В журнале Science Advances международная группа исследователей изучила трехмерные цифровые модели костей, суставов и мышц плавников и конечностей двух вымерших ранних четвероногих и близкородственных ископаемых рыб, чтобы выяснить, как функционировала передняя конечность, что изменилось когда плавники превратились в конечности.
Когда четвероногие позвоночные животные 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 четвероногие произошли от своих предков-рыб в девонский период и были более чем в два раза старше самых старых окаменелостей динозавров. Они напоминали помесь гигантской саламандры и крокодила, были около 1-2 метров в длину, имели жабры, перепончатые лапы и хвостовые плавники и все еще были сильно привязаны к воде. Их короткие руки и ноги имели до восьми пальцев, и они, вероятно, были хищниками, которые прятались на мелководье, ожидая, когда жертва приблизится.
Ученые знают, как плавники рыб превращались в конечности четвероногих, но остаются споры о том, где и как первые четвероногие использовали свои конечности. И хотя было много гипотез, очень немногие исследования тщательно проверяли их с использованием окаменелостей.
Исследование выявило три различных функциональных этапа перехода от плавников к конечностям, и что у этих ранних четвероногих был очень отчетливый образец мышечных рычагов, который не был похож на плавники рыбы или конечности современных четвероногих.
Чтобы реконструировать, как функционировали конечности самых ранних известных четвероногих, сначала нужно было выяснить, какие мышцы присутствовали в ископаемых животных. Сложная задача, поскольку они не сохранились в окаменелостях, а мышцы плавников современных 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 четвероногих?
«Определение того, какие мышцы присутствовали в ископаемых возрастом 360 млн лет потребовалось много лет работы, чтобы добраться до точки, где мы могли бы начать строить очень сложные модели опорно-двигательного аппарата. Нам нужно было знать, сколько мышц было у ископаемых животных и где они прикреплялись к костям, чтобы мы могли проверить, как они функционировали»
Стефани Пирс, доцент кафедры органической и эволюционной биологии Гарвардского университета
Они построили трехмерные костно-мышечной модели грудного плавника Eusthenopteron (рыбы тесно связаны с тетраподами, которые жили в позднем девонском периоде около 385 миллионов лет назад) и передние конечности двух ранних тетрапод Acanthostega (365 миллионов лет, живущих в конце позднего девона) и педерпесов (348-347 миллионов лет, примитивное четвероногое «земноводное» животное начала раннекаменноугольной эпохи). Для сравнения они также построили аналогичные модели грудных плавников живых рыб (латимерии и двоякодышащих) и передних конечностей современных четвероногих (саламандры и ящерицы).
Чтобы определить, как работают плавники и конечности, исследователи использовали компьютерное программное обеспечение, изначально разработанное для изучения передвижения человека. Этот метод недавно использовался для изучения передвижения у предков людей, а также динозавров, но никогда не использовалось у таких древних животных, как ранние четвероногие.
Управляя моделями в программном обеспечении, команда смогла измерить две функциональные характеристики: максимальный диапазон движений сустава и способность мышц двигать суставами плавников и конечностей.
Команда обнаружила, что передние конечности всех наземных четвероногих прошли три различных функциональных этапа: стадию донных рыб, напоминающую современных двоякодышащих рыб, стадию ранних четвероногих, а также стадию коронных четвероногих с характеристиками саламандр и ящериц.
Результаты показали, что конечности ранних четвероногих были более приспособлены к движению, чем к нагрузке. В воде животные используют свои конечности для движения вперед или назад, позволяя воде поддерживать вес их тела. Однако передвижение по суше требует, чтобы животное действовало против силы тяжести и толкалось вниз конечностями, чтобы поддержать массу своего тела.
Это не означает, что первые четвероногие были неспособны передвигаться по суше, скорее, они не двигались, как современные четвероногие. Их средства передвижения, вероятно, были уникальными для этих животных, которые все еще были очень привязаны к воде, но также выходили на сушу, где было много возможностей для позвоночных животных, но мало конкуренции или страха со стороны хищников.
Читать также:
Спутник Сатурна Титан удивительно похож на Землю. Какие у человечества на него планы?
Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят.
Треть переболевших COVID-19 возвращаются в больницу. Каждый восьмой умирает.
Большое количество серых китов начали голодать и умирать в Тихом океане.