Когда тетраподы (четвероногие позвоночные) начали перемещаться из воды на сушу примерно 390 миллионов лет назад, это привело к появлению ящериц, птиц, млекопитающих и всех наземных животных, которые существуют сегодня, включая людей и некоторых водных позвоночных, таких как киты и дельфины.

Самые ранние тетраподы произошли от своих предков-рыб в девонский период и более чем в два раза старше самых древних ископаемых динозавров. Они напоминали помесь гигантской саламандры и крокодила и были около 1-2 метров длиной, имели жабры, перепончатые лапы и хвостовые плавники и все еще были сильно привязаны к воде. Их короткие руки и ноги имели до восьми пальцев на каждой руке и ноге, и они, вероятно, были хищниками из засады, скрывающимися на мелководье в ожидании добычи, чтобы приблизиться.

Ученые знают, как плавники рыб превращались в конечности четвероногих, но остаются споры о том, где и как самые ранние четвероногие использовали свои конечности. И хотя было выдвинуто много гипотез, очень немногие исследования строго проверили их, используя ископаемую летопись.

В статье, опубликованной 22 января в журнале Science Advances, международная группа исследователей изучила трехмерные цифровые модели костей, суставов и мышц плавников и конечностей двух вымерших ранних четвероногих и близкородственной ископаемой рыбы, чтобы показать, как изменилась функция передней конечности по мере эволюции плавников в конечности. Исследование проводилось под руководством Джулии Молнар, доцента Нью-Йоркского технологического колледжа остеопатической медицины, и Стефани Пирс, Томас Д. Кэбот, адъюнкт-профессор организмической и эволюционной биологии Гарвардского университета, обнаружил три отчетливых функциональных этапа перехода от плавников к конечностям, и что эти ранние четвероногие имели очень четкий рисунок мышечного рычага, который не был похож на рыбий плавник или современные конечности четвероногих.

Чтобы восстановить, как функционировали конечности самых ранних известных четвероногих, Молнару, Пирсу и соавторам Джону Хатчинсону (Королевский ветеринарный колледж), Руи Диого (Университет Говарда) и Дженнифер Клак (Кембриджский университет) сначала нужно было выяснить, какие мышцы присутствовали у ископаемых животных. Это сложная задача, поскольку мышцы не сохранились в окаменелостях, а мышцы современных плавников рыб полностью отличаются от мышц конечностей четвероногих. Команда потратила несколько лет, пытаясь ответить на вопрос, как именно несколько простых мышц плавника превратились в десятки мышц, выполняющих всевозможные функции в конечности четвероногого?

"Определение того, какие мышцы присутствовали в окаменелости возрастом 360 миллионов лет, заняло много лет работы только для того, чтобы добраться до точки, где мы могли бы начать строить очень сложные модели опорно-двигательного аппарата",-сказал Пирс. "Нам нужно было знать, сколько мышц присутствует у ископаемых животных и где они прикреплены к костям, чтобы мы могли проверить, как они функционируют".

Они построили трехмерные модели опорно-двигательного аппарата грудного плавника эустеноптерона (рыбы, тесно связанной с тетраподами, жившими в позднем девоне около 385 миллионов лет назад) и передних конечностей двух ранних тетраподов-акантостеги (возраст 365 миллионов лет, живших в конце позднего девона) и педерпеса (возраст 348-347 миллионов лет, живших в раннем каменноугольном периоде). Для сравнения они также построили аналогичные модели грудных плавников живых рыб (целакант, двоякодышащие рыбы) и передних конечностей живых четвероногих (саламандра, ящерица).

Чтобы определить, как работают плавники и конечности, исследователи использовали вычислительное программное обеспечение, первоначально разработанное для изучения локомоции человека. Эта техника была недавно использована для изучения локомоции у предков людей, а также динозавров, таких как тираннозавр рекс, но никогда у таких древних животных, как ранние тетраподы.

Манипулируя моделями в программном обеспечении, команда смогла измерить две функциональные характеристики: максимальный диапазон движения сустава и способность мышц двигать суставы плавников или конечностей. Эти два измерения выявили бы компромиссы в опорно-двигательной системе и позволили бы исследователям проверить гипотезы о функциях вымерших животных.

Команда обнаружила, что передние конечности всех наземных четвероногих прошли через три отчетливые функциональные стадии: стадию "бентической рыбы", которая напоминала современную двоякодышащую рыбу, стадию "раннего четвероногого", не похожую ни на одно вымершее животное, и стадию "корончатого четвероногого" с характеристиками как ящериц, так и саламандр.

- Плавник эустеноптерона имел рисунок, напоминающий форму двоякодышащей рыбы, которая является одним из ближайших живых родственников четвероногих, - сказал Пирс. - Но конечности ранних четвероногих имели больше сходства друг с другом, чем у рыб или современных четвероногих."

-Это, пожалуй, самое удивительное, - сказал Мольнар. - Я полагал, что Педерпес и, возможно, Акантостега вполне могут оказаться в пределах досягаемости современных тетрапод. Но они образовали свое собственное отдельное скопление, которое не было похоже на современную конечность тетрапода или рыбий плавник. Они не были прямо посередине, но имели свою собственную коллекцию характеристик, которые, вероятно, отражали их уникальное окружение и поведение."

Результаты показали, что ранние конечности четвероногих были более приспособлены к движению, а не к весу. В воде животные используют свои конечности для движения вперед или назад, позволяя воде поддерживать вес их тела. Движение по суше, однако, требует от животного действия против силы тяжести и толчка вниз конечностями, чтобы поддержать массу тела.

Это не означает, что ранние тетраподы были неспособны передвигаться по суше, скорее они двигались не так, как современные живые тетраподы. Их способ передвижения, вероятно, был уникален для этих животных, которые все еще были очень привязаны к воде, но также рисковали выйти на сушу, где было много возможностей для позвоночных животных, но мало конкуренции или страха перед хищниками.

"Эти результаты являются захватывающими, поскольку они независимо поддерживают исследование, которое я опубликовал в прошлом году, используя совершенно разные ископаемые и методы", - сказал Пирс. "Это исследование, которое было сосредоточено на верхней кости руки, показало, что ранние тетраподы имели некоторую способность к перемещению по земле, но они, возможно, не были очень хороши в этом."

Исследователи приблизились к реконструкции эволюции наземной локомоции, но требуется больше работы. Затем они планируют смоделировать заднюю конечность, чтобы исследовать, как все четыре конечности работали вместе. Было высказано предположение, что ранние тетраподы использовали свои передние конечности для движения, но современные тетраподы получают большую часть своей двигательной силы от задней конечности.

"Мы планируем искать любые доказательства перехода от локомоции, управляемой передними конечностями, к локомоции, управляемой задними конечностями, как современные тетраподы", - сказал Мольнар. Глядя на переднюю и заднюю конечности вместе, можно было бы узнать больше о переходе от воды к суше и о том, как тетраподы в конечном итоге стали доминировать в земном царстве.

ИСТОЧНИК