Новое исследование проливает свет на эволюционные силы, заставившие лошадей развить один палец

Если вы хотите понять историю современных лошадей, начните с их пальцев.

Имея всего по одному пальцу на ноге, лошади являются чем-то вроде исключения в животном мире, но так было не всегда. Как бы сложно это ни представить, их самые ранние предки были размером с небольшую собаку и имели по три пальца на передних ногах и по четыре на задних.

Ученые из Гарварда проливают новый свет на то, что вызвало эти изменения. В новом исследовании они показывают, что двойное давление увеличения массы тела и уменьшения боковых пальцев заставило средние пальцы ранних лошадей стать значительно прочнее и лучше сопротивляться нагрузкам. Исследование описано в статье, опубликованной 23 августа в Proceedings of the Royal Society B.

«История, рассказываемая в большинстве учебников и музеев, такова: по мере того как луга постепенно вытесняли леса, лошади становились крупнее и сокращали количество пальцев до одного», — говорит первый автор Брианна МакХорс, аспирант, работающая в лабораториях доцента Стефани Пирс и профессора Эндрю Бьюэнера на кафедре организменной и эволюционной биологии.

Предполагается, что давление отбора в новой открытой местности привело к этим изменениям в редукции пальцев и массе тела, но каковы лежащие в основе механические последствия стояния на одном пальце? Когда в эволюции лошадей их боковые пальцы стали нефункциональными?

Чтобы количественно проверить эти вопросы, команда выполнила микро-КТ-сканирование 12 видов ископаемых лошадей, а затем использовала инженерный анализ «изгиба балки», чтобы рассчитать, какой стресс испытывали кости нижних конечностей каждого вида во время нормального движения и бега на высокой скорости. Данные о напряжении затем сравнивались с пределом прочности кости на разрушение.

«Мы оценивали напряжение в кости двумя способами. Первый — предположить нагрузку в виде массы тела на центральный палец, что соответствует опыту ныне живущих лошадей, но это игнорирует потенциальную несущую способность боковых пальцев более ранних лошадей, — объясняет МакХорс. — Второе, что мы сделали, — это масштабировали эту нагрузку относительно размера боковых пальцев, так что чем больше были эти пальцы, тем больше нагрузки они снимали с центрального пальца».

Результаты показали, что для многих ранних видов лошадей эти боковые пальцы играли критическую роль, помогая нести часть веса животного, чтобы избежать опасного уровня напряжения — и потенциального перелома кости — на их среднем пальце.

Но по мере того, как лошади продолжали эволюционировать в сторону увеличения размеров тела, ситуация начала меняться.

«По мере увеличения массы тела и уменьшения боковых пальцев средний палец компенсировал это, изменяя свою внутреннюю геометрию, что позволило когда-то более крупным видам лошадей в конечном итоге стоять и двигаться на одном пальце, — говорит Пирс. — Кость внутри несущего пальца у более поздних лошадей была распределена дальше от центра его поперечного сечения, что позволяло ей лучше сопротивляться изгибу. Общее количество костной ткани также увеличилось, что позволило ей лучше сопротивляться как сжатию, так и изгибу, что имеет критическое значение для животных с большой массой тела».

В конечном счете, исследование предлагает наиболее ясную на сегодняшний день историю не только того, как, но и почему лошади взяли общую эволюционную тему, такую как редукция пальцев, и — буквально — побежали с ней.

«Редукция пальцев — повторяющаяся тема на протяжении всей эволюции, но доведение ее до одного пальца... является необычной стратегией, и на самом деле лошади — единственное живое монодактильное [однопалое] животное, — отмечает МакХорс. — Несмотря на это, лошади могут делать довольно высокопроизводительные вещи — они могут бегать на высокой скорости, прыгать и очень быстро уворачиваться в сторону, а при должной подготовке могут преодолевать 100 миль в день. И многие люди не осознают, что они делают все это на одном пальце».