Ребра эволюционировали сначала для движения, а затем были использованы для дыхания
При переходе ранних тетрапод из воды на сушу способ их воздушного дыхания претерпел эволюционную революцию. Рыбы используют мышцы головы для прокачки воды через жабры. Первые наземные животные использовали похожую технику — современные лягушки всё ещё используют голову и горло, чтобы протолкнуть воздух в лёгкие. Затем произошла ещё одна крупная трансформация в эволюции позвоночных, которая перенесла дыхание из головы в туловище. У рептилий и млекопитающих рёбра расширяются, создавая пространство в грудной клетке для вдоха. Но что вызвало этот сдвиг?
Новое исследование, опубликованное 12 мая в Scientific Reports, выдвигает новую гипотезу: промежуточный шаг был обусловлен локомоцией.
Когда ящерицы ходят, они изгибаются из стороны в сторону при стелющейся походке. Рёбра и позвонки имеют решающее значение для этого движения, но до сих пор было неясно, как именно. Исследователи зафиксировали трёхмерное движение рёбер и позвонков ящериц с помощью XROMM — комбинации КТ-сканирования и рентгеновского видео. Они записали трёх капских варанов и трёх аргентинских черно-белых тегу, медленно идущих по беговой дорожке. Полученные изображения показали, что при изгибе позвоночника каждое ребро у обоих видов существенно вращалось вокруг своего сустава с позвонком, попеременно скручиваясь вперёд на одной стороне тела и назад на другой с каждым шагом. Механика почти точно повторяет паттерн, наблюдаемый при вдохе и выдохе у рептилий.
«Это действительно захватывающе, потому что у нас раньше не было правдоподобных гипотез о том, как эволюционировало рёберное дыхание», — сказал первый автор Роберт Чиери. «Мы предполагаем, что эти движения рёбер сначала возникли для облегчения передвижения, а затем были использованы для дыхания».
Почему ящерица перешла дорогу? Чтобы перевести дыхание.
Рептилии, птицы и млекопитающие (все амниоты) используют костальную аспирацию, при которой рёбра и позвонки контролируют дыхание, расширяясь и сжимаясь. Движение обеспечивается вращением рёбер вокруг вертеброкостальных суставов — мест соединения рёбер и позвонков. Возможно, ранний предок амниот сначала использовал эти движения рёбер для усиления латеральной извилистости — бокового движения туловища, которое помогает продвигать ящерицу вперёд.
Новое исследование показало, что во время фазы опоры (когда нога отталкивается от земли) рёбра на той же стороне тела вращаются к голове, а во время фазы переноса (когда нога в воздухе) — к хвосту. Это имитирует то, что учёные ранее наблюдали при вдохе и выдохе, но теперь одновременно с обеих сторон.
Авторы предполагают, что движения рёбер и повышенная подвижность рёберных суставов эволюционировали во время локомоции для увеличения длины шага, удержания грудной клетки в устойчивом положении или как пассивный результат движения рёбер, предотвращающего их скученность при изгибе тела. В какой-то момент ранние амниоты развили способность выполнять эти движения рёбер одновременно с обеих сторон, что позволило расширять и сжимать туловище для поддержки вдоха и выдоха.
«Аспирационное дыхание было одним из ключевых новшеств, позволивших амниотам диверсифицироваться на суше. Мы были удивлены и в восторге, обнаружив в исследовании локомоции ключи к тому, как оно эволюционировало», — сказала соавтор Элизабет Брейнерд.