Ученые объяснили, как челюсти управляли эволюцией рыб

Фото из открытых источников

Рыбы были первыми животными, у которых эволюционировали челюсти. Они используют их в первую очередь для еды, но также и для защиты, в качестве инструментов, например, для рытья нор или разгрызания твёрдой пищи, и даже для родительской заботы: некоторые рыбы вынашивают икру или мальков во рту. Челюсти – это признак, который, по мнению учёных, способствовал эволюции позвоночных, включая нас. 

Исследование Мичиганского университета показало, что ныне редкая группа рыб, называемая лопастеперыми, переживала взрывной рост разнообразия примерно 359–423 миллиона лет назад. Эта группа была особенно разнообразной и включала множество видов с быстро эволюционирующими челюстями и новыми способами питания. В отличие от этого, другая крупная группа рыб того времени, лучепёрые, имела челюсти, которые эволюционировали гораздо медленнее. 

Это удивительно, ведь в какой-то момент, несколько миллионов лет спустя, их эволюция застопорилась. Самым известным из этих «живых ископаемых», вероятно, является латимерия, когда-то считавшаяся вымершей, но обнаруженная в глубинах океана в 1938 году одной из самых известных женщин-ученых, Марджори Кортни-Латимер. Сегодня учеными известны всего восемь видов лопастепёрых рыб. Для сравнения, лучепёрые рыбы насчитывают около 33 000 видов, включая практически всех известных рыб, от золотых рыбок до окуней и морских коньков. 

Исследование, проведенное под руководством научного сотрудника Мичиганского университета Эмили Тройер, опубликовано в журнале Current Biology. 

Тройер отметила, что исследование подчёркивает важность изучения древних ископаемых для получения новой информации о процессе эволюции. Они не ожидали увидеть такую разницу в эволюционном потенциале между лопастепёрыми и лучепёрыми рыбами — нечто, что не было бы известно без ископаемых останков силурийских и девонских рыб.

«Когда изучаешь эволюцию, можно очень многому научиться, изучая прошлое», — сказала Тройер. «Без палеонтологической летописи мы бы не имели представления об этой обратной смене ролей».

Хотя учёные давно подозревали о роли челюстей в эволюции позвоночных, исследований, сравнивающих эволюцию челюстей у ранних рыб, было мало. Авторы исследования изучили 3D-модели, полученные с помощью компьютерной томографии, 86 различных видов рыб силурийского и девонского периодов, начиная примерно с 443 миллионов лет назад, ещё до появления деревьев. Они обнаружили, что лопастеперые рыбы, в частности двоякодышащие рыбы и латимерия, демонстрировали самые быстрые темпы изменений и наиболее выраженные инновации в форме и функциях челюстей. 

«Это действительно поразительный результат, прежде всего потому, что двоякодышащие рыбы и латимерии представлены сегодня всего восемью видами, при этом разнообразие их челюстей невелико. Однако, если мы заглянем примерно на 400 миллионов лет назад, мы увидим эту поразительную инверсию. В девонский период мы видим гораздо больше видов и гораздо больше инноваций в их челюстях», — сказала Тройер. 

Чтобы это определить, исследовательская группа создала цифровую карту каждой 3D-модели, чтобы изучить как форму челюсти, так и ее функцию, определив механическое преимущество челюсти или то, какую силу рыба могла приложить при укусе.

«По сути, чем выше механическое преимущество челюсти, тем сильнее сила укуса», — сказала Тройер. 

Исследовательская группа обнаружила, что форма челюстей двоякодышащих рыб действительно претерпела изменения в раннем девонском периоде. Их челюсти стали большими и толстыми, с мощными мышцами. Это, вероятно, дало им возможность питаться добычей с твёрдым панцирем, такой как ранние моллюски и ракообразные. 

«Благодаря своим огромным челюстям они могли есть очень твёрдую пищу», — сказала Тройер. «Мы полагаем, что эти новые стратегии питания могли быть причиной изменения формы челюстей, и некоторые из этих важных нововведений связаны с особенностями экосистемы, существовавшей в тот период».

Соавтор исследования Рафаэль Риверо-Вега собрал данные компьютерной томографии и посетил музеи, чтобы создать дополнительные 3D-сканы практически всех доступных полных окаменелостей челюстей лопастеперых рыб для своей диссертации. Затем он картировал важные характеристики челюстей, чтобы проверить «адаптивную радиацию», или быструю диверсификацию животных под воздействием изменений окружающей среды.

Риверо-Вега был поражен открытием исследования о том, что каждая группа рыб переживает «уникальный эволюционный момент в своем древнем прошлом».

«У некоторых рыб челюсти быстро изменялись по форме и размеру, но впоследствии оставались практически неизменными, заняв специализированную нишу. У других были схожие характеристики, но более широкий спектр форм и размеров, а третьи имели схожую форму, но не менялись до тех пор, пока не перешли на сушу», — сказал он. «Это отличный пример того, как разные группы рыб могут в своём темпе осваивать инновации в форме, облике и функциях, при условии, что они подвергаются соответствующему эволюционному давлению. И всё это произошло за сотни миллионов лет до появления динозавров. Рыбы — это нечто потрясающее».