпами видообразования. Фактически, видов было очень мало, настолько мало, что вероятность их сохранения в палеонтологической летописи была крайне низкой.
Этот результат помогает разрешить продолжающиеся дебаты в эволюционной биологии о том, возникали ли новые крупные группы животных в условиях высоких темпов анатомических изменений и видообразования (классическая гипотеза), или же сначала были высокие темпы анатомической эволюции, а увеличение темпов видообразования произошло лишь спустя миллионы лет (новая гипотеза).
«То, что мы обнаруживаем последние пару лет, — это множество анатомических изменений в ходе формирования новых планов строения тела животных за короткие геологические периоды, что порождает высокие темпы анатомической эволюции, как мы видим у первых тетрапод. Но с точки зрения количества видов они оставались ограниченными и в очень малом числе в течение долгого времени, и лишь спустя десятки миллионов лет они действительно диверсифицируются и увеличиваются в числе. Здесь определённо есть рассогласование», — сказал Симойнш.
Пирс согласилась: «Требуется время, чтобы закрепиться в новой нише и полностью воспользоваться её преимуществами».
«Наше исследование — самое начало этой эволюционной истории. Впереди ещё много, много глав», — сказала Пирс. «Далее мы хотим глубже изучить, что произошло после возникновения тетрапод, когда они начали осваивать сушу и диверсифицироваться в новые ниши. Как это повлияло на темпы их анатомической эволюции по сравнению с видообразованием по всей планете? Это только самое начало. Это вводная глава книги».