Исследование показывает, как таз человека изменился для прямохождения

Фото из открытых источников

Миллионы лет назад наши предки-приматы спустились с деревьев и сделали шаги к новой жизни на двух ногах. Прямохождение потребовало каскада анатомических изменений, включая радикальную перестройку подвздошной кости – расширяющейся, крыловидной кости, самой крупной в тазовой кости. Теперь исследование, опубликованное в журнале Nature, проливает свет на то, как произошла эта трансформация и какие силы её обусловили, делая подвздошную кость одной из самых необычных костей в человеческом скелете.

«Очень волнительно видеть публикацию этого исследования», — говорит Кэрол Уорд, палеоантрополог из Университета Миссури, не участвовавшая в исследовании. Переход к двуногому хождению стал ключевым эволюционным шагом для гоминин, подготовившим почву для изменений в рационе питания и более интенсивного использования орудий. «Это делает кости таза, на мой взгляд, одними из самых важных в истории эволюции человека», — говорит она.

У большинства приматов подвздошные кости представляют собой пару высоких и узких костей, расположенных по бокам позвоночника и плотно прилегающих к спине. У человека подвздошные кости значительно короче и шире, охватывая тело сбоку над тазобедренным суставом. Такая форма обеспечивает точки крепления ягодичных мышц, обеспечивающих равновесие и устойчивость тела при ходьбе. Это также означает, что подвздошные кости образуют неглубокую впадину в нижней части туловища, удерживая внутренние органы, а во время беременности – вес развивающегося плода.

Чтобы понять происхождение этой уникальной формы, Теренс Капеллини, биолог-эволюционист из Гарвардского университета, и его коллеги проанализировали развитие костей у человеческих эмбрионов и плодов. Эти останки, переданные медицинской науке женщинами, официально прервавшими беременность, «являются редким и ценным образцом», говорит Капеллини.

Для сравнения они также изучали эмбрионы и плоды нечеловекообразных приматов, таких как гиббоны и шимпанзе. Их ещё сложнее найти из-за строгих правил проведения исследований, поэтому Гаяни Сеневиратне из Гарварда, ведущий автор исследования, связалась с музеями по всему миру, чтобы найти подходящие образцы тканей, хранившиеся десятилетия назад, до того, как такие ограничения вступили в силу. «Некоторым образцам было 150 лет», — говорит она.

Изучая образцы под микроскопом, а в образцах, полученных от человека, измеряя активность генов, связанных с ростом костей, команда смогла проследить уникальную закономерность роста человека. В подвздошной кости как у людей, так и у нечеловекообразных приматов, поворотный момент наступает примерно на седьмой неделе развития, до того, как подвздошная кость превратится в кость, и пока она ещё находится в хрящевой форме. В хряще появляется зона роста, и у нечеловекообразных приматов эта зона ориентирована параллельно развивающемуся позвоночнику, помогая подвздошной кости расти высокой. У людей, однако, зона роста поворачивается, становясь перпендикулярной позвоночнику, позволяя подвздошной кости расти в ширину и формировать таз в форме чаши. «Это действительно странно», — говорит Капеллини. «Такого поворота не наблюдалось в других частях человеческого скелета или в других частях скелета приматов в целом».

Он и его коллеги предполагают, что это изменение произошло между 5 и 8 миллионами лет назад, незадолго до появления древнейшего гоминина с хорошей ископаемой летописью, Ardipithecus ramidus, жившего около 4,4 миллиона лет назад. Этот гоминин обладал адаптациями как к лазанию по деревьям, так и к прямохождению, а также имел короткие и широкие подвздошные кости.

Капеллини полагает, что переориентация роста таза также могла сделать родовой канал немного шире. Эта возможность противоречит давнему мнению, что форма таза гомининов является результатом эволюционного компромисса, известного как акушерская дилемма. Короче говоря, изменения, необходимые для поддержания прямохождения, привели к более узкому родовому каналу, что сделало рождение детей с большой головой рискованным; с этой точки зрения, форма таза гомининов представляет собой компромисс между потребностями ходьбы и потребностями родов. Однако, если Капеллини прав, изменения, необходимые для прямохождения, на самом деле облегчили прохождение детей с немного большей головой. «Это спекулятивно, но изменения таза могли приспособиться к более позднему увеличению размера мозга», - говорит он.

К восьмой неделе развития подвздошные кости человека начинают окостенеть, то есть превращаться в кость. Но в отличие от большей части остального человеческого скелета и костей других приматов, подвздошные кости человека окостеневают только на поверхности. Внутренняя часть остается мягкой и хрящевой даже на 24 неделе развития. Капеллини говорит, что это помогает подвздошным костям человека продолжать корректировать свою форму на протяжении всего развития плода, пока они не станут оптимальной для суровых условий двуногой ходьбы. Позднее окостенение, возможно, возникло около 2 миллионов лет назад, когда более поздние предки, такие как Homo erectus , стали искусными в ходьбе и беге на двух ногах, что отдавало приоритет подвздошным костям, имеющим форму, обеспечивающую максимальную устойчивость и поддержку.

По словам Капеллини, эти два изменения делают подвздошную кость необычной среди человеческих костей. «Она растёт в другом направлении, чем все остальные кости, а затем затвердевает таким образом, что это противоречит нашим представлениям о человеческом теле».

Кимберли Купер, генетик из Калифорнийского университета в Сан-Диего, добавляет, что исследование показывает, как сложное взаимодействие десятков генов трансформировало таз, необходимый для ходьбы, и как много нам ещё предстоит узнать. «Невероятно сложные изменения должны были произойти, чтобы изменить форму человеческого таза, — говорит она, — и прекрасно, что мы до сих пор не до конца понимаем этот процесс».