Предки млекопитающих двигались уникальным образом
Позвоночник — это «швейцарский армейский нож» локомоции млекопитающих. Его разнообразные функции позволяют современным млекопитающим иметь замечательное разнообразие движений: бегать, плавать, лазать и летать. Это стало возможным, в частности, благодаря масштабной реорганизации позвоночного столба, происходившей в течение примерно 320 миллионов лет эволюции.
Согласно давней гипотезе, представленной в учебниках анатомии, эволюция позвоночника млекопитающих, уникально приспособленного для сагиттальных (вверх-вниз) движений, произошла от позвоночника, функционировавшего подобно позвоночнику современных рептилий, которые двигаются латерально (из стороны в сторону). Эта гипотеза «перехода от латерального к сагиттальному» была основана исключительно на поверхностном сходстве немлекопитающих синапсид (вымерших предшественников млекопитающих) и современных ящериц.
В статье, опубликованной 2 марта в Current Biology, группа исследователей под руководством Гарвардского университета оспаривает эту гипотезу. Учёные измерили форму позвонков у широкой выборки современных и вымерших амниот (рептилий, млекопитающих и их вымерших родственников). Используя передовые методы, они оценили влияние эволюционных изменений формы на функцию позвоночного столба и показали, что немлекопитающие синапсиды двигали позвоночником уникальным образом, отличным от любого современного животного.
Команда под руководством первого автора Катрины Э. Джонс, бывшего постдокторанта Департамента организменной и эволюционной биологии Гарвардского университета, обнаружила, что хотя степень сагиттального изгиба действительно возрастала в ходе эволюции млекопитающих, позвоночники самых ранних синапсид были оптимизированы для жёсткости. Эволюционный переход к млекопитающим не включал стадию, характеризующуюся рептилообразным латеральным изгибом. Вместо этого учёные выяснили, что современные ящерицы и другие рептилии обладают уникальной морфологией и функцией позвоночника, которые не представляют собой предковую локомоцию. Самые ранние предки млекопитающих не двигались как ящерицы, как предполагалось ранее.
«Долгое время считалось, что в эволюции млекопитающих был прямой переход от латерального к сагиттальному изгибу. Это представление слишком упрощено, — сказала старший автор Стефани Пирс. — Ящерицы и млекопитающие разошлись миллионы лет назад, и каждая группа прошла свой собственный эволюционный путь. Мы показываем, что современные ящерицы не представляют никакой предковой морфологии или функции, которая была бы общей для этих двух групп так давно».
Соавтор Кен Энджелчик согласился: «Рептилии эволюционировали так же долго, как и млекопитающие, и за это время у них накопилось не меньше изменений и специализаций. Если вы посмотрите на позвонки современной ящерицы или крокодила, они на самом деле сильно отличаются от позвонков ранних предков млекопитающих и рептилий, живших примерно 300 миллионов лет назад. И современные млекопитающие, и рептилии накопили свои собственные наборы специализаций за эволюционное время».
Джонс и её коллеги начали с измерения формы позвонков у ряда рептилий, млекопитающих, саламандр и некоторых ископаемых немлекопитающих синапсид. Образцы были взяты из музейных коллекций по всему миру. Затем исследователи изучили, как позвонки могли функционировать, используя данные предыдущей работы, которая сравнивала форму позвонков со степенью их подвижности у современных ящериц и млекопитающих, что обеспечило важную связь между формой и функцией.
«Наш подход к анализу данных интересен тем, что он может показать, как разные формы позвоночника приводят к разным функциональным компромиссам», — сказала Пирс. Например, рептилии очень хорошо латерально изгибаются, но не могут двигать позвоночником вверх-вниз, как млекопитающие. «Мы исследовали не только латеральный и сагиттальный изгиб, но и другие функции позвоночника, а затем определили оптимальную комбинацию компромиссов для млекопитающих, рептилий и немлекопитающих синапсидов».
«Мы смогли показать, что немлекопитающие синапсиды имеют иную комбинацию функций позвоночника по сравнению как с современными рептилиями, так и с млекопитающими, — сказала Джонс. — В ходе этой эволюции они не просто переходили от рептилообразного латерального к млекопитающему сагиттальному изгибу. Они фактически шли по совершенно особому пути, эволюционируя из отдельного состояния».
Результаты показывают, что позвоночники немлекопитающих синапсид были довольно жёсткими и совершенно непохожими на позвоночники ящериц, которые очень податливы в латеральном направлении. Более того, в ходе эволюции млекопитающих к этой жёсткой предковой основе добавились новые функции, включая сагиттальный изгиб в задней части спины и скручивание спереди. Добавление этих новых функций было ключевым для формирования функционально разнообразного позвоночника млекопитающих, позволившего современным млекопитающим очень быстро бегать и вращать позвоночником, чтобы ухаживать за шерстью.
«Тщательно анализируя палеонтологическую летопись, мы можем отвергнуть упрощённую гипотезу «от латерального к сагиттальному» в пользу гораздо более сложной и интересной истории эволюции, — сказала Пирс. — Теперь мы раскрываем эволюционный путь к формированию уникального позвоночника млекопитающих».
Исследователи сейчас используют трёхмерное моделирование позвонков, чтобы понять, как двигались предки млекопитающих. «Мы проверяем результаты наших предыдущих исследований с помощью трёхмерных моделей, созданных с помощью САПР. Пока что это работает довольно хорошо и, кажется, подтверждает то, что мы обнаружили в этой статье», — сказала Джонс.