Инструкция к черепу крокодилов

Черепная коробка крокодилов имеет уникальное строение. В отличие от эволюционных родственников (птиц и чешуйчатых), у крокодилов все кости мозговой коробки жёстко срощены, образуя акинетическую структуру. В ходе эволюции это позволило развить мощные челюсти и усилие укуса, благодаря чему крокодилы смогли раскалывать панцири ракообразных и черепах, охотиться на рыб и наземных животных, включая динозавров. Это помогло им занять нишу хищников и дожить до наших дней.

Строение мозговой коробки крокодилов изучено хуже других частей черепа. Причина — до недавнего времени не было возможности детально исследовать сложную акинетическую структуру, не повредив ценный коллекционный образец. Кроме того, в уже известных данных царит путаница в терминах и названиях, что осложняет работу исследователей эволюции крокодилов.

Аспирант СПбГУ Иван Кузьмин вместе с коллегами из СПбГУ, Палеонтологического института им. А. А. Борисяка РАН, Научно-практического клинического центра диагностики и телемедицинских технологий Департамента здравоохранения Москвы и Смитсоновского института (США) решили исправить эту ситуацию. Для этого они использовали компьютерную томографию и специальную программу 3D-визуализации, чтобы создать и изучить 3D-модели 75 мозговых коробок современных крокодилов. Это позволило, не повреждая коллекционные образцы, буквально разобрать их по косточкам и изучить каждую деталь. Дополнительно учёные проанализировали научные работы, описывающие строение мозговой коробки, начиная с начала XIX века (самая ранняя изученная статья датирована 1821 годом).

В результате исследователи составили сводную таблицу, присвоив название каждой структуре в мозговой коробке крокодилов. «Наша работа — первая, в которой эта часть черепа подробно описана и приведён полный упорядоченный список всех её деталей. Мы ввели некоторые термины, например, названия костных отростков в слуховой области. В одних случаях потому, что до нас структуры были названы неверно, в других — потому что мы обнаружили новые элементы», — отмечает ведущий автор исследования, магистр СПбГУ Иван Кузьмин.

Изучая 3D-модели, учёные обнаружили ранее неизвестные эволюционные особенности. Новые данные могут помочь лучше понять строение скелета крокодилов и разрешить противоречия вокруг генеалогического древа рептилий. Дело в том, что почти 30 лет молекулярные биологи и палеонтологи не могут договориться о последовательности расположения видов крокодилов на эволюционном дереве. Например, на основе исследований генов молекулярные биологи предполагают, что наиболее базальными являются аллигаторы, а палеонтологи, изучая ископаемые остатки, приходят к выводу, что наиболее примитивны гавиалы. «В будущем мы планируем провести филогенетический анализ и на его основе разрешить этот конфликт, — говорит Иван Кузьмин. — Первоначальные предположения показывают, что, возможно, правы молекулярные биологи».

Также в ходе исследования авторы выяснили, благодаря каким механизмам развития мозговая коробка крокодилов приобрела акинетическое строение. Учёные сравнили эволюцию мозговой коробки у ископаемых родственников крокодилов (крокодиломорфов) с развитием мозговой коробки у эмбрионов современных животных. Они выяснили, что в области мозговой коробки крокодилов, в отличие от ящериц и птиц, на начальных этапах онтогенеза появляются дополнительные структуры.

«Кости у эмбриона формируются двумя способами: эндохондральным и дермальным. В первом случае сначала появляется хрящ, затем он окостеневает. Во втором — кости изначально формируются как кости, — объясняет Иван Кузьмин. — Большая часть мозговой коробки у всех животных формируется по эндохондральному пути. Однако у крокодилов всё оказалось иначе. Помимо структур, которые формируются путём эндохондрального окостенения, у них появляются новые элементы, которые эмбрионально формируются в виде дермальных окостенений. То есть к хрящевым структурам, как в конструкторе LEGO, прикрепляются новые костные блоки, которых нет у других животных. При дальнейшем развитии эмбриона хрящи превращаются в кости, и всё срастается в единую структуру. Вероятно, те же эмбриональные процессы происходили и на ранних этапах эволюции крокодиломорфов».