Сравнивая биомеханику двух современных животных, кошки и ящерицы, и компьютерную томографию окаменелостей синапсидов, исследователи опровергли традиционное представление о том, что постепенное накопление различных областей (или независимых участков) позвоночника само по себе является причиной его развивающейся сложности. Новые данные свидетельствуют о том, что области (например, грудная клетка и нижняя часть спины) развивались задолго до появления новых функций позвоночника, таких как сгибание и скручивание.
Исследование указывает на идею о том, что правильное избирательное давление или поведение животных в сочетании с существующими физическими регионами сыграли значительную роль в эволюции их уникальных функций.
Выводы Стефани Пирс, доцента кафедры органической и эволюционной биологии и куратора палеонтологии позвоночных в Гарварде, и докторанта Катрины Джонс затрагивают более широкий вопрос о том, как млекопитающие, включая человека, эволюционировали на протяжении миллионов лет.
У современных млекопитающих, например, развились сегментированные области позвоночника, которые принимают ряд разнообразных форм и функций, не затрагивая другие области позвоночника. Это позволило животным адаптироваться к разному образу жизни, объяснил Джонс.
В предыдущем исследовании авторы показали, что у вымерших наземных животных, предшествовавших млекопитающим, эти небольшие, но отличные друг от друга регионы образовались в процессе эволюции.
«В 2018 году мы смогли показать, что, хотя все позвонки выглядели очень похожими у предков ранних млекопитающих, у них были тонкие различия, и эти тонкие различия создавали различные области развития», – сказал Пирс. «В этом новом исследовании мы показываем, что эти отдельные регионы были действительно важны, поскольку они предоставили сырье, которое способствовало функциональной дифференциации. По сути, если у вас нет этих отдельных областей развития и у вас есть избирательное давление, все позвонки будут адаптироваться одинаково."
Долгое время считалось, что развитие различных областей позвоночника является одним из важных шагов в развитии позвоночника с множеством функций, но Пирс и Джонс показывают, что этого недостаточно.
Также требовался эволюционный триггер, в данном случае эволюция высокоактивного образа жизни, который предъявлял новые требования к позвоночнику.
Джонс сказал: «Мы пытаемся решить фундаментальный вопрос эволюции: как относительно простая структура превращается в сложную, которая может делать много разных вещей??
Это обусловлено ограничениями развития или естественным отбором, связанными с поведением животного??"
Исследователи сравнили шипы двух животных, по существу, находящихся на противоположных концах эволюционного и анатомического спектра: кошки с высокоразвитыми областями позвоночника и ящерицы с довольно однородным позвоночником. Они изучили, как позвоночные суставы каждого животного изгибаются в разных направлениях, чтобы измерить, как форма позвонков отражает их функцию. Они определили, что, хотя некоторые области позвоночника могут функционировать по-разному от одного к другому, другие – нет; например, позвоночник ящерицы состоял из нескольких отдельных областей, но все они действовали одинаково.
Исследователи, в том числе Кеннет Ангиелчик из Полевого музея естественной истории, затем сосредоточили свое внимание на выяснении того, когда разные регионы начали выполнять разные функции в эволюции млекопитающих. Они взяли данные кошек и ящериц, которые показали, что если два сустава позвоночника выглядят по-разному, то они, как правило, выполняют разные функции. Таким образом, они составили карту, как функция позвоночника у этих окаменелостей изменилась с течением времени.
«Самые ранние предки млекопитающих имеют удивительно хорошую летопись окаменелостей, учитывая, что эти животные жили примерно от 320 до 250 миллионов лет назад», – сказал Ангельчик.
Исследователи обнаружили, что, несмотря на наличие областей развития, способных выполнять разные функции, уровень функциональных вариаций, наблюдаемый у млекопитающих сегодня, не начал сохраняться до поздней стадии эволюции синапсидов.
«Затем мы выдвинули гипотезу, что, возможно, это была эволюция некоторых новых форм поведения млекопитающих, которая помогла запустить это [в этих поздних синапсидах] и обеспечила естественный отбор, который мог использовать регионы, которые уже были там», – сказал Джонс.
Их выводы согласуются с наблюдениями о том, что группа, в которой встречается это функциональное разнообразие, – цинодонты, которые непосредственно предшествовали млекопитающим, – обладают рядом особенностей млекопитающих, в том числе свидетельствами того, что они могут дышать как млекопитающие.
Исследователи полагают, что эти похожие на млекопитающих особенности сместили дыхательную функцию с позвоночника и ребер на недавно сформировавшуюся мышцу диафрагмы, освободив позвоночник от древних биомеханических ограничений. Это позволило позвоночнику адаптироваться к новым интересным привычкам, таким как уход за шерстью, и взять на себя новые функции.
Следующий шаг Пирса и Джонса – выяснить, как эти функции выглядели у этих вымерших животных.