Почему эволюция «перестаралась» со сращиванием костей у прыгающих грызунов

У мелких прыгающих грызунов (тушканчиков) кости стопы разделены, а у их более крупных родственников — сращены. Исследователи из Мичиганского университета и Калифорнийского университета в Сан-Диего решили выяснить причину.

Оказалось, что, раз начавшись, эволюционный процесс сращивания костей у тушканчиков «проскочил» оптимальную степень сращения — ту, которая лучше всего рассеивает нагрузки от прыжков и приземлений — и пришёл к полному сращению.

Это открытие может помочь в проектировании ног роботов, способных выдерживать высокие нагрузки, связанные с быстрыми и резкими движениями.

Тушканчики — пустынные грызуны, которые прыгают на двух ногах, чтобы спастись от хищников. У разных видов тушканчиков эти ноги могут сильно отличаться: есть виды весом всего 3 грамма и виды весом 400 граммов. У более тяжёлых видов сильно различаются кости стопы (плюсневые кости). У лёгких тушканчиков, как и у большинства других млекопитающих (включая человека), плюсневые кости разделены.

«Мы хотели выяснить, почему сросшиеся кости встречаются только у более крупных тушканчиков», — говорит Карла Натали Вильясис Нуньес, докторант кафедры машиностроения Мичиганского университета и первый автор исследования в Proceedings of the Royal Society B.

«Мы обнаружили, что сросшиеся кости испытывают меньшее напряжение, чем раздельные, что укрепляет их против более высоких нагрузок. Но мы также выяснили, что частично сросшиеся кости испытывают ещё меньшее напряжение, чем полностью сросшиеся. Одна из гипотез заключается в том, что у тушканчиков с полным сращением произошёл «эволюционный перебор».

Чтобы изучить работу костей у разных видов, исследователи выполнили микро-КТ-сканирование музейных образцов, построили 3D-модели плюсневых костей в программном обеспечении, масштабировали их до одинакового размера и провели стресс-тесты, имитируя удар о поверхность, сгибание и отталкивание при прыжке.

• У мелких тушканчиков три отдельные плюсневые кости, которые способны выдерживать небольшой вес грызуна даже при прыжках с высокой ударной нагрузкой.
• У более поздних, крупных видов тушканчиков эти три кости полностью срослись в одну.
• У видов среднего веса наблюдается промежуточный вариант: плюсневая кость с внутренними остатками границ между костями, где сращение произошло частично, — как связка палочек.

«Наша междисциплинарная команда применила передовые инженерные методы, чтобы разгадать эволюционную загадку», — говорит Талия Мур, доцент кафедры робототехники Мичиганского университета и старший автор исследования.

«Эволюция достигла выгодной точки частично сросшейся геометрии, но затем, возможно, эволюционный импульс продолжился, приведя к полному сращению плюсневых костей. Поскольку полностью сросшиеся кости всё ещё достаточно прочны, чтобы не ломаться, вероятно, не было эволюционного давления, чтобы остановить сращение».

Исследователи отмечают, что подобный анализ может помочь выявить и другие изменения скелета, которые компенсировали переход видов от ходьбы на четырёх ногах (четвероногости) к двуногому передвижению.

«Хотя кенгуру, приматы и другие грызуны независимо перешли к двуногому передвижению, динамика их locomotion и связанные с этим сдвигом анатомические изменения в каждом случае довольно разные», — говорит Эндрю Рэй, студент-бакалавр, изучающий материаловедение и инженерию в лаборатории Мура.

«С помощью аналогичного анализа мы могли бы смоделировать, какие напряжения испытывали кости стопы вымерших предков человека при ходьбе, беге или других видах передвижения».

Ещё одним автором работы является Кимберли Купер, профессор биологии развития Калифорнийского университета в Сан-Диего, которая вместе с Мур сформулировала идею проекта во время отдельного исследования, посвящённого эволюции и развитию сращения плюсневых костей у тушканчиков. Экспертиза Купер была ключевой для понимания эволюционных последствий полученных результатов.