Первые животные, у которых появилась шея, едва могли двигать головой

Фото из открытых источников

У ранних четвероногих животных была шея, но новые исследования показывают, что большинство из них едва могли двигать головой, что удивило многих ученых. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.

Наличие шеи кажется довольно полезным. Она позволяет нам осматриваться, поворачиваться в сторону источника звука или поднимать голову, не двигая остальной частью тела. Поэтому легко представить, что первые животные, у которых развилась шея, обладали теми же преимуществами.

Однако новое исследование указывает на нечто удивительное. Хотя у самых ранних четвероногих животных были шеи, большинство из них едва могли двигать головой. Их головы отделились от плеч, но они едва могли повернуть, поднять или скрутить их.

Полученные результаты ставят под сомнение давнее предположение о том, почему шея впервые появилась, когда животные начали переселяться из воды на сушу.

Исследование возглавила Дана Корнейзель, ранее работавшая в Карлтонском университете в Канаде, а теперь в Уппсальском университете в Швеции. Ее команда исследовала, как могли функционировать позвоночники древних животных, используя измерения, полученные от живых рыб, для оценки движений шеи у шести вымерших видов.

У рыб плечевые кости напрямую соединяются с черепом. Это означает, что голова, как правило, движется вместе с телом. По мере того, как ранние позвоночные эволюционировали в сторону четвероногих форм, их черепа отделились от плечевых суставов, образовав короткую шею.

Ископаемые останки таких животных, как Tiktaalik и Acanthostega, свидетельствуют об этом важном изменении. Ученые предполагали, что появление шеи позволило этим животным двигать головой независимо друг от друга, что помогло им адаптироваться к жизни на суше. Однако никто напрямую не проверял, насколько гибкими были эти ранние шеи.

Сложность заключалась в необычной структуре их позвоночника. Вместо подвижных суставов между костными позвонками у этих животных был длинный стержень из мягкой ткани, называемый хордой, окруженный дугами из кости или хряща. Ни у одного из ныне живущих четвероногих животных нет абсолютно одинакового расположения конечностей.

Для исследования ученые обратились к озерному осетру — рыбе, которая сохраняет свою хорду на протяжении всей взрослой жизни. Хотя осетры не являются близкими родственниками ранних четвероногих, структура их позвоночника позволяет провести полезное сравнение.

Исследовательская группа изучила 10 мертвых озерных осетров, каждому из которых было приблизительно по одному году, из научно-исследовательского центра аквакультуры в Онтарио. Они удалили участки позвоночника длиной примерно от 38 до 43 сантиметров и проверили, насколько легко они могут сгибаться или скручиваться.

Результаты выявили нечто неожиданное. Сама по себе хорда оказалась чрезвычайно гибкой. Но когда в состав позвоночника вошли окружающие дуги и соединительные ткани, он стал значительно жестче. Затем исследователи применили эти измерения к окаменелостям, учитывая различия в размере, форме и предполагаемой силе мышц.

«Если вы можете измерить размер и форму как объекта исследования, так и той части животного, подвижность которой вы хотите смоделировать, то все сводится к тому, чтобы разделить количество осетров на количество ископаемых», — говорит Корнейзель.

Расчеты показали, что наличие шеи не обязательно означает способность двигать головой. Эустеноптерон, рыба, череп которой оставался соединен с плечами, теоретически мог бы согнуть свой позвоночник примерно на 8,5 градусов вбок и на 3 градуса вверх, если бы эта область была свободна для движения.

Несмотря на то, что у Тиктаалика были отдельные голова и плечи, его потенциальная подвижность была еще меньше: приблизительно 5,5 градусов вбок и 2,25 градуса вверх.

Три более поздних вида — Acanthostega, Greererpeton и Trimerorhachis — были ещё более жёсткими. Ни один из них не мог согнуть шею более чем на 3 градуса вбок или на 1,5 градуса вверх. Для сравнения, минутная стрелка обычных часов перемещается на 6 градусов каждую минуту.

Результаты удивили даже исследователей.

«Даже во время вскрытия осетров и работы с их позвоночником, который во многом похож на позвоночник ранних четвероногих, я чувствовал, что ткани не были слишком жесткими», — говорит Корнейзель. «Таким образом, после проведенных расчетов, отсутствие значительной подвижности головы почти у всех этих животных стало огромным сюрпризом».

Форма позвоночника играла важную роль. Высокие, узкие структуры препятствовали боковому изгибу, в то время как более длинная шея, как правило, обеспечивала большую свободу движений.

Одно животное, Whatcheeria, особенно выделялось. Длина его шеи составляла почти 20 сантиметров, что позволяло ему изгибаться вбок примерно на 32 градуса и подниматься вверх на 12 градусов.

Поворот головы представлял собой еще большую трудность.

Поскольку исследователям не удалось точно воссоздать мышцы шеи животных, они рассчитали силу, необходимую для поворота головы всего на 5 градусов.

Для Тиктаалика расчетный крутящий момент составил приблизительно 200 ньютон-метров. Для других видов требуемое значение составляло примерно от от 314 до 746 ньютон-метров. Эти значительные силы позволяют предположить, что осмысленное вращение головы было бы крайне затруднительным.

«Поднятие головы у этих животных было не больше, чем можно было бы ожидать у рыб, а иногда даже меньше. Мы обнаружили, что тот вид поворота головы, который мы можем совершать, когда трясем головой, невозможен ни у одного из этих животных», — объясняет Корнейзель.

Если в ранние периоды развития шея обладала ограниченной подвижностью, то для чего она тогда была нужна? Исследователи считают, что ответ кроется в плечах и передних конечностях.

По мере развития у древних животных конечностей, способных выдерживать вес, их плечи нуждались в большей независимости от черепа. Разделение этих двух структур, возможно, помогло передним конечностям отталкиваться от земли и поддерживать тело.

Таким образом, шея, возможно, изначально появилась в результате изменений в функциях конечностей, а не как адаптация к движениям головы. Жесткость могла даже оказаться полезной, повысив эффективность плавания и помогая телу противостоять силе тяжести.

«Мы знаем, что четвероногие в конечном итоге приобрели большую подвижность шеи, поэтому эти результаты сдвигают этот процесс приобретения функции вперед во времени и вверх по эволюционному древу от того места, где мы ранее считали, что он произошел», — поясняет Корнейзель. «Очевидно, в конечном итоге это оказалось выгодным, но для этих ранних четвероногих это преимущество еще не было доступно из-за ограничений их анатомии».

Исследователи признают, что их оценки не учитывают все ограничения, присущие живым организмам. Мышцы, кожа, ребра и костные пластины могли дополнительно ограничивать движения. Жабры также могли затруднять сгибание.

Чтобы проверить свой метод, команда исследовала западноафриканских двоякодышащих рыб, которые во время кормления могут поднимать голову примерно на 5 градусов. Их модель предсказала смещения на 5,25 или 8,75 градуса, что достаточно близко к более ранним наблюдениям.

Точное время, когда у позвоночных развилась более гибкая шея, остается неизвестным. У более поздних животных развились сложные суставы, для изучения которых требуются другие методы.

На данный момент результаты исследований позволяют предположить, что одна из самых полезных особенностей нашего тела изначально развивалась не для тех целей, которые мы связываем с ней сегодня. Ранние животные обрели шею задолго до того, как получили возможность свободно осматриваться.