Создать аккаунт
Главные новости » Наука и технологии » Ученые выяснили, как млекопитающие перешли к прямохождению

Ученые выяснили, как млекопитающие перешли к прямохождению

0

Фото из открытых источников
Наземные животные демонстрируют континуум положений конечностей — от «распластанного», когда конечности вытянуты в стороны от тела, как у ящериц, до «вертикального» или «прямостоячего», когда конечности находятся под телом и близко к средней линии животного, как у собак, кошек и лошадей. Вертикальное положение характерно для большинства современных млекопитающих, но когда эта ключевая черта развилась?
 
Млекопитающие, включая людей, выделяются своей характерной вертикальной осанкой, ключевой чертой, которая подпитывала их впечатляющий эволюционный успех. Однако самые ранние известные предки современных млекопитающих больше напоминали рептилий, с конечностями, вытянутыми в стороны в раскинутой позе.
 
Переход от разваленной позы, как у ящериц, к вертикальной позе современных млекопитающих, как у людей, собак и лошадей, ознаменовал поворотный момент в эволюции. Он включал в себя крупную реорганизацию анатомии конечностей и функций у синапсидов — группы, которая включает как млекопитающих, так и их предков, не являющихся млекопитающими, — в конечном итоге приведшую к появлению териевых млекопитающих (сумчатых и плацентарных), которых мы знаем сегодня. Несмотря на более чем столетие исследований, точное «как», «почему» и «когда» за этим эволюционным скачком осталось неясным.
 
Теперь, в новом исследовании, опубликованном в Science Advances, исследователи из Гарварда предлагают новые идеи по этой тайне, показывая, что переход от разваленного положения к вертикальному у млекопитающих был совсем не простым. Используя передовые методы, которые сочетают данные об ископаемых с передовым биомеханическим моделированием, исследователи обнаружили, что этот переход был на удивление сложным и нелинейным и произошел гораздо позже, чем считалось ранее.
 
Ведущий автор Питер Бишоп, научный сотрудник, и старший автор профессор Стефани Пирс начали с изучения биомеханики пяти современных видов, которые представляют полный спектр положений конечностей, включая ящерицу тегу (распластанную), аллигатора (полувертикальную) и борзую (вертикальную).
 
«Изучив эти современные виды, мы значительно улучшили наше понимание того, как анатомия животного связана с тем, как оно стоит и двигается», — сказал Бишоп. «Затем мы смогли поместить это в эволюционный контекст того, как на самом деле менялись осанка и походка от ранних синапсидов до современных млекопитающих».
 
Исследователи расширили свой анализ до восьми образцов ископаемых видов с четырех континентов, охватывающих 300 миллионов лет эволюции. Виды варьировались от 35-граммового протомлекопитающего Megazostrodon до 88-килограммового Ophiacodon и включали таких знаковых животных, как парусный Dimetrodon и саблезубый хищник Lycaenops . Используя принципы из физики и инженерии, Бишоп и Пирс построили цифровые биомеханические модели того, как мышцы и кости крепились друг к другу. Эти модели позволили им создать симуляции, которые определяли, какую силу задние конечности (задние ноги) могли прикладывать к земле.
 
«Количество силы, которую конечность может приложить к земле, является критическим фактором, определяющим локомоторную эффективность животных», — сказал Бишоп. «Если вы не можете производить достаточно силы в заданном направлении, когда это необходимо, вы не сможете бежать так быстро, поворачиваться так быстро или, что еще хуже, вы можете упасть».
 
Компьютерное моделирование создало трехмерное «пространство возможных сил», которое отражает общую функциональную производительность конечности. «Вычисление пространств возможных сил неявно учитывает все взаимодействия, которые могут происходить между мышцами, суставами и костями по всей конечности», — сказала Пирс. «Это дает нам более четкое представление о более широкой картине, более целостное представление о функции конечности и локомоции и о том, как они развивались на протяжении сотен миллионов лет».
 
Хотя концепция возможного пространства сил (разработанная биомедицинскими инженерами) существует с 1990-х годов, это исследование является первым, которое применяет ее к ископаемым остаткам, чтобы понять, как когда-то двигались вымершие животные. Авторы упаковали симуляции в новые «дружественные к ископаемым» вычислительные инструменты, которые могут помочь другим палеонтологам в исследовании их собственных вопросов. Эти инструменты также могут помочь инженерам разрабатывать более совершенных био-вдохновленных роботов, которые могут перемещаться по сложной или нестабильной местности.
 
Исследование выявило несколько важных «сигналов» локомоции, включая то, что общая способность генерировать силу у современных видов была максимальной вокруг поз, которые каждый вид использовал в своем повседневном поведении. Важно, что это означало, что Бишоп и Пирс могли быть уверены, что результаты, полученные для вымерших видов, действительно отражают то, как они стояли и двигались при жизни.
 
Проанализировав вымершие виды, исследователи обнаружили, что локомоторная активность достигала пика и падала в течение миллионов лет, а не прогрессировала простым линейным образом от раскинутого до вертикального положения. Некоторые вымершие виды также оказались более гибкими — могли переключаться между более раскинутыми и более вертикальными позами, как это делают современные аллигаторы и крокодилы. В то время как другие показали сильный разворот в сторону более раскинутых поз до того, как эволюционировали млекопитающие. В сочетании с другими результатами исследования это указывало на то, что черты, связанные с вертикальной осанкой у современных млекопитающих, развились гораздо позже, чем считалось ранее, скорее всего, недалеко от общего предка териев.
 
Эти результаты также помогают примирить несколько нерешенных проблем в палеонтологической летописи. Например, это объясняет сохранение асимметричных рук, ног и суставов конечностей у многих предков млекопитающих, черты, обычно связанные с раскинутыми позами среди современных животных. Это также может помочь объяснить, почему окаменелости ранних предков млекопитающих часто находят в сжатой, распластанной позе орла — позе, которая с большей вероятностью достигается с раскинутыми конечностями, в то время как современные плацентарные и сумчатые окаменелости обычно находят лежащими на боку.
 
«Для меня как для ученого очень приятно, когда один набор результатов может помочь пролить свет на другие наблюдения, приближая нас к более всестороннему пониманию», — сказал Бишоп.
 
Пирс, чья лаборатория изучала эволюцию плана тела млекопитающих почти десятилетие, отмечает, что эти результаты согласуются с закономерностями, наблюдаемыми в других частях тела синапсида, например, в позвоночнике. «Вырисовывается картина, что полный набор типичных териевых черт был собран в течение сложного и длительного периода, причем полный набор был достигнут относительно поздно в истории синапсида», — сказала она.
 
Помимо млекопитающих, исследование предполагает, что некоторые основные эволюционные переходы, такие как переход к вертикальному положению, часто были сложными и потенциально находились под влиянием случайных событий. Например, сильное изменение позы синапсидов, обратно к более раскинутым позам, по-видимому, совпадает с пермско-триасовым массовым вымиранием, когда 90% жизни было уничтожено. Это вымирание привело к тому, что другие группы, такие как динозавры, стали доминирующими группами животных на суше, оттеснив синапсидов обратно в тень. Исследователи предполагают, что из-за этой «экологической маргинализации» эволюционная траектория синапсидов могла измениться настолько, что изменила способ их передвижения.
 
Независимо от того, подтвердится ли эта гипотеза или нет, понимание эволюции позы млекопитающих долгое время было сложной загадкой. Пирс подчеркнула, как достижения в области вычислительной мощности и цифрового моделирования предоставили ученым новые перспективы для решения этих древних загадок. «Использование этих новых методов с древними окаменелостями позволяет нам лучше понять, как развивались эти животные, и что это была не просто эта простая линейная эволюционная история», — сказала она. «Это было действительно сложно, и эти животные, вероятно, жили и двигались в своей среде обитания способами, которые мы раньше не ценили. Многое происходило, и млекопитающие сегодня действительно весьма особенные».
0 комментариев
Обсудим?
Смотрите также:
Продолжая просматривать сайт politus.ru вы принимаете политику конфидициальности.
ОК