Перші хребетні, які майже 380 мільйонів років тому вибралися з води на суходіл, ймовірно, мали дуже обмежену рухливість голови. Нове дослідження показує, що їхні шиї були напрочуд жорсткими, що суперечить давній гіпотезі про те, що шия еволюціонувала насамперед для вільного повертання голови. Замість цього відокремлення голови від плечей могло з’явитися як частина загальної перебудови скелета, що дала змогу тілу спиратися на передні кінцівки.
Про це йдеться в роботі міжнародної команди біологів і палеонтологів, яку описує ScienceDaily. Дослідники поєднали нові дані з викопних решток, експерименти на сучасних рибах і комп’ютерні моделі, щоб відтворити, як працювала шия у найдавніших наземних тварин.
Як виникла «класична» версія про еволюцію шиї
Тривалий час вважалося, що шия у ранніх тетраподів — предків усіх чотириногих хребетних — з’явилася для того, щоб тварини на мілководді та на суші могли краще оглядати простір, шукати здобич і помічати загрози. Гнучка шия мала дозволяти повертати голову вбік і донизу без потреби розвертати все тіло.
У більшості сучасних риб немає виразної шиї: плечовий пояс безпосередньо з’єднаний із черепом, тому для зміни напрямку погляду риба зазвичай повертає всім тілом. Тож логічною здавалася думка, що відділення голови від плечей стало важливим етапом на шляху до більшої рухливості.
Проблема в тому, що критично важлива частина скелета цих древніх тварин — м’якотканинна частина хребта — майже не зберігається у викопному стані. Через це довгий час залишалося незрозумілим, наскільки насправді гнучкими були їхні шиї.
Tiktaalik і інші «перехідні» риби
Найкращі свідчення переходу від води до суші надходять із девонських риб віком 420–360 мільйонів років. Вони поєднували риси водних тварин і ознаки, властиві наземним формам: зокрема мали посилені плавці, здатні частково витримувати вагу тіла, і перші відокремлені від плечей черепи.
Класичний приклад — Tiktaalik (Тіктаалік), скам’янілі рештки якого знайшли на острові Елсмір у Канадській Арктиці. Ця риба тісно споріднена з ранніми наземними хребетними, тому її анатомія дозволяє відновити важливі етапи еволюції: перехід від всмоктування їжі у воді до кусання на суші, від плавання до крокування і, як вважалося, появу рухливої шиї.
Десятиліттями було «розумно припускати», що відокремлення голови й плечей у Tiktaalik та споріднених форм означало суттєве зростання рухливості голови — і що саме це було еволюційним «двигуном» появи шиї. Нові дані змусили переглянути цю логіку.
Осетри як «жива аналогія» до давніх хребтів
Ключем до розв’язання загадки стали осетри — сучасні риби, яких інколи називають «живими викопними». Хребет ранніх тетраподів дуже відрізнявся від більшості сьогоднішніх хребетних. Замість низки великих кісткових хребців із суглобами їхній хребет був побудований навколо потужної нотохорди — довгого гнучкого тяжа з м’яких тканин, що проходить крізь хребтовий стовп.
Окремі хребці в таких тварин були невеликими й розміщувалися навколо великої трубки м’якої тканини. Це означає інший розподіл навантажень і потенційну гнучкість, але оцінити її напряму за скам’янілостями важко. Саме тут стали в пригоді осетри, у яких хребет і досі побудований за схожим принципом, з виразною нотохордою.
Дослідники виміряли жорсткість і механічні властивості нотохорди у сучасних осетрів. Отримані параметри вони використали в математичних моделях, де відтворили скелет викопних тварин, зокрема Tiktaalik та інших ранніх тетраподів. Так вдалося розрахувати, наскільки насправді могла рухатися їхня шия.
Моделювання показало майже нерухому шию
Результати виявилися неочікуваними. Навіть за умови, що череп уже був відокремлений від плечового поясу, будова хребта сильно обмежувала рухливість. Перші шиї були набагато жорсткішими, ніж вважали раніше.
Моделі показали, що більшість досліджених тварин отримували дуже незначний виграш у можливості повертати голову. Піднімати її вгору вони могли не краще, а інколи й гірше за звичайних риб. Типове для сучасних наземних хребетних «кручення» головою вбік, на кшталт нашого жесту «ні», у цих істот взагалі було недосяжним.
Автори роботи наголошують, що навіть ці скромні оцінки можуть бути завищеними. Моделі враховували лише механічні властивості самого хребта, тоді як м’язи, шкіра та кісткові пластинки в шкірі деяких ранніх тетраподів могли ще більше «зажорстити» шию.
Шия як побічний продукт переходу до ходьби
У сукупності дані вказують на інший сценарій еволюції. Відокремлення черепа від плечей могло спершу з’явитися не через потребу краще крутити головою, а як супровід глибших змін скелета, що дозволяли переднім кінцівкам підтримувати тіло й рухати його вперед.
Інакше кажучи, шия могла бути наслідком адаптацій до нового способу пересування, а не окремою пристосувальною відповіддю на потребу ширшого огляду. Значна гнучкість шиї, яка сьогодні дає очевидну перевагу наземним хребетним, ймовірно, еволюціонувала пізніше — на вже сформованій «базовій конструкції» шиї.
Робота також підкреслює важливу роль нотохорди в еволюції тварин. Хребти, у яких домінує ця структура, нині трапляються рідко, але в минулому були поширені. Вивчення сучасних видів із подібною анатомією, як-от осетри, допомагає реконструювати, як рухалися та поводилися давно вимерлі істоти.
Дослідники поєднали дані викопних решток, експериментів на живих рибах і біомеханічного моделювання, щоб переосмислити одну з ключових «історій» про еволюцію нашого власного тіла. Адже шия — структура, без якої важко уявити людину й більшість сучасних хребетних, — могла з’явитися зовсім не для того, для чого ми довго думали.