Ископаемая нервная система указывает на морское происхождение пауков и их родственников

Новый анализ великолепно сохранившейся окаменелости возрастом полмиллиарда лет предполагает, что арахниды (пауки и их ближайшие родственники) эволюционировали в океане. Это ставит под сомнение широко распространённое мнение, что их диверсификация произошла только после того, как их общий предок завоевал сушу.

Пауки и скорпионы существуют около 400 миллионов лет, почти не изменившись. Вместе с другими членистоногими, объединёнными в группу арахнид, они доминировали на Земле как самая успешная группа членистоногих-хищников. Исходя из их палеонтологической летописи, считалось, что арахниды жили и диверсифицировались исключительно на суше.

В исследовании под руководством Николаса Страусфельда из Университета Аризоны, опубликованном в Current Biology, учёные из США и Великобритании провели детальный анализ окаменелых структур мозга и центральной нервной системы вымершего животного Mollisonia symmetrica.

До сих пор считалось, что оно представляет собой предкового представителя конкретной группы членистоногих — хелицеровых, которые жили в кембрийский период (от 540 до 485 миллионов лет назад) и включали предков современных мечехвостов.

К своему удивлению, исследователи обнаружили, что нейронная организация окаменелого мозга Mollisonia устроена не так, как у мечехвостов, как можно было бы ожидать, а идентично организации у современных пауков и их родственников.

«До сих пор активно обсуждается, где и когда впервые появились арахниды, кем были их предки среди хелицеровых, и были ли они морскими или полуводными, как мечехвосты», — сказал Страусфельд.

Внешне Mollisonia напоминает других ранних хелицеровых из нижнего и среднего кембрия: её тело состоит из двух частей — широкого округлого «карапакса» спереди и крепкого сегментированного туловища, заканчивающегося широкой хвостоподобной структурой.

Некоторые учёные отмечали сходство этой организации тела (карапакс спереди, за которым следует сегментированное туловище) с планом строения тела скорпиона. Но никто не утверждал, что Mollisonia была чем-то более экзотичным, чем базальный хелицеровый, даже более примитивным, чем предок мечехвоста.

Ключевое открытие — окаменелая нервная система

То, что указало Страусфельду и его коллегам на статус Mollisonia как арахнида, — это её окаменелый мозг и нервная система. Как у пауков и других современных арахнид, передняя часть тела Mollisonia (просома) содержит радиальный рисунок сегментарных ганглиев, контролирующих движения пяти пар сегментарных конечностей.

Помимо этих черт, сходных с арахнидами, у Mollisonia также обнаружен несегментированный мозг, от которого отходят короткие нервы к паре клешневидных «когтей», напоминающих хелицеры (клыки) пауков и других арахнид.

Но решающей особенностью, демонстрирующей принадлежность к арахнидам, является уникальная организация мозга Mollisonia. Она обратна передне-заднему расположению, которое наблюдается у современных ракообразных, насекомых, многоножек и даже мечехвостов (например, рода Limulus).

«Как будто мозг типа Limulus, который мы видим у кембрийских окаменелостей, или мозг предковых и современных ракообразных и насекомых, перевернули задом наперёд — именно это мы видим у современных пауков», — пояснил Страусфельд.

По словам соавтора Фрэнка Хёрта из Королевского колледжа Лондона, это может быть ключевым эволюционным достижением. Исследования мозга современных пауков показывают, что такое обратное расположение обеспечивает короткие пути от центров нейронного контроля к нижележащим цепям, координирующим удивительный репертуар движений паука (или его родственника).

Такая организация, вероятно, обеспечивает скрытность при охоте, быстроту преследования и, в случае пауков, изысканную ловкость при плетении паутины для поимки добычи.

«Это важный эволюционный шаг, который, по-видимому, является исключительной чертой арахнид, — сказал Хёрт. — И уже у Mollisonia мы определили области мозга, соответствующие живым видам, что позволяет нам предсказать общий для всех членистоногих генетический базис».

«Мозг арахнид не похож ни на какой другой мозг на этой планете, — добавил Страусфельд. — И это говорит о том, что его организация как-то связана со скоростью вычислений и контролем двигательных действий».

Эволюционные последствия

По словам Страусфельда, первыми существами, вышедшими на сушу, вероятно, были многоножкоподобные членистоногие и, возможно, некоторые предковые насекомоподобные существа — эволюционная ветвь ракообразных.

«Можно предположить, что арахнид, подобный Mollisonia, также приспособился к наземной жизни, сделав ранних насекомых и многоножек своим ежедневным рационом», — сказал он. Он добавил, что первые арахниды на суше могли способствовать эволюции критического защитного механизма у насекомых — крыльев, а значит, полёта и способности к бегству.

«Способность летать даёт серьёзное преимущество, когда за тобой гонится паук, — сказал Страусфельд. — Тем не менее, несмотря на свою воздушную мобильность, насекомые всё ещё попадаются миллионами в изысканные шёлковые сети, сплетённые пауками».

Методология исследования

Для исследования Страусфельд работал в Музее сравнительной зоологии Гарвардского университета, где хранится образец Mollisonia. Он сделал множество фотографий при различном освещении, интенсивности и поляризации света, а также при разном увеличении.

Чтобы исключить возможность того, что сходство между мозгом Mollisonia и пауков является результатом параллельной эволюции (то есть совпадением, а не унаследованным от общего предка), соавтор Дэвид Эндрю провёл статистический анализ, сравнив 115 нейронных и связанных с ними анатомических признаков у вымерших и ныне живущих членистоногих.

Результаты поместили Mollisonia в качестве сестринской группы современных арахнид, что дополнительно подтверждает идею, что линия Mollisonia дала начало кладе, которая сегодня включает пауков, скорпионов, сольпуг, телифонов и многоветвисток, среди многих других.

К сожалению, другие Mollisonia-подобные членистоногие не сохранились таким образом, чтобы можно было провести детальный анализ их нервной системы. Но если у них был такой же уникальный тип мозга, предполагают авторы, их потомки могли дать начало различным наземным линиям, которые сегодня составляют различные ветви древа жизни арахнид.